中小型抽水蓄能電站合理發展探討

于倩倩，楊德權，徐玲君，趙杰君

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；

2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；

3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

以“碳中和，碳達峰”戰略目標為驅動，可再生能源將逐步成為未來我國能源和電力工業發展的增量主體。建設以新能源為主體的新型電力系統，提升電網安全穩定、靈活高效的運行能力，保證優質高效的電力供應，將是我國實現高質量發展的重要支撐。抽水蓄能電站是電網智能化發展的重要組成部分，在滿足新時期電力系統多元需求方面發揮著極為重要的作用[1]。截至2020年底，我國抽水蓄能電站已建3 149萬kW，在建5 373萬kW[2]，開發規模居世界首位，考慮電力系統的需求，中長期我國抽水蓄能電站裝機規模仍將大幅提升[3]。但目前大型抽水蓄能發展面臨諸多挑戰，行業可持續性嚴重受阻。隨著儲能技術和分布式新能源發展，科學評估與新型儲能設施規模相當的中小型抽水蓄能電站的發展潛力，分析熱點問題，對保證行業科學有序發展具有重要的意義。

本文以我國中小型抽水蓄能電站開發運行現狀為基礎，總結發展特點、功能效益和存在問題。秉持“因地制宜、需求導向、經濟合理”的基本原則，合理評估中小型抽水蓄能電站發展潛力，探討發展思路和措施建議，以期為項目投資決策和行業政策制定提供參考。

1 發展概況

1.1 開發利用現狀

中小型抽水蓄能電站是指裝機容量小于30萬kW的抽水蓄能電站(包含混合式電站)，其中裝機容量小于5萬kW的為小型抽水蓄能電站。早期中小型抽水蓄能電站多為試驗性建設，以混合式電站為主，工程多結合已建水利水電工程，通過改、擴建降低單位造價。在當時的系統規模下，中小型抽水蓄能電站發揮了較好的調峰填谷、調頻調相、事故備用等功能。隨著大范圍電力系統互聯，已建中小型抽水蓄能電站的功能作用愈發有限。因此，在抽水蓄能電站技術進步和國內工程經驗總結的基礎上，規模效益明顯的大型抽水蓄能電站成為我國發展的主流。

截至2020年底，我國已建中小型抽水蓄能電站裝機容量85萬kW，占已建抽水蓄能電站的比重不足3.0%。在建中小型抽水蓄能電站僅為安徽佛子嶺抽水蓄能電站(16萬kW)，但根據調研該項目目前已停工。

1.2 調度運營情況

中小型抽水蓄能電站一般由省級電網調度，其中，小型抽水蓄能電站主要承擔調峰填谷任務，保障小系統尖峰負荷供應；中型抽水蓄能電站可以發揮一定的調頻作用(羊卓雍湖抽水蓄能電站主要承擔調相任務)。受裝機容量限制，盡管中小型抽水蓄能電站具備一定的輔助服務能力，但在區域和省級電力系統中作用不大。

綜合系統中的功能定位，已建中小型抽水蓄能電站多采用單一電量電價，依靠抽發電量的電費差值獲得相應的電量收益，較少執行豐枯電價，電量損失自行承擔，無容量效益和其他輔助服務收入。為保證收益，運行中更傾向于采用增加抽水發電利用小時數運行，以分攤成本、創造利潤。但由于沒有合理的調度方式研究，部分采用早期國產機組的電站，機組故障率較高，維修次數多，電站虧損較嚴重。盡管少數電站開始執行兩部制電價，但電價實施效果不明顯。我國已建中小型抽水蓄能電站運營情況見表2。

表2 我國已建中小型抽水蓄能電站運營情況

1.3 發展特點分析

對比大型抽水蓄能電站以及其他調峰電源和儲能形式，中小型抽水蓄能電站主要有以下特點：

(1)選址布置靈活，接入系統便利。中小型抽水蓄能電站調節庫容較小、水頭相對較低，站址水源和地形地質條件適應性好，站點資源豐富且布局靈活，可以接近負荷中心布置，便于更好地發揮快速響應能力，以配合城市分布式供能系統的發展，與大型抽水蓄能電站形成互補開發格局?？删徒尤?10 kV或220 kV電網，滿足局部電網的儲能調峰需求，縮短線路走廊布局，減少輸電損失和建設投資。

(2)淹沒損失較少，生態環境友好。中小型抽水蓄能電站多結合已建水庫開發，建設征地和移民安置工作相對簡單，且由于樞紐規模小，容易避開環境敏感因素。相比大型工程，其環境評價工作便于推動，易于開展項目前期工作及建設實施。同時，對比化學儲能形式，抽水蓄能電站使用壽命長，且不存在設備回收和重金屬污染等問題，全生命周期的碳減排和生態環境效益突出。

(3)機組形式多樣，建設周期較短。中小型抽水蓄能電站機組類型可采用四機分置式、三機串聯式和二機可逆式等組合模式(即水泵、水輪機、發電機、電動機分開布置或與水泵水輪機、發電電動機組合布置)，降低機組研發、設備安裝和運行維護難度。由于電站水工建筑物等級低、樞紐布置比較簡單，建設工程量小，建設工期較短，4～5年左右可投入運行[5]，易于地方中小企業投資。

(4)功能作用受限，影響調度運營。受制于電站裝機容量較小，調節能力較弱，中小型抽水蓄能電站在大型電力系統中功能作用有限。為保障收益，電站多采用增加抽發利用的調度方式，影響機組壽命。混合式電站受到原工程灌溉、供水等綜合利用任務限制，設計功能難以發揮。此外，由于原水庫相關樞紐等級和施工標準較低，部分電站建成后，上下游梯級電站、水利樞紐的防洪能力與中小型抽水蓄能電站不匹配，調度運行受限，進一步降低工程使用效率。

(5)單位投資較高，收益模式單一。盡管多采用結合已建水電梯級或水利工程建設，但從現有資料看，已、在建中小型抽水蓄能電站的單位千瓦投資均高于同區域、同時期、同價格水平的大型抽水蓄能電站，略好于現階段同等規模的化學儲能、物理儲能等其他新型儲能方式。由于電站功能定位不同于常規電源或者準公益型水利項目，已建項目主要以電量電價收益進行投資回收，損失自擔，容量電價和輔助服務收益等模式尚未全面推廣，投資后成本回收存在較高風險。

2 發展潛力

2.1 站點資源條件

截至2020年底，我國已進行了25個省(區、市)的抽水蓄能選點規劃工作，對規劃范圍內大、中、小型抽水蓄能電站、混合式抽水蓄能電站以及海水抽水蓄能電站進行調查。考慮電力系統需求、站點資源條件，通過技術經濟綜合分析，共比選出82個推薦站點，均為大型抽水蓄能電站[3]。

目前國內未單獨進行系統性的中小型抽水蓄能電站資源普查，根據中小型抽水蓄能電站的特點，綜合近年來開展的選點規劃工作基礎進行分析可知，我國中小型抽水蓄能電站的站點數量和裝機容量規模非常可觀，同時資源分布范圍較大型站點更為廣泛，呈現“點多面廣”的特點，但前期工作和經濟性評估不夠深入。從分區域已開展研究的站點來看，華東區域浙江省、福建省，南方區域廣東省資源最為豐富，華北、東北和華中區域內資源較好，沿海地區和主要保護區資源較差，西北區域大部分省區及內蒙古等站點資源相對較少[2]，西南地區站點資源豐富，但應優先利用常規水電調節。

2.2 系統需求空間

隨著我國經濟發展進入新常態，電力負荷增速變緩，產業結構調整深化，系統峰谷差不斷加大。為完成能源革命戰略目標，我國未來新增電力需求將主要依靠可再生能源尤其是新能源發電滿足。通過系統需求空間分析，2030年我國抽水蓄能電站合理規模約為1.2億～1.4億kW[2]。中東部地區電力市場規模大，經濟承受能力強，在接受大量區外電力的同時，本地新能源發電和核電發展快，分散式風電和分布式光伏發電占比高，是抽水蓄能電站發展的重要區域[3]。

考慮開發經濟性和系統功能效益，在大電網中發展中小型抽水蓄能電站的優勢較弱，但對于線路走廊開辟困難地區、與主網連接較弱的邊緣地區、孤立電網以及海島電網等，布置少量的中小型抽水蓄能電站，聯合當地小型電源進行互補運行，可有效保障局部區域供電，提高電網分層分區運行能力。對新能源微網，可改善系統發電質量，提供安全、穩定、經濟、清潔的電力支撐。

2.3 技術可行性

中小型抽水蓄能電站的建設模式較多，除獨立新建電站外，可利用已建小水庫或流域梯級作為上下庫，或者結合已建水電站建設混合式電站，增加原電站調節能力。

從建設條件來看，由于裝機規模較小，中小型抽水蓄能電站需水量少，水源充足；樞紐布置容易避開不良地質體，工程地質條件要求相對寬松，樞紐布置簡單，防滲處理少；施工便利，如結合已建項目，對外交通條件好，施工場地布置方便；工程量小，料源儲量和質量較容易滿足要求，由于工期短，對已建工程運行影響不大；機電和金屬結構設備設計制造和運輸等均相對簡單；建設征地和移民安置總量較少，容易避讓環境敏感制約因素，整體環境影響小，有利于項目推進實施；電壓等級較低，接入系統方便，輸電距離近，線路投資較小。

綜上，考慮需求規模與布局需要，經綜合分析，建設中小型抽水蓄能電站技術難度較低。

2.4 開發經濟性

根據典型工程分析，我國中東部地區中小型抽水蓄能電站單位千瓦總投資約8 000～10 000元。與裝機容量相近的可規?；瘍δ苷{峰設施相比，中小型抽水蓄能電站單位千瓦投資高于超導磁儲能和超級電容儲能，與壓縮空氣接近；單位度電投資高于壓縮空氣儲能，但低于其他類型儲能設施。主要儲能技術對比見表3。

表3 主要儲能技術對比[6-7]

從運行資料分析，受多重因素影響，已投運的儲能電站實際轉換效率低于理論實驗值，約在65%，而已運行的抽水蓄能電站平均效率接近80%；此外，現階段儲能電站使用壽命約為6年，之后需要更新換代，產生再投資費用?？紤]儲能設施回收和運行壽命等因素，在滿足系統需求的前提下，中小型抽水蓄能電站的平均投資成本和運行成本高于大型抽水蓄能電站，但與儲能項目相比依然較低。盡管未來隨著技術迅猛發展，其他新型儲能形式的經濟性提升空間較大，但現階段，建設條件較好的中小型抽水蓄能電站具備與同等規模其他儲能形式的市場競爭能力。

3 發展建議

3.1 發展思路

根據電源結構特點和系統實際需求，結合區域范圍內的站點資源特點、建設可行性、開發經濟性等綜合分析，由于我國中小型抽水蓄能電站前期工作廣度與深度不足，總體經濟性不高，暫不具備全面鋪開大規模開發的條件，暫從系統內承擔的功能作用進行發展思路分析如下：

(1)配合新能源電站以及參與輔助服務的中小型抽水蓄能電站，由于功能效益有限，暫不考慮布局。應當優先深入研究優化調度方案，利用好已、在建輔助服務設施，保證功能效益充分發揮。

(2)保障輸配電及用戶側終端用能可靠性的中小型抽水蓄能電站，根據需求可分為兩個層次。首先，各負荷中心范圍內，應優先布局大型抽水蓄能電站，保證電力系統整體運行經濟性。其次，規模較小的獨立地方電網的負荷中心，可充分利用已有資源，在進行充分的技術經濟比較，論證具備優勢后，適當布局中小型抽水蓄能電站，實現分層次的合理運行調度。

(3)提升分布式發電、孤網、微網的運行能力的中小型抽水蓄能電站。從配合分布式新能源發電來看，分布式項目的主要聚集區，以系統統籌布局大型抽水蓄能電站最為經濟有效。而在孤網、微網中，應優先建設電網基礎設施和聯合供能體系，對于支撐電源無法推進實施，可合理配置中小型抽水蓄能電站，承擔支柱性電源作用。

綜上，在“因地制宜、需求導向、經濟合理”的條件下，中小型抽水蓄能電站主要應用于以下兩個方面。一是，對于短期內無法進行電力基礎設施連接，系統結構矛盾突出，嚴重影響安全穩定運行的孤立電網、微電網、海島電網等缺乏支柱性電源的區域，可以研究適當配置中小型抽水蓄能電站；二是，對于分布式可再生能源發展較多，電力系統需求空間較大的區域，可選擇研究布局開發條件較好的中小型獨立或混合式抽水蓄能電站；支持其他綜合利用項目的中小型抽水蓄能電站研究。

3.2 發展建議

(1)中小型抽水蓄能電站可以與新能源、常規電源、水利設施等組成聯營體，創新投融資模式，拓寬資金來源，共同投資聯合運營，調動中小型企業參與投資的積極性。針對項目綜合利用特點，分別制定合理的運營策略，在滿足系統需求條件的前提下，提升開發經濟性。

(2)統籌考慮電力系統結構性矛盾突出的小電網、孤立電網、微電網、海島電網、大電網邊緣區域等特殊電網需求，進一步調查中小型抽水蓄能站點資源。對建設條件好，具備市場競爭力的中小型抽水蓄能電站，納入選點規劃，統一綜合比選，避免盲目投資擠占區域內抽水蓄能電站的需求空間，防止資源浪費，保證電力系統的整體經濟性。

(3)中小型抽水蓄能電站的投資普遍高于大型抽水蓄能電站，在有需求空間并且開發經濟性較好的情況下，可研究探索將中小型抽水蓄能電站定位于新型儲能行業的可能性和可行性，沿用新型儲能設施相關政策，在電價、稅收、發電優先權上享受同等優惠。

(4)在孤立電網、微電網、海島電網等以中小型抽水蓄能電站作為綜合供能體系、分布式互補開發系統和小型綠色綜合示范中支撐電源的區域，應促進多元利用項目的聯合發展、優勢互補，保證基礎設施集中配置，發展政策和支持機制相互協調，形成政策合力，提升補貼和扶持資金的使用效率。同時，建立示范試點項目的投資運行反饋機制，適時分析多元綜合應用的運行效果及存在問題，研究合理的推廣模式和配套措施。