混合蓄能水電站的電能儲存及應(yīng)用研究

劉冀東

（河北華電混合蓄能水電有限公司，河北 石家莊 050224）

能源問題是當(dāng)今世界所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。同時，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，推動能源轉(zhuǎn)型和清潔能源開發(fā)已經(jīng)成為全球的共識和行動方向。我國作為能源生產(chǎn)與消費大國，既有節(jié)能減排的需求，又有能源支撐經(jīng)濟發(fā)展的需求，因此要大力發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)，推動以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。抽水蓄能是電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟、壽命周期最長、容量最大的儲能裝置。因此，研究混合式抽水蓄能水電站的電能儲存及應(yīng)用，探索其在能源轉(zhuǎn)型和雙碳目標(biāo)實現(xiàn)中的作用和意義，對于加速推動清潔能源發(fā)展，促進可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實踐價值。

1 電能儲存的分類及技術(shù)特點

1.1 電能儲存的分類

由于電能本身無法在自由空間中穩(wěn)定存在，它必須依靠導(dǎo)體或儲存介質(zhì)等物質(zhì)載體進行傳輸和儲存。因此，若要將電能儲存起來，就需要將電能轉(zhuǎn)化為其它形式能進行儲存，并在需要時將其轉(zhuǎn)化為電能輸出。

根據(jù)能量存儲方式不同，電能儲存可以分為機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能三種方式。其中機械儲能包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能等；電化學(xué)儲能包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池等；電磁儲能包括超級電容器、超導(dǎo)電磁儲能等。其中最成熟的是抽水蓄能和鉛蓄電池技術(shù)。

1.2 電能儲存的技術(shù)特點

機械儲能：（1）飛輪儲能。快速響應(yīng)、高效率、長壽命和可靠性高，但成本較高且體積較大。（2）壓縮空氣儲能。儲存密度較高，適合大規(guī)模儲能，但存在能量損失、壓縮和儲存成本高等問題。（3）抽水蓄能。具有電力輸出清潔高效、使用壽命長、響應(yīng)快和能靈活可靠的優(yōu)點，但需要具備特定的地形和水源條件。機械蓄能技術(shù)是世界上應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)，其中的抽水蓄能又占據(jù)主導(dǎo)地位。

電化學(xué)儲能：（1）鋰離子電池。具有高能量密度、長壽命、低自放電率和良好的環(huán)境適應(yīng)性，適用于電動汽車、智能手機等移動設(shè)備和家庭儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。但其存在安全隱患和環(huán)境污染的問題。（2）鈉離子電池。具有低成本、可再生性和高安全性等優(yōu)點，適用于大規(guī)模儲能領(lǐng)域。（3）鉛酸蓄電池。成本較低、可靠性高，適用于應(yīng)急電源、太陽能和風(fēng)能等分布式儲能系統(tǒng)。

電磁儲能：（1）超級電容器。充放電速度快、壽命長、安全性高，適用于瞬態(tài)功率輸出和能量回收等領(lǐng)域。（2）超導(dǎo)電磁儲能。具有高能量密度和較長的壽命，適用于高速列車、磁懸浮列車等領(lǐng)域，但需要低溫環(huán)境和高昂的制造成本。

不同類型的電能儲存技術(shù)在儲能效率、儲能容量、儲能成本、循環(huán)壽命、安全性等方面存在差異，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求來選擇。若能將兩種或三種儲能技術(shù)相結(jié)合，可以在滿足電能需求的同時，提高儲能效率和儲能密度，實現(xiàn)節(jié)能減排和資源利用的最大化。

2 混合蓄能水電站的組成及其儲能原理分析

2.1 混合抽水蓄能水電站的組成

混合抽水蓄能水電站是一種利用機械能進行儲能的系統(tǒng)。它由上水庫、下水庫、涵洞、導(dǎo)流洞、抽水機組、水輪發(fā)電機組和變電站等組成。下面分別介紹這些組成部分的作用。

上水庫：位于高水位，用于儲存從下游抽上來的水。當(dāng)用電負荷較高時，上水庫中的水釋放，水流導(dǎo)入到下游的水輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)給電力系統(tǒng)。

下水庫：位于低水位，用于儲存下游河流、湖泊或海洋等自然水源，以及承接發(fā)電機組在發(fā)電時回收的水，其規(guī)模和水位高度通常要根據(jù)電站的發(fā)電容量、裝機功率和電網(wǎng)負荷情況等多種因素來確定。

涵洞和導(dǎo)流洞：用于控制水流的進出和水位的升降，保證水流的平穩(wěn)和安全。

抽水機組：在低谷負荷時將下水庫中的水抽回到上水庫中，提高上水庫的水位。抽水機組可以是電動機驅(qū)動的泵，也可以是由水流驅(qū)動的渦輪泵。

水輪發(fā)電機組：水從上水庫流入發(fā)電機組，推動渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。這個過程也可以通過控制水的流量、水頭和水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)電功率的大小。

變電站：將發(fā)電機組產(chǎn)生的電能升壓并送入電網(wǎng)，提供電能給用戶使用。

2.2 混合抽水蓄能水電站的儲能原理

抽水蓄能水電站是一種結(jié)合水力發(fā)電和抽水蓄能技術(shù)的水電站。它利用兩個或多個高度不同的水庫之間的高度差，在用電低谷時，將水從下水庫抽升到上水庫，電能以水能方式存儲，在電力負荷高峰期通過放水將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電。這種增減配合的操作，可以很好地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、備調(diào)頻和調(diào)相等功能。混合式抽水蓄能電站與純抽水蓄能電站的區(qū)別是其上庫有天然徑流來水，這部分水源可以不經(jīng)過水泵抽水，更加節(jié)省能源。

與火電相比，抽水蓄能機組的負荷調(diào)整靈活性更高，啟停和承載負荷的速度更快更靈活，能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)負荷急劇增加和降低的變化，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，混合式抽水蓄能水電站還可以使用其他的可再生能源，例如，風(fēng)力、太陽能等來輔助抽水，從而增加儲能能力和電力產(chǎn)生量。當(dāng)這些可再生能源的產(chǎn)生量超過需求時，可以將多余的能量能轉(zhuǎn)換為電能用來抽水并儲存，起到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定器、調(diào)節(jié)器和平衡器的作用。

3 混合蓄能水電站電能儲存系統(tǒng)設(shè)計與分析

3.1 混合蓄能水電站的設(shè)計參數(shù)

設(shè)計混合蓄能水電站的儲能系統(tǒng)，需要考慮多方面的技術(shù)參數(shù)。

（1）蓄能池容量。蓄能池的容量決定了能夠蓄存的水量，影響系統(tǒng)的蓄能能力和輸出功率。（2）抽水蓄能池和發(fā)電水庫的高度差。高度差決定了系統(tǒng)能夠蓄儲的能量值，也決定了系統(tǒng)的輸出功率和效率。（3）抽水蓄能池和發(fā)電水庫的水位。水位決定了系統(tǒng)的蓄能和發(fā)電能力，也直接影響系統(tǒng)的輸出功率和效率。（4）儲水、引水和排水管道的設(shè)計參數(shù)。管道的長度、直徑、材質(zhì)、坡度等參數(shù)決定了水的輸送速度和輸送能力，影響系統(tǒng)的運行效率和經(jīng)濟性。（5）發(fā)電機容量。發(fā)電機的容量決定了水電站的發(fā)電能力，需要根據(jù)系統(tǒng)的總?cè)萘亢皖A(yù)計的負荷需求來確定。（6）水輪機的類型和參數(shù)。水輪機的類型和參數(shù)決定了水的流速和流量轉(zhuǎn)換成機械能的效率，影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟性。（7）抽水泵的類型和參數(shù)。抽水泵的類型和參數(shù)決定了抽水能力和消耗的電能，需要根據(jù)系統(tǒng)的總?cè)萘亢皖A(yù)計的負荷需求來確定。（8）控制系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。控制系統(tǒng)包括自動化控制、調(diào)度和監(jiān)測等系統(tǒng)，需要根據(jù)水電站的特點和要求進行合理的設(shè)計。（9）安全防護系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。水電站需要設(shè)計合理的安全防護系統(tǒng)，包括溢洪道、安全閥、泄洪設(shè)施、水位監(jiān)測等系統(tǒng)，確保水電站的安全運行。

3.2 混合蓄能水電站系統(tǒng)分析

混合蓄能技術(shù)是將兩種或以上的蓄能方式結(jié)合在一起，可以兼具幾種技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)更高效、更可靠的電能儲存方式，同時也能夠解決單一蓄能方式存在的問題。目前，我國已經(jīng)將抽水蓄能技術(shù)與風(fēng)電、光伏等新能源技術(shù)并網(wǎng)應(yīng)用。在系統(tǒng)設(shè)計前，需要從下面幾個方面進行分析。

（1）儲能容量分析。混合蓄能水電站的儲能容量取決于上池和下池的水位差以及兩個水庫的儲水量。因此，在設(shè)計水電站時，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃Y源、地形地貌等因素進行綜合分析。

（2）系統(tǒng)效率分析。包括能量轉(zhuǎn)換效率和能量儲存效率。能量轉(zhuǎn)換效率主要是指水從上池流入水輪發(fā)電機組時能量的轉(zhuǎn)換效率，而能量儲存效率主要是指抽水機組抽水時的效率。系統(tǒng)效率的高低直接影響水電站的經(jīng)濟性和環(huán)保性，需要進行系統(tǒng)效率分析，以優(yōu)化水電站的設(shè)計和運行。

（3）調(diào)度策略分析。指如何根據(jù)電網(wǎng)負荷的變化，合理利用水能進行發(fā)電。調(diào)度策略的優(yōu)劣直接影響水電站的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，因此需要制定科學(xué)合理的調(diào)度策略，提高混合蓄能水電站的經(jīng)濟效益和穩(wěn)定性。

（4）可行性分析。混合蓄能水電站的建設(shè)需要投入大量的資金和人力物力，因此，需要進行可行性分析，評估水電站的經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)境可行性。可行性分析的結(jié)果將直接影響水電站的建設(shè)和運行。

4 混合蓄能水電站的應(yīng)用研究

目前，混合蓄能水電站已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如工業(yè)生產(chǎn)、城市供電、新能源儲備等。在工業(yè)生產(chǎn)中，混合蓄能水電站可以提供可靠的電能支持，保證工業(yè)生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)；在城市供電中，混合蓄能水電站可以提供可靠的調(diào)峰和備用電源，保證城市的供電穩(wěn)定性；在新能源儲備中，混合蓄能水電站可以作為新能源的補償和調(diào)峰設(shè)備，保證新能源的可持續(xù)發(fā)展。下面將分別介紹我國最早的、規(guī)模最大的、即將建設(shè)的三座抽水蓄能水電站。

4.1 崗南水電站

崗南水電站位于河北平山縣，建成于1968 年，是我國第一座混合式抽水蓄能水電站。它充分利用了崗南水庫的水資源，安裝了一臺容量為1.1 萬千瓦的抽水蓄能機組，在冀南電網(wǎng)中起調(diào)峰作用，彌補了火電調(diào)峰響應(yīng)慢、不經(jīng)濟、不環(huán)保等問題。崗南水電站雖然裝機規(guī)模不大，但卻開啟了國內(nèi)抽水蓄能電站的先河，為我國抽水蓄能水電站的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗。

4.2 豐寧抽水蓄能電站

豐寧抽水蓄能水電站位于河北省承德市豐寧縣，擁有12 臺抽水蓄能發(fā)電機組，總裝機容量為360 萬千瓦，是當(dāng)前世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站，創(chuàng)造了“裝機容量世界第一，儲能能力世界第一，地下廠房規(guī)模世界第一，地下洞室群規(guī)模世界第一”四個第一。豐寧電站和十三陵等先期建設(shè)的抽水蓄能電站及其他調(diào)峰電源一共解決京津及冀北電網(wǎng)調(diào)峰能力不足、調(diào)節(jié)風(fēng)電負荷等問題系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)相備用等任務(wù)。每年為我國節(jié)約48 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放120 萬噸，助力華北地區(qū)清潔能源的低碳轉(zhuǎn)型。2021 年12 月30 日，豐寧抽水蓄能電站首批兩臺機組正式投產(chǎn)發(fā)電。接入了張北柔直電網(wǎng)和華北500 千伏電網(wǎng)，為2022 年北京冬奧會場館提供了60 萬千瓦的電力保障，助力綠色奧運。

4.3 兩河口混合式抽水蓄能電站

由于風(fēng)光等新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，需要電力系統(tǒng)有大量調(diào)節(jié)電源。抽水蓄能與風(fēng)電、光伏發(fā)電完美配合。在四川雅礱江兩河口水電站周邊，有超過2000 萬千瓦的光伏、風(fēng)能資源，要實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)，就要建設(shè)更多具備調(diào)節(jié)能力的儲能電源。于是，兩河口混合式抽水蓄能電站應(yīng)運而生。2022 年12 月29 日，項目正式開工建設(shè)，電站依托兩河口水電站水庫為上庫，下游銜接牙根水電站水庫為下庫，擴建可逆式機組，形成兩河口混合式抽水蓄能電站，廠址海拔3000m，擬安裝4 臺30 萬千瓦的可逆式抽蓄機組（兼有水力發(fā)電與抽水功能）加上已建成的300 萬千瓦的水電常規(guī)機組，總裝機可達420 萬千瓦。建成后，將成為全球最大的混合式抽水蓄能項目，這個超級“充電寶”可以消納700 萬千瓦的風(fēng)、光新能源，將為保障電力系統(tǒng)的安全運行，促進新能源發(fā)展做出重要貢獻。

5 結(jié)語

混合蓄能水電站是一種具有高效、環(huán)保、穩(wěn)定、可持續(xù)等特點的水電站，對水電站的設(shè)計與建設(shè)、調(diào)度與控制、電能儲存等的研究已經(jīng)逐步完善，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。隨著新能源的快速發(fā)展和電力系統(tǒng)的智能化建設(shè)，混合蓄能水電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，將發(fā)揮更大的作用。

未來，混合蓄能水電站在節(jié)能減排、新能源儲備、能源安全等方面的應(yīng)用將越來越深入。混合蓄能水電站需進一步完善其技術(shù)和應(yīng)用模式，更好地適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和需求。同時，還要加強與其他分布式能源的協(xié)同，將水風(fēng)光蓄一體化的應(yīng)用場景逐步打開，形成資源互補和優(yōu)化控制，進一步提高電力系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟性，以滿足不斷增長的電能需求和環(huán)境保護的要求。