抽水蓄能是適應新能源大規模發展的最有效工具

劉殿海

2010年，哈爾濱電機廠有限責任公司車間內，工人們正在加工安徽省響水澗水電站2號抽水蓄能式機組球閥閥體。攝影/黑龍江日報蘇強/CFP

風能、太陽能等新能源是我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結構、減少環境污染、促進經濟發展等方面具有重要作用。以風電、太陽能為代表的新能源產業屬于國家戰略性新興產業，具有科技含量高、市場潛力大、增長速度快、產業帶動強的特點，加快風電等新能源發展對振興國民經濟，保障能源安全具有重要戰略意義。

受能源資源條件限制，風電、太陽能等新能源發電的大規模發展給我國電力系統的安全穩定運行帶來較大的壓力。電力系統急需配置大容量的儲能裝置，優化電源結構，改變運行方式，適應風電等新能源的大規模發展。抽水蓄能是當前最經濟、最成熟的大規模儲能裝置，在電力系統中配置適當規模的抽水蓄能，是解決當前風電等新能源大規模發展影響電網安全穩定問題的最佳選擇。

2010年，在戈壁風力的推動下，位于玉門市大唐風電廠的風機在均勻地運轉發電。玉門市南依祁連山脈，北鄰馬鬃山，兩山夾一谷的地形成為東西風的天然通道，被稱為“世界風口”。攝影/張鐵梁/CFP

我國風電等新能源發展現狀及規劃

我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富。全國陸地上可開發利用的風能約2.53億KW（依據地面以上10米高度風力資料計算），海上可開發利用的風能約7.5億KW，共計約10億KW。

從20世紀80年代發展并網風電開始，我國政府高度重視風電等新能源發展，先后出臺了《可再生能源發展“十一五”規劃》、《中華人民共和國可再生能源法》、《可再生能源風電價格及費用分攤管理試行辦法》等一系列政策法規以促進風電等新能源發展。

2000年以來我國風電裝機容量快速增長，尤其是2006年-2009年連續4年增長率超過100%。據最新數據，2010年我國新增風電裝機1600萬KW，同比增加23%，累計風電裝機總量已達4182.7萬KW，首次超過美國，位居世界首位。

我國太陽能發電目前發展也非常迅速。太陽能光伏發電方面，我國已經成為世界上最大的光伏電池組件生產國，據預測，我國2010年光伏太陽能電池產量將達到8GW，占世界生產總量的50%，居世界首位。2009年，全國光伏發電市場裝機量約160MW，占全球當年裝機總量的2%；2010年，預計裝機約380MW，在全球總裝機量中占3%。

根據國家風電發展規劃，2020年我國將建成哈密、酒泉、河北、吉林、江蘇沿海、蒙東、蒙西七個千萬千瓦風電基地。預計到2020年，我國風電、太陽能的發展規模將分別達到1.5億KW和2000萬KW。

圖1 有無風電等新能源情況下電力系統日調節情況比較

我國風電等新能源大規模發展對電力系統的影響

風電出力受來風情況影響，太陽能發電受云層情況影響，都具有間歇性、隨機性和不可控性的特點。風電、太陽能等新能源大規模并網，對電力系統的安全穩定經濟運行產生較大影響。目前，新能源發電技術中最成熟的是風電，發展速度最快、規模最大、對電網影響較大的也是風電，因此，本文以風電為例說明新能源大規模發展給電力系統帶來的影響。

風電大規模接入電網后，對電網的安全穩定經濟運行的影響主要表現在以下兩個方面。安全性方面，風力發電具有隨機和局部反調峰特性，有風時瞬間大規模并網、無風時瞬間大規模停機，影響系統的頻率穩定性和電壓穩定性，對電力系統產生非常大的沖擊。經濟性方面，我國電源結構以煤電為主，調節手段缺乏，由于風電的隨機波動特性,其出力隨風力大小變化,風電的大規模接入，給用戶的供電質量造成較大影響。為保證對用戶的供電質量,電網需根據并網風電容量增加相應旋轉備用火電機組容量,風電上網越多,旋轉備用容量也越多，電力系統的整體煤耗增大。圖1為研究機構所做的風電等可再生能源對國外某電力系統安全影響的比較圖，從圖中可以看出，有風電情況下，電力系統的峰谷差加大，煤電的調節幅度增大，電力系統的安全穩定經濟性變差。

風電的大規模發展，對電力系統的電網構架和運行方式產生了較大的影響。我國風電主要集中在西北地區大部、華北地區北部、東北大部的北部的“三北”地區和東南沿海地區，七個千萬千瓦風電基地開發規模占全國總規模的78%，集中度很高。三北為我國經濟欠發達地區，當地根本無法消納大量風電。風能資源與負荷中心呈逆向分布的特點決定，我國風電大規模開發必須經特高壓電網遠距離輸送到華東沿海等經濟發達地區。國家已經規劃，新疆風電在當地電網及“三華”（華北、華中、華南）電網消納；甘肅風電在西北電網及“三華”電網消納；蒙西風電在蒙西及“三華”電網消納；蒙東風電在東北電網及“三華”電網消納；吉林風電在東北電網及“三華”電網消納；河北風電在“三華”電網消納；江蘇風電在華東電網消納。我國風電年利用小時僅2000多小時，通過特高壓電網遠距離輸送，面臨著復雜的經濟技術挑戰，帶來電網架構的巨大變化，也必然會對電力系統的運行方式產生較大的影響。

抽水蓄能及其對風電等新能源發展的作用

抽水蓄能是最成熟最經濟的電能儲存工具

抽水蓄能的低吸高發功能，實現了電能的有效存儲，有效調節了電力系統生產、供應、使用，保持了三者之間的動態平衡。儲能功能是抽水蓄能電站調峰填谷、調頻、調相、事故備用、黑啟動等功能和在電力系統中多種作用發揮的基礎。抽水蓄能是當前最成熟、最經濟的大規模電能儲存工具。

電力系統中主要儲能技術詳見電力系統主要儲能技術分類圖，抽水蓄能與其他儲能方式的技術特點比較詳見表1。

圖2 電力系統主要儲能技術分類圖

表1：抽水蓄能與各儲能方式的技術特點對比表

從表1的對比可以看出，目前大規模的儲能裝置除抽水蓄能外，僅有壓縮空氣儲能、部分化學電池儲能裝置。大規模壓縮空氣儲能，對地下洞室的地質條件、嚴密性等要求比較苛刻，同時需要燃氣輪機配合運行，在國外處于示范運行階段，在我國尚沒有應用實例。化學儲能存在深度充放電時間長、效率衰減快和單位投資高、工作環境要求較高等問題，且目前批量生產能力有限。據了解，各化學儲能電池的單位千瓦造價為：液流電池2.5萬元/KW，鈉硫電池2.8萬元/kW，鋰電池1萬元/KW，壽命周期與充放電次數有關，一般不大于15年；工作過程中對環境溫度有較高要求，必須配備空調降溫。

與這些儲能裝置相比，抽水蓄能電站投資較低，單位千瓦造價3000-5000元；使用壽命長，機組使用壽命25年，水工建筑物使用壽命達百年以上；能量轉換效率穩定，不存在衰減問題。抽水蓄能是目前電力系統中當之無愧的最成熟、最實用的大規模儲能方式。

抽水蓄能是適應我國風電等新能源大規模發展的最有效工具。

2010年4月1日正式頒布實施的《可再生能源法》（修訂案）將發展儲能裝置寫入國家法律。配套建設適當規模的抽水蓄能電站，是保障電力系統安全穩定經濟運行，解決風電等新能源大規模發展瓶頸問題的最有效工具。

在電力系統中配置適當的抽水蓄能，可以充分發揮抽水蓄能與風電、太陽能等新能源運行的互補性，利用抽水蓄能電站的儲能特性，平滑風電、太陽能發電出力，減小其隨機性、波動性，平衡風電發電量的不均衡性、參加電網運行調頻，減少風電等新能源對電力系統的沖擊，保障電力系統的安全穩定運行，減少煤電機組的旋轉備用容量，降低系統煤耗。這里所說的適當的抽水蓄能，一是指裝機規模合適，抽水蓄能電站的出力與調節風電的規模，以及電網的結構相適應；二是指蓄能時間合適，根據風電的特點和抽水蓄能站址的地形地質條件，確定抽水蓄能電站的庫容和蓄能時間，確定抽水蓄能電站是日調節、周調節還是月調節。

針對我國風電集中度較高，需遠距離輸送、大范圍消納的特性，在風電資源豐富區域配置適當的抽水蓄能與火電機組，實現風、火、蓄優化配置，打捆外送，可以充分發揮抽水蓄能電站的電能儲存功能，在風電出力大時將多余電力轉換為水能儲存起來，在無風時放水發電，保證特高壓輸送電力的穩定性，提高特高壓輸送線路的經濟性。

發展風電、太陽能等新能源是我國實現2020年碳減排承諾的重要舉措，風電、太陽能等新能源的大規模發展急需電力系統配置大量切實有效的調節手段。但受一次能源資源條件限制，我國油、氣資源短缺，以煤電為主的電源結構出力調節速度慢、調節幅度小，適度發展、優化配置抽水蓄能，是保障電力系統安全穩定經濟運行、解決我國當前風電等新能源大規模發展問題的最有效工具。

工人們在新疆吐魯番風力發電場吊裝風機。該風電場由中國華電、中國華能、大唐集團、國風發電等多家風電開發公司投資建設，總投資突破250億元，總裝機容量在300萬千瓦以上。攝影/劉健/CFP

響水澗電站是國內第一座全面采用大型國產化抽水蓄能機組設備的電站，是國家重點發展的能源項目。 攝影/黑龍江日報蘇強/CFP