國內外抽水蓄能機組技術發展比較分析研究

丁軍鋒+盧從義+葛光男

摘 要：抽水蓄能電站以其調峰填谷的獨特運行特性，發揮著調節負荷、促進電力系統節能和維護電網安全穩定運行的功能，將成為我國電力系統不可或缺的調節工具。本文分析比較了當前國內外常規抽水蓄能機組和海水抽水蓄能機組技術的研究現狀和發展脈絡，并對未來技術的發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：國內外，常規抽水蓄能，海水抽水蓄能，技術，比較

1、引言

隨著我國電力系統容量的不斷增長，電力負荷的日變動量（峰谷差）也在不斷加大【1】。抽水蓄能機組利用電網低谷時的電量揚水蓄能，到電網高峰時放水發電，以其調峰填谷的獨特運行特性，發揮著調節負荷、促進電力系統節能和維護電網安全穩定運行的功能，將成為我國電力系統有效的、不可或缺的調節工具。

英國、美國、日本等國家電源構成中調峰性能優越的天然氣發電機組比重分別達到33%、22%和25%，但抽水蓄能電站仍然占有相當比重。美國抽水蓄能機組占全國裝機的比重超過2%，英、法等國均超過4%，日本超過10%【2】。

與歐美、日本等發達國家相比，我國抽水蓄能電站建設起步較晚。20世紀90年代才開始進入快速發展期【3】。截止2015年底，全國抽水蓄能電站投產規模達到 2303萬kW，約占全國發電裝機總容量的1.51 %，約占世界抽水蓄能電站總規模的16.21 %左右?！笆濉逼陂g我國將建設長龍山、陽江、文登、天池、金寨、沂蒙等多個抽水蓄能項目（見表1），預計2020年將達到6000萬kW以上。

表1 截止到2016年4月，我國抽水蓄能電站裝機容量詳表（包括在建）

2、常規抽水蓄能機組技術發展

2000年以前，我國常規抽水蓄能電站主機設備幾乎全部進口。2003年國家發改委決定，通過技貿結合的方式，引進抽水蓄能電站機組設計和制造技術。響水澗抽水蓄能項目是我國打捆招標后的第一個國產化蓄能機組。目前我國抽水蓄能發電電動機最大容量已經達到300MW以上，轉速可以達到500轉。

抽水蓄能電站的主要發電設備為發電電動機，與常規的水輪發電機相比，具有雙向旋轉、頻繁啟停、機組的過渡過程復雜、存在多種運行工況運行和負荷陡增等技術特點【4】。

在結構方面，國內大容量發電電動機的結構有懸式結構和半傘式結構，在國內投運的抽水蓄能電站幾乎是各占一半【5】。從已經投運的抽水蓄能電站運行維護的實踐看，轉速為500r/min的多采用懸式，轉速為300r/min的多采用半傘式。

在冷卻方面，由于抽水蓄能機組的轉速高，負荷變化頻繁變化，絕緣迅速老化、脫殼、壽命降低，會影響電機運行的可靠性。采用蒸發冷卻技術，電機定子溫升分布相當均勻，而且軸向高度高，更有利于自循環蒸冷系統的循環，對冷卻效果起到更有利的作用。同時，能夠解決絕緣和臨界轉速的問題【1】。

當前，國外運行的最大容量抽水蓄能發電電動機和可變速發電電動機均在日本葛野川電站。機組單機容量412MW，500轉/分速度，包括2臺常規機組和2臺變速機組【6】。未來，抽水蓄能電站的發展趨勢是大容量、高水頭和高比速。機組的機械（轉子飛逸與起停機疲勞等）和發熱等問題將成為未來研究的熱點【7】。

3、海水抽水蓄能機組技術發展

海水抽水蓄能系統是指在傳統抽水蓄能系統的基礎上利用海水作為工質的新型抽水蓄能形式。1991年，日本的KANEDA等【8】在專利中提出了利用海水抽水蓄能的電站。1999 年世界上第一座也是目前唯一一座海水抽水蓄能示范性電站——日本沖繩海水抽水蓄能電站投入運行【9】，該電站最大輸出功率為30MW，有效水頭為136 m，最大流量為26m3/s，其高位水庫建在距離海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水庫直接利用大海。通過5年的試運行證實了海水抽水蓄能系統的可靠性、經濟性和調峰調頻的可能性，為之后建設大容量、高水頭的海水抽水蓄能電站奠定了技術實踐基礎【10】。

國內關于海水抽水蓄能的研究并不多見。香港理工大學的MA等【11】對在香港某島嶼上建立太陽能光伏發電和海水抽水蓄能耦合的混合系統進行了理論研究。此外，MA等【12】還對在該島嶼上建立風能太陽能-海水抽水蓄能聯合發電的混合系統進行了理論研究。文中通過對混合系統建模，并結合其運行策略，對系統進行了基于小時負荷的仿真分析，結果表明海水抽水蓄能系統能夠彌補風能發電和太陽能光伏發電不穩定的特性。

發展海水抽水蓄能在我國有資源利用可行性。海水抽蓄電站的研究和建設在我國尚處于起步階段，在借鑒日本沖繩海水抽蓄電站的建設和運行經驗的基礎上，應綜合考慮地理位置、水頭、地形地質、環境影響等因素以降低投資成本，探尋適合我國沿海地區的海水抽水蓄能發展模式，建立全面的效益評估指標體系，最大限度地保障海水抽水蓄能電站的技術和經濟可行性。

參考文獻：

[1]顧國彪等，蒸發冷卻技術的發展、應用和展望[J]，電工技術學報，2015，30（11）

[2]王楠，我國抽水蓄能電站發展現狀與前景分析[J]，電力技術經濟，2008，20（2）

[3]晏志勇等，我國抽水蓄能電站發展歷程及前景展望，水力發電，2004，30（12）

[4]趙政，抽水蓄能電站發電電動機國產化[J]，大電機技術[J]，2010（01）

[5]何錚等，從天荒坪抽水蓄能電站到仙居抽水蓄能電站看發電電動機結構設計問題，抽水蓄能電站工程建設文集，2015

[6]戴慶忠，日本抽水蓄能機組技術發展近況[J]，東方電氣評論，2008年04期

[7]顧國彪等，蒸發冷卻技術在水輪發電機領域的應用和發展[J]，中國電機工程學報，2014，34（29）

[8]KANEDA Takeshi， YONEYAMA Naoto. Sea-water pumped-storage power station： JP 1991089819[P]. 1991-04-15.

[9]劉布谷. 世界上首座海水抽水蓄能電站上庫的設計與施工[J]. 水利水電快報， 2012， 33（11）： 15-17.

[10]石文輝， 查浩， 羅魁， 等. 我國海水抽蓄電站發展初探[J]. 中國能源， 2015（12）： 36-40.

[11]MA T， YANG H， LU L， et al. Pumped storage-based standalone photovoltaic power generation system： Modeling and techno-economic optimization[J]. Applied Energy， 2015， 137： 649-659.

[12]MA T， YANG H， LU L， et al. Technical feasibility study on a standalone hybrid solar-wind system with pumped hydro storage for a remote island in Hong Kong[J]. Renewable Energy， 2014， 69（3）： 7-15.