多能耦合協同的新一代抽水蓄能電站

李璟延

（國網新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

當前中國正加速推進能源結構轉型，可再生能源接入電網規模不斷增加。為推動能源革命，實現能源可持續發展，國家電網有限公司確立了建設能源互聯網的戰略目標，提出打造“樞紐型，平臺型，共享型”企業。未來能源將向清潔化、綠色化轉型，多能耦合協同聯合互補將是能源互聯時代的新特點[1]1。

隨著特高壓直流輸電、新能源和核電裝機快速發展，電力電子器件大規模接入，電網調峰調頻和有功控制問題突出。抽水蓄能是電力系統主網安全穩定運行的重要保障，對穩定頻率，保障電網安全作用不可替代。截至2019年，國家電網有限公司已運和在建抽水蓄能電站共45座，總裝機5522萬千瓦，容量效益十分可觀。

近年來隨著可再生能源的發展，化學儲能技術經濟性快速提升。2018年江蘇鎮江100MW化學儲能電站建設并入網，支撐江蘇省電網調峰調頻。2019年甘肅瓜州60MW化學儲能電站，建成后可有效提升當地風電利用率。兩個化學儲能電站的建設探索，為電網側化學儲能應用提供了寶貴的示范經驗。

國家電網有限公司提出2021年初步建成泛在電力物聯網，未來抽水蓄能電站將更加智能，更加友好。擁有數據高效安全處理能力，設備廣泛互聯、數據流暢共享、應用互助融合、隨需迭代強化的新一代抽水蓄能電站，將成為電網全息感知的一個重要智能化安全支撐。

未來理想的智能儲能系統應既具備足夠的快速響應能力，又具備足夠的儲能容量效應。融合變速抽水蓄能技術，化學儲能技術、光伏儲能技術、信息互聯融通的新型抽水蓄能電站，可以最大化發揮存量巨大的傳統抽水蓄能電站效益，提升抽水蓄能電站綜合利用水平，突破傳統局限，更好地適應電網智能化發展需求，應對能源互聯時代的機遇與挑戰。

1 新型抽水蓄能電站構想

1.1 基于變速技術的柔性儲能

變速抽水蓄能機組技術是國際前沿技術，是抽水蓄能領域重大技術變革，可實現抽水工況大范圍自動調荷調頻；水泵工況柔性并網，極大改善傳統定速機組階躍型出力對電網的沖擊；自動跟蹤負荷特性極大提升電網接納新能源能力和電網安全穩定運行[2][3]。

融合了變速儲能技術的新型抽水蓄能電站將極大提升傳統抽水蓄能電站柔性控制運行水平，具體表現在：

（1）穩定性能更好。定速抽水蓄能電站屬于階躍型出力，以仙游抽水蓄能電站為例，出力從-50 MW到-300 MW僅16s左右，出力從-300 MW到0 MW僅14s，相當于300 MW級別的機組每天跳閘多次，對福建省網沖擊很大。與定速機組采用SFC泵工況啟動相比，變速機組利用交流勵磁系統實現機組平滑自啟動，能減少抽水或發電工況機組啟動對電網的沖擊，同時利用變頻器控制相位角更好地適應電力系統擾動以保證電網安全[4]。

（2）調節性能更好。變速機組在響應時間、調節速度方面明顯優于定速機組。大河內抽水蓄能電站400 MW變速機組0.2s內可改變輸出功率32 MW或輸入功率80 MW。而北京十三陵儲能電廠機組在AGC控制下的調節速率約為100 MW/min。從啟動時間來看，變速機組約為2.5 min，定速機組約為5 min。當電力系統發生擾動時，變速機組可實現有功功率高速調節，更好地抑制電力系統有功功率波動[5]。

（3）調節范圍更大。變速機組可在更寬水頭（揚程）范圍提高運行效率,在較大范圍內調節，配合電力系統頻率自動控制。根據大河內變速機組與傳統抽水蓄能機組的綜合比較，傳統抽水蓄能機組在60%～100%范圍內抽水時便不可調節，且在60%以下范圍內調節時電力損耗較多，而變速機組在發電時調節范圍可由50%～100%擴大到30%～100%，且電力損耗比傳統定速機組要少[6]。

（4）具有較好的調節系統無功和深度吸收無功的能力。根據俄羅斯研究表明，在750kV電力系統中，變速機組深度吸收無功后可穩定運行，并可顯著減少并聯電抗器的數量。變速機組無功可連續調節，因此可為高壓電網各種運行狀態下電壓水平的穩定提供重要支撐，降低電網電能損耗。

1.2 結合電化學儲能的靈敏型儲能

抽水蓄能電站與化學儲能聯合運行可以較好地解決抽水蓄能機組功率響應速度無法達到秒級和電站安全可靠性不足的問題[7]。

1.2.1 化學儲能技術發展現狀

化學儲能技術發展到今天，已經可以滿足電網對功率型儲能和能量型儲能的應用需求，電池存儲能量可以從數秒延伸至數小時，輸出功率在額定功率范圍內可調，且部分電池技術已商業化了，或者正走在商業化的道路上。

化學儲能中，鋰電池的項目數、裝機容量占比最大，其增長幅度也最快，已成為發展最快的化學儲能技術。其充放電倍率可達1～3C，工作溫度范圍寬，可達-20～60℃，循環壽命長。綜合比較響應時間、能量密度、功率密度、能量效率、循環次數以及典型應用等主要性能指標，鋰電池服務電網性能最佳。

近年來，儲能電池不斷發展，性價比逐年提升，當前鋰電池投入成本1500元/kWh，綜合運營成本約7000元/kWh。按照鋰電池經濟與性能的發展速度，預計2025年投入成本可降到800元/kWh，綜合運營成為約4000元/kWh。若新能源汽車儲能電池可在電網中二次利用，則綜合成本又可降低很多。

1.2.2 抽水蓄能電站響應速度大幅提升

以某一常規抽水蓄能電站為例，抽水蓄能電站靜止轉發電滿載，轉換時間為200s；一臺300MW抽水蓄能機組，緊急工況下滿載抽水轉滿載發電需150s，而電池實現“負荷”向“電源”轉化只需幾十毫秒，事故響應速度大幅提升。化學儲能可以快速平抑風、光等新能源波動，滿足新能源并網時間響應要求。加裝逆變器的化學儲能系統可以獨立輸出有功和無功，滿足電網功率和電壓補償需求。

常規抽蓄電站與儲能電池協同運行，可使傳統抽水蓄能電站響應更迅捷，提升電網應對故障能力，實現電網功率多時間尺度協調控制，極大提升常規抽水蓄能電站的綜合性能。

1.2.3 化學儲能聯合運行關鍵技術

1.3 結合光伏儲能的綠色型儲能

光伏儲能系統控制靈活、響應速度快、可靠性高，抽水蓄能電站通常有較好的太陽能資源和場地資源，因此將光儲系統接入大型抽水蓄能電站，對提升其綜合性能是一個不錯的選擇[8]。

1.3.1 光儲系統聯合抽水蓄能運行優勢

光儲系統可以和柴油機組互為備用，作為廠用電事故備用或黑啟動電源，提升抽水蓄能電站保安電源可靠性；容量足夠的光儲系統與抽水蓄能電站聯合運行，可以提升抽水蓄能電站調峰、調頻、調相的響應速度，使功率速度達到毫秒級，極大提升大型抽水蓄能電站安全可靠性和綜合調節能力。

太陽光和水資源都是綠色清潔能源，如能在抽水蓄能電站聯合開發利用，可以充分利用抽水蓄能電站站址資源，提升電站綜合性能，提升電站開發效益效率。

1.3.2 光伏儲能系統聯合運行關鍵技術

光伏儲能系統聯合抽水蓄能電站運行關鍵技術主要包括光儲系統提升大型抽水蓄能電站綜合調節能力時間尺度控制與運行策略；光儲和抽水蓄能聯合系統運行穩定性與優化策略；光儲系統提升大型抽水蓄能電站可靠性評估方法與優化策略；光儲系統接入大型抽水蓄能電站綜合效益與改進措施；光儲系統作為備用電源接入大型抽水蓄能電站整體應用方案等。

1.4 信息高度互聯的智能型儲能

“大云物移智鏈”等先進信息、通信技術，可以促進電站生產運營、發展建設水平全面提升。未來的抽水蓄能電站在萬物互聯、人機交互、自動采集、動態感知、靈活應用等方面，將越來越具有智能型屬性[9]。加快泛在物聯基礎支撐建設，需要重點關注如下。

我看著林孟興高采烈地逃跑而去，我心里閃過一個想法，我想這小子很可能在一年以前就盼著這一天了，只是他沒想到會是我來接替他。林孟走后，我和萍萍在一起坐了很久，兩個人都沒有說話，都想了很多，后來萍萍問我是不是餓了，她是不是去廚房給我做飯，我搖搖頭，我要她繼續坐著。我們又無聲地坐了一會，萍萍問我是不是后悔了，我說沒有。她又問我在想些什么，我對她說：“我覺得自己是一個先知。”

1.4.1 感知層建設

感知層是電站智能化的基礎，針對抽水蓄能電站特點，除原有機組監控外，需要進一步擴大可監控范圍和對象，增設電站人員智能化裝備，各區域視頻監控，安全防護監控，環境監控等物聯網感知基礎。對電站進行全面體檢，除提高設備本體智能化水平外，還需提高傳感器智能化水平，擴大傳感器設備的安裝范圍，由感知點逐步轉變成感知面，最后形成全感知抽水蓄能電站。

1.4.2 網絡層建設

網絡是信息傳遞的通道，覆蓋面要廣，傳輸要更安全，速度要更流暢。抽水蓄能電站地下洞室多，上下庫落差大，地下廠房電磁、噪聲、震動干擾大。網絡基礎建設宜分區進行，光纖和無線網絡相結合。必須高度重視電站接入總部網路通道的可靠性和安全性，保證集團化管理的抽水蓄能電站群調度在控可控能控，中心數據可在總部匯集分析處理。

1.4.3 平臺層建設

信息平臺未來將是人機交互信息傳遞命令下達的重要窗口。信息平臺的迭代優化將永遠不會停止，并將伴隨用戶需求不斷完善提升。抽水蓄能電站數據信息平臺建設，需結合電站建設運營特點和需求，不斷升級組件，加強應用集成，整合業務流程，運用最先進最合適的平臺技術，開展電站物聯網平臺一站式建設和探索。

1.4.4 信息融合建設

基于抽水蓄能電站自身建設運營管理特點，未來智能型電站將打通各業務信息系統壁壘，規范業務流程，提高數據質量和標準，完成業務系統消重，實現數據無障礙共享，提高業務流和管理流信息應用深度和廣度，加強大數據處理和分析能力，最終實現站內設備全連網，信息全感知，人機互動無障礙的新型智能電站。

2 新型抽蓄電站選址策略

根據電網特點，融合了光伏、化學儲能、變速機組柔性技術、信息高度互聯的新型抽水蓄能電站，選點開發建設主要應具有以下三方面特點：

2.1 新能源集中區域

風和太陽能等清潔可再生能源大規模并網，給電力系統實時平衡以及穩定運行帶來了巨大挑戰。從提高資源利用率，減小風電等新能源對系統沖擊，提高系統運行穩定性和經濟性等方面考慮，需要提升抽水蓄能電站響應速度和調節范圍，需要提高新能源和抽水蓄能電站的契合度。

在太陽能風能等新能源富集地區，可以利用西北、內蒙古等地區抽水蓄能電站附近空地，實現太陽能、風能、儲能系統聯合運行，構建新型抽水蓄能電站。

新型抽水蓄能電站具有自動跟蹤電網頻率變化和有功高速調節的優勢，化學儲能可以提升功率補償響應速度，變速抽水蓄能機組可以實現頻率實時自動跟蹤，抽水蓄能電站本身可以實現大容量功率長時間存儲。新型抽水蓄能電站在保證電網安全穩定運行的前提下，可提高新能源并網率；此外電站啟動響應和調節速率同時提高，可更好地跟蹤風電等隨機波動電源的出力過程，減小新能源并網對系統帶來的沖擊。

為應對可再生能源快速增長對電網的沖擊，日本小丸川抽水蓄能電站共安裝4臺變速抽水蓄能機組，運行經驗表明，變速抽水蓄能機組很好地彌補了傳統定速機組的不足。根據日本電網的運行經驗，當電力系統配備有一定規模的可變速機組后，再結合功率型儲能電池，可以完全實現全時段功率調節，降低可再生資源并網沖擊，提高資源利用率，提高電網與可再生能源電源的契合度。

2.2 特高壓落端集中區域

以特高壓為支撐的骨干電網，在實現資源遠距離，大容量配置的同時，也使電力系統穩定性和電壓跌落無功補償等問題越來越突出。

由于變速機組采用交流勵磁，能有效解決傳統抽水蓄能機組固有的調速和水輪機無法變速運行的問題，從根本上消除諧波等對電機運行性能的影響，更好地應對特高壓事故。容量適當的化學儲能系統，也可提供快速的無功補償；抽水蓄能機組固有的調相運行，可以提供系統足量的無功需求。變速抽水蓄能機組可實現無功和有功解耦，有效應對特高壓無功不足或無功過剩問題，對系統電壓穩定提供很好的幫助。

新型抽水蓄能電站可以提供充足的無功應對特高壓事故電壓跌落對系統無功需求，可以配合調相機一起為系統提供大容量無功補償和轉動慣量。在特高壓落端集中區域，建設新型抽水蓄能電站，可為電網負荷集中區域電壓提供大容量無功備用支撐。

2.3 負荷中心區域

因為擁有變速機組、光儲、化學儲能，新型抽水蓄能電站可以向電網提供足量獨立的無功和有功，如選址在負荷中心，可確保頻率和電壓穩定，為用戶側電網安全提供重要保障。

變速抽水蓄能機組通過調節勵磁電流，可以調節機組發出或吸收的無功分量，調整功率因數，特別是可以吸收無功穩定運行。調節勵磁電流的相位，可以快速完成發電狀態電磁調節，從而保證發電機電壓或無功的快速調節。有功、無功的獨立調節，可以顯著提高電力系統靜態和暫態穩定性。當負荷變動時，交流勵磁調速電機可以通過改變頻率來迅速改變轉速，充分利用轉子動能，釋放和吸收負荷，使電網擾動比常規電機小，從而提高電網的穩定性。其次，變速機組可提高抽水蓄能電站自身的調節特性，更好地保障電網安全穩定運行。更寬的調節范圍，可以更好地響應電力系統功率變化要求。結合化學儲能電池有功和無功的解列支撐能力，可以在毫秒級和秒級時間窗口，實現調節速度和調節精度，調節范圍和響應范圍最佳響應，穩定負荷中心電網運行。

結合當前電網發展趨勢，新能源集中區域，特高壓集中區域以及負荷中心區域，都是新型抽水蓄能站址優先考慮的區域。

3 典型案例分析

以某省網為例，電源結構單一、外送電源增加和風電規模擴大等均成為其安全穩定運行的不利因素，是新能源大規模接入與電網調節矛盾突出的典型區域電網，也是負荷集中區域。因此，在該區域電網開展新型抽水蓄能電站試點應用，具有顯著的示范意義。

新型抽水蓄能電站的建設，將使該省電網中原有固定負荷變為快速可調節負荷，提升電網正常運行時潮流控制以及緊急狀態下的穩定控制能力，配合儲能電池，兩者相輔相成，更好地保障電網安全。

該省在運某抽水蓄能電站共裝設4臺150MW的單級可逆式抽水蓄能機組，總裝機容量600MW，以同桿架設的兩回220kV線路接入省網。在電網中擔負調峰、填谷、調頻、調相、事故備用、黑啟動等任務。考慮對該抽水蓄能電站進行改造建設，新增4臺50MW全功率變速機組，一組100MW儲能電池儲能系統，同時利用電站空地安裝適當的光伏儲能，結合原電站常規機組聯合運行，提升常規抽水蓄能電站綜合性能，為當地風光能源安全穩定并網提供保障。

新型抽水蓄能電站建成后可以極大改善原抽水蓄能電站幾方面制約：

（1）變速機組和化學儲能聯合運行，在功能定位和技術經濟上具有較好的互補性。在區域電網聯合應用，可發揮各自優點，提升區域電網調控水平，提高系統熱備用和旋轉備用，在不同時間尺度下協同參與電網調峰、調頻、快速平抑新能源功率波動，為電網安全穩定運行提供了很好的技術方案。項目完成后，可使我國全面掌握抽水蓄能變速技術及其與大容量儲能電池協調控制技術，增強我國抽水蓄能綜合開發利用的水平和實力。

（2）受水泵水輪機工作水頭的限制，傳統抽水蓄能電站站址只能選在高山地區，遠離負荷中心。變速抽水蓄能機組可以適應更寬水頭范圍，提高機組運行穩定性，降低水泵水輪機制造難度，使許多原本不具備條件的站址重新具備建設條件，配合光伏、化學儲能系統建設新型蓄能電站，可發揮更大作用服務區域電網。

（3）新型抽水蓄能電站變速機組技術可實現水泵工況平滑啟動柔性并網，極大改善傳統定速機組抽水工況開機階躍型出力對電網的沖擊，提升電網接納新能源的能力；可實現有功功率高速調節，400MW變速機組0.2s內可改變輸出功率32MW或輸入功率80MW；更強的勵磁控制自由度，極大提升了機組進相運行能力。

4 結束語

新型抽水蓄能電站融合化學儲能，變速儲能技術，風光等新能源儲能系統，泛在物聯的高效數據傳輸處理平臺，可以實現多能互動，協同互補，多時窗響應，實現有功、無功獨立支撐，信息快速融通，為電網提供調峰、調頻、事故備用等多種功能，亦可提升電網接納新能源，快速平抑波動的能力。新型抽水蓄能電站示范工程建成后，電網調頻調荷更加靈活，不僅可以提高抽水蓄能機組緊急事故響應速度，還可提升電站事故備用容量，實現電網功率多時間尺度協調控制，加強電網應對突發事故的能力，提升電網對電站的感知和調度速度，有效提升抽水蓄能電站服務電網的能力。