基于多能互補的抽水蓄能電站站址選擇的研究

任 巖，侯尚辰

[1．華北水利水電大學，河南省鄭州市 450045；2．可再生能源電力技術湖南省重點實驗室（ 長沙理工大學），湖南省長沙市 410114]

0 引言

21世紀以來，我國抽水蓄能電站飛速發展，并朝著大機組、高水頭、大容量的方向發展。目前已建成的抽水蓄能電站有29座，總裝機2527.75萬kW[1]。抽水蓄能電站的運行原理是在電力負荷低谷時，利用電能將下水庫中的水抽到上水庫中，即將電能轉化成水能；在電力負荷高峰時，將水放至下水庫進行水力發電，即將水能轉化為電能。抽水蓄能電站起到調峰填谷的作用，將負荷低谷時的多余電能轉化為電網負荷高峰時的高價電能。

“十四五”規劃綱要提出，要構建現代能源體系，加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規模化應用。抽水蓄能作為優質的調節能源，在促進新能源消納方面具有突出優勢。國家推進“風光水火儲一體化”和“源網荷儲一體化”兩個一體化建設，對電源側和負荷側靈活性都提出了要求[2]。修建抽水蓄能電站，首要問題就是選址，選址是水電站管理和運作的關鍵。站址選擇的合理性、科學性、可靠性和經濟性直接影響到工程的成敗、電站的安全以及整體的運行效益。

1 常規抽水蓄能電站選址策略

我國目前有29座已建成的抽水蓄能電站，其中有廣州、惠州、張河灣、天荒坪等裝機容量超過180萬kW的大型電站，蒲石河、寶泉、白蓮河、仙游、桐柏、響水澗等裝機容量超過60萬kW的中型水電站，潘家口、回龍、羊卓雍等裝機容量小于60萬kW的小型水電站。有25座正在建設中的抽水蓄能電站，其中有豐寧、洪屏、長龍山等大型電站，仙居、敦化、清遠、荒溝、天池、周寧、蟠龍等中型水電站[1]。

抽水蓄能電站的站址選擇應該從多個方面綜合考慮，比如充足水源、接入電網、交通運輸、自然條件、經濟發展、其他設施等，盡量減少水工建筑物建造及運行時對環境帶來的破壞。

1.1 影響因素

抽蓄站址的選擇主要考慮以下五個方面：

（1）水源充足。

雖然抽水蓄能電站是利用上、下水庫循環用水進行發電，不需要有大量的徑流，但是電站附近需要有充足的水源作為保障，來滿足因蒸發、滲漏等造成的水量損失所需[3]。例如廣州抽水蓄能建設在流溪河水系上，張河灣抽水蓄能建設在甘陶河上，響水澗抽水蓄能緊靠長江支流漳河等[4]。

（2）水頭適中。

抽水蓄能電站的上下庫水頭范圍應該為200～700m之間。[5]抽水蓄能電站的水頭越高，單位水體能轉換的能量就越大，經濟效益就越高。水頭太低會導致造價過高，但是受制造水平的限制，最高不超過700m。作為國內首座700米級水頭的抽水蓄能電站，吉林敦化抽蓄于2021年6月投產發電[6]。

（3）距高比適中。

距高比是指抽水蓄能電站上、下水庫的水平距離與垂直高度的比值，距高比一定程度上反映了引水系統的長度。距高比越小，引水長度就越小，造價就越少，但是距高比過低會給電站的施工增加困難[7]。我國70%的抽水蓄能電站的距高比分布在2～7[4]。

（4）距離負荷中心較近。

抽水蓄能電站的選址盡量規劃在負荷中心周圍的地區，或者選在交通便利的地區，以保證電站能夠便利地給負荷中心輸送電能[8]。距離一般不宜超過200km，若站址距離可以用來接入電力系統的變電站過遠，就會造成輸電線路造價高以及輸電線路沿線的電量損失[9]。仙游抽水蓄能位于福建的電網負荷中心和電源中心，響水澗抽水蓄能臨近華東電網中心，白蓮河抽水蓄能位于華中電網用電負荷中心。

（5）地質條件適宜。

抽水蓄能電站的建設需要有良好的高度落差，以及適合挖洞的地質條件[10]。地質條件不僅會影響水工建筑物建設時期的難度、工程量以及成本，還會影響運行時期的正常工作。需要綜合考慮地質災害隱患、冬季凍土深度、一定深度地表的巖層結構等因素，同時抽水蓄能電站一般地下工程較多，對于抗震等級的要求較高，所以站址選擇應盡量遠離地震帶以及穩定性較差的區域[11]。

1.2 選址流程

抽水蓄能電站站址的選擇范圍較廣，故進行站址選擇時要盡可能地將符合條件的優越站址篩選出來，最后對比確定最終選擇。一般選址的程序如下[12]：

（1）依據地理因素選擇具有可行性的地點作為挑選范圍；

（2）在挑選范圍內按照站址選擇的影響因素進行初步篩選，得到幾個優質站址；

（3）對篩選的幾個站址進行電站的初步設計；

（4）結合電力系統需求與工程投資條件，進行經濟比較，最終選擇抽水蓄能電站站址。

2 新型抽水蓄能電站選址策略

目前我國抽水蓄能電站多分布在東中部地區，隨著西北地區的大型風電、太陽能發電基地的發展與建設，十分需要建設配套的抽水蓄能電站來提高電網電能質量。風能、光能是一種間歇性能源，當其并入電網的比例過高，就需要對電網系統進行調節來提高電能質量[13]。將光伏發電、風電、水電幾種不同類型的電源結合在一起，利用水電調節的靈活性，平抑光伏發電、風電出力的間歇性、隨機性和波動性，使得出力更加平滑穩定，提高電能質量，減少對電網的沖擊。

我國河北、內蒙古、吉林、黑龍江、江蘇、浙江、福建、山東、廣東等省份均建設有與風電基地配套的抽水蓄能電站，例如河北的張河灣、豐寧抽水蓄能電站，吉林的敦化抽水蓄能電站，浙江的桐柏、天荒坪抽水蓄能電站，廣東的清遠抽水蓄能電站等。但是在甘肅、寧夏、新疆等省區均未建設與風電基地配套的抽水蓄能電站[4]。

2.1 影響因素

在新能源發電的基礎上建設抽水蓄能電站，除了需要滿足常規抽水蓄能的選址條件[9]，還需要考慮以下幾個方面[14]：

（1）新能源集中分布地區。

在我國風電資源比較豐富的西北地區，與風電配套的抽水蓄能電站還不完善，最初主要原因是距離負荷中心較遠，經濟比較落后。現階段在“十四五”規劃的支持下，可以充分利用西北、內蒙古等地區的風電基地[15]，構建新型抽水蓄能電站，實現太陽能、風能、抽水蓄能的聯合運行[16]。

（2）負荷中心地區。

風—光—蓄一體的新型抽水蓄電站可以向電網提供足量獨立的無功和有功，選在負荷中心地區能夠保障電壓和頻率的穩定，為電網安全提供重要保障[17]。

（3）特高壓落端集中區域。

以特高壓為支撐的骨干電網，能夠實現資源遠距離、大容量配置，也會提高電力系統穩定性和電壓跌落無功補償等。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提供大容量的無功備用支撐。

2.2 選址流程

以多能互補為基礎建設抽水蓄能電站時，站址的選擇程序與常規抽水蓄能類似。首先以地理因素為基礎挑選可能性的地點范圍，然后根據常規抽水蓄能選址的五大影響因素選出適合的地點，接著考慮建設以多能互補為基礎的抽水蓄能電站的三個條件，得到幾個優質站址，對其開展初步的工程設計并進行經濟比較，最終選定抽水蓄能電站站址。

3 研究瓶頸

（1）我國西北地區風光資源豐富，在中國能源發展總體布局和“西電東送”戰略規劃中是重要的能源外送基地[18]，但由于地質、負荷、經濟等原因，與其配套的抽水蓄能電站遲遲得不到開發。

（2）抽水蓄能的發展與國土資源利用和環境保護的關系未能協調統一，致使大量優質的抽水蓄能電站站址資源位于生態紅線中，嚴重限制了抽水蓄能電站的選擇。

（3）當抽水蓄能系統建設于電源側時，抽水蓄能電站的調節作用就會受到限制，會影響效益，當抽水蓄能系統建設于負荷側時，風電與光電的傳輸功率就會受到限制并出現棄風棄光現象，也影響效益[19]。

4 未來研究方向

（1）我國西北地區抽水蓄能工程的建設存在前期工作推進難度大、投資高等問題，針對這些問題，需要做好選點規劃工作、優化工程設計、加強系統理論研究以及建設運行管理，加速這些地區抽水蓄能水電站的建設進程[18]。除此之外，根據2021年國家能源局發布的《2021年能源工作指導意見》，開展全國新一輪抽水蓄能中長期規劃，加快長龍山、荒溝等抽水蓄能電站建成投產，推進泰順、奉新等抽水蓄能電站核準開工建設[20]。

（2）我國已建成的大部分水電站景觀基礎良好，可以在發揮水電站功能的基礎上，開展一些旅游類項目。這就要求在選址過程中，盡量少地破壞原有的自然景觀，做到抽水蓄能與生態共同發展[21]。

（3）對抽水蓄能建設在電源側還是負荷側做進一步分析，得到效益較高的建設方案。河南“十四五”規劃通知指出，支持抽水蓄能、風電、光伏發電、氫能等清潔能源發展，推動風光水火儲一體化和源網荷儲一體化，研究謀劃抽水蓄能電站[22]。

5 結語

抽水蓄能電站選址一般需要滿足水源充足、水頭適中、距高比適中、距離負荷中心近、地質條件適宜等條件。基于多能互補抽水蓄能電站則需要在此基礎上，建設在新能源集中分布、負荷中心以及特高壓落端集中區域。關于站址的選擇流程，在考慮地理因素可行的范圍內，以影響因素為條件進行篩選，最后進行經濟比較得到最優方案。未來發展需要以國家“十四五”規劃提出的政策要求作為方向，開展新一輪抽水蓄能的規劃設計，滿足時代發展的需要。