抽水蓄能電站容量配置的優化設計因素與效益分析

林芳名，陳 鵬

(1.國網新源公司豐滿培訓中心，吉林 吉林 132108；2.國網新源公司牡丹江抽水蓄能電站，黑龍江 牡丹江 157000)

如今人們意識到全球氣候變化對人類生存構成重大威脅，越來越多的國家提出了無碳未來的愿景，清潔低碳能源成為未來能源利用的主體。我國水能資源極大豐富，可開發的水能3.79億kW，但我國從20世紀60年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發，科技進步與理論研究的成熟使抽水蓄能發展逐步拓展完善最終適應了我國大電網安全穩定運行和新能源發展的要求。未來國家和企業更會積極推進抽水蓄能開發建設，2021年3月國家電網有限公司宣布“十四五”期間，開工建設2000萬kW以上裝機規模的抽水蓄能電站項目；2021年4月國家能源局在全國新一輪抽水蓄能中長期規劃中提出到2025年，抽水蓄能投產總規模達6200萬kW以上；預計到2030年，投產總規模達1.2億kW左右。鑒于容量配置為抽水蓄能電站發展的一項基本要素，本文從多角度分析如何優化抽水蓄能電站容量配置及電力市場如何影響容量配置。

1 影響抽水蓄能電站容量的優化配置因素與效益分析

1.1 抽水蓄能容量的優化配置要考慮與可再生能源消納能力相匹配

2020年我國提出了“雙碳”目標，采用清潔低碳能源不僅是未來能源供應增量的主體也是未來各個國家發展的重要戰略。近年來，我國新能源發展迅速，僅2019年新增并網的風電為2574萬kW，光伏發電為3011萬kW，合計占全國新增裝機容量的54.9%。[1]伴隨著新能源迅速發展，一些地區的風、光電站由于建設速度過快與配電網規劃不協調以及地區市場消納能力有限等種種原因，進而出現了新的問題即棄風棄光現象嚴重。如果能將這些棄置的可再生能源多消納，將提高能源發展質量和效益，促進我國清潔能源行業高質量發展，有助于滿足經濟社會發展和民生需求。為此抽水蓄能電站在新能源大規模接入電網中扮演了非常重要的角色，抽水蓄能電站的發電機組本身適應性強、電能穩定，作為優質的調節電源還可以在系統中發揮削峰填谷、調頻調相和事故備用等重要功能，保障大電網的安全穩定運行、提高供電質量；抽水蓄能電站可以最大限度地實現新能源的消納，其快速轉變的靈活性，可以彌補風電等其他新能源的波動性、隨機性和不確定性，突破電網規模對新能源容量的限制，減少新能源涌入電網帶來的大沖擊，為電網接納更多新能源打好基礎；抽水蓄能電站與特高壓輸電配合，促進清潔能源大范圍輸送和跨區跨省消納，節能減排改善大氣環境，為大力發展新能源創造條件。

1.2 抽水蓄能容量的優化配置要考慮與可再生能源技術相聯合

(1)風電-抽水蓄能電站聯合，提高能源利用率。電力系統最大可接納風電能力主要受系統調峰容量因素制約，抽水蓄能電站可有效增加系統調峰容量，兩者的協調運行能有效減少電網棄風，由此在分配抽水蓄能容量時要配合具有一定裝機容量的風電電網。因為用于減少風電棄風的抽水蓄能容量是存在上限的，對于風電容量一定的系統，所需的調峰容量也是一定的，當對抽水蓄能容量的配置超過所需的調峰容量后，系統的調峰約束不再是造成風電棄風的因素，那就要考慮可與之相匹配的對應抽水蓄能容量，兩者協調運行使得電網棄風最小，最大效率提高系統的風電接納能力，提高風電的利用率，顯著提高社會效益。

(2)光電-抽水蓄能電站聯合，節省環境資源。瑞典公司Ngonyezi Projects早在2020年以前就已經與津巴布韋國家水務局簽訂了一份名為非消耗性用水的協議，按協議將在馬尼卡蘭德省奧茲河上安裝2000MW·h的抽水蓄能設施和300MW的浮動太陽能光伏電站。水能和太陽能的結合可以彌補在各種天氣條件下發電力的不足，將為當地提供持續的電力。該漂浮式光伏項目將鋪設太陽能電池板覆蓋在蓄水池表面，可節省光伏電站建設消耗的土地資源；依托于浮體架臺漂浮在水面上的光伏面板在水的冷卻作用下，可比傳統的地面集中式電站和屋頂分布式光伏電站獲得更多發電量；水面由于面板的覆蓋，大量的水體被遮蔽，將抑制藻類的生長和每年減少約2000萬m3的蒸發量。那我們由此可得到啟發，利用抽水蓄能電站的蓄水庫鋪設浮動光伏面板建立水面電站，光伏面板依附于水體，可隨水體浮動，當抽水或發電時引起的水位上升或下降并不會導致光伏面板折損。

1.3 市場在抽水蓄能容量配置中的作用

(1)通過市場方式鼓勵社會資本投資，實現多贏。2015年國家能源局在發布的《關于鼓勵社會資本投資水電站的指導意見》中明確了通過市場方式參與資源配置，鼓勵通過市場方式配置水電資源和確定項目開發主體，調動社會資本市場的積極性。同時還指出完善社會資本投資的政策措施，要實現社會效益和企業效益雙贏，就要充分發揮政府投資引導作用。在政府宏觀調控和市場監管共同配合下，完善水電開發政策，創新投融資體制機制并建立利益共享機制。

(2)通過市場方式鼓勵多企業合作，實現多贏。抽水蓄能項目的建設要因地制宜，合理布局。因此在建設選址的時候移民安置、環保安全是基礎工作，同時要充分考慮資源地利益，在保障水資源開發綜合利用效益充分發揮的同時，投資者、地方政府、移民群眾也能多方受益。馬邊彝族自治縣的企業合作就是很好的例子，該縣擁有豐富的水能資源，全縣可開發水能資源有56萬kW。當地已建成投產電站13個，裝機總容量6.786萬kW。在建電站7個，裝機總容量8.7萬kW。開工準備階段電站7個，裝機總容量23.22萬kW。規劃階段電站22個，裝機總容量10.544萬kW。勘察設計階段電站4個，裝機總容量6.2萬kW。該縣地處山區，礦產資源豐富尤以磷礦最為豐富，儲量24.76億t。當地政府發揮引導作用，利用水能資源優勢，支持推動水電企業與磷化工企業協商簽訂協議引導電力資源優化配置。

1.4 容量電價對抽水蓄能容量配置的影響

抽水蓄能電站面向市場化運行，不得不涉及成本收益問題，電價的核定機制和容量的分攤方式等制約抽水蓄能行業發展。2021年國家發展改革委員會進一步完善抽水蓄能價格的形成機制，以期最大程度發揮抽水蓄能電站綜合效益。在新電廠的容量配置方面，需要參考容量電價這一指標，應該通過市場競爭的方式形成電價。

政府部門或電網企業預測出市場對用電的需求有所增加，而現有電廠又無法滿足用電需求時，電廠投資者會根據公布的用電需求情況測算需要增加的裝機容量和機組類型，報出將建電廠的容量電價，計算公式為:

D=d/R

(1)

式中,D—容量電價；d—容量電費；R—機組的實際可用容量。

d=K×(Z+C)

(2)

式中，K—比例系數，根據各市場供求關系確定；Z—折舊，按政府價格主管部門確定的計價折舊率核定；C—財務費用，按平均投資成本80%的貸款比例計算確定。

電網公司將與容量電價較低的電廠經營商簽訂購電合同。簽訂購電合同后，電廠經營商開始建設電站。通過這種方式，將會規范和制約電廠投資，降低電廠成本造價。

2 實施抽水蓄能電站容量配置的優化設計方法

2.1 以促進能源消納為首要任務

新能源消納的責任主體在新能源所在省，每年的消納任務由能源局下達給各省，抽水蓄能電站總裝機容量較大的省份可以更好地完成新能源消納的任務。在保障自身電網安全的情況下，有富余能力的抽水蓄能電站還可以向區外輸送新能源促進消納。對于未達到消納指標的省份，繼續推動開發可再生能源，同時考慮更大范圍內資源優化配置，合理布局抽水蓄能電站建設，實現區域抽水蓄能協調發展。

2.2 以發揮技術聯合為最大優勢

抽水蓄能電站與風電、光電的聯合不但提升電力系統性能，充分發揮水利工程效益也避免了能源損耗、環境容量限制。根據系統中不同裝機容量的風電、光電合理規劃抽水蓄能電站容量，使可再生能源效益優化到最大。

2.3 以遵守市場機制為基礎規范

水電站的投產運行既是一項公益性舉措，又兼具市場化運營特性，因此營造一個公平良好的市場競爭環境和投資環境、公正規范的交易方式、出臺合理的電價改革機制等政策措施有利于水電站的開發建設，實現資源綜合有效利用。

2.4 以利用資源優勢為效益手段

我國的實體經濟用能量巨大、用能成本相對較高，降低能源成本為降低實體經濟企業成本途徑之一。對于抽水蓄能電站本身來說，由于受省電力公司調度，公司為減少成本，能不用則盡量不用抽水蓄能電站，一般都把開啟電站作為最后調峰措施，使得抽水蓄能電站利用率與最初設計指標相比，相對較低。像馬邊彝族自治縣這種利用當地資源優勢，通過推動水電企業與其他產業協商簽訂協議的方式就可以達到降低實體經濟用能成本，同時讓各方資源利益共享實現多贏。

3 結論

我國水能資源分布很不均勻，抽水蓄能電站在建設分布上又由于行業的區域競爭格局和企業競爭格局無法實現均勻配置，大型水電項目的規劃容量確定在能源消耗容量方面，要考慮與可再生能源技術聯合使得效益最大化或是促進可再生能源消納滿足系統調峰的需求；在環境承載容量方面要考慮工程建設的地質條件能否符合環保安全可行性，在企業經濟收益方面考慮市場干預手段下項目建設投入資金允許情況等以及最終實現資源利益共享風險共擔。