我國混合式抽水蓄能電站開發優勢及制約

潘 雪，趙添辰，李凱瑋，能鋒田

（1.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100761；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，我國可再生能源發展步入規模化、市場化的新階段，新型電力系統的構建迫在眉睫。但可再生能源大規模、高比例并網后，其出力的波動性和不確定性給電網運行帶來了嚴峻挑戰[1]。抽水蓄能電站作為消納清潔能源、保障電網安全穩定運行有效手段，逐漸成為電力系統的重要組成部分，在強勁的市場需求和政策刺激下，我國抽水蓄能建設迎來了“黃金期”[2]。目前資源條件較好的抽水蓄能站址已逐步被開發，新增站點多存在條件差、投資高的特點。我國水力資源豐富，水力資源理論蘊藏量6.94 億kW，技術可開發量5.42 億kW[3]，現有水力資源開發均未考慮抽水蓄能功能任務。為進一步提高水力資源利用率，助力“雙碳”目標實現，利用現有水電站址，通過增建可逆機組或抽水泵的方式，建設混合式抽水蓄能電站，可實現發電、儲能的雙倍效果，可有效節約抽蓄、電化學儲能等調峰資源的建設成本[4]。

為此，本文分析了混合式抽水蓄能電站在我國的發展現狀、規劃站址和混合式抽蓄電站的開發優勢，并對各電網區域進行混合式抽水蓄能站址普查，分析其價值及建設條件，最后針對目前混合式抽水蓄能電站的開發、建設、運行存在的制約因素和問題提出相關政策建議，為常規梯級水電站與抽水蓄能結合提供借鑒。

1 混合式抽水蓄能發展現狀與優勢

1.1 建設背景

“雙碳”目標是我國積極參與應對氣候變化全球治理的重要舉措，是電力系統向清潔低碳轉型的根本指導。根據2022年可再生能源發展情況，截至2022 年底，我國可再生能源裝機達到12.13 億kW，占全國發電總裝機的47.3%；可再生能源發電量達到2.7 萬億kWh，占全社會用電量的31.6%[5]。新能源在我國電力行業已經占據了極其重要的位置。

隨著新能源大規模、高比例的并網，其隨機性、波動性和間歇性特征使得電源的不確定性明顯增大，對新型電力系統的安全穩定運行帶來較大沖擊，因此，迫切需要建設抽水蓄能電站以提高電力系統調節能力和促進大規模新能源發展[6]。我國水力資源豐富，結合梯級電站建設混合式抽水蓄能電站，可充分利用現有水電資源，進一步提升水電的靈活調節能力，維持電網安全穩定運行與清潔能源高效消納[7]。

1.2 混合式抽水蓄能在我國的發展情況

1968 年崗南水電站通過安裝1 臺11MW 的抽水蓄能機組，建成我國第一座混合式抽水蓄能電站，開創了我國抽水蓄能電站的先河[8]。到20 世紀七八十年代，為解決電網調峰問題，華北電網開始建設潘家口混合式抽水蓄能電站，標志著我國抽水蓄能電站迎來第一次建設高峰。從八十年代后期開始，我國建設的抽水蓄能電站多為高水頭、大容量的純抽水蓄能電站，我國抽水蓄能進入成熟穩步發展階段。

截至2022 年底，我國水電累計裝機容量達413500MW，其中抽水蓄能電站裝機容量達45790MW，占水電總裝機比重約11%。結合常規梯級水電站建設的混合式抽水蓄能電站裝機容量為843MW。我國已建混合式抽水蓄能電站情況見表1。

表1 我國已建混合式抽水蓄能電站統計表Table 1 Statistical table of mixed pumped storage power stations built in China

從表1 中可以看出我國混合式抽水蓄能電站發展的三個顯著特點：①起步早，1968 年建成的崗南水電站是中國第一座混合式抽水蓄能電站，但在近半個多世紀里，混合式抽蓄電站發展緩慢，數量有限。②開發建設多為分階段開發，僅羊卓雍湖抽水蓄能電站在建設初期便安裝抽水蓄能機組，其余電站均為在已建成的常規水電上進行擴建或續建。③開發程度較低，結合常規梯級水電站建設的混合式抽水蓄能電站裝機容量僅占水電總裝機的0.2%。

2021 年，《抽水蓄能中長期發展規劃（2021 ～2035 年）》發布，國家對抽水蓄能建設支持力度空前，提出積極探索抽水蓄能發展新模式，“開展水電梯級融合改造潛力評估工作，鼓勵依托常規水電站增建混合式抽水蓄能。”新的時代背景下，隨著混合式抽水蓄能政策的引導，混合式抽水蓄能電站將得到一定規模的再次開發利用。

1.3 混合式抽水蓄能電站的優勢

純抽水蓄能電站的運行依靠上下水庫的水循環，需要適時補水；混合式抽水蓄能電站有天然徑流匯入，可利用徑流進行常規發電。與新建純抽水蓄能電站相比，具有開發實施容易、建設周期短、水庫淹沒環境影響小、投資省等優點[9]，具有較好的開發利用前景。混合式抽水蓄能電站是相對于純抽水蓄能而言，純抽水蓄能電站是在高差較大地區新建上下兩個水庫，混合式抽水蓄能是結合常規水電站開發的抽水蓄能電站，可以與常規水電站同時開發建設，也可以在已建成的常規水電站上擴建或者續建。

混合式抽水蓄能電站相比純抽水蓄能電站，在實際運行中具有三大顯著的特性：①單機容量小，啟停迅速，運行靈活、可靠，對負荷的急劇變化能做出快速反應[10]，適合承擔系統調頻及快速跟蹤負荷、備用、無功調節和黑啟動等輔助服務任務；②空閑時可以把下水庫的水抽至上水庫，以提高水力發電機組的運行水頭，增加后期發電效益[11]；③由于混合式抽水蓄能水電站大都利用具有較大容量的水庫，其調節周期更長，可以進行旬、月，甚至是季、年調節，所以可以更充分地發揮蓄能水電站的作用，增加電網的調節能力[12]。常規抽水蓄能機組因受其電站本身調節庫容的限制，通常只能做到日內短時間調節，發揮短時尖峰保供作用和填谷作用，但混合式抽水蓄能機組由于沒有發電庫容限制，能夠發揮更長時段調節任務，當電網出現持續性供電不足現象時，相比于常規抽水蓄能電站，采用混合式抽水蓄能電站更能發揮出其長周期保供作用；當系統持續性供電不足現象消失后，混合式抽水蓄能電站仍能通過常規水電機組持續發電，具有較強的經濟性。

純抽水蓄能電站與混合抽水蓄能電站功能對比見表2。

表2 純抽水蓄能電站與混合抽水蓄能電站功能對比表Table 2 Function comparison table of pure pumped storage and mixed pumped storage

2 我國混合式抽水蓄能站址資源

2.1 已規劃站點

國家能源局發布的《抽水蓄能中長期發展規劃（2021 ～2035 年）》中建設條件成熟、前期工作推進較快的混合式抽水蓄能站址18 個，總裝機容量21535MW。主要分布在青海省、西藏自治區、四川省等水電資源富集區域，其中青海省站點裝機容量約11100MW、西藏自治區6090MW、四川省1800MW、貴州省800MW、陜西省600MW、浙江省595MW、甘肅省300MW、福建250MW。

目前，核準開工項目4 個，總裝機容量2045MW；進入可研階段項目3 個，總裝機容量6100MW；進入預可階段項目3 個，總裝機容量5600MW，開展前期論證工作10 個，總裝機容量7790MW。抽水蓄能中長期規劃中混合式抽水蓄能電站信息及分布見表3。

表3 中長期規劃中混合式抽水蓄能電站Table 3 Medium - and long-term planning of mixed pumped storage

續表

2.2 站址資源普查

2.2.1 站址普查原則

本研究針對常規水電開發利用率較高、對抽水蓄能電站需求規模較大的華北電網、東北電網、華東電網、華中電網和西北電網區域，對具備開發混合蓄能的常規梯級水電站站址資源進行普查。其中華北電網區域包括京津冀地區、山西、山東、蒙西6 個省（市、自治區）；東北電網區域研究涉及了黑龍江、吉林、遼寧和蒙東3 個省（市、自治區）；華東電網包括浙江、福建和安徽3 省；華中電網包括河南、湖北、湖南、江西、四川和重慶5 省1 市；西北電網包括陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆5 個省（市、自治區）。

普查時需滿足以下條件：①常規水電站上、下水庫具備建設混合式抽水蓄能電站的庫容和水量條件；②具備建設抽水蓄能電站的基本地形、地質等條件；③無重大環境影響等制約因素；④距高比可不作為主要約束指標，但不宜太大；⑤從開發價值及經濟性考慮，水頭不宜太低；⑥海拔不宜太高，避免影響機組穩定運行；⑦中長期規劃混合式抽水蓄能站點不在普查之列。

2.2.2 普查區域水力資源情況

我國水力資源豐富，分布區域廣闊，根據2003 年全國水力資源復查成果，我國水能資源理論蘊藏量平均功率69440 萬kW，技術可開發裝機容量54164 萬kW。本次研究范圍，華北電網、東北電網、華東電網、華中電網和西北電網各區域水力資源理論蘊藏量合計34427.52 萬kW，占全國總量的49.58%。其中華中電網和西北電網區域水力資源豐富，理論蘊藏量合計占全國總量的42.67%。研究區域水力資源技術可開發量合計28506.88 萬kW，占全國總量的52.63%。其中，華中電網和西北電網區域技術可開發量合計占全國總量的45.02%。截至2022 年，區域內水電總裝機容量25396 萬kW，其中常規水電22104 萬kW，在建運行抽水蓄能電站（含混合式抽水蓄能電站）3292 萬kW，在建抽水蓄能電站8607.3 萬kW，核準抽水蓄能電站2394.8萬kW。華中電網與西北電網區域水電總裝機占全國總量的48.74%，常規水電裝機占全國總量的53.41%。華中電網與西北電網區域為普查區域內水力資源較豐富區域。表4 為普查區域水力資源統計表。

表4 普查區域水力資源統計表Table 4 Statistical table of hydraulic resources in the census area 萬kW

續表

2.2.3 普查成果

結合站址普查原則，華北、東北、華東、華中和西北電網區域結合梯級水電開發混合式抽水蓄能可能站點32 個，總裝機規模約1063 萬kW。根據各個普查站點工程地質、庫容條件及裝機規模、樞紐布置、對外交通、環境影響、建設征地等總體開發條件，初步分析，選出可供開發站址13 個，總裝機規模約540 萬kW。其中東北電網區域普查站址4 個，裝機規模160 萬kW；華中電網區域普查站址6 個，裝機規模260 萬kW；西北電網區域普查站址資源3 個，裝機規模120 萬kW。

2.3 各電網區域開發潛力分析

實現“雙碳”目標與構建新型電力系統，必須提升新能源消納能力。近年來，我國以風電、光伏發電為代表的新能源裝機規模穩居全球首位，但由于資源稟賦差異，大量風光等新能源分布在西部地區，電力負荷卻多集中在中東部地區，消納問題已經成為新能源發展的關鍵制約。混合式抽水蓄能電站，具有：①低碳，綠色清潔能源；②可調節，兼顧短周期調節靈活性和長周期調節能力；③經濟，技術成熟且可大規模應用。結合常規水電站建設混合式抽水蓄能電站，是當前促進新能源消納一種實際、可行的解決方案。

本次混合式抽水蓄能站址普查，在華北電網、華中電網區域未選出現階段可供開發站點。其中華北電網區域水能資源在全國水能資源總量中占比較小，主要分布在內蒙古與山西省的黃河流域，且水能開發條件較差，具備開發條件的水電資源已基本得到開發。未來水利工程將主要承擔供水、防洪等綜合利用任務。華東電網區域站址資源裝機容量較小（均為20 萬kW）以下，距高比大于20，開發經濟性較差，本階段暫不考慮開發。東北電網、華中電網、西北電網共普查出現階段可供開發混合式抽水蓄能站點15 個，總裝機規模約670 萬kW。

2.3.1 東北電網區域

截至2022 年東北電網總裝機容量2.02 億kW，除水電外新能源發電電力達0.85 億kW，占比42.08%，需要抽水蓄能電站參與調峰，改善電網調峰壓力。本次普查站址4 個，裝機規模160 萬kW，其中水豐、云峰站點所屬河流為中朝界河，開發建設受鄰國影響。豐滿及雙溝站點建設條件較好，無制約電站開發的重大環境因素，開發環境優異。

2.3.2 華中電網區域

截至2022 年華中電網總裝機容量3.31 億kW，新能源發電電力達1.02 億kW，占比30.48%。華中電網水力資源技術可開發量18545.33 萬kW，已開發常規水電15530 萬kW，水電開發比例83.74%，開發程度較高。華中電網區域包含電力配送端與消納端，本次普查站址6 個，裝機規模260 萬kW，開發混合式抽水蓄能電站可減少區域內火力發電全力消納跨區外來電量，保障水電、新能源消納。

2.3.3 西北電網區域

截至2022 年，西北電網區域新能源裝機容量1.62 億kW，占比43.67%，對于靈活性調節資源的需求高。西北電網作為我國新能源并網比例最高的區域電網，受煤電裝機減小、抽水蓄能電站尚未投產等因素影響，調節能力不足。黃河上游干流龍羊峽—青銅峽河段已建成龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽、劉家峽6座百萬千瓦級別的梯級水電站，在《抽水蓄能中長期發展規劃（2021 ～2035 年）》中，西北地區規劃混合式抽水蓄能站址8 個，總裝機容量1140 萬kW。本次西北電網區域普查站址資源3 個，裝機規模120 萬kW。總體來看西北電網區域混合式抽蓄普查站址資源較多，具有一定的開發潛力，應合理有序建設混合式抽水蓄能電站，能夠有效提高西北電網的新能源消納能力。

3 混合式抽水蓄能開發的制約

近年來，隨著抽水蓄能電站的蓬勃發展，結合梯級電站而建設的混合式抽水蓄能電站也受到各方重視，兩河口混蓄、安康混蓄、龍羊峽儲能等一批站點已規劃并逐步實施。混合式抽水蓄能電站相較純抽水蓄能電站，可以節省工程投資，減小環境制約，同時蓄能機組可與常規機組聯合調度，可作為構建新型電力系統的重要支撐。但受到一些因素制約，混合式抽水蓄能電站未得到大規模發展。

3.1 內部制約

3.1.1 政策不完善

缺少完善的電價疏導機制，投資回收困難。若混合式抽水蓄能電站服務于新能源基地，則效益費用與新能源基地統一核算；若服務于電網，則效益費用將以容量電費為主，根據633 號文要求按照內部收益率6.5%核定。混合式抽水蓄能電站的調度運行受到原常規電站運行方式影響，其有效發電容量、有效抽水容量、有效備用容量等難以明確，較純抽水蓄能電站容量電價打折扣；安裝抽水泵而建成的混合式抽水蓄能電站，泵工況僅有抽水功能無發電功能，按照現有政策和規定，存在無法核定容量電價的問題。

3.1.2 無專項規劃

在國家“十四五”規劃和“2035 年遠景目標綱要”中明確提出要加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規模化應用。從全國抽水蓄能中長期規劃成果來看，主要為純抽水蓄能電站，混合抽水蓄能電站相對較少。受目前政策和法規不完善的制約，可開展混合蓄能站址調研，摸清全國具備開發混合蓄能的常規梯級水電站站址資源，待時機成熟時有序開發。

3.2 外部制約

3.2.1 建設難度大

混合式抽水蓄能電站由于利用已有水庫，其進出水口需在水下建設，且往往水深較大，因此進出水口施工需要利用巖坎或堰塞作為圍堰，拆除難度大，增加工程投資。同時，利用梯級水電站作為上下水庫的混合式抽水蓄能電站，一般下水庫進出水口布置在庫尾，如果常規機組發電時抽水蓄能機組進行抽水，水流同時反向拉伸式工作，抽水蓄能機組抽水可靠性受到影響，存在抽不上水的狀況。根據兩河口混合式抽水蓄能的初步研究成果，這種情況影響到電站的抽水小時數，存在達不到設計抽水小時數的可能。

3.2.2 調度運行復雜

混合式抽水蓄能電站再在調度運行時，需優先滿足原有水庫的任務，受原有水庫調度運行的影響，尤其是具有防洪、灌溉、供水、生態保護等需要的水庫，故混合式抽水蓄能電站的調度運行復雜。兩河口混合式抽水蓄能電站的下水庫為牙根一級水庫，該水庫在保證生態用水方面有非常嚴格的要求。雅礱江流域綜合規劃環評將雅江斷面作為重要控制斷面，明確了生態基流下泄要求，以及魚類繁殖期間流水生境和水位的相對穩定要求。受此影響，電站的運行方式受到了很多限制。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）隨著“雙碳”目標的提出，構建新型電力系統，對調峰資源的需求也將越來越迫切，全面提升電力系統中靈活性調峰資源的占比和利用水平，是維持電網安全穩定運行與清潔能源高效消納的重要手段。純抽水蓄能電站工程投資大、建設周期長、受環保制約越來越大。而結合梯級水電站建設混合式抽水蓄能電站，可推動水資源更加充分利用，同時具有投資少、見效快的特點，是應對當前電力系統靈活性不足造成的一系列問題的重要手段。

（2）混合式抽水蓄能電站相比純抽水蓄能電站，在實際運行中具有三大顯著的特性：①單機容量小，啟停迅速，運行靈活、可靠，對負荷的急劇變化能做出快速反應，適合承擔系統調頻及快速跟蹤負荷、備用、無功調節和黑啟動等輔助服務任務；②空閑時可以把下水庫的水抽至上水庫，以提高水力發電機組的運行水頭，增加后期發電效益；③由于混合式抽水蓄能電站大都利用具有較大容量的水庫，其調節周期更長，可以進行旬、月，甚至是季、年調節，所以可以更充分地發揮蓄能水電站的作用，增加電網的調節能力。

（3）本次混合式抽水蓄能站址普查，初步選出可供開發站址13 個，總裝機規模約540 萬kW。其中東北電網區域普查站址4 個，裝機規模160 萬kW；華中電網區域普查站址6 個，裝機規模260 萬kW；西北電網區域普查站址資源3 個，裝機規模120 萬kW。在全國范圍內，混合式抽水蓄能站址資源豐富，可開發資源稟賦充裕，未來新能源在電力系統中占比逐漸提高，電網靈活性調節需求逐漸增大的背景下，適宜混合式抽水蓄能電站的有序開發利用。

（4）近年來，隨著抽水蓄能電站的蓬勃發展，結合梯級電站而建設的混合式抽水蓄能電站也受到各方重視一批站點已規劃并逐步實施。混合式抽水蓄能電站相較純抽水蓄能電站，可以節省工程投資，減小環境制約，同時蓄能機組可與常規機組聯合調度，可作為構建新型電力系統的重要支撐。但受到政策不完善、無專項規劃、建設難度大、調度運行復雜等因素影響，混合式抽水蓄能電站開發也受到很多制約。

因此，發展混合式抽水蓄能，需要國家層面制定相應的政策和法規，行業編制規范和規定，同時應盡早開展可開發站址普查，摸清可開發容量的現存規模，為實現“雙碳”目標和水資源更有效充分利用發揮更大的作用。

4.2 建議

發展混合式抽水蓄能，需要國家層面制定相應的政策和法規，行業編制規范，同時開展可開發站址資源系統普查，摸清可開發容量的規模，為實現“雙碳”目標和水力資源更有效充分利用發揮更大的作用。從現有混合式抽水蓄能開發條件和制約因素分析，本文主要提出以下幾個方面建議：

（1）建議國家有關部門出臺混合式抽水蓄能發展專項規劃，結合混合式抽水蓄能全國站址資源，考慮區域電網不同調節需求，因地制宜建設混合式抽水蓄能，提出混合式抽水蓄能開發建設發展方向。

（2）提出混合式抽水蓄能容量電價核定相關辦法。混合式抽水蓄能機組因存在庫容權屬及租賃問題，容量電價核定方法尚不明確，亟須出臺相關政策引導混合式抽水蓄能電站容量電價的核定和成本的疏導，科學引領混合式抽水蓄能有序規模化發展。

（3）混合式抽水蓄能因受限于梯級水電站水頭高度、距高比等因素，因此開發建設難度較高。同時，針對改造、新建可逆式機組/泵站也需要經過科學比選、專家分析研判后綜合決定，目前對于混合式抽水蓄能建設標準很大程度上需要參考常規水電及常規抽水蓄能電站建設標準，建議出臺混合式抽水蓄能相關建設標準，積極推進混合式抽水蓄能的開發建設的標準化。

（4）混合式抽水蓄能因其與常規水電站共用水庫，因此在考慮混合式抽水蓄能電站調度運行模式時，需要統籌考慮常規水電與可逆式機組，采用聯合調度模式從而實現調度經濟性和對系統的調節性最優，避免因獨立調度，抽水蓄能機組邊抽水，常規水電機組邊發電所導致的調節資源的浪費。