基于平抑風光波動的礦坑抽水蓄能電站出力與機組特性研究

摘要：由于我國能源結構的調整，現有抽水蓄能電站裝機規模無法滿足黃河流域的能源結構轉型以及風、光資源大規模消納的需求，同時由于采礦工作的結束，產生了大量廢棄礦坑。以鄂爾多斯附近的廢棄礦坑為研究對象，借助鄂爾多斯域內的黃河水資源，結合抽水蓄能電站的建設條件，選出4對符合抽水蓄能電站建設要求的礦坑。對待建抽水蓄能電站附近的風光資源數據進行采集，借助Meteonorm、Matlab以及Simulink等軟件進行出力模擬，并對出力特性進行分析，證實抽水蓄能電站是風電、光伏發電的良好補充資源。由于水泵水輪機的國內外制造商沒有成形的型譜系列，所以分別從抽水蓄能電站水輪機選型要點、抽水蓄能電站水輪機主要特征參數的選擇、礦坑抽水蓄能電站水輪機選型實例3個角度對不同礦坑特性下的抽水蓄能機組進行合理選型。該研究對我國黃河流域抽水蓄能電站的建設、后續廢棄礦坑的利用以及礦坑抽水蓄能機組的選型具有指導意義。

關鍵詞：抽水蓄能電站;廢棄礦坑;風光出力特性;水庫建設;資源利用

中圖分類號：TV743文獻標識碼：A文章編號：2096-6792（2025）01-0020-12

我國內蒙古自治區擁有豐富的風能和太陽能資源，是風電、光伏開發的熱土。在“雙碳”目標［1］和綠色發展理念的指導下［2］，風電、光伏發電裝機容量及發電量在內蒙古自治區可再生能源總裝機容量及發電量中占比較大，大型風電光伏基地建設項目規模達到2 020萬kW，占比超過20%，位居全國首位［3］。研究表明［4］，2030年，內蒙古可能產生約2 000億kW·h棄風棄光量。在該背景下，對內蒙古的風光資源進行整合利用有助于實現低碳轉型和“雙碳”目標［5］。然而風電、光伏具有極強烈的間歇性和波動性［6］，為了克服風光發電功率輸出不穩定的缺點，一般建設儲能系統與風電-光伏系統組成互補發電系統［7］。相比其他儲能方式，抽水蓄能電站運行安全可靠、容量大、壽命長，適用于大規模儲能場景［8］。黃河流域已建成的抽水蓄能電站僅有2座，在建的僅3座，現有裝機規模無法滿足黃河流域的能源結構轉型以及風、光資源大規模消納的需求［9］。因此，以“雙碳”目標、黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略［10］為契機，結合黃河流域的水資源，充分發揮黃河流域的風光資源優勢，建設風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統，以有效解決風電和光伏大規模并網問題，是一種新型的發電模式［11］。規劃建設抽水蓄能電站前首先要考慮選址［12］，選址的合理性直接影響到電站的安全穩定運行［13-15］。

在我國能源結構調整的背景下，隨著采礦業的結束，產生了大量的廢棄礦坑［16］，預計到2 030年，我國關閉礦井數量達到15 000座，包含大約90億m3的地下空間資源［17］。露天廢棄礦坑的利用以改造成水庫后配合風光發電為主［18］，利用廢棄礦坑所具有的修建水庫的獨特優勢來建造抽水蓄能電站［19］具有廣闊的經濟前景和社會效益［20］。位于黃河“幾”字彎地區的鄂爾多斯是我國最大的產煤炭城市之一［21］，其內廢棄的采煤礦坑區域是一個潛在的抽水蓄能電站建設地點。此礦坑區域臨近黃河，可方便利用黃河水資源，礦坑區多山地丘陵，地勢起伏較大［22］，為建設上下水庫提供了天然的高度差。

國內外已經有學者提出對于礦坑改建抽水蓄能電站的構想，但目前缺少實際工程應用。美國的新薩米特抽水蓄能電站，將廢棄礦井改造為下水庫，其規劃裝機1 500 MW［23］。德國的下薩克森州能源研究中心計劃利用廢棄的金屬礦巷道建設抽水蓄能電站［24］。澳大利亞的北昆士蘭州設計利用露天金礦建設抽水蓄能電站［25］。西班牙研究利用某煤礦建設半地下抽水蓄能電站［26］，南非約翰內斯堡計劃利用廢棄的深井金礦建設抽水蓄能電站［27］。我國的河北灤平抽水蓄能電站利用磁鐵礦坑做下水庫，遼寧阜新抽水蓄能電站利用海州廢棄礦坑做下水庫，2個站址已納入抽水蓄能選點規劃報告［28］。

在研究風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統時，很多學者常運用Meteonorm、Matlab和Simulink等軟件進行數據采集、出力模擬和分析。文獻［29］對幾種不同的光資源數據來源進行分析，結果證明Meteonorm軟件中采集到的輻照度數據與實際光伏電站的輻照度數據最接近，可信度更高。文獻［30］基于Matlab/Simulink搭建了小功率離網型風-光-柴儲混合發電系統模型，根據仿真模型的輸出波形分析該模型的有效性。本研究中借助Meteonorm軟件采集風、光的相關氣象數據，借助Matlab、Simulink軟件構建相應的出力模型，為后續研究奠定基礎。

廢棄礦坑的利用以及礦坑抽水蓄能電站的建設能夠產生多方面的影響，包括但不限于對資源利用率的影響、對環境的影響、可能產生的環境風險以及可持續性問題等。本研究從電力能源的角度展開，主要考慮建設礦坑抽水蓄能電站對風、光等清潔能源利用率產生的影響。利用廢棄的采煤礦坑改造成水庫來建設抽水蓄能電站，利用礦坑附近的黃河水資源為上下水庫提供水源保障，是有效利用廢棄礦坑的創新方式，提高風電、光伏資源的消納率，降低由風電-光伏接入電網帶來的沖擊。目前，如何根據不同的礦坑特性對抽水蓄能電站進行選型，是亟須解決的一個難題。

1礦坑特性

我國的廢棄礦坑主要分布在晉、陜、蒙、寧、甘、云、貴、川以及東北地區［31］。截至目前，地下礦井多被用于瓦斯開采，露天礦坑多被配合用于風光發電、生態修復等［32-33］。根據原水利電力部頒布的《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》（山丘、丘陵區部分）（SDJ 12—78）的試行規定［34］，水利水電樞紐根據其工程規模、效益和在國民經濟中的重要性劃分為5個等級。參考抽水蓄能水庫庫容等級劃分，對礦坑庫容以10億為數量級劃分為5個等級，礦坑庫容小于0.01億m3的為最小等級，庫容大于10億m3為最高等級。根據礦坑的海拔，將其分為低、中、高3個等級，其中海拔小于1 200 m的定義為低等級，海拔位于區間［1 200，1 300］ m的定義為中等級，海拔高于1 300 m定義為高等級。根據不同礦坑的海拔，將礦坑之間的相對高度劃分為3個等級，分別為小于200 m、［200，700］ m以及大于700 m。根據礦坑之間的距離和相對高度對礦坑之間的距離和高度比（距高比）進行計算。根據水庫大壩基坑開挖的施工要點規定，通常礦坑挖掘深度為10～20 m，在可行開挖深度范圍內對礦坑進一步深挖，滿足距高比條件下的礦坑即為滿足礦坑抽水蓄能電站建設條件的廢棄礦坑。

在對廢棄礦坑的特性進行分析之后，以鄂爾多斯附近的廢棄礦坑為例，借助鄂爾多斯域內的黃河水資源，選取4處符合建設要求的礦坑，標記為地點A、B、C、D，其中C地點和D地點處的抽水蓄能電站的上、下水庫均為利用廢棄礦坑資源改造的水庫，A地點和B地點處的抽水蓄能電站則是將廢棄礦坑作為上水庫，同時利用黃河水資源建設下水庫，其地理位置如圖1所示。

2風光波動下抽水蓄能電站出力特性

2.1風電出力特性

2.1.1風資源狀況

風電出力的主要影響因素為風速，風速受到季節、溫度等因素的影響，具有強隨機性與波動性。以典型年8 760 h的風電單位出力為依據進行分析，結果如圖2所示。圖2中地點C處整體風速較大，其余3處的風速變化趨勢基本一致，表現為3月份風速較高，出現最大值，最高風速超過12 m/s。

以地點A為例進行分析，選取各季節典型日數據繪制各季節典型月風速變化圖和典型日風速圖，分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可發現：風速變化趨勢在季節上表現較為不明顯，從總體趨勢來看，差別不大，春秋兩季風速略高于夏冬兩季的;四季均表現出夜里風速較大、白天風速較低的特點，尤其在午后，風速處于日內較低水平。

2.1.2出力特性分析

2.1.2.1年出力特性分析

典型年8 760 h風電單位出力如圖5所示。由圖5可以看出，各風電場整體出力水平與風電場所在的地理位置密切相關。對A、B、C、D 4處的風電年出力特性進行分析可知：A處3—4月份、12月份風速較大，單位出力可達0.8以上;7—8月份風速較小，單位出力大部分在0.4左右。B處4月份左右風速較大，單位出力可達0.8以上;8—9月份風速較小，單位出力大部分在0.3左右。C處的整體風速偏大，單位出力也較大，全年有1/3時間的單位出力達0.6以上，主要在3—4月份、11—12月份;單位出力較低數值出現在7—8月份，大部分單位出力在0.4左右。D處的整體風速偏低，單位出力的變化趨勢與其余3處的類似。

2.1.2.2典型日出力特性分析

以A處為例，對該處風電場的日出力特性進行分析，選取3個典型日數據，第1個為最大出力日，即全年發電量最大的一天;第2個為最小出力日，即全年發電量最小的一天;第3個為一般出力日，即選取日發電量平均值，其日發電量=年發電量/365。這3個典型日的出力特性如圖6所示。

由圖6可以看出，最大出力日的風電單位出力保持在0.4～0.8，一般出力日的保持在0.0～0.4，最小出力日的幾乎為0.0，全天停止發電。最大出力日與一般出力日的變化趨勢表現出一定的相關性，走勢較為一致，具有明顯的峰谷特征，在3：00至4：00、14：00至16：00和19：00至20：00出現出力高峰階段。

由于風電出力具有高度的隨機性，典型日的出力特性代表性不足，所以利用各季節的典型月數據（圖7）進一步分析。

圖7進一步證實最大出力日與一般出力日的出力具有相關性，在最小出力不為零的情況下，最大出力日、一般出力日和最小出力日的3條出力曲線類似。風電單位出力情況較為理想的月份為3月和9月，即春、秋兩季風電出力較為理想，夏、冬季節出力較低，這與前文的結果一致。

2.2光伏出力特性

2.2.1光資源狀況

光伏電站的出力影響因素主要是輻照度，它由季節、天氣、晝夜等因素決定，表現出強不確定性。白天有光照，夜間無光照;晴天時輻照量大，陰天時無輻照量或輻照量較小。以典型年8 760 h的輻照量與溫度為依據進行分析，結果分別如圖8和圖9所示。

由圖8—9可看出：A、B、C、D處的輻照度數值與變化趨勢基本一致，均表現為4—8月的輻照度數據較大，最高可超過1 000 W/m2，當年11月至次年1月的輻照度偏小，大部分低于600 W/m2;溫度變化趨勢大致呈“n”形并伴有振蕩，表現為夏季溫度高、冬季溫度低。

以A處為例，選取各季節典型日數據，繪制出各季節典型月輻照度變化曲線和典型日輻照度變化曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知：太陽輻照度在季節性上的表現比較明顯，春季、夏季的輻照度高于秋季、冬季的，其中夏季輻照度最高;各季節的輻照度變化趨勢基本一致，每天的12：00—15：00是一天內輻照度最高的時間段，在21：00至次日6：00，因為處于黑夜，無光照，所以輻照度為0。

2.2.2出力特性分析

2.2.2.1年出力特性分析

A、B、C、D處的光伏年出力變化趨勢（圖12）基本一致，4—8月份的輻照度較高，其最高單位出力可達0.8以上;1月份和12月份的輻照度較低，其單位出力大部分維持在0.4左右。光伏電站出力因為季節變化受到約束，在春天和夏天的時候，光伏單位出力相對較大，秋季和冬季單位出力較小。

2.2.2.2典型日出力特性分析

光伏出力具有規律性和間歇性，為了進一步分析不同季節不同月份下光伏的日出力特性，以A處為例，繪制各月最大出力日的特性曲線，如圖13所示。

由圖13可以看出：因季節的差異，各月份的光照時長不同，光伏出力也不同。1、2、11、12月份的最大出力日的有效光照時長為9～11 h，3、4、9、10月份的最大出力日有效光照時長為12～13 h，5、6、7和8月份的最大出力日有效光照時長為15 h左右，總體表現為夏季光照時間長、輻照度大，相應的光伏單位出力值也較高。12個月份均在日內表現為在13：00左右出現出力峰值，日出力曲線呈現出規則的拋物線形態。除此之外，光伏日出力在晴天、陰天、雨天的差別較為明顯。

7月份不同天氣下的光伏24 h單位出力特性曲線如圖14所示。夏季輻照度大，天氣變化較快，因光伏出力受輻照度、溫度等的影響較大，所以圖14中光伏出力在不同天氣下差別明顯，晴天的出力明顯高于陰天的，雨天因光照強度較低，基本無出力。

2.3風光互補后平抑波動出力需求

光伏出力主要依靠太陽輻照度，光伏出力特性表現為在中午時出力最大，夜間無出力;風電出力主要依靠風速，風電出力特性表現為在夜間和傍晚出力較大。雖然風電出力和光伏出力都具有波動性和間歇性，但是風能資源和太陽能資源具有天然的互補優勢，即白天光強、夜間風大，故白天光伏出力大，夜間風電出力大。根據系統出力波動度最小、經濟性最優原則形成風光互補出力，彌補了獨立風力發電和獨立光伏發電的不足，使出力更加平穩可靠。以A處為例，通過風光出力互補的方式降低風電、光伏出力波動，互補后8 760 h的出力如圖15所示，風光互補后各季節典型日的出力如圖16所示。

由圖15和16可知：雖然在風速低時輻照度大，在輻照度為零時風速高，由于風光資源具有不穩定、隨機性等特點，風光出力互補后仍然具有強烈的波動，其變化趨勢基本與光伏出力相同，大致呈現正態分布，比風電出力略微平滑。

2.4抽水蓄能電站調度出力特性

為了使發電系統的輸出功率更加穩定，需要引入儲能設備，與風電、光伏組合形成穩定的電源，故構建風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統，其中抽水蓄能電站為大型儲能裝置，在用電高峰期時發電補充功率缺額，在用電低谷期時儲存電能，起到削峰填谷的作用，從而達到平抑風光互補發電的波動，減少棄風棄光率的目的。在本研究中，風光電場出力與輸電通道之間的差值為抽水蓄能電站的工作空間。當風光電場的發電量充足時，超過輸電通道容量的部分為多余的電能，抽水蓄能電站利用該部分電能進行抽水，將電能以水能的形式儲存起來。當風光電場的發電量不足時，低于輸電通道容量的部分為缺少的電能，此時抽水蓄能電站放水發電，補齊電能缺額。這樣將間歇性的能源轉化為可調可控的穩定能源，能夠有效地降低風電光伏并網時對電網的沖擊，提高電力系統的穩定性。本研究以鄂爾多斯區域內廢棄礦坑為基礎，設置了2組上、下水庫，均為廢棄礦坑改造而成的抽水蓄能電站，同時設置了2組利用廢棄礦坑作為上水庫、引用黃河水資源建設下水庫的抽水蓄能電站，將4處抽水蓄能電站分別聯合其附近的風電光伏資源，組成風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統。借助Meteonorm、Matlab以及Simulink等軟件對系統出力進行仿真，得到A、B、C、D地區風電-光伏-抽水蓄能互補后的出力，如圖17所示。A地區風電-光伏-抽水蓄能互補后的出力局部如圖18所示。

由圖18可直觀地看出：風電光伏出力與抽水蓄能電站互補后雖仍有少量棄風棄光，總體出力較為平穩，說明抽水蓄能電站是風電、光伏互補發電的良好補充資源。通過利用廢棄礦坑和黃河水資源來建設抽水蓄能電站，不僅可以合理利用廢棄礦坑以及黃河水資源，還能夠降低風電、光伏直接接入電網對電力系統造成的沖擊，提高新能源的消納能力。

3不同礦坑特性下的抽水蓄能機組選型

3.1抽水蓄能電站水輪機選型

常規水輪機具有成形的型譜系列，根據已知的水電站水頭，直接從水輪機系列型譜中選出幾種適用的型號，使選型工作變得簡化與標準化［35］。與常規水輪機不同的是，水泵水輪機沒有成形的型譜系列，所以常規水輪機的設計方法不能完全適用于水泵水輪機的設計中。水泵水輪機的選型應該根據發電水頭（最大水頭、最小水頭、平均水頭和額定水頭）、運行特點、削峰填谷需求等因素，經過技術經濟比較后確定。在確定水輪機的臺數和單機容量時，需要在綜合考慮所有因素后，至少擬定3個組合方案，然后通過技術確定最終方案。

3.2抽水蓄能電站水輪機主要特征參數的選擇

3.2.1水泵水輪機機型的選擇

水泵水輪機機型需要根據發電水頭、運行特點以及設計制造水平等因素，經過技術經濟比較后確定［36］。根據《抽水蓄能電站設計規范》（NB/T10072—2018）中關于機型選擇的論述，水頭高于800.0 m時，選擇組合式水輪機或多級式水泵水輪機;水頭位于區間［50.0，800.0］ m時，選擇單級混流式水泵水輪機;水頭低于50.0 m時，通過技術經濟比較選擇混流式、軸流式或者貫流式水泵水輪機。

3.2.2水輪機臺數和單機容量的選擇

由抽水蓄能電站削峰填谷的作用可知，抽水蓄能電站的裝機容量首先取決于電網低谷的電量以及調峰容量的需求。除此之外還需考慮電站所處的位置，包括上下水庫的容積、高度差以及水源是否充裕等情況。目前國外單機容量最大，已經達到475 MW。我國已建和在建抽水蓄能機組單機容量以300 MW為主，近年來已有投產的機組單機容量達到400 MW，在建機組單機容量達到425 MW。根據工程實例可知，單機容量一般以25 MW作為一個數量級進行遞增。根據《抽水蓄能電站設計規范》（NB/T 10072—2018）中的規定可知，選擇機組單機容量時，為了降低成本，在滿足機組設計、制造難度、制造水平的前提下，選擇單機容量大、臺數少（臺數一般大于2臺）的方案。

3.2.3水輪機額定水頭的選擇

抽水蓄能電站額定水頭影響著抽水蓄能電站在電網中的作用及水輪機的正常運行，根據經驗公式分析可得，額定水頭應盡可能靠近平均水頭，上限低于平均水頭4%，下限高于平均水頭1%。提高額定水頭不僅能夠改善水泵水輪機的運行效率，還可以擴大水輪機穩定運行的范圍，有利于水輪機長時間穩定運行。

3.3礦坑抽水蓄能電站水泵水輪機選型實例

礦坑抽水蓄能電站位于內蒙古鄂爾多斯的黃河流域，以廢棄礦坑為基礎改建抽水蓄能電站。根據上述選型流程對A、B、C、D處抽水蓄能電站進行選型，結果見表1。

與風電-光伏互補系統相比，風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統在棄風棄光率、系統出力波動度、項目收益等方面均會有所改善。根據系統中配置的風電、光伏裝機容量的不同，具體的風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統的效益也不一樣。故在這4處抽水蓄能電站的選型確定后，可進一步研究風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統的容量配置，以抽水蓄能電站容量為已知前提，根據抽水蓄能電站附近的風光資源對抽水蓄能電站可消納的風電、光伏資源進行配置。合理的容量配置不僅能夠使抽水蓄能電站削峰填谷的功能發揮到最大化，也使風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統的效益最高。

4結語

1）構建的基于廢棄礦坑的抽水蓄能電站能減少抽水蓄能電站的初始投資、降低地形地貌的限制，同時也是對廢棄礦坑的再利用?；趶U棄礦坑改造的抽水蓄能電站可在其他廢棄礦坑區根據不同礦坑的類型結合抽水蓄能電站的建設條件進行建設。

2）新能源接入電力系統導致發電量的波動大大增加。通過對風光互補系統和風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統的出力進行對比，發現抽水蓄能電站能夠改善新能源并網時對電力系統造成的沖擊，提高新能源的消納能力。本文構建的風電-光伏-抽水蓄能聯合發電系統能夠適用于其他風資源與光資源豐富的地區，可以借助抽水蓄能電站削峰填谷的作用調節風光出力的波動，起到消納風、光等清潔能源的作用，推動能源結構轉型。

3）黃河“幾”字彎礦坑抽水蓄能電站的建設，一方面可以提高廢棄礦坑的利用率，另一方面對消納鄂爾多斯地區的風光資源、促進可再生能源的高質量上網提供了重要保障，同時也提高了對黃河水資源的利用率。對抽水蓄能電站機組選型研究將會對抽水蓄能電站的工程設計提供重要的參考依據。

4）本文從電力能源的角度展開研究，接下來可以進一步考慮建設礦坑抽水蓄能電站可能產生的環境風險和可持續性問題，進而完善對建設礦坑抽水蓄能電站的綜合評估。另外，由于黃河水資源十分短缺，抽水蓄能電站的建設需要引用部分黃河水資源，同時抽水蓄能電站的建設提高了新能源的消納比例，減少火電和煤炭行業等高耗水產業對水資源的占用，因此下一步應研究在水資源剛性約束條件下，如何通過水權交易實現水用途的轉換，為抽水蓄能電站的建設運行提供水資源保證，為黃河流域抽水蓄能電站的發展提供決策依據。

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Study on the Output and Unit Characteristics of Pumped Storage Power

Station Utilizing Abandoned Mine Pits for Smoothing the Fluctuation of

Wind and Photovoltaic Outputs

REN Yan， HOU Shangchen， HAN Yuping， ZHANG Haonan， SUN Ketao， XING Xinyang

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：

Due to the adjustment of China′s energy structure， the existing pumped storage power station scale installed capacity cannot meet the demand for energy structure transformation and large-scale consumption of wind and solar resources in the Yellow River Basin， at the same time，a large number of abandoned pits have been produced due to the end of mining work. Taking the abandoned mine pits near Ordos as the research object， and with the help of the Yellow River water resources in the Ordos area， combined with the construction conditions of "pumped storage power plants， four pairs of pits that meet the requirements for the construction of pumped storage power plants are selected. The wind and solar resource data near the proposed pumped storage power station to be built are collected， and the output simulations are carried out with the help of Meteonorm， Matlab and Simulink software， and the output characteristics are analyzed， which confirms that the pumped storage power station is a good complementary resource for wind power and photovoltaic power generation. Since the domestic and foreign manufacturers of pump turbines do not have a well-established type series， a reasonable selection of pumped storage units under different pit characteristics is conducted from three perspectives： the main points of pumped storage power station turbine selection， the selection of main characteristic parameters of pumped storage power station turbine， and the example of pumped storage turbine selection of a certain mine pit. This study is of guiding significance for the construction of pumped storage power stations in the Yellow River Basin of China， the subsequent utilization of abandoned mine pits and the selection of mine pit pumped storage units.

Keywords：

pumped storage power station; abandoned mine pit; wind and photovoltaic output characteristics; reservoir construction; resource utilization

（編輯：杜明俠）

收稿日期：2024-03-20

基金項目：國家重點研發計劃項目（2023YFC3209404）；教育部產學合作協同育人項目（220506429133218）;河南省高等學校重點科研項目（23B480001）。

第一作者：

任巖（1979—），女，教授，碩導，博士，從事新能源發電及抽水蓄能技術等方面的研究。E-mail：renyan@ncwu.edu.cn。

通信作者：

韓宇平（1975—），男，教授，博導，博士，從事水資源系統工程方面的研究。E-mail：Hanyp@ncwu.edu.cn。