陕甘青宁电网混合式抽水蓄能电站建设必要性

高苏杰，栾凤奎，董 闯，张 娉

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国家电网公司，北京市 100031；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西省西安市 710065）

陕甘青宁电网混合式抽水蓄能电站建设必要性

高苏杰1，栾凤奎2，董 闯3，张 娉3

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国家电网公司，北京市 100031；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西省西安市 710065）

根据陕甘青宁电网电源结构、风光电出力特点，对陕甘青宁电网新能源大规模开发下面临的调峰容量不足问题进行了分析，并结合陕甘青宁电网特点，阐述结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站的必要性及优点。

电网；风光电；调峰；混合式抽水蓄能

0 引言

陕甘青宁四省（区）风电、光伏等新能源资源丰富，具有我国规划的千万千瓦级新能源基地。但由于风电、光伏出力具有很强的随机性、间歇性和不可控性，无论是本区消纳还是远距离外送，均对调峰有较大的需求。而陕甘青宁待开发的常规水电资源主要集中于黄河干流，目前开发利用程度已较高，后续开发潜力有限；同时根据环保要求泄放发电，在电网中承担调峰能力受到限制。近年来随着新能源发电快速发展，调峰需求不断增加，个别省份出现新能源弃电现象，常规水电已不能满足电网调峰需求。

基于这一背景，本文论述陕甘青宁电网混合式抽水蓄能电站建设的必要性。

1 电源结构及特点

1.1 电源结构

陕甘青宁电网为全国六大跨省电网之一，现已覆盖了陕甘青宁四省（区）的经济较发达地区，电网东起晋陕边界，西至青海的格尔木，西北到甘肃的敦煌，东北达宁夏全境，南部延伸到了川陕和川甘边界，东西直线长约1400km，南北宽度约900km。西安、兰州、西宁、银川等地区是电网的负荷中心和电网核心。

陕甘青宁电网的电源布局现状是：东部陕西、宁夏以火电为主，西部青海以水电和太阳能发电为主，甘肃以水电和风电为主，宁夏拥有一定比例的风电。这种布局与陕甘青宁四省（区）的能源资源分布是密切相关的，是在四省（区）范围内进行资源优化配置的体现。

陕甘青宁电网作为一个整体（见图1），多年来一直维持水火互补运行的局面，但近年来随着风电、光电等新能源的快速发展，水火电比重明显降低。2015年陕甘青宁电网电力系统总装机容量13493万kW，其中火电7265万kW，占53.8%，水电2337万kW，占17.3%，风电2290万kW，占17.0%，太阳能发电1601万kW，占11.9%，且出现个别省份因调峰容量不足，导致新能源弃电量较高。

图1 陕甘青宁电网电源结构现状示意图Fig.1 Present Power Supply Structure of Shaan-gan-qingning Power Grid

图2 2025年陕甘青宁电网电源结构示意图Fig.2 Power Supply Structure of Shaan-gan-qing-ning Power Grid in 2025

根据相关规划，2025年陕甘青宁电网电力系统（见图2）总装机容量27803万kW，其中火电11023万kW，占40%，水电3292万kW，占12%，风电5816万kW，占21%，太阳能发电7672万kW，占27%。四省（区）新能源比重进一步增加，且太阳能发电装机容量已略大于风电。

陕甘青宁电网作为一个整体，多年来形成了多种能源互补运行、省际电力电量互相备用、相互调剂的优势。随着陕甘青宁电网新能源比重的逐步增加，水火电比重逐步减小，传统水火互补的局面已被打破，局部地区电网调峰存在困难。为分析陕甘青宁调峰问题，有必要分析陕甘青宁电网风、光电发电出力特性。

1.2 风、光电发电出力特性

1.2.1 出力-保证率-电量累积曲线

分析不同出力对应的保证率及发电量，分析不同出力段相应电量及占设计年发电量比例，为合理确定上网容量提供依据。

根据陕甘青宁各省区同时刻同类型电源的发电代表出力过程叠加后的出力过程统计分析得到陕甘青宁风电出力电量累积特性，各省区及四省区累积电量95%时的出力标幺值见表1。

表1 陕甘青宁四省（区）风电、光电累积电量95%时出力标幺值表Tab.1 Characteristics of wind power and photoelectric output in Shaan-gan-qing-ning Power Grid

从表可见，各省（区）风电、光电95%累积电量的出力标幺值均高于四省（区），说明各省（区）风电、光电的出力具有一定的互补性。

考虑各省区风电出力互补必须基于网架送出能力不受限制、调度不受省（区）间限制、电价政策配套等要求，故风电暂以规模较大的甘肃省特性为主，光电以规模较大的青海特性为主，四省（区）风电、光电95%累积电量的出力标幺值分别为0.5、0.6。风电、光电出力-保证率-电量累积曲线见图3和图4。

1.2.2 出力变率

由于风能、太阳能资源的波动性及间歇性，大规模风（光）电接入电网后，需要电力系统有快速反应容量，满足电网安全稳定要求，因此需要分析风（光）电场的出力变率。

风（光）电场出力变率指风（光）电场当前出力与前一时刻出力的差值占风（光）电站装机容量的比例，它反映了风（光）电场出力的波动性大小和出现的频率。

图3 甘肃电网风电规划规模出力-保证率-电量累积曲线Fig.3 Output - Guaranteed Rate - Electricity Accumulation Curve of wind power in Gansu Power Grid

图4 青海电网光电规划规模出力-保证率-电量累积曲线Fig.4 Output - Guaranteed Rate - Electricity Accumulation Curve of photoelectric in Gansu Power Grid

本次收集到风、光电场1min运行资料，出力变化统计成果见表2和表3。

表2 标杆风机等效201MW容量1min瞬时出力变化统计表Tab.2 1min instantaneous output change statistics of wind power

可以看出，风电场分钟级出力变化强烈，变幅在10%以内（±20MW）的概率和为99.93%。光电场分钟级出力变化强烈且变幅在10%以内（±10MW）的概率和为99.07%。当大规模风光电并网时，为保证电网系统运行的安全性、可靠性和稳定性，需要系统具有较强的负荷跟踪能力。

表3 光电场100MW容量1min瞬时出力变化统计表Tab.3 1min instantaneous output change statistics of photoelectric

2 调峰容量平衡分析

2.1 负荷预测及特性

目前，各省区基本完成电力“十三五”规划，考虑经济新常态下各省区对电力的需求，结合各省区相关规划成果，及陕甘青宁各省区负荷情况，预测陕甘青宁电网2025年全社会用电量为7345亿kWh，增长率为5.10%；全社会最大负荷为11573万kW，增长率5.68%。

根据陕甘青宁各省（区）近年电网历史负荷特性，并考虑了规划水平年负荷结构调整、负荷发展速度等因素，综合各省区负荷特性曲线，得到陕甘青宁电网年负荷曲线、典型日负荷特性曲线。陕甘青宁电网设计水平年年负荷曲线见图5，设计水平年冬季、夏季典型日负荷曲线见图6。

陕甘青宁电网最大负荷发生在12月份，夏季典型日最大负荷发生在21点，冬季典型日最大负荷发生在19点，夏季最小负荷发生在凌晨5点，冬季最小负荷发生在凌晨4点。陕甘青宁电网2025年夏季典型日最小负荷率为0.772，冬季典型日最小负荷率为0.784。

图5 陕甘青宁电网年负荷曲线图Fig.5 Annual Load Curve of Shaan-gan-qing-ning Power Grid

图6 陕甘青宁电网夏季、冬季典型日负荷曲线图Fig.6 Typical daily load curve of summer and winter in Shaan-gan-qing-ning Power Grid

2.2 调峰容量平衡原则

（1）计算水平年选2025年，选择冬季（12月）和夏季（7月）分别进行调峰计算。

（2）调峰平衡分析主要针对平水年进行。

（3）调峰控制时段：陕甘青宁电网考虑夏季13点风电、光伏发电较大时调峰最严峻，光伏发电出力按装机容量的60%，风电按装机容量的50%；冬季为16点。

（4）系统负荷备用容量按系统最大负荷的3%计；系统事故备用容量按系统最大负荷的10%计；热备用按事故备用的一半考虑，热备用容量一般不小于系统中最大一台机组的容量；旋转备用容量取最高负荷的8%。

（5）常规水电的调峰能力：由预想出力、平均发电出力扣除基荷出力决定。

（6）火电调峰能力：夏季35%，冬季30%。光热电站调峰率暂考虑与火电一致。

（7）系统最大开机容量应大于或等于日最大发电负荷与旋转备用容量之和，日最大开机容量所能达到的最小技术出力必须小于或等于当日最低负荷。

（8）龙羊峡以上河段的玛尔挡、尔多、班多、羊曲电站4～6月有生态调度要求，其他时间调峰需要下泄基荷流量。

2.3 调峰平衡计算结果

根据以上原则与方法，陕甘青宁电网调峰平衡结果见表4。2025年7月及12月典型日运行方式见图7。

表4 陕甘青宁电网调峰平衡结果Tab.4 Peak Load Balancing Results of Shaan-gan-qing-ning Power Grid

续表

3 结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站的必要性

3.1 满足新能源大规模开发对调蓄容量的需要

由于风光电出力不稳定、间歇性等特点，大规模的风光电并网，对电力系统的安全、节能、经济运行等方面提出了新要求。为保证电网系统运行的安全性、可靠性和稳定性，需要系统具有较强的负荷跟踪能力，响应分钟级或小时级的负荷波动，这就要求拥有一定比例的启停迅速、跟踪负荷速度快的机组容量。

近年来陕甘青宁电网随着风电、光电等新能源的快速发展，水火电比重明显降低，如2015年水电占比为17.3%、2025年仅占12%，传统水火互补的局面已被打破，局部地区电网调峰存在困难。从调峰容量平衡成果可以看出，2025年陕甘青宁电网调峰容量缺额为605万～786万kW，需新建设一批调峰电源。

鉴于目前陕甘青宁常规水电开发后劲不足及火电受到的环保压力，陕甘青宁电网可能增加调峰电源选择主要有抽水蓄能电站及其他储能形式。其他储能形势主要有压缩空气储能、钠硫电池储能、流体电池储能、锂离子电池储能和飞轮储能等，但目前尚不具备大规模储能的技术条件。因此，建设抽水蓄能电站将是必然的选择。

新建独立的纯抽水蓄能电站，往往由于站点资源条件、项目前期进展等因素影响，建设周期较长。目前陕甘青宁电网规划的几个抽水蓄能电站，除陕西镇安于2016年8月5日开工建设，玉门、肃南、牛首山进展缓慢。

在陕甘青宁地区，特别是黄河上游，结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，可以充分发挥已有水电站的水库和抽水蓄能的运行特点，充分实现抽水蓄能与风电、太阳能等新能源运行的互补性，利用抽水蓄能电站的储能特性，平滑风电、太阳能发电出力，减小其随机性、波动性，平衡风电发电量的不均衡性、参加电网运行调频，减少风电等新能源对电力系统的冲击，保障电力系统的安全稳定运行，减少煤电机组的旋转备用容量，降低系统煤耗。还可作为交直流混合电网的电源支撑，保证特高压输送电力的稳定性，减少线路功率大幅波动，提高特高压输送线路的经济性。

图7 2025年7、12月典型日运行方式图Fig.7 Operation mode of Typical day in July and December 2025

综上，随着陕甘青宁电网风电、光电并网规模不断加大，加之常规水电资源大部分已得到开发，后劲不足，仅靠常规水电和火电调峰已难以满足风电、光电快速发展对调峰的要求。目前，甘肃、等地已经出现因为电网调峰能力不足而制约风电消纳的情况，今后更大规模的风电、光电并网对电网调峰能力的要求将更高。因此，在这些地区结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站对于网内消纳或打捆外送新能源都变得十分必要。

3.2 充分利用现有水电站站址资源

陕甘青宁地区黄河干流段茨哈峡以下已建、在建、规划有茨哈峡、班多、羊曲、龙羊峡、拉西瓦、尼那、山坪、李家峡、直岗拉卡、康扬、公伯峡、苏只、黄丰、积石峡、大河家、中川、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、大峡、小峡、乌金峡等多个梯级水电站。

而陕甘青宁地区抽水蓄能的站址资源较缺，一方面，有山有水的地方大部分被划为自然保护区或生态保护区；另一方面，很多站址资源远离负荷中心，交通不便、海拔较高；另外，地区矿产资源丰富，区域地质构造复杂，也增加了抽水蓄能选点的难度。

在陕甘青宁地区已建及规划水电站中，部分水电站可以通过改建或扩建，加装抽水蓄能机组，形成混合式抽水蓄能电站。将这些具备条件的水电站与抽水蓄能结合开发，可以充分利用水电站的站点资源，解决部分区域抽水蓄能电站站点资源少、站点条件差的问题，减轻土地、水库淹没、生态环境保护等一系列问题对新开发抽水蓄能的影响。

3.3 水库淹没生态环境影响小

新建抽水蓄能电站，上、下水库及枢纽工程等需要占用大量的土地资源，导致征地及水库移民安置的困难；特别是西北地区自然条件差，耕地匮乏，生态脆弱，安置容量有限，少数民族移民比重大，移民安置难度更大。

而结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，由于共用水库，可以减少水库淹没，减轻移民安置难度；如果结合已建常规水电，只需增建进/出水口、输水系统等，减少施工影响，不新增淹没移民，大大降低对生态及社会环境的改变，社会压力较小。

常规水电站只有发电功能，水流是单向性的，只能从上游流向下游，限制了河流水生动物在原有天然状态下的上下流动习性。常规水电站组建可逆机组或抽水泵后，使得水生动物上下迴游成了可能。

总之，结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站有利于生态环境保护，在目前环保要求越来越高的现状下，将是较好的选择。

3.4 减少工程投资及运维费用

结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，主要通过常规水电站加装可逆机组或加装水泵代替可逆机组实现，只需增建进/出水口、输水系统和电站厂房等，节省了坝体、水库及淹没赔偿等投资。

另外，还可以利用常规水电站现有地质资料和施工记录，缩短勘测、设计、审批周期，建设工期的缩短可减少融资成本。

抽蓄电站完工后，还可以利用常规水电站的输变电系统，减小送出工程投资；抽水蓄能电站还可以吸收部分已建常规电站的运行、维护和管理人才，从而大大降低运行维护费用。

综上，结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，可以缩短建设工期，减小工程投资，降低运维费用。

3.5 增发电量、提高输电质量

混合式抽水蓄能电站既安装了常规水电机组，又按照了抽水蓄能机组或蓄能泵，既可以利用自然径流发电，又可在电网负荷低谷期抽水蓄能[1]。考虑到常规水电机组发电效率要优于抽水蓄能机组发电工况的效率，发电工况主要由常规水电机组承担，抽水蓄能机组可以作为电网事故备用容量；汛期水量大当常规机组弃水时，抽水蓄能机组开始发电增加季节性电量。

混合式抽水蓄能电站发电量效益主要体现在增加水量、增加水头、增加季节性电量和减少弃水，即“三增一减”四项增加发电量效益。

（1）来水量增加带来的直接增发电量效益；

（2）增加的来水量抬高了发电水头，降低常规机组的发电耗水率带来的增发电量效益；

（3）汛期水量大时，抽水蓄能机组参与发电运行，增发季节性电量带来的增发电量效益；

（4）汛期水量大时，抽水蓄能机组参与发电运行，减少弃水损失带来的增发电量效益。

结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，还可利用现有水库的调节性能，实现更长周期的调节，进行周、旬、甚至是月、年调节，更充分地发挥抽水蓄能电站的作用[3]。这样对电网的调节能力更强，更有利于电网的安全运行和保证电网的输电质量。

4 结论与建议

4.1 结论

由于风光电出力不稳定、间歇性等特点，随着陕甘青宁电网风、光电规模不断加大，为保证电网系统运行的安全性、可靠性和稳定性，需要系统拥有一定比例的启停迅速、跟踪负荷速度快的机组容量。从调峰容量平衡成果可以看出，2025年陕甘青宁电网调峰容量有一定缺额，需新建设一批调峰电源。

鉴于目前陕甘青宁常规水电资源大部分已得到开发，后劲不足，仅靠常规水电和火电调峰已难以满足风电、光电快速发展对调峰的要求。可能增加的调峰电源主要为抽水蓄能电站。新建独立的纯抽水蓄能电站，往往由于站点资源条件、项目前期进展等因素影响，建设周期较长。而结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站，可以缩短建设工期，减小工程投资，降低运维费用，减轻土地、水库淹没、生态环境保护等一系列问题，优势明显。

从陕甘青宁电网的发展和调峰需求等方面分析，结合常规水电建设混合式抽水蓄能电站是十分必要的。

4.2 建议

在已经完成的全国各区域抽水蓄能电站选点规划成果中，虽然有少量与水电结合开发的混合式抽水蓄能站点，大量站点均没有考虑与水电结合开发，原因是多方面的，主要是与原水电站开发任务冲突、关系协调难度大，以及国家相关政策机制不健全等因素有关。因此，建议：

（1）在全国范围内开展混合式抽水蓄能电站的选点规划工作，选择近期工程开展前期勘测设计工作；

（2）在选点规划的基础上，结合国家能源规划和电网规划，进一步系统论证混合式抽水蓄能电站的开发时序和规模；

（3）开展混合式抽水蓄能电站开发投资、管理及电价等相关政策研究工作；

（4）研究制定混合式抽水蓄能电站与新能源协调发展相关政策；

（5）鼓励有条件的水电站通过与抽蓄开发相结合，充分发挥水电运行灵活方面的优势。

[1] 徐珍懋.要重视混合式抽水蓄能电站的开发和改造[A].中国水力发电学会’98抽水蓄能专业委员会学术年会论文集[C].杭州 ：1998，4～8.XU Zhenmao.It Should pay attention to the development and reconstruction of Hybrid Pump-storage Power Station[C].China Hydro Electric Engneering Committee’98 Academic Symposium，Pump-storage Power Station Professional[C].Hangzhou ：1998，23～31.（in Chinese）

[2] 张正平.建设混合式抽水蓄能电站合理性论证及效益分析[A].水电2013大会——中国大坝协会2013学术年会暨第三届堆石坝国际研讨会论文集[C].昆明：2013，150～155.ZHANG Zhengping.Construction of hybrid pumped storage power station rationality demonstration and benefit analysis[A].Hydropower 2013 Conference-China Dams Association 2013 academic annual meeting and the third rockfill dam international symposium [C].Kunming ： 2013，150 ～ 155.

[3] 黄小锋等.白山混合式抽水蓄能电站水库调度效率分析[J].水力发电学报，2010，29（2）：145～148，162.HUANG Xiaofeng.Analysis on reservoir operation efficiency of Baishan hybrid pumped storage power station[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2010，29（2）：145～148，162.

2017-02-15

2017-05-20

高苏杰（1961—），教授级高工，国网新源控股有限公司党委委员、副总经理，中国水力发电工程学会信息化专委会副主任委员，中国化学与物理电源行业协会储能应用分会委员，主要研究方向：抽水蓄能领域前期规划、基建施工、运维检修、科技创新、信息化建设等。

栾凤奎（1978—），男，山东人，高级工程师，主要研究方向：水电工程规划和建设管理。E-mail：luanfengkui@126.com

董 闯（1985—），男，安徽人，助理工程师，主要研究方向：水能经济设计工作。E-mail：dongchuang507@163.com

张 娉（1974—），女，陕西人，全国注册咨询工程师（投资）、教授级高级工程师，主要研究方向：能源规划、水利水电工程、风电光电工程规划设计与研究工作。E-mail：367047510@qq.com

On Necessity of Building Mixed Pumped Storage Power Station in Shaan-gan-qing-ning Power Grid Based on Large Scale New Energy Development

GAO Sujie1，LUAN Fengkui2，DONG Chuang3，ZHANG Ping3
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.State Grid Corporation of China，Beijijng 100031，China；3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

Significant wind power and photovoltaic power integrated in power system changes the conventional operation patterns due to their variability and uncertainty.The features of power sources structure and the characteristics of wind power and photovoltaic power，and power peak demand in Shaan-gan-qing-ning power grid are analyzed.In view of the characteristics of Shaan-gan-qingning power grid，research results show that mixed pumped storage power stations with hydro power station developed or developing would be necessary，and have several advantages.

power grid;wind and photovoltaic power;mixed pumped storage;peak load regulation

TK71

A学科代码：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.003

国网新源控股有限公司科技项目（52570015007J）。