基于多能互补的抽水蓄能电站站址选择的研究

任 岩，侯尚辰

[1．华北水利水电大学，河南省郑州市 450045；2．可再生能源电力技术湖南省重点实验室（ 长沙理工大学），湖南省长沙市 410114]

0 引言

21世纪以来，我国抽水蓄能电站飞速发展，并朝着大机组、高水头、大容量的方向发展。目前已建成的抽水蓄能电站有29座，总装机2527.75万kW[1]。抽水蓄能电站的运行原理是在电力负荷低谷时，利用电能将下水库中的水抽到上水库中，即将电能转化成水能；在电力负荷高峰时，将水放至下水库进行水力发电，即将水能转化为电能。抽水蓄能电站起到调峰填谷的作用，将负荷低谷时的多余电能转化为电网负荷高峰时的高价电能。

“十四五”规划纲要提出，要构建现代能源体系，加快抽水蓄能电站建设和新型储能技术规模化应用。抽水蓄能作为优质的调节能源，在促进新能源消纳方面具有突出优势。国家推进“风光水火储一体化”和“源网荷储一体化”两个一体化建设，对电源侧和负荷侧灵活性都提出了要求[2]。修建抽水蓄能电站，首要问题就是选址，选址是水电站管理和运作的关键。站址选择的合理性、科学性、可靠性和经济性直接影响到工程的成败、电站的安全以及整体的运行效益。

1 常规抽水蓄能电站选址策略

我国目前有29座已建成的抽水蓄能电站，其中有广州、惠州、张河湾、天荒坪等装机容量超过180万kW的大型电站，蒲石河、宝泉、白莲河、仙游、桐柏、响水涧等装机容量超过60万kW的中型水电站，潘家口、回龙、羊卓雍等装机容量小于60万kW的小型水电站。有25座正在建设中的抽水蓄能电站，其中有丰宁、洪屏、长龙山等大型电站，仙居、敦化、清远、荒沟、天池、周宁、蟠龙等中型水电站[1]。

抽水蓄能电站的站址选择应该从多个方面综合考虑，比如充足水源、接入电网、交通运输、自然条件、经济发展、其他设施等，尽量减少水工建筑物建造及运行时对环境带来的破坏。

1.1 影响因素

抽蓄站址的选择主要考虑以下五个方面：

（1）水源充足。

虽然抽水蓄能电站是利用上、下水库循环用水进行发电，不需要有大量的径流，但是电站附近需要有充足的水源作为保障，来满足因蒸发、渗漏等造成的水量损失所需[3]。例如广州抽水蓄能建设在流溪河水系上，张河湾抽水蓄能建设在甘陶河上，响水涧抽水蓄能紧靠长江支流漳河等[4]。

（2）水头适中。

抽水蓄能电站的上下库水头范围应该为200～700m之间。[5]抽水蓄能电站的水头越高，单位水体能转换的能量就越大，经济效益就越高。水头太低会导致造价过高，但是受制造水平的限制，最高不超过700m。作为国内首座700米级水头的抽水蓄能电站，吉林敦化抽蓄于2021年6月投产发电[6]。

（3）距高比适中。

距高比是指抽水蓄能电站上、下水库的水平距离与垂直高度的比值，距高比一定程度上反映了引水系统的长度。距高比越小，引水长度就越小，造价就越少，但是距高比过低会给电站的施工增加困难[7]。我国70%的抽水蓄能电站的距高比分布在2～7[4]。

（4）距离负荷中心较近。

抽水蓄能电站的选址尽量规划在负荷中心周围的地区，或者选在交通便利的地区，以保证电站能够便利地给负荷中心输送电能[8]。距离一般不宜超过200km，若站址距离可以用来接入电力系统的变电站过远，就会造成输电线路造价高以及输电线路沿线的电量损失[9]。仙游抽水蓄能位于福建的电网负荷中心和电源中心，响水涧抽水蓄能临近华东电网中心，白莲河抽水蓄能位于华中电网用电负荷中心。

（5）地质条件适宜。

抽水蓄能电站的建设需要有良好的高度落差，以及适合挖洞的地质条件[10]。地质条件不仅会影响水工建筑物建设时期的难度、工程量以及成本，还会影响运行时期的正常工作。需要综合考虑地质灾害隐患、冬季冻土深度、一定深度地表的岩层结构等因素，同时抽水蓄能电站一般地下工程较多，对于抗震等级的要求较高，所以站址选择应尽量远离地震带以及稳定性较差的区域[11]。

1.2 选址流程

抽水蓄能电站站址的选择范围较广，故进行站址选择时要尽可能地将符合条件的优越站址筛选出来，最后对比确定最终选择。一般选址的程序如下[12]：

（1）依据地理因素选择具有可行性的地点作为挑选范围；

（2）在挑选范围内按照站址选择的影响因素进行初步筛选，得到几个优质站址；

（3）对筛选的几个站址进行电站的初步设计；

（4）结合电力系统需求与工程投资条件，进行经济比较，最终选择抽水蓄能电站站址。

2 新型抽水蓄能电站选址策略

目前我国抽水蓄能电站多分布在东中部地区，随着西北地区的大型风电、太阳能发电基地的发展与建设，十分需要建设配套的抽水蓄能电站来提高电网电能质量。风能、光能是一种间歇性能源，当其并入电网的比例过高，就需要对电网系统进行调节来提高电能质量[13]。将光伏发电、风电、水电几种不同类型的电源结合在一起，利用水电调节的灵活性，平抑光伏发电、风电出力的间歇性、随机性和波动性，使得出力更加平滑稳定，提高电能质量，减少对电网的冲击。

我国河北、内蒙古、吉林、黑龙江、江苏、浙江、福建、山东、广东等省份均建设有与风电基地配套的抽水蓄能电站，例如河北的张河湾、丰宁抽水蓄能电站，吉林的敦化抽水蓄能电站，浙江的桐柏、天荒坪抽水蓄能电站，广东的清远抽水蓄能电站等。但是在甘肃、宁夏、新疆等省区均未建设与风电基地配套的抽水蓄能电站[4]。

2.1 影响因素

在新能源发电的基础上建设抽水蓄能电站，除了需要满足常规抽水蓄能的选址条件[9]，还需要考虑以下几个方面[14]：

（1）新能源集中分布地区。

在我国风电资源比较丰富的西北地区，与风电配套的抽水蓄能电站还不完善，最初主要原因是距离负荷中心较远，经济比较落后。现阶段在“十四五”规划的支持下，可以充分利用西北、内蒙古等地区的风电基地[15]，构建新型抽水蓄能电站，实现太阳能、风能、抽水蓄能的联合运行[16]。

（2）负荷中心地区。

风—光—蓄一体的新型抽水蓄电站可以向电网提供足量独立的无功和有功，选在负荷中心地区能够保障电压和频率的稳定，为电网安全提供重要保障[17]。

（3）特高压落端集中区域。

以特高压为支撑的骨干电网，能够实现资源远距离、大容量配置，也会提高电力系统稳定性和电压跌落无功补偿等。在特高压落端集中区域，建设新型抽水蓄能电站，可为电网负荷集中区域提供大容量的无功备用支撑。

2.2 选址流程

以多能互补为基础建设抽水蓄能电站时，站址的选择程序与常规抽水蓄能类似。首先以地理因素为基础挑选可能性的地点范围，然后根据常规抽水蓄能选址的五大影响因素选出适合的地点，接着考虑建设以多能互补为基础的抽水蓄能电站的三个条件，得到几个优质站址，对其开展初步的工程设计并进行经济比较，最终选定抽水蓄能电站站址。

3 研究瓶颈

（1）我国西北地区风光资源丰富，在中国能源发展总体布局和“西电东送”战略规划中是重要的能源外送基地[18]，但由于地质、负荷、经济等原因，与其配套的抽水蓄能电站迟迟得不到开发。

（2）抽水蓄能的发展与国土资源利用和环境保护的关系未能协调统一，致使大量优质的抽水蓄能电站站址资源位于生态红线中，严重限制了抽水蓄能电站的选择。

（3）当抽水蓄能系统建设于电源侧时，抽水蓄能电站的调节作用就会受到限制，会影响效益，当抽水蓄能系统建设于负荷侧时，风电与光电的传输功率就会受到限制并出现弃风弃光现象，也影响效益[19]。

4 未来研究方向

（1）我国西北地区抽水蓄能工程的建设存在前期工作推进难度大、投资高等问题，针对这些问题，需要做好选点规划工作、优化工程设计、加强系统理论研究以及建设运行管理，加速这些地区抽水蓄能水电站的建设进程[18]。除此之外，根据2021年国家能源局发布的《2021年能源工作指导意见》，开展全国新一轮抽水蓄能中长期规划，加快长龙山、荒沟等抽水蓄能电站建成投产，推进泰顺、奉新等抽水蓄能电站核准开工建设[20]。

（2）我国已建成的大部分水电站景观基础良好，可以在发挥水电站功能的基础上，开展一些旅游类项目。这就要求在选址过程中，尽量少地破坏原有的自然景观，做到抽水蓄能与生态共同发展[21]。

（3）对抽水蓄能建设在电源侧还是负荷侧做进一步分析，得到效益较高的建设方案。河南“十四五”规划通知指出，支持抽水蓄能、风电、光伏发电、氢能等清洁能源发展，推动风光水火储一体化和源网荷储一体化，研究谋划抽水蓄能电站[22]。

5 结语

抽水蓄能电站选址一般需要满足水源充足、水头适中、距高比适中、距离负荷中心近、地质条件适宜等条件。基于多能互补抽水蓄能电站则需要在此基础上，建设在新能源集中分布、负荷中心以及特高压落端集中区域。关于站址的选择流程，在考虑地理因素可行的范围内，以影响因素为条件进行筛选，最后进行经济比较得到最优方案。未来发展需要以国家“十四五”规划提出的政策要求作为方向，开展新一轮抽水蓄能的规划设计，满足时代发展的需要。