劉冀東

（河北華電混合蓄能水電有限公司，河北 石家莊 050224）

能源問題是當(dāng)今世界所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。同時(shí)，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和清潔能源開發(fā)已經(jīng)成為全球的共識(shí)和行動(dòng)方向。我國作為能源生產(chǎn)與消費(fèi)大國，既有節(jié)能減排的需求，又有能源支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此要大力發(fā)展儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。抽水蓄能是電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期最長、容量最大的儲(chǔ)能裝置。因此，研究混合式抽水蓄能水電站的電能儲(chǔ)存及應(yīng)用，探索其在能源轉(zhuǎn)型和雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中的作用和意義，對(duì)于加速推動(dòng)清潔能源發(fā)展，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

1 電能儲(chǔ)存的分類及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 電能儲(chǔ)存的分類

由于電能本身無法在自由空間中穩(wěn)定存在，它必須依靠導(dǎo)體或儲(chǔ)存介質(zhì)等物質(zhì)載體進(jìn)行傳輸和儲(chǔ)存。因此，若要將電能儲(chǔ)存起來，就需要將電能轉(zhuǎn)化為其它形式能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在需要時(shí)將其轉(zhuǎn)化為電能輸出。

根據(jù)能量存儲(chǔ)方式不同，電能儲(chǔ)存可以分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能三種方式。其中機(jī)械儲(chǔ)能包括飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能等；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池等；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等。其中最成熟的是抽水蓄能和鉛蓄電池技術(shù)。

1.2 電能儲(chǔ)存的技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)械儲(chǔ)能：（1）飛輪儲(chǔ)能?？焖夙憫?yīng)、高效率、長壽命和可靠性高，但成本較高且體積較大。（2）壓縮空氣儲(chǔ)能。儲(chǔ)存密度較高，適合大規(guī)模儲(chǔ)能，但存在能量損失、壓縮和儲(chǔ)存成本高等問題。（3）抽水蓄能。具有電力輸出清潔高效、使用壽命長、響應(yīng)快和能靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)，但需要具備特定的地形和水源條件。機(jī)械蓄能技術(shù)是世界上應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，其中的抽水蓄能又占據(jù)主導(dǎo)地位。

電化學(xué)儲(chǔ)能：（1）鋰離子電池。具有高能量密度、長壽命、低自放電率和良好的環(huán)境適應(yīng)性，適用于電動(dòng)汽車、智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備和家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。但其存在安全隱患和環(huán)境污染的問題。（2）鈉離子電池。具有低成本、可再生性和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。（3）鉛酸蓄電池。成本較低、可靠性高，適用于應(yīng)急電源、太陽能和風(fēng)能等分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

電磁儲(chǔ)能：（1）超級(jí)電容器。充放電速度快、壽命長、安全性高，適用于瞬態(tài)功率輸出和能量回收等領(lǐng)域。（2）超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能。具有高能量密度和較長的壽命，適用于高速列車、磁懸浮列車等領(lǐng)域，但需要低溫環(huán)境和高昂的制造成本。

不同類型的電能儲(chǔ)存技術(shù)在儲(chǔ)能效率、儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)能成本、循環(huán)壽命、安全性等方面存在差異，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求來選擇。若能將兩種或三種儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，可以在滿足電能需求的同時(shí)，提高儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和資源利用的最大化。

2 混合蓄能水電站的組成及其儲(chǔ)能原理分析

2.1 混合抽水蓄能水電站的組成

混合抽水蓄能水電站是一種利用機(jī)械能進(jìn)行儲(chǔ)能的系統(tǒng)。它由上水庫、下水庫、涵洞、導(dǎo)流洞、抽水機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組和變電站等組成。下面分別介紹這些組成部分的作用。

上水庫：位于高水位，用于儲(chǔ)存從下游抽上來的水。當(dāng)用電負(fù)荷較高時(shí)，上水庫中的水釋放，水流導(dǎo)入到下游的水輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)給電力系統(tǒng)。

下水庫：位于低水位，用于儲(chǔ)存下游河流、湖泊或海洋等自然水源，以及承接發(fā)電機(jī)組在發(fā)電時(shí)回收的水，其規(guī)模和水位高度通常要根據(jù)電站的發(fā)電容量、裝機(jī)功率和電網(wǎng)負(fù)荷情況等多種因素來確定。

涵洞和導(dǎo)流洞：用于控制水流的進(jìn)出和水位的升降，保證水流的平穩(wěn)和安全。

抽水機(jī)組：在低谷負(fù)荷時(shí)將下水庫中的水抽回到上水庫中，提高上水庫的水位。抽水機(jī)組可以是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵，也可以是由水流驅(qū)動(dòng)的渦輪泵。

水輪發(fā)電機(jī)組：水從上水庫流入發(fā)電機(jī)組，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。這個(gè)過程也可以通過控制水的流量、水頭和水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)電功率的大小。

變電站：將發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能升壓并送入電網(wǎng)，提供電能給用戶使用。

2.2 混合抽水蓄能水電站的儲(chǔ)能原理

抽水蓄能水電站是一種結(jié)合水力發(fā)電和抽水蓄能技術(shù)的水電站。它利用兩個(gè)或多個(gè)高度不同的水庫之間的高度差，在用電低谷時(shí)，將水從下水庫抽升到上水庫，電能以水能方式存儲(chǔ)，在電力負(fù)荷高峰期通過放水將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電。這種增減配合的操作，可以很好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、備調(diào)頻和調(diào)相等功能?；旌鲜匠樗钅茈娬九c純抽水蓄能電站的區(qū)別是其上庫有天然徑流來水，這部分水源可以不經(jīng)過水泵抽水，更加節(jié)省能源。

與火電相比，抽水蓄能機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整靈活性更高，啟停和承載負(fù)荷的速度更快更靈活，能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷急劇增加和降低的變化，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，混合式抽水蓄能水電站還可以使用其他的可再生能源，例如，風(fēng)力、太陽能等來輔助抽水，從而增加儲(chǔ)能能力和電力產(chǎn)生量。當(dāng)這些可再生能源的產(chǎn)生量超過需求時(shí)，可以將多余的能量能轉(zhuǎn)換為電能用來抽水并儲(chǔ)存，起到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定器、調(diào)節(jié)器和平衡器的作用。

3 混合蓄能水電站電能儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

3.1 混合蓄能水電站的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)混合蓄能水電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要考慮多方面的技術(shù)參數(shù)。

（1）蓄能池容量。蓄能池的容量決定了能夠蓄存的水量，影響系統(tǒng)的蓄能能力和輸出功率。（2）抽水蓄能池和發(fā)電水庫的高度差。高度差決定了系統(tǒng)能夠蓄儲(chǔ)的能量值，也決定了系統(tǒng)的輸出功率和效率。（3）抽水蓄能池和發(fā)電水庫的水位。水位決定了系統(tǒng)的蓄能和發(fā)電能力，也直接影響系統(tǒng)的輸出功率和效率。（4）儲(chǔ)水、引水和排水管道的設(shè)計(jì)參數(shù)。管道的長度、直徑、材質(zhì)、坡度等參數(shù)決定了水的輸送速度和輸送能力，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。（5）發(fā)電機(jī)容量。發(fā)電機(jī)的容量決定了水電站的發(fā)電能力，需要根據(jù)系統(tǒng)的總?cè)萘亢皖A(yù)計(jì)的負(fù)荷需求來確定。（6）水輪機(jī)的類型和參數(shù)。水輪機(jī)的類型和參數(shù)決定了水的流速和流量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率，影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性。（7）抽水泵的類型和參數(shù)。抽水泵的類型和參數(shù)決定了抽水能力和消耗的電能，需要根據(jù)系統(tǒng)的總?cè)萘亢皖A(yù)計(jì)的負(fù)荷需求來確定。（8）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)包括自動(dòng)化控制、調(diào)度和監(jiān)測等系統(tǒng)，需要根據(jù)水電站的特點(diǎn)和要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。（9）安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。水電站需要設(shè)計(jì)合理的安全防護(hù)系統(tǒng)，包括溢洪道、安全閥、泄洪設(shè)施、水位監(jiān)測等系統(tǒng)，確保水電站的安全運(yùn)行。

3.2 混合蓄能水電站系統(tǒng)分析

混合蓄能技術(shù)是將兩種或以上的蓄能方式結(jié)合在一起，可以兼具幾種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的電能儲(chǔ)存方式，同時(shí)也能夠解決單一蓄能方式存在的問題。目前，我國已經(jīng)將抽水蓄能技術(shù)與風(fēng)電、光伏等新能源技術(shù)并網(wǎng)應(yīng)用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，需要從下面幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）儲(chǔ)能容量分析。混合蓄能水電站的儲(chǔ)能容量取決于上池和下池的水位差以及兩個(gè)水庫的儲(chǔ)水量。因此，在設(shè)計(jì)水電站時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃Y源、地形地貌等因素進(jìn)行綜合分析。

（2）系統(tǒng)效率分析。包括能量轉(zhuǎn)換效率和能量儲(chǔ)存效率。能量轉(zhuǎn)換效率主要是指水從上池流入水輪發(fā)電機(jī)組時(shí)能量的轉(zhuǎn)換效率，而能量儲(chǔ)存效率主要是指抽水機(jī)組抽水時(shí)的效率。系統(tǒng)效率的高低直接影響水電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，需要進(jìn)行系統(tǒng)效率分析，以優(yōu)化水電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

（3）調(diào)度策略分析。指如何根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，合理利用水能進(jìn)行發(fā)電。調(diào)度策略的優(yōu)劣直接影響水電站的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，因此需要制定科學(xué)合理的調(diào)度策略，提高混合蓄能水電站的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性。

（4）可行性分析?；旌闲钅芩娬镜慕ㄔO(shè)需要投入大量的資金和人力物力，因此，需要進(jìn)行可行性分析，評(píng)估水電站的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境可行性?？尚行苑治龅慕Y(jié)果將直接影響水電站的建設(shè)和運(yùn)行。

4 混合蓄能水電站的應(yīng)用研究

目前，混合蓄能水電站已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)生產(chǎn)、城市供電、新能源儲(chǔ)備等。在工業(yè)生產(chǎn)中，混合蓄能水電站可以提供可靠的電能支持，保證工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在城市供電中，混合蓄能水電站可以提供可靠的調(diào)峰和備用電源，保證城市的供電穩(wěn)定性；在新能源儲(chǔ)備中，混合蓄能水電站可以作為新能源的補(bǔ)償和調(diào)峰設(shè)備，保證新能源的可持續(xù)發(fā)展。下面將分別介紹我國最早的、規(guī)模最大的、即將建設(shè)的三座抽水蓄能水電站。

4.1 崗南水電站

崗南水電站位于河北平山縣，建成于1968 年，是我國第一座混合式抽水蓄能水電站。它充分利用了崗南水庫的水資源，安裝了一臺(tái)容量為1.1 萬千瓦的抽水蓄能機(jī)組，在冀南電網(wǎng)中起調(diào)峰作用，彌補(bǔ)了火電調(diào)峰響應(yīng)慢、不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保等問題。崗南水電站雖然裝機(jī)規(guī)模不大，但卻開啟了國內(nèi)抽水蓄能電站的先河，為我國抽水蓄能水電站的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4.2 豐寧抽水蓄能電站

豐寧抽水蓄能水電站位于河北省承德市豐寧縣，擁有12 臺(tái)抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為360 萬千瓦，是當(dāng)前世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站，創(chuàng)造了“裝機(jī)容量世界第一，儲(chǔ)能能力世界第一，地下廠房規(guī)模世界第一，地下洞室群規(guī)模世界第一”四個(gè)第一。豐寧電站和十三陵等先期建設(shè)的抽水蓄能電站及其他調(diào)峰電源一共解決京津及冀北電網(wǎng)調(diào)峰能力不足、調(diào)節(jié)風(fēng)電負(fù)荷等問題系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)相備用等任務(wù)。每年為我國節(jié)約48 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放120 萬噸，助力華北地區(qū)清潔能源的低碳轉(zhuǎn)型。2021 年12 月30 日，豐寧抽水蓄能電站首批兩臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電。接入了張北柔直電網(wǎng)和華北500 千伏電網(wǎng)，為2022 年北京冬奧會(huì)場館提供了60 萬千瓦的電力保障，助力綠色奧運(yùn)。

4.3 兩河口混合式抽水蓄能電站

由于風(fēng)光等新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，需要電力系統(tǒng)有大量調(diào)節(jié)電源。抽水蓄能與風(fēng)電、光伏發(fā)電完美配合。在四川雅礱江兩河口水電站周邊，有超過2000 萬千瓦的光伏、風(fēng)能資源，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)，就要建設(shè)更多具備調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能電源。于是，兩河口混合式抽水蓄能電站應(yīng)運(yùn)而生。2022 年12 月29 日，項(xiàng)目正式開工建設(shè)，電站依托兩河口水電站水庫為上庫，下游銜接牙根水電站水庫為下庫，擴(kuò)建可逆式機(jī)組，形成兩河口混合式抽水蓄能電站，廠址海拔3000m，擬安裝4 臺(tái)30 萬千瓦的可逆式抽蓄機(jī)組（兼有水力發(fā)電與抽水功能）加上已建成的300 萬千瓦的水電常規(guī)機(jī)組，總裝機(jī)可達(dá)420 萬千瓦。建成后，將成為全球最大的混合式抽水蓄能項(xiàng)目，這個(gè)超級(jí)“充電寶”可以消納700 萬千瓦的風(fēng)、光新能源，將為保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，促進(jìn)新能源發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

混合蓄能水電站是一種具有高效、環(huán)保、穩(wěn)定、可持續(xù)等特點(diǎn)的水電站，對(duì)水電站的設(shè)計(jì)與建設(shè)、調(diào)度與控制、電能儲(chǔ)存等的研究已經(jīng)逐步完善，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。隨著新能源的快速發(fā)展和電力系統(tǒng)的智能化建設(shè)，混合蓄能水電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，將發(fā)揮更大的作用。

未來，混合蓄能水電站在節(jié)能減排、新能源儲(chǔ)備、能源安全等方面的應(yīng)用將越來越深入?；旌闲钅芩娬拘柽M(jìn)一步完善其技術(shù)和應(yīng)用模式，更好地適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和需求。同時(shí)，還要加強(qiáng)與其他分布式能源的協(xié)同，將水風(fēng)光蓄一體化的應(yīng)用場景逐步打開，形成資源互補(bǔ)和優(yōu)化控制，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性，以滿足不斷增長的電能需求和環(huán)境保護(hù)的要求。