近期，中國大壩協(xié)會聯(lián)合中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司、中國水利水電科學(xué)研究院、中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司和中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司等四家會員單位，聯(lián)合策劃編寫了《科學(xué)世界》雜志“抽水蓄能”專刊。本公眾平臺特此轉(zhuǎn)載全文，希望這一內(nèi)容能夠得到大家的關(guān)注，以使廣大讀者更好地了解抽水蓄能電站、了解電力行業(yè)。同時，希望您能幫助我們，一起將知識傳播開來。

“抽水蓄能”?？卜譃樗牟糠帧５?部分：電力系統(tǒng)；第2部分：抽水蓄能的優(yōu)勢；第3部分：建設(shè)抽水蓄能電站；第4部分：未來的蓄能電站。我們將分上、下兩篇發(fā)送。本期發(fā)送上篇，包括第1、第2部分。如果喜歡，請您轉(zhuǎn)發(fā)和收藏。

編者按

抽水蓄能

將富余的電能轉(zhuǎn)化為水的勢能，按需釋放

各種電器都需要電，插電就用，非常方便。你知道嗎，我們在用電時，發(fā)電廠必須在發(fā)電才行。電是不能儲存在電網(wǎng)中的，大家都不用電時，發(fā)電廠就要空轉(zhuǎn)或者停機。因此，為保證電網(wǎng)平穩(wěn)運行，想用電時有電用，就必須安裝儲能設(shè)備，把暫時富余的電以另一種方式存起來，在用電高峰時再釋放出來。蓄能電站除了削峰填谷，還擔(dān)負(fù)著調(diào)頻、調(diào)相、穩(wěn)定頻率和電壓、應(yīng)對事故等作用。當(dāng)然，也可以用其他方法把電能轉(zhuǎn)化為動能、熱能、彈性勢能、化學(xué)能等儲存起來，比較而言，抽水蓄能電站目前還是最佳選擇。讓我們來看看抽水蓄能電站在電網(wǎng)中是如何工作的。

大家收拾好心情，我們的正文開始了。

第1部分 電力系統(tǒng)

1.1 電網(wǎng)是發(fā)電與用電之間的橋梁

電能是最好用的能源，從我們家居的各種器具，到工廠的各種機械設(shè)備，都可以用電來驅(qū)動，非常方便。所以自從發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理以來，電氣化發(fā)展非常迅速，由此引發(fā)了近代史上第二次技術(shù)革命，如今電已經(jīng)廣泛地滲透到人類日常生活的各個層面。

電力系統(tǒng)把發(fā)電、輸電和用電組合在一起

電能屬于二次能源，是從其他能源轉(zhuǎn)化而來的。所有（一次）能源都可以轉(zhuǎn)化為電能，而電能又能轉(zhuǎn)化為人們所需的動能、熱量等，為人們生產(chǎn)和生活提供動力。各種能量轉(zhuǎn)化為電能之后就可以通過導(dǎo)線輸送到需要能量的地方，然后就連接到我們的用電器了。原則上電能可以從發(fā)電機直接送到用電器，但實際上，必須要經(jīng)過電網(wǎng)來實現(xiàn)。由發(fā)電廠、電網(wǎng)（輸電、變電、配電）和用電等環(huán)節(jié)組成電力系統(tǒng)，保證了用電的平穩(wěn)和安全。

發(fā)電廠，顧名思義是產(chǎn)生電能的場所，主要是將各種形式的能量在適當(dāng)?shù)牡攸c轉(zhuǎn)化為電能，然后接入電網(wǎng)，送到有用電需求的地方。目前我國電力系統(tǒng)中火力發(fā)電廠占主導(dǎo)地位，其次是水電站。火力發(fā)電廠是把燃料（煤、石油、天然氣、生物質(zhì)燃料等）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，水電站則是把水的勢能轉(zhuǎn)換為電能。近年來，隨著發(fā)電技術(shù)的突破，除水電外，如核能、風(fēng)能、太陽能等也開始受到人們的青睞，一些新型的發(fā)電廠，如核電廠、風(fēng)電場、太陽能光伏（熱）電站、地?zé)犭娬镜葢?yīng)時而生，對于一些規(guī)模比較大的發(fā)電廠，其所產(chǎn)生的電能只有并入電網(wǎng)才能加以充分利用。由于發(fā)電廠類型多樣，“品質(zhì)”不一，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。

電網(wǎng)是電力網(wǎng)的簡稱，主要由變電站和線路組成，一般可分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)，是電力系統(tǒng)的骨架。它把各種來源的電能集納起來，進行相應(yīng)的“加工”，運送并分配給各種不同的用戶，比如礦山、工廠、城鎮(zhèn)和居民。

發(fā)電廠一般建在能源相對豐富的地方，比如，水電站必須建在水力資源比較豐富的河流上；雖然火電廠原則上可建在任何地方，但實際上更適合建在燃料比較豐富的地區(qū)。然而，這些地區(qū)往往都距離電能用戶比較遠(yuǎn)，為了給用戶供電，就必須建設(shè)輸電網(wǎng)。發(fā)電廠所發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器把電壓升高，經(jīng)輸電網(wǎng)輸送到臨近用電中心的樞紐變電站，在那里降壓后送到配電網(wǎng)。而配電網(wǎng)主要是從輸電網(wǎng)或者當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠接受電能，然后通過配電設(shè)施逐級分配給用戶。

電是不能儲存的

我們都用過電視機、洗衣機等家用電器吧，電源線插在插座上，開機就可以運轉(zhuǎn)，好像電網(wǎng)中充滿電能，隨取隨用。實際上，你在電網(wǎng)用戶端用電的同時，供電端的發(fā)電廠要發(fā)出與你所用電量同樣多的電（忽略損耗）。如果供電端沒有發(fā)電機在運轉(zhuǎn)的話，電網(wǎng)中就不會有電能，電器等設(shè)備就不會運轉(zhuǎn)了。如果用電端不使用電，供電端的發(fā)電機只能在空轉(zhuǎn)，或者就要停機。

所以，電能的生產(chǎn)和消費是同時進行的，其生產(chǎn)、輸送、分配和消耗始終處于動態(tài)平衡中。生產(chǎn)和消耗是嚴(yán)格平衡的，也就是發(fā)電廠任何時刻發(fā)出的電能必須等于該時刻用電設(shè)備消耗和電網(wǎng)損失的電能之和。電能用戶的用電量決定電能的生產(chǎn)量，發(fā)電量隨著用電量的變化而變化。

所以，發(fā)電廠的發(fā)電能力是根據(jù)總用電需求設(shè)計的，原則上有多大的用電需求，就要具備多少（發(fā)電廠）發(fā)電能力。不過，用電需求是隨時變化的，電能用戶如何用電、何時用電及用多少電，對于電能生產(chǎn)都具有特別大的影響。電力系統(tǒng)的供用電過程是非常短暫的，供電系統(tǒng)中出現(xiàn)任何問題或故障，幾乎立刻就會影響到供用電設(shè)備；如果電能供需出現(xiàn)不平衡，將會導(dǎo)致電源頻率出現(xiàn)偏差，需要發(fā)電設(shè)備及時調(diào)節(jié)發(fā)電機的出力（發(fā)電能力）來維持電能的供需平衡。為了保障供電安全，電網(wǎng)需配備一定規(guī)模的備用電源。

1.2 用電需求是不斷變化的

如前所述，電能的生產(chǎn)是由用電需求決定的，而電網(wǎng)中的用電類型眾多，如工廠、礦山、交通、市政、商貿(mào)、居民生活等，不同用戶的用電時間和用電特性差別比較大，造成了電力系統(tǒng)的用電需求隨時都在變化。

圖片配文：城鎮(zhèn)用電相對集中，相對起伏也較大。特別到冬季，照明、取暖用電疊加到工業(yè)用電等，所以晚上18點左右會出現(xiàn)較大的用電高峰。

負(fù)荷有峰有谷

我們都知道，很多用電設(shè)備是開開停停的，家里的電器是這樣，工廠里的車床、電動吊車等也是這樣，不過這些用電器不是同時開停，單機用電量也不是很大，對電網(wǎng)不會有很大影響。但有時用電量會有較大起伏，特別是突然變化，如突發(fā)事件或事故，則會給電網(wǎng)造成很大的沖擊。即使是一般性起伏，電網(wǎng)也必須積極應(yīng)對，才能保證用電的平穩(wěn)與安全。

周期性用電起伏是多樣性的，有的周期長，有的周期短。比如有些行業(yè)是季節(jié)性生產(chǎn)，像茶廠和糖廠等就是這樣，開工時需要大量電力，季節(jié)過了就幾乎不再需要電力。再比如，大多數(shù)單位是白天工作，用電較多，晚上休息，用電較少；而冬季和夏季由于供熱設(shè)備和制冷設(shè)備的使用，用電需求有明顯增加，春季和秋季由于溫度適中，人們無需借助電力設(shè)備來進行溫度調(diào)節(jié)，用電需求就相對減小……除了固定的周期性起伏，還有很多非固定的用電需求變化。

為了更明確地表示用電需求隨時間的變化過程，一般將負(fù)荷和時間作為變量編制一條負(fù)荷曲線，根據(jù)時間段的取值不同可以分為日負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線等。

從負(fù)荷曲線上看，無論是年負(fù)荷曲線、周負(fù)荷曲線，還是日負(fù)荷曲線，均不是一條平穩(wěn)的直線，而是隨時間變化的，有高值有低值，通常我們將高值附近凸出部位稱為“高峰”，將低值附近的凹陷部位稱為“低谷”。以京津及冀北電網(wǎng)為例，一年內(nèi)一般可出現(xiàn)夏季和冬季兩個高峰。夏季高峰在7～8月，主要是因為夏季氣溫比較高，空調(diào)用電量增加；冬季高峰主要出現(xiàn)在12月份，主要是因為12月天氣寒冷，供暖用電增加，再加上有些單位年底為了完成當(dāng)年生產(chǎn)任務(wù)，工業(yè)生產(chǎn)的用電量也有增加，加大了冬季的用電峰值。用電低谷大多出現(xiàn)在4～5月份，主要原因是天氣逐漸變暖，居民的供熱用電和空調(diào)用電等需求量很小。一天之內(nèi)，也會出現(xiàn)高峰、低谷，最大值一般出現(xiàn)在用電集中的早高峰（如京津及冀北電網(wǎng)夏季上午11點左右負(fù)荷最大）或晚高峰（冬季18點左右負(fù)荷最大)，最小值一般出現(xiàn)在用電較少的夜間4、5點左右。

電力系統(tǒng)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷之間的差值叫峰谷差。導(dǎo)致峰谷差的主要因素有用電負(fù)荷的組成、季節(jié)的變化和節(jié)假日等，不同類型電網(wǎng)（城市電網(wǎng)或農(nóng)村電網(wǎng)，省級電網(wǎng)或區(qū)域電網(wǎng)）的峰谷差的大小均有所不同。例如，上海某年一個典型的日最大負(fù)荷為2080萬千瓦，最小負(fù)荷為1240萬千瓦，峰谷差為840萬千瓦，占最大負(fù)荷的比重為40%；福建省相應(yīng)的典型日最大負(fù)荷為2400萬千瓦，最小負(fù)荷為1600萬千瓦，峰谷差為800萬千瓦，占最大負(fù)荷的比重為33%。

發(fā)電能力根據(jù)尖峰負(fù)荷設(shè)計

電能生產(chǎn)的數(shù)量是由國民經(jīng)濟各部門及人民生活的用電需求決定，用電需求少，電量生產(chǎn)就少；用電需求多，就要多發(fā)電。要保證用電需求，就要有相應(yīng)的電的生產(chǎn)能力，也就是發(fā)電能力。這個能力一般為用電需求的高限，只有這樣才能保證最大需求時有電可供。

從整個電網(wǎng)來看，發(fā)電能力也就是全網(wǎng)的裝機容量。截至2014年末，我國的總發(fā)電能力，也就是總裝機容量為136019萬千瓦（其中，水電30183萬千瓦，火電91569萬千瓦，核電1988萬千瓦，風(fēng)電9581萬千瓦，以及光伏等其他電源2000多萬千瓦），達到了較高的水平。從用電負(fù)荷曲線圖中可以看到，日負(fù)荷有尖峰負(fù)荷，每周有尖峰負(fù)荷，每年也有尖峰負(fù)荷。為滿足尖峰負(fù)荷的需求，發(fā)電能力設(shè)計要滿足年尖峰負(fù)荷時的需要。這樣，在非尖峰負(fù)荷時段，就要限制電力的生產(chǎn)。如果發(fā)電能力不足，在尖峰負(fù)荷時段局部地區(qū)就要拉閘限電。我國經(jīng)濟快速發(fā)展初期，常常因電力不足而局部拉閘限電。近年來電力有了較快的發(fā)展，網(wǎng)間聯(lián)系加強，基本不再有拉閘限電的情況。

1.3 新能源對電網(wǎng)的挑戰(zhàn)

用電起伏對電網(wǎng)有一定影響，發(fā)電能源的性質(zhì)對電網(wǎng)的供電質(zhì)量也有影響。我國主要電力來源于火電和水電，火電的發(fā)電量取決于煤炭的供應(yīng)，充足時其發(fā)電量幾乎不受其他條件的影響。而水電不同程度受到豐水和枯水變化的影響。我國的火電主要是煤電，且總量巨大，空氣污染和溫室氣體排放是必須要面對的問題。

為了承擔(dān)與經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)的社會責(zé)任，我國提出了自己的減排目標(biāo)，一是到2020年非化石能源在能源消費中的比重達到15%，二是2020年的單位GDP二氧化碳排放量比2005年減少40%～45%。為此我國加大了發(fā)展可再生能源的力度，特別是在風(fēng)電和太陽能發(fā)電方面，近幾年發(fā)展速度較快。風(fēng)能、太陽能受自然因素的影響比較大，是隨機性、間歇性的能源，因此，風(fēng)電場、光伏電站的發(fā)電穩(wěn)定性和連續(xù)性較差。這樣的新能源接入電力系統(tǒng)后，會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行產(chǎn)生較大的影響。

風(fēng)電是間歇式能源

我國地域遼闊，海岸線長，風(fēng)能資源是比較豐富的。據(jù)國家氣象局估算，風(fēng)能資源的總儲量為32.26億千瓦，陸上可開發(fā)風(fēng)能資源約為2.53億千瓦，近海可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約為7.5億千瓦。其分布也具有明顯的地域性，主要集中在西北、華北、東北的北部、東北的東部和東南沿海及島嶼這幾大地帶。目前我國規(guī)劃有八大千萬千瓦級風(fēng)電基地，分別是甘肅酒泉、新疆哈密、內(nèi)蒙古西部、內(nèi)蒙古東部、河北、吉林、江蘇沿海地區(qū)、山東沿海地區(qū)風(fēng)電基地。

風(fēng)，是一種自然現(xiàn)象，受地形和空氣狀態(tài)的影響較大，每時每刻每秒的風(fēng)速均不相同。而利用風(fēng)力來發(fā)電，必然受自然因素的影響，目前還不能對其出力（發(fā)電能力）進行安排和控制，其出力的大小取決于天然風(fēng)速。

風(fēng)電并網(wǎng)需要電網(wǎng)有強大的調(diào)峰功能

雖然我國風(fēng)能資源非常豐富，但是風(fēng)能的間歇性、隨機性和不可控性給風(fēng)電的開發(fā)、利用，尤其是并網(wǎng)帶來了很大的困難。

大中型風(fēng)力發(fā)電廠（5萬千瓦及以上）一般需要直接接入輸電網(wǎng)，但由于風(fēng)電的出力過程一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，風(fēng)電場的功率波動會給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的穩(wěn)定運行造成一定的影響，使電力系統(tǒng)的電壓波動，燈光會產(chǎn)生閃爍。尤其是當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電的比重比較大的時候，電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力劇增，頻繁波動的風(fēng)電出力將會對局部電網(wǎng)產(chǎn)生比較大的沖擊，容易引發(fā)電網(wǎng)的供電事故，嚴(yán)重時會發(fā)生潰網(wǎng)，造成大面積停電。

風(fēng)電場的輸出特性往往與電力系統(tǒng)的用電需求有著很大的差別，大多數(shù)情況，傍晚時分風(fēng)速較小，相應(yīng)的風(fēng)電出力也比較小，然而此刻是電網(wǎng)的用電需求高峰；而當(dāng)凌晨風(fēng)速較大，風(fēng)電可以多發(fā)的時候，正是電網(wǎng)用電需求最少的時候。因此，風(fēng)力發(fā)電不僅穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，且出力過程與電力系統(tǒng)負(fù)荷變化存在時間差，這使風(fēng)電在電力系統(tǒng)中不具備任何“容量價值”，而且給電力系統(tǒng)實時平衡、保持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。

1.4 怎樣保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行？

從前面的介紹中我們知道，接入電網(wǎng)的電源多種多樣，用電對象的用電量需求隨時間反復(fù)變化（尖峰、低谷）。面對如此多的因素，電網(wǎng)怎樣保證用電需求和電力生產(chǎn)之間的匹配，又如何保障安全可靠的運行呢？

電網(wǎng)中可用的調(diào)峰電源

我國目前主要的發(fā)電電源包括火電（含燃煤火電、熱電、燃?xì)廨啓C發(fā)電）、水電（含常規(guī)水電、蓄能電站）、核電、新能源電源（包括風(fēng)電、光伏發(fā)電等），能擔(dān)任電力系統(tǒng)調(diào)峰的電源僅有燃煤火電、燃?xì)廨啓C發(fā)電和水電（包括蓄能電站）等。從安全性考慮，核電一般不承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰，僅承擔(dān)基荷用電需求；供熱機組在冬季有供熱任務(wù)，也基本不承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰；新能源電源由于其間歇性、隨機性和不可控性，不僅不能承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，而且為防止其對電網(wǎng)的沖擊，還要為其多配備調(diào)峰電源，例如風(fēng)電，就要配備其裝機規(guī)模40%～50%的調(diào)峰電源。

燃煤火電機組調(diào)峰 燃煤火電機組的調(diào)峰幅度取決于機組的最小出力與最大出力之比，而機組的調(diào)峰能力又取決于鍋爐對于高低負(fù)荷的適應(yīng)能力。雖然目前大容量燃煤火電機組的調(diào)峰幅度可達50％以上，但由于燃煤使用與設(shè)計煤種有時差別較大，火電機組很難達到設(shè)計的調(diào)峰幅度。

根據(jù)相關(guān)資料，單機30萬千瓦以下的火電機組實際技術(shù)可調(diào)峰幅度為30%～40%，30萬～60萬千瓦火電機組實際技術(shù)可調(diào)峰幅度為40%～50%，60萬千瓦以上的火電機組實際技術(shù)可調(diào)峰幅度為50%～60%。考慮到電網(wǎng)內(nèi)各類火電機組的權(quán)重及實際技術(shù)可調(diào)峰幅度，一般電力系統(tǒng)火電的綜合最大技術(shù)調(diào)峰幅度約為45%。

然而，在這種深度調(diào)峰的過程中，設(shè)備要承受劇烈的溫度變化和交變應(yīng)力，這會給設(shè)備帶來疲勞損壞，縮短設(shè)備的使用壽命。尤其是鍋爐的汽包、省煤器、過熱器、水冷壁內(nèi)的壓力和溫度產(chǎn)生較大幅度的變動時，會產(chǎn)生熱應(yīng)力，而反復(fù)啟停就會造成汽包的壓力和溫度場的周期性變化，使金屬材料承受低周疲勞，對設(shè)備壽命損耗較大。

另外，燃煤機組深度調(diào)峰對煤耗的影響也很大。一般處于基荷的燃煤火電，煤耗約為320克/千瓦時，而隨著調(diào)峰幅度的增加煤耗逐漸增加，當(dāng)調(diào)峰幅度大于35%以后，煤耗增加幅度變大。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計與分析，按平均煤價600元/噸計算，60萬千瓦及以上機組深度調(diào)峰每度電發(fā)電成本增加0.018元，35萬千瓦機組深度調(diào)峰每度電發(fā)電成本增加0.084元。燃煤機組深度調(diào)峰平均每度電發(fā)電成本增加1.3分錢。

由此可見，雖然火電機組的技術(shù)可調(diào)峰幅度較高，但從系統(tǒng)和火電自身安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度考慮，火電機組的調(diào)峰幅度不宜過高。一般電力系統(tǒng)中火電機組的系統(tǒng)綜合經(jīng)濟調(diào)峰幅度約為35%。

燃?xì)鈾C組調(diào)峰 燃?xì)廨啓C是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃?xì)馔苿訙u輪連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械，它具有啟動迅速，運行靈活的特點，可以參與電網(wǎng)調(diào)峰運行。但是從資源合理利用以及電力的長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，燃?xì)鈾C組建設(shè)規(guī)模不會很大。首先是發(fā)電的燃料成本較高，其次是本地燃?xì)赓Y源有限，而燃?xì)鈾C組消耗量又較大，大規(guī)模地發(fā)展燃?xì)鈾C組會加速本地天然氣資源的枯竭，因此從合理有效地利用本地天然氣資源的角度考慮，單純依靠燃?xì)鈾C組來解決電網(wǎng)的調(diào)峰可能性不大。

水電調(diào)峰 水電（包括抽水蓄能電站）是可再生、無污染、運行費用低的清潔能源。除發(fā)出電能外，水電還能承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故（旋轉(zhuǎn)）備用，帶來整個電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益。

水力發(fā)電的主要動力設(shè)備是水輪發(fā)電機組，不僅效率較高而且啟動、操作靈活，它可以在幾分鐘內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速啟動投入運行；在幾秒鐘內(nèi)完成增減負(fù)荷的任務(wù)，能及時適應(yīng)電力負(fù)荷的變化進行調(diào)整，且不會造成能源損失。

常規(guī)水電機組容量可全部用于調(diào)峰，調(diào)節(jié)性能明顯優(yōu)于燃煤火電。在實際運行過程中，可根據(jù)來水情況適時調(diào)整電力系統(tǒng)的工作情況。如在洪水期間，應(yīng)充分利用水量，使全部機組投入運行，實現(xiàn)滿發(fā)、多供，承擔(dān)電力系統(tǒng)基荷用電；在水庫供水期間運行時，應(yīng)盡量利用水頭，承擔(dān)電力系統(tǒng)的腰荷和尖峰負(fù)荷，充分利用可調(diào)出力，起到系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用的作用。

抽水蓄能電站是最佳儲能調(diào)峰電源

抽水蓄能電站是一種特殊的水電站，它能在負(fù)荷低谷時把多余電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲存，抬高系統(tǒng)的最小負(fù)荷，達到“填谷”的效果；在負(fù)荷高峰時將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能，降低系統(tǒng)的最大負(fù)荷，達到“削峰”的效果，這“一抽一發(fā)”，起到了雙倍調(diào)峰的作用。

抽水蓄能電站一般與火電、核電、風(fēng)電等配合運行，因其有調(diào)峰、填谷和承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的作用，可減少火電機組開停機次數(shù)，節(jié)省額外的燃料消耗，減小了事故率，使核電站平穩(wěn)運行，延長核電機組運行壽命；增加風(fēng)電的入網(wǎng)容量，充分利用清潔的可再生能源。此外，抽水蓄能電站還可承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)相、黑起動等任務(wù)。抽水蓄能電站造價不高，根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷、電源的分布情況，合理布置抽水蓄能電站，可減小電網(wǎng)潮流，在降低系統(tǒng)事故率、提高供電可靠性的同時，節(jié)省電力系統(tǒng)總運行費用。接下來將詳細(xì)介紹抽水蓄能電站。

各類電源關(guān)機8小時后啟動時間示意圖

第2部分 抽水蓄能的優(yōu)勢

2.1 利用水的重力勢能把電儲存起來

顧名思義，抽水蓄能電站是通過把低處的水抽到高處來蓄集能量，待電力系統(tǒng)需要時再發(fā)電的水電站。它把電網(wǎng)負(fù)荷低谷時多余的電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲存起來，在負(fù)荷高峰時將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了電能的有效存儲，進而提高系統(tǒng)中火電、核電以及風(fēng)電的運行效率及資源利用率，有效調(diào)節(jié)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、供應(yīng)、使用之間的動態(tài)平衡。由于它是以水為介質(zhì)的清潔能源電源，并具備啟、停迅速，運行靈活、可靠，對負(fù)荷的急劇變化能做出快速反應(yīng)的優(yōu)勢，適合承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻及快速跟蹤負(fù)荷、備用、無功調(diào)節(jié)和黑啟動等輔助服務(wù)任務(wù)?？梢哉f，抽水蓄能電站，是電力系統(tǒng)的儲能器、發(fā)電器，也是電網(wǎng)輔助服務(wù)器。

抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)

既然是利用水的勢能，就要有足夠的水，并且要形成足夠大的落差。所以，抽水蓄能電站通常由具有一定落差的上、下水庫和輸水發(fā)電系統(tǒng)組成。原則上來說，水量和落差越大，儲能就越多。

上水庫一般建在高程較高、庫盆封閉性比較好、庫周邊平順、庫岸山體雄厚、庫周邊埡口少、庫區(qū)開闊、壩址河谷較窄的地方。例如豐寧抽水蓄能電站上水庫位于永利村上游灤河左岸灰窯子溝頂部，為一天然大庫盆，水庫四周地形具有良好的封閉性。

下水庫一般由擋水建筑物和泄水建筑物組成，有時可利用已有的水庫。例如豐寧下水庫利用已有的豐寧水庫作為專用庫。另外，由于豐寧入庫泥沙含量大，加設(shè)了攔排沙設(shè)施（即攔沙壩和泄洪排沙洞）。

連接上下水庫的就是水道系統(tǒng)，一般由（上水庫）進出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓室、高壓管道、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、（下水庫）進出水口等組成。水道一般沿著山體埋設(shè)在地下。根據(jù)裝機臺數(shù)，水道系統(tǒng)可以是單管道，也可以是多管道；可以是單管單機，也可以是單管多機或多管多機。

核心區(qū)是電站的廠房系統(tǒng)，一般包括主廠房、副廠房、主變壓器室、開關(guān)站及出線場，以及母線洞、出線洞、進廠交通洞、通風(fēng)洞、排水廊道等附屬洞室等。主廠房、副廠房、主變壓器室等常置于地下，開關(guān)站及出線場布置于地面或地下洞室。

2.2 抽水蓄能電站如何工作？

抽水蓄能電站與常規(guī)水電不同，它既是發(fā)電廠，又是用電戶。在電網(wǎng)用電最少的時候，即通常所說的負(fù)荷低谷時段，利用電網(wǎng)內(nèi)部消耗不掉的電能將下水庫的水抽到上水庫，轉(zhuǎn)換成水的勢能儲存起來，此時抽水蓄能電站是電網(wǎng)內(nèi)的一個用戶；到電網(wǎng)用電高峰的時候，轉(zhuǎn)化為水輪發(fā)電機模式，將上水庫的水放到下水庫來發(fā)電，從而完成水的勢能到電能的轉(zhuǎn)換，達到彌補用電缺口的目的。這時，抽水蓄能電站是電網(wǎng)內(nèi)的一個發(fā)電站。抽水蓄能電站通過能量轉(zhuǎn)換可有效減小系統(tǒng)峰谷差，將系統(tǒng)價值低、多余的低谷電能轉(zhuǎn)換為價值高、系統(tǒng)需要的高峰電能。

電力系統(tǒng)通過抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換，將電能在時間上重新分配，從而可以協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的發(fā)電和用電在時間上和數(shù)量上的不一致性。對抽水蓄能電站自身而言，能量轉(zhuǎn)換的過程也是上下水庫水位變化的過程。抽水蓄能電站的上、下水庫水位隨發(fā)電、抽水工況的轉(zhuǎn)換而有所變動，在整個能量轉(zhuǎn)換過程中基本不耗水，但損失部分能量。

2.3 抽水蓄能電站可以分為不同的類型

抽水蓄能電站可按不同地理位置、不同結(jié)構(gòu)、不同功能等分為各種不同的類型。

純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站

按開發(fā)方式，電站可劃分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站。純抽水蓄能電站發(fā)電量絕大部分來自抽水蓄存的水能。發(fā)電的水量基本上等于抽水蓄存的水量，重復(fù)循環(huán)使用。僅需少量天然徑流，補充蒸發(fā)和滲漏損失。補充水量既可來自上水庫的天然徑流，也可來自下水庫的天然徑流。我國已建的十三陵、張河灣、天荒坪等大部分抽水蓄能電站均是這種類型的電站。

混合式抽水蓄能電站的廠內(nèi)既設(shè)有抽水蓄能機組，也設(shè)有常規(guī)水輪發(fā)電機組。上水庫有天然徑流來源，既可利用天然徑流發(fā)電，也可從下水庫抽水蓄能發(fā)電。其上水庫一般建于河流上，下水庫按抽水蓄能需要的容積覓址另建，或利用已建水庫。潘家口、崗南抽水蓄能電站等就是這樣的電站。

日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站

按調(diào)節(jié)周期可分為日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站以一天作為一個調(diào)節(jié)周期，在日負(fù)荷低谷時抽水運行，吸收系統(tǒng)內(nèi)的低谷電量，在負(fù)荷高峰時放水發(fā)電，滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。根據(jù)電網(wǎng)的需求，抽水蓄能電站一天中完成一次或多次抽水、發(fā)電過程。日調(diào)節(jié)的抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)日負(fù)荷的調(diào)峰、填谷及備用任務(wù)，其裝機滿發(fā)利用小時數(shù)一般為4～6小時。

周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是以一周為一個運行周期，除每日按系統(tǒng)負(fù)荷變化的需要進行抽水和發(fā)電運行外，在周一到周五工作日時段，可利用其較多的蓄水盡可能多的配合系統(tǒng)調(diào)峰；周末系統(tǒng)負(fù)荷降低，利用系統(tǒng)內(nèi)多余電量延長抽水時間，儲備更多蓄水能量，用以增加工作日調(diào)峰出力，或延長擔(dān)任調(diào)峰的時間。因此，周調(diào)節(jié)蓄能電站所需要的調(diào)節(jié)庫容比較大，也具有更強的調(diào)節(jié)能力。我國已建的仙游抽水蓄能電站、在建的豐寧抽水蓄能電站等均是周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。

季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的運行方式主要是利用常規(guī)水電站將汛期多余的電量（如棄水調(diào)峰電量、后夜低谷電量）用來把水抽到上水庫儲存起來，在枯水期常規(guī)水電站出力不足時放水發(fā)電。這樣將原來是汛期的季節(jié)性電能轉(zhuǎn)化成了枯水期的保證電能。這類電站絕大多數(shù)為混合式抽水蓄能電站，所需要的上水庫庫容較大，同時其下水庫也應(yīng)具備充足的水源以滿足長時間的抽水要求。目前我國還沒有季調(diào)節(jié)的抽水蓄能電站。

2.4 抽水蓄能具有多重效益

抽水蓄能電站不僅具有調(diào)峰填谷的靜態(tài)效益，而且由于其啟動迅速，運行靈活，特別適宜在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷備用和事故備用等“動態(tài)”任務(wù)，以滿足系統(tǒng)運行上的需要，從而產(chǎn)生動態(tài)效益。另外，抽水蓄能電站運行減少了電網(wǎng)燃料消耗，也就相應(yīng)減少了污染物排放及其治理費用，不僅自身清潔，而且具有一定的環(huán)境效益；由于抽水蓄能電站具有調(diào)相功能，可相應(yīng)減少系統(tǒng)需要配置的無功補償設(shè)備，從而減少相應(yīng)設(shè)備的建設(shè)費用。

抽水蓄能電站的靜態(tài)效益

抽水蓄能電站的靜態(tài)效益包括容量效益和調(diào)峰填谷節(jié)煤效益。

容量效益 抽水蓄能電站能有效地?fù)?dān)任系統(tǒng)的工作容量（主要是尖峰容量）和備用容量，從而可減少其他火電站的裝機容量，節(jié)省電力系統(tǒng)的投資和運行費用，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益稱為容量效益。

抽水蓄能電站的單位千瓦靜態(tài)投資通常大大低于常規(guī)水電站，與燃煤火電基本持平，建設(shè)相對容易。在調(diào)峰需求大的情況下，建一座抽水蓄能電站，可以少建一座火電廠。除了減少投資外，還可以節(jié)省固定運行費。由于抽水蓄能電站自動化程度高，運行人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火電廠的定員水平，加之抽水蓄能電站的水工建筑物和機電設(shè)備維修費用比火電要低，因此，抽水蓄能電站固定運行費率一般為其投資的1.5%～2.5%。而燃煤火電廠一般為3.5%～4.5%?？梢?，抽水蓄能電站固定運行費率要比燃煤火電廠少一半左右。

調(diào)峰填谷節(jié)煤效益 抽水蓄能電站投入電網(wǎng)與火電聯(lián)合運行，由于其調(diào)峰填谷作用而產(chǎn)生了能量轉(zhuǎn)換效益（調(diào)峰填谷節(jié)煤效益）。

抽水蓄能電站能有效地承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)，從而替代了煤耗率高、發(fā)電成本貴的調(diào)峰火電機組，使系統(tǒng)燃料消耗減少，這部分燃料的節(jié)約稱為調(diào)峰節(jié)煤效益。

另外，抽水蓄能電站在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時，利用腰荷火電機組空閑容量所發(fā)出的電能作為抽水電源，從而使這部分腰荷轉(zhuǎn)變成基荷，使這部分火電機組能在均勻、穩(wěn)定的負(fù)荷下高效率的運行，即改善了火電機組的運行條件，提高了機組設(shè)備利用率，降低了廠用電率和煤耗率，這部分燃料的節(jié)約稱為填谷節(jié)煤效益。

抽水蓄能電站投入系統(tǒng)運行后，雖然由于抽水用電，增加燃料消耗；但由于頂替火電調(diào)峰和改善火電機組的運行條件，降低了煤耗率，從而減少了燃料消耗，總體上產(chǎn)生明顯的調(diào)峰填谷節(jié)煤效益。

抽水蓄能電站的動態(tài)效益

抽水蓄能電站的“動態(tài)”任務(wù)因電網(wǎng)特性和需要而定，進而產(chǎn)生動態(tài)效益。這主要包括事故備用、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動、提高系統(tǒng)可靠性等幾個方面。

擔(dān)任系統(tǒng)備用為了保證電力系統(tǒng)安全可靠運行，必須預(yù)留一定數(shù)量的負(fù)荷備用容量和事故備用容量，其中的大部分必須處于旋轉(zhuǎn)運行狀態(tài)，這部分容量稱為旋轉(zhuǎn)備用容量或同期備用容量。火電站承擔(dān)的旋轉(zhuǎn)備用容量常分散于抽水蓄能具有多重效益系統(tǒng)中的若干機組上，即這些機組處于空轉(zhuǎn)或壓負(fù)荷運行狀態(tài)，因而熱效率很低，燃料消耗量增加，代價很高。

抽水蓄能機組啟動迅速，運行靈活，增荷速度快，調(diào)荷幅度大，是電力系統(tǒng)最理想的備用電源。抽水蓄能機組在發(fā)電工況下能快速跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化，起到旋轉(zhuǎn)備用（同期備用）的作用。

調(diào)頻及負(fù)荷跟蹤 電力系統(tǒng)在實際運行中，由于瞬間負(fù)荷波動和短時計劃外負(fù)荷增減，均會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的變化。為了維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，要求有一定備用機組處于旋轉(zhuǎn)待命狀態(tài)，即不滿出力運行，預(yù)留一定的負(fù)荷備用容量，火電機組承擔(dān)負(fù)荷備用任務(wù)時就會增加燃料消耗。而抽水蓄能電站自動化程度高，增減負(fù)荷靈活，對負(fù)荷隨機、瞬間變化可做出快速反應(yīng)，能保證電網(wǎng)周波穩(wěn)定，起到調(diào)頻作用。

調(diào)相 調(diào)相是為使電力系統(tǒng)中各電壓中樞點運行電壓保持在規(guī)定允許范圍之內(nèi)所采取的技術(shù)措施。電力系統(tǒng)無功功率不足或過剩，會造成電網(wǎng)電壓下降或上升，影響供電質(zhì)量，危及系統(tǒng)安全運行。為此，在負(fù)荷中心要設(shè)置無功補償裝置——專用調(diào)相機、靜電電容器或電抗器，或?qū)⑼堪l(fā)電機改作調(diào)相機進行增發(fā)無功出力，提高功率因數(shù)。

抽水蓄能機組可根據(jù)電網(wǎng)需要，機組在發(fā)電或抽水運行時，通過關(guān)進水閥、關(guān)導(dǎo)葉和壓水等操作，使水泵水輪機轉(zhuǎn)輪在空氣中運行，再憑借勵磁調(diào)節(jié)作用，向電力系統(tǒng)輸出或吸收無功功率，從而調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站可減少設(shè)置專門無功補償設(shè)備，節(jié)省系統(tǒng)的投資和運行費用。

提高水電供電質(zhì)量 解決發(fā)電與綜合利用用水的矛盾。以綜合利用為主的水電站，其運行方式常常是“以水定電”，不能滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求，且在非用水季節(jié)不能發(fā)電。有條件加裝抽水蓄能機組后，將電站改建成混合式抽水蓄能電站，則在非用水季節(jié)，蓄能機組每日仍可發(fā)電，承擔(dān)系統(tǒng)峰荷，待午夜系統(tǒng)負(fù)荷低谷時，再從下水庫抽水回到上水庫，使其他用水不致因發(fā)電而受影響；這樣使電站能夠全年發(fā)電，提高了系統(tǒng)的調(diào)峰能力。

黑啟動 所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電（不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行），處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。而抽水蓄能電站就具備黑啟動功能，即在電網(wǎng)事故停電后可盡快恢復(fù)供電，減少事故造成的經(jīng)濟損失。

抽水蓄能電站環(huán)境友好

抽水蓄能電站屬于清潔能源，可以使低谷電能或剩余電能變?yōu)榧夥鍟r高效的電能，可以減少系統(tǒng)中火電裝機，同時還能改變電力系統(tǒng)中火電機組的運行條件，使煤耗減少，從而減少了火電的有害氣體排放量，減少了霧霾天氣的產(chǎn)生，其環(huán)境效益是較為顯著的。

抽水蓄能電站在建設(shè)時就充分考慮到環(huán)境保護，選址上強調(diào)因地制宜，以環(huán)境友好為原則。抽水蓄能電站一般是依山而建，發(fā)電水頭高，占地規(guī)模小，對于一座純抽水蓄能電站而言，上、下水庫面積多在20萬～40萬平方米不等，水庫占地僅相當(dāng)于一座較大中學(xué)的面積。特別是電站的廠房及輸水發(fā)電系統(tǒng)一般布置在地下，因此抽水蓄能電站主要呈點狀分布在我國的山川之間，對自然環(huán)境的影響非常小。

如果你從高空俯瞰抽水蓄能電站，除了能看到兩池碧綠的池水外，你很難找到一個“電站”應(yīng)有的特征，有時候即使你身處其中也不知道它的存在。可能大家去過風(fēng)景如畫的北京十三陵景區(qū)吧，或者攀登過泰山，大家有沒有想到過在這些著名景區(qū)附近也分布有抽水蓄能電站呢。

上圖為十三陵抽水蓄能電站。以十三陵抽水蓄能電站為例，該電站距北京市區(qū)約40公里，是我國最早建設(shè)的大型抽水蓄能電站，總裝機容量80萬千瓦，投產(chǎn)后為北京電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起到了關(guān)鍵的作用。十三陵抽水蓄能電站的下水庫直接利用已建的十三陵水庫，上水庫位于水庫附近的蟒山山頂，廠房位于蟒山內(nèi)部，電站建成后與十三陵景區(qū)做到了渾然一體。（第2部分完）