多能耦合协同的新一代抽水蓄能电站

李璟延

（国网新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

当前中国正加速推进能源结构转型，可再生能源接入电网规模不断增加。为推动能源革命，实现能源可持续发展，国家电网有限公司确立了建设能源互联网的战略目标，提出打造“枢纽型，平台型，共享型”企业。未来能源将向清洁化、绿色化转型，多能耦合协同联合互补将是能源互联时代的新特点[1]1。

随着特高压直流输电、新能源和核电装机快速发展，电力电子器件大规模接入，电网调峰调频和有功控制问题突出。抽水蓄能是电力系统主网安全稳定运行的重要保障，对稳定频率，保障电网安全作用不可替代。截至2019年，国家电网有限公司已运和在建抽水蓄能电站共45座，总装机5522万千瓦，容量效益十分可观。

近年来随着可再生能源的发展，化学储能技术经济性快速提升。2018年江苏镇江100MW化学储能电站建设并入网，支撑江苏省电网调峰调频。2019年甘肃瓜州60MW化学储能电站，建成后可有效提升当地风电利用率。两个化学储能电站的建设探索，为电网侧化学储能应用提供了宝贵的示范经验。

国家电网有限公司提出2021年初步建成泛在电力物联网，未来抽水蓄能电站将更加智能，更加友好。拥有数据高效安全处理能力，设备广泛互联、数据流畅共享、应用互助融合、随需迭代强化的新一代抽水蓄能电站，将成为电网全息感知的一个重要智能化安全支撑。

未来理想的智能储能系统应既具备足够的快速响应能力，又具备足够的储能容量效应。融合变速抽水蓄能技术，化学储能技术、光伏储能技术、信息互联融通的新型抽水蓄能电站，可以最大化发挥存量巨大的传统抽水蓄能电站效益，提升抽水蓄能电站综合利用水平，突破传统局限，更好地适应电网智能化发展需求，应对能源互联时代的机遇与挑战。

1 新型抽水蓄能电站构想

1.1 基于变速技术的柔性储能

变速抽水蓄能机组技术是国际前沿技术，是抽水蓄能领域重大技术变革，可实现抽水工况大范围自动调荷调频；水泵工况柔性并网，极大改善传统定速机组阶跃型出力对电网的冲击；自动跟踪负荷特性极大提升电网接纳新能源能力和电网安全稳定运行[2][3]。

融合了变速储能技术的新型抽水蓄能电站将极大提升传统抽水蓄能电站柔性控制运行水平，具体表现在：

（1）稳定性能更好。定速抽水蓄能电站属于阶跃型出力，以仙游抽水蓄能电站为例，出力从-50 MW到-300 MW仅16s左右，出力从-300 MW到0 MW仅14s，相当于300 MW级别的机组每天跳闸多次，对福建省网冲击很大。与定速机组采用SFC泵工况启动相比，变速机组利用交流励磁系统实现机组平滑自启动，能减少抽水或发电工况机组启动对电网的冲击，同时利用变频器控制相位角更好地适应电力系统扰动以保证电网安全[4]。

（2）调节性能更好。变速机组在响应时间、调节速度方面明显优于定速机组。大河内抽水蓄能电站400 MW变速机组0.2s内可改变输出功率32 MW或输入功率80 MW。而北京十三陵储能电厂机组在AGC控制下的调节速率约为100 MW/min。从启动时间来看，变速机组约为2.5 min，定速机组约为5 min。当电力系统发生扰动时，变速机组可实现有功功率高速调节，更好地抑制电力系统有功功率波动[5]。

（3）调节范围更大。变速机组可在更宽水头（扬程）范围提高运行效率,在较大范围内调节，配合电力系统频率自动控制。根据大河内变速机组与传统抽水蓄能机组的综合比较，传统抽水蓄能机组在60%～100%范围内抽水时便不可调节，且在60%以下范围内调节时电力损耗较多，而变速机组在发电时调节范围可由50%～100%扩大到30%～100%，且电力损耗比传统定速机组要少[6]。

（4）具有较好的调节系统无功和深度吸收无功的能力。根据俄罗斯研究表明，在750kV电力系统中，变速机组深度吸收无功后可稳定运行，并可显著减少并联电抗器的数量。变速机组无功可连续调节，因此可为高压电网各种运行状态下电压水平的稳定提供重要支撑，降低电网电能损耗。

1.2 结合电化学储能的灵敏型储能

抽水蓄能电站与化学储能联合运行可以较好地解决抽水蓄能机组功率响应速度无法达到秒级和电站安全可靠性不足的问题[7]。

1.2.1 化学储能技术发展现状

化学储能技术发展到今天，已经可以满足电网对功率型储能和能量型储能的应用需求，电池存储能量可以从数秒延伸至数小时，输出功率在额定功率范围内可调，且部分电池技术已商业化了，或者正走在商业化的道路上。

化学储能中，锂电池的项目数、装机容量占比最大，其增长幅度也最快，已成为发展最快的化学储能技术。其充放电倍率可达1～3C，工作温度范围宽，可达-20～60℃，循环寿命长。综合比较响应时间、能量密度、功率密度、能量效率、循环次数以及典型应用等主要性能指标，锂电池服务电网性能最佳。

近年来，储能电池不断发展，性价比逐年提升，当前锂电池投入成本1500元/kWh，综合运营成本约7000元/kWh。按照锂电池经济与性能的发展速度，预计2025年投入成本可降到800元/kWh，综合运营成为约4000元/kWh。若新能源汽车储能电池可在电网中二次利用，则综合成本又可降低很多。

1.2.2 抽水蓄能电站响应速度大幅提升

以某一常规抽水蓄能电站为例，抽水蓄能电站静止转发电满载，转换时间为200s；一台300MW抽水蓄能机组，紧急工况下满载抽水转满载发电需150s，而电池实现“负荷”向“电源”转化只需几十毫秒，事故响应速度大幅提升。化学储能可以快速平抑风、光等新能源波动，满足新能源并网时间响应要求。加装逆变器的化学储能系统可以独立输出有功和无功，满足电网功率和电压补偿需求。

常规抽蓄电站与储能电池协同运行，可使传统抽水蓄能电站响应更迅捷，提升电网应对故障能力，实现电网功率多时间尺度协调控制，极大提升常规抽水蓄能电站的综合性能。

1.2.3 化学储能联合运行关键技术

1.3 结合光伏储能的绿色型储能

光伏储能系统控制灵活、响应速度快、可靠性高，抽水蓄能电站通常有较好的太阳能资源和场地资源，因此将光储系统接入大型抽水蓄能电站，对提升其综合性能是一个不错的选择[8]。

1.3.1 光储系统联合抽水蓄能运行优势

光储系统可以和柴油机组互为备用，作为厂用电事故备用或黑启动电源，提升抽水蓄能电站保安电源可靠性；容量足够的光储系统与抽水蓄能电站联合运行，可以提升抽水蓄能电站调峰、调频、调相的响应速度，使功率速度达到毫秒级，极大提升大型抽水蓄能电站安全可靠性和综合调节能力。

太阳光和水资源都是绿色清洁能源，如能在抽水蓄能电站联合开发利用，可以充分利用抽水蓄能电站站址资源，提升电站综合性能，提升电站开发效益效率。

1.3.2 光伏储能系统联合运行关键技术

光伏储能系统联合抽水蓄能电站运行关键技术主要包括光储系统提升大型抽水蓄能电站综合调节能力时间尺度控制与运行策略；光储和抽水蓄能联合系统运行稳定性与优化策略；光储系统提升大型抽水蓄能电站可靠性评估方法与优化策略；光储系统接入大型抽水蓄能电站综合效益与改进措施；光储系统作为备用电源接入大型抽水蓄能电站整体应用方案等。

1.4 信息高度互联的智能型储能

“大云物移智链”等先进信息、通信技术，可以促进电站生产运营、发展建设水平全面提升。未来的抽水蓄能电站在万物互联、人机交互、自动采集、动态感知、灵活应用等方面，将越来越具有智能型属性[9]。加快泛在物联基础支撑建设，需要重点关注如下。

我看着林孟兴高采烈地逃跑而去，我心里闪过一个想法，我想这小子很可能在一年以前就盼着这一天了，只是他没想到会是我来接替他。林孟走后，我和萍萍在一起坐了很久，两个人都没有说话，都想了很多，后来萍萍问我是不是饿了，她是不是去厨房给我做饭，我摇摇头，我要她继续坐着。我们又无声地坐了一会，萍萍问我是不是后悔了，我说没有。她又问我在想些什么，我对她说：“我觉得自己是一个先知。”

1.4.1 感知层建设

感知层是电站智能化的基础，针对抽水蓄能电站特点，除原有机组监控外，需要进一步扩大可监控范围和对象，增设电站人员智能化装备，各区域视频监控，安全防护监控，环境监控等物联网感知基础。对电站进行全面体检，除提高设备本体智能化水平外，还需提高传感器智能化水平，扩大传感器设备的安装范围，由感知点逐步转变成感知面，最后形成全感知抽水蓄能电站。

1.4.2 网络层建设

网络是信息传递的通道，覆盖面要广，传输要更安全，速度要更流畅。抽水蓄能电站地下洞室多，上下库落差大，地下厂房电磁、噪声、震动干扰大。网络基础建设宜分区进行，光纤和无线网络相结合。必须高度重视电站接入总部网路通道的可靠性和安全性，保证集团化管理的抽水蓄能电站群调度在控可控能控，中心数据可在总部汇集分析处理。

1.4.3 平台层建设

信息平台未来将是人机交互信息传递命令下达的重要窗口。信息平台的迭代优化将永远不会停止，并将伴随用户需求不断完善提升。抽水蓄能电站数据信息平台建设，需结合电站建设运营特点和需求，不断升级组件，加强应用集成，整合业务流程，运用最先进最合适的平台技术，开展电站物联网平台一站式建设和探索。

1.4.4 信息融合建设

基于抽水蓄能电站自身建设运营管理特点，未来智能型电站将打通各业务信息系统壁垒，规范业务流程，提高数据质量和标准，完成业务系统消重，实现数据无障碍共享，提高业务流和管理流信息应用深度和广度，加强大数据处理和分析能力，最终实现站内设备全连网，信息全感知，人机互动无障碍的新型智能电站。

2 新型抽蓄电站选址策略

根据电网特点，融合了光伏、化学储能、变速机组柔性技术、信息高度互联的新型抽水蓄能电站，选点开发建设主要应具有以下三方面特点：

2.1 新能源集中区域

风和太阳能等清洁可再生能源大规模并网，给电力系统实时平衡以及稳定运行带来了巨大挑战。从提高资源利用率，减小风电等新能源对系统冲击，提高系统运行稳定性和经济性等方面考虑，需要提升抽水蓄能电站响应速度和调节范围，需要提高新能源和抽水蓄能电站的契合度。

在太阳能风能等新能源富集地区，可以利用西北、内蒙古等地区抽水蓄能电站附近空地，实现太阳能、风能、储能系统联合运行，构建新型抽水蓄能电站。

新型抽水蓄能电站具有自动跟踪电网频率变化和有功高速调节的优势，化学储能可以提升功率补偿响应速度，变速抽水蓄能机组可以实现频率实时自动跟踪，抽水蓄能电站本身可以实现大容量功率长时间存储。新型抽水蓄能电站在保证电网安全稳定运行的前提下，可提高新能源并网率；此外电站启动响应和调节速率同时提高，可更好地跟踪风电等随机波动电源的出力过程，减小新能源并网对系统带来的冲击。

为应对可再生能源快速增长对电网的冲击，日本小丸川抽水蓄能电站共安装4台变速抽水蓄能机组，运行经验表明，变速抽水蓄能机组很好地弥补了传统定速机组的不足。根据日本电网的运行经验，当电力系统配备有一定规模的可变速机组后，再结合功率型储能电池，可以完全实现全时段功率调节，降低可再生资源并网冲击，提高资源利用率，提高电网与可再生能源电源的契合度。

2.2 特高压落端集中区域

以特高压为支撑的骨干电网，在实现资源远距离，大容量配置的同时，也使电力系统稳定性和电压跌落无功补偿等问题越来越突出。

由于变速机组采用交流励磁，能有效解决传统抽水蓄能机组固有的调速和水轮机无法变速运行的问题，从根本上消除谐波等对电机运行性能的影响，更好地应对特高压事故。容量适当的化学储能系统，也可提供快速的无功补偿；抽水蓄能机组固有的调相运行，可以提供系统足量的无功需求。变速抽水蓄能机组可实现无功和有功解耦，有效应对特高压无功不足或无功过剩问题，对系统电压稳定提供很好的帮助。

新型抽水蓄能电站可以提供充足的无功应对特高压事故电压跌落对系统无功需求，可以配合调相机一起为系统提供大容量无功补偿和转动惯量。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电压提供大容量无功备用支撑。

2.3 负荷中心区域

因为拥有变速机组、光储、化学储能，新型抽水蓄能电站可以向电网提供足量独立的无功和有功，如选址在负荷中心，可确保频率和电压稳定，为用户侧电网安全提供重要保障。

变速抽水蓄能机组通过调节励磁电流，可以调节机组发出或吸收的无功分量，调整功率因数，特别是可以吸收无功稳定运行。调节励磁电流的相位，可以快速完成发电状态电磁调节，从而保证发电机电压或无功的快速调节。有功、无功的独立调节，可以显著提高电力系统静态和暂态稳定性。当负荷变动时，交流励磁调速电机可以通过改变频率来迅速改变转速，充分利用转子动能，释放和吸收负荷，使电网扰动比常规电机小，从而提高电网的稳定性。其次，变速机组可提高抽水蓄能电站自身的调节特性，更好地保障电网安全稳定运行。更宽的调节范围，可以更好地响应电力系统功率变化要求。结合化学储能电池有功和无功的解列支撑能力，可以在毫秒级和秒级时间窗口，实现调节速度和调节精度，调节范围和响应范围最佳响应，稳定负荷中心电网运行。

结合当前电网发展趋势，新能源集中区域，特高压集中区域以及负荷中心区域，都是新型抽水蓄能站址优先考虑的区域。

3 典型案例分析

以某省网为例，电源结构单一、外送电源增加和风电规模扩大等均成为其安全稳定运行的不利因素，是新能源大规模接入与电网调节矛盾突出的典型区域电网，也是负荷集中区域。因此，在该区域电网开展新型抽水蓄能电站试点应用，具有显著的示范意义。

新型抽水蓄能电站的建设，将使该省电网中原有固定负荷变为快速可调节负荷，提升电网正常运行时潮流控制以及紧急状态下的稳定控制能力，配合储能电池，两者相辅相成，更好地保障电网安全。

该省在运某抽水蓄能电站共装设4台150MW的单级可逆式抽水蓄能机组，总装机容量600MW，以同杆架设的两回220kV线路接入省网。在电网中担负调峰、填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等任务。考虑对该抽水蓄能电站进行改造建设，新增4台50MW全功率变速机组，一组100MW储能电池储能系统，同时利用电站空地安装适当的光伏储能，结合原电站常规机组联合运行，提升常规抽水蓄能电站综合性能，为当地风光能源安全稳定并网提供保障。

新型抽水蓄能电站建成后可以极大改善原抽水蓄能电站几方面制约：

（1）变速机组和化学储能联合运行，在功能定位和技术经济上具有较好的互补性。在区域电网联合应用，可发挥各自优点，提升区域电网调控水平，提高系统热备用和旋转备用，在不同时间尺度下协同参与电网调峰、调频、快速平抑新能源功率波动，为电网安全稳定运行提供了很好的技术方案。项目完成后，可使我国全面掌握抽水蓄能变速技术及其与大容量储能电池协调控制技术，增强我国抽水蓄能综合开发利用的水平和实力。

（2）受水泵水轮机工作水头的限制，传统抽水蓄能电站站址只能选在高山地区，远离负荷中心。变速抽水蓄能机组可以适应更宽水头范围，提高机组运行稳定性，降低水泵水轮机制造难度，使许多原本不具备条件的站址重新具备建设条件，配合光伏、化学储能系统建设新型蓄能电站，可发挥更大作用服务区域电网。

（3）新型抽水蓄能电站变速机组技术可实现水泵工况平滑启动柔性并网，极大改善传统定速机组抽水工况开机阶跃型出力对电网的冲击，提升电网接纳新能源的能力；可实现有功功率高速调节，400MW变速机组0.2s内可改变输出功率32MW或输入功率80MW；更强的励磁控制自由度，极大提升了机组进相运行能力。

4 结束语

新型抽水蓄能电站融合化学储能，变速储能技术，风光等新能源储能系统，泛在物联的高效数据传输处理平台，可以实现多能互动，协同互补，多时窗响应，实现有功、无功独立支撑，信息快速融通，为电网提供调峰、调频、事故备用等多种功能，亦可提升电网接纳新能源，快速平抑波动的能力。新型抽水蓄能电站示范工程建成后，电网调频调荷更加灵活，不仅可以提高抽水蓄能机组紧急事故响应速度，还可提升电站事故备用容量，实现电网功率多时间尺度协调控制，加强电网应对突发事故的能力，提升电网对电站的感知和调度速度，有效提升抽水蓄能电站服务电网的能力。