中小型抽水蓄能电站合理发展探讨

于倩倩，杨德权，徐玲君，赵杰君

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；

2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；

3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

以“碳中和，碳达峰”战略目标为驱动，可再生能源将逐步成为未来我国能源和电力工业发展的增量主体。建设以新能源为主体的新型电力系统，提升电网安全稳定、灵活高效的运行能力，保证优质高效的电力供应，将是我国实现高质量发展的重要支撑。抽水蓄能电站是电网智能化发展的重要组成部分，在满足新时期电力系统多元需求方面发挥着极为重要的作用[1]。截至2020年底，我国抽水蓄能电站已建3 149万kW，在建5 373万kW[2]，开发规模居世界首位，考虑电力系统的需求，中长期我国抽水蓄能电站装机规模仍将大幅提升[3]。但目前大型抽水蓄能发展面临诸多挑战，行业可持续性严重受阻。随着储能技术和分布式新能源发展，科学评估与新型储能设施规模相当的中小型抽水蓄能电站的发展潜力，分析热点问题，对保证行业科学有序发展具有重要的意义。

本文以我国中小型抽水蓄能电站开发运行现状为基础，总结发展特点、功能效益和存在问题。秉持“因地制宜、需求导向、经济合理”的基本原则，合理评估中小型抽水蓄能电站发展潜力，探讨发展思路和措施建议，以期为项目投资决策和行业政策制定提供参考。

1 发展概况

1.1 开发利用现状

中小型抽水蓄能电站是指装机容量小于30万kW的抽水蓄能电站(包含混合式电站)，其中装机容量小于5万kW的为小型抽水蓄能电站。早期中小型抽水蓄能电站多为试验性建设，以混合式电站为主，工程多结合已建水利水电工程，通过改、扩建降低单位造价。在当时的系统规模下，中小型抽水蓄能电站发挥了较好的调峰填谷、调频调相、事故备用等功能。随着大范围电力系统互联，已建中小型抽水蓄能电站的功能作用愈发有限。因此，在抽水蓄能电站技术进步和国内工程经验总结的基础上，规模效益明显的大型抽水蓄能电站成为我国发展的主流。

截至2020年底，我国已建中小型抽水蓄能电站装机容量85万kW，占已建抽水蓄能电站的比重不足3.0%。在建中小型抽水蓄能电站仅为安徽佛子岭抽水蓄能电站(16万kW)，但根据调研该项目目前已停工。

1.2 调度运营情况

中小型抽水蓄能电站一般由省级电网调度，其中，小型抽水蓄能电站主要承担调峰填谷任务，保障小系统尖峰负荷供应；中型抽水蓄能电站可以发挥一定的调频作用(羊卓雍湖抽水蓄能电站主要承担调相任务)。受装机容量限制，尽管中小型抽水蓄能电站具备一定的辅助服务能力，但在区域和省级电力系统中作用不大。

综合系统中的功能定位，已建中小型抽水蓄能电站多采用单一电量电价，依靠抽发电量的电费差值获得相应的电量收益，较少执行丰枯电价，电量损失自行承担，无容量效益和其他辅助服务收入。为保证收益，运行中更倾向于采用增加抽水发电利用小时数运行，以分摊成本、创造利润。但由于没有合理的调度方式研究，部分采用早期国产机组的电站，机组故障率较高，维修次数多，电站亏损较严重。尽管少数电站开始执行两部制电价，但电价实施效果不明显。我国已建中小型抽水蓄能电站运营情况见表2。

表2 我国已建中小型抽水蓄能电站运营情况

1.3 发展特点分析

对比大型抽水蓄能电站以及其他调峰电源和储能形式，中小型抽水蓄能电站主要有以下特点：

(1)选址布置灵活，接入系统便利。中小型抽水蓄能电站调节库容较小、水头相对较低，站址水源和地形地质条件适应性好，站点资源丰富且布局灵活，可以接近负荷中心布置，便于更好地发挥快速响应能力，以配合城市分布式供能系统的发展，与大型抽水蓄能电站形成互补开发格局。可就近接入110 kV或220 kV电网，满足局部电网的储能调峰需求，缩短线路走廊布局，减少输电损失和建设投资。

(2)淹没损失较少，生态环境友好。中小型抽水蓄能电站多结合已建水库开发，建设征地和移民安置工作相对简单，且由于枢纽规模小，容易避开环境敏感因素。相比大型工程，其环境评价工作便于推动，易于开展项目前期工作及建设实施。同时，对比化学储能形式，抽水蓄能电站使用寿命长，且不存在设备回收和重金属污染等问题，全生命周期的碳减排和生态环境效益突出。

(3)机组形式多样，建设周期较短。中小型抽水蓄能电站机组类型可采用四机分置式、三机串联式和二机可逆式等组合模式(即水泵、水轮机、发电机、电动机分开布置或与水泵水轮机、发电电动机组合布置)，降低机组研发、设备安装和运行维护难度。由于电站水工建筑物等级低、枢纽布置比较简单，建设工程量小，建设工期较短，4～5年左右可投入运行[5]，易于地方中小企业投资。

(4)功能作用受限，影响调度运营。受制于电站装机容量较小，调节能力较弱，中小型抽水蓄能电站在大型电力系统中功能作用有限。为保障收益，电站多采用增加抽发利用的调度方式，影响机组寿命。混合式电站受到原工程灌溉、供水等综合利用任务限制，设计功能难以发挥。此外，由于原水库相关枢纽等级和施工标准较低，部分电站建成后，上下游梯级电站、水利枢纽的防洪能力与中小型抽水蓄能电站不匹配，调度运行受限，进一步降低工程使用效率。

(5)单位投资较高，收益模式单一。尽管多采用结合已建水电梯级或水利工程建设，但从现有资料看，已、在建中小型抽水蓄能电站的单位千瓦投资均高于同区域、同时期、同价格水平的大型抽水蓄能电站，略好于现阶段同等规模的化学储能、物理储能等其他新型储能方式。由于电站功能定位不同于常规电源或者准公益型水利项目，已建项目主要以电量电价收益进行投资回收，损失自担，容量电价和辅助服务收益等模式尚未全面推广，投资后成本回收存在较高风险。

2 发展潜力

2.1 站点资源条件

截至2020年底，我国已进行了25个省(区、市)的抽水蓄能选点规划工作，对规划范围内大、中、小型抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站以及海水抽水蓄能电站进行调查。考虑电力系统需求、站点资源条件，通过技术经济综合分析，共比选出82个推荐站点，均为大型抽水蓄能电站[3]。

目前国内未单独进行系统性的中小型抽水蓄能电站资源普查，根据中小型抽水蓄能电站的特点，综合近年来开展的选点规划工作基础进行分析可知，我国中小型抽水蓄能电站的站点数量和装机容量规模非常可观，同时资源分布范围较大型站点更为广泛，呈现“点多面广”的特点，但前期工作和经济性评估不够深入。从分区域已开展研究的站点来看，华东区域浙江省、福建省，南方区域广东省资源最为丰富，华北、东北和华中区域内资源较好，沿海地区和主要保护区资源较差，西北区域大部分省区及内蒙古等站点资源相对较少[2]，西南地区站点资源丰富，但应优先利用常规水电调节。

2.2 系统需求空间

随着我国经济发展进入新常态，电力负荷增速变缓，产业结构调整深化，系统峰谷差不断加大。为完成能源革命战略目标，我国未来新增电力需求将主要依靠可再生能源尤其是新能源发电满足。通过系统需求空间分析，2030年我国抽水蓄能电站合理规模约为1.2亿～1.4亿kW[2]。中东部地区电力市场规模大，经济承受能力强，在接受大量区外电力的同时，本地新能源发电和核电发展快，分散式风电和分布式光伏发电占比高，是抽水蓄能电站发展的重要区域[3]。

考虑开发经济性和系统功能效益，在大电网中发展中小型抽水蓄能电站的优势较弱，但对于线路走廊开辟困难地区、与主网连接较弱的边缘地区、孤立电网以及海岛电网等，布置少量的中小型抽水蓄能电站，联合当地小型电源进行互补运行，可有效保障局部区域供电，提高电网分层分区运行能力。对新能源微网，可改善系统发电质量，提供安全、稳定、经济、清洁的电力支撑。

2.3 技术可行性

中小型抽水蓄能电站的建设模式较多，除独立新建电站外，可利用已建小水库或流域梯级作为上下库，或者结合已建水电站建设混合式电站，增加原电站调节能力。

从建设条件来看，由于装机规模较小，中小型抽水蓄能电站需水量少，水源充足；枢纽布置容易避开不良地质体，工程地质条件要求相对宽松，枢纽布置简单，防渗处理少；施工便利，如结合已建项目，对外交通条件好，施工场地布置方便；工程量小，料源储量和质量较容易满足要求，由于工期短，对已建工程运行影响不大；机电和金属结构设备设计制造和运输等均相对简单；建设征地和移民安置总量较少，容易避让环境敏感制约因素，整体环境影响小，有利于项目推进实施；电压等级较低，接入系统方便，输电距离近，线路投资较小。

综上，考虑需求规模与布局需要，经综合分析，建设中小型抽水蓄能电站技术难度较低。

2.4 开发经济性

根据典型工程分析，我国中东部地区中小型抽水蓄能电站单位千瓦总投资约8 000～10 000元。与装机容量相近的可规模化储能调峰设施相比，中小型抽水蓄能电站单位千瓦投资高于超导磁储能和超级电容储能，与压缩空气接近；单位度电投资高于压缩空气储能，但低于其他类型储能设施。主要储能技术对比见表3。

表3 主要储能技术对比[6-7]

从运行资料分析，受多重因素影响，已投运的储能电站实际转换效率低于理论实验值，约在65%，而已运行的抽水蓄能电站平均效率接近80%；此外，现阶段储能电站使用寿命约为6年，之后需要更新换代，产生再投资费用。考虑储能设施回收和运行寿命等因素，在满足系统需求的前提下，中小型抽水蓄能电站的平均投资成本和运行成本高于大型抽水蓄能电站，但与储能项目相比依然较低。尽管未来随着技术迅猛发展，其他新型储能形式的经济性提升空间较大，但现阶段，建设条件较好的中小型抽水蓄能电站具备与同等规模其他储能形式的市场竞争能力。

3 发展建议

3.1 发展思路

根据电源结构特点和系统实际需求，结合区域范围内的站点资源特点、建设可行性、开发经济性等综合分析，由于我国中小型抽水蓄能电站前期工作广度与深度不足，总体经济性不高，暂不具备全面铺开大规模开发的条件，暂从系统内承担的功能作用进行发展思路分析如下：

(1)配合新能源电站以及参与辅助服务的中小型抽水蓄能电站，由于功能效益有限，暂不考虑布局。应当优先深入研究优化调度方案，利用好已、在建辅助服务设施，保证功能效益充分发挥。

(2)保障输配电及用户侧终端用能可靠性的中小型抽水蓄能电站，根据需求可分为两个层次。首先，各负荷中心范围内，应优先布局大型抽水蓄能电站，保证电力系统整体运行经济性。其次，规模较小的独立地方电网的负荷中心，可充分利用已有资源，在进行充分的技术经济比较，论证具备优势后，适当布局中小型抽水蓄能电站，实现分层次的合理运行调度。

(3)提升分布式发电、孤网、微网的运行能力的中小型抽水蓄能电站。从配合分布式新能源发电来看，分布式项目的主要聚集区，以系统统筹布局大型抽水蓄能电站最为经济有效。而在孤网、微网中，应优先建设电网基础设施和联合供能体系，对于支撑电源无法推进实施，可合理配置中小型抽水蓄能电站，承担支柱性电源作用。

综上，在“因地制宜、需求导向、经济合理”的条件下，中小型抽水蓄能电站主要应用于以下两个方面。一是，对于短期内无法进行电力基础设施连接，系统结构矛盾突出，严重影响安全稳定运行的孤立电网、微电网、海岛电网等缺乏支柱性电源的区域，可以研究适当配置中小型抽水蓄能电站；二是，对于分布式可再生能源发展较多，电力系统需求空间较大的区域，可选择研究布局开发条件较好的中小型独立或混合式抽水蓄能电站；支持其他综合利用项目的中小型抽水蓄能电站研究。

3.2 发展建议

(1)中小型抽水蓄能电站可以与新能源、常规电源、水利设施等组成联营体，创新投融资模式，拓宽资金来源，共同投资联合运营，调动中小型企业参与投资的积极性。针对项目综合利用特点，分别制定合理的运营策略，在满足系统需求条件的前提下，提升开发经济性。

(2)统筹考虑电力系统结构性矛盾突出的小电网、孤立电网、微电网、海岛电网、大电网边缘区域等特殊电网需求，进一步调查中小型抽水蓄能站点资源。对建设条件好，具备市场竞争力的中小型抽水蓄能电站，纳入选点规划，统一综合比选，避免盲目投资挤占区域内抽水蓄能电站的需求空间，防止资源浪费，保证电力系统的整体经济性。

(3)中小型抽水蓄能电站的投资普遍高于大型抽水蓄能电站，在有需求空间并且开发经济性较好的情况下，可研究探索将中小型抽水蓄能电站定位于新型储能行业的可能性和可行性，沿用新型储能设施相关政策，在电价、税收、发电优先权上享受同等优惠。

(4)在孤立电网、微电网、海岛电网等以中小型抽水蓄能电站作为综合供能体系、分布式互补开发系统和小型绿色综合示范中支撑电源的区域，应促进多元利用项目的联合发展、优势互补，保证基础设施集中配置，发展政策和支持机制相互协调，形成政策合力，提升补贴和扶持资金的使用效率。同时，建立示范试点项目的投资运行反馈机制，适时分析多元综合应用的运行效果及存在问题，研究合理的推广模式和配套措施。