抽水蓄能电站容量配置的优化设计因素与效益分析

林芳名，陈 鹏

(1.国网新源公司丰满培训中心，吉林 吉林 132108；2.国网新源公司牡丹江抽水蓄能电站，黑龙江 牡丹江 157000)

如今人们意识到全球气候变化对人类生存构成重大威胁，越来越多的国家提出了无碳未来的愿景，清洁低碳能源成为未来能源利用的主体。我国水能资源极大丰富，可开发的水能3.79亿kW，但我国从20世纪60年代后期才开始研究抽水蓄能电站的开发，科技进步与理论研究的成熟使抽水蓄能发展逐步拓展完善最终适应了我国大电网安全稳定运行和新能源发展的要求。未来国家和企业更会积极推进抽水蓄能开发建设，2021年3月国家电网有限公司宣布“十四五”期间，开工建设2000万kW以上装机规模的抽水蓄能电站项目；2021年4月国家能源局在全国新一轮抽水蓄能中长期规划中提出到2025年，抽水蓄能投产总规模达6200万kW以上；预计到2030年，投产总规模达1.2亿kW左右。鉴于容量配置为抽水蓄能电站发展的一项基本要素，本文从多角度分析如何优化抽水蓄能电站容量配置及电力市场如何影响容量配置。

1 影响抽水蓄能电站容量的优化配置因素与效益分析

1.1 抽水蓄能容量的优化配置要考虑与可再生能源消纳能力相匹配

2020年我国提出了“双碳”目标，采用清洁低碳能源不仅是未来能源供应增量的主体也是未来各个国家发展的重要战略。近年来，我国新能源发展迅速，仅2019年新增并网的风电为2574万kW，光伏发电为3011万kW，合计占全国新增装机容量的54.9%。[1]伴随着新能源迅速发展，一些地区的风、光电站由于建设速度过快与配电网规划不协调以及地区市场消纳能力有限等种种原因，进而出现了新的问题即弃风弃光现象严重。如果能将这些弃置的可再生能源多消纳，将提高能源发展质量和效益，促进我国清洁能源行业高质量发展，有助于满足经济社会发展和民生需求。为此抽水蓄能电站在新能源大规模接入电网中扮演了非常重要的角色，抽水蓄能电站的发电机组本身适应性强、电能稳定，作为优质的调节电源还可以在系统中发挥削峰填谷、调频调相和事故备用等重要功能，保障大电网的安全稳定运行、提高供电质量；抽水蓄能电站可以最大限度地实现新能源的消纳，其快速转变的灵活性，可以弥补风电等其他新能源的波动性、随机性和不确定性，突破电网规模对新能源容量的限制，减少新能源涌入电网带来的大冲击，为电网接纳更多新能源打好基础；抽水蓄能电站与特高压输电配合，促进清洁能源大范围输送和跨区跨省消纳，节能减排改善大气环境，为大力发展新能源创造条件。

1.2 抽水蓄能容量的优化配置要考虑与可再生能源技术相联合

(1)风电-抽水蓄能电站联合，提高能源利用率。电力系统最大可接纳风电能力主要受系统调峰容量因素制约，抽水蓄能电站可有效增加系统调峰容量，两者的协调运行能有效减少电网弃风，由此在分配抽水蓄能容量时要配合具有一定装机容量的风电电网。因为用于减少风电弃风的抽水蓄能容量是存在上限的，对于风电容量一定的系统，所需的调峰容量也是一定的，当对抽水蓄能容量的配置超过所需的调峰容量后，系统的调峰约束不再是造成风电弃风的因素，那就要考虑可与之相匹配的对应抽水蓄能容量，两者协调运行使得电网弃风最小，最大效率提高系统的风电接纳能力，提高风电的利用率，显著提高社会效益。

(2)光电-抽水蓄能电站联合，节省环境资源。瑞典公司Ngonyezi Projects早在2020年以前就已经与津巴布韦国家水务局签订了一份名为非消耗性用水的协议，按协议将在马尼卡兰德省奥兹河上安装2000MW·h的抽水蓄能设施和300MW的浮动太阳能光伏电站。水能和太阳能的结合可以弥补在各种天气条件下发电力的不足，将为当地提供持续的电力。该漂浮式光伏项目将铺设太阳能电池板覆盖在蓄水池表面，可节省光伏电站建设消耗的土地资源；依托于浮体架台漂浮在水面上的光伏面板在水的冷却作用下，可比传统的地面集中式电站和屋顶分布式光伏电站获得更多发电量；水面由于面板的覆盖，大量的水体被遮蔽，将抑制藻类的生长和每年减少约2000万m3的蒸发量。那我们由此可得到启发，利用抽水蓄能电站的蓄水库铺设浮动光伏面板建立水面电站，光伏面板依附于水体，可随水体浮动，当抽水或发电时引起的水位上升或下降并不会导致光伏面板折损。

1.3 市场在抽水蓄能容量配置中的作用

(1)通过市场方式鼓励社会资本投资，实现多赢。2015年国家能源局在发布的《关于鼓励社会资本投资水电站的指导意见》中明确了通过市场方式参与资源配置，鼓励通过市场方式配置水电资源和确定项目开发主体，调动社会资本市场的积极性。同时还指出完善社会资本投资的政策措施，要实现社会效益和企业效益双赢，就要充分发挥政府投资引导作用。在政府宏观调控和市场监管共同配合下，完善水电开发政策，创新投融资体制机制并建立利益共享机制。

(2)通过市场方式鼓励多企业合作，实现多赢。抽水蓄能项目的建设要因地制宜，合理布局。因此在建设选址的时候移民安置、环保安全是基础工作，同时要充分考虑资源地利益，在保障水资源开发综合利用效益充分发挥的同时，投资者、地方政府、移民群众也能多方受益。马边彝族自治县的企业合作就是很好的例子，该县拥有丰富的水能资源，全县可开发水能资源有56万kW。当地已建成投产电站13个，装机总容量6.786万kW。在建电站7个，装机总容量8.7万kW。开工准备阶段电站7个，装机总容量23.22万kW。规划阶段电站22个，装机总容量10.544万kW。勘察设计阶段电站4个，装机总容量6.2万kW。该县地处山区，矿产资源丰富尤以磷矿最为丰富，储量24.76亿t。当地政府发挥引导作用，利用水能资源优势，支持推动水电企业与磷化工企业协商签订协议引导电力资源优化配置。

1.4 容量电价对抽水蓄能容量配置的影响

抽水蓄能电站面向市场化运行，不得不涉及成本收益问题，电价的核定机制和容量的分摊方式等制约抽水蓄能行业发展。2021年国家发展改革委员会进一步完善抽水蓄能价格的形成机制，以期最大程度发挥抽水蓄能电站综合效益。在新电厂的容量配置方面，需要参考容量电价这一指标，应该通过市场竞争的方式形成电价。

政府部门或电网企业预测出市场对用电的需求有所增加，而现有电厂又无法满足用电需求时，电厂投资者会根据公布的用电需求情况测算需要增加的装机容量和机组类型，报出将建电厂的容量电价，计算公式为:

D=d/R

(1)

式中,D—容量电价；d—容量电费；R—机组的实际可用容量。

d=K×(Z+C)

(2)

式中，K—比例系数，根据各市场供求关系确定；Z—折旧，按政府价格主管部门确定的计价折旧率核定；C—财务费用，按平均投资成本80%的贷款比例计算确定。

电网公司将与容量电价较低的电厂经营商签订购电合同。签订购电合同后，电厂经营商开始建设电站。通过这种方式，将会规范和制约电厂投资，降低电厂成本造价。

2 实施抽水蓄能电站容量配置的优化设计方法

2.1 以促进能源消纳为首要任务

新能源消纳的责任主体在新能源所在省，每年的消纳任务由能源局下达给各省，抽水蓄能电站总装机容量较大的省份可以更好地完成新能源消纳的任务。在保障自身电网安全的情况下，有富余能力的抽水蓄能电站还可以向区外输送新能源促进消纳。对于未达到消纳指标的省份，继续推动开发可再生能源，同时考虑更大范围内资源优化配置，合理布局抽水蓄能电站建设，实现区域抽水蓄能协调发展。

2.2 以发挥技术联合为最大优势

抽水蓄能电站与风电、光电的联合不但提升电力系统性能，充分发挥水利工程效益也避免了能源损耗、环境容量限制。根据系统中不同装机容量的风电、光电合理规划抽水蓄能电站容量，使可再生能源效益优化到最大。

2.3 以遵守市场机制为基础规范

水电站的投产运行既是一项公益性举措，又兼具市场化运营特性，因此营造一个公平良好的市场竞争环境和投资环境、公正规范的交易方式、出台合理的电价改革机制等政策措施有利于水电站的开发建设，实现资源综合有效利用。

2.4 以利用资源优势为效益手段

我国的实体经济用能量巨大、用能成本相对较高，降低能源成本为降低实体经济企业成本途径之一。对于抽水蓄能电站本身来说，由于受省电力公司调度，公司为减少成本，能不用则尽量不用抽水蓄能电站，一般都把开启电站作为最后调峰措施，使得抽水蓄能电站利用率与最初设计指标相比，相对较低。像马边彝族自治县这种利用当地资源优势，通过推动水电企业与其他产业协商签订协议的方式就可以达到降低实体经济用能成本，同时让各方资源利益共享实现多赢。

3 结论

我国水能资源分布很不均匀，抽水蓄能电站在建设分布上又由于行业的区域竞争格局和企业竞争格局无法实现均匀配置，大型水电项目的规划容量确定在能源消耗容量方面，要考虑与可再生能源技术联合使得效益最大化或是促进可再生能源消纳满足系统调峰的需求；在环境承载容量方面要考虑工程建设的地质条件能否符合环保安全可行性，在企业经济收益方面考虑市场干预手段下项目建设投入资金允许情况等以及最终实现资源利益共享风险共担。