混合蓄能水电站的电能储存及应用研究

刘冀东

（河北华电混合蓄能水电有限公司，河北 石家庄 050224）

能源问题是当今世界所面临的重大挑战之一。同时，随着“双碳”目标的提出，推动能源转型和清洁能源开发已经成为全球的共识和行动方向。我国作为能源生产与消费大国，既有节能减排的需求，又有能源支撑经济发展的需求，因此要大力发展储能产业，推动以新能源为主体的新型电力系统的建设。抽水蓄能是电力系统最可靠、最经济、寿命周期最长、容量最大的储能装置。因此，研究混合式抽水蓄能水电站的电能储存及应用，探索其在能源转型和双碳目标实现中的作用和意义，对于加速推动清洁能源发展，促进可持续发展具有重要的理论和实践价值。

1 电能储存的分类及技术特点

1.1 电能储存的分类

由于电能本身无法在自由空间中稳定存在，它必须依靠导体或储存介质等物质载体进行传输和储存。因此，若要将电能储存起来，就需要将电能转化为其它形式能进行储存，并在需要时将其转化为电能输出。

根据能量存储方式不同，电能储存可以分为机械储能、电化学储能、电磁储能三种方式。其中机械储能包括飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能等；电化学储能包括锂离子电池、钠离子电池、铅酸蓄电池等；电磁储能包括超级电容器、超导电磁储能等。其中最成熟的是抽水蓄能和铅蓄电池技术。

1.2 电能储存的技术特点

机械储能：（1）飞轮储能。快速响应、高效率、长寿命和可靠性高，但成本较高且体积较大。（2）压缩空气储能。储存密度较高，适合大规模储能，但存在能量损失、压缩和储存成本高等问题。（3）抽水蓄能。具有电力输出清洁高效、使用寿命长、响应快和能灵活可靠的优点，但需要具备特定的地形和水源条件。机械蓄能技术是世界上应用最广泛的储能技术，其中的抽水蓄能又占据主导地位。

电化学储能：（1）锂离子电池。具有高能量密度、长寿命、低自放电率和良好的环境适应性，适用于电动汽车、智能手机等移动设备和家庭储能系统等领域。但其存在安全隐患和环境污染的问题。（2）钠离子电池。具有低成本、可再生性和高安全性等优点，适用于大规模储能领域。（3）铅酸蓄电池。成本较低、可靠性高，适用于应急电源、太阳能和风能等分布式储能系统。

电磁储能：（1）超级电容器。充放电速度快、寿命长、安全性高，适用于瞬态功率输出和能量回收等领域。（2）超导电磁储能。具有高能量密度和较长的寿命，适用于高速列车、磁悬浮列车等领域，但需要低温环境和高昂的制造成本。

不同类型的电能储存技术在储能效率、储能容量、储能成本、循环寿命、安全性等方面存在差异，需要根据具体应用场景和需求来选择。若能将两种或三种储能技术相结合，可以在满足电能需求的同时，提高储能效率和储能密度，实现节能减排和资源利用的最大化。

2 混合蓄能水电站的组成及其储能原理分析

2.1 混合抽水蓄能水电站的组成

混合抽水蓄能水电站是一种利用机械能进行储能的系统。它由上水库、下水库、涵洞、导流洞、抽水机组、水轮发电机组和变电站等组成。下面分别介绍这些组成部分的作用。

上水库：位于高水位，用于储存从下游抽上来的水。当用电负荷较高时，上水库中的水释放，水流导入到下游的水轮发电机中，转化为电能供应给电力系统。

下水库：位于低水位，用于储存下游河流、湖泊或海洋等自然水源，以及承接发电机组在发电时回收的水，其规模和水位高度通常要根据电站的发电容量、装机功率和电网负荷情况等多种因素来确定。

涵洞和导流洞：用于控制水流的进出和水位的升降，保证水流的平稳和安全。

抽水机组：在低谷负荷时将下水库中的水抽回到上水库中，提高上水库的水位。抽水机组可以是电动机驱动的泵，也可以是由水流驱动的涡轮泵。

水轮发电机组：水从上水库流入发电机组，推动涡轮旋转发电。这个过程也可以通过控制水的流量、水头和水轮发电机的转速，调节发电功率的大小。

变电站：将发电机组产生的电能升压并送入电网，提供电能给用户使用。

2.2 混合抽水蓄能水电站的储能原理

抽水蓄能水电站是一种结合水力发电和抽水蓄能技术的水电站。它利用两个或多个高度不同的水库之间的高度差，在用电低谷时，将水从下水库抽升到上水库，电能以水能方式存储，在电力负荷高峰期通过放水将水的势能转化为电能发电。这种增减配合的操作，可以很好地实现电力系统的调峰填谷、备调频和调相等功能。混合式抽水蓄能电站与纯抽水蓄能电站的区别是其上库有天然径流来水，这部分水源可以不经过水泵抽水，更加节省能源。

与火电相比，抽水蓄能机组的负荷调整灵活性更高，启停和承载负荷的速度更快更灵活，能够适应电力系统负荷急剧增加和降低的变化，从而提高电力系统的稳定性。此外，混合式抽水蓄能水电站还可以使用其他的可再生能源，例如，风力、太阳能等来辅助抽水，从而增加储能能力和电力产生量。当这些可再生能源的产生量超过需求时，可以将多余的能量能转换为电能用来抽水并储存，起到电力系统的稳定器、调节器和平衡器的作用。

3 混合蓄能水电站电能储存系统设计与分析

3.1 混合蓄能水电站的设计参数

设计混合蓄能水电站的储能系统，需要考虑多方面的技术参数。

（1）蓄能池容量。蓄能池的容量决定了能够蓄存的水量，影响系统的蓄能能力和输出功率。（2）抽水蓄能池和发电水库的高度差。高度差决定了系统能够蓄储的能量值，也决定了系统的输出功率和效率。（3）抽水蓄能池和发电水库的水位。水位决定了系统的蓄能和发电能力，也直接影响系统的输出功率和效率。（4）储水、引水和排水管道的设计参数。管道的长度、直径、材质、坡度等参数决定了水的输送速度和输送能力，影响系统的运行效率和经济性。（5）发电机容量。发电机的容量决定了水电站的发电能力，需要根据系统的总容量和预计的负荷需求来确定。（6）水轮机的类型和参数。水轮机的类型和参数决定了水的流速和流量转换成机械能的效率，影响系统的发电效率和经济性。（7）抽水泵的类型和参数。抽水泵的类型和参数决定了抽水能力和消耗的电能，需要根据系统的总容量和预计的负荷需求来确定。（8）控制系统的设计参数。控制系统包括自动化控制、调度和监测等系统，需要根据水电站的特点和要求进行合理的设计。（9）安全防护系统的设计参数。水电站需要设计合理的安全防护系统，包括溢洪道、安全阀、泄洪设施、水位监测等系统，确保水电站的安全运行。

3.2 混合蓄能水电站系统分析

混合蓄能技术是将两种或以上的蓄能方式结合在一起，可以兼具几种技术的优点，实现更高效、更可靠的电能储存方式，同时也能够解决单一蓄能方式存在的问题。目前，我国已经将抽水蓄能技术与风电、光伏等新能源技术并网应用。在系统设计前，需要从下面几个方面进行分析。

（1）储能容量分析。混合蓄能水电站的储能容量取决于上池和下池的水位差以及两个水库的储水量。因此，在设计水电站时，需要根据当地的水资源、地形地貌等因素进行综合分析。

（2）系统效率分析。包括能量转换效率和能量储存效率。能量转换效率主要是指水从上池流入水轮发电机组时能量的转换效率，而能量储存效率主要是指抽水机组抽水时的效率。系统效率的高低直接影响水电站的经济性和环保性，需要进行系统效率分析，以优化水电站的设计和运行。

（3）调度策略分析。指如何根据电网负荷的变化，合理利用水能进行发电。调度策略的优劣直接影响水电站的经济性和稳定性，因此需要制定科学合理的调度策略，提高混合蓄能水电站的经济效益和稳定性。

（4）可行性分析。混合蓄能水电站的建设需要投入大量的资金和人力物力，因此，需要进行可行性分析，评估水电站的经济、技术和环境可行性。可行性分析的结果将直接影响水电站的建设和运行。

4 混合蓄能水电站的应用研究

目前，混合蓄能水电站已经广泛应用于各个领域，如工业生产、城市供电、新能源储备等。在工业生产中，混合蓄能水电站可以提供可靠的电能支持，保证工业生产的正常运转；在城市供电中，混合蓄能水电站可以提供可靠的调峰和备用电源，保证城市的供电稳定性；在新能源储备中，混合蓄能水电站可以作为新能源的补偿和调峰设备，保证新能源的可持续发展。下面将分别介绍我国最早的、规模最大的、即将建设的三座抽水蓄能水电站。

4.1 岗南水电站

岗南水电站位于河北平山县，建成于1968 年，是我国第一座混合式抽水蓄能水电站。它充分利用了岗南水库的水资源，安装了一台容量为1.1 万千瓦的抽水蓄能机组，在冀南电网中起调峰作用，弥补了火电调峰响应慢、不经济、不环保等问题。岗南水电站虽然装机规模不大，但却开启了国内抽水蓄能电站的先河，为我国抽水蓄能水电站的建设积累了宝贵经验。

4.2 丰宁抽水蓄能电站

丰宁抽水蓄能水电站位于河北省承德市丰宁县，拥有12 台抽水蓄能发电机组，总装机容量为360 万千瓦，是当前世界规模最大的抽水蓄能电站，创造了“装机容量世界第一，储能能力世界第一，地下厂房规模世界第一，地下洞室群规模世界第一”四个第一。丰宁电站和十三陵等先期建设的抽水蓄能电站及其他调峰电源一共解决京津及冀北电网调峰能力不足、调节风电负荷等问题系统的调频调相备用等任务。每年为我国节约48 万吨标准煤，减少CO2排放120 万吨，助力华北地区清洁能源的低碳转型。2021 年12 月30 日，丰宁抽水蓄能电站首批两台机组正式投产发电。接入了张北柔直电网和华北500 千伏电网，为2022 年北京冬奥会场馆提供了60 万千瓦的电力保障，助力绿色奥运。

4.3 两河口混合式抽水蓄能电站

由于风光等新能源发电的不稳定性，需要电力系统有大量调节电源。抽水蓄能与风电、光伏发电完美配合。在四川雅砻江两河口水电站周边，有超过2000 万千瓦的光伏、风能资源，要实现大规模开发，就要建设更多具备调节能力的储能电源。于是，两河口混合式抽水蓄能电站应运而生。2022 年12 月29 日，项目正式开工建设，电站依托两河口水电站水库为上库，下游衔接牙根水电站水库为下库，扩建可逆式机组，形成两河口混合式抽水蓄能电站，厂址海拔3000m，拟安装4 台30 万千瓦的可逆式抽蓄机组（兼有水力发电与抽水功能）加上已建成的300 万千瓦的水电常规机组，总装机可达420 万千瓦。建成后，将成为全球最大的混合式抽水蓄能项目，这个超级“充电宝”可以消纳700 万千瓦的风、光新能源，将为保障电力系统的安全运行，促进新能源发展做出重要贡献。

5 结语

混合蓄能水电站是一种具有高效、环保、稳定、可持续等特点的水电站，对水电站的设计与建设、调度与控制、电能储存等的研究已经逐步完善，具有广阔的应用前景和经济效益。随着新能源的快速发展和电力系统的智能化建设，混合蓄能水电站作为电力系统的重要组成部分，将发挥更大的作用。

未来，混合蓄能水电站在节能减排、新能源储备、能源安全等方面的应用将越来越深入。混合蓄能水电站需进一步完善其技术和应用模式，更好地适应不同的应用场景和需求。同时，还要加强与其他分布式能源的协同，将水风光蓄一体化的应用场景逐步打开，形成资源互补和优化控制，进一步提高电力系统的能源利用效率和经济性，以满足不断增长的电能需求和环境保护的要求。