陜甘青寧電網混合式抽水蓄能電站建設必要性

高蘇杰，欒鳳奎，董 闖，張 娉

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.國家電網公司，北京市 100031；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西省西安市 710065）

陜甘青寧電網混合式抽水蓄能電站建設必要性

高蘇杰1，欒鳳奎2，董 闖3，張 娉3

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.國家電網公司，北京市 100031；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西省西安市 710065）

根據陜甘青寧電網電源結構、風光電出力特點，對陜甘青寧電網新能源大規模開發下面臨的調峰容量不足問題進行了分析，并結合陜甘青寧電網特點，闡述結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站的必要性及優點。

電網；風光電；調峰；混合式抽水蓄能

0 引言

陜甘青寧四?。▍^）風電、光伏等新能源資源豐富，具有我國規劃的千萬千瓦級新能源基地。但由于風電、光伏出力具有很強的隨機性、間歇性和不可控性，無論是本區消納還是遠距離外送，均對調峰有較大的需求。而陜甘青寧待開發的常規水電資源主要集中于黃河干流，目前開發利用程度已較高，后續開發潛力有限；同時根據環保要求泄放發電，在電網中承擔調峰能力受到限制。近年來隨著新能源發電快速發展，調峰需求不斷增加，個別省份出現新能源棄電現象，常規水電已不能滿足電網調峰需求。

基于這一背景，本文論述陜甘青寧電網混合式抽水蓄能電站建設的必要性。

1 電源結構及特點

1.1 電源結構

陜甘青寧電網為全國六大跨省電網之一，現已覆蓋了陜甘青寧四?。▍^）的經濟較發達地區，電網東起晉陜邊界，西至青海的格爾木，西北到甘肅的敦煌，東北達寧夏全境，南部延伸到了川陜和川甘邊界，東西直線長約1400km，南北寬度約900km。西安、蘭州、西寧、銀川等地區是電網的負荷中心和電網核心。

陜甘青寧電網的電源布局現狀是：東部陜西、寧夏以火電為主，西部青海以水電和太陽能發電為主，甘肅以水電和風電為主，寧夏擁有一定比例的風電。這種布局與陜甘青寧四?。▍^）的能源資源分布是密切相關的，是在四?。▍^）范圍內進行資源優化配置的體現。

陜甘青寧電網作為一個整體（見圖1），多年來一直維持水火互補運行的局面，但近年來隨著風電、光電等新能源的快速發展，水火電比重明顯降低。2015年陜甘青寧電網電力系統總裝機容量13493萬kW，其中火電7265萬kW，占53.8%，水電2337萬kW，占17.3%，風電2290萬kW，占17.0%，太陽能發電1601萬kW，占11.9%，且出現個別省份因調峰容量不足，導致新能源棄電量較高。

圖1 陜甘青寧電網電源結構現狀示意圖Fig.1 Present Power Supply Structure of Shaan-gan-qingning Power Grid

圖2 2025年陜甘青寧電網電源結構示意圖Fig.2 Power Supply Structure of Shaan-gan-qing-ning Power Grid in 2025

根據相關規劃，2025年陜甘青寧電網電力系統（見圖2）總裝機容量27803萬kW，其中火電11023萬kW，占40%，水電3292萬kW，占12%，風電5816萬kW，占21%，太陽能發電7672萬kW，占27%。四?。▍^）新能源比重進一步增加，且太陽能發電裝機容量已略大于風電。

陜甘青寧電網作為一個整體，多年來形成了多種能源互補運行、省際電力電量互相備用、相互調劑的優勢。隨著陜甘青寧電網新能源比重的逐步增加，水火電比重逐步減小，傳統水火互補的局面已被打破，局部地區電網調峰存在困難。為分析陜甘青寧調峰問題，有必要分析陜甘青寧電網風、光電發電出力特性。

1.2 風、光電發電出力特性

1.2.1 出力-保證率-電量累積曲線

分析不同出力對應的保證率及發電量，分析不同出力段相應電量及占設計年發電量比例，為合理確定上網容量提供依據。

根據陜甘青寧各省區同時刻同類型電源的發電代表出力過程疊加后的出力過程統計分析得到陜甘青寧風電出力電量累積特性，各省區及四省區累積電量95%時的出力標幺值見表1。

表1 陜甘青寧四?。▍^）風電、光電累積電量95%時出力標幺值表Tab.1 Characteristics of wind power and photoelectric output in Shaan-gan-qing-ning Power Grid

從表可見，各?。▍^）風電、光電95%累積電量的出力標幺值均高于四?。▍^），說明各?。▍^）風電、光電的出力具有一定的互補性。

考慮各省區風電出力互補必須基于網架送出能力不受限制、調度不受?。▍^）間限制、電價政策配套等要求，故風電暫以規模較大的甘肅省特性為主，光電以規模較大的青海特性為主，四?。▍^）風電、光電95%累積電量的出力標幺值分別為0.5、0.6。風電、光電出力-保證率-電量累積曲線見圖3和圖4。

1.2.2 出力變率

由于風能、太陽能資源的波動性及間歇性，大規模風（光）電接入電網后，需要電力系統有快速反應容量，滿足電網安全穩定要求，因此需要分析風（光）電場的出力變率。

風（光）電場出力變率指風（光）電場當前出力與前一時刻出力的差值占風（光）電站裝機容量的比例，它反映了風（光）電場出力的波動性大小和出現的頻率。

圖3 甘肅電網風電規劃規模出力-保證率-電量累積曲線Fig.3 Output - Guaranteed Rate - Electricity Accumulation Curve of wind power in Gansu Power Grid

圖4 青海電網光電規劃規模出力-保證率-電量累積曲線Fig.4 Output - Guaranteed Rate - Electricity Accumulation Curve of photoelectric in Gansu Power Grid

本次收集到風、光電場1min運行資料，出力變化統計成果見表2和表3。

表2 標桿風機等效201MW容量1min瞬時出力變化統計表Tab.2 1min instantaneous output change statistics of wind power

可以看出，風電場分鐘級出力變化強烈，變幅在10%以內（±20MW）的概率和為99.93%。光電場分鐘級出力變化強烈且變幅在10%以內（±10MW）的概率和為99.07%。當大規模風光電并網時，為保證電網系統運行的安全性、可靠性和穩定性，需要系統具有較強的負荷跟蹤能力。

表3 光電場100MW容量1min瞬時出力變化統計表Tab.3 1min instantaneous output change statistics of photoelectric

2 調峰容量平衡分析

2.1 負荷預測及特性

目前，各省區基本完成電力“十三五”規劃，考慮經濟新常態下各省區對電力的需求，結合各省區相關規劃成果，及陜甘青寧各省區負荷情況，預測陜甘青寧電網2025年全社會用電量為7345億kWh，增長率為5.10%；全社會最大負荷為11573萬kW，增長率5.68%。

根據陜甘青寧各?。▍^）近年電網歷史負荷特性，并考慮了規劃水平年負荷結構調整、負荷發展速度等因素，綜合各省區負荷特性曲線，得到陜甘青寧電網年負荷曲線、典型日負荷特性曲線。陜甘青寧電網設計水平年年負荷曲線見圖5，設計水平年冬季、夏季典型日負荷曲線見圖6。

陜甘青寧電網最大負荷發生在12月份，夏季典型日最大負荷發生在21點，冬季典型日最大負荷發生在19點，夏季最小負荷發生在凌晨5點，冬季最小負荷發生在凌晨4點。陜甘青寧電網2025年夏季典型日最小負荷率為0.772，冬季典型日最小負荷率為0.784。

圖5 陜甘青寧電網年負荷曲線圖Fig.5 Annual Load Curve of Shaan-gan-qing-ning Power Grid

圖6 陜甘青寧電網夏季、冬季典型日負荷曲線圖Fig.6 Typical daily load curve of summer and winter in Shaan-gan-qing-ning Power Grid

2.2 調峰容量平衡原則

（1）計算水平年選2025年，選擇冬季（12月）和夏季（7月）分別進行調峰計算。

（2）調峰平衡分析主要針對平水年進行。

（3）調峰控制時段：陜甘青寧電網考慮夏季13點風電、光伏發電較大時調峰最嚴峻，光伏發電出力按裝機容量的60%，風電按裝機容量的50%；冬季為16點。

（4）系統負荷備用容量按系統最大負荷的3%計；系統事故備用容量按系統最大負荷的10%計；熱備用按事故備用的一半考慮，熱備用容量一般不小于系統中最大一臺機組的容量；旋轉備用容量取最高負荷的8%。

（5）常規水電的調峰能力：由預想出力、平均發電出力扣除基荷出力決定。

（6）火電調峰能力：夏季35%，冬季30%。光熱電站調峰率暫考慮與火電一致。

（7）系統最大開機容量應大于或等于日最大發電負荷與旋轉備用容量之和，日最大開機容量所能達到的最小技術出力必須小于或等于當日最低負荷。

（8）龍羊峽以上河段的瑪爾擋、爾多、班多、羊曲電站4～6月有生態調度要求，其他時間調峰需要下泄基荷流量。

2.3 調峰平衡計算結果

根據以上原則與方法，陜甘青寧電網調峰平衡結果見表4。2025年7月及12月典型日運行方式見圖7。

表4 陜甘青寧電網調峰平衡結果Tab.4 Peak Load Balancing Results of Shaan-gan-qing-ning Power Grid

續表

3 結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站的必要性

3.1 滿足新能源大規模開發對調蓄容量的需要

由于風光電出力不穩定、間歇性等特點，大規模的風光電并網，對電力系統的安全、節能、經濟運行等方面提出了新要求。為保證電網系統運行的安全性、可靠性和穩定性，需要系統具有較強的負荷跟蹤能力，響應分鐘級或小時級的負荷波動，這就要求擁有一定比例的啟停迅速、跟蹤負荷速度快的機組容量。

近年來陜甘青寧電網隨著風電、光電等新能源的快速發展，水火電比重明顯降低，如2015年水電占比為17.3%、2025年僅占12%，傳統水火互補的局面已被打破，局部地區電網調峰存在困難。從調峰容量平衡成果可以看出，2025年陜甘青寧電網調峰容量缺額為605萬～786萬kW，需新建設一批調峰電源。

鑒于目前陜甘青寧常規水電開發后勁不足及火電受到的環保壓力，陜甘青寧電網可能增加調峰電源選擇主要有抽水蓄能電站及其他儲能形式。其他儲能形勢主要有壓縮空氣儲能、鈉硫電池儲能、流體電池儲能、鋰離子電池儲能和飛輪儲能等，但目前尚不具備大規模儲能的技術條件。因此，建設抽水蓄能電站將是必然的選擇。

新建獨立的純抽水蓄能電站，往往由于站點資源條件、項目前期進展等因素影響，建設周期較長。目前陜甘青寧電網規劃的幾個抽水蓄能電站，除陜西鎮安于2016年8月5日開工建設，玉門、肅南、牛首山進展緩慢。

在陜甘青寧地區，特別是黃河上游，結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，可以充分發揮已有水電站的水庫和抽水蓄能的運行特點，充分實現抽水蓄能與風電、太陽能等新能源運行的互補性，利用抽水蓄能電站的儲能特性，平滑風電、太陽能發電出力，減小其隨機性、波動性，平衡風電發電量的不均衡性、參加電網運行調頻，減少風電等新能源對電力系統的沖擊，保障電力系統的安全穩定運行，減少煤電機組的旋轉備用容量，降低系統煤耗。還可作為交直流混合電網的電源支撐，保證特高壓輸送電力的穩定性，減少線路功率大幅波動，提高特高壓輸送線路的經濟性。

圖7 2025年7、12月典型日運行方式圖Fig.7 Operation mode of Typical day in July and December 2025

綜上，隨著陜甘青寧電網風電、光電并網規模不斷加大，加之常規水電資源大部分已得到開發，后勁不足，僅靠常規水電和火電調峰已難以滿足風電、光電快速發展對調峰的要求。目前，甘肅、等地已經出現因為電網調峰能力不足而制約風電消納的情況，今后更大規模的風電、光電并網對電網調峰能力的要求將更高。因此，在這些地區結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站對于網內消納或打捆外送新能源都變得十分必要。

3.2 充分利用現有水電站站址資源

陜甘青寧地區黃河干流段茨哈峽以下已建、在建、規劃有茨哈峽、班多、羊曲、龍羊峽、拉西瓦、尼那、山坪、李家峽、直崗拉卡、康揚、公伯峽、蘇只、黃豐、積石峽、大河家、中川、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、大峽、小峽、烏金峽等多個梯級水電站。

而陜甘青寧地區抽水蓄能的站址資源較缺，一方面，有山有水的地方大部分被劃為自然保護區或生態保護區；另一方面，很多站址資源遠離負荷中心，交通不便、海拔較高；另外，地區礦產資源豐富，區域地質構造復雜，也增加了抽水蓄能選點的難度。

在陜甘青寧地區已建及規劃水電站中，部分水電站可以通過改建或擴建，加裝抽水蓄能機組，形成混合式抽水蓄能電站。將這些具備條件的水電站與抽水蓄能結合開發，可以充分利用水電站的站點資源，解決部分區域抽水蓄能電站站點資源少、站點條件差的問題，減輕土地、水庫淹沒、生態環境保護等一系列問題對新開發抽水蓄能的影響。

3.3 水庫淹沒生態環境影響小

新建抽水蓄能電站，上、下水庫及樞紐工程等需要占用大量的土地資源，導致征地及水庫移民安置的困難；特別是西北地區自然條件差，耕地匱乏，生態脆弱，安置容量有限，少數民族移民比重大，移民安置難度更大。

而結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，由于共用水庫，可以減少水庫淹沒，減輕移民安置難度；如果結合已建常規水電，只需增建進/出水口、輸水系統等，減少施工影響，不新增淹沒移民，大大降低對生態及社會環境的改變，社會壓力較小。

常規水電站只有發電功能，水流是單向性的，只能從上游流向下游，限制了河流水生動物在原有天然狀態下的上下流動習性。常規水電站組建可逆機組或抽水泵后，使得水生動物上下迴游成了可能。

總之，結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站有利于生態環境保護，在目前環保要求越來越高的現狀下，將是較好的選擇。

3.4 減少工程投資及運維費用

結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，主要通過常規水電站加裝可逆機組或加裝水泵代替可逆機組實現，只需增建進/出水口、輸水系統和電站廠房等，節省了壩體、水庫及淹沒賠償等投資。

另外，還可以利用常規水電站現有地質資料和施工記錄，縮短勘測、設計、審批周期，建設工期的縮短可減少融資成本。

抽蓄電站完工后，還可以利用常規水電站的輸變電系統，減小送出工程投資；抽水蓄能電站還可以吸收部分已建常規電站的運行、維護和管理人才，從而大大降低運行維護費用。

綜上，結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，可以縮短建設工期，減小工程投資，降低運維費用。

3.5 增發電量、提高輸電質量

混合式抽水蓄能電站既安裝了常規水電機組，又按照了抽水蓄能機組或蓄能泵，既可以利用自然徑流發電，又可在電網負荷低谷期抽水蓄能[1]?？紤]到常規水電機組發電效率要優于抽水蓄能機組發電工況的效率，發電工況主要由常規水電機組承擔，抽水蓄能機組可以作為電網事故備用容量；汛期水量大當常規機組棄水時，抽水蓄能機組開始發電增加季節性電量。

混合式抽水蓄能電站發電量效益主要體現在增加水量、增加水頭、增加季節性電量和減少棄水，即“三增一減”四項增加發電量效益。

（1）來水量增加帶來的直接增發電量效益；

（2）增加的來水量抬高了發電水頭，降低常規機組的發電耗水率帶來的增發電量效益；

（3）汛期水量大時，抽水蓄能機組參與發電運行，增發季節性電量帶來的增發電量效益；

（4）汛期水量大時，抽水蓄能機組參與發電運行，減少棄水損失帶來的增發電量效益。

結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，還可利用現有水庫的調節性能，實現更長周期的調節，進行周、旬、甚至是月、年調節，更充分地發揮抽水蓄能電站的作用[3]。這樣對電網的調節能力更強，更有利于電網的安全運行和保證電網的輸電質量。

4 結論與建議

4.1 結論

由于風光電出力不穩定、間歇性等特點，隨著陜甘青寧電網風、光電規模不斷加大，為保證電網系統運行的安全性、可靠性和穩定性，需要系統擁有一定比例的啟停迅速、跟蹤負荷速度快的機組容量。從調峰容量平衡成果可以看出，2025年陜甘青寧電網調峰容量有一定缺額，需新建設一批調峰電源。

鑒于目前陜甘青寧常規水電資源大部分已得到開發，后勁不足，僅靠常規水電和火電調峰已難以滿足風電、光電快速發展對調峰的要求?？赡茉黾拥恼{峰電源主要為抽水蓄能電站。新建獨立的純抽水蓄能電站，往往由于站點資源條件、項目前期進展等因素影響，建設周期較長。而結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站，可以縮短建設工期，減小工程投資，降低運維費用，減輕土地、水庫淹沒、生態環境保護等一系列問題，優勢明顯。

從陜甘青寧電網的發展和調峰需求等方面分析，結合常規水電建設混合式抽水蓄能電站是十分必要的。

4.2 建議

在已經完成的全國各區域抽水蓄能電站選點規劃成果中，雖然有少量與水電結合開發的混合式抽水蓄能站點，大量站點均沒有考慮與水電結合開發，原因是多方面的，主要是與原水電站開發任務沖突、關系協調難度大，以及國家相關政策機制不健全等因素有關。因此，建議：

（1）在全國范圍內開展混合式抽水蓄能電站的選點規劃工作，選擇近期工程開展前期勘測設計工作；

（2）在選點規劃的基礎上，結合國家能源規劃和電網規劃，進一步系統論證混合式抽水蓄能電站的開發時序和規模；

（3）開展混合式抽水蓄能電站開發投資、管理及電價等相關政策研究工作；

（4）研究制定混合式抽水蓄能電站與新能源協調發展相關政策；

（5）鼓勵有條件的水電站通過與抽蓄開發相結合，充分發揮水電運行靈活方面的優勢。

[1] 徐珍懋.要重視混合式抽水蓄能電站的開發和改造[A].中國水力發電學會’98抽水蓄能專業委員會學術年會論文集[C].杭州 ：1998，4～8.XU Zhenmao.It Should pay attention to the development and reconstruction of Hybrid Pump-storage Power Station[C].China Hydro Electric Engneering Committee’98 Academic Symposium，Pump-storage Power Station Professional[C].Hangzhou ：1998，23～31.（in Chinese）

[2] 張正平.建設混合式抽水蓄能電站合理性論證及效益分析[A].水電2013大會——中國大壩協會2013學術年會暨第三屆堆石壩國際研討會論文集[C].昆明：2013，150～155.ZHANG Zhengping.Construction of hybrid pumped storage power station rationality demonstration and benefit analysis[A].Hydropower 2013 Conference-China Dams Association 2013 academic annual meeting and the third rockfill dam international symposium [C].Kunming ： 2013，150 ～ 155.

[3] 黃小鋒等.白山混合式抽水蓄能電站水庫調度效率分析[J].水力發電學報，2010，29（2）：145～148，162.HUANG Xiaofeng.Analysis on reservoir operation efficiency of Baishan hybrid pumped storage power station[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2010，29（2）：145～148，162.

2017-02-15

2017-05-20

高蘇杰（1961—），教授級高工，國網新源控股有限公司黨委委員、副總經理，中國水力發電工程學會信息化專委會副主任委員，中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會委員，主要研究方向：抽水蓄能領域前期規劃、基建施工、運維檢修、科技創新、信息化建設等。

欒鳳奎（1978—），男，山東人，高級工程師，主要研究方向：水電工程規劃和建設管理。E-mail：luanfengkui@126.com

董 闖（1985—），男，安徽人，助理工程師，主要研究方向：水能經濟設計工作。E-mail：dongchuang507@163.com

張 娉（1974—），女，陜西人，全國注冊咨詢工程師（投資）、教授級高級工程師，主要研究方向：能源規劃、水利水電工程、風電光電工程規劃設計與研究工作。E-mail：367047510@qq.com

On Necessity of Building Mixed Pumped Storage Power Station in Shaan-gan-qing-ning Power Grid Based on Large Scale New Energy Development

GAO Sujie1，LUAN Fengkui2，DONG Chuang3，ZHANG Ping3
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761，China ；2.State Grid Corporation of China，Beijijng 100031，China；3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China）

Significant wind power and photovoltaic power integrated in power system changes the conventional operation patterns due to their variability and uncertainty.The features of power sources structure and the characteristics of wind power and photovoltaic power，and power peak demand in Shaan-gan-qing-ning power grid are analyzed.In view of the characteristics of Shaan-gan-qingning power grid，research results show that mixed pumped storage power stations with hydro power station developed or developing would be necessary，and have several advantages.

power grid;wind and photovoltaic power;mixed pumped storage;peak load regulation

TK71

A學科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.003

國網新源控股有限公司科技項目（52570015007J）。