国内外抽水蓄能机组技术发展比较分析研究

丁军锋+卢从义+葛光男

摘 要：抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能和维护电网安全稳定运行的功能，将成为我国电力系统不可或缺的调节工具。本文分析比较了当前国内外常规抽水蓄能机组和海水抽水蓄能机组技术的研究现状和发展脉络，并对未来技术的发展趋势进行了预测。

关键词：国内外，常规抽水蓄能，海水抽水蓄能，技术，比较

1、引言

随着我国电力系统容量的不断增长，电力负荷的日变动量（峰谷差）也在不断加大【1】。抽水蓄能机组利用电网低谷时的电量扬水蓄能，到电网高峰时放水发电，以其调峰填谷的独特运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能和维护电网安全稳定运行的功能，将成为我国电力系统有效的、不可或缺的调节工具。

英国、美国、日本等国家电源构成中调峰性能优越的天然气发电机组比重分别达到33%、22%和25%，但抽水蓄能电站仍然占有相当比重。美国抽水蓄能机组占全国装机的比重超过2%，英、法等国均超过4%，日本超过10%【2】。

与欧美、日本等发达国家相比，我国抽水蓄能电站建设起步较晚。20世纪90年代才开始进入快速发展期【3】。截止2015年底，全国抽水蓄能电站投产规模达到 2303万kW，约占全国发电装机总容量的1.51 %，约占世界抽水蓄能电站总规模的16.21 %左右。“十三五”期间我国将建设长龙山、阳江、文登、天池、金寨、沂蒙等多个抽水蓄能项目（见表1），预计2020年将达到6000万kW以上。

表1 截止到2016年4月，我国抽水蓄能电站装机容量详表（包括在建）

2、常规抽水蓄能机组技术发展

2000年以前，我国常规抽水蓄能电站主机设备几乎全部进口。2003年国家发改委决定，通过技贸结合的方式，引进抽水蓄能电站机组设计和制造技术。响水涧抽水蓄能项目是我国打捆招标后的第一个国产化蓄能机组。目前我国抽水蓄能发电电动机最大容量已经达到300MW以上，转速可以达到500转。

抽水蓄能电站的主要发电设备为发电电动机，与常规的水轮发电机相比，具有双向旋转、频繁启停、机组的过渡过程复杂、存在多种运行工况运行和负荷陡增等技术特点【4】。

在结构方面，国内大容量发电电动机的结构有悬式结构和半伞式结构，在国内投运的抽水蓄能电站几乎是各占一半【5】。从已经投运的抽水蓄能电站运行维护的实践看，转速为500r/min的多采用悬式，转速为300r/min的多采用半伞式。

在冷却方面，由于抽水蓄能机组的转速高，负荷变化频繁变化，绝缘迅速老化、脱壳、寿命降低，会影响电机运行的可靠性。采用蒸发冷却技术，电机定子温升分布相当均匀，而且轴向高度高，更有利于自循环蒸冷系统的循环，对冷却效果起到更有利的作用。同时，能够解决绝缘和临界转速的问题【1】。

当前，国外运行的最大容量抽水蓄能发电电动机和可变速发电电动机均在日本葛野川电站。机组单机容量412MW，500转/分速度，包括2台常规机组和2台变速机组【6】。未来，抽水蓄能电站的发展趋势是大容量、高水头和高比速。机组的机械（转子飞逸与起停机疲劳等）和发热等问题将成为未来研究的热点【7】。

3、海水抽水蓄能机组技术发展

海水抽水蓄能系统是指在传统抽水蓄能系统的基础上利用海水作为工质的新型抽水蓄能形式。1991年，日本的KANEDA等【8】在专利中提出了利用海水抽水蓄能的电站。1999 年世界上第一座也是目前唯一一座海水抽水蓄能示范性电站——日本冲绳海水抽水蓄能电站投入运行【9】，该电站最大输出功率为30MW，有效水头为136 m，最大流量为26m3/s，其高位水库建在距離海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水库直接利用大海。通过5年的试运行证实了海水抽水蓄能系统的可靠性、经济性和调峰调频的可能性，为之后建设大容量、高水头的海水抽水蓄能电站奠定了技术实践基础【10】。

国内关于海水抽水蓄能的研究并不多见。香港理工大学的MA等【11】对在香港某岛屿上建立太阳能光伏发电和海水抽水蓄能耦合的混合系统进行了理论研究。此外，MA等【12】还对在该岛屿上建立风能太阳能-海水抽水蓄能联合发电的混合系统进行了理论研究。文中通过对混合系统建模，并结合其运行策略，对系统进行了基于小时负荷的仿真分析，结果表明海水抽水蓄能系统能够弥补风能发电和太阳能光伏发电不稳定的特性。

发展海水抽水蓄能在我国有资源利用可行性。海水抽蓄电站的研究和建设在我国尚处于起步阶段，在借鉴日本冲绳海水抽蓄电站的建设和运行经验的基础上，应综合考虑地理位置、水头、地形地质、环境影响等因素以降低投资成本，探寻适合我国沿海地区的海水抽水蓄能发展模式，建立全面的效益评估指标体系，最大限度地保障海水抽水蓄能电站的技术和经济可行性。

参考文献：

[1]顾国彪等，蒸发冷却技术的发展、应用和展望[J]，电工技术学报，2015，30（11）

[2]王楠，我国抽水蓄能电站发展现状与前景分析[J]，电力技术经济，2008，20（2）

[3]晏志勇等，我国抽水蓄能电站发展历程及前景展望，水力发电，2004，30（12）

[4]赵政，抽水蓄能电站发电电动机国产化[J]，大电机技术[J]，2010（01）

[5]何铮等，从天荒坪抽水蓄能电站到仙居抽水蓄能电站看发电电动机结构设计问题，抽水蓄能电站工程建设文集，2015

[6]戴庆忠，日本抽水蓄能机组技术发展近况[J]，东方电气评论，2008年04期

[7]顾国彪等，蒸发冷却技术在水轮发电机领域的应用和发展[J]，中国电机工程学报，2014，34（29）

[8]KANEDA Takeshi， YONEYAMA Naoto. Sea-water pumped-storage power station： JP 1991089819[P]. 1991-04-15.

[9]刘布谷. 世界上首座海水抽水蓄能电站上库的设计与施工[J]. 水利水电快报， 2012， 33（11）： 15-17.

[10]石文辉， 查浩， 罗魁， 等. 我国海水抽蓄电站发展初探[J]. 中国能源， 2015（12）： 36-40.

[11]MA T， YANG H， LU L， et al. Pumped storage-based standalone photovoltaic power generation system： Modeling and techno-economic optimization[J]. Applied Energy， 2015， 137： 649-659.

[12]MA T， YANG H， LU L， et al. Technical feasibility study on a standalone hybrid solar-wind system with pumped hydro storage for a remote island in Hong Kong[J]. Renewable Energy， 2014， 69（3）： 7-15.