抽水蓄能电站基本知识(1)，抽水蓄能电站原理

摘要：

随着国家经济的高速发展，电网规模越来越大，抽水蓄能电站在电网中的作用与地位日趋显著，已从早期的调峰填谷改善电源品质逐步过渡到电力系统不可或缺的管理工具，得到了水电建设部门与运行管理机构的高度重视。抽水蓄能电站，是一种具有启动快、负荷跟踪迅速和快速反应的特殊电站。本文主要介绍抽水蓄能电站的一些基本知识，包括抽水蓄能电站的工作原理及其功能，适用的电力系统，还有它的静态效益和动态效益，以及电站的特点与组成。

Summary:

With China""s rapid economic development, increasingly large grid, pumped in the increasingly significant role of power and status, has been moved from the earlier peak to improve power quality and gradual transition to an essential aspect of electric power system management tools, get water and electricity construction sector and management body attaches. Pumped storage power station, is a quick startup, load following the rapid and special rapid reaction of power station. This article focuses on some basic knowledge of the pumped storage power station, including the principle and function of pumped-storage power station, for electric power system, as well as its static efficiency and dynamic efficiency, as well as the characteristics and composition of the power station.

一、抽水蓄能电站工作原理

电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高;下半夜大幅度地下跌，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。

抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化时流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点，又是电力用户;并成为电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又有多种从一个工况转到另一工况的运行。

二、抽水蓄能电站的功能

(1) 发电功能 常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供电能，通常的年利用时数较高，一般情况下为3000-5000h。蓄能电站本身不能向电力系统供应电能，它只是将系统中其他电站的低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，存蓄于上水库中，待到电网需要时放水发电。蓄能机组发电的年利用时数一般在800～1000h 之间。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。经过抽水和发电两种环节，它的综合效率为75%左右。

(2) 调峰功能 具有日调节以上功能的常规水电站，通常在夜间负荷低谷时不发电，而将水量储存于水库中，待尖峰负荷时集中发电，即通常所谓带尖峰运行。而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源(包括火电站、核电站和水电站)的多余电能，抽水至上水库储存起来，待尖峰负荷时发电。因此，蓄能电站抽水时相当于一个用电大户，其作用是把日负荷曲线的低谷填平了，即实现"填谷"。"填谷"的作用使火电出力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。

(3) 调频功能 调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。常规水电站和蓄能电站都有调频功能，但在负荷跟踪速度和调频容量变化幅度上蓄能电站更为有利。常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟之内从静止达到满载，增加出力的速度可达每秒1 万kW，并能频繁转换工况。最突出的例子是英国的迪诺威克蓄能电站，其6 台300MW 机组设计能力为每天起动3～6 次;每天工况转换40 次;6 台机处于旋转备用时可在10s达到全厂出力1320MW。

(4) 调相功能 调相运行的目的是为稳定电网电压，包括发出无功的调相运行方式和吸收无功的进相运行方式。常规水电机组的发电机功率因数为0.85～0.9，机组可以降低功率因数运行，多发无功，实现调相功能。抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进行，故其灵活性更大。另外，蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心，故其对稳定系统电压的作用要比常规水电机组更好。

(5) 事故备用功能 有较大库容的常规水电站都有事故备用功能。

(6) 黑启动功能 黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况下迅速起动。

三、抽水蓄能电站适用的电力系统

由于能源在地区分布上的差别，电网的构成也有所不同，大致可分为两类：一类是以火电(包括核电)为主;另一类是以水电为主或水火比例大致相当。根据我国各地区、各电网的具体情况，抽水蓄能电站适用于以下情况：

(1)以火电为主的、没有水电或水电很少的电网。这些电网需要抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频、调相和紧急事故备用。

(2)虽然有水电，但水电的调蓄性能较差的电网。如具有年调节及以上能力的水电站比例较小，枯水期可利用水电进行调峰，汛期水电失去调节能力，若要利用水电调峰，则只能被迫采取弃水调峰方式。在这样的电网，配备了抽水蓄能电站后，可吸收汛期基荷电，将其转化为峰荷电，从而减少或避免汛期弃水，提高经济效益并改善水电汛期运行状况，较大地改善电网的运行条件。

(3)沿海地区的省份，不但火电比例较大，而且还有核电站。如广东已有大亚湾核电站、浙江已有秦山核电站，江苏的连云港核电站正在建设，辽宁、山东、福建等省正在筹建核电站。我国的核电站多是按基荷方式运行设计的，一则是为保证核电机组的安全，再则是为提高利用小时数，降低上网电价。为此，必须有抽水蓄能电站与之配合运行，如广州抽水蓄能电站与大亚湾核电站配合的成功经验。

(4)远距离送电的受电区。如我国“西电东送”工程，西部电源点和东部受电区之间的距离都在1000~2000km甚至 2500km 以上，除保证安全供电外，还应考虑经济效益问题。输电距离远到一定限度后，送基荷将比送峰荷经济，特别是电价改革后，上网峰谷电价差增大，受电区自然要求买便宜的低谷电，但不能解决缺调峰容量的矛盾。如在受电当地自建抽水蓄能电站后，可将低谷电加工成尖峰电，经济效益更好。

|<12>>

摘要：

随着国家经济的高速发展，电网规模越来越大，抽水蓄能电站在电网中的作用与地位日趋显著，已从早期的调峰填谷改善电源品质逐步过渡到电力系统不可或缺的管理工具，得到了水电建设部门与运行管理机构的高度重视。抽水蓄能电站，是一种具有启动快、负荷跟踪迅速和快速反应的特殊电站。本文主要介绍抽水蓄能电站的一些基本知识，包括抽水蓄能电站的工作原理及其功能，适用的电力系统，还有它的静态效益和动态效益，以及电站的特点与组成。

Summary:

With China""s rapid economic development, increasingly large grid, pumped in the increasingly significant role of power and status, has been moved from the earlier peak to improve power quality and gradual transition to an essential aspect of electric power system management tools, get water and electricity construction sector and management body attaches. Pumped storage power station, is a quick startup, load following the rapid and special rapid reaction of power station. This article focuses on some basic knowledge of the pumped storage power station, including the principle and function of pumped-storage power station, for electric power system, as well as its static efficiency and dynamic efficiency, as well as the characteristics and composition of the power station.

一、抽水蓄能电站工作原理

电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高;下半夜大幅度地下跌，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。

抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化时流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点，又是电力用户;并成为电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又有多种从一个工况转到另一工况的运行。

二、抽水蓄能电站的功能

(1) 发电功能 常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供电能，通常的年利用时数较高，一般情况下为3000-5000h。蓄能电站本身不能向电力系统供应电能，它只是将系统中其他电站的低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，存蓄于上水库中，待到电网需要时放水发电。蓄能机组发电的年利用时数一般在800～1000h 之间。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。经过抽水和发电两种环节，它的综合效率为75%左右。

(2) 调峰功能 具有日调节以上功能的常规水电站，通常在夜间负荷低谷时不发电，而将水量储存于水库中，待尖峰负荷时集中发电，即通常所谓带尖峰运行。而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源(包括火电站、核电站和水电站)的多余电能，抽水至上水库储存起来，待尖峰负荷时发电。因此，蓄能电站抽水时相当于一个用电大户，其作用是把日负荷曲线的低谷填平了，即实现"填谷"。"填谷"的作用使火电出力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。

(3) 调频功能 调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。常规水电站和蓄能电站都有调频功能，但在负荷跟踪速度和调频容量变化幅度上蓄能电站更为有利。常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟之内从静止达到满载，增加出力的速度可达每秒1 万kW，并能频繁转换工况。最突出的例子是英国的迪诺威克蓄能电站，其6 台300MW 机组设计能力为每天起动3～6 次;每天工况转换40 次;6 台机处于旋转备用时可在10s达到全厂出力1320MW。

(4) 调相功能 调相运行的目的是为稳定电网电压，包括发出无功的调相运行方式和吸收无功的进相运行方式。常规水电机组的发电机功率因数为0.85～0.9，机组可以降低功率因数运行，多发无功，实现调相功能。抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进行，故其灵活性更大。另外，蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心，故其对稳定系统电压的作用要比常规水电机组更好。

(5) 事故备用功能 有较大库容的常规水电站都有事故备用功能。

(6) 黑启动功能 黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况下迅速起动。

三、抽水蓄能电站适用的电力系统

由于能源在地区分布上的差别，电网的构成也有所不同，大致可分为两类：一类是以火电(包括核电)为主;另一类是以水电为主或水火比例大致相当。根据我国各地区、各电网的具体情况，抽水蓄能电站适用于以下情况：

(1)以火电为主的、没有水电或水电很少的电网。这些电网需要抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频、调相和紧急事故备用。

(2)虽然有水电，但水电的调蓄性能较差的电网。如具有年调节及以上能力的水电站比例较小，枯水期可利用水电进行调峰，汛期水电失去调节能力，若要利用水电调峰，则只能被迫采取弃水调峰方式。在这样的电网，配备了抽水蓄能电站后，可吸收汛期基荷电，将其转化为峰荷电，从而减少或避免汛期弃水，提高经济效益并改善水电汛期运行状况，较大地改善电网的运行条件。

(3)沿海地区的省份，不但火电比例较大，而且还有核电站。如广东已有大亚湾核电站、浙江已有秦山核电站，江苏的连云港核电站正在建设，辽宁、山东、福建等省正在筹建核电站。我国的核电站多是按基荷方式运行设计的，一则是为保证核电机组的安全，再则是为提高利用小时数，降低上网电价。为此，必须有抽水蓄能电站与之配合运行，如广州抽水蓄能电站与大亚湾核电站配合的成功经验。

(4)远距离送电的受电区。如我国“西电东送”工程，西部电源点和东部受电区之间的距离都在1000~2000km甚至 2500km 以上，除保证安全供电外，还应考虑经济效益问题。输电距离远到一定限度后，送基荷将比送峰荷经济，特别是电价改革后，上网峰谷电价差增大，受电区自然要求买便宜的低谷电，但不能解决缺调峰容量的矛盾。如在受电当地自建抽水蓄能电站后，可将低谷电加工成尖峰电，经济效益更好。

|<12>>

(5)风电比例较高或风能资源比较丰富的省(自治区)。这些电网配备了抽水蓄能电站后，可把随机的、质量不高的电量转换为稳定的、高质量的峰荷。

四、抽水蓄能电站静态效益

抽水蓄能电站在电网中由顶峰填谷作用而产生的经济效益，称为静态效益。包括：

(1)容量效益：抽水蓄能电站是调节电网负荷曲线高峰和低谷之间差距的有效措施。负荷高峰时段，它可以作为水电站发电，担负电网尖峰容量;用电低谷时段，则可作为电网用户，吸收低谷电量抽水蓄能，减少负荷峰谷差。因此抽水蓄能电站可减少火电机组的日出力变幅，使其在高效区运行，增加发电量，并使核电和大型火电机组稳定经济运行。抽水蓄能电站一般无防洪、灌溉、航运等综合利用要求，建设成本低。建设周期比常规水电站要短，运行费用比火电站要低。在电网中缺少调峰电源时，建设抽水蓄能电站可减少火电或其它类型电源的装机容量，改变能源结构，减少总的电力建设投资。

(2)能量转换效益：抽水蓄能电站通过能量转换，将成本低的低谷电能转换为价值高的峰荷电能。

(3)节煤效益：抽水蓄能机组的投人，使电网负荷分配得到调整，火电尽量担负基荷和腰荷，从而使火电总平均煤耗下降。

五、抽水蓄能电站的动态效益

抽水蓄能电站具有调峰、调频和调相等作用，还可承担紧急事故备用，保证电网安全、稳定运行。这些动态效益高于其静态效益，主要包括：

(1)调峰效益：抽水蓄能机组因为结构简单，控制方便，可以随需要增加功率或减少功率，因而有效地减轻了火电机组(包括燃气轮机机组)的调峰负担(大型火力发电机组及核电机组不适于变化负荷下运行，并且有最小的出力限制，大型火力发电机组最小技术限制出力为额定出力70%左右，核电机组为80-90%左右)。蓄能机组具有可以随时将其出力调整在额定出力的50 ～105 或更宽大的范围内用以适应电网的负荷需要，如此电网调度无需频繁调整火电机组之出力，使火电机组的负荷相对稳定，从而节省火电厂的运行和维护费用。因此，蓄能电站抽水时相当于一个用电大户其作用是把日负荷曲线的低谷填平了，即实现"填谷"。"填谷"的作用使火电出力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化时流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。

(2)调频效益：抽水蓄能机组调节灵活，出力变化可以从0 到100%，可以快速起动，随时增荷或减荷，起到调整周波的作用，有助于保持频率并提高电网的稳定性。调频在电网频率下降至设定值时，蓄能机组会自动从水泵工况、调相工况和停机状态转为发电工况，把电网频率调整到设定值。常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟之内从静止达到满载，增加出力的速度可达每秒1 万kW，并能频繁转换工况。最突出的例子是英国的迪诺威克蓄能电站，其6 台300MW 机组设计能力为每天起动3～6 次;每天工况转换40 次;6台机处于旋转备用时可在10s达到全厂出力1320MW。

(3)负荷跟随效益：电网负荷总是在不断的变化，当负荷急剧变化时，抽水蓄能机组与火电或其它类型机组相比，其负荷跟随很快，爬坡能力较强。

(4)旋转备用(事故备用)效益：现代电网一般应储备一定量的备用容量，蓄能机组可以作为热备用容量，用以应付不可预见的负荷需要，这样可以节省火电机组的启动费用，减少或避免备用火电机组低出力(负荷)时的运行费用。抽水蓄能机组作为水力机组可以方便地处于旋转备用状态，以利快速地承担事故备用。抽水蓄能电站能够快速启动机组，迅速转换工况，但因其水库库容较小，所起作用与具有较大库容的常规水电站有所区别，一般只能担任短时间的事故备用。在发电工况下，可利用抽水蓄能电站运行中的空闲容量，短时间内加大出力;在停机状态下，亦可紧急启动，从而达到短时应急事故备用的目的。在水泵工况下，可停止抽水，快速切换至发电工况。

(5)调相效益：抽水蓄能机组由于其结构上的优点，可以方便地做调相运行。可以向电网输送无功用以提高电网电压，也可以从电网中吸收无功用以降低电网电压，这样不但可以保持电网电稳定而且可以减少电网的网损。不但在空闲时可供调相用，在发电和抽水时也可调相，既可以发出无功功率提高电力系统电压，也可以吸收无功功率降低电力系统电压，尤其是在抽水工况调相时，经常进相吸收无功功率，有时进相很深，持续时间很长，这种情况是其他发电机组达不到的，只有抽水蓄能机组才能做到。另外，抽水蓄能机组在调相运行完成后可以快速地转为发电或抽水。

(6)提高电网可靠性：蓄能机组的高度灵活性和快速启动能力，可大大减少电网中强迫停运的时间和次数，因而可大大增加电网的可靠性。

(7)特殊作用：为电网做特殊负荷作用，由于蓄能机组既可作为电源又可作为负荷，这可为大火电机组的调试投产提供负荷作用，保证火电机组的调试顺利进行，避免了大火电机组甩负荷时对电网造成的剧烈冲击。

六、抽水蓄能电站特点

(1)需要水但基本上不耗水，故其规模不像常规水电那样取决于所在站址的来水流量和落差，而主要取决于上下池容积和落差，更主要的是取决于所在电网可供低谷时抽水的电量。

(2)电站型式很多，适应性强，可视情况选定，在山区、江河梯级、平原均可修建抽水蓄能电站，关键在于因地制宜择优选择。

七、抽水蓄能电站的组成部分

(1)上水库 抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时段由水库放下来发电。输水系统是输送水量的工程设施，在水泵工况(抽水)把下水库的水量输送到上水库，在水轮机工况(发电)将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。

(2)输水系统:连接上下水库，由上库进/出水口及事故检修闸门井、隧洞或竖井、压力管道和调压室、岔管、分岔后的水平支管、尾水隧洞及检修闸门井和下水库进/出水口组成。抽水蓄能电站有抽水和发电两种工况，上(下)池的进水口在发电时是出(进)水口，但到抽水时变成进(出)水口，故称进/出水口。

(3)厂房：厂房包括主、副厂房、主变洞、母线洞等洞室。厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所，也是电厂生产的中心。抽水蓄能电站无论是完成抽水、发电等基本功能，还是发挥调频、调相、升荷爬坡和紧急事故备用等重要作用，都是通过厂房中的机电设备来完成的。

(4)开关站及出线场

(5)下水库:抽水蓄能电站的下水库也是蓄存水量的工程设施，负荷低谷时段可满足抽水水源的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水的水量。

八、结束语

进入新世纪，我国电力行业“西电东送”、“南北互供”、“全国联网”使得电网稳定安全运行越来越重要，同时也越来越困难。抽水蓄能电站优越的调峰填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等功能对电网的稳定运行起到至关重要的作用，必将达到进一步的发展。同时抽水蓄能电站促进了无调峰作用的清洁可再生能源发电站的建设，有利于节能减排，保护环境。

参考文献：

【1】 张健 郑源 .抽水蓄能技术 河海大学出版社

【2】 梅祖彦 .抽水蓄能发电技术 .机械工业出版社

【3】 邱彬如 .世界抽水蓄能电站新发展 .中国电力出版社

|<<<12