2.3 抽水蓄能技术现状

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（其中最高时段称为高峰）；下半夜大幅度地下跌（其中最低时段称为低谷），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，甚至需暂时关闭，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。

2.3.1 基本原理与工作特性

1.基本原理

抽水蓄能电站是先用其他能源发出的电能，把水从下面的湖泊抽到“位于高处”的水库中储存起来，然后供此种水电厂在适当的时候发电。它是根据一天之中用户对电量需求变化不定的特点来运行，在用电低谷时，一般是在后半夜几个小时内用核电站或火电站过剩的电力将水从下水库抽到高位水库，待到第二天用电高峰时，把上水库的水放下来发电，用来补充用电高峰所需的部分电能。抽水蓄能电站是间接储存电能的一种方式，被誉为国家的“电力粮库”。

在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化间流失，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。

抽水蓄能电站主要由上水库、下水库、压力管道、地下厂房等九个部分组成，抽水蓄能电站的机组兼具水泵和水轮机两种工作方式，在电网负荷低谷时段作水泵运行，利用火电与新能源机组发出的多余电能将下水库的水抽到上水库储存起来，在电网负荷高峰时段作水轮机运行，利用上水库中的水发电，以达到调峰填谷、满足电网负荷需求的目的。抽水蓄能电站结构简化示意图如图2-2所示。

2.工作特性

（1）抽水蓄能工作特性

抽水蓄能电站利用夜间（通常0—5时）电网低谷时刻的低价电能将下库的水抽至上库，在白天（10—12时）和晚上（19—21时）用电高峰时放水发电，起到削峰填谷的作用。在一次抽水和发电的循环运行过程中，其抽水的用电量E_P和发电量E_T可以表示为

式中 V_S、V_X——上水库或下水库的蓄能库容，单位为m³；

H——抽水工况的平均扬程或发电工况的平均水头，单位为m；

P_P、P_T——抽水工况消耗的功率和发电工况的发电功率，单位为kW；

η_P、η_T——抽水工况和发电工况的运行效率；

——抽水工况的起始时间和结束时间，单位为s；

——发电工况的起始时间和结束时间，单位为s；

367.2——能量单位换算系数。

由式（2-1）和式（2-2）可知，当抽水蓄能电站的发电量E_T一定时，上、下水库的高程差H越大，所需要的蓄能库容就越小，也就是说，水库和输水管道的建设投资越节省。因此，抽水蓄能电站应向高水头方向发展。对于常规抽水蓄能电站来说，抽水工况消耗的功率一直保持额定抽水功率，不可调节；而发电工况时的发电功率可根据电网调频和调峰的需求实时进行调节。近几年，随着电力电子技术的发展，新研发的基于双馈感应式电机的变速抽水蓄能机组可以同时实现抽水工况和发电工况下的功率调节，进一步提高了抽水蓄能电站运行的灵活性。

抽水蓄能电站是在用电低谷时将电能转换成水的势能，在用电高峰时将水的势能转换成电能，经过了两次电能和势能之间的能量转换，在能量转换过程中必然伴随着能量的损失。显而易见，在一个循环周期内抽水的用电量E_P大于发电量E_T。抽水蓄能电站的综合效率η，又称为周期效率，主要是指抽水过程供给上水库的总水量和发电过程中从上水库的总取水量相等时，发电工况所生产的总电量E_T与抽水工况所消耗的总电量E_P之比，可表示为

而发电工况时的效率η_T等于输水管道、水轮机、发电机以及变压器等设备效率的乘积；抽水工况时的效率η_T等于变压器、电动机、水泵以及输水管道等设备效率的乘积。现代化中大型抽水蓄能电站的综合效率通常在75%左右，即平时所说的4kW·h电换3kW·h电，随着抽水蓄能电站各项相关技术的不断提高，综合效率也逐步提升。目前，有的新建抽水蓄能电站的效率可达80%以上。另外，虽然抽水蓄能电站的发电量低于用电量接近1/4，但是发出来的电量是用电高峰时的高价电量，其经济价值远高于消耗的低谷时的低价电量。因此，抽水蓄能电站运行具有很好的经济性。

抽水蓄能机组和输水系统，既要发电运行，又要抽水运行，其水轮机和发电机双向旋转，输水系统内的水双向流动。在机组和输水系统的设计和建设时，必须满足不同工况的需求。

抽水蓄能机组起动迅速、运行灵活、工作可靠，能够应对电网负荷的快速变化，从备用状态转为满功率发电状态通常需要3min，由抽水状态转为发电状态通常需要7min，其起动、运行状态转换，以及功率调节的速度远快于常规机组。因此，抽水蓄能电站适宜于承担电网的调峰、调频、事故备用等任务，对电网的安全经济运行能够发挥重要的作用。

（2）与常规水电站比较

与常规水电站相比，抽水蓄能电站在结构特点和运行方式上存在着很多的共同点，同时也具有诸多的不同之处，其独特之处具体表现为以下几个方面。

1）设备结构复杂。由于抽水蓄能电站比常规电站增加了抽水和抽水调相等工况，因此在电气方面存在换相和水泵工况起动问题，从而增加了实现机组反转的换相设备和变频起动装置，起动母线等设备相应的二次保护和控制系统也更加复杂，同时为了适应机组双向旋转和高水头的要求，在机械方面也应做出相应的设计，因为设备的数量和复杂程度的增加，电站检修维护和运行巡检工作量也会有所增加。

2）地形条件和结构布置特殊。抽水蓄能电站需要设置上下水库，水库之间的高程差要满足一定的需求，因此对地形有特殊的要求，水工建筑物也要比常规水电站复杂。

由于需要兼顾发电和抽水的需要，对机组水轮机的淹没深度有一定的要求，并考虑到设备的合理布局和成本的节约，主设备（机组和主变压器）大都布置在上体内，同时考虑到运行的方便，往往将中央控制室布置在地面。在日常生产过程中，机组的开停机操作主要在重要控制室内进行，而设备的巡检操作和检修维护等工作大都需要在地下厂房进行，从工作环境上看较为分散，对运行值班人员的配置和值班方式也提出了新的要求。

3）机组运行工况多且开停机及工况转换频繁。常规水电站的机组一般只进行发电和调相运行，而抽水蓄能机组除了发电和发电调相工况外，还增加了抽水和抽水调相工况，部分抽水蓄能电站还增设了热备用、黑启动、抽水紧急转发电等特殊工况。对于电力系统来说，由于抽水蓄能机组开机时间短，响应速度快，因此，在满足负荷的快速变化、稳定电网频率等方面具有显著优势，能够提高电网运行的可靠性。抽水蓄能电站俯瞰图如图2-3所示。

2.3.2 抽水蓄能电站分类

抽水蓄能电站可按照天然径流条件、水库座数及其位置、发电厂房形式、布置特点、水头高低、机组型式及水库调节规律分类。

1.按天然径流条件分类

按天然径流条件或厂房内机组组成与作用，可分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站和调水式抽水蓄能电站三类（见图2-4）。

（1）纯抽水蓄能电站

纯抽水蓄能电站没有或只有少量的天然来水进入上水库（以补充蒸发、渗漏损失），而作为能量载体的水体基本保持一个定量，只是在一个周期内，在上、下水库之间往复利用；厂房内安装的全部是抽水蓄能机组，其主要功能是调峰填谷、承担系统事故备用等任务，而不承担常规发电和综合利用等任务。

（2）混合式抽水蓄能电站

上水库有天然径流来源，既可利用天然径流发电，又可利用由下水库抽蓄的水发电。上水库一般建在江河上，另建的下水库用于抽水蓄能发电。这种混合式抽水蓄能电站可建在综合利用的水库电站中或常规水电站中。有的混合式抽水蓄能电站，抽水蓄能机组与常规水轮发电机组同装设在一个厂房里，如我国1992年投入运行的潘家口抽水蓄能电站，同一厂房内安装1台常规机组和3台抽水蓄能机组。由于抽水蓄能机组的水轮机吸出高度（H_s）负值比常规机组大，因此厂房布置较为复杂。也有的是常规机组和抽水蓄能机组分别装设在各自的厂房内，如法国的大屋抽水蓄能电站，设2个厂房，在布置上互不影响，但造价要高些。有时在下水库坝下还设一小型水电站。

（3）调水式抽水蓄能电站

从位于一条河流的下水库抽水至上水库，再由上水库向另一条河流的下水库放水发电。这种蓄能电站可将水从一条河流调至另一条河流，它的特点是水泵站与发电站分别布置在两处。

2.按水库座数及其位置分类

（1）两库式抽水蓄能电站

这类抽水蓄能电站一般由上、下两座水库组成，上、下水库有时也称上、下池，按工程习惯，容积较大的称库，较小的称池。混合式抽水蓄能电站多采用上水库与下水池的组合形式，纯抽水蓄能电站则多采用上水池与下水库的组合。

（2）三库式抽水蓄能电站

这类抽水蓄能电站有三座水库，其中两座可以是相邻水电站梯级的两座水库，第三座水库可修建在附近较高山地上，利用水泵将上游梯级水库中的水抽入山地水库，通过蓄能机组泄放到下游梯级水库发电。有时，也可利用相邻流域的两座水电站水库和山地水库实现跨流域抽水蓄能。

（3）地下式抽水蓄能电站

这类电站通常利用地面上的湖泊为上水库，而在地下修建一个下水池，或利用废弃矿井坑道改建成下水池，这种电站占地少，从环境保护的角度是可取的。这一类型电站多采用地下式厂房。

3.按发电厂房形式分类

抽水蓄能电站可按照厂房形式分为地面式、地下式和半地下式三种。

4.按布置特点分类

1）首部式：厂房位于输水道的上游侧。

2）中部式：厂房位于输水道的中部。

3）尾部式：厂房位于输水道的末端。

5.按水头高低分类

（1）低水头抽水蓄能电站

凡水头在100m以下的抽水蓄能电站归为低水头类。如我国的密云、岗南、潘家口等混合式抽水蓄能电站均为低水头电站。

（2）中水头抽水蓄能电站

水头在100～700m之间的抽水蓄能电站，属于中水头类。如我国的广州、十三陵和天荒坪抽水蓄能电站，都是中水头电站。

（3）高水头抽水蓄能电站

水头在700m以上者，属高水头抽水蓄能电站。电站单位千瓦造价通常随水头的增高而降低。近十几年，抽水蓄能电站正朝着高水头方向发展。

6.按机组型式分类

（1）分置式（四机式）抽水蓄能电站

在这种电站中，水轮发电机组与由电动机带动的水泵机组分开布置，而输水管路系统和输、变电设备共用，水轮机和水泵均可在高效区运行。这种布置型式因机械设备昂贵，厂房占地面积大，现已不采用。但抽水站与发电站分别设置在分水岭上水池两侧的方式，仍时有采用。

（2）串联式（三机式）抽水蓄能电站

这种电站的水泵和水轮机共用一台发电-电动机，水泵、发电-电动机、水轮机三者置于同一轴上。水泵、水轮机分别按照要求设计，因此，能够保证各自高效率运行，同时，水泵和水轮机都向同一方向旋转，在工况转换时不需停机，增加了机组的灵活性。

（3）可逆式（两机式）抽水蓄能电站

这种电站的水泵与水轮机合为一体，与发电-电动机连在同一轴，这是当前最常见的类型。两机式机组向一个方向旋转为水轮机工况，向另一个方向旋转为水泵工况，它的主要优点是结构简单、造价低。

7.按水库调节规律分类

（1）日调节抽水蓄能电站

这种电站以一日为运行周期，夜间负荷处于低谷时抽水6～7h（中午低荷时也可短时抽水），日间峰荷时发电5～6h，所需调节库容根据一日内的峰荷出力确定，纯抽水蓄能电站（特别是大中型）多为日调节。

（2）周调节抽水蓄能电站

这种电站运行周期为1周，主要利用周末的48～60h低荷时间抽水蓄能，所需库容比日调节电站的大些，应满足电力系统一周之内对调峰的需求。

（3）季调节抽水蓄能电站

这种电站以季为调节周期，尽可能将汛期多余水量抽蓄到上水库，供枯水期增加发电量用。季调节所需库容比日、周调节大得多。在西欧一些国家，早期抽水蓄能就是从季调节性蓄水开始的。在汛期利用多余电能把河水抽到山上的水库蓄起来，枯水季节放下来发电。

（4）年调节抽水蓄能电站

这类电站绝大多数为混合式抽水蓄能电站，它通过丰水期（如夏季）连续抽水蓄能，于高峰负荷的枯水期（如冬季）连续发电。电站上水库为能满足数月蓄水要求的年调节水库，下水库容积可根据电网调峰要求和地形条件确定，一般够蓄存几个小时的入流量即可，但其来水量应能满足连续抽水的需要。显然，高调节性能的电站，能同时进行较低性能的调节。

2.3.3 抽水蓄能电站枢纽布置

抽水蓄能电站的主要建筑通常由上水库、下水库、输水系统、电站厂房、开关站及其他临时设施组成。

1.上、下水库

上、下水库有时也称上、下池，按工程习惯，容积较大的称库，较小的称池。上水库要有较高的位置和合适的库盆地形地质条件，因此，一般抽水蓄能选点阶段进行站址选择首先就是要选择一个合适的上水库，并在附近布置配套的下水库，以便利用较短的输水道获得较大的水头差。也有工程利用现有的水库作为抽水蓄能电站下水库，在下水库附近找合适的上水库。水库的选择需要结合工程实际，视地形而定。

2.输水系统

输水系统连接上、下水库，由引水系统和尾水系统两部分组成。引水系统建筑物包括上水库进/出水口、引水事故闸门井、引水隧洞、引水调压室、高压管道（包括主管岔管和支管）。尾水系统建筑物包括尾水支管、尾水事故闸门室、尾水混凝土岔管、尾水调压窒、尾水隧洞、尾水检修闸门井和下水库进出水口等。

抽水蓄能电站机组有发电和抽水两种运行工况，且转换频繁，输水系统的布置应满足各种工况下过渡过程的要求，并在结构设计上留有余地。

3.电站厂房

抽水蓄能电站的厂房可分为地面式、半地下式和地下式三种类型。除了一些低水头抽水蓄能电站采用普通型式的地面厂房以外，多数电站由于吸水高度的要求，厂房的相当一部分要建在地面以下，有的则全部建在地面以下，故通常称为地面厂房的实际是半地下厂房。

在具备地质条件和技术条件时，修建地下厂房更为有利。虽然开挖成本较高，但是地下厂房的布置不受地形的限制，施工不受天气的影响，厂房安全性好。

以丰宁抽水蓄能电站为例，地下厂房由主机间、安装场和1号、2号主副厂房组成，呈“一”字形布置，两期工程主厂房洞总开挖尺寸为414.0m×25.0m×55.5m（长×宽×高，下同），安装场布置在主厂房洞中部，长为75m，1号主副厂房布置在主厂房右侧，长为20m，2号主副厂房布置在主厂房左侧，长为20m。一期、二期工程主机间内共安装12台300MW立轴单级混流可逆式水栗水轮机组，一期机组安装高程为967.0m，二期机组安装高程为966.5m。主厂房顶拱开挖高程为1008.5m，一期底板开挖高程为954.0m，二期底板开挖高程为953.5m。主机间分五层布置，分别是发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层和尾水管层。主厂房采用锚喷支护型式和岩壁吊车梁结构。

2.3.4 抽水蓄能电站设备

前文提到，抽水蓄能电站机组型式可分为有分置式（四机式）、串联式（三机式）、可逆式（两机式）。随着技术的进步，可逆式机组明显具有较大的优越性，是目前主流结构。因此，本节主要介绍目前主流的可逆式抽水蓄能电站设备组成，主要设备包括以下系统设备：发电-电动机、可逆式水泵水轮机、调速系统、静止变频起动装置、励磁系统、进水阀系统、计算机监控系统、机组发变保护系统、主变压器及其附属设备、发电电压设备、消防系统、电站公用设备等。

1.发电-电动机

发电-电动机是既可用作发电机也可用作电动机的同步电机。主要由定子、转子、上机架、下机架、推力轴承、导轴承、制动系统、高压减载装置、冷却系统等部分组成。

作发电机用时，其运行原理如下：当励磁绕组通以直流电源后，电机内就会产生磁场。水轮机带动转子转动，则磁场与定子线棒之间有相对运动，就会在定子线棒中感应出交流电势。这些线棒联成三相绕组，则可在绕组出线端产生交流电动势。

作同步电动机运行时，则在定子三相绕组加以交流电，三相交流电流通过定子绕组时就会在电机内产生一旋转磁场，当转子上的励磁绕组加上励磁电流，旋转磁场就带动转子，并按旋转磁场的转速来旋转。

由于水泵水轮机两种运行工况的水流方向相反，所以发电-电动机两种运行工况旋转方向必须相反。因此应使电动机运行时其旋转磁场的旋转方向与发电机运行时的旋转磁场的旋转方向相反，这就需改变三相绕组相序排列，所以发电-电动机需加装相应的换相设备（换相刀闸）。

2.可逆式水泵水轮机

可逆式水泵水轮机把水轮机和泵合成一台机器，向一个方向旋转为水轮机，向另一个方向旋转为泵，由此可以大大缩小机组尺寸，使机械设备和电站建筑的投资都得以降低。

水泵水轮机的组成包括水泵水轮机本体、调速器、球阀等附属设备和冷却水系统、高压气系统等辅助设备。

水泵水轮机本体由以下几大部件构成：转轮、主轴密封、水导轴承、导水机构、导叶、水轮机轴、中间轴、蜗壳、座环、顶盖、底环、尾水管等。

抽水蓄能电站需要在水泵工况起动和机组调相运行时将转轮室水面压到一定水位，以降低水泵工况起动电流和减少损耗。因此需要设置可靠的调相压水系统。水泵水轮机的调相运行系统分为压水系统、水环排水系统、蜗壳排气系统和尾水水位测量系统。

3.调速系统

调速系统是抽水蓄能机组频率及出力控制的主要部件，负责完成机组启停、工况转换、运行调节、事故保护等功能。系统由调速器电气部分、油压装置、机械液压部分和执行机构组成。

4.静止变频起动装置

静止变频起动装置是抽水蓄能电站特有的一种重要电气设备之一，其功能是在可逆机组转子建立磁场以后，逐渐通过调整可逆机组定子绕组的电流频率，让产生的电磁力矩使发电机逐渐提升转速，直到可逆机组上电网运行。静止变频起动装置具有对电网和发电机危害小、起动迅速、可靠等诸多优点。

5.励磁系统

励磁系统作为抽水蓄能电站的重要设备之一，其作用有以下四点：向发电机转子提供直流电源使得发电机机端电压与所连接的电网电压保持一致；对机组的无功功率进行调节；提高系统的各项稳定性指标；提高继电保护的稳定性。

励磁系统总体由功率单元和调节单元两个部分组成，功率单元主要负责为发电电动机提供直流电流，调节单元根据发电电动机的状态对功率单元做出进一步的调整。

6.计算机监控系统

水电站计算机监控系统是水电站重要的控制系统之一，是水电站生产和管理的中枢。自20世纪70年代计算机开始应用于水电站，水电站计算机监控系统经历了从低级到高级，从顺序控制到闭环调节控制，从局部控制到全厂控制，从单一电站监控到全流域监控的发展过程。20世纪80年代，抽水蓄能电站也开始采用计算机监控系统进行全面监视和控制。

抽水蓄能机组的控制由于其工况转换复杂，机组操作频繁等特点，要求计算机监控系统具有更高的安全性、可靠性。

目前，抽水蓄能电站计算机监控系统一般采用分层分布式结构，以光纤搭建主干网络，由现地控制层设备、厂站控制层设备和网络设备组成。某抽水蓄能电站计算机监控系统结构图如图2-5所示。