6.2 抽水蓄能技术的功能和能量应用范围
6.2.1 抽水蓄能技术的运行特性
抽水蓄能技术是以水为媒介进行能量的储存和转换的，通过将水抽往较高的位置实现将电能转换为水的势能并储存起来，在需要电能时则将水从高的位置放下来推动机组发出电能，完成将水的势能转换为电能。这种能量重力势能和动能直接转化的方式过程简单，因而其运行相比其他一些发电技术具有以下特点：
（1）既能发出有功、无功，也能吸收有功、无功
抽水蓄能电站，可以像常规水力发电站一样将水的势能转变为电能发出有功电力，还可以吸收电网的有功电力以电动机方式运行带动水泵把水抽到上水库，将电能转变成势能。机组还有调相工况，因机组有两种旋转方向，所以分别有发电转向调相和水泵转向调相。在以上四种运行工况中，机组可以发出无功提高电网电压，也可以吸收无功降低电网电压。
（2）启动和工况转换快
抽水蓄能机组发电工况启动像常规水电机组一样，能快速启动。一般来说，抽水蓄能机组从停机到带满负荷只需1～3min左右，从满发电负荷运行到满负荷抽水运行也同样只需1～3min，而机组从空载到满负荷一般小于35s。相比之下，用于调峰的燃气轮机发电机组负荷从50%至100%需要约1h，而火电机组的启动和增负荷速度就更慢了。
（3）不受天然来水影响，没有枯水期
常规水电站受降雨量制约，一般电站有明显的丰水期和枯水期。在丰水期一般要尽可能多发，否则造成水库弃水，枯水期因来水量不足不可能多发电。特别是建于大河上的低水头电站，由于汛期要大量开闸泄洪，会造成上下游水位落差太小而不能发电，这会在一定程度上影响常规电站在某些季节对电网的调节能力。而抽水蓄能电站总是使两水库水量往复循环，只要天然来水大于水库蒸发等水量损失，就不至于影响电站的运行。
表6-1中列举了电网中各种电站的运行特性，相比而言，抽水蓄能电站既是发电厂又是电力用户，其填谷作用是其他任何类型的电厂都没有的。另外，抽水蓄能机组的启动最迅速，运行最为灵活，对负荷的急剧变化可以作出快速反应，因而更加适合承担电网的各种动态任务。
表6-1 电网中各种电站的运行特性比较
6.2.2 抽水蓄能技术的功能
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转换方式。正常的运行方式具有以下功能：
（1）发电功能
抽水蓄能电站本身不能向电力系统供应电能（混合式抽水电站除外），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小时数比常规水电站低得多，一般在800～1000h。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。
（2）调峰功能
抽水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，抽水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。应该指出的是，具有日调节以上功能的常规水电站也具有调峰功能，但不具备“填谷”功能，即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，也就是通常所谓的尖峰运行。
（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（爬坡速度）和调频容量变化幅度上蓄能电站更为有利。常规水电站自启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启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10000kW，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启动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，无论在发电工况还是抽水工况，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。抽水蓄能电站在设计上也考虑有事故备用的库容，但蓄能电站的库容相对于同容量常规水电站要小，所以其事故备用的持续时间没有常规水电站长。在事故备用操作后，机组需抽水将水库库容恢复。同时，抽水蓄能机组由于其水力设计的特点，在作旋转备用时所消耗电功率较少，并能在发电和抽水两个旋转方向空转，故其事故备用的反应时间更短。此外，蓄能机组如果在抽水时遇电网发生重大事故，则可以由抽水并以同样容量转为发电。所以有人说，蓄能机组有两倍装机容量的能力来作为事故备用。当然这种功能是在一定条件下才能产生的。
（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启动。常规水电站一般不具备这种功能。现代抽水蓄能电站在设计时都要求有此功能。抽水蓄能机组的正常运行和工况转换可能有下列的多种操作方式。可见蓄能机组的运行方式是相当复杂的，同时也说明蓄能机组的功能是很完善的。
6.2.3 抽水蓄能技术的应用场合
由于能源在地区分布上的差别以及电网构成上的不同，其对抽水蓄能的需求也不同。一般地讲，抽水蓄能电站适用于以下情况：
① 以火电甚至是核电为主、没有水电或水电很少的电网。这样的电网中由于其电源本身的负荷调节能力很差，因而迫切需要一定容量的抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频、调相和紧急事故备用。尤其是大多数核电站是按基荷方式运行设计的，一则是为了保证核电机组的安全，再则是为了提高利用小时数，降低上网电价，因此必须有抽水蓄能电站与之配合运行。电网中有了抽水蓄能电站，可以保证核电站按照基本负荷稳定运行（负荷因子达到70%～80%），借以提高电网和核电站本身的经济性和安全性；也可以使火电尽可能承担负荷曲线图上基荷和部分腰荷，从而使火电机组安全、稳定地运行，提高了利用小时，并减少频繁启动，节约能源，降低煤耗；因而这种情况下抽水蓄能电站的效益主要体现在提高电网中核电和火电的负荷率，使核电和火电的能量得到更充分的利用。
② 虽然有水电、但水电的调蓄性能较差的电网。很多电网虽然都有一定比例的水电，但具有年调节及以上能力的水电站比例较小。这些电网虽然在枯水期可利用水电进行调峰，但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 远距离送电的受电区。一般而言，当输电距离远到一定限度后，送基荷将比送峰荷更经济，特别是上网峰谷电价较大的情况下，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。
④ 风电比例较高或风能资源比较丰富的电网。风电比重较大的电网，如果配备了抽水蓄能电站，则可把随机的、质量不高的电量转换为稳定的、高质量的峰荷，这样即可增加系统吸收的风电电量，使随机的不稳定的风电电能变成可随时调用的可靠电能。
6.2.4 抽水蓄能技术在核电中的应用
我国大亚湾核电站与广州抽水蓄能电站一期是同步建设的。广州抽水蓄能电站对提高大亚湾核电站的功能起到了巨大的作用，是抽水蓄能电站发挥效益的一个典型实例，其效果主要有以下几方面：
① 抽水蓄能电站保证了核电站按基荷方式运行。核电机组在电网中要带基荷运行，必须解决调峰问题。广东电网各电站的老机组、小机组很多，调峰能力仅为20%～30%，电网中可调峰的水电机组容量比例也不大，而抽水蓄能机组在电网中担任调峰，是核电机组实现满载基荷运行的可靠保证。大亚湾核电站商业运行以来，随着蓄能机组可用率的提高，以及电网对调度核电机组和蓄能机组方式的日臻完善，核电站满载基荷运行已成事实。
② 抽水蓄能机组有助于提高核电站的安全性。核电机组投资大，投入运行以后一回路设备将带放射性，使核电机组维修及设备失效的后处理费用很高。有了蓄能机组的配合，避免核电机组频繁升降负荷调峰，大大节省了瞬变消耗，也就是说，设备的安全裕度加大了。另外有了蓄能机组，可保证核电机组长期稳定运行，有助于保持燃料组件包壳的完好性，也就是提高了核电站的安全性。
③ 抽水蓄能电站有助于电网的安全。大亚湾核电机组容量大，一旦甩负荷对电网冲击很大。在机组调试阶段，各种计划的和非计划的跳机次数较多，如1995年1、2号机均经过了1000多次的试验，其中有4个系统的试验带有较高跳机风险。这些试验都是依靠蓄能机组快速承担负荷的能力来完成的，所以蓄能机组的投入对维护整个电网的安全起到了重要作用。
④ 蓄能机组有助于提高核电站的经济效益。在我国目前的电价制度下，对于任何一类的发电站，发电量高其经济效益就高，对核电站来说这个效果就更明显。核燃料费在核电站生产成本中所占比重很低，据20年预测，核燃料费只占生产成本的12.2%。所以可以说，核电站的经济效益几乎与发电量成正比。大亚湾核电站头3年实际每年上网电量分别为107×108kW·h、100×108kW·h和115×108kW·h，比可行性研究报告预测年上网电量（当时尚无同步建设抽水蓄能电站的计划）分别高出51%、15%和16%。
⑤ 蓄能电站与核电站同步建设是明智的决定。1996年原电力规划部门对华东地区的核电站需要多少抽水蓄能容量进行了规划研究。初步结论是秦山核电站二、三期（共2600MW）建成后会使电网调峰容量缺口增加1200MW，因此建议同步建设有1000MW调峰能力的抽水蓄能电站，与核电机组容量之比为0.385。考虑到华南电网的实际情况并留有裕量，建议华南地区蓄能与核电容量比取0.45～0.5。
6.2.5 抽水蓄能技术在风电中的应用
在风电较集中的或准备大规模开发风电的电网，需要建设抽水蓄能电站，把随机的、质量不高的风电电量转换为稳定的、高质量的峰荷电量。如目前风电比重较大的新疆、内蒙古和正在准备大规模开发风电的东南沿海省份，为了充分利用当地资源，在发展风电的同时，配备一定比重的抽水蓄能电站是非常必要的。风力发电是一种清洁可再生的能源，不污染环境，没有燃料运输、废料处理等问题，建设周期短，运行管理方便。风能资源丰富的省、市和自治区，可充分利用当地资源，发挥这一优势。由于风能存在随机性和不均匀性，只有电网装机容量大的时候这种影响才会减小，因此发展风电必然要受到电网规模的限制。抽水蓄能电站是解决电网调峰填谷的手段，国内外已有成熟的经验，在运行实践中，已显示其在改善电网运行条件，提高经济效益方面的优越性。对于风电较集中的或风电资源丰富准备大规模开发的电网，在大力发展风电的同时，建设一定规模的抽水蓄能电站，实现风蓄联合开发，是该地区能源资源优化配置的具体体现。风蓄联合开发，可利用抽水蓄能电站的多种功能和灵活性弥补风力发电的随机性和不均匀性，不仅可以打破电网规模对风电容量的限制，为大力发展风电创造条件，而且可为电网提供风多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用的手段，改善其运行条件。
6.2.6 抽水蓄能技术在水电中的应用
在有些水电丰富的地区建设抽水蓄能电站，其经济性的评价要比火电为主的电网更加复杂，至今人们对水电丰富地区的电网中建设抽水蓄能电站的必要性还存在较大争议。对于缺少常规水电的电网，无论是从调峰还是从紧急事故备用方面看，都需配备一定数量的抽水蓄能机组，这已逐步得到大家的公认；而在常规水电丰富的地区，径流式水电站较多，水电调节性能较差，系统负荷峰谷差较大，是否也应建设一定规模的抽水蓄能电站呢？我们可从以下几个方面进行分析：
① 抽水蓄能机组吸收电力系统低谷电量，正好克服了系统内径流式水电站多的缺点，减少水电汛期弃水调峰。将负荷低谷时段的水电电量转化为高峰时段可使用的调峰电量，而在负荷高峰时段则可以替代火电调峰。
② 抽水蓄能机组在负荷高峰时可以替代火电机组发电，负荷低谷时可以抽水填谷，减少火电站的出力变幅，使大型火电机组在高效区运行，降低发电成本。由于抽水蓄能机组运行灵活、工况变换迅速、具有抽水和发电双向功能，除了承担调峰外，还可担负紧急事故备用等任务。
③ 抽水蓄能电站投入水电丰富但调节性能差的电网，经济效果显著。建设时以低于火电投资的建设费用替代相当规模的火电必需容量，运行时将改善水、火电站运行工况，节省系统煤耗，从而达到节省系统运行费用的效果；同时也是减少污染、保护环境的需要。
④ 水电丰富而调节性能差的电网，尤其是“西电东送”的受电端，抽水蓄能电站投运后，可调整超高压电网的电压，并具有调整电网频率的功能，是维护电网安全、稳定运行的需要。
⑤ 在某些水电比例不低的电网，随着时间的推移，常规水电资源基本开发完后，电网中水电的比重将逐步减少。而抽水蓄能电站的运用不受天然来水条件的影响和制约，其他综合利用要求也较少，与常规水电站相比，建设中碰到的问题相对简单。建设一定规模的抽水蓄能电站可满足电网中电源结构优化的需要，是经济可行的办法。