中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：日本電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性特征決定了抽水蓄能的戰(zhàn)略地位。作為一個(gè)能源資源匱乏的島國(guó)，日本在二戰(zhàn)后工業(yè)化進(jìn)程中面臨嚴(yán)峻的電力供需矛盾。1960年，抽水蓄能裝機(jī)僅占全國(guó)電力總裝機(jī)的0.3%，這一比例在2009年躍升至10.99%，總裝機(jī)容量達(dá)到25756兆瓦。截至2020年底，該數(shù)值穩(wěn)定在約1460萬(wàn)千瓦，45座電站構(gòu)成分布式調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，支撐起世界第三大電力消費(fèi)體的電網(wǎng)安全。
一、技術(shù)路線
日本抽水蓄能的規(guī)?；l(fā)展始于1960年代經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)期。當(dāng)時(shí)電力需求年增長(zhǎng)率超過(guò)10%，但本土缺乏廉價(jià)煤炭和天然氣資源，核電尚未成熟，水電開發(fā)趨于飽和。抽水蓄能成為平衡基荷火電與峰荷需求的唯一技術(shù)選項(xiàng)。與歐美國(guó)家不同，日本沒有選擇建設(shè)超大型集中式蓄能基地，而是采取"中小容量、多點(diǎn)布局"策略，單站規(guī)模多在60萬(wàn)至160萬(wàn)千瓦之間，靠近負(fù)荷中心布置，縮短輸電距離，降低網(wǎng)損。
這一布局哲學(xué)在奧清津電站得到充分體現(xiàn)。該站位于新潟縣南魚沼郡湯澤町，1982年首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)時(shí)即采用四機(jī)布置，總?cè)萘?00萬(wàn)千瓦。1996年擴(kuò)建的第二電站新增兩臺(tái)機(jī)組，將總?cè)萘刻嵘?60萬(wàn)千瓦。值得注意的是，二期工程首次大規(guī)模應(yīng)用了交流勵(lì)磁變速技術(shù)，單機(jī)容量30萬(wàn)千瓦，轉(zhuǎn)速可在407至450轉(zhuǎn)/分鐘間連續(xù)調(diào)節(jié)，標(biāo)志著日本從技術(shù)引進(jìn)向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。
二、變速技術(shù)
定速機(jī)組的固有缺陷在新能源滲透率提升后暴露無(wú)遺。傳統(tǒng)可逆式機(jī)組采用同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速鎖定于電網(wǎng)頻率，抽水工況下功率不可調(diào)節(jié)，發(fā)電工況高效區(qū)狹窄。1990年，東京電力矢木澤電站2號(hào)機(jī)組完成改造，成為全球首臺(tái)商用可變速抽水蓄能機(jī)組。該機(jī)組容量8.5萬(wàn)千伏安，通過(guò)將直流勵(lì)磁凸極轉(zhuǎn)子替換為三相交流勵(lì)磁圓筒轉(zhuǎn)子，配合大功率變頻器，實(shí)現(xiàn)了抽水功率53至82兆瓦的寬范圍調(diào)節(jié)。
技術(shù)原理在于解耦機(jī)械轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的剛性關(guān)聯(lián)。變頻器實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度，使機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速可在額定值上下浮動(dòng)4%至8%，相當(dāng)于為電機(jī)配置無(wú)級(jí)變速裝置。這一結(jié)構(gòu)變革帶來(lái)控制系統(tǒng)的全面升級(jí)，PQN綜合控制系統(tǒng)將有功功率、無(wú)功功率、轉(zhuǎn)速、電壓納入統(tǒng)一算法框架，響應(yīng)時(shí)間縮短至毫秒級(jí)。
葛野川電站將這一技術(shù)推向工程極限。該站位于山梨縣，額定水頭714米，最大水頭728米，曾為世界最高水頭蓄能電站。四臺(tái)機(jī)組中單號(hào)機(jī)為定速，雙號(hào)機(jī)采用變速設(shè)計(jì)，容量47.5萬(wàn)千伏安。3號(hào)、4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速可在480至520轉(zhuǎn)/分鐘間調(diào)節(jié)，配合785米超高水頭，實(shí)現(xiàn)了130至400兆瓦的線性功率輸出，較同容量定速機(jī)組可調(diào)下限降低50%，加權(quán)平均效率提升約3個(gè)百分點(diǎn)。
三、系統(tǒng)運(yùn)行
變速技術(shù)的價(jià)值在電網(wǎng)側(cè)體現(xiàn)得更為顯著。日本東部電網(wǎng)頻率60赫茲，西部50赫茲，互聯(lián)容量受限，頻率調(diào)節(jié)資源緊張?？勺兯贆C(jī)組憑借交流勵(lì)磁系統(tǒng)的快速相位調(diào)節(jié)能力，可在數(shù)十毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)千瓦級(jí)的功率吞吐，響應(yīng)速度較傳統(tǒng)火電調(diào)頻快兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
京極電站2006年投運(yùn)的三臺(tái)20萬(wàn)千瓦機(jī)組首次實(shí)現(xiàn)0至100%全功率連續(xù)調(diào)節(jié)，并具備飛輪運(yùn)行功能。該功能允許機(jī)組在空載狀態(tài)下維持變速旋轉(zhuǎn)，不抽水也不發(fā)電，但可在數(shù)秒內(nèi)切換至調(diào)頻模式，為電網(wǎng)提供虛擬慣量支撐。這一運(yùn)行模式針對(duì)北海道電網(wǎng)孤立運(yùn)行特性設(shè)計(jì)，有效抑制了風(fēng)電滲透率提升帶來(lái)的頻率波動(dòng)。
神流川電站代表了最新技術(shù)集成水平。該站位于群馬縣與長(zhǎng)野縣交界，總裝機(jī)容量282萬(wàn)千瓦，六臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量47萬(wàn)千瓦，最大揚(yáng)程728米。高壓鋼管首次采用HT-100級(jí)高強(qiáng)度鋼材，壁厚降低而安全性提升，體現(xiàn)了材料科學(xué)與水力機(jī)械的協(xié)同進(jìn)步。
四、市場(chǎng)化
變速機(jī)組造價(jià)較定速機(jī)組高10%至15%，但全生命周期成本優(yōu)勢(shì)顯著。一方面，寬工況高效運(yùn)行降低了單位電量損耗；另一方面，快速調(diào)頻能力減少了火電調(diào)頻機(jī)組啟停次數(shù)，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。日本中部電力公司的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，一臺(tái)40萬(wàn)千瓦可變速機(jī)組可替代兩臺(tái)同容量定速機(jī)組的調(diào)節(jié)功能，土建與機(jī)電總投資降低約20%。
隨著2016年電力零售全面自由化改革推進(jìn)，抽水蓄能的商業(yè)模式面臨重構(gòu)。此前作為公用事業(yè)成本項(xiàng)的蓄能資產(chǎn)，需在市場(chǎng)環(huán)境下證明其容量?jī)r(jià)值與輔助服務(wù)價(jià)值。變速機(jī)組的靈活調(diào)節(jié)特性使其在容量市場(chǎng)、調(diào)頻市場(chǎng)、備用市場(chǎng)中具備多重收益來(lái)源，資產(chǎn)利用率較定速機(jī)組提升30%以上。
五、典型項(xiàng)目
1. 新高瀨川抽水蓄能電站
基本情況：該電站采用混合式抽水蓄能技術(shù)，兼具抽水蓄能和常規(guī)水電功能，上下水庫(kù)之間由兩條2.7公里的壓力隧洞連接，有效落差230米。主廠房洞室長(zhǎng)163米，寬27米，高54.5米。
投產(chǎn)年份：1971年11月開工，1979年6月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1981年竣工。
裝機(jī)容量：總裝機(jī)容量1280兆瓦，由4臺(tái)320兆瓦的可逆式抽水蓄能機(jī)組組成。
地點(diǎn)：位于日本本州島中部高瀨川上，在東京以西180公里的岳山公園風(fēng)景區(qū)內(nèi)。
2. 大河內(nèi)抽水蓄能電站
基本情況：電站采用了2臺(tái)40萬(wàn)千瓦的變速抽水蓄能發(fā)電設(shè)備，這是當(dāng)時(shí)世界上最大的變速抽水蓄能機(jī)組。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可連續(xù)調(diào)節(jié)，非常適合深夜抽水工況的調(diào)頻方式。地下廠房拱頂采用彈頭形，這在日本是首次采用此類型的廠房拱頂。
投產(chǎn)年份：1980年12月開始準(zhǔn)備，1983年1月動(dòng)工興建，1984年4月完工。
裝機(jī)容量：總裝機(jī)容量128萬(wàn)千瓦，由4臺(tái)32萬(wàn)千瓦的可逆混流式機(jī)組組成。
地點(diǎn)：位于日本本州島西南部兵庫(kù)縣神崎郡大河內(nèi)町，市川水系小田原河上，距大阪市中心80公里。
3. 奧清津抽水蓄能電站
基本情況：1號(hào)、2號(hào)機(jī)組最大出力為30.8萬(wàn)千瓦和31萬(wàn)千瓦，轉(zhuǎn)速分別是427r/min和407～450r/min，最大水頭494米，最小水頭445米。最大輸入功率分別為32萬(wàn)千瓦和34萬(wàn)千瓦。電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)容量分別為35.5萬(wàn)kVA和34.5萬(wàn)kVA，在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，抽水功率分別為32萬(wàn)kVA和34萬(wàn)kVA。
投產(chǎn)年份：1號(hào)電站于1982年投產(chǎn)，奧清津2號(hào)電站于1996年完工并投產(chǎn)。
容量：原有總裝機(jī)容量100萬(wàn)千瓦，共4臺(tái)機(jī)組，1996年新增，共2臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量60萬(wàn)千瓦。
地點(diǎn)：位于日本新潟縣南魚沼郡湯澤町。
4. 小丸川抽水蓄能電站
基本情況：小丸川抽水蓄能電站機(jī)組具有快速響應(yīng)能力，從靜止到滿負(fù)荷的時(shí)間從5分鐘縮短到2.5分鐘，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速600r/min，轉(zhuǎn)速變化范圍±4%，額定水頭646.2m，額定電壓16.5kV，額定頻率為60Hz。高壓鋼管上斜段直徑2.7m的導(dǎo)洞和直徑6.1m的擴(kuò)挖都采用TBM開挖，斜井TBM開挖長(zhǎng)度約900m。
投產(chǎn)年份：1#、4#機(jī)組由日立公司供貨，2#、3#機(jī)組由三菱公司供貨。
容量：電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量300MW的變速可逆式蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW。
地點(diǎn)：位于日本九州地區(qū)宮崎縣接近中部的兒湯郡木城町
5. 葛野川抽水蓄能電站
基本情況：其高水頭設(shè)計(jì)和大容量機(jī)組使其在技術(shù)上具有重要意義，曾是世界上額定水頭最高的抽水蓄能電站，額定水頭為714米，最大水頭可達(dá)728米，額定轉(zhuǎn)速500r/min（1號(hào)和2號(hào)機(jī)組），3號(hào)和4號(hào)機(jī)組為變速機(jī)組，轉(zhuǎn)速為480r/min～520r/min。
投產(chǎn)年份：電站于1993年1月開工，1999年12月第1號(hào)機(jī)組投入運(yùn)行，2000年7月第2號(hào)機(jī)組投入運(yùn)行。
容量：電站總裝機(jī)容量為160萬(wàn)千瓦，共裝有4臺(tái)40萬(wàn)千瓦的水泵水輪發(fā)電機(jī)組。
地點(diǎn)：日本山梨縣
6. 神流川抽水蓄能電站
基本情況：其建設(shè)采用了多項(xiàng)新技術(shù)和新材料，代表了日本抽水蓄能電站技術(shù)的最新進(jìn)展，單機(jī)容量470兆瓦，最大揚(yáng)程728米。在高壓鋼管中首次使用HT-100級(jí)高強(qiáng)度鋼材，降低了鋼管厚度，提高了工程安全性和經(jīng)濟(jì)性。
投產(chǎn)年份：1號(hào)機(jī)組于2005年12月投運(yùn)，2號(hào)機(jī)組于2010年7月投運(yùn)，3號(hào)和4號(hào)機(jī)組于2014年后陸續(xù)投運(yùn)。
容量：總裝機(jī)容量為2820兆瓦，共安裝6臺(tái)470兆瓦的抽水蓄能機(jī)組。
地點(diǎn)：日本群馬縣與長(zhǎng)野縣交界處
7. 京極抽蓄電站
基本情況：規(guī)劃有效水頭為369米，最大使用流量為190.5立方米/秒
投產(chǎn)年份：2006年10月第一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。
容量：總裝機(jī)容量為60萬(wàn)千瓦，共安裝3臺(tái)20萬(wàn)千瓦的抽水蓄能機(jī)組
地點(diǎn)：北海道
六、總結(jié)
從矢木澤的首臺(tái)驗(yàn)證機(jī)組到神流川的規(guī)?；瘧?yīng)用，日本用三十年完成了可變速抽水蓄能技術(shù)的全系列開發(fā)。這一過(guò)程并非簡(jiǎn)單的設(shè)備升級(jí)，而是電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論、電力電子工程、水力機(jī)械設(shè)計(jì)的深度融合。在碳中和目標(biāo)下，高比例可再生能源電網(wǎng)對(duì)靈活調(diào)節(jié)資源的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，抽水蓄能的技術(shù)演進(jìn)方向已然明確：更高水頭、更大容量、更寬調(diào)節(jié)范圍、更快響應(yīng)速度。日本經(jīng)驗(yàn)表明，這一傳統(tǒng)技術(shù)形態(tài)仍具備顯著的改進(jìn)空間與系統(tǒng)價(jià)值。
