抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用分析

刘长义，谢勇刚

（国网新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

当前，能源转型不断深化，清洁低碳、安全高效的能源体系加快构建。2020年9月，习近平总书记提出我国2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标，并于2021年3月强调要构建以新能源为主体的新型电力系统，为能源转型发展按下了“快进键”。随着新能源高比例、大规模接入，电力系统安全稳定与经济运行面临新的挑战，对系统灵活调节能力提出了更高要求。中共中央、国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[1]，强调要加快推进抽水蓄能和新型储能规模化应用，加快形成以储能和调峰能力为基础支撑的新增电力装机发展机制。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》[2]，提出要加快建设新型电力系统，制定新一轮抽水蓄能电站中长期发展规划，完善抽水蓄能发展的政策机制。国家发展改革委、国家能源局先后制定了《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》[3]、《抽水蓄能中长期发展规划（2021～2035年）》[4]，推动抽水蓄能发展进入了新阶段。面对抽水蓄能产业跨越式发展新形势，进一步分析抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用，明确抽水蓄能发展定位，对于推动抽水蓄能产业高质量发展具有重要意义。

1 抽水蓄能功能作用发展概况

抽水蓄能通过可逆式水轮发电机实现电能和水的重力势能相互转换，实现电能的充放和功率的调节，具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等“六大功能”。抽水蓄能的发展和在系统中的作用与不同时期电力系统特点和调节需求息息相关。早期电力系统还没有形成大范围联网，电源以火电为主，外来电较少，装机容量总体偏紧，系统调峰资源紧张。抽水蓄能在系统中的作用主要以调峰填谷、配合火电核电提高运行经济性为主，助力缓解系统调峰供需矛盾，支撑系统安全稳定运行。随着以特高压为骨干网架的大电网建设和风电、光伏发电等新能源快速发展，系统面临的安全稳定运行挑战更大，对紧急事故支撑、新能源消纳和系统平衡调节提出了新的要求。抽水蓄能凭借其容量大、工况多、速度快、安全可靠、经济性好等“五大技术经济优势”，在电力系统中的作用发挥得到进一步拓展，在保障大电网安全、促进新能源消纳、提升全系统性能中发挥重要作用，成为推动能源转型发展的重要支撑。随着以新能源为主体的新型电力系统建设，抽水蓄能的功能作用随之拓展，成为构建新型电力系统的关键性、基础性支撑。

2 新型电力系统的特征和面临的新挑战

如期实现碳达峰、碳中和目标是以习近平总书记为核心的党中央作出的重大战略决策[5]。推动实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军。党中央基于加强生态文明建设、保障国家能源安全、实现可持续发展作出了构建以新能源为主体的新型电力系统的重大部署，为能源电力行业转型发展提供了根本遵循。新型电力系统是传统电力系统的跨越升级，通过装备技术和体制机制创新，推动多种能源方式互联互济、源网荷储深度融合，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、开放互动、智能友好等特点，将呈现出三个方面的显著特征，也面临着三大新的挑战。

2.1 新型电力系统的特征

2.1.1 清洁低碳

突出新能源的主体地位，这是新型电力系统的核心特征。为实现碳减排，必须减小传统化石能源消耗，大力发展风能、太阳能等新能源。新能源将从当前的新增装机主体，逐步成为发电装机主体，最终成为电量主体。而火电等常规电源的装机比重将逐步下降，直至成为调节性和保障性电源。截至2020年底，我国风电、太阳能发电装机约5.3亿kW，占总装机容量的24%。预计到2030 年前后，我国风电、太阳能发电装机容量将达到12亿kW以上，成为第一大电源。到2060年前，新能源发电量占比将有望超过50%。

2.1.2 调节灵活

新能源具有随机性、间歇性和波动性的特点，随着新能源逐步成为电力供应的主体，电力系统电力平衡、安全稳定控制等将面临前所未有的挑战。同时，随着我国经济社会快速发展，产业机构不断优化，电力负荷持续增长，电力系统的峰谷差也逐步加大。要满足新能源大规模消纳需求，确保系统安全可靠供电，大力提升系统灵活调节能力势在必行。

2.1.3 数字智能

新型电力系统将带来源网荷储特性的深刻变化，发用电一体“产消者”大量涌现，电网侧呈现出以大电网为主导、多种电网形态相融并存的格局，电力系统的运行机理和平衡模式全面转变。要保持新型电力系统电力平衡，必须将数字化技术与传统电力技术深度融合，通过信息化、网络化和智能化等手段，预判新能源波动、统筹网源荷储资源、保持电力瞬态稳定、预控电网输变电设备的潜在风险，实现电能高质量可靠供应与电网安全稳定运行。

2.2 构建新型电力系统面临的新挑战

2.2.1 系统平衡的挑战

由于新能源规模的快速增长，电网中的电力净负荷情况将从过去的“驼峰曲线”逐渐向“鸭型曲线”转变。光伏日出上网、日落下网，是不可调节的可再生能源，用电早高峰来临时光伏强度还不足，晚高峰来临前光伏受日落影响出力迅速下降，午间日照最强时段往往处于用电低谷，与“双峰”负荷需求不匹配。风电间歇性、波动性强，出力预测精度不高，出现突发波动时极易造成供需不平衡。同时，随着作为当前调峰电源的主力军的火电比重逐渐下降，将会更加削弱电力系统的调节能力，尤其会降低电网低谷调节空间，在负荷低谷时段受新能源大发和调节能力不足的双重影响，电力系统将面临异常严峻的调节形势。

“能干什么？争取考研究生，争取好工作，争取能在北京留下来呗。”柳哥习惯性地睡前刷手机，惨白的光打在他脸上。

2.2.2 安全风险的挑战

在新型电力系统中，电网结构日趋复杂，电力电子设备广泛应用，交流电网薄弱，系统扰动易引发交直流、送受端电网连锁反应，波及范围可能扩大到跨区电网。电力系统由以同步机为主向电力电子化转变，出现了5～300Hz中频带涉网稳定新问题。新能源的大规模接入将带来系统转动惯量持续下降，风电属于弱转动惯量，光伏为零转动惯量，一次调频整体性能显著降低，大功率缺失极易诱发全网频率稳定问题。此外，在特高压直流电网中，如果出现直流闭锁事故，会在负荷侧造成大量电力缺口，容易引起频率和电压振荡，将对交直流混合运行系统带来极为严重的破坏性影响。

2.2.3 经济运行的挑战

建设以新能源为主体的新型电力系统，推动新能源高速发展，需要源、网、荷、储各方面以及相关各类配套设施的巨大投入，电力投资将保持较高水平，从而推高整个系统的供电成本。由于新能源出力的间歇性和波动性，新能源的局部平衡成本巨大，甚至出现弃风、弃光现象，降低电力系统整体经济运行水平。为应对电力系统“双峰”负荷需求，如果增加电源冗余将进一步推高供电成本，降低运行效率。如果因供需不平衡导致局部电力短缺，更将对经济社会带来非常不利影响。

3 抽水蓄能在新型电力系统中的作用分析

构建新型电力系统，是一项极具挑战性、开创性的战略性工程。实现以新能源供给为主体，增强系统调节能力，提高系统数字化智能化水平，保障电网安全稳定经济运行和可靠供电，是构建新型电力系统需要解决的主要矛盾。应对构建新型电力系统的新形势新挑战，抽水蓄能的功能优势将进一步释放，其作用和定位也将进一步拓展，在新型电力系统中主要发挥基础性调节作用、综合性保障作用和公共性服务作用。

3.1 基础性调节作用

随着新能源装机和电量比重持续上升，火电并网容量占比逐渐减少，以抽水蓄能为代表的调节电源规模持续扩大，将成为提供系统灵活性调节能力的主体，实现从渐变到替变、从量变到质变的发展。在调峰方面，抽水蓄能作为目前唯一的快速、可控、大容量、环保储能手段，可抽水和发电双向灵活调节，能更好地适应新能源的反调峰特性，有效缓解因新能源不稳定导致的高峰负荷供给问题和因低谷时段新能源大发导致的消纳困难问题。在调频方面，抽水蓄能机组启停时间短、调节速度快，具有双倍于额定容量的调节能力，可有效应对新能源出力波动造成的供需不平衡问题，确保系统频率稳定。在调相方面，抽水蓄能有发电调相、抽水调相等多种调相工况，可进相、滞相运行，具备灵活、快速、宽幅无功调节能力，更可以通过自动电压控制功能实现无功自动跟踪调节，可有效缓解新型电力系统中日益复杂无功平衡问题，确保系统电压稳定。

3.2 综合性保障作用

抽水蓄能是具有发电、抽水、调相三种运行工况的同步机组，多种运行工况转换时间在秒级至分钟级之间，可灵活开展顶出力、切负荷等操作，是新型电力系统安全防御体系的重要组成部分。可深入参与电力系统“三道防线”建设。在负荷低谷时段发生直流闭锁时，抽水蓄能机组可以以毫秒级响应安全切除抽水机组额定负荷，有效应对电网大规模功率缺额冲击。目前华东电网将抽水蓄能纳入安控切机策略，东北电网将抽水蓄能纳入低频切泵策略，华中电网已经完成安控切机测试，山东电网将泰山电站纳入大功率缺额决策系统，抽水蓄能已经成为保障电力系统安全稳定的坚强壁垒，可为系统提供大量机械转动惯量。据统计，多数抽水蓄能机组转子转动惯量达到了7000～9000t·m2，不仅是风、光等新能源机组所不具备的，甚至远远超过了火电机组。抽水蓄能的转动部件提供的大量机械转动惯量，可以有力增强电力系统抗扰动能力，维持系统动态和静态频率稳定。可为电力系统提供“黑启动”电源。在新型电力系统出现极端事故造成系统全“黑”时，抽水蓄能电站可仅使用电站自身存储的能量完成自启动，继而带动无启动能力的电源，最终以点带面实现整个电网系统的恢复，成为系统“最后一根火柴”，守住新型电力系统的安全底线。

3.3 公共性服务作用

抽水蓄能电站具有大规模储存优势，可通过对不同价值、不同质量电能的时空转换，把低价值能源转换成高价值能源。同时，抽水蓄能具有源网荷储协同优势，可以有效改善源、网、荷、储各环节运行条件，优化系统能源资源的利用效率，显著提升新型电力系统运行整体经济性。

对供给侧，通过发挥抽水蓄能灵活调节作用，可以有效提升新能源消纳能力，减少弃风、弃光现象。同时，抽水蓄能可有效减少系统中各类发电机组出力变化和启停调节，可明显改善机组运行状况，提高机组运行效率。

对电网侧，抽水蓄能作为电网稳定调节的重要手段，通过有功、无功的迅速调节，可作为电网潮流控制的重要手段，保障大电网安全稳定。

对储能侧，抽水蓄能作为当前电力系统最成熟的储能方式，具有容量大、安全可靠等显著优势，可与当前其他各类储能技术协同配合，实现功能互补，提升系统整体灵活调节能力。

对用户侧，抽水蓄能可提升供电安全可靠水平，有效改善电能供应质量，系统中所有用户将为之受益。同时，抽水蓄能也具备负荷属性，可有效缓解传统负荷的刚性，提升网荷互动能力和需求侧响应能力。

对系统整体，抽水蓄能增强了电力系统灵活调节能力，为系统提供了大量机械转动惯量，提高了新能源消纳能力和系统安全可靠水平，可有效提升各类能源利用率，改善系统中各类设备运行条件，降低发电机组能耗水平，减少化石燃料消耗和污染排放，优化电力系统投资结构，将体现出显著的经济效益、环保效益和社会效益。

综上所述，在新型电力系统中，抽水蓄能的作用已在传统的“蓄能”上进行了全面拓展，其在传统电力系统发电、变电、输电、配电等环节的基础上，发挥了“稳电”“调电”“保电”等作用，本质上是新型电力系统的基本组成部分，是保障电力系统安全稳定运行，促进可再生能源大规模发展的重要保障，是推动能源转型发展，实现“双碳”目标的重要支撑。

4 推动抽水蓄能高质量发展的建议

随着抽水蓄能中长期发展规划的出台和电价政策的逐步落地，抽水蓄能迎来了加快发展的重要窗口期。现阶段必须立足抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用，科学有序推动中长期规划落地，实现抽水蓄能产业高质量发展。

一是深化政策研究，推动政策完善。要结合抽水蓄能功能作用，继续深化产业政策研究，精准评价电站作用效益，推动完善新形势下抽水蓄能规划理论、投资体制、市场化运营、能耗双控管理和碳排放统计核算等相关政策，为抽水蓄能持续健康发展营造有利条件。

二是强化科技创新，提升发展质量。大力推进智慧化管控、机械化施工和绿色建造，加大新材料、新技术、新设备、新工艺应用。推进先进信息通信技术、控制技术、能源技术与抽水蓄能电站建设相融合，提高电站数字化智能化水平。强化抽水蓄能核心技术攻关，逐步解决“卡脖子”问题，确保核心技术和关键设备自主可控。关注关联产业技术进步，积极开展压缩空气储能、飞轮储能等新技术研究，促进优势互补、协同发展。

三是完善标准体系，促进规范发展。发挥技术标准的基础性、引领性、战略性作用，提升规划设计、工程建设、生产运维等领域标准覆盖度，完善智能抽水蓄能电站基础类、应用类、平台类标准，尽快形成一套完备的行业标准体系，助力抽水蓄能产业规范发展。

四是坚持规划引领，确保有序发展。坚持以规划为引领，以系统需求为导向，统筹电网需求与资源条件，加强省际间和区域内资源统筹考虑和优化配置，严格执行基本建设程序，确保抽水蓄能有序发展。

五是加强资源整合，实现科学发展。进一步深化抽水蓄能产业链之间的经验交流、开放合作，积极构建共建共享、合作共赢的抽水蓄能发展“生态圈”，推动抽水蓄能产业科学发展。