新型电力系统场景下抽水蓄能的应用探讨

王 磊，魏 敏

（国网新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

“双碳”目标加速了我国能源电力体系向清洁低碳安全高效转型的进程。2021年中央财经委员会第九次会议中指出，要构建以新能源为主体的新型电力系统。抽水蓄能得益于双向迅速调节能力和对新能源反调峰特性的适应能力，是新型电力系统中的重要组成部分，国家电网有限公司于3月19日发布了加快抽水蓄能开发建设六项重要举措，积极推动抽水蓄能发展。国家能源局发布了抽水蓄能中长期规划，到2030年，抽水蓄能投产总规模将达到1.2亿kW左右。在当前电力系统迫切转型、新能源爆发式发展、储能技术尚未实现质变的形势下，抽水蓄能仍然是强化电力系统调节能力的主力军，在未来一段时期面临更广阔的发展空间，承载更重要的调节作用。本文主要研判未来抽水蓄能在电力系统中的功能定位，提出抽水蓄能服务新型电力系统功能模型，为抽水蓄能发展和作用发挥提供参考。

1 新型电力系统发展形势

“碳达峰、碳中和”目标下，传统电力系统将向以新能源为主体的新型电力系统跨越升级。新型电力系统是以新能源为主体的电力系统，承载着能源转型的历史使命，是清洁低碳、安全高效能源体系的重要组成部分，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动的基本特征。推动构建新型电力系统，新能源将逐渐成为电源主体，“十三五”期间，我国新能源装机年均增长约6000万kW，增速为32%，是全球增长最快的国家。从装机占比来看，截至2020年底，我国风电装机容量2.8亿kW、光伏发电装机容量2.5亿kW，新能源在电力装机总量中的占比约24%；从发电量占比来看，截至2020年底，新能源发电量占整体发电量的9.5%。未来，构建以新能源为主体的新型电力系统，无论是从装机占比还是从发电量占比来看，新能源都具有较大的提升空间。然而随着新能源大规模并网，电力电子设备大量应用，系统技术基础、控制基础和运行机理将发生深刻变化，面临的复杂性和不确定性大幅提升，电力电量平衡、安全稳定控制等将面临前所未有的挑战。新形势下，以新能源供给为主体，增强系统调节能力，保障电网安全稳定运行和可靠供电，是构建新型电力系统需要解决的主要问题。

2 抽水蓄能服务新型电力系统功能模型

抽水蓄能作为电力系统最为优质的调节电源，在新型电力系统中，其基础性、综合性、公共性特点更为凸显。现阶段，抽水蓄能、燃气发电等灵活调节电源装机容量占比小，火电依然发挥着基础性调节作用。随着“碳达峰、碳中和”目标的加速推进，新能源装机和电量比重持续上升，火电并网容量逐渐减少，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“主力军”，在新型电力系统调节电源中充分发挥基础性调节作用。在交直流混联大电网中，高比例新能源会带来系统供需平衡波动、安全风险提升、惯量水平下降等一系列问题，抽水蓄能作为调节电源快速响应系统调节需求，作为可切除负荷保障系统安全稳定，同时可提供转动惯量提高系统抗扰动能力，将在保障新型电力系统安全稳定运行上充分发挥综合性保障作用。新型电力系统源网荷储各环节将发生重大转变，系统各环节对调节资源的需求更加迫切，抽水蓄能运行惠及电网、供给侧各类电源和负荷侧所有用户，将在促进新型电力系统“源网荷储协同互动”上充分发挥公共性服务作用[1]。总体来看，抽水蓄能作为新型电力系统的重要组成部分，是新型电力系统中调节电源的主体、系统安全稳定运行的关键支撑、新能源大规模发展的重要保障。

本文在梳理抽水蓄能的功能转变和在新型电力系统中功能定位的基础上，提出了抽水蓄能服务新型电力系统功能模型，如图1所示。

图1 抽水蓄能服务新型电力系统功能模型Figure 1 The function model of pumped storage in new power system

六大功能是抽水蓄能的基础能力。主要包括调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动。

三大作用是抽水蓄能服务当今电网的主要应用场景[2]。一是全力保障大电网安全。作为紧急备用电源，抽水蓄能机组启停、工况转换和负荷调节非常迅速，保障电力系统稳定运行；作为系统尖峰出力和低谷负荷，在“双峰”期间保持高强度运行，保障电力系统供需稳定；作为系统稳控装置，具备低频切抽水机组、高频切发电机组的瞬时相应能力，深入参与“三道防线”建设；作为黑启动电源，可在大停电发生后迅速恢复供电，为极端事故下的电力系统快速有序恢复提供了有力保障。二是有力促进新能源消纳。在新能源大发且电力系统调节能力不足的情况下，抽水蓄能通过抽水工况运行，作为电力负荷直接消耗新能源发电量，减少新能源弃电。同时抽水蓄能顶峰发电使电网安全稳定度过短暂的尖峰时段，从而在平峰和低谷时段降低全网火电机组技术出力，为新能源发电腾挪空间；在系统备用容量严重不足的情况下，抽水蓄能通过备用的方式保证了关键时刻电力系统还有足够的紧急备用和调节能力，以常规电源备用替代的方式为新能源发电腾挪空间，间接促进新能源消纳。三是助力提升电力系统性能。抽水蓄能可以快速大范围调整出力，能适应系统负荷急剧变化，提高电网频率合格率，促进跨区功率平衡；通过调相工况运行，可以达到维持电力系统电压动态稳定的作用；能够快速适应断面潮流变化，在个别地区承担支撑当地省间交易、跨区联络稳定的重要功能。

六大提升是抽水蓄能为新型电力系统带来的全面支撑作用[1]。一是有效应对高比例新能源为电力系统带来的潜在安全影响，提升电力系统安全稳定运行能力。新型电力系统中，电网逐步形成以交直流混联大电网为主干、各级电网相互协调的新形态，电网控制更为复杂，风险防控要求更高。抽水蓄能承担系统紧急备用功能，凭借快速启停、快速功率调节特性随时响应突发调节需求。同时抽水蓄能负荷低谷水泵运行深入参与电力系统“三道防线”建设，在电力系统出现严重故障时，能以毫秒级响应切除负荷，应对电网大规模功率缺额冲击。二是有效应对高比例新能源带来的系统调峰困难，提升电力系统大容量调峰能力。抽水蓄能具有抽水和发电双向调节能力，凭借双倍调峰容量优势，可有效缓解因新能源出力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，尤其是通过中午和夜间抽水，完美匹配了新型电力系统午间光伏和夜间风电大发引起的反向调峰特性。三是有效应对高比例新能源的随机性和波动性，提升电力系统快速调节能力。抽水蓄能可凭借出力调节速率优势进行负荷快速跟随，助力电力系统更好地适应因风电、光伏的随机性、波动性造成的系统频率波动，有效缓解光伏早晚高峰出力陡增陡降造成的快速调节问题，满足新能源“靠天吃饭”带来的灵活调节需求。四是有效应对高比例新能源出力与电力系统负荷需求不匹配，提升新能源利用水平。传统电力系统生产模式是“源随荷动”，强调实时供需平衡。新型电力系统中新能源装机远超实际负荷，新能源大发时，系统因负荷水平较低而产生弃电，新能源出力不足时恰逢用电高峰而出现电力短缺。抽水蓄能通过储能调节，将新能源电力在不同时间进行存储和释放，从而实现新能源发电与电力负荷在时间上的解耦，提升新能源利用水平。五是有效应对高比例新能源电力系统转动惯量不足，提升电力系统抗扰动能力。在新型电力系统中，电源结构由可控连续出力的煤电装机占主导，向新能源发电装机占主导转变，高比例电力电子元件接入，使电力系统转动惯量快速降低，对系统稳定带来严重影响。在新型电力系统中火电并网比例下降后，相较其他储能电源，抽水蓄能机组连续挂网运行可以为系统提供转动惯量，增强电力系统抗扰动能力，维持系统稳定。六是有效应对高比例新能源上网带来的高调节成本问题，提升电力系统整体经济性。抽水蓄能单位千瓦造价水平较低，是整体经济性最好的灵活调节电源。抽水蓄能通过常规电源替代，可以有力减少启停成本，降低排放。通过与各类新型储能和灵活调节技术配合联动，可有力促进新能源消纳，降低电力系统调节成本，提升全系统运行的经济性。

3 结束语

新形势下，抽水蓄能走进发展“快车道”，通过研究抽水蓄能在“碳达峰、碳中和”及新型电力系统发展和阶段功能定位的变化，合理安排抽水蓄能运行方式，对提升新能源利用水平，服务“碳达峰、碳中和”具有重要的促进作用。本文在梳理新型电力系统发展趋势基础上，提出了抽水蓄能服务新型电力系统功能模型，阐述了抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用，为下一步抽水蓄能发展和服务电网作用发挥提供参考。