新形势下我国抽水蓄能技术新突破与前景展望

路振刚，叶 宏，梁廷婷，徐亚楠，张 晨，谭学奇，安小丹，王超跃

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津市 300350；3.中国电力出版社有限公司，北京市 100005）

0 引言

党的二十大报告提到“积极稳妥推进碳达峰、碳中和”。在党中央、国务院的坚强领导下，抽水蓄能行业深入贯彻党的二十大精神，锚定“碳达峰、碳中和”目标，围绕构建新型能源体系建设，推动中国抽水蓄能事业实现新突破[1]。

抽水蓄能是目前技术最成熟、经济指标最优、能量规模最大的电力系统装置。具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等六大基础功能[2]，担负着确保电力系统安全可靠运行、统筹电网安全发展、提升新能源消纳水平和改善系统各环节性能等作用[3]。抽水蓄能是大电网安全稳定运行、新能源和可再生能源大规模接入电网的重要保障，是智能电网不可或缺的组成部分。“双碳”目标方案的提出，抽水蓄能愈加彰显其系统性、共享性等特点，已然成为构建新型电力系统的决定性因素和不可或缺的组成部分[4]。

“十二五”期间，机组及其附属设备（发电电动机，水泵水轮机，调速器系统，励磁装置，进水阀）[5]，主要辅助设备（主变压器，GIS 设备，高压电缆，发电机断路器，监控系统，继电保护系统，静止变频启动装置SFC）[6]等在关键领域取得重大技术突破并成功完成示范应用，打破了国外企业技术封锁和产品垄断格局，实现了机组成套设备的国产化设计制造[7，8]。“十三五”期间，围绕抽水蓄能电站智能化、抽水蓄能机组的灵活控制[9]、电站安全与控制、网源协调、先进施工装备及新材料应用等重点方向，稳步推动抽水蓄能技术提升和快速发展，着重推进高水头抽水蓄能机组[10]、变速抽水蓄能[11]、智能抽水蓄能电站[12]、抽水蓄能服务能源互联网[13]、全断面岩石隧道掘进机施工[14]等关键技术研究及示范应用。随着抽水蓄能工程建设技术不断突破，我国抽水蓄能技术也形成了一系列新的成果。

本文首先将回顾总结我国抽水蓄能电站自20 世纪90 年代至今的发展进程，重点介绍新形势下抽水蓄能电站的技术新突破，并针对未来的发展进行展望。

1 我国抽水蓄能电站的发展进程

1.1 递进发展期（20 世纪70 年代至90 年代末）

改革开放后，在严重缺电的形势下，各地加快了电源建设，为解决京津唐电网的调峰问题，国家开始建设潘家口大型混合式抽水蓄能电站。20 世纪80 年代中后期，北京十三陵、浙江天荒坪和广东广州抽水蓄能电站正式动工，山东泰安、河北张河湾、浙江桐柏、安徽响水涧、山西西龙池、安徽琅琊山、河南天池等抽水蓄能电站项目也在大力开展前期筹建工作。90 年代，先后建成了十三陵、天荒坪、广州抽水蓄能等大中型抽水蓄能电站，至2000 年底总装机容量累计5520MW。该阶段抽水蓄能电站单机容量、装机规模均达到较高标准，但机组设计制造极度依靠进口。

1.2 加速建设期（21 世纪前十年）

“十一五”时期，浙江桐柏、吉林白山、山东泰安、安徽琅琊山、河北张河湾、江苏宜兴、山西西龙池、湖南黑麋峰、河南宝泉、广东惠州、湖北白莲河等一批大型抽水蓄能电站相继建成投产。已建抽水蓄能总装机容量2005 年为5845MW，到2010 年底已达1.69 万MW，5 年新增1.11 万MW。并且大型抽水蓄能机组等设备的国产化进程不断加快，建设施工技术也日渐成熟。

1.3 完善增效期（2011 年以来）

“十二五”期间，有多个抽水蓄能电站相继投产，新开工项目开始向内地逐步推进。“十三五”期间，河北易县、内蒙古芝瑞、浙江宁海等一批项目开工建设；浙江仙居、江西洪屏、江苏溧阳等抽水蓄能电站先后投产发电。历经多年发展，中国已然成为世界上抽水蓄能电站数量最多的国家，技术也达到了世界领先水平。“十四五”期间，随着高水头、大容量抽水蓄能电站相继投产发电，使我国抽水蓄能技术具备了强大的竞争力，标志着我国的抽水蓄能电站步入了新阶段。截至2022年底，中国已投运抽水蓄能累计装机规模为4.58 万MW，已建和在建规模均居世界首位。

2 新形势下我国抽水蓄能技术新突破

当前稳步推进新型电力系统建设，新能源装机占比持续提高。受新能源规模快速增长及出力波动影响，抽水蓄能机组抽水工况运行强度显著提升，特别是在新能源装机规模偏大的华北、东北地区，对抽水蓄能的午间抽水需求较高，尤其华北已经出现午间抽水新能源消纳需求高于夜间抽水填谷需求的情况。抽水蓄能机组“两抽两发”覆盖率不断提高，为提升新能源利用水平、支撑能源电力转型发挥了不可或缺的重要作用。

随着抽水蓄能工程建设技术不断突破，机组水头和容量不断增大，性能也得到显著提升。我国通过研究大型抽水蓄能机组的自动控制技术、持续探索相关技术，并经过十多年的科研创新，在高水头大容量等抽水蓄能新特性方面形成了一系列成果和关键技术。

（1）攻克了水泵水轮机的动静流道参数匹配设计难题，并在大容量水泵水轮机稳定性方面取得了重大突破。解决了高水头、大容量机组刚强度设计的难题，研制出了我国首台400MW 级水泵水轮机。

（2）攻克了发电电动机通风冷却设计和双向重载推力轴承温升控制等重大技术难关，解决了大容量发电电动机电磁、通风和结构设计难题，研制出国内首台400MW 级发电电动机。

（3）攻克了高水头、大直径进水球阀技术难关，成功研制出最大难度系数双向过流高压球阀。成果已成功应用于浙江仙居、吉林敦化、浙江长龙山、河北丰宁等大型抽水蓄能电站。

（4）攻克了大型水泵水轮机的双向水力设计和双向高压球阀核心技术，解决了发电电动机双向重载推力轴承和通风冷却的关键技术问题。同时还解决了机组多工况转换及控制保护技术、机组和成套设备调试运行、系统集成等技术难题，自主研制出综合性能最优的大型抽水蓄能机组及成套设备并成功应用，建成了国际领先的试验研究平台，创建了完备的技术体系。

（5）发明了叶片进口边呈月牙形的新型转轮和进出口厚度相当的新型活动导叶，成功攻克了水力振源诱发的厂房振动和低水头并网困难的技术难题。有效降低了机组振动和压力脉动，尤其是无叶区压力脉动，其通频幅值降低了40%～60%；厂房振动幅值也大幅减小；“S”特性大幅改善，取消了非同步导叶，水泵工况空化性能改善，全水头运行范围内无空化。

（6）基于经验模态分析理论、等嫡原理和短时傅里叶变换方法，建立了抽水蓄能电站过渡过程压力反演分析预测数学模型，揭示了水泵水轮机旋转失速和动静干涉对过渡过程压力脉动影响机理，实现了抽水蓄能电站过渡过程压力精准预测。揭示了测压管路的压力波动传递特性及频响特性，提高了压力测试的准确性；提出了“频域分段—时域反演”的数据处理方法，解决了传统滤波方法导致的数据极值时刻偏移问题，完善了水力过渡过程现场试验测试技术体系。

同时，我国还制定了专项计划，瞄准国际先进技术，加快科研试验平台建设，结合丰宁抽水蓄能工程，深入研究了大容量变速机组在中国的研发、制造、建设、运行和管理中的一系列技术问题，通过自主创新解决了变速抽水蓄能机组重大装备制造关键技术问题，使我国掌握了变频交流励磁变速蓄能机组技术。

3 我国抽水蓄能未来展望

3.1 抽水蓄能快速发展面临挑战及建议

3.1.1 风-光-水-火-储多能互补联合运行挑战与机遇

党的二十大作出加快规划建设新型能源体系的重大决策部署。在新型能源体系的实现路径中，风-光-水-火-储多能互补是潜力空间巨大、技术经济可行的关键举措。风-光-水-火-储多能互补是指利用多种能源相互补充，解决能源供需矛盾，保护自然资源，促进生态环境良性循环。主要是指在电网中同时存在水电、火电、风电、光伏发电和抽水蓄能电站等多种电源，实现互补运行。

由于新能源发电具有较强的间歇性、随机性和波动性，电力系统对调频、调峰资源的要求更高；风电、光伏发电等新能源发电呈现出批量分散式供给，且多在远离负荷中心的西北地区，提升了电力系统的管理成本。随着高比例新能源电力并网，电力系统灵活性及安全性面临着巨大压力。面对现实挑战，抽水蓄能电站是解决电网负荷平衡的最佳方法，已经在国内外得到了成熟的经验，并在实际运行中显示出其在改善电网运行条件和提高经济效益方面的优越性。在资源集中或资源丰富并准备大规模开发的电网中，可以大力发展风电的同时建设一定规模的抽水蓄能电站，实现多能互补联合开发，这是能源资源优化配置的具体体现[15]。多能互补联合开发可以利用抽水蓄能电站的多种功能和灵活性来补偿风力发电的随机性和不均匀性，不仅能打破电网规模对风电等容量的限制，为大力发展风电提供条件，还能为电网提供更多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用的手段，改善电网的运行条件。对于资源丰富的地区，不论是外送还是就地消化，抽水蓄能发电和风力发电互补运行应成为发展趋势[16]。

3.1.2 源网荷储等合理配置问题

“源网荷储一体化”的本质是构建一个新型的电力系统，将大电网分解成多个层级，在大电网的主导下形成多个层级的电网，包括区域（省）级、市（县）级、园区（居民区）级等。重点是以负荷需求为中心，通过各个电能资源要素的就地、就近、灵活调节，实现永续能源互补、源网协调、网荷互动、网储联同、源荷匹配的电量交互形式，充分发挥负荷侧的调节能力。

“源网荷储一体化”是建立新型电力系统的要求，这种模式将各类能源，特别是新增的各种新能源从“单打独斗”走向“合作共赢”，建立起可靠的电力供需平衡保障机制。目前在发展源网荷储，特别是大基地式源网荷储一体化方面，仍然存在一些问题。例如：①项目建设成本较高；②市场价格机制尚未形成；③电网对源网荷储的态度不积极；④相关技术细则以及标准有待完善等。

大基地式新能源项目装机容量较大，现有的项目通常采用源网荷储一体化、多能互补项目等模式进行开发建设，有的还结合新能源制氢、新能源供热等。为了更顺利地开展大基地式源网荷储一体化项目的开发和运营，提出以下建议：①规划引领、加强协调，完善体制机制建设；②先行先试、分层实施，保障示范项目成效；③加大力度、重点攻关，解决系统技术困境；④鼓励创新、百花齐放，促进设备技术创新等[17]。

3.1.3 机组频繁启停具有挑战性

在发电工况和抽水工况中，抽水蓄能机组在启停过程中各部件的振摆值达到峰值。特别是水导管在启停过程中达到稳定运行时的8 ～10 倍，顶盖则达到稳定运行时的14 ～25倍。因此，抽水蓄能机组在启停过程中，各部件承受了较稳定运行时数倍的应力。抽水蓄能机组的顶盖螺栓、各部件连接螺栓和密封件等结构面临较大挑战。频繁启停和低负荷发电会加速各部件的疲劳损伤，对抽水蓄能机组的寿命产生影响，不利于抽水蓄能电站的安全稳定运行。

为提高抽水蓄能电站设备运行的可靠性和电站安全性，确保电网的安全运行，应在满足电网现有调度需求的前提下优化抽水蓄能电站的调度运行。建议采取以下措施：①合理制定机组运行时长；②合理设置机组启停次数；③尽量避免在高振动区运行等。

3.2 抽水蓄能技术发展展望

3.2.1 建设数字化智能抽水蓄能电站

抽水蓄能数字化智能电站是从数字化的角度解答国家“双碳”目标、“抽水蓄能中长期规划”“新型电力系统”“能源革命”“数字中国”的创新答案。它以抽水蓄能电站全寿命周期管理为理念，以自动化、网络化、信息化为基础，融合数字化技术、信息技术和现代工业技术。通过数字孪生技术和BIM 正向设计，实现“高效设计、标准建设、少人干预、自主运行”[12]。它的建设可进一步提升设计过程标准化水平、提升项目基建过程管控水平、提升电站安全运行水平、提升企业管理效能效益。同时也可缩短工程前期基建周期、降低建设造价成本，并进而整体提高运行期的安全和生产管理技术水平，减少运营成本，实现抽水蓄能电站各阶段综合增值效益。

我国在电站数字化和智能化方面开展了大量工作。在设计阶段，以浙江仙居、江西洪屏、安徽金寨、陕西镇安等为代表的抽水蓄能电站，在数字化三维设计移交方面开展了大量工作，具备全站三维设计成果数字化移交和可视化管理。在施工设计一体化、工程建设管理方面也开展了深化应用。目前，浙江仙居抽水蓄能电站已建立三维可视化运维系统，基于BIM 模型数据，通过BIM 轻量化引擎，以WebGL 技术实现在浏览器中的可视化渲染。接入了工业电视、部分实时测点信息，基本实现了以BIM 模型为载体的多方数据源集中三维可视化。

3.2.2 建设大型交流励磁变速抽水蓄能机组

传统的抽水蓄能机组采用同步发电机，发电运行时通过控制水轮机导叶的开度来调节电机的转速，使电机发出稳定频率的电能，但是这种调节方式的响应速度较慢，而且在电机运行时，电机对输入功率的调节能力有限。大型交流励磁变速抽水蓄能机组是一种利用电力泵将低电价电能转化为高位水势储存，然后再利用水轮机发电的装置。变速抽水蓄能电站采用交流励磁电机作为发电电动机，使用变频器为转子提供交流励磁[18]。由于采用交流励磁，转子电流的频率和幅值均能够调节，为了寻求更高效率的工作状态，该机组允许电机的转速变化，在转速变化时通过调节转子的频率实现电机的变速恒频运行，这种运行方式为电站带来以下优势：①电动状态的自动频率运行；②发电工况的效率更高；③更宽的水轮机运行范围；④抑制功率波动等。

3.2.3 建设中小容量全功率变频抽水蓄能机组

传统抽水蓄能机组通常是定速运行机组，运行效率相对较低，调节速度较慢。在水泵工况下，只能以满负荷抽水，无法根据系统需求进行抽水功率的调节。此外，它也无法在水泵工况下进行无功调节，无法满足电网快速准确地进行频率调节的要求。采用变速技术的抽水蓄能机组可以快速调节有功功率和无功功率，提高系统的稳定性和响应能力。它还可以实现电站和系统的柔性连接，具备大范围的无功补偿能力，有效地控制电网负荷频率，平衡可再生能源引起的频率波动，提高新能源的利用效率。且随着新能源和分布式能源的快速发展，电力系统的需求和结构正在发生深刻变化，对灵活、快速、多变的储能技术需求也日益增加。中小型抽水蓄能电站以其建设周期短、布局灵活、地形条件要求低等优势，可以更好地适应新能源和分布式能源的发展需求。同时，中小型抽蓄电站还具有投资少、见效快、对输电线路建设要求较低等优点，可以作为分布式能源的重要组成部分，中小型抽水蓄能电站是抽水蓄能发展方向之一。因此，中小容量全功率变频抽水蓄能机组已成为实现高比例消纳新能源的有效手段之一[19]。中小容量全功率变频抽水蓄能机组具有以下优势：扩大调节范围、提高系统稳定性、能够进行无功补偿和吸收、快速响应机组启停和工况转换、提高运行效率、实现发电机与电网分离、提升新能源消纳能力等。因此，中小容量全功率变频技术的发展和工程应用对变速抽水蓄能电站的建设具有重要意义。通过研究中小容量全功率变频抽水蓄能机组在省级电网中的应用，可以实现局部电网的稳定和节省输电线路投资等目标。

4 结束语

为了实现“碳达峰、碳中和”的目标，我国需要将重点放在新能源领域，主要推动可再生能源的发展。为此，需要大幅提升电力系统的调节和储能能力。抽水蓄能是目前最成熟、经济性最好、安全性最高、最适合大规模开发的电力系统灵活调节电源和储能设施，与风电、太阳能发电、核电等的联合运行效果最好。加快发展抽水蓄能是建设新型电力系统的紧迫要求，也是确保电力系统安全稳定运行的重要支撑，同时是大规模发展可再生能源的重要保障。此外，抽水蓄能项目的投资规模大，产业链条长，具有强大的带动作用，对经济、生态和社会等方面都带来明显综合效益。经过多年的发展，抽水蓄能已成为推动中国能源转型、确保能源安全以及促进经济发展的重要力量。