抽水蓄能在新型電力系統中的功能作用分析

劉長義，謝勇剛

（國網新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

當前，能源轉型不斷深化，清潔低碳、安全高效的能源體系加快構建。2020年9月，習近平總書記提出我國2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標，并于2021年3月強調要構建以新能源為主體的新型電力系統，為能源轉型發展按下了“快進鍵”。隨著新能源高比例、大規模接入，電力系統安全穩定與經濟運行面臨新的挑戰，對系統靈活調節能力提出了更高要求。中共中央、國務院發布的《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[1]，強調要加快推進抽水蓄能和新型儲能規模化應用，加快形成以儲能和調峰能力為基礎支撐的新增電力裝機發展機制。國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》[2]，提出要加快建設新型電力系統，制定新一輪抽水蓄能電站中長期發展規劃，完善抽水蓄能發展的政策機制。國家發展改革委、國家能源局先后制定了《關于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》[3]、《抽水蓄能中長期發展規劃（2021～2035年）》[4]，推動抽水蓄能發展進入了新階段。面對抽水蓄能產業跨越式發展新形勢，進一步分析抽水蓄能在新型電力系統中的功能作用，明確抽水蓄能發展定位，對于推動抽水蓄能產業高質量發展具有重要意義。

1 抽水蓄能功能作用發展概況

抽水蓄能通過可逆式水輪發電機實現電能和水的重力勢能相互轉換，實現電能的充放和功率的調節，具有調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動等“六大功能”。抽水蓄能的發展和在系統中的作用與不同時期電力系統特點和調節需求息息相關。早期電力系統還沒有形成大范圍聯網，電源以火電為主，外來電較少，裝機容量總體偏緊，系統調峰資源緊張。抽水蓄能在系統中的作用主要以調峰填谷、配合火電核電提高運行經濟性為主，助力緩解系統調峰供需矛盾，支撐系統安全穩定運行。隨著以特高壓為骨干網架的大電網建設和風電、光伏發電等新能源快速發展，系統面臨的安全穩定運行挑戰更大，對緊急事故支撐、新能源消納和系統平衡調節提出了新的要求。抽水蓄能憑借其容量大、工況多、速度快、安全可靠、經濟性好等“五大技術經濟優勢”，在電力系統中的作用發揮得到進一步拓展，在保障大電網安全、促進新能源消納、提升全系統性能中發揮重要作用，成為推動能源轉型發展的重要支撐。隨著以新能源為主體的新型電力系統建設，抽水蓄能的功能作用隨之拓展，成為構建新型電力系統的關鍵性、基礎性支撐。

2 新型電力系統的特征和面臨的新挑戰

如期實現碳達峰、碳中和目標是以習近平總書記為核心的黨中央作出的重大戰略決策[5]。推動實現“雙碳”目標，能源是主戰場，電力是主力軍。黨中央基于加強生態文明建設、保障國家能源安全、實現可持續發展作出了構建以新能源為主體的新型電力系統的重大部署，為能源電力行業轉型發展提供了根本遵循。新型電力系統是傳統電力系統的跨越升級，通過裝備技術和體制機制創新，推動多種能源方式互聯互濟、源網荷儲深度融合，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、開放互動、智能友好等特點，將呈現出三個方面的顯著特征，也面臨著三大新的挑戰。

2.1 新型電力系統的特征

2.1.1 清潔低碳

突出新能源的主體地位，這是新型電力系統的核心特征。為實現碳減排，必須減小傳統化石能源消耗，大力發展風能、太陽能等新能源。新能源將從當前的新增裝機主體，逐步成為發電裝機主體，最終成為電量主體。而火電等常規電源的裝機比重將逐步下降，直至成為調節性和保障性電源。截至2020年底，我國風電、太陽能發電裝機約5.3億kW，占總裝機容量的24%。預計到2030 年前后，我國風電、太陽能發電裝機容量將達到12億kW以上，成為第一大電源。到2060年前，新能源發電量占比將有望超過50%。

2.1.2 調節靈活

新能源具有隨機性、間歇性和波動性的特點，隨著新能源逐步成為電力供應的主體，電力系統電力平衡、安全穩定控制等將面臨前所未有的挑戰。同時，隨著我國經濟社會快速發展，產業機構不斷優化，電力負荷持續增長，電力系統的峰谷差也逐步加大。要滿足新能源大規模消納需求，確保系統安全可靠供電，大力提升系統靈活調節能力勢在必行。

2.1.3 數字智能

新型電力系統將帶來源網荷儲特性的深刻變化，發用電一體“產消者”大量涌現，電網側呈現出以大電網為主導、多種電網形態相融并存的格局，電力系統的運行機理和平衡模式全面轉變。要保持新型電力系統電力平衡，必須將數字化技術與傳統電力技術深度融合，通過信息化、網絡化和智能化等手段，預判新能源波動、統籌網源荷儲資源、保持電力瞬態穩定、預控電網輸變電設備的潛在風險，實現電能高質量可靠供應與電網安全穩定運行。

2.2 構建新型電力系統面臨的新挑戰

2.2.1 系統平衡的挑戰

由于新能源規模的快速增長，電網中的電力凈負荷情況將從過去的“駝峰曲線”逐漸向“鴨型曲線”轉變。光伏日出上網、日落下網，是不可調節的可再生能源，用電早高峰來臨時光伏強度還不足，晚高峰來臨前光伏受日落影響出力迅速下降，午間日照最強時段往往處于用電低谷，與“雙峰”負荷需求不匹配。風電間歇性、波動性強，出力預測精度不高，出現突發波動時極易造成供需不平衡。同時，隨著作為當前調峰電源的主力軍的火電比重逐漸下降，將會更加削弱電力系統的調節能力，尤其會降低電網低谷調節空間，在負荷低谷時段受新能源大發和調節能力不足的雙重影響，電力系統將面臨異常嚴峻的調節形勢。

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2.2.2 安全風險的挑戰

在新型電力系統中，電網結構日趨復雜，電力電子設備廣泛應用，交流電網薄弱，系統擾動易引發交直流、送受端電網連鎖反應，波及范圍可能擴大到跨區電網。電力系統由以同步機為主向電力電子化轉變，出現了5～300Hz中頻帶涉網穩定新問題。新能源的大規模接入將帶來系統轉動慣量持續下降，風電屬于弱轉動慣量，光伏為零轉動慣量，一次調頻整體性能顯著降低，大功率缺失極易誘發全網頻率穩定問題。此外，在特高壓直流電網中，如果出現直流閉鎖事故，會在負荷側造成大量電力缺口，容易引起頻率和電壓振蕩，將對交直流混合運行系統帶來極為嚴重的破壞性影響。

2.2.3 經濟運行的挑戰

建設以新能源為主體的新型電力系統，推動新能源高速發展，需要源、網、荷、儲各方面以及相關各類配套設施的巨大投入，電力投資將保持較高水平，從而推高整個系統的供電成本。由于新能源出力的間歇性和波動性，新能源的局部平衡成本巨大，甚至出現棄風、棄光現象，降低電力系統整體經濟運行水平。為應對電力系統“雙峰”負荷需求，如果增加電源冗余將進一步推高供電成本，降低運行效率。如果因供需不平衡導致局部電力短缺，更將對經濟社會帶來非常不利影響。

3 抽水蓄能在新型電力系統中的作用分析

構建新型電力系統，是一項極具挑戰性、開創性的戰略性工程。實現以新能源供給為主體，增強系統調節能力，提高系統數字化智能化水平，保障電網安全穩定經濟運行和可靠供電，是構建新型電力系統需要解決的主要矛盾。應對構建新型電力系統的新形勢新挑戰，抽水蓄能的功能優勢將進一步釋放，其作用和定位也將進一步拓展，在新型電力系統中主要發揮基礎性調節作用、綜合性保障作用和公共性服務作用。

3.1 基礎性調節作用

隨著新能源裝機和電量比重持續上升，火電并網容量占比逐漸減少，以抽水蓄能為代表的調節電源規模持續擴大，將成為提供系統靈活性調節能力的主體，實現從漸變到替變、從量變到質變的發展。在調峰方面，抽水蓄能作為目前唯一的快速、可控、大容量、環保儲能手段，可抽水和發電雙向靈活調節，能更好地適應新能源的反調峰特性，有效緩解因新能源不穩定導致的高峰負荷供給問題和因低谷時段新能源大發導致的消納困難問題。在調頻方面，抽水蓄能機組啟停時間短、調節速度快，具有雙倍于額定容量的調節能力，可有效應對新能源出力波動造成的供需不平衡問題，確保系統頻率穩定。在調相方面，抽水蓄能有發電調相、抽水調相等多種調相工況，可進相、滯相運行，具備靈活、快速、寬幅無功調節能力，更可以通過自動電壓控制功能實現無功自動跟蹤調節，可有效緩解新型電力系統中日益復雜無功平衡問題，確保系統電壓穩定。

3.2 綜合性保障作用

抽水蓄能是具有發電、抽水、調相三種運行工況的同步機組，多種運行工況轉換時間在秒級至分鐘級之間，可靈活開展頂出力、切負荷等操作，是新型電力系統安全防御體系的重要組成部分。可深入參與電力系統“三道防線”建設。在負荷低谷時段發生直流閉鎖時，抽水蓄能機組可以以毫秒級響應安全切除抽水機組額定負荷，有效應對電網大規模功率缺額沖擊。目前華東電網將抽水蓄能納入安控切機策略，東北電網將抽水蓄能納入低頻切泵策略，華中電網已經完成安控切機測試，山東電網將泰山電站納入大功率缺額決策系統，抽水蓄能已經成為保障電力系統安全穩定的堅強壁壘，可為系統提供大量機械轉動慣量。據統計，多數抽水蓄能機組轉子轉動慣量達到了7000～9000t·m2，不僅是風、光等新能源機組所不具備的，甚至遠遠超過了火電機組。抽水蓄能的轉動部件提供的大量機械轉動慣量，可以有力增強電力系統抗擾動能力，維持系統動態和靜態頻率穩定。可為電力系統提供“黑啟動”電源。在新型電力系統出現極端事故造成系統全“黑”時，抽水蓄能電站可僅使用電站自身存儲的能量完成自啟動，繼而帶動無啟動能力的電源，最終以點帶面實現整個電網系統的恢復，成為系統“最后一根火柴”，守住新型電力系統的安全底線。

3.3 公共性服務作用

抽水蓄能電站具有大規模儲存優勢，可通過對不同價值、不同質量電能的時空轉換，把低價值能源轉換成高價值能源。同時，抽水蓄能具有源網荷儲協同優勢，可以有效改善源、網、荷、儲各環節運行條件，優化系統能源資源的利用效率，顯著提升新型電力系統運行整體經濟性。

對供給側，通過發揮抽水蓄能靈活調節作用，可以有效提升新能源消納能力，減少棄風、棄光現象。同時，抽水蓄能可有效減少系統中各類發電機組出力變化和啟停調節，可明顯改善機組運行狀況，提高機組運行效率。

對電網側，抽水蓄能作為電網穩定調節的重要手段，通過有功、無功的迅速調節，可作為電網潮流控制的重要手段，保障大電網安全穩定。

對儲能側，抽水蓄能作為當前電力系統最成熟的儲能方式，具有容量大、安全可靠等顯著優勢，可與當前其他各類儲能技術協同配合，實現功能互補，提升系統整體靈活調節能力。

對用戶側，抽水蓄能可提升供電安全可靠水平，有效改善電能供應質量，系統中所有用戶將為之受益。同時，抽水蓄能也具備負荷屬性，可有效緩解傳統負荷的剛性，提升網荷互動能力和需求側響應能力。

對系統整體，抽水蓄能增強了電力系統靈活調節能力，為系統提供了大量機械轉動慣量，提高了新能源消納能力和系統安全可靠水平，可有效提升各類能源利用率，改善系統中各類設備運行條件，降低發電機組能耗水平，減少化石燃料消耗和污染排放，優化電力系統投資結構，將體現出顯著的經濟效益、環保效益和社會效益。

綜上所述，在新型電力系統中，抽水蓄能的作用已在傳統的“蓄能”上進行了全面拓展，其在傳統電力系統發電、變電、輸電、配電等環節的基礎上，發揮了“穩電”“調電”“保電”等作用，本質上是新型電力系統的基本組成部分，是保障電力系統安全穩定運行，促進可再生能源大規模發展的重要保障，是推動能源轉型發展，實現“雙碳”目標的重要支撐。

4 推動抽水蓄能高質量發展的建議

隨著抽水蓄能中長期發展規劃的出臺和電價政策的逐步落地，抽水蓄能迎來了加快發展的重要窗口期。現階段必須立足抽水蓄能在新型電力系統中的功能作用，科學有序推動中長期規劃落地，實現抽水蓄能產業高質量發展。

一是深化政策研究，推動政策完善。要結合抽水蓄能功能作用，繼續深化產業政策研究，精準評價電站作用效益，推動完善新形勢下抽水蓄能規劃理論、投資體制、市場化運營、能耗雙控管理和碳排放統計核算等相關政策，為抽水蓄能持續健康發展營造有利條件。

二是強化科技創新，提升發展質量。大力推進智慧化管控、機械化施工和綠色建造，加大新材料、新技術、新設備、新工藝應用。推進先進信息通信技術、控制技術、能源技術與抽水蓄能電站建設相融合，提高電站數字化智能化水平。強化抽水蓄能核心技術攻關，逐步解決“卡脖子”問題，確保核心技術和關鍵設備自主可控。關注關聯產業技術進步，積極開展壓縮空氣儲能、飛輪儲能等新技術研究，促進優勢互補、協同發展。

三是完善標準體系，促進規范發展。發揮技術標準的基礎性、引領性、戰略性作用，提升規劃設計、工程建設、生產運維等領域標準覆蓋度，完善智能抽水蓄能電站基礎類、應用類、平臺類標準，盡快形成一套完備的行業標準體系，助力抽水蓄能產業規范發展。

四是堅持規劃引領，確保有序發展。堅持以規劃為引領，以系統需求為導向，統籌電網需求與資源條件，加強省際間和區域內資源統籌考慮和優化配置，嚴格執行基本建設程序，確保抽水蓄能有序發展。

五是加強資源整合，實現科學發展。進一步深化抽水蓄能產業鏈之間的經驗交流、開放合作，積極構建共建共享、合作共贏的抽水蓄能發展“生態圈”，推動抽水蓄能產業科學發展。