“双碳”背景下抽水蓄能电站的发展与展望

任海波，余 波，王 奎，王罗斌

（1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，成都 610039；2.西华大学能源与动力工程学院，成都 610039）

0 引言

我国抽水蓄能发展初期面临技术缺乏和经验不足的问题，经过一系列抽水蓄能工程的建设，在抽水蓄能电站设计建设、机组制造、运营管理等方面积累了丰富的经验。

进入“十四五”时期，在能源结构转型、构建新型电力系统、实现“双碳”目标的背景下，抽水蓄能电站发展遇到了新的机遇[1]。随着风、光等间歇性新能源的快速发展，新能源大规模并网时会对电力系统的稳定运行造成冲击，因此需要一定的储能电源保障电网安全。抽水蓄能是一种安全稳定、经济环保的储能方式，同时抽水蓄能电站具有工况转换灵活、稳定性强等优势，将在以新能源为主体的新型电力系统构建过程中发挥十分重要的作用[2]。

抽水蓄能电站作为一种同时具备电网调峰、填谷双重功能的大规模储能电源，能够有效承担电力系统的调峰任务，减少污染大、成本高的火电调峰机组的投入，降低煤炭资源的使用，从而实现调峰减碳；抽水蓄能电站在用电负荷低谷时，利用火电厂发出的多余电量作为抽水电源，可以提高火电机组运行的稳定性与设备利用率，进而实现填谷减碳；抽水蓄能电站是一种清洁能源电源、储能电源与调节电源，将有效助力“碳达峰”“碳中和”目标的实现[3]。本文简要概述国内抽水蓄能电站的历史进程，重点阐述抽水蓄能电站的发展现状，并针对抽水蓄能电站未来的发展方向提出展望。

1 我国抽水蓄能电站的历史进程

1.1 建国之初抽水蓄能电站的建设

建国之初，我国抽水蓄能电站的发展面临众多挑战。20 世纪60 年代完成了中国第一座混合式抽水蓄能电站——岗南水电站的建设。1966年10月，岗南电站水库续建工程开工建设；1968 年，一台装机容量为11 MW 的抽水蓄能机组安装完毕并开始投产发电。随着我国水电技术的快速发展，两台单机容量为11 MW 的国产抽水蓄能机组于1972 年安装在密云水库电站[4]。我国抽水蓄能电站建设与运营实践，从岗南和密云这两座小型混合式抽水蓄能电站的正式投运开始。

1.2 改革开放之后抽水蓄能电站的建设

20世纪80年代，随着经济的快速发展与电网规模的不断扩大，国家相关部门进行了抽水蓄能电站资源普查与规划选点工作，提出了抽水蓄能电站未来的发展方向。新一轮抽水蓄能电站的开工建设，培养了一批设计、施工、监理等高素质工程建设人才[5]，为我国抽水蓄能技术的学习提供了实践机会并积累了宝贵经验。1992年，采用可变速抽水蓄能机组的潘家口混合式抽水蓄能电站的正式投运，迎来了我国抽水蓄能电站建设的第一个高潮。

1.3 21世纪初抽水蓄能电站的状况

进入21 世纪，伴随着我国经济体制、电力体制改革的深入，抽水蓄能电站开发建设方式有了重大改变，实现了从学习借鉴国外经验到独立自主的转变。国内抽水蓄能电站发展进程见图1[6]。国网新源控股有限公司和南方电网调峰调频发电有限公司的成立，标志着我国抽水蓄能开始了专业化发展之路[7]。通过专业化运营，抽水蓄能电站建设实现了机械化施工、智慧化管控和标准化建设。抽水蓄能技术在相关高校、科研单位、设计制造单位的共同努力下，取得了抽水蓄能电站可逆式机组、计算机监控、调速、励磁、保护等方面的全面突破；同时250 MW、300 MW、375 MW 抽水蓄能电站机组成套设备的研制，打破了国外的技术垄断。国网新源控股有限公司勇于创新，在机组设备国产化方面进行技术攻关，承担制定了国际标准、国家标准和行业标准。

图1 国内抽水蓄能电站发展历程Fig.1 Development history of pumped storage power stations in China

1.4 “十四五”时期抽水蓄能电站的发展

“十四五”时期，抽水蓄能发展迎来了新阶段。水电作为一种清洁可再生能源，随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，我国抽水蓄能电站的建设速度有所加快[8]。抽水蓄能电站发展通过采取引进国外先进技术并进行消化吸收、结合国内大型抽水蓄能电站建设进行实践，实现了建设经验的积累和机组设备制造技术的提升，逐渐形成了一套符合国内实际情况的运营管理体系。目前我国抽水蓄能电站的设计、机组的制造安装和运营管理均达到了国际领先水平。

2 我国抽水蓄能电站的发展现状

2.1 抽水蓄能电站建设大幅提速

随着新能源的快速发展以及电网安全稳定经济运行要求的不断的提升，抽水蓄能电站的发展得到了快速提升。国家能源局《水电发展“十三五”规划》提出，发展水电是能源供给侧结构性改革、生态文明建设的重要战略举措[9]。通过加快构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，促使国家能源安全有重要保障。同时规划指出在保护好生态环境的前提下，加快抽水蓄能电站的建设，因此，抽水蓄能开发进入了新发展时期。

2021年5月，国家发展改革委发布《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》[10]。意见指出，通过进一步完善抽水蓄能价格形成机制，有利于提升抽水蓄能电站综合效益。抽水蓄能是构建新型电力系统中重要的调节电源，既可以有效促进新能源消纳，又可以充分发挥水电调节作用，保障大电网的安全稳定。抽水蓄能电站的开发、建设将在国家政策的大力支持下实现大幅提速。

2.2 抽水蓄能助力实现“双碳”目标

我国目前正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期。基于风电、光伏发电等新能源大规模的开发建设，电力系统对调节能源的需求更加迫切。为了适应新型电力系统建设和新能源快速发展的需求，加快抽水蓄能电站建设十分必要。作为目前技术最为成熟的一种大规模储能方式，抽水蓄能将在保障国家能源电力安全、促进清洁能源消纳、实现“碳达峰”“碳中和”目标、构建新发展格局中彰显重要战略意义[11]。

能源是经济社会发展的重要物质基础，也是碳排放的最主要来源之一。“双碳”目标的实现，重点在能源结构的调整；加快风、光、水等绿色清洁能源的发展，是完成能源清洁低碳转型目标的关键[12]。抽水蓄能作为一种清洁可再生能源，将在能源绿色低碳转型、实现“双碳”目标的过程中发挥不可替代的作用。

2.3 抽水蓄能助力保障大电网安全

抽水蓄能机组具有启停迅速、工况转变灵活的特点，可以满足电网调峰填谷、调频调相、紧急事故备用的需求，在快速跟踪负荷、事故备用和保证电能质量等方面发挥重要作用。抽水蓄能作为以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分，能够有效应对新能源发电的随机性和波动性，提升电力系统的快速调节能力。电站值班人员在接到电力系统调度指令后，通过快速改变抽水蓄能水轮发电机组运行状态，开展机组紧急启停或负荷调整，从而保障电网频率稳定及可靠供电。

随着国家能源转型政策的大力实施，电力系统的复杂性和不确定性将会大幅提升。抽水蓄能电站依托容量大、工况多、可靠性高、经济性好等优点，将在新型电力系统的构建、电力系统调节能力的增强和保障电网安全稳定运行过程中发挥不可替代的作用。抽水蓄能电站是电网进行调峰的重要手段之一，抽水蓄能机组启动及出力变化迅速，能够有效调节电力生产、供应及使用三者之间的动态平衡，保证电网供电可靠性，保障大电网平稳运行，充分发挥抽水蓄能服务大电网的作用。

2.4 抽水蓄能电站发展前景光明

《中国可再生能源发展报告2020》指出，中国已批复的抽水蓄能规划装机容量为130 GW，其中，已建装机容量31.4 GW，在建装机容量53.6 GW，具体规模以及区域分布见图2[13]。目前我国抽水蓄能资源总量超过500 GW[14]。根据国家现行政策的导向，接下来会继续推进抽水蓄能资源普查与规划设计工作，实现抽水蓄能电站开发建设的目标。

图2 中国抽水蓄能电站已批复站点规模及区域分布Fig.2 The scale and regional distribution of approved pumped storage power stations in China

2021年9月，国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035 年）》[15]。规划指出，到2025年，我国抽水蓄能投产总规模较“十三五”期间翻一番，装机容量达到62 GW以上；到2030年，抽水蓄能投产总规模较“十四五”期间再翻一番，装机容量达到120 GW左右；到2035年，形成满足新能源大规模发展需求、技术先进、管理优质、国际竞争力强的抽水蓄能现代化产业，培育形成一批抽水蓄能大型骨干企业。同时，中长期规划还提出了抽水蓄能发展的主要任务，因地制宜开展中小型抽水蓄能电站的开发建设，推进水电梯级融合改造，加强装备的自主研发，提升设备的国产化率。

3 我国抽水蓄能电站的未来展望

3.1 建设变速抽水蓄能电站

变速抽水蓄能机组具有自动跟踪电网频率变化和高速调节有功功率等优越性，能准确、快速地对电网频率进行调节[16]。随着风、光等新能源在电网中大规模高比例地迅速增长，电网需要响应能力快、调节容量大、运行灵活的运行方式，进而减小新能源电源因稳定性差对电网产生的冲击。变速抽水蓄能机组可以满足这些要求，保障电网的稳定。

变速抽水蓄能机组具有调节范围宽、响应快、运行灵活等性能优势，在新型电力系统中，为电网安全稳定运行发挥重要作用，同时承担促进新能源消纳的重要使命[17]。变速抽水蓄能技术已在国外得到了广泛应用，未来将更多地应用在国内的电站。

3.2 建设海水抽水蓄能电站

国家海洋事业发展“十二五”规划中提出要推进海水资源综合利用和提升海洋可再生能源的利用率[18]。我国目前拥有丰富的自然海水资源，建设海水抽水蓄能是开发海洋资源、解决沿海大规模可再生能源消纳的一种重要方式，同时也可以填补国内海水抽水蓄能电站工程的空白。

海水抽水蓄能电站目前面临海水腐蚀机电设备、海水渗漏污染周边环境等一系列难题以及众多技术挑战，加强海水抽水蓄能关键技术研究、采取合理解决方案，将在国内具有广阔的应用前景。通过借鉴国外海水抽水蓄能技术经验，结合国内抽水蓄能工程实践，可以为我国海水抽水蓄能的未来发展指明方向[19]。

3.3 建设智能抽水蓄能电站

智能抽水蓄能电站是未来发展的一个主要方向。物联网技术是指通过信息、传感设备将物体与网络连接，实现智能化识别、监测等功能；同时也是实现抽水蓄能电站数字化、智能化的核心技术。通过智能网络和物联网技术，实现抽水蓄能电站设备、系统之间的交互联动、协调工作，并通过与智能电网的信息交互、信息共享，完成抽水蓄能电站新型源网协调需求的目标[20]。

随着抽水蓄能电站建设与互联网技术的快速发展，抽水蓄能电站智能化是未来发展的主要目标和全新方向[21]。与此同时，人工智能技术在抽水蓄能电站开发建设和运营管理过程中的应用，在促进抽水蓄能电站智能化建设、可再生能源并入电网、保障电站安全稳定等方面发挥重要作用。

3.4 抽水蓄能建设与管理水平进一步提升

抽水蓄能电站工程建设管理早期通过消化吸收国内外先进管理理念及管理技术，结合国内工程项目实际情况，采用“小业主、大监理”的管理模式，进行不断地探索与创新。广州抽水蓄能电站将法国电力公司运行管理经验与国内实际情况相结合，该管理模式得到原中华人民共和国电力工业部的肯定及推广，实现了国内抽水蓄能电站管理与国际先进水平的接轨[22]。国网新源控股有限公司通过水电工程建设与运营管理实践经验的不断积累，提出了抽水蓄能电站建设立足“设计、施工、设备制造”3个主战场，抓好“5+1”（安全、质量、进度、造价、技术+综合管理）全新的工程基建管理理念[23]。

抽水蓄能电站工程建设具有周期长、成本高、施工工艺复杂、技术含量高等特点，通过建立完备的抽水蓄能技术标准体系，充分发挥技术标准引领作用，建设抽水蓄能精品工程。超小转弯半径硬岩断面隧道掘进机（TBM）施工技术在山东文登抽水蓄能电站的应用，标志着我国首次将TBM施工技术引入抽水蓄能工程建设。TBM 施工技术与传统人工钻爆施工方法相比，具有安全风险低、环境影响小、自动化程度高、施工速度快、施工进度保证率高的优点[24]。未来，随着科学技术的快速发展，抽水蓄能电站建设与工程管理水平将会实现大幅提升。

3.5 抽水蓄能机组国产化率进一步提高

我国早期的抽水蓄能电站机组依靠国外厂家供应，采用以电站为依托进行招标，引进机组设备设计、制造关键技术，开始探索并尝试制造高水头、大容量电站机组。宝泉、惠州、白莲河抽水蓄能电站的机组采用统一招标、技贸结合引进技术，再结合黑麋峰等抽水蓄能机组的制造进行技术消化吸收与实践检验，陆续设计、制造了响水涧等抽水蓄能电站的机组设备，加快了抽水蓄能机组的国产化进程[25]。随着抽水蓄能机组设计、制造的国产化水平不断提升，不仅可以降低国内抽水蓄能电站的建设投资，还可以打破国外厂家对抽水蓄能机组技术的垄断，提升国内抽水蓄能机组的设计制造水平。

目前，国内厂家在600 m水头段及以上大容量、高转速抽水蓄能机组自主研制上已经达到了国际先进水平。深圳抽水蓄能电站是我国第一个在特大型城市内建设的电站，同时实现了抽水蓄能机组设计、制造、安装、调试的全面国产化；电站全部4台抽水蓄能机组调试一次启动、一次并网、一次抽水、所有工况转换均一次性成功，验证了全面国产化抽水蓄能机组结构设计、制造技术的可靠性[26]。未来，随着装备自主研发程度的加深，我国抽水蓄能机组国产化率将进一步提高。

3.6 抽水蓄能电站与新能源联合运营

随着新能源占比逐渐提高的新型电力系统的建设，太阳能和风能等新能源进入快速发展时期。然而，光电、风电作为间歇性可再生能源，其规模并网会对电力系统造成冲击，影响电力系统的安全稳定运行。因此，通过采用抽水蓄能与光伏、风电等多品种间歇性能源多能互补的联合运营方式，可实现电能的高质量输出和利用，保障大电网的安全[27]。

抽水蓄能电站与新能源联合运营可以推进电力系统的改革、完善，优化对资源的配置，同时可以解决电力系统建设、运行过程中的能源过度消耗和用电负荷不足等问题[28-29]。通过研究风能、光能与抽水蓄能进行互补的联合运营模式，实现多能互补的多边收益及电力系统安全稳定运行的目标，获得联合运营的综合收益[30]。

4 结束语

抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰、填谷、调频、调相、储能、事故备用和黑启动等多种功能，具有容量大、工况多、速度快、可靠性高、经济性好等优势，充分发挥了抽水蓄能机组保障大电网安全、促进新能源消纳、提升电网全系统性能等基础作用。抽水蓄能电站是建设现代智能电网新型电力系统的重要支撑，在保障电力系统安全稳定、优化电源结构、改善电能质量等方面发挥着不可替代的作用。

未来随着我国新能源的大力发展，抽水蓄能将担负越来越重要的作用。我国抽水蓄能电站的发展技术已经达到世界先进水平。如今，在“碳达峰”“碳中和”政策实施的背景下，水电作为一种清洁可再生能源，抽水蓄能电站将发挥不可替代的作用，有着良好的发展前景。