新形勢下我國抽水蓄能技術新突破與前景展望

路振剛，葉 宏，梁廷婷，徐亞楠，張 晨，譚學奇，安小丹，王超躍

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.天津大學水利工程智能建設與運維全國重點實驗室，天津市 300350；3.中國電力出版社有限公司，北京市 100005）

0 引言

黨的二十大報告提到“積極穩妥推進碳達峰、碳中和”。在黨中央、國務院的堅強領導下，抽水蓄能行業深入貫徹黨的二十大精神，錨定“碳達峰、碳中和”目標，圍繞構建新型能源體系建設，推動中國抽水蓄能事業實現新突破[1]。

抽水蓄能是目前技術最成熟、經濟指標最優、能量規模最大的電力系統裝置。具有調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動等六大基礎功能[2]，擔負著確保電力系統安全可靠運行、統籌電網安全發展、提升新能源消納水平和改善系統各環節性能等作用[3]。抽水蓄能是大電網安全穩定運行、新能源和可再生能源大規模接入電網的重要保障，是智能電網不可或缺的組成部分?！半p碳”目標方案的提出，抽水蓄能愈加彰顯其系統性、共享性等特點，已然成為構建新型電力系統的決定性因素和不可或缺的組成部分[4]。

“十二五”期間，機組及其附屬設備（發電電動機，水泵水輪機，調速器系統，勵磁裝置，進水閥）[5]，主要輔助設備（主變壓器，GIS 設備，高壓電纜，發電機斷路器，監控系統，繼電保護系統，靜止變頻啟動裝置SFC）[6]等在關鍵領域取得重大技術突破并成功完成示范應用，打破了國外企業技術封鎖和產品壟斷格局，實現了機組成套設備的國產化設計制造[7，8]?！笆濉逼陂g，圍繞抽水蓄能電站智能化、抽水蓄能機組的靈活控制[9]、電站安全與控制、網源協調、先進施工裝備及新材料應用等重點方向，穩步推動抽水蓄能技術提升和快速發展，著重推進高水頭抽水蓄能機組[10]、變速抽水蓄能[11]、智能抽水蓄能電站[12]、抽水蓄能服務能源互聯網[13]、全斷面巖石隧道掘進機施工[14]等關鍵技術研究及示范應用。隨著抽水蓄能工程建設技術不斷突破，我國抽水蓄能技術也形成了一系列新的成果。

本文首先將回顧總結我國抽水蓄能電站自20 世紀90 年代至今的發展進程，重點介紹新形勢下抽水蓄能電站的技術新突破，并針對未來的發展進行展望。

1 我國抽水蓄能電站的發展進程

1.1 遞進發展期（20 世紀70 年代至90 年代末）

改革開放后，在嚴重缺電的形勢下，各地加快了電源建設，為解決京津唐電網的調峰問題，國家開始建設潘家口大型混合式抽水蓄能電站。20 世紀80 年代中后期，北京十三陵、浙江天荒坪和廣東廣州抽水蓄能電站正式動工，山東泰安、河北張河灣、浙江桐柏、安徽響水澗、山西西龍池、安徽瑯琊山、河南天池等抽水蓄能電站項目也在大力開展前期籌建工作。90 年代，先后建成了十三陵、天荒坪、廣州抽水蓄能等大中型抽水蓄能電站，至2000 年底總裝機容量累計5520MW。該階段抽水蓄能電站單機容量、裝機規模均達到較高標準，但機組設計制造極度依靠進口。

1.2 加速建設期（21 世紀前十年）

“十一五”時期，浙江桐柏、吉林白山、山東泰安、安徽瑯琊山、河北張河灣、江蘇宜興、山西西龍池、湖南黑麋峰、河南寶泉、廣東惠州、湖北白蓮河等一批大型抽水蓄能電站相繼建成投產。已建抽水蓄能總裝機容量2005 年為5845MW，到2010 年底已達1.69 萬MW，5 年新增1.11 萬MW。并且大型抽水蓄能機組等設備的國產化進程不斷加快，建設施工技術也日漸成熟。

1.3 完善增效期（2011 年以來）

“十二五”期間，有多個抽水蓄能電站相繼投產，新開工項目開始向內地逐步推進?！笆濉逼陂g，河北易縣、內蒙古芝瑞、浙江寧海等一批項目開工建設；浙江仙居、江西洪屏、江蘇溧陽等抽水蓄能電站先后投產發電。歷經多年發展，中國已然成為世界上抽水蓄能電站數量最多的國家，技術也達到了世界領先水平?！笆奈濉逼陂g，隨著高水頭、大容量抽水蓄能電站相繼投產發電，使我國抽水蓄能技術具備了強大的競爭力，標志著我國的抽水蓄能電站步入了新階段。截至2022年底，中國已投運抽水蓄能累計裝機規模為4.58 萬MW，已建和在建規模均居世界首位。

2 新形勢下我國抽水蓄能技術新突破

當前穩步推進新型電力系統建設，新能源裝機占比持續提高。受新能源規?？焖僭鲩L及出力波動影響，抽水蓄能機組抽水工況運行強度顯著提升，特別是在新能源裝機規模偏大的華北、東北地區，對抽水蓄能的午間抽水需求較高，尤其華北已經出現午間抽水新能源消納需求高于夜間抽水填谷需求的情況。抽水蓄能機組“兩抽兩發”覆蓋率不斷提高，為提升新能源利用水平、支撐能源電力轉型發揮了不可或缺的重要作用。

隨著抽水蓄能工程建設技術不斷突破，機組水頭和容量不斷增大，性能也得到顯著提升。我國通過研究大型抽水蓄能機組的自動控制技術、持續探索相關技術，并經過十多年的科研創新，在高水頭大容量等抽水蓄能新特性方面形成了一系列成果和關鍵技術。

（1）攻克了水泵水輪機的動靜流道參數匹配設計難題，并在大容量水泵水輪機穩定性方面取得了重大突破。解決了高水頭、大容量機組剛強度設計的難題，研制出了我國首臺400MW 級水泵水輪機。

（2）攻克了發電電動機通風冷卻設計和雙向重載推力軸承溫升控制等重大技術難關，解決了大容量發電電動機電磁、通風和結構設計難題，研制出國內首臺400MW 級發電電動機。

（3）攻克了高水頭、大直徑進水球閥技術難關，成功研制出最大難度系數雙向過流高壓球閥。成果已成功應用于浙江仙居、吉林敦化、浙江長龍山、河北豐寧等大型抽水蓄能電站。

（4）攻克了大型水泵水輪機的雙向水力設計和雙向高壓球閥核心技術，解決了發電電動機雙向重載推力軸承和通風冷卻的關鍵技術問題。同時還解決了機組多工況轉換及控制保護技術、機組和成套設備調試運行、系統集成等技術難題，自主研制出綜合性能最優的大型抽水蓄能機組及成套設備并成功應用，建成了國際領先的試驗研究平臺，創建了完備的技術體系。

（5）發明了葉片進口邊呈月牙形的新型轉輪和進出口厚度相當的新型活動導葉，成功攻克了水力振源誘發的廠房振動和低水頭并網困難的技術難題。有效降低了機組振動和壓力脈動，尤其是無葉區壓力脈動，其通頻幅值降低了40%～60%；廠房振動幅值也大幅減??；“S”特性大幅改善，取消了非同步導葉，水泵工況空化性能改善，全水頭運行范圍內無空化。

（6）基于經驗模態分析理論、等嫡原理和短時傅里葉變換方法，建立了抽水蓄能電站過渡過程壓力反演分析預測數學模型，揭示了水泵水輪機旋轉失速和動靜干涉對過渡過程壓力脈動影響機理，實現了抽水蓄能電站過渡過程壓力精準預測。揭示了測壓管路的壓力波動傳遞特性及頻響特性，提高了壓力測試的準確性；提出了“頻域分段—時域反演”的數據處理方法，解決了傳統濾波方法導致的數據極值時刻偏移問題，完善了水力過渡過程現場試驗測試技術體系。

同時，我國還制定了專項計劃，瞄準國際先進技術，加快科研試驗平臺建設，結合豐寧抽水蓄能工程，深入研究了大容量變速機組在中國的研發、制造、建設、運行和管理中的一系列技術問題，通過自主創新解決了變速抽水蓄能機組重大裝備制造關鍵技術問題，使我國掌握了變頻交流勵磁變速蓄能機組技術。

3 我國抽水蓄能未來展望

3.1 抽水蓄能快速發展面臨挑戰及建議

3.1.1 風-光-水-火-儲多能互補聯合運行挑戰與機遇

黨的二十大作出加快規劃建設新型能源體系的重大決策部署。在新型能源體系的實現路徑中，風-光-水-火-儲多能互補是潛力空間巨大、技術經濟可行的關鍵舉措。風-光-水-火-儲多能互補是指利用多種能源相互補充，解決能源供需矛盾，保護自然資源，促進生態環境良性循環。主要是指在電網中同時存在水電、火電、風電、光伏發電和抽水蓄能電站等多種電源，實現互補運行。

由于新能源發電具有較強的間歇性、隨機性和波動性，電力系統對調頻、調峰資源的要求更高；風電、光伏發電等新能源發電呈現出批量分散式供給，且多在遠離負荷中心的西北地區，提升了電力系統的管理成本。隨著高比例新能源電力并網，電力系統靈活性及安全性面臨著巨大壓力。面對現實挑戰，抽水蓄能電站是解決電網負荷平衡的最佳方法，已經在國內外得到了成熟的經驗，并在實際運行中顯示出其在改善電網運行條件和提高經濟效益方面的優越性。在資源集中或資源豐富并準備大規模開發的電網中，可以大力發展風電的同時建設一定規模的抽水蓄能電站，實現多能互補聯合開發，這是能源資源優化配置的具體體現[15]。多能互補聯合開發可以利用抽水蓄能電站的多種功能和靈活性來補償風力發電的隨機性和不均勻性，不僅能打破電網規模對風電等容量的限制，為大力發展風電提供條件，還能為電網提供更多的調峰填谷容量和調頻、調相、緊急事故備用的手段，改善電網的運行條件。對于資源豐富的地區，不論是外送還是就地消化，抽水蓄能發電和風力發電互補運行應成為發展趨勢[16]。

3.1.2 源網荷儲等合理配置問題

“源網荷儲一體化”的本質是構建一個新型的電力系統，將大電網分解成多個層級，在大電網的主導下形成多個層級的電網，包括區域（?。┘?、市（縣）級、園區（居民區）級等。重點是以負荷需求為中心，通過各個電能資源要素的就地、就近、靈活調節，實現永續能源互補、源網協調、網荷互動、網儲聯同、源荷匹配的電量交互形式，充分發揮負荷側的調節能力。

“源網荷儲一體化”是建立新型電力系統的要求，這種模式將各類能源，特別是新增的各種新能源從“單打獨斗”走向“合作共贏”，建立起可靠的電力供需平衡保障機制。目前在發展源網荷儲，特別是大基地式源網荷儲一體化方面，仍然存在一些問題。例如：①項目建設成本較高；②市場價格機制尚未形成；③電網對源網荷儲的態度不積極；④相關技術細則以及標準有待完善等。

大基地式新能源項目裝機容量較大，現有的項目通常采用源網荷儲一體化、多能互補項目等模式進行開發建設，有的還結合新能源制氫、新能源供熱等。為了更順利地開展大基地式源網荷儲一體化項目的開發和運營，提出以下建議：①規劃引領、加強協調，完善體制機制建設；②先行先試、分層實施，保障示范項目成效；③加大力度、重點攻關，解決系統技術困境；④鼓勵創新、百花齊放，促進設備技術創新等[17]。

3.1.3 機組頻繁啟停具有挑戰性

在發電工況和抽水工況中，抽水蓄能機組在啟停過程中各部件的振擺值達到峰值。特別是水導管在啟停過程中達到穩定運行時的8 ～10 倍，頂蓋則達到穩定運行時的14 ～25倍。因此，抽水蓄能機組在啟停過程中，各部件承受了較穩定運行時數倍的應力。抽水蓄能機組的頂蓋螺栓、各部件連接螺栓和密封件等結構面臨較大挑戰。頻繁啟停和低負荷發電會加速各部件的疲勞損傷，對抽水蓄能機組的壽命產生影響，不利于抽水蓄能電站的安全穩定運行。

為提高抽水蓄能電站設備運行的可靠性和電站安全性，確保電網的安全運行，應在滿足電網現有調度需求的前提下優化抽水蓄能電站的調度運行。建議采取以下措施：①合理制定機組運行時長；②合理設置機組啟停次數；③盡量避免在高振動區運行等。

3.2 抽水蓄能技術發展展望

3.2.1 建設數字化智能抽水蓄能電站

抽水蓄能數字化智能電站是從數字化的角度解答國家“雙碳”目標、“抽水蓄能中長期規劃”“新型電力系統”“能源革命”“數字中國”的創新答案。它以抽水蓄能電站全壽命周期管理為理念，以自動化、網絡化、信息化為基礎，融合數字化技術、信息技術和現代工業技術。通過數字孿生技術和BIM 正向設計，實現“高效設計、標準建設、少人干預、自主運行”[12]。它的建設可進一步提升設計過程標準化水平、提升項目基建過程管控水平、提升電站安全運行水平、提升企業管理效能效益。同時也可縮短工程前期基建周期、降低建設造價成本，并進而整體提高運行期的安全和生產管理技術水平，減少運營成本，實現抽水蓄能電站各階段綜合增值效益。

我國在電站數字化和智能化方面開展了大量工作。在設計階段，以浙江仙居、江西洪屏、安徽金寨、陜西鎮安等為代表的抽水蓄能電站，在數字化三維設計移交方面開展了大量工作，具備全站三維設計成果數字化移交和可視化管理。在施工設計一體化、工程建設管理方面也開展了深化應用。目前，浙江仙居抽水蓄能電站已建立三維可視化運維系統，基于BIM 模型數據，通過BIM 輕量化引擎，以WebGL 技術實現在瀏覽器中的可視化渲染。接入了工業電視、部分實時測點信息，基本實現了以BIM 模型為載體的多方數據源集中三維可視化。

3.2.2 建設大型交流勵磁變速抽水蓄能機組

傳統的抽水蓄能機組采用同步發電機，發電運行時通過控制水輪機導葉的開度來調節電機的轉速，使電機發出穩定頻率的電能，但是這種調節方式的響應速度較慢，而且在電機運行時，電機對輸入功率的調節能力有限。大型交流勵磁變速抽水蓄能機組是一種利用電力泵將低電價電能轉化為高位水勢儲存，然后再利用水輪機發電的裝置。變速抽水蓄能電站采用交流勵磁電機作為發電電動機，使用變頻器為轉子提供交流勵磁[18]。由于采用交流勵磁，轉子電流的頻率和幅值均能夠調節，為了尋求更高效率的工作狀態，該機組允許電機的轉速變化，在轉速變化時通過調節轉子的頻率實現電機的變速恒頻運行，這種運行方式為電站帶來以下優勢：①電動狀態的自動頻率運行；②發電工況的效率更高；③更寬的水輪機運行范圍；④抑制功率波動等。

3.2.3 建設中小容量全功率變頻抽水蓄能機組

傳統抽水蓄能機組通常是定速運行機組，運行效率相對較低，調節速度較慢。在水泵工況下，只能以滿負荷抽水，無法根據系統需求進行抽水功率的調節。此外，它也無法在水泵工況下進行無功調節，無法滿足電網快速準確地進行頻率調節的要求。采用變速技術的抽水蓄能機組可以快速調節有功功率和無功功率，提高系統的穩定性和響應能力。它還可以實現電站和系統的柔性連接，具備大范圍的無功補償能力，有效地控制電網負荷頻率，平衡可再生能源引起的頻率波動，提高新能源的利用效率。且隨著新能源和分布式能源的快速發展，電力系統的需求和結構正在發生深刻變化，對靈活、快速、多變的儲能技術需求也日益增加。中小型抽水蓄能電站以其建設周期短、布局靈活、地形條件要求低等優勢，可以更好地適應新能源和分布式能源的發展需求。同時，中小型抽蓄電站還具有投資少、見效快、對輸電線路建設要求較低等優點，可以作為分布式能源的重要組成部分，中小型抽水蓄能電站是抽水蓄能發展方向之一。因此，中小容量全功率變頻抽水蓄能機組已成為實現高比例消納新能源的有效手段之一[19]。中小容量全功率變頻抽水蓄能機組具有以下優勢：擴大調節范圍、提高系統穩定性、能夠進行無功補償和吸收、快速響應機組啟停和工況轉換、提高運行效率、實現發電機與電網分離、提升新能源消納能力等。因此，中小容量全功率變頻技術的發展和工程應用對變速抽水蓄能電站的建設具有重要意義。通過研究中小容量全功率變頻抽水蓄能機組在省級電網中的應用，可以實現局部電網的穩定和節省輸電線路投資等目標。

4 結束語

為了實現“碳達峰、碳中和”的目標，我國需要將重點放在新能源領域，主要推動可再生能源的發展。為此，需要大幅提升電力系統的調節和儲能能力。抽水蓄能是目前最成熟、經濟性最好、安全性最高、最適合大規模開發的電力系統靈活調節電源和儲能設施，與風電、太陽能發電、核電等的聯合運行效果最好。加快發展抽水蓄能是建設新型電力系統的緊迫要求，也是確保電力系統安全穩定運行的重要支撐，同時是大規模發展可再生能源的重要保障。此外，抽水蓄能項目的投資規模大，產業鏈條長，具有強大的帶動作用，對經濟、生態和社會等方面都帶來明顯綜合效益。經過多年的發展，抽水蓄能已成為推動中國能源轉型、確保能源安全以及促進經濟發展的重要力量。