王 磊，魏 敏

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)加速了我國能源電力體系向清潔低碳安全高效轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。2021年中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議中指出，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。抽水蓄能得益于雙向迅速調(diào)節(jié)能力和對新能源反調(diào)峰特性的適應(yīng)能力，是新型電力系統(tǒng)中的重要組成部分，國家電網(wǎng)有限公司于3月19日發(fā)布了加快抽水蓄能開發(fā)建設(shè)六項(xiàng)重要舉措，積極推動(dòng)抽水蓄能發(fā)展。國家能源局發(fā)布了抽水蓄能中長期規(guī)劃，到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模將達(dá)到1.2億kW左右。在當(dāng)前電力系統(tǒng)迫切轉(zhuǎn)型、新能源爆發(fā)式發(fā)展、儲(chǔ)能技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)質(zhì)變的形勢下，抽水蓄能仍然是強(qiáng)化電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的主力軍，在未來一段時(shí)期面臨更廣闊的發(fā)展空間，承載更重要的調(diào)節(jié)作用。本文主要研判未來抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的功能定位，提出抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)功能模型，為抽水蓄能發(fā)展和作用發(fā)揮提供參考。

1 新型電力系統(tǒng)發(fā)展形勢

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)將向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)跨越升級(jí)。新型電力系統(tǒng)是以新能源為主體的電力系統(tǒng)，承載著能源轉(zhuǎn)型的歷史使命，是清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動(dòng)的基本特征。推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，新能源將逐漸成為電源主體，“十三五”期間，我國新能源裝機(jī)年均增長約6000萬kW，增速為32%，是全球增長最快的國家。從裝機(jī)占比來看，截至2020年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量2.8億kW、光伏發(fā)電裝機(jī)容量2.5億kW，新能源在電力裝機(jī)總量中的占比約24%；從發(fā)電量占比來看，截至2020年底，新能源發(fā)電量占整體發(fā)電量的9.5%。未來，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，無論是從裝機(jī)占比還是從發(fā)電量占比來看，新能源都具有較大的提升空間。然而隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電力電子設(shè)備大量應(yīng)用，系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)、控制基礎(chǔ)和運(yùn)行機(jī)理將發(fā)生深刻變化，面臨的復(fù)雜性和不確定性大幅提升，電力電量平衡、安全穩(wěn)定控制等將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。新形勢下，以新能源供給為主體，增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要解決的主要問題。

2 抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)功能模型

抽水蓄能作為電力系統(tǒng)最為優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)電源，在新型電力系統(tǒng)中，其基礎(chǔ)性、綜合性、公共性特點(diǎn)更為凸顯?，F(xiàn)階段，抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量占比小，火電依然發(fā)揮著基礎(chǔ)性調(diào)節(jié)作用。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的加速推進(jìn)，新能源裝機(jī)和電量比重持續(xù)上升，火電并網(wǎng)容量逐漸減少，以抽水蓄能為代表的調(diào)節(jié)電源規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，將成為提供系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力的“主力軍”，在新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)電源中充分發(fā)揮基礎(chǔ)性調(diào)節(jié)作用。在交直流混聯(lián)大電網(wǎng)中，高比例新能源會(huì)帶來系統(tǒng)供需平衡波動(dòng)、安全風(fēng)險(xiǎn)提升、慣量水平下降等一系列問題，抽水蓄能作為調(diào)節(jié)電源快速響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，作為可切除負(fù)荷保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定，同時(shí)可提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力，將在保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行上充分發(fā)揮綜合性保障作用。新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)對調(diào)節(jié)資源的需求更加迫切，抽水蓄能運(yùn)行惠及電網(wǎng)、供給側(cè)各類電源和負(fù)荷側(cè)所有用戶，將在促進(jìn)新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)”上充分發(fā)揮公共性服務(wù)作用[1]?？傮w來看，抽水蓄能作為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，是新型電力系統(tǒng)中調(diào)節(jié)電源的主體、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵支撐、新能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。

本文在梳理抽水蓄能的功能轉(zhuǎn)變和在新型電力系統(tǒng)中功能定位的基礎(chǔ)上，提出了抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)功能模型，如圖1所示。

圖1 抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)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礎(chǔ)能力。主要包括調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)。

三大作用是抽水蓄能服務(wù)當(dāng)今電網(wǎng)的主要應(yīng)用場景[2]。一是全力保障大電網(wǎng)安全。作為緊急備用電源，抽水蓄能機(jī)組啟停、工況轉(zhuǎn)換和負(fù)荷調(diào)節(jié)非常迅速，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；作為系統(tǒng)尖峰出力和低谷負(fù)荷，在“雙峰”期間保持高強(qiáng)度運(yùn)行，保障電力系統(tǒng)供需穩(wěn)定；作為系統(tǒng)穩(wěn)控裝置，具備低頻切抽水機(jī)組、高頻切發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)相應(yīng)能力，深入?yún)⑴c“三道防線”建設(shè)；作為黑啟動(dòng)電源，可在大停電發(fā)生后迅速恢復(fù)供電，為極端事故下的電力系統(tǒng)快速有序恢復(fù)提供了有力保障。二是有力促進(jìn)新能源消納。在新能源大發(fā)且電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的情況下，抽水蓄能通過抽水工況運(yùn)行，作為電力負(fù)荷直接消耗新能源發(fā)電量，減少新能源棄電。同時(shí)抽水蓄能頂峰發(fā)電使電網(wǎng)安全穩(wěn)定度過短暫的尖峰時(shí)段，從而在平峰和低谷時(shí)段降低全網(wǎng)火電機(jī)組技術(shù)出力，為新能源發(fā)電騰挪空間；在系統(tǒng)備用容量嚴(yán)重不足的情況下，抽水蓄能通過備用的方式保證了關(guān)鍵時(shí)刻電力系統(tǒng)還有足夠的緊急備用和調(diào)節(jié)能力，以常規(guī)電源備用替代的方式為新能源發(fā)電騰挪空間，間接促進(jìn)新能源消納。三是助力提升電力系統(tǒng)性能。抽水蓄能可以快速大范圍調(diào)整出力，能適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷急劇變化，提高電網(wǎng)頻率合格率，促進(jìn)跨區(qū)功率平衡；通過調(diào)相工況運(yùn)行，可以達(dá)到維持電力系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的作用；能夠快速適應(yīng)斷面潮流變化，在個(gè)別地區(qū)承擔(dān)支撐當(dāng)?shù)厥￠g交易、跨區(qū)聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定的重要功能。

六大提升是抽水蓄能為新型電力系統(tǒng)帶來的全面支撐作用[1]。一是有效應(yīng)對高比例新能源為電力系統(tǒng)帶來的潛在安全影響，提升電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。新型電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)逐步形成以交直流混聯(lián)大電網(wǎng)為主干、各級(jí)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的新形態(tài)，電網(wǎng)控制更為復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)防控要求更高。抽水蓄能承擔(dān)系統(tǒng)緊急備用功能，憑借快速啟停、快速功率調(diào)節(jié)特性隨時(shí)響應(yīng)突發(fā)調(diào)節(jié)需求。同時(shí)抽水蓄能負(fù)荷低谷水泵運(yùn)行深入?yún)⑴c電力系統(tǒng)“三道防線”建設(shè)，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，能以毫秒級(jí)響應(yīng)切除負(fù)荷，應(yīng)對電網(wǎng)大規(guī)模功率缺額沖擊。二是有效應(yīng)對高比例新能源帶來的系統(tǒng)調(diào)峰困難，提升電力系統(tǒng)大容量調(diào)峰能力。抽水蓄能具有抽水和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力，憑借雙倍調(diào)峰容量優(yōu)勢，可有效緩解因新能源出力不穩(wěn)定導(dǎo)致的高峰負(fù)荷供給問題和因低谷時(shí)段新能源大發(fā)導(dǎo)致的消納困難問題，尤其是通過中午和夜間抽水，完美匹配了新型電力系統(tǒng)午間光伏和夜間風(fēng)電大發(fā)引起的反向調(diào)峰特性。三是有效應(yīng)對高比例新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性，提升電力系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)能力。抽水蓄能可憑借出力調(diào)節(jié)速率優(yōu)勢進(jìn)行負(fù)荷快速跟隨，助力電力系統(tǒng)更好地適應(yīng)因風(fēng)電、光伏的隨機(jī)性、波動(dòng)性造成的系統(tǒng)頻率波動(dòng)，有效緩解光伏早晚高峰出力陡增陡降造成的快速調(diào)節(jié)問題，滿足新能源“靠天吃飯”帶來的靈活調(diào)節(jié)需求。四是有效應(yīng)對高比例新能源出力與電力系統(tǒng)負(fù)荷需求不匹配，提升新能源利用水平。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式是“源隨荷動(dòng)”，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)供需平衡。新型電力系統(tǒng)中新能源裝機(jī)遠(yuǎn)超實(shí)際負(fù)荷，新能源大發(fā)時(shí)，系統(tǒng)因負(fù)荷水平較低而產(chǎn)生棄電，新能源出力不足時(shí)恰逢用電高峰而出現(xiàn)電力短缺。抽水蓄能通過儲(chǔ)能調(diào)節(jié)，將新能源電力在不同時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放，從而實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電與電力負(fù)荷在時(shí)間上的解耦，提升新能源利用水平。五是有效應(yīng)對高比例新能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足，提升電力系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力。在新型電力系統(tǒng)中，電源結(jié)構(gòu)由可控連續(xù)出力的煤電裝機(jī)占主導(dǎo)，向新能源發(fā)電裝機(jī)占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，高比例電力電子元件接入，使電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量快速降低，對系統(tǒng)穩(wěn)定帶來嚴(yán)重影響。在新型電力系統(tǒng)中火電并網(wǎng)比例下降后，相較其他儲(chǔ)能電源，抽水蓄能機(jī)組連續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行可以為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增強(qiáng)電力系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。六是有效應(yīng)對高比例新能源上網(wǎng)帶來的高調(diào)節(jié)成本問題，提升電力系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性。抽水蓄能單位千瓦造價(jià)水平較低，是整體經(jīng)濟(jì)性最好的靈活調(diào)節(jié)電源。抽水蓄能通過常規(guī)電源替代，可以有力減少啟停成本，降低排放。通過與各類新型儲(chǔ)能和靈活調(diào)節(jié)技術(shù)配合聯(lián)動(dòng)，可有力促進(jìn)新能源消納，降低電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本，提升全系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)束語

新形勢下，抽水蓄能走進(jìn)發(fā)展“快車道”，通過研究抽水蓄能在“碳達(dá)峰、碳中和”及新型電力系統(tǒng)發(fā)展和階段功能定位的變化，合理安排抽水蓄能運(yùn)行方式，對提升新能源利用水平，服務(wù)“碳達(dá)峰、碳中和”具有重要的促進(jìn)作用。本文在梳理新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢基礎(chǔ)上，提出了抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)功能模型，闡述了抽水蓄能在新型電力系統(tǒng)中的功能作用，為下一步抽水蓄能發(fā)展和服務(wù)電網(wǎng)作用發(fā)揮提供參考。