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(wǎng)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(wěn)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(yè)深入貫徹黨的二十大精神，錨定“碳達峰、碳中和”目標，圍繞構(gòu)建新型能源體系建設，推動中國抽水蓄能事業(yè)實現(xiàn)新突破[1]。

抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟指標最優(yōu)、能量規(guī)模最大的電力系統(tǒng)裝置。具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等六大基礎功能[2]，擔負著確保電力系統(tǒng)安全可靠運行、統(tǒng)籌電網(wǎng)安全發(fā)展、提升新能源消納水平和改善系統(tǒng)各環(huán)節(jié)性能等作用[3]。抽水蓄能是大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、新能源和可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要保障，是智能電網(wǎng)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(tǒng)性、共享性等特點，已然成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)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(fā)電電動機，水泵水輪機，調(diào)速器系統(tǒng)，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(fā)電機斷路器，監(jiān)控系統(tǒng)，繼電保護系統(tǒng)，靜止變頻啟動裝置SFC）[6]等在關(guān)鍵領域取得重大技術(shù)突破并成功完成示范應用，打破了國外企業(yè)技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷格局，實現(xiàn)了機組成套設備的國產(chǎn)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(wǎng)源協(xié)調(diào)、先進施工裝備及新材料應用等重點方向，穩(wěn)步推動抽水蓄能技術(shù)提升和快速發(fā)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(lián)網(wǎng)[13]、全斷面巖石隧道掘進機施工[14]等關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應用。隨著抽水蓄能工程建設技術(shù)不斷突破，我國抽水蓄能技術(shù)也形成了一系列新的成果。

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

1 我國抽水蓄能電站的發(fā)展進程

1.1 遞進發(fā)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(wǎng)的調(diào)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(guī)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(chǎn)。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(chǎn)化進程不斷加快，建設施工技術(shù)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(chǎn)，新開工項目開始向內(nèi)地逐步推進?！笆濉逼陂g，河北易縣、內(nèi)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(chǎn)發(fā)電。歷經(jīng)多年發(fā)展，中國已然成為世界上抽水蓄能電站數(shù)量最多的國家，技術(shù)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(chǎn)發(fā)電，使我國抽水蓄能技術(shù)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(guī)模為4.58 萬MW，已建和在建規(guī)模均居世界首位。

2 新形勢下我國抽水蓄能技術(shù)新突破

當前穩(wěn)步推進新型電力系統(tǒng)建設，新能源裝機占比持續(xù)提高。受新能源規(guī)?？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(guī)模偏大的華北、東北地區(qū)，對抽水蓄能的午間抽水需求較高，尤其華北已經(jīng)出現(xiàn)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(fā)”覆蓋率不斷提高，為提升新能源利用水平、支撐能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)揮了不可或缺的重要作用。

隨著抽水蓄能工程建設技術(shù)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(shù)、持續(xù)探索相關(guān)技術(shù)，并經(jīng)過十多年的科研創(chuàng)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(guān)鍵技術(shù)。

（1）攻克了水泵水輪機的動靜流道參數(shù)匹配設計難題，并在大容量水泵水輪機穩(wěn)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(fā)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(shù)難關(guān)，解決了大容量發(fā)電電動機電磁、通風和結(jié)構(gòu)設計難題，研制出國內(nèi)首臺400MW 級發(fā)電電動機。

（3）攻克了高水頭、大直徑進水球閥技術(shù)難關(guān)，成功研制出最大難度系數(shù)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(shù)，解決了發(fā)電電動機雙向重載推力軸承和通風冷卻的關(guān)鍵技術(shù)問題。同時還解決了機組多工況轉(zhuǎn)換及控制保護技術(shù)、機組和成套設備調(diào)試運行、系統(tǒng)集成等技術(shù)難題，自主研制出綜合性能最優(yōu)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(chuàng)建了完備的技術(shù)體系。

（5）發(fā)明了葉片進口邊呈月牙形的新型轉(zhuǎn)輪和進出口厚度相當?shù)男滦突顒訉~，成功攻克了水力振源誘發(fā)的廠房振動和低水頭并網(wǎng)困難的技術(shù)難題。有效降低了機組振動和壓力脈動，尤其是無葉區(qū)壓力脈動，其通頻幅值降低了40%～60%；廠房振動幅值也大幅減小；“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(nèi)無空化。

（6）基于經(jīng)驗模態(tài)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(shù)學模型，揭示了水泵水輪機旋轉(zhuǎn)失速和動靜干涉對過渡過程壓力脈動影響機理，實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理方法，解決了傳統(tǒng)濾波方法導致的數(shù)據(jù)極值時刻偏移問題，完善了水力過渡過程現(xiàn)場試驗測試技術(shù)體系。

同時，我國還制定了專項計劃，瞄準國際先進技術(shù)，加快科研試驗平臺建設，結(jié)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(fā)、制造、建設、運行和管理中的一系列技術(shù)問題，通過自主創(chuàng)新解決了變速抽水蓄能機組重大裝備制造關(guān)鍵技術(shù)問題，使我國掌握了變頻交流勵磁變速蓄能機組技術(shù)。

3 我國抽水蓄能未來展望

3.1 抽水蓄能快速發(fā)展面臨挑戰(zhàn)及建議

3.1.1 風-光-水-火-儲多能互補聯(lián)合運行挑戰(zhàn)與機遇

黨的二十大作出加快規(guī)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(xiàn)路徑中，風-光-水-火-儲多能互補是潛力空間巨大、技術(shù)經(jīng)濟可行的關(guān)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(tài)環(huán)境良性循環(huán)。主要是指在電網(wǎng)中同時存在水電、火電、風電、光伏發(fā)電和抽水蓄能電站等多種電源，實現(xiàn)互補運行。

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

3.1.2 源網(wǎng)荷儲等合理配置問題

“源網(wǎng)荷儲一體化”的本質(zhì)是構(gòu)建一個新型的電力系統(tǒng)，將大電網(wǎng)分解成多個層級，在大電網(wǎng)的主導下形成多個層級的電網(wǎng)，包括區(qū)域（省）級、市（縣）級、園區(qū)（居民區(qū)）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(diào)節(jié)，實現(xiàn)永續(xù)能源互補、源網(wǎng)協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動、網(wǎng)儲聯(lián)同、源荷匹配的電量交互形式，充分發(fā)揮負荷側(cè)的調(diào)節(jié)能力。

“源網(wǎng)荷儲一體化”是建立新型電力系統(tǒng)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(fā)展源網(wǎng)荷儲，特別是大基地式源網(wǎng)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(wǎng)對源網(wǎng)荷儲的態(tài)度不積極；④相關(guān)技術(shù)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(xiàn)有的項目通常采用源網(wǎng)荷儲一體化、多能互補項目等模式進行開發(fā)建設，有的還結(jié)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(wǎng)荷儲一體化項目的開發(fā)和運營，提出以下建議：①規(guī)劃引領、加強協(xié)調(diào)，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(guān)，解決系統(tǒng)技術(shù)困境；④鼓勵創(chuàng)新、百花齊放，促進設備技術(shù)創(chuàng)新等[17]。

3.1.3 機組頻繁啟停具有挑戰(zhàn)性

在發(fā)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(wěn)定運行時的8 ～10 倍，頂蓋則達到穩(wěn)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(wěn)定運行時數(shù)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(jié)構(gòu)面臨較大挑戰(zhàn)。頻繁啟停和低負荷發(fā)電會加速各部件的疲勞損傷，對抽水蓄能機組的壽命產(chǎn)生影響，不利于抽水蓄能電站的安全穩(wěn)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(wǎng)的安全運行，應在滿足電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)度需求的前提下優(yōu)化抽水蓄能電站的調(diào)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(shù)；③盡量避免在高振動區(qū)運行等。

3.2 抽水蓄能技術(shù)發(fā)展展望

3.2.1 建設數(shù)字化智能抽水蓄能電站

抽水蓄能數(shù)字化智能電站是從數(shù)字化的角度解答國家“雙碳”目標、“抽水蓄能中長期規(guī)劃”“新型電力系統(tǒng)”“能源革命”“數(shù)字中國”的創(chuàng)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(wǎng)絡化、信息化為基礎，融合數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)。通過數(shù)字孿生技術(shù)和BIM 正向設計，實現(xiàn)“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(yè)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(chǎn)管理技術(shù)水平，減少運營成本，實現(xiàn)抽水蓄能電站各階段綜合增值效益。

我國在電站數(shù)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(zhèn)安等為代表的抽水蓄能電站，在數(shù)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(shù)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(tǒng)，基于BIM 模型數(shù)據(jù)，通過BIM 輕量化引擎，以WebGL 技術(shù)實現(xiàn)在瀏覽器中的可視化渲染。接入了工業(yè)電視、部分實時測點信息，基本實現(xiàn)了以BIM 模型為載體的多方數(shù)據(jù)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(tǒng)的抽水蓄能機組采用同步發(fā)電機，發(fā)電運行時通過控制水輪機導葉的開度來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，使電機發(fā)出穩(wěn)定頻率的電能，但是這種調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)化為高位水勢儲存，然后再利用水輪機發(fā)電的裝置。變速抽水蓄能電站采用交流勵磁電機作為發(fā)電電動機，使用變頻器為轉(zhuǎn)子提供交流勵磁[18]。由于采用交流勵磁，轉(zhuǎn)子電流的頻率和幅值均能夠調(diào)節(jié)，為了尋求更高效率的工作狀態(tài)，該機組允許電機的轉(zhuǎn)速變化，在轉(zhuǎn)速變化時通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率實現(xiàn)電機的變速恒頻運行，這種運行方式為電站帶來以下優(yōu)勢：①電動狀態(tài)的自動頻率運行；②發(fā)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(tǒng)抽水蓄能機組通常是定速運行機組，運行效率相對較低，調(diào)節(jié)速度較慢。在水泵工況下，只能以滿負荷抽水，無法根據(jù)系統(tǒng)需求進行抽水功率的調(diào)節(jié)。此外，它也無法在水泵工況下進行無功調(diào)節(jié)，無法滿足電網(wǎng)快速準確地進行頻率調(diào)節(jié)的要求。采用變速技術(shù)的抽水蓄能機組可以快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應能力。它還可以實現(xiàn)電站和系統(tǒng)的柔性連接，具備大范圍的無功補償能力，有效地控制電網(wǎng)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(fā)展，電力系統(tǒng)的需求和結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變化，對靈活、快速、多變的儲能技術(shù)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(yōu)勢，可以更好地適應新能源和分布式能源的發(fā)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(yōu)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(fā)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(xiàn)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(yōu)勢：擴大調(diào)節(jié)范圍、提高系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)換、提高運行效率、實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)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(shù)的發(fā)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(wǎng)中的應用，可以實現(xiàn)局部電網(wǎng)的穩(wěn)定和節(jié)省輸電線路投資等目標。

4 結(jié)束語

為了實現(xiàn)“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(fā)展。為此，需要大幅提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和儲能能力。抽水蓄能是目前最成熟、經(jīng)濟性最好、安全性最高、最適合大規(guī)模開發(fā)的電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)電源和儲能設施，與風電、太陽能發(fā)電、核電等的聯(lián)合運行效果最好。加快發(fā)展抽水蓄能是建設新型電力系統(tǒng)的緊迫要求，也是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要支撐，同時是大規(guī)模發(fā)展可再生能源的重要保障。此外，抽水蓄能項目的投資規(guī)模大，產(chǎn)業(yè)鏈條長，具有強大的帶動作用，對經(jīng)濟、生態(tài)和社會等方面都帶來明顯綜合效益。經(jīng)過多年的發(fā)展，抽水蓄能已成為推動中國能源轉(zhuǎn)型、確保能源安全以及促進經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。