新型電力系統(tǒng)場景下抽水蓄能的應用探討

王 磊，魏 敏

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

“雙碳”目標加速了我國能源電力體系向清潔低碳安全高效轉型的進程。2021年中央財經委員會第九次會議中指出，要構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節(jié)能力和對新能源反調峰特性的適應能力，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)建設六項重要舉措，積極推動抽水蓄能發(fā)展。國家能源局發(fā)布了抽水蓄能中長期規(guī)劃，到2030年，抽水蓄能投產總規(guī)模將達到1.2億kW左右。在當前電力系統(tǒng)迫切轉型、新能源爆發(fā)式發(fā)展、儲能技術尚未實現(xiàn)質變的形勢下，抽水蓄能仍然是強化電力系統(tǒng)調節(jié)能力的主力軍，在未來一段時期面臨更廣闊的發(fā)展空間，承載更重要的調節(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

“碳達峰、碳中和”目標下，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。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、開放互動的基本特征。推動構建新型電力系統(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。從裝機占比來看，截至2020年底，我國風電裝機容量2.8億kW、光伏發(fā)電裝機容量2.5億kW，新能源在電力裝機總量中的占比約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，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，無論是從裝機占比還是從發(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)，電力電子設備大量應用，系統(tǒng)技術基礎、控制基礎和運行機理將發(fā)生深刻變化，面臨的復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，增強系統(tǒng)調節(jié)能力，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和可靠供電，是構建新型電力系統(tǒng)需要解決的主要問題。

2 抽水蓄能服務新型電力系統(tǒng)功能模型

抽水蓄能作為電力系統(tǒng)最為優(yōu)質的調節(jié)電源，在新型電力系統(tǒng)中，其基礎性、綜合性、公共性特點更為凸顯?，F(xiàn)階段，抽水蓄能、燃氣發(fā)電等靈活調節(jié)電源裝機容量占比小，火電依然發(fā)揮著基礎性調節(jié)作用。隨著“碳達峰、碳中和”目標的加速推進，新能源裝機和電量比重持續(xù)上升，火電并網(wǎng)容量逐漸減少，以抽水蓄能為代表的調節(jié)電源規(guī)模持續(xù)擴大，將成為提供系統(tǒng)靈活性調節(jié)能力的“主力軍”，在新型電力系統(tǒng)調節(jié)電源中充分發(fā)揮基礎性調節(jié)作用。在交直流混聯(lián)大電網(wǎng)中，高比例新能源會帶來系統(tǒng)供需平衡波動、安全風險提升、慣量水平下降等一系列問題，抽水蓄能作為調節(jié)電源快速響應系統(tǒng)調節(jié)需求，作為可切除負荷保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定，同時可提供轉動慣量提高系統(tǒng)抗擾動能力，將在保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行上充分發(fā)揮綜合性保障作用。新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)將發(fā)生重大轉變，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)對調節(jié)資源的需求更加迫切，抽水蓄能運行惠及電網(wǎng)、供給側各類電源和負荷側所有用戶，將在促進新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動”上充分發(fā)揮公共性服務作用[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)中調節(jié)電源的主體、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵支撐、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變和在新型電力系統(tǒng)中功能定位的基礎上，提出了抽水蓄能服務新型電力系統(tǒng)功能模型，如圖1所示。

圖1 抽水蓄能服務新型電力系統(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能力。主要包括調峰、調頻、調相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動。

三大作用是抽水蓄能服務當今電網(wǎng)的主要應用場景[2]。一是全力保障大電網(wǎng)安全。作為緊急備用電源，抽水蓄能機組啟停、工況轉換和負荷調節(jié)非常迅速，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行；作為系統(tǒng)尖峰出力和低谷負荷，在“雙峰”期間保持高強度運行，保障電力系統(tǒng)供需穩(wěn)定；作為系統(tǒng)穩(wěn)控裝置，具備低頻切抽水機組、高頻切發(fā)電機組的瞬時相應能力，深入?yún)⑴c“三道防線”建設；作為黑啟動電源，可在大停電發(fā)生后迅速恢復供電，為極端事故下的電力系統(tǒng)快速有序恢復提供了有力保障。二是有力促進新能源消納。在新能源大發(fā)且電力系統(tǒng)調節(jié)能力不足的情況下，抽水蓄能通過抽水工況運行，作為電力負荷直接消耗新能源發(fā)電量，減少新能源棄電。同時抽水蓄能頂峰發(fā)電使電網(wǎng)安全穩(wěn)定度過短暫的尖峰時段，從而在平峰和低谷時段降低全網(wǎng)火電機組技術出力，為新能源發(fā)電騰挪空間；在系統(tǒng)備用容量嚴重不足的情況下，抽水蓄能通過備用的方式保證了關鍵時刻電力系統(tǒng)還有足夠的緊急備用和調節(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整出力，能適應系統(tǒng)負荷急劇變化，提高電網(wǎng)頻率合格率，促進跨區(qū)功率平衡；通過調相工況運行，可以達到維持電力系統(tǒng)電壓動態(tài)穩(wěn)定的作用；能夠快速適應斷面潮流變化，在個別地區(qū)承擔支撐當?shù)厥￠g交易、跨區(qū)聯(lián)絡穩(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、各級電網(wǎng)相互協(xié)調的新形態(tài)，電網(wǎng)控制更為復雜，風險防控要求更高。抽水蓄能承擔系統(tǒng)緊急備用功能，憑借快速啟停、快速功率調節(jié)特性隨時響應突發(fā)調節(jié)需求。同時抽水蓄能負荷低谷水泵運行深入?yún)⑴c電力系統(tǒng)“三道防線”建設，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障時，能以毫秒級響應切除負荷，應對電網(wǎng)大規(guī)模功率缺額沖擊。二是有效應對高比例新能源帶來的系統(tǒng)調峰困難，提升電力系統(tǒng)大容量調峰能力。抽水蓄能具有抽水和發(fā)電雙向調節(jié)能力，憑借雙倍調峰容量優(yōu)勢，可有效緩解因新能源出力不穩(wěn)定導致的高峰負荷供給問題和因低谷時段新能源大發(fā)導致的消納困難問題，尤其是通過中午和夜間抽水，完美匹配了新型電力系統(tǒng)午間光伏和夜間風電大發(fā)引起的反向調峰特性。三是有效應對高比例新能源的隨機性和波動性，提升電力系統(tǒng)快速調節(jié)能力。抽水蓄能可憑借出力調節(jié)速率優(yōu)勢進行負荷快速跟隨，助力電力系統(tǒng)更好地適應因風電、光伏的隨機性、波動性造成的系統(tǒng)頻率波動，有效緩解光伏早晚高峰出力陡增陡降造成的快速調節(jié)問題，滿足新能源“靠天吃飯”帶來的靈活調節(jié)需求。四是有效應對高比例新能源出力與電力系統(tǒng)負荷需求不匹配，提升新能源利用水平。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)生產模式是“源隨荷動”，強調實時供需平衡。新型電力系統(tǒng)中新能源裝機遠超實際負荷，新能源大發(fā)時，系統(tǒng)因負荷水平較低而產生棄電，新能源出力不足時恰逢用電高峰而出現(xiàn)電力短缺。抽水蓄能通過儲能調節(jié)，將新能源電力在不同時間進行存儲和釋放，從而實現(xiàn)新能源發(fā)電與電力負荷在時間上的解耦，提升新能源利用水平。五是有效應對高比例新能源電力系統(tǒng)轉動慣量不足，提升電力系統(tǒng)抗擾動能力。在新型電力系統(tǒng)中，電源結構由可控連續(xù)出力的煤電裝機占主導，向新能源發(fā)電裝機占主導轉變，高比例電力電子元件接入，使電力系統(tǒng)轉動慣量快速降低，對系統(tǒng)穩(wěn)定帶來嚴重影響。在新型電力系統(tǒng)中火電并網(wǎng)比例下降后，相較其他儲能電源，抽水蓄能機組連續(xù)掛網(wǎng)運行可以為系統(tǒng)提供轉動慣量，增強電力系統(tǒng)抗擾動能力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。六是有效應對高比例新能源上網(wǎng)帶來的高調節(jié)成本問題，提升電力系統(tǒng)整體經濟性。抽水蓄能單位千瓦造價水平較低，是整體經濟性最好的靈活調節(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。通過與各類新型儲能和靈活調節(jié)技術配合聯(lián)動，可有力促進新能源消納，降低電力系統(tǒng)調節(jié)成本，提升全系統(tǒng)運行的經濟性。

3 結束語

新形勢下，抽水蓄能走進發(fā)展“快車道”，通過研究抽水蓄能在“碳達峰、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行方式，對提升新能源利用水平，服務“碳達峰、碳中和”具有重要的促進作用。本文在梳理新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢基礎上，提出了抽水蓄能服務新型電力系統(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)展和服務電網(wǎng)作用發(fā)揮提供參考。