2025-12-10 新聞來源：新型電力係統期刊
新型電力係統下抽水蓄能機組靈活運行綜述
任誌武 1，薛恒宇 2，張 飛 1，荊岫岩 1
（1. 國網電力工程研究院有限公司，北京 100069；
. 國家電網有限公司抽水蓄能事業部，北京 100052）
Review of Pumped Storage Unit Flexible Operation Orienting New Type Power System
REN Zhiwu1, XUE Hengyu2, ZHANG Fei1, JING Xiuyan1
(1. State Grid Electric Power Engineering Research Institute Co., Ltd., Beijing 100069, China;
Pumped-storage Department of State Grid Corporation of China, Beijing 100052, China)
ABSTRACT: With rapid construction of new type power system dominated by renewable intermittent energy, pumped storage entered a high-speed development stage, and its role in power system changed significantly. In this article, we summarized problems faced by the new type power system in terms of challenges of power supply security, increasing pressure on renewable energy accommodation, and escalating risks of power system stability. Pumped storage supporting functions for active power and reactive power were detailed. Flexible operation of pumped storage in Europe Union, United States and Japan was reviewed. On these basis, flexible operations of pumped storage in China have been discussed from two aspectsctive power support for power system such as rapid load regulation, inertia support, load adjustment, and load balancing, and reactive support such as rapid and long-term reactive power regulation. Finally, inadequacy of power market mechanism supporting flexible operation of pumped storage was pointed out.
KEY WORDS: new type power system; pumped storage unit; flexible operation; active power regulation; reactive power support
摘要：隨著以新能源為主體的新型電力係統加速構建，抽水蓄能步入了跨越式發展階段，在電力係統中發揮的作用也在不斷發生變化。該文綜述了新型電力係統發展中麵臨著電力供應安全受到挑戰、新能源消納壓力持續增大、電網失穩風險不斷加劇等問題，總結了抽水蓄能機組的有功與無功支撐功能，梳理了歐洲、美國和日本不同曆史階段抽水蓄能靈活運行研究進展。在此基礎上，從快速負荷調節、慣量支撐、負荷調整、負荷平衡等有功支撐和快速無功調節、長時調相等無功支撐兩個應用方麵展望了我國抽水蓄能靈活運行方式，並指出了支撐靈活調節電力市場存在的不足。
關鍵詞：新型電力係統；抽水蓄能；靈活運行；有功調節；無功支撐
0 引言
隨著我國雙碳戰略的持續推進，以風能、太陽能等間歇性可再生能源為主體的新型電力係統加速形成，調節資源需求日益迫切［1］。抽水蓄能作為電力係統的調節器、穩定器和平衡器，邁入快速、高質量發展軌道，已成為清潔低碳、安全充 裕 、 經 濟 高 效 、 供 需 協 同 、 靈 活 智 能 的 新 型電力係統重要組成部分。截至 2024 年底，我國抽 水 蓄 能 在 運 總 裝 機 容 量 達 到 5846.5 萬 kW［2］，在建總裝容量超 1.8 億 kW。根據《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035 年）》，2025 年抽水蓄能投產總規模 6200 萬 kW 以上，2030 年投產總規模1.2 億 kW 左右［3］。當前，我國抽水蓄能無論在建與在運規模均位居全球第一，引領抽水蓄能行業發展。 抽水蓄能機組運行方式伴隨著電力係統發展 不 斷 發 生 變 化 ， 從 靜 態 調 峰 儲 能 設 備 逐 漸 成 為 新型電力係統可靠的動態有功、無功支撐設備。 20 世紀 90 年代至本世紀前十五年，國民經濟快速 發展，電力係統規模快速增長，電力負荷峰穀差 加大，天荒坪、十三陵、廣州等抽水蓄能機組在 係統中主要承擔調峰填穀作用，機組運行方式主 要是負荷低穀淩晨抽水、上午和/或下午負荷高峰發電，形成“夜抽晝發”的“一抽一發”或“一 抽兩發”典型模式。近十年來，隨著光伏、太陽 能等新能源快速發展，電力係統“雙高”（高比例 新能源、高比例電力電子）持續演進以及極端氣 候對電力係統影響，不同區域抽水蓄能電站調用方式多樣化，抽水蓄能機組的調用次數與時長變化顯著［4］。抽水蓄能機組運行模式從淩晨與午間負荷低穀抽水、負荷高峰上午和/或下午和/或晚間發電的“兩抽兩發”與“兩抽三發”模式［5］ 向長時在線運行、發電抽水調相並重、多工況頻繁轉換”運行模式發展，如：2021 年黑麋峰電站共調相運行 46 台次以提升湖南電網暫態電壓穩定水平，泰安電站機組 9 月 13 日單日抽發啟停高達47 次以維持電網頻率穩定及聯絡線潮流平衡，仙遊電站自動電壓調節全年累積動作 882 次［6］。
近 年 來 ， 大 型 電 機［7］、 功 率 器 件［8］、 數 智 化［9］、靈活運行與控製［10］、電網規劃［11］等技術 快速提升，經濟高質量發展對電力係統可靠性、 靈活性等需求不斷提升［12-13］，電力輔助服務市場爬坡響應、慣量支撐、一次調頻、無功調節等）持續健全［14］，能源及環境相關法律法規不斷完 善，這些因素對抽水蓄能行業發展起到重要影響，加快推動抽水蓄能在新型電力係統中的功能作用演變。隨著上述技術的不斷進步，具備靈活運行方式的抽水蓄能將對新型電力係統安全和穩定發揮更加重要支撐作用。有鑒於此，本文從電網需求角度簡述了我國新型電力係統麵臨的關鍵問題，基於抽水蓄能機組功能，梳理了歐洲、美國和日本在抽水蓄能機組靈活運行方麵的研究與實踐 ，結合我國新型電力係統發展需求，提出了我國抽水蓄能機組靈活性研究重點關注方向，論文整體結構見圖 1 所示。
1 新型電力係統麵臨的問題
新型電力係統是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經濟社會高質量發展的電力需求為首要目標，以高比例新能源供給消納體係建設為主線任務，以源網荷儲多向協同、靈活互動為堅強支撐，以堅強、智能、柔性電網為樞紐平台 ，以技術創新和體製機製創新為基礎保障的新時代電 力 係 統 ， 是 新 型 能 源 體 係 的 重 要 組 成 和 實 現雙碳”目標的關鍵載體［15］。新型電力係統下 ，麵臨的主要問題體現在：風能、太陽能等間歇性新能源發展迅速，大規模電力電子設備並網，疊加極端氣候頻發，造成電力供應安全挑戰日趨嚴峻 ［16］，新能源消納壓力持續增大［17］，電網失穩風險不斷加劇［18］。
1.1 電力供應安全挑戰日趨嚴峻
隨著全球氣溫升高，極端氣候事件頻發，台風、極熱、極寒、洪水、風暴等自然災害對電力生產、傳輸和消費方麵的影響日益嚴重。電力生產方麵，2021 年 2 月，美國南部多地連日遭遇罕見低溫和暴雪寒潮，導致得克薩斯州大量風電、光伏等發電 機 組 被 迫 停 機 ， 分 別 強 迫 停 運 18 522 MW 和1476 MW，占總裝機容量的 18%［19］；電力傳輸方麵，2008 年初嚴重冰災造成湖南、貴州等省份線路覆冰遠超設計標準，導致大量輸電線路斷線、杆塔垮塌，造成巨大設備損毀和經濟損失［20］；電力消費方麵，2022 年長江上遊遭遇了 60 年以來最嚴重特大幹旱事件，疊加曆史同期最高氣溫以及曆史同期持續最長高溫天數，導致四川日缺電力1700 萬 kW、日缺電量 3.7 億 kW 時［21］。同時，新型電力係統“鴨子曲線”［22］“峽穀曲線”［23］等造成電力平衡與係統調節困難，在光伏、風電波動性 影 響 下 ， 加 劇 了 電 力 供 應 形 勢 。 2023 年 末 至2024 年初，我國先後經曆五輪寒潮天氣，寒潮過程中，風光資源均呈現出“先高後低”特征，用電負荷始終處於高位，電力供應難度極大。在第五輪寒潮單日中，國家電網區域負荷受積溫效應影響快速拉升約 2 億 kW，但新能源出力大幅下降超 1 億 kW，兩者形成超過 3 億 kW“剪刀差”，導致寒潮後期電力平衡形勢極為緊張。
大量案例分析表明，新能源快速發展，以及極端氣候頻發加劇了我國電網迎峰度夏、迎峰度冬形勢，電力電量平衡保障難度加大。為確保電網安全穩定運行和電力可靠供應，亟需結合受端、送端等電網特點，建設具備多時間尺度特征的調節電源或儲能設施，挖掘存量抽水蓄能電站多時間尺度調節能力，實現不同時間周期內的電力電量供需平衡。
1.2 新能源消納壓力持續增大
自 2010 年和 2013 年，我國風力和光伏發電裝機分別躍居世界第一後，風電、光伏快速發展 ，年均增長約 20% 和 60%。截至 2024 年底，風電、光伏分別裝機 5.21 億 kW、8.87 億 kW，占總裝機容量比重達 41.7%［24］；2024 年，全口徑可再生能源發電量達 3.46 萬億 kW 時，占全口徑總發電量35%［24］。2024 年，國家發改委等部委聯合印發了關於大力實施可再生能源替代行動的指導意見》，明確提出加快推進以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地建設，推動海上風電集群 化開發［25］。新能源快速發展的同時，限於電力係統調峰能力建設滯後等方麵導致的靈活性不足 ，新能源消納麵臨挑戰，局部地區消納壓力凸顯［2］。 預計未來三年，我國新能源裝機仍將快速發展 ， 國家發改委和能源局發布《電力係統調節能力優化專項行動實施方案（2025—2027 年）》，強調通過調節能力建設優化，支撐 2025—2027 年均新增2 億 kW 以上新能源合理消納利用，全國新能源利用率不低於 90%［26］。清潔低碳新型電力係統發展需要大力發展新能源進行支撐，在新能源總量及占比不斷提升情況下，亟需加快包括抽水蓄能在內的儲能設施建設，增強現有電源快速啟停、寬幅調節、快速爬坡等能力，提升新能源消納水平。
1.3 電網失穩風險不斷加劇
大規模可再生能源、新型儲能裝置並網，以及跨區域直流輸電等技術應用，電網中電力電子設備占比不斷攀升，催生了電力係統“高比例可再生能源與高比例電力電子”的“雙高”特征 ，導致電力係統強度支撐不足［27］，主要表現在：電力電子設備功率與網頻解耦、風能與太陽能最大 功率追蹤控製等導致係統慣量下降，進而使得電網承受有功擾動支撐能力不足。在全網新能源瞬時功率波動可達數千萬千瓦的背景下，慣量支撐不足導致功率擾動後頻率變化速率加快，增大頻率偏差、影響電力係統頻率穩定，如 2019 年英國8.9”大停電事故本質原因在於英國電網呈現“兩高兩低”特征，即：新能源接入比例高 （風電、光伏占比 40%）、電力電子裝備比例高（風電、光伏、直流合計約占 50%），係統慣量低（同步機組占總開機的 50%）、設備抗擾性能低（風電機組、分布式電源脫網）［28］。大規模直流設備入網運行導致電網無功需求增大，引發大規模新能源基地弱送端係統換流母線靜態電壓穩定性［29］和暫態電壓穩定性［30］問題，電網換相換流器型高壓直流輸電係統斷路器頻繁投切導致無功突變，引發供電電壓質量以及電網安全穩定等問題［31］。這些問題可以通過配置具備瞬態、暫態和穩態全時間尺度無功補償和電壓支撐能力的同步調相機進行解決［32］。
當前，提高電力係統抗擾動支撐能力研究主要聚焦於風電、光伏機組虛擬慣量控製［33-34］、儲能係統虛擬同步發電機控製［35-36］、微網混合儲能係統中下垂控製［37-38］等先進控製算法和構網型技術［39-40］。在係統發生擾動情況下，上述技術在不同程度上解決了電力電子設備主動支撐能力不足的問題。但各種算法依賴於模型準確度、策略設計、算法效率等方麵的可實現性和電力輔助服務市場機製所製約的經濟性，構網型技術受功率器件本身過流能力限製，因而其發展有一定局限性，並不能夠完全解決新型電力係統下“雙高”特征所引發的電力係統強度支撐不足問題，亟需建設抽水蓄能電站等具有實際功率支撐能力的大規模同步電源，提高抽水蓄能機組慣量支撐、一次調頻、無功支撐等方麵能力，進一步挖掘抽水蓄能在黑啟動、旋轉備用等方麵利用效能，降低擾動及故障情況下電網的失穩風險。
2 抽水蓄能機組的主要功能
抽水蓄能機組是新型電力係統重要組成部分，對比新型儲能，抽水蓄能兼具單機容量大、使用壽命長、運行性能穩定、響應速度快、轉換效率高、功率成本低等多重優勢，是保障電網安全穩定、靈活運行的重要綜合調節工具，承擔調峰、調頻、調相、儲能、事故備用和黑啟動等多種功能。典型定速抽水蓄能機組穩定運行功率特性見圖 2 所示。
圖 2 可見：穩定工況下，抽水蓄能機組運行範圍由定、轉子電流和原動機特性所確定。暫態工況下，抽水蓄能機組可以短時超過穩定運行範圍，如強勵時可以短時超過最大勵磁電流限製線，水力幹擾時可以短時超過原動機驅動限製線。
在服務方式上，抽水蓄能機組調峰、調頻 、儲能功能本質上體現的是不同時間尺度上向電網注入/吸收有功功率維持係統頻率穩定的調節能力；調相運行則是通過調節發電電動機勵磁電流改變機組無功功率，以維持電網接入點電壓在預期水平上，是無功調節能力的體現；事故備用和黑啟動同時體現抽水蓄能機組有功和無功調節能力。在時間尺度上，抽水蓄能具備全天候實時在線運行，能夠在調相、抽水、發電、備用態等頻繁進行工況轉換，具有雙向、雙倍調節以及快速變負荷能力。
2.1 有功支撐
抽水蓄能可顯著提升電力係統有功調節在可調度性、容量、速度等方麵的能力，增強電力係統應對波動、快速爬坡和保障平衡的能力，是新型電力係統有功調節重要的“平衡節點”。
抽水蓄能機組有功支撐能力具備典型的多時間尺度特性。圖 3 給出了不同時間尺度上抽水蓄能機組的調節特性，圖 4 給出了電網頻率波動時，抽水蓄能機組頻率響應示意圖。
我國在運抽水蓄能機組大都采用定速機組 ，當電網頻率變化時，首先通過轉動部件動能釋放進行即時響應慣量支撐；其次，當頻率變化超過一次調頻死區時機組一次調頻動作，根據相關國標，抽水蓄能機組一次調頻死區為±0.05 Hz，響應時間不大於 2 s，調節時間不大於 30 s［41］；由於一次調頻是有差調節，通過自動發電控製（automatic generation control，AGC）或人工下達指令方式調整 機 組 出 力 進 行 二 次 調 頻 ， 以 維 持 電 網 頻 率 穩定，其作用周期大致在分鍾級到小時級。儲能是更長時間尺度上的電量平衡，時間尺度在數小時至周。
調峰是電網根據負荷變化調整發電量，以滿足不同時段用電需求。調峰常以日為單位，圖 5 給出 了 廣 州 抽 水 蓄 能 電 站 典 型 調 峰 情 況 下 運 行曲線［42］。
圖 5 可見，廣州抽水蓄能電站出力與廣東電網負荷曲線相似度高，在電網負荷低穀時以抽水工況運行，在電網負荷高峰時以發電工況運行，起到了調峰填穀作用。我國早期電網以火電為主 ，負荷峰穀差大，係統調節能力差，抽水蓄能電站建設主要解決電網調峰能力。近年來，風能、太陽能發電占比快速攀升，其反調峰特性加大了係統調峰壓力，抽水蓄能機組調峰能力持續增強 ，實現了新能源出力過程重塑、新能源反調特性緩解，向電網提供了備用容量和爬坡支撐［43］。
調頻是根據電網頻率的變化調整發電量，以維持電網頻率穩定。廣義上，調頻分為一次調頻、二次調頻和三次調頻。一次調頻通過調速器完成，二次調頻由 AGC 完成，三次調頻由電網調度機構實施，時間尺度依次增大。抽水蓄能電站在不同時間尺度上均能完成一次、二次和三次調頻任務，通常所說的抽水蓄能機組調頻功能是指一次調頻。圖 6 給出了抽水蓄能機組典型調頻動作情況。
圖 6 可見，抽水蓄能機組參與一次調頻在出力響應和電量貢獻方麵均表現出優異性能。隨著大型交流勵磁變速抽水蓄能機組的投運及國產化 ，其對電網調頻性能的貢獻將進一步提升。變速機組作為電源和負載提供了水輪機和水泵兩種工況下的頻率支撐，水泵工況下，仿真分析表明 40%功率階躍時可以實現 13.75%/s 的負荷變化率［44］；水輪機工況下，變速機組通過動能釋放與吸收可以實現有功功率的快速調節而不受水輪機特性影響［45］，較定速機組具有顯著的頻率支撐優勢［46］；同時，定、變速機組聯合參與一次調頻可顯著提高響應速度［47］。
儲能是通過介質或設備把能量存儲起來，實現能量時空轉移或轉化，在需要時再釋放的過程。儲能是風光可再生能源利用的有效保障，通過儲能可實現電力係統安全、高效、經濟運行［48］。在國家相關政策大力推動下［49］，電化學、熱儲能、氫儲能、機械儲能（除抽水蓄能）等新型儲能發展迅速，裝機規模快速攀升至 7000 萬 kW［50］，但抽 水 蓄 能 依 然 是 能 源 係 統 中 不 可 或 缺 的 “ 壓 艙石”，在提高電力係統韌性方麵發揮關鍵作用，是建設新型電力係統的支撐性電源之一［51］。依托山東、浙江等電網千萬千瓦級抽水蓄能電站群同新能源等聯合優化運行，通過規模化儲能和發電 ，能夠實現能量時移和調餘劑缺，提升係統對電能的時空優化配置能力，有效解決新能源帶來的電力不穩定和豐枯矛盾，支撐電力電量平衡，助力新能源消納。同時，通過“風光蓄”或“水風光蓄”型式，抽水蓄能聯合風光運行，實現新能源功率波動平滑［52］，有效降低風光出力不穩定劣勢。“新能源+長時儲能”將成為保障新型電力係統安全經濟運行的重要解決方案之一，有效助力地區千萬千瓦級風電及光伏基地建設［53］。
2.2 無功支撐
調相是調節發電機勵磁電流，改變發電機電壓相位，以調節電力係統中無功功率分布，維持係統電壓穩定。發電方向旋轉並網時，抽水蓄能機組可在發電時進行無功功率調節；可以壓水方式 調 相 運 行 ， 此 時 機 組 吸 入 功 率 為 額 定 功 率 的1%~2%，與調相機作用類似。由於定速抽水蓄能機組抽水工況水泵入力不可調，因此該工況無功功率調節範圍有限。工程上，抽水蓄能機組調相運行是指機組以壓水方式進行無功調節，此時水泵水輪機尾水錐管注入高壓空氣將尾水液位壓至調相液位高程，使轉輪在水汽混合物中旋轉。
伴隨著大規模新能源基地建設與特高壓直流輸 電 ， 我 國 電 網 已 邁 入 交 直 流 混 合 電 網 ， 電 力電子化裝置占比不斷提升，造成特高直流送端與受端電網無功需求不斷攀升。作為動態無功支撐主 要 型 式 ， 調 相 機 獲 得 發 展 空 間 ， 在 電 網 大 量應用［54］。調相機雖具備優異的無功出力特性與暫態電壓支撐能力，但其慣量支撐能力存在短板 ，具備高慣量支撐能力的調相機在國內仍是亟需攻克的短板。對比調相機，抽水蓄能機組慣量大 ，300 MW 級及以上機組普遍轉動慣量在 4000 t·m2以上，調相運行既可向係統提供無功支撐又能同時提供慣量支撐，因而具有比調相機更加廣闊的應用場景。國網湖南電科院在黑麋峰抽水蓄能電站完成了 100 h 調相運行試驗，表明機組具備長期穩定調相運行能力［55］，進一步研究表明黑麋峰機組調相運行後，湖南電網暫態電壓支撐能力和清潔能源消納能力得到了增強，有效提升了電壓穩定水平［56］；仙居抽水蓄能電站機組調相運行提升了賓金直流運行可靠性，進而提升了多饋入直流的浙江電網安全、可靠運行水平［57］；洪屏抽水蓄能機組調相運行，提升了雅中—江西特高壓直流消納能力，同時提升了江西電網動態無功儲備［58］。當前，調相運行在一些地區已逐步成為常態，如：華東地區仙遊電站頻繁調相運行以保障福建電網電壓水平［59］；安徽金寨、琅琊山等抽水蓄能電站機組已頻繁調相運行以支撐特高壓直流運行。
2.3 事故備用與黑啟動
抽水蓄能機組具備啟動時間短、機組容量大、爬坡速度快等優勢，發揮著重要事故備用，如 ：廣蓄電站作為電網事故備用電源，每年因西電交直流故障或省內其它機組跳機等原因緊急啟動數十次，以維持廣東電網及聯網係統頻率和電壓穩定［60］；運用抽水蓄能機組低頻切泵、高頻切機手段以恢複電網頻率已成為華北電網係統保護的一項重要內容［61］；華北電網采用抽水蓄能機組快速開機帶負荷功能降低多起 500 kV 線路故障影響 ，有力保障了電網安全穩定運行［62］；針對某抽水蓄能電站運行數據進行分析表明，在不調用緊急事故預留庫容時，緊急事故備用比例達 5.9%［63］。當前，華北、華東、華南等區域已發展成大受端電網，隨著遠距離特高壓直流輸電的大規模建設與運行，直流饋入規模和線路容量大幅提高，亟需進一步發揮抽水蓄能機組事故備用功能，以應對直流係統故障。
近年來，極端天氣造成的大停電事故頻發 ，作為電網事故停運後再恢複的有效手段，抽水蓄能電站因其機組容量大、啟動時間短、輔機係統少、廠用負荷低、爬坡速度快、負荷中心近等優勢，普遍承擔黑啟動功能，文獻［64］梳理北美電力可靠性委員會報道的 10 年 117 起電網故障恢複過程，明確指出抽水蓄能與常規水電是最佳黑啟動電源。美國能源部通過對比各種電源特征也進一步證實抽水蓄能電站幾乎具備常規水電作為黑啟動電源的全部優勢，是性能僅次於常規水電的黑啟動電源［65］。我國電網中，抽水蓄能電站普遍承擔黑啟動功能，如安徽琅琊山［66］、湖北白蓮河［67］等抽水蓄能電站均完成黑啟動試驗。隨著電源結構深刻變化，抽水蓄能電站作為黑啟動電源的功能將進一步加強。
3 188金宝搏官网注册账号 機組靈活性研究
鑒於抽水蓄能機組是水電機組的一種，歐美對抽水蓄能機組靈活運行研究是在水電機組靈活運行背景下討論的，從政府層麵設立了大量基金項目推動技術研發，日本則聚焦於抽水蓄能的靈活調用實踐。歐美對水電機組靈活運行研究見表 1 所示。
整體上，美國天然氣資源豐富、用氣成本低，燃機發電占比高，燃機具有較好靈活運行能力 ，因此對抽水蓄能靈活性研究聚焦於技術手段創新，如模塊化建造技術、集成多樣化儲能係統等；歐洲水電資源豐富而天然氣資源不足，站址資源開發利用程度高，在新能源快速發展背景下，水電機組靈活性研究更迫切，主要聚焦存量資源能力挖掘，如拓展部分負荷運行穩定性以提高發電功率調節範圍、化儲聯運以提高響應速度、變速化改造以提升泵工況調節能力等；日本主要是政府層麵建立相應市場機製，驅動電網公司與製造企業進行技術創新，如：規模應用雙饋變速機組技術提升電網頻率響應能力，開發超高揚程、超大容量機組實現快速負荷跟蹤，探索海水抽蓄為沿海負荷中心提供新思路等。
3.1歐洲
歐洲是抽水蓄能發源地和新能源發展先鋒。2008 年 ， 歐 盟 提 出 了 應 對 氣 候 變 化 和 能 源 安 全20-20-20”戰略，即：到 2020 年溫室氣體排放量 在 1990 年基礎上減少 20%，可再生能源消費占總 能源消費比例提升至 20%，能源效率在 2007 年基礎上提高 20%。為配合這一目標，歐盟於 2013—2017 年實施了“與新型可再生能源精益整合的水電站性能和靈活運行研究”項目［68］，通過研究常規混流式、交流勵磁和全功率變速機組等典型水電機組在低負荷到超負荷運行範圍內水力、機械和電氣特性，探索保證機組長期穩定運行基礎上擴大機組運行範圍的方法，提高水電在新型電力係統下價值。項目成果主要有：采用模型試驗和計算流體動力學方法揭示了水電機組寬負荷運行下 （30%~110% 額定負荷） 的水力不穩定現象機理，開發了偏工況下水電站動力學數值仿真模型，並采用模型與現場試驗進行了驗證，采用具體案例證明了水電機組能夠為電網中新能源安全運行提供有力支撐。考慮到水電機組偏設計工況下的運行穩定性，歐盟開展了“提高水輪機非設計工況性能的主動流量控製研究”項目［69］，進一步提升水電機組寬負荷運行能力。
2016 年，巴黎氣候變化協定生效，水力發電作為低碳可再生能源技術在應對全球氣候變化中發揮關鍵作用。歐盟組織科研院所與產業單位發起了“地平線”項目“基於靈活性提升的水電價值提升”［70］，解決限製水電機組靈活性的瓶頸問題，充分應對間歇性新能源隨機性問題。項目聚焦點包括：水電機組在電力係統中的定位；不顯著影響機組壽命和效率情況下開發具備高爬坡率、日啟停 30 次的水電機組；開發具備高度靈活性和強大電網支撐能力發電機轉子及勵磁係統、電力變頻裝置，以及高壓設備布置方案等。
隨著可再生能源裝機與發電量持續提升，歐洲水電站在電網中作用持續增強，快速負荷響應與頻率控製、頻繁快速啟停與高爬坡響應、抽水發電快速工況轉換、電網故障快速穿越能力不斷發揮。2019 年歐盟實施了“地平線”項目“基於水電機組的電力係統靈活性擴展”［71］，意在通過先進的軟件解決方案和適度的技術升級等較小改動基礎上進一步挖掘水電機組靈活性以支撐高比例新能源電力係統。通過這一項目，創新了水電技術係統集成解決方法並進行了試點應用［72］（見表 2 所示），同時係統分析了其對現代電力市場的影響。
2023 年，在老舊水電改造、電網調度靈活性需求持續提升、水電機組安全精益運行維護和水電可持續發展等需求驅動下，歐盟開展了“地平線”項目“基於數字解決方案的水電資產可持續性與靈活性潛力挖掘”［73］，開發了融合物聯網 、數字孿生、人工智能、徑流預測、圖像識別、雲計 算 等 技 術 的 D-HYDROFLEX 工 具 包 ， 並 在 波蘭、羅馬尼亞、西班牙等 5 個國家 8 座電站試點應用，實現物理電站向數字電站轉化，完成電站遠程監控和實時管理、生物多樣性監測、氫能與水電協同發展等目標。項目通過數字化技術，為水電站現代化和可持續發展提供了新思路和技術支持，助力歐洲能源轉型。
隨著可再生能源滲透率不斷增加，電網穩定性挑戰風險持續加大，現有儲能措施無法有效存儲過剩電能以應對電力消費高峰時段。在此背景下，2024 年，歐盟開展了“地平線”項目“新型長時儲能的柔性水電技術”［74］，在不改變水庫及河道情況下，通過抽水蓄能技術改造現有常規水電站實現年 22 TWh 的儲能提升。此外，歐盟正在開展一些科研及技術示範，探索從電源及負荷端降低電網靈活性的需求，如：基於創新儲能融合的先進電網接口技術（advanced grid interfaces for innovative storage integration，AGISTIN）［75］，該項目在儲能解決方案中設計先進電網接口，並在示範工程中應用，以降低對電網影響和降低大型電網用戶成本。
3.2 美國
美 國 電 力 輔 助 服 務 市 場 是 世 界 上 成 功 的 電力市場之一，在運抽水蓄能電站 43 座，單機容量4.2 MW~462 MW，總裝機容量 22 878 MW［76］。隨著大型火電和核電機組退役，以及天然氣及新能源發展，電源結構發生變化，新能源滲透率逐漸提升，要求電網提供更多可靠性、韌性、靈活性服務。早期，在電力輔助服務市場驅動下，開始包含抽水蓄能在內的水電機組靈活性方麵研究 ，其主要聚焦水電站運行優化以提高機組效率和發電量；近年來，隨著風能與太陽能發電發展，在新能源消納持續推動下，水電機組靈活運行需求不 斷 提 升［76］。 美 國 電 力 科 學 研 究 院 （Electric Power Research Institute，EPRI） 較早意識到水電機組靈活調節價值及其對水電機組造成的負麵影響，2017 年發布了《水電站靈活運行》［77］係統闡述了靈活運行後對水泵水輪機、發電電動機、高壓設備等造成的不利後果，並分析了四個靈活運行水電站案例，包括環保政策與電力市場輔助服務驅動下的水電站靈活運行（密西西比州 Osage 電站）、麵向靈活運行需求的水電站改造優化（美國墾務局 Hoover 電站）、基於計算流體動力學、有限元分析與真機應力應變的水泵水輪機寬負荷運行葡萄牙能源公司 Alqueva Ⅱ抽蓄電站）、靈活運行對 電 站 的 負 麵 影 響 評 價 （安 大 略 電 力 公 司 Pine Portage 電站）。報告明確提出增加水電機組靈活運行能力以應對可再生能源增長和電力輔助服務市場需求，但也應注意其對水電站帶來的負麵影響。
靈活運行後，水電機組從基荷運行轉為負荷靈活調節運行，加大疲勞損傷，降低預期壽命。針對該問題，2019 年 EPRI 聚焦水電機組核心部件轉輪，研究了混流式水輪機最優效率點、滿負荷、部分負荷、空載等穩定工況和啟停、負荷調整、旋轉備用、調相運行等工況對轉輪的影響，研究表明靈活運行將顯著惡化葉片出水邊與下環連接部 位 ， 同 時 明 確 指 出 靈 活 運 行 將 加 速 轉 輪 老化［78］。2020 年 EPRI 聚焦發電機轉子磁極間阻尼連接件和磁極與磁軛連接件，開展了滿負荷、部分負荷、調相運行、甩負荷以及飛逸等靈活運行工況下的損傷分析，研究結果表明：啟停循環是造成疲勞的主要因素［79］。
除 EPRI 外，美國能源部下屬水力發電技術辦公 室 （Water Power Technologies Office， WPTO）支持阿貢等國家實驗室持續開展了包含抽水蓄能在內的水電機組靈活性研究。2012 年 4 月在美國能源部資助下，由阿貢國家實驗室領導的聯合研究團隊聚焦傳統水電與先進抽水蓄能機組（交流勵磁變速機組與三機式機組）高精度建模與仿真、不同市場結構和不同新能源滲透比下服務電網能力與價值量化、投資決策案例分析等開展了係列研究［80］。通過該項目實現了抽水蓄能機組不同時間尺度下建模仿真（見圖 7 所示），明確了抽水蓄能向電力係統提供的 20 項服務能力，包括：慣量響應、一次調頻、二次調頻、靈活備用、旋轉熱備用、停機冷備用、負荷跟隨等。
2019 年，WPTO 支持阿貢、愛達荷州、可再生能源、橡樹嶺和美國太平洋西北國家實驗室 ，聚焦新形勢下電力係統需求、水電功能作用、新型電力係統下水電最優運行、水電技術創新等四方麵，開展了 HydroWIRES 多年期項目，以期能夠提升水電與抽水蓄能在電力係統可靠性、韌性與完整性方麵的價值。涉及抽水蓄能方麵已開展項目包括：適用電力係統規劃的水電與抽水蓄能模型、不同階段大規模電力市場演化下的抽水蓄能建模與優化、間歇性可再生能源下抽水蓄能價值與定位、經濟高效的小型抽水蓄能裝置、抽水蓄能機組實時慣量監測、抽水蓄能電站全生命周期評價等［81］。
2020 年在 WPTO 的資助下，EPRI 開展了水電靈活性框架研究，開發了計算水電機組靈活性的方法與框架，其主要成果包括：2023 年發布了發電及儲能供應商向美國電網提供靈活性服務的產品目錄，包括慣量響應、一次調頻、二次調頻、旋轉熱備、停機冷備、負荷跟蹤/斜坡響應等［82］；基於不同電力市場特點所需的靈活性服務產品需求，2024 年 EPRI 基於網頁技術發布了水電廠靈活運行優化工具 （Hydropower Flexibility Framework Tool，HFF Tool），該工具能夠依據水電站機組本身特性，結合地理位置、生態需求、電網要求等複雜約束條件下，給出水電機組靈活運行方式的優化結果［83］。
傳統抽水蓄能主要聚焦單機百兆瓦以上抽水蓄能機組，2014 年—2016 年，在美國能源部支持下，橡樹嶺國家實驗室開展了模塊化抽水蓄能技術研究，以解決大型抽水蓄能項目核準手續繁、資金投入大、回收周期長等麵臨的不確定性問題。項目優選廢棄礦井、高層建築等開發場景，研發了建模工具以衡量不同型式小型抽水蓄能技術經濟可行性，研究表明：當前市場環境下，小型抽水蓄能不具備成本優勢，但可通過技術進步降低造價、提高競爭優勢［84］。2016 年—2017 年，美國能源部支持該實驗室聯合佐治亞理工學院等單位開展了新型地麵集成多元儲能與建築暖通結合的項目，驗證了模塊化抽水蓄能與建築暖通結合的可行性，並開發了原型機組［85］。隨後，橡樹嶺國家實驗室實施了 4 年研究（2017—2020）開展了長壽命、高效率、低成本的地麵集成式多樣化儲能項目（含壓縮空氣的抽水蓄能），實現了建模和仿真與模型試驗，循環效率高達 82%，驗證了其作為規模化儲能項目的可行性，研究降低成本方法，並完成市場分析，證實該技術具備在美國不同電力市場提供基本可靠性服務的能力並接近商業化水平［86］。
3.3 日本
日 本 各 區 域 電 網 包 含 50 Hz 與 60 Hz 兩 個 頻率，且日本中西部、東部和北海道通過直流互連，頻率不同步，疊加各地區電力公司獨立運營導致區域電網規模較小，在新能源滲透率不斷提升背景下，抽水蓄能機組運行方式靈活，市場機製相對完善。
日本抽蓄建設曆史可以追溯至 1930 年［87］，至今已近百年。截止 2021 年，日本共有 42 座抽水蓄能電站，裝機容量 27.5 GW［88］，包含 21.9 GW 常規抽蓄和 5.6 GW 混合抽蓄［89］。二戰後，日本經濟高速發展催生了強大用電需求，上世紀 70 年代石油危機後，日本電源結構逐漸多樣化。近 30 年 ，最大日供電量 3429 GWh（2007 年），機組最大出力 183 GW（2001 年）［90］。2000 年，全年總用電量940 TWh，其中新能源 （含水電）、核、天然氣、煤 以 及 石 油 等 其 它 電 量 分 別 占 10.2%、 34.3%、26.4%、18.4% 和 10.7%［91］；福島核事故後，核電占比降低，疊加風能、太陽能裝機規模擴大，新能源發電量上升，2019 年，全年總電量為 1 024 TWh，其中新能源（含水電）、核、天然氣、煤以及石油等 其 它 電 量 分 別 占 18%、 6%、 37%、 32% 和7%［92］。由於日本不同區域電網公司主體不同，且各個地區新能源的滲透率不同，抽水蓄能機組靈活運行功能發揮存在差異，但整體上看，抽水蓄能機組在電網中主要承擔負荷頻率控製、經濟負荷分配和瞬時功率支撐等功能，包括尖峰負荷供給、日/周/季節儲能、熱備用、調相與調頻、黑啟動等功能［93］。圖 8 給出了九州電力公司抽水蓄能機組 2011 年—2021 年抽水工況運行統計［89］，圖 9給出了北海道電網 2025 年 6 月 1 日發電負荷曲線。由圖可見：福島核事故前，由於核電承擔基荷 ，抽水蓄能機組夜間用電負荷低穀時抽水，配合核電機組運行；2011 年福島核事故後，隨著核電機組裝機容量減少，以及新能源補貼政策推動下光伏裝機容量增多，機組靈活運行更多體現在午間抽水、早晚發電，以平衡光伏出力。時至今日 ，日本抽水蓄能機組已從核蓄聯合運行轉變化為平衡風光出力［94］，運行方式發生顯著變化。
以上分析表明，技術方麵，日本聚焦電網實際需求，以市場利益為驅動，以企業創新為主導，以政府戰略為依托，穩妥推動抽水蓄能機組靈活運 行 。 同 時 ， 在 支 撐 靈 活 調 節 電 力 市 場 方 麵 ，2015 年 ， 日 本 成 立 了 輸 電 運 營 商 跨 區 域 協 調 組織［99］（organization for cross-regional coordination of transmission operators，OCCTO）負責促進電力業務的跨區域協調，其中抽水蓄能統一由 OCCTO調度，並享有與火力發電一致的最高調度優先級，進一步奠定了抽水蓄能壓艙石的作用。
4 新型電力係統下的抽水蓄能靈活運行
4.1 靈活運行需求
隨著我國社會用電需求結構變化，以及新型電力係統發展，電網峰穀差增大，使得快速負荷響應、短時儲能、長時儲能等需求更加迫切，抽水蓄能靈活性調節需求增大。但抽水蓄能也麵臨壓縮空氣、飛輪、重力等物理儲能，鋰離子電池、鈉硫電池、氫儲能等化學儲能，以及超級電容等新型儲能方式的競爭，構網型儲能技術的快速發展［100］，也對抽水蓄能產業構成衝擊。圖 10 給出了抽水蓄能與其它儲能從靜止狀態到滿負荷響應特性上的差異。
不同時間尺度上，電網對調節電源需求存在明顯差異。超短時間尺度上，電力係統暫態穩定性依賴於發電機組提供慣量支撐、一次調頻等功能，儲能要具有高功率峰值、高響應速度、高循環壽命等特點，飛輪、超級電容、超導等儲能具有顯著優勢；短時間尺度上，平滑間歇性風光出力、負荷跟隨、二次調頻等方麵，儲能要具有大規模化、高循環壽命等特點，化學儲能與抽水儲能具有同等顯著優勢；長時間尺度上，削峰填穀、事故備用和負荷調節等方麵，儲能要具有規模大、調節範圍寬、度電成本低、環境友好等特點，抽水蓄能、壓縮空氣儲能等具有顯著優勢。但綜合技術成熟度、成本、安全、環保等方麵，抽水蓄能仍是技術最成熟、經濟性最優的大規模儲能方式，也是循環效率最高的大規模長時儲能技術。注意到，虛擬同步發電機控製、下垂控製等構網型技術的發展，使得風電、光伏等發電設備具備慣量支撐與頻率支撐能力；綜合能源係統［101］、電力負荷需求響應［102］、分布式發電［103］、分布式儲能［104］等技術快速發展也一定程度上抑製儲能需求。因此，隨著新型儲能和電網相關技術快速發展，抽水蓄能發展麵臨嚴峻挑戰，需要挖掘抽水蓄能機組靈活運行技術，更好服務新型電力係統建設，實現抽水蓄能高質量發展。同時，根據國家相關政策要求［105］，隨著“應改盡改”的落實，2027 年存量煤電機組靈活性改造趨於結束，電力係統靈活電源將更加緊張，亟需挖掘包括抽水蓄能在內的水電資源靈活調節能力。
相較於傳統電網中單純電力供給，快速發展的新能源使得合適的時間提供合適的電力資源、以及合適的時間匹配合適的負荷資源成為稀缺。傳統電力係統中，依托可控化石能源發電，電力供應時間和規模易匹配負荷需求。新型電力係統中，不同時間風光新能源發電存在巨大差異，通過抽水蓄能靈活運行可有效提供解決方案，如 ：新能源大發階段，作為負荷配合新能源消納，同時適當進相以調節電網電壓；用電高峰階段，作為電源保證負荷供給，同時滯相運行發出無功 ，保證電網電壓穩定。
抽水蓄能靈活運行需求取決於服務場景或其在係統中定位。2025 年 1 月 24 日，國家發展改革委、國家能源局印發了《抽水蓄能電站開發建設管理暫行辦法》（簡稱暫行辦法），明確提出抽水蓄能項目一般分為服務電力係統項目、服務特定電源項目兩類［106］。服務電力係統類項目的目的是緩解電網峰穀差矛盾，靈活性需求核心是提供削峰填穀、調頻調相、緊急備用等服務，保障區域電網安全穩定運行，提高供電可靠性；服務特定電源類項目主要是服務流域水風光一體化基地等特定電源主體的抽水蓄能項目，項目所在區域普遍內部網架結構薄弱、電壓支撐匱乏、新能源短路比偏低，靈活性需求核心是平抑新能源發電的波動性、間歇性，提高暫態電壓支撐，提高新能源發電的穩定性和可靠性，使得聯絡線功率保持穩定。因此，應依據抽水蓄能服務的特定場景或抽水蓄能在電網中的物理位置，以需求定功能 ，開發抽水蓄能靈活運行潛力。
此外，抽水蓄能機組本身諸如自動化水平 、不同工況振動水平、爬坡率、大軸扭矩變化速度、工況轉換時間等設備情況也限製了靈活運行功能發揮。考慮到抽水蓄能機組基於有功與無功的四象限運行特性，以及對電網主要作用在有功與無功支撐，結合歐美日抽水蓄能機組靈活運行經驗，以下從有功與無功支撐兩方麵論述抽水蓄能機組提升靈活運行能力，表 3 給出了主要研究方向。
4.2 有功靈活調節
4.2.1 快速負荷調節
對新能源基地，抽水蓄能需要快速響應新能源的波動；對區域電網，抽水蓄能需要快速響應頻率波動。因此，靈活運行需要提高抽水蓄能機組快速有功調節能力。
抽水蓄能機組發電開機方麵，需優化快速開機流程，研究導葉快速開啟規律及其對機組性能的影響。當前，大型抽水蓄能機組靜止到空載並網開機時間普遍在 2~4 min，如張河灣、桐柏、蒲石河分別為 153 s、160 s 和 229 s，空載到額定負荷1~2 min，如宜興、張河灣、十三陵分別為 75 s、55 s 和 120 s。影響靜止到發電滿載的主要因素包括輔機啟動時間、導葉動作規律、同期並網過程和負荷爬升速度等。標準化設計方案下，輔機設備啟動與設備選型密切相關，存在一定優化空間；開機過程導葉動作規律與控製模式密切相關，不同控製模式顯著影響靜止到額定轉速時間［107］，應研究考慮疲勞、穩定性、轉速上升速度等多因素耦合的開機過程導葉控製方式，縮短開機時間 ；同期過程時間受轉輪運轉特性曲線、調速器調節參數以及“一管多機”係統水力幹擾影響，定速機組在此方麵研究仍有較大提升空間，變速機組由於可通過勵磁調節實現機端電壓頻率、幅值與相位快速調節，並網時間顯著縮短；機組空載到滿負荷爬坡率主要受水流慣性時間常數、機組轉動慣量、接力器響應時間常數等影響，由於這些
參數是水力機械係統固有特性，運行電站優化空間較小，但由於多數電站並未充分考慮靈活性調節需求，實際並網後帶負荷過程時間裕量較大 ，存在進一步優化空間。
慣量支撐方麵，電網主體由同步機向電力電子轉變背景下，直流與交流耦合催生了電力係統複雜動力學機製，電力電子設備非線性特征以及控製參數整定使得電力係統振蕩行為複雜多變 ，特別是大量新能源機組采用虛擬慣量等控製技術，導致電網寬頻振蕩問題［108］。隨著係統慣量水平不斷降低，係統擾動後初始頻率變化率有增大趨勢，大規模抽水蓄能建設有效增加了電力係統物理慣量，延緩了係統慣量水平降低速度，是向不斷不確定方向發展電力係統注入穩定性的主要措施。因此，亟需進一步挖掘抽水蓄能機組在慣量支撐方麵能力，特別是大容量雙饋變速抽水蓄能機組慣量支撐能力的在線評估及優化控製，以支撐寬頻振蕩問題的解決。
負荷調整方麵，由於風光出力短時間尺度預測不確定性，需進一步發揮抽水蓄能機組一次調頻功能。作為流體驅動的原動機械，抽水蓄能機組一次調頻受淨水頭、導葉開度所確定的運行工況點影響，變速機組還需考慮轉速影響，存在明顯非線性，因此調節參數需具有適應性。定速機組參與一次調頻受導葉動作時水錘效應引發的反調特性影響，導致一次調頻動作時機組出力與預期調整值相反，存在惡化調節效果，並進而可能
引發電力係統低頻振蕩現象［109］。針對這些問題，鄒金等人提出了一次調頻的魯棒控製方法，提高了一次調頻控製精度［110］；具備快速功率響應的新型儲能技術可以有效補償定速抽水蓄能機組一次調頻時的反調特性，如飛輪儲能［111］、電化學儲能［112］、以及飛輪與電化學儲能耦合［113］ 等，因此，應加強與新型儲能配合以提高抽水蓄能靈活性。注意到，國內抽水蓄能機組耦合新型儲能調頻的運行方式更多停留在理論層麵，並無實際電站采用，其主要原因在於市場機製不完善、協同控製技術不成熟等因素。雙饋變速機組由於可以采用慣量支撐方式首先進行快速有功支撐，因而發電工況能夠避免一次調頻反調現象［47］，快速實現有功供給，較常規定速機組及火電機組調頻能夠 明 顯 減 小 準 穩 態 頻 率 偏 差 ， 提 高 係 統 穩 定性［114］。抽水工況時，通過交流勵磁調節轉速改變泵運行特性曲線實現入力調節（見圖 11 所示），從而 有 效 抑 製 可 再 生 能 源 波 動 帶 來 的 係 統 頻 率 波動［115］。隨著豐寧雙饋變速機組的投運，以及泰安二期、肇慶浪江、惠州中洞等變速機組研發，亟需開展大型變速抽水蓄能機組慣量、調頻支撐能力量化研究與應用實踐，全麵反映變速抽水蓄能靈活支撐價值。
4.2.2 寬負荷範圍調節
定 速 抽 水 蓄 能 機 組 發 電 工 況 下 穩 定 運 行 範圍 普 遍 在 50%~100% 相 應 水 頭 下 的 最 大 保 證 功率［116］。隨著水風光互補基地建設以及水力設計水平進步，一方麵常規混流式機組負荷調節範圍已邁入全負荷範圍內穩定經濟運行時代［117］，為電網釋放了更多調頻容量，增大了電網消納間歇性新能源能力，也為水泵水輪機寬負荷運行奠定了堅實基礎；另一方麵，根據 GB/T 40595—2021 相關要求，並網水力發電機組額定負荷參與一次調頻時，增負荷方向一次調頻功率變化幅度應不小於8% 額定有功功率［41］，故水泵水輪機寬負荷運行也是新型電力係統下的客觀需求。
除豐寧電站外，我國大型抽水蓄能電站普遍采用定速機組，且在同一輸水管路布置多台機組，如仙居電站一管兩機、天荒坪電站一管三機、梅州電站一管四機等。如果將一管多機係統看做一個整體，理論上可以通過水力短路運行實現泵工況入力調節，進一步提高抽水蓄能電站運行靈活性。下圖 12 給出了典型電站一管兩機係統中一台機組抽水一台機組發電時的入力調節範圍，該機組額定水頭 415 m，機組額定出力 300 MW，最高水頭 457 m，最低水頭 386 m。
圖 12 可見，以零蓄水流量作為邊界，對一管兩機式流道采用水力短路運行，當水輪機穩定運行範圍為 50%~100% 額定負荷運行時，水泵綜合入力調節範圍最低揚程時降低至 71 MW~196 MW，最高揚程降低至 68 MW~137 MW；隨著寬負荷運行水泵水輪機技術的應用，其綜合入力調節範圍將進一步擴大，最低揚程最大入力可至 333 MW，最高揚程最大入力可至 292 MW。采用這一方式可以有效提升一管多機係統中抽水蓄能機組泵工況運行的靈活性，以應對新能源消納過程中的風光出力不確定性。同時，這一方式運行可以顯著提升電站運行時的調節備用容量，以便電網功率故障時快速提供功率支撐，提高響應速度。
4.2.3 長時儲能
負荷平衡方麵，風光出力除具有典型日內短時分鍾級波動特性外，長時日間波動特性突出 ，同時存在新能源大發與用電負荷季節性、時段性錯配矛盾，“極熱無風、晚風無光”現象突出。鑒於抽水蓄能是電力係統綠色低碳清潔靈活調節電源，因而需要充分發揮抽水蓄能機組調峰填穀與長時儲能功能。由於我國電網新能源裝機發展快於儲能發展，疊加抽水蓄能建設周期長，導致儲能需求不能滿足新能源快速發展需要，進一步挖掘在運電站調峰填穀方麵靈活運行功能是有效支撐新能源快速發展的關鍵技術措施。
4.3 無功靈活調節
我國一次能源與負荷逆向分布，普遍采用遠距離、大容量特高壓交直流技術以滿足清潔能源送出、負荷中心電力供應等方麵迫切需求。隨著電網跨區輸送容量提升，交直流之間相互影響特征愈加顯著，電網無功資源不足導致電壓穩定問題凸顯。挖掘抽水蓄能機組無功靈活調節能力可有效解決電網動態無功支撐不足，提升係統電壓穩定能力。
當前，大功率 IGBT 等電力電子器件不具備過流/過負荷能力，在係統出現短路或故障情況下 ，不 能 提 供 短 路 容 量 支 撐 ， 不 具 備 主 動 支 撐 能力［118］。抽水蓄能機組作為傳統同步水電機組，較其他型式電源或調相機，在無功需求不斷提升的新型電力係統中具有獨特的優勢，能夠提供或消納無功功率［119］，同時提供慣量支撐。從運行方式看，抽水蓄能機組無功支撐可以分為兩種工況 ，發電或抽水有載無功支撐與調相無功支撐。
定速抽水蓄能機組發電電動機在正常發電或抽水運行時，轉子繞組強勵情況下能夠承受 2 倍額定勵磁電流不低於 50 s，定子繞組能夠承受 1.5 倍額定電流不低於 90 s［120］，因此，發電或抽水有載工況運行時，電網故障情況下勵磁係統能夠短時強勵，進行無功支撐。近年來，隨著功率器件的發展，基於全控器件的柔性直流勵磁技術開始應用於水電機組［121］，相較於普遍采用的晶閘管整流勵磁技術，有功、無功解耦控製使得控製性能更優，全控功率器件使得強勵能力和暫態電壓支撐能力更強、電壓控製精度更高、滅磁性能更快等，在電網低頻/超低頻振蕩期間能夠維持勵磁，極大提升了強勵響應時間及電網故障期間強勵維持能力。進一步，柔性直流勵磁與儲能結合形成儲能型柔性直流勵磁，可以提升抽水蓄能機組的調頻性能，顯著提升機組暫態穩定性，降低電力係統頻率失穩風險［122］。由於大容量發電電動機定子與轉子導體容量、通風散熱等已接近設計極限，柔性勵磁技術發展對發電電動機設計是極大挑戰。雙饋變速機組發電電動機，由於漏抗較小，進相運行時，沒有靜態電壓穩定性約束，因此進相運行範圍上要顯著大於定速機組，具備深度進相運行能力［123］。
抽水蓄能機組具備長時調相運行能力。通過向尾水錐管注入壓縮空氣將尾水液位控製在轉輪下方一定高程，機組以發電或抽水方向並網，機組進入壓水調相態運行，此時抽水蓄能機組與調相機運行方式相同，是大容量的無功電源或負載。調相運行較有載運行，由於采用壓水技術，軸向水推力降低使得推力軸承負荷降低，轉輪摩擦損失降低使得阻力矩降低，並進而降低電磁轉矩及吸入功率，因而電機運行更加高效穩定。
長時調相運行製約因素主要包括兩方麵：一是機組技術供水取排水口之間熱短路造成的機組發熱部件溫升情況。抽蓄機組普遍采用單元供水方式，技術供排水均與尾水相連，供排水口距離較近時，長時調相運行將引發熱短路現象［124］。對具有長時調相需求的新建機組應加大取排水口距離，對在運機組應采取供排水異流道方式防止熱短路。二是調相壓氣係統補氣量與水泵水輪機水環密封漏氣情況。壓水調相運行時，離心力作用下使得止漏環冷卻水在活動導葉與轉輪葉片之間的無葉區形成水環。通過水環封閉轉輪室內空氣，避免氣體逸入蝸殼，降低補氣量；同時，轉輪與空氣摩擦產生大量熱量，通過水環實現轉輪冷卻，避免轉輪熱膨脹導致碰摩事故發生。調相運行時，需根據具體機組特點，通過導葉預開、止漏環冷卻水流量控製等方式合理控製水環厚度，保持入力較低的同時，控製補氣量［125］。
受限於同步電機勵磁係統時間常數限製，定速抽水蓄能無功支撐響應速度滯後構網型儲能和調相機。構網型儲能無功支撐響應時間在毫秒級，調相機大致在幾十毫秒，而同步電機無功支撐響應時間則在幾十毫秒至百毫秒量級。在過電流方麵，構網型儲能通過合理利用開關電路電流裕量強化短時過流能力，其短時最大過流能力可以設計為 1.5～3.0 倍額定電流、持續最長可達 10 s，增強型調相機通過優化勵磁係統和冷卻技術，過載能力可提升至 2～3 倍額定電流、持續 5～10 s，較抽水蓄能有顯著優勢。未來，麵向無功支撐的靈活運行需求，應根據相應電站的具體功能需求 ，研究同步電機時間常數協同設計方法，確保電機穩定運行的同時提高無功快速響應能力。
4.4 支撐靈活調節的電力市場
新型電力係統下，新能源發展需要電網靈活性進行支撐，抽水蓄能機組靈活運行為電網提供了手段。抽水蓄能機組靈活運行意味著：機組在電網中積極響應電力市場或調度指令，發電、抽水、調相啟停更加頻繁，發電運行於非穩定運行區的偏設計工況、抽水啟動於極限低揚程，轉輪空蝕磨損加劇，過流部件及相關連接件疲勞損傷加劇等；發電電動機經曆更多啟停循環，預期壽命降低，導軸承磨損加劇等；高壓設備中，斷路器動作更加頻繁，開關站設備及變壓器維護成本增大等。因此，抽水蓄能靈活運行需要從受益主體中獲得相應收益或補償。
同時，抽水蓄能機組不同工況運行時，發揮功能之間存在衝突。抽水蓄能機組雖具備調峰、調頻、調相、儲能、係統備用、黑啟動等六大功能，但在給定時間點上僅是不同功能的組合，如調峰運行時可以同時調頻調相，而無法儲能；壓水調相運行時可以依靠慣量支撐進行調頻，而無法調峰等。我國抽水蓄能行業施行以兩部製電價為核心的價格形成機製。容量電價體現抽水蓄能電站提供調頻、調壓、係統備用和黑啟動等輔助服務的價值，電量電價體現抽水蓄能電站提供調峰服務的價值［126］，調頻服務聚焦的是有功支撐。研究表明，現行電價機製難以引導抽水蓄能實現靈活調節功能［127］，靈活運行並不能為電站帶來足額收益。以機組長時調相為例，長時調相在增加購電成本以及相關運維成本的同時，還將顯著壓縮調峰服務時間，根據兩部製電價機製，調相運行收益屬於固定容量電價收益，因此抽水蓄能承擔長時調相不僅降低了電站電量電價收益，容量電價收益還無法完全補償增量成本。當前，提升電 網 靈 活 性 服 務 機 市 場 機 製 研 究 已 經 取 得 進展［128-129］，2021 年，我國已開展電力輔助服務市場建設，無功平衡服務已納入電力輔助服務主要種類［130］。考慮到當前電力市場補償機製無法保證抽水蓄能機組回收靈活運行增加的成本，應盡快開展基於電力係統效益最大化原則的抽水蓄能機組靈活運行價值補償機製研究，推動靈活調節電源健康有序發展。
5 結論
抽水蓄能是新型電力係統建設的關鍵支撐 ，當前抽水蓄能在源網協調方麵，其調節和穩定支撐電網潛力未得到充分挖掘，尚存在應對新能源高滲透的送端電網調峰能力不足、負荷中心地區電網無功支撐能力不足、新能源基地調節能力不足等問題，亟需在保證抽水蓄能機組高強度運行可靠性水平前提下，因地製宜，結合抽水蓄能電站所在電網結構、負荷特性等，挖掘抽水蓄能機組長時間大範圍調峰調頻、頻繁工況轉換、長時期穩定調相等靈活運行新模式及其調度技術研究。
本文總結了歐洲、美國以及日本不同階段抽水蓄能靈活運行研究進展與實踐，介紹了抽水蓄能機組具備的功能，聚焦新型電力係統下電力供應安全挑戰日趨嚴峻、新能源消納壓力持續增大、電網失穩風險不斷加劇等問題，從快速負荷調節、慣量支撐、負荷調整、負荷平衡等有功支撐和快速無功調節、長時調相等無功支撐兩個方麵展望了我國抽水蓄能靈活運行方式，並指出了支撐抽水蓄能靈活調節電力市場機製發展方向。在電力市場機製、新型儲能、構網型技術等持續推動下，迫切需要研究抽水蓄能機組多時間尺度靈活運行技術，提升快速開機並網、寬廣調節範圍、優異爬坡性能、強大輔助服務等方麵能力，為新型電力係統建設提供堅強支撐。
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