适应新型电力系统的抽蓄发展的问题及对策

为助力实现“碳达峰、碳中和”目标和构建新型电力系统，南方电网公司明确提出在南方区域2030年前基本建成、在2060年前全面建成新型电力系统。在此过程中，大力发展抽水蓄能，规划在“十四五、十五五、十六五”期间分别新增装机600万千瓦、1500万千瓦和1500万千瓦，力争到2035年南方区域抽水蓄能装机容量达到4400万千瓦左右，使之成为新型电力系统的扰动平抑器、负荷平衡器和电网稳定器。

来源：微信公众号“中能传媒能源智造”

(资料图片仅供参考)

作者：南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院 彭煜民

新型电力系统主要特征

新型电力系统以清洁能源为主体，新能源在能源消费中的比重将不断增加，逐步形成以新能源和水电、核电为主要发电形式的能源利用形态，化石能源消费占比逐步压缩至满足碳中和目标的比例，而剩余化石能源装机容量将作为新型电力系统备用电源使用。在新型电力系统中，新能源接入电网的方式将呈现集中式和分布式并举的态势。在集中式接入方面，南方区域力争到2025年实现2400万千瓦以上陆上风电、2000 万千瓦以上海上风电、5600万千瓦以上光伏接入。在分布式接入方面，在各地因地制宜建设容量较小、接入电网电压等级低、能就近消纳的分布式电源。

在新能源为主体的新型电力系统中，新能源发电设备实际出力受气象环境的影响极大，具有明显的随机性、波动性和间歇性特点。电能替代、家用储能设备及智能家居的广泛应用使得用户侧负荷朝着多元化、互动式方向发展，用户终端进入既是消费者、又是生产者的全新模式。以新能源为主体的新型电力系统呈现高比重新能源和高比重电力电子设备的“双高”特征。为应对新能源大规模波动和各种极端情况，需要根据新能源装机和出力规模按比例匹配相应规模的抽水蓄能装机容量，在新能源出力异常时由抽水蓄能尽可能维持电网新型电力系统状态，阻止新型电力系统向传统电力系统转变。因而，抽蓄电站开发建设将呈现更快速、更大规模的特点。

抽水蓄能快速大规模发展存在的问题及对策

快速大规模开发建设带来安全、质量和人员短缺问题，为适应新型电力系统建设需求，目前每年均有一批抽水蓄能电站立项建设，要求的建设工期也从以前的8-10年大幅缩短为4-6年，工程快速开发建设必然带来安全、质量和人员短缺等方面的问题。

要解决工程快速开发建设带来的一系列问题，施工和工程管理单位首先需要开展抽水蓄能电站土建工程机械化智能化的技术研究和实践。针对大量地下洞室群的开挖引入TBM（隧道掘进机）技术，结合抽水蓄能电站特点研制TBM设备，制定形成施工技术方案。针对土建施工过程中开挖、装运、支护、仰拱等各种不同的作业场景，研究形成机械化智能化施工全工序配套应用方案，开展单工序设备智能化操作、全工序施工系统自动化、设备施工信息数字化、远程操控机械设备无人化施工、施工质量智能化感知分析等课题技术研究，研制各种机械化智能化施工设备和系统。

在机电工程机械化智能化方面，可以针对机电设备安装各个作业场景，从减少作业人员、提高作业效率、降低作业风险等方面分析机械化智能化的应用需求和可能性，研制各种机电工程机械化智能化施工设备和系统。

另外，还可以通过工程三维设计和仿真技术，对部分设施设备提前进行预制和仿真测试，既提前完成部分工作，缩短现场施工工期，又可提前开展功能验收和质量管控，有效提升质量和安全管理水平。

电站大规模投运带来的可靠运行和智能化、集约化需求问题。抽水蓄能电站大规模投运将带来运维检修成本高、人员短缺等问题。要降低运维检修成本，关键就要提高抽水蓄能机组的运行可靠性；要解决人员短缺的问题，就需要实现电站智能化、集约化运行管理。

要提高机组运行可靠性，在设备选型设计方面，技术人员需要深入总结抽水蓄能电站设计运行实践经验，对抽水蓄能电站相关设备分系统进行优化设计、选型和标准化研究，并根据设备调试、故障处理和检修经验不断迭代更新。在设备制造方面，传统抽水蓄能机组还有部分关键设备制造技术掌握在国外厂家手中，需要对这些“卡脖子”设备开展国产化研究，并将多年运行维护经验和策略融入其中，有效提高这些关键核心设备的产品质量和运行可靠性。在设备运行监控方面，技术人员需要从设备状态可观可测角度分系统制定设备状态监测元件配置标准，深入开展基于本质安全要求的设备控制策略、状态监测策略和健康度评价方法研究，构建设备状态监测智能分析预警平台，提前发现设备存在的隐患并及时预警处理。

要实现电站智能化、集约化运行管理，在设备控制操作方面，技术人员需要开展设备全自动控制或一键操控技术研究，实现机组无需人员干预完全自动开停机及负荷调节，尽可能实现运行操作程序化和多维度智能确认；在设备巡检方面，技术人员可开展机器视觉感知、机器听觉感知、机器人巡检等方面的技术研究，进行巡检机器替代的技术实践；在电站集约化运行方面，需要开展一人多厂集中监控技术研究和实践，有效解决抽蓄电站大发展带来的值班人力资源短缺的问题。

大量分布式新能源消纳带来的抽水蓄能小型化和多能互补一体化运行问题。新型电力系统的一个显著特征在于有大量小规模的新能源散布在电网各个区域，在低电压等级电网中运行。要尽可能消纳利用这些分布式新能源，有效缓解大电网电力阻塞，需要在分布式新能源附近配套建设分布式抽水蓄能机组，通过低电压等级电网实现新能源的就地存储和消纳利用。因而需要解决抽水蓄能小型化和多能互补一体化运行的问题。

工程技术人员有必要大力开展包括小型可逆式抽水蓄能机组、水泵和水轮机同轴独立运行、小水电和泵站联合运行等多种型式的分布式抽水蓄能电站选址、设计制造、控制策略和集成应用研究；同时开展抽水蓄能与风、光、水电等多能互补一体化运行技术研究和工程示范，为新型电力系统中能源高效经济互动探索提出技术解决方案。

适应高弹性电网的可变速抽水蓄能机组技术“卡脖子”问题。可变速抽水蓄能机组具有一次调频响应迅速、水泵工况入力可调、机组保持在最优曲线运行的特点，兼具响应灵敏和高转动惯量的特性。要有效抑制电网的随机性和波动性，更精确的调节吸收发电侧和用户侧新能源产生的过剩电能，更好的控制高弹性、高互动电网负荷平衡，需要在电网中增加可变速机组的比重，但目前可变速抽水蓄能机组关键技术大多仍掌握在国外厂家手中，需要解决技术“卡脖子”问题。

为了实现关键核心技术自主可控，有必要集中国内科研技术力量深入开展可变速发电电动机和水泵水轮机设计研制、交流励磁变流器控制策略及装置研制、可变速机组协联控制策略及装置研制、可变速机组调速器控制策略研究、可变速机组工况转换流程及集成控制策略研究，实现大型可变速机组完全国产化设计制造和工程示范应用。

综上所述，随着新型电力系统的快速发展建设，需要加快抽水蓄能电站机械化智能化施工技术、电站智能化集约化运行技术和多能互补一体化运行技术研究，配套分布式新能源因地制宜建设一批中小型抽水蓄能电站，大力推进可变速抽水蓄能机组国产化制造和工程应用。科研技术人员要抓住发展机遇，找准研究方向，为建设新型电力系统和实现“双碳”目标作出应有的贡献。（作者单位：南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院）

关键词： 抽水蓄能 抽水蓄能电站 新型电力系统