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一

抽水蓄能概述

抽水蓄能（Pumed hydro storage plants）是一种大规模的储能方法，即通过电能-水势能的转化进行能源储存。抽水蓄能作为目前电力系统中应用最为广泛、寿命周期最长、容量最大、技术最成熟的一种储能技术，其发展备受各国关注。

>>抽水蓄能技术原理及特性

1、基础构成

抽水蓄能的工作原理是利用可逆的水泵水轮机组，在电力负荷低谷时利用多余电能将下水库中的水抽到上水库储存起来，在电力负荷高峰时放水发电。抽水蓄能电站由上下水库、引水系统（高压部分和低压部分）、电站厂房和机组等构成。理论来说，水量和落差越大，储能就越多。

图 抽水蓄能电站构成

按照地理位置、结构、功能等的不同，抽水蓄能电站可以分为各种不同的类型。按开发方式划分，可分为纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站。按调节周期划分，可分为日调节、周调节、季调节抽水蓄能电站。抽水蓄能技术主要包括以下几方面。

（1）施工技术

信息化管理系统：通过信息化系统对整个建设过程进行质量、安全、进度的跟踪，管理电站的勘测、设计、施工、检测等的全过程。

隧洞机械掘进施工技术：可以用于地下坑道、隧洞的开挖，特点是可以一次性快速开挖成型，没有爆破震动，进而降低对围岩的影响，减少衬砌量，缩短施工时间，提高经济性。

喷锚支护等柔性支护技术：经济效益和边坡稳定效果显著，随挖随支与基坑开挖同时进行。特点是适用性广、及时、快速、不占独立工期、可以减小占用的施工场地。

另外，还有发展应用已经较为成熟的全库盆的沥青混凝土面板防渗、适用于水库岸边的钢筋混凝土面板防渗技术、混凝土岔管高HD值技术（设计水头H与直径D的乘积HD值超过6000 mm）等。

（2）机电制造技术

长短叶片转轮技术：与普通的叶片转轮技术相比，可以提高全部运行范围内水轮机的效率，减少部分负荷运行时的压力脉动，改善水泵进口处空化特性，减小出力范围内的振动。

高水头、大容量水泵水轮机：抽水蓄能电站扬程越高，落差越大，储能越多，可利用的水能越大，且单位千瓦越低，综合经济性越好。

可变速机组：抽水蓄能电站上下水库水位在工作中会发生变化，导致发电最佳效率对应的转速也呈动态改变，从而产生了对抽水蓄能机组可变速运行的需求。

（3）特殊抽水蓄能电站技术

海水、高寒、水泵水轮机短路运行技术等。

2、可变速抽水蓄能技术

（1）原理、分类及特性

风电、光伏等可再生能源的大规模利用及在电网中所占比例的增加，对电网的稳定运行带来了挑战，尤其是夜间频率控制。另外，当工作在发电模式时，抽水蓄能电站上下水库水位同时发生变化，水头变化较大。而水头不同时，发电最佳效率对应的转速也不同。故产生了抽水蓄能机组的可变速运行的需求。

除了定速抽水蓄能机组的作用之外，可变速抽水蓄能机组还具有以下优势：提供系统自动控制容量，适应更宽水头范围提高运行效率，实现有功功率的高速调节，提高机组运行的稳定性，可以使用变频装置进行水泵工况启动，优化土建工程的设计。

抽水蓄能电站可变速机组的变速方式分为2种，一种是分档变速（一般为两档），包括变极变速和双转子双定子变速等，目前应用较多、发展较快的是另一种连续调速方式，包括双馈变频调速和全功率变频调速。

（2）双馈方式实现及控制

采用双馈可变速技术的抽水蓄能电站，不仅可以快速单独调节有功功率和无功功率来提高系统的稳定性和快速响应能力，实现机电系统的柔性连接，提高发电效率，还可以有效控制电网负荷频率，并平衡可再生能源引起的频率波动，改善电能质量。有效控制电力系统中电压失稳、低频振荡等不稳定现象，提高系统的稳定控制能力。同时，利用可变速机组的无功调节能力，还可以维持电网电压的稳定。目前已有大量双馈方式的可变速抽水蓄能机组在电网运行中发挥重要作用。

（3）全功率方式实现及控制

同为连续调速可变速技术，相对于双馈可变速抽水蓄能电站，基于全功率变流器（full-size converter，FSC）和同步电机的可变速抽水蓄能电站得到研究和关注的原因主要有：

1）三相交流励磁转子组成的大容量双馈可变速抽水蓄能机组的转子和启动程序较为复杂，多级机械传动系统存在附加损耗、噪声和可靠性问题。

2）FSC将发电机和电网完全隔离，电机调速范围更宽，可以实现转速的完全调节。

3）不管是设计安装新的电站，还是改装现有的抽水蓄能电站，FSC机组都具有一定的优势。

4）将普通的抽水蓄能机组改装为全功率机组时，抽水蓄能电站的主要投资仅增加了2%~4%。同时还可以降低水轮机的摩擦损耗，减少水流对水轮机的损坏，从而增长机组的维修周期，降低维修时消耗的人力、物力和财力。

FSC可变速抽水蓄能机组可以补偿可再生能源引起的功率波动，可在含大规模可再生能源的电力系统控制中发挥作用。随着控制技术的快速发展和电力电子器件价格的降低，传统抽水蓄能行业的新时代特性将会得到进一步挖掘，全功率变流器将会得到更深入的研究。

3、特殊抽水蓄能技术

（1）海水抽水蓄能技术

随着沿海核电、海上风电、太阳能、海上潮流能、潮汐能等新能源的大规模发展，以及温室效应的加剧和淡水资源的短缺，海水抽水蓄能电站可以帮助维持电力系统有功功率和无功功率的平衡，构建安全稳定经济清洁的沿海能源供应体系。

海水抽水蓄能电站面临的主要问题：1）上库防渗效果和海水对地表及地下水污染的评价；2）海水中有机物质对管道及水轮机的粘附作用以及由此造成发电和抽水效率降低的评价；3）在高压和高速水流作用下海水对金属材料的腐蚀作用；4）在高海浪情况下，管道进出口海水的输入和排泄的不稳定性对发电出力的影响；5）上库海水因台风等风力作用而飘到水库周围，对植物、动物及其他生物的影响；6）对生息在下库出口周围的珊瑚及其他有机生物的影响。

电站建设过程中关键技术问题的解决方案：1）上池采用防水性能好的EPDM（ethylene propylene diene monomers）橡胶板衬砌防渗。2）排水管采用防腐性能好的环氧树脂喷涂钢筋混凝土管，排水口则采用具有良好耐磨和耐腐蚀性的特殊陶瓷喷涂材料。3）水轮机转轮和导流叶片采用耐气蚀和耐腐蚀的特殊不锈钢材料，大规模采用双向缠绕结构的纤维增强复合塑料（FBP）可达到预期效果。4）电气防腐蚀装置。采用防腐蚀电流可调的外加电源，分为阴极法和阳极法两种，并设置氯气排放装置来防止海水电解产生的氯气破坏不锈钢钝化膜。5）采用可变速的抽水发电系统，以适应发电和抽水情况高效转换。6）及时检测和分析周围海水浓度和动植物群生长状况。

（2）高寒地区抽水蓄能技术

在风电大规模并网之前，甘肃、新疆等地已经出现因为电网调峰能力不足而制约风电消纳的情况，今后更大规模的风电、光电并网对电网调峰能力的要求将更高，因此，在这些地区建设抽水蓄能电站已变得十分必要。

西北大部分地区海拔高，新疆、青海、甘肃抽水蓄能电站基本位于海拔2000~3500m高程。因此，高寒地区的抽水蓄能电站需克服困难、依据具体情况来改进。保证过机含沙量不超标、保证电站发电用水及冰冻期电站安全运行是西北地区抽水蓄能电站设计中需要解决的重要问题。

解决方案：1）预防措施，做好选点规划工作，尽可能将电站位置定在日照长的阳坡坡面，并在选择渠线时尽量顺直。每年冬季来临之前对进水口拦污栅进行彻底清理，提出副拦污栅并锁于平台上以减少冰凌挂在拦污栅上的机会，减缓拦污栅挂冰的速度。严格控制库区水位在规定区间内变化，防止冰面上涨造成冰面与坝面底部封死或冰面下降造成库区涌冰。2）引水渠口与渠道结合处，增加设置一个滑冰隔离板，使上游的冰块在流入引水渠口前，就被滑冰板隔离到主干河道冲至拦河坝以下，使引水渠只进水不进冰。3）为保证发电用水，设计中考虑水损备用库容。保证过机含沙量满足要求的主要措施是建拦沙坝。4）加强建设管理和运行管理，建立完善的建设运行管理机制。

（3）混合式抽水蓄能技术

混合式抽水蓄能电站是指结合常规水电站开发抽水蓄能电站，既可以在常规水电站建设的同时一并开发建设，也可在已建成的常规水电站上进行扩建或续建。

混合式抽水蓄能电站主要有以下几大优势：1）节省工程投资；2）能量转换效益最大化；3）常规机组和蓄能机组可联合调度运行；4）优化常规梯级水电站水库调度运行。

（4）水泵水轮机短路运行抽水蓄能技术

基于定速机组和水泵水轮机短路运行（hydraulic shortcircuit operation）方式的抽水蓄能技术，省去了工况转换和机组的启停过程，同时运行在发电和电动模式下，灵活可靠，更方便地随着电网的功率波动而进行调节。当抽水蓄能电站有一台机组时，该机组同时运行在发电模式和电动模式。当抽水蓄能电站有多台机组时，可以使一部分机组运行在发电模式，一部分机组运行在电动模式。

>>抽水蓄能在新型电力系统中的作用

推动构建新型电力系统，新能源将逐渐成为电源主体，电力电子设备大量应用，系统技术基础、控制基础和运行机理将发生深刻变化，面临的复杂性和不确定性大幅提升，电力电量平衡、安全稳定控制等将面临前所未有的挑战。因此，新形势下，以新能源供给为主体，增强系统调节能力，保障电网安全稳定运行和可靠供电，是构建新型电力系统需要解决的主要矛盾。

在新型电力系统中，抽水蓄能的作用发挥将更加全面和突出，主要体现在“六应对、六提升”：

有效应对高比例新能源为电力系统带来的潜在安全影响，提升电力系统安全稳定运行能力；有效应对高比例新能源带来的系统调峰困难，提升电力系统大容量调峰能力；有效应对高比例新能源的随机性和波动性，提升电力系统快速调节能力；有效应对高比例新能源出力与电力系统负荷需求不匹配，提升新能源利用水平；有效应对高比例新能源电力系统转动惯量不足，提升电力系统抗扰动能力；有效应对高比例新能源上网带来的高调节成本问题，提升电力系统整体经济性。

总体来看，抽水蓄能作为新型电力系统的重要组成部分，是新型电力系统中调节电源的主体、系统安全稳定运行的关键支撑、新能源大规模发展的重要保障。

二

国内外抽水蓄能发展历程及现状

>>国外抽水蓄能发展历程及现状

1、发展历程概览

（1）抽水蓄能电站发展起步阶段

瑞士苏黎世奈特拉电站是第一座抽水蓄能电站，于1882年正式落成。截至1950年底，全世界建成抽水蓄能电站31座，总装机容量约1300MW(部分混合式电站按泵工况最大入力统计)，主要分布在瑞士、意大利、德国、奥地利、捷克、法国、西班牙、美国、巴西、智利和日本。

（2）20世纪50年代~60年代

20世纪50年代是抽水蓄能电站开始迅速发展的起步阶段，到1960年全世界抽水蓄能电站装机容量3420MW。20世纪60年代年均增长1259MW，到60年代后期，美国抽水蓄能装机容量跃居世界第一，并保持20多年。

（3）20世纪70年代~80年代

20世纪70年代和80年代为发展黄金时期，年均增长率分别达到11.26%和6.45%。到1990年底，全世界抽水蓄能电站装机容量增至86879MW，已占总装机容量的3.15%。

（4）20世纪90年代

进入20世纪90年代后，发达国家经济增长速度有所放慢，抽水蓄能电站建设年均增长率从80年代的6.45%猛降至2.75%，到2000年全世界抽水蓄能电站装机容量达到114000MW。进入90年代，日本后来居上，超过美国成为抽水蓄能电站装机容量最大的国家。

（5）2000年~2020年

进入21世纪，西方发达国家经济增速放缓，抽水蓄能电站的建设规模有限。随着亚洲国家经济增长速度提升，特别是中国、韩国和印度，电力需求旺盛，对抽水蓄能电站的需求增加迅猛。2017年中国超越了日本达到28490MW，成为全世界抽水蓄能电站规模最大的国家。

2、主要国家抽蓄电站发展现状

总体来看，目前国外在运的抽水蓄能电站中，欧美80%以上是在上世纪60到90年代之间投产的，主要功能是配合核电运行。本世纪以来，欧洲抽水蓄能的发展略有增长，主要为应对上世纪90年代和本世纪初能源需求的增加，以及风电、光伏等波动性电源的高速发展。

（1）日本

在日本，电网充分利用抽水蓄能机组实现削峰填谷，抽水蓄能电站的调峰、调频、填谷、紧急事故备用以及经济性蓄水等性能都得到了较好的发挥。截至2019年底，日本抽水蓄能装机规模为27.6GW，位居世界第二。

（2）英国

在英国的能源结构中，抽水蓄能发电已有一百多年历史，其技术成熟、经济且发电量大，是目前英国普遍应用的储能技术。英国抽水蓄能电站相对于燃气电站容量较小，主要承担尖峰负荷、容量备用等任务。目前英国已经形成发、售电市场全面竞争体制，已建成较为成熟的电力交易市场，因此其抽水蓄能电站无需被动接受电网公司调度指令，可以自由参与市场交易竞争。

（3）美国

美国大部分抽水蓄能电站建设于1960～1990年之间，仍在运行的抽水蓄能电站中近一半建于上世纪70年代。近几年间，美国对抽水蓄能建设的兴趣显著增长。如今，美国多个州正在关注发展抽水蓄能的可能性，2026年前加州将新增约1GW的抽水蓄能或类似的长期储能资源。此外，美国抽水蓄能电站的地域范围也在不断扩大，宾夕法尼亚州、弗吉尼亚州、怀俄明州、俄克拉荷马州、俄亥俄州、纽约州都在探索新项目。

>>国内抽水蓄能发展历程及现状

1、发展历程概览

我国抽水蓄能电站的发展历程大致可以分为4个阶段：探索与试验阶段，总结与提高阶段，快速发展阶段，谨慎发展阶段。

（1）探索与试验阶段

1968年，我国首次在河北岗南水库安装了1台从日本引进的容量为11 MW的抽水蓄能机组，1972年在北京密云水库安装了2台单机容量为12 MW的国产抽水蓄能机组。但由于调度和机组质量问题，加之水头低、容量小，这些机组并未受到电网的重视。1984年开工、1992年投产的潘家口抽水蓄能电站，安装了3台单机容量90 MW的可变速抽水蓄能机组，在电网中发挥了重要作用，抽水蓄能电站首次得到电网的认可和重视。

（2）总结与提高阶段

1980年以后，随着核电的发展，尤其是广东大亚湾核电站和浙江秦山核电站的建设，催生了广州抽水蓄能电站和天荒坪抽水蓄能电站的建设。通过这2个电站的建设，培养了一批设计、施工、监理和业主高素质工程建设人才，为下一步抽水蓄能电站的迅速发展积累了经验。

（3）快速发展阶段

快速发展阶段以成立抽水蓄能专业运营公司，即国家电网公司成立国网新源控股有限公司，南方电网公司成立调峰调频发电公司为标志。这2家发电公司专门建设、运营抽水蓄能电站，为电网提供调峰、调频、调相等辅助服务。

（4）谨慎发展阶段

“十三五”以来，中国经济进入新常态，由高速发展阶段转为中低速发展，经济增长由外延型增长转变为内涵式增长，国内经济对电力的需求减缓。一批抽水蓄能电站建成后一直处于亏损状态，引起运营公司的警惕。抽水蓄能电站建设进入谨慎发展阶段。

值得一提的是，在新型电力系统建设的大背景下，随着2021年9月国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》，提出抽水蓄能2030年和2035年的装机目标，抽水蓄能发展将进入新阶段，即将迎来爆发式增长。

2、国内在运和在建抽水蓄能情况

截至2020年，我国抽水蓄能电站投运总装机规模3179万千瓦，在建总装机规模5243万千瓦。国内在运和在建抽水蓄能情况如表1、2所示。

表1 国内在运抽蓄电站（截至2020年底，来源：水利水电资料库）

表2 国内在建抽水蓄能电站（截至2020年底，来源：水利水电资料库）

3、抽水蓄能机组设备国产化历程

（1）初步探索阶段

二十世纪八九十年代，我国十三陵、广蓄、天荒坪等大型抽水蓄能机组完全依赖国外进口。21世纪初，哈尔滨电机厂责任有限公司（以下简称哈电）通过回龙（2×60MW）、白山（2×150MW）等抽水蓄能项目，引进美国GE公司、日本日立公司等设计成果和关键技术，开始了我国抽水蓄能机组设计制造的早期探索。

（2）技术引进阶段

2003年4月，国家发展改革委实施“引进技术、合作生产”的扶持政策，启动了抽水蓄能机组设备国产化工作。此阶段机组国产化的技术引进使我国抽水蓄能机组设计制造能力得到质的提升。

（3）消化吸收阶段

在技术引进的基础上，国家发展改革委将蒲石河（4×300MW）、黑麋峰（4×300MW）、呼和浩特（4×300MW）三座抽水蓄能电站作为机组国产化的依托项目，坚持“国内负责、‘必要时’国外支持”的国产化原则。三座抽水蓄能电站于2015年全部投产运行，此阶段机组国产化的消化吸收使我国具备了独立成套研制大型抽水蓄能机组的技术能力。

（4）自主研发阶段

2007年，国家发改委将响水涧（4×250MW）、仙游（4×300MW）、溧阳（6×250MW）三座抽水蓄能电站作为机组自主研发的依托项目，标志着国内主机设备制造商已经掌握大型抽水蓄能机组设计制造的核心技术，打破了机组及成套设备制造技术的国外垄断。

（5）成熟应用阶段

随着我国抽水蓄能机组装机容量的快速增长，国内主机设备制造商已经积累了丰富的设计制造经验，并对技术引进的大部分内容进行了完善和二次开发，在高起点上进行再创新，初步具备了与福伊特、东芝、安德里茨等国外强手同台竞争的能力。

4、国内抽水蓄能装备制造前沿动态

经过多年发展，我国已经成为全球抽水蓄能规模最大的国家。在国家政策的支持下，近几年来我国抽水蓄能装备的突破主要体现在以下方面。

（1）破解世界难题的水泵水轮机技术

抽水蓄能机组设计水头高，且启停机工况复杂，对水轮机各部件的刚强度及抗疲劳性能要求严格。为此，以哈电电机、东方电机为代表的我国电力装备制造企业，在研发、设计、制造过程中开展了大量的创新工作。

国内电力装备制造企业的一系列技术创新，提高了机组运行稳定性，实现了高效率和高稳定性兼顾，特别在高水头抽水蓄能电站机组上采用了新的控制策略，缩短了水泵水轮机发电工况启动并网时间，成功攻克了水头变幅大的水泵水轮机并网困难的世界性技术难题。

（2）发电电动机技术持续突破

发电电动机的设计从电磁设计、通风系统设计、绝缘系统研究、轴承技术开发、刚强度及稳定性分析技术研发等角度取得了长足进步。

在电磁性能技术研究上，我国拥有行业通用的Ansoft、Magnet、Flux及Simsen等电磁场及电磁暂态仿真软件；同时我国有具有世界先进水平的试验设备和国家级大型水电设备质量监督检测中心。此外，还拥有大型水轮发电机电磁结构及性能实验模型、分数极路比绕组抽水蓄能发电电动样机及抽水蓄能发电电动机变频启动物理仿真系统等，能够对后续抽蓄项目的研发提供有效模拟支撑。

在绝缘性能技术研究领域，哈电电机等国内企业拥有国内容量最大、精度最高的定子线棒冷热循环装置，能够保证定子线棒拥有良好的热稳定性；具备电热老化实验、耐环境温度、防潮、防盐雾等试验能力。此外，在高电压等级及高海拔环境的绝缘技术方面，积累了丰富的工程经验，对未来大容量、高转速抽蓄项目的研发提供了有力支撑。

在通风冷却技术研究方面，国内企业拥有专业的冷却技术研究团队，应用国际通用的Fluent、CFX、Flowmaster等流体及热分析软件进行电机的流场和温度场分析，能够有效解决电机冷却技术研究问题。

在轴承技术研究方面，自宝泉、惠州、白莲花等抽水蓄能机组技术引进开始，哈电电机和东方电机就展开了对蓄能机组双向推力轴承的瓦面材料、支撑结构、性能计算等关键技术方法的研究，经过30余年发展，各项研究内容已经逐渐成熟并取得了丰硕成果。

（3）其他装备和技术

与此同时，随着近年来技术改造及信息化进程的加速，国内的工艺装备发生了质的变化。以哈电电机为代表的国内公司早已配备了功能强劲的下料、热处理、成型设备，类别齐全、加工范围宽广的系列冷加工设备，数控精大稀金属切削设备，全自动数控加工中心、焊接机器人，以及为制造定子线棒、磁极部件、磁轭冲片等关键工件的专用加工设备。

经过近二十年的高速发展，中国抽水蓄能机组装备制造水平持续跃升、制造成就令人瞩目，能够承担单机容量450兆瓦的抽水蓄能机组的设计和制造，水头范围覆盖到800米，转轮直径最大可达7米，转速从100转每分钟到750转每分钟，实现了单级水泵水轮发电机组水头全覆盖、转速全覆盖、容量全覆盖，为“双碳目标”的实施提供强有力的装备制造支持。

可以预见，随着抽水蓄能中长期发展规划的落实实施，我国抽水蓄能技术和装备制造水平将进一步跃升。