通过宽负荷运行解锁抽水蓄能的灵活性潜力：调节潜力释放的多准则评估

《Journal of Energy Storage》：Unlocking the flexibility potential of pumped storage through wide-load operation: A multi-criteria evaluation of regulation potential release

　　•抽水蓄能机组宽负荷运行评估框架系统性地建立。
•将最小出力从35%降低至10%，使系统爬坡损失负荷减半。
•最大宽负荷运行使系统年总运行成本最低。
•受限运行区间导致抽水工况激增85%。
•最优出力边界被量化，并针对动态政策偏好进行定制。
引言
在全球能源转型与脱碳共识的推动下，风电和光伏等间歇性可再生能源的渗透率显著提升[1]，[2]。然而，其固有的随机性和波动性对电网的实时功率平衡构成了严峻挑战[3]。作为最成熟的大规模储能技术，抽水蓄能已成为现代电力系统维持稳定性的基石，在全球范围内具备巨大的能源和水资源管理潜力[4]，[5]，[6]。可再生能源渗透率的提高要求抽水蓄能机组在更宽的负荷范围内更频繁地运行。然而，传统的最小出力限制制约了其向下调节空间，使其部分灵活性潜力无法释放。宽负荷运行为拓展这一范围提供了潜在途径，但该拓展受到偏离设计工况水力特性的制约，包括流动失稳、效率下降和压力脉动等[7]。因此，最小运行限值成为连接机组运行能力与系统级灵活性的重要纽带。
电力系统灵活性需求的日益增长，对抽水蓄能机组的常规运行范围提出了越来越大的挑战（图1）。一方面，可再生能源固有的随机性和波动性迫使抽水蓄能机组频繁进行出力调节，并在低负荷区长时间运行以进行深度调峰，这与其高效设计工况点显著偏离。另一方面，现行技术标准，如《混流式水轮发电机组技术条件》，出于安全考虑将常规出力范围限制在额定容量的50%–100%之间，这限制了系统调度员可用的调节空间，使抽水蓄能的灵活性潜力无法得到充分利用[8]。
2024年中国南方电网的实际运行数据进一步说明了日益增长的调节需求：该区域内34台机组通过41,108次调用（同比增长24.2%）在110,600个运行小时（同比增长3.6%）内产生了264亿千瓦时的调节电量[9]。这些趋势凸显了拓展抽水蓄能机组可用运行范围的必要性。然而，更宽的运行范围并不必然带来同等幅度的系统效益提升。拓展抽水蓄能机组运行范围究竟能释放多少灵活性价值？
现有与抽水蓄能宽负荷运行相关的研究大致可分为两个层面：机组层面的研究，探讨低负荷运行的物理机理和运行约束；以及系统层面的研究，探讨抽水蓄能灵活性的调度与利用。
在机组层面，研究主要集中在与低负荷运行相关的水力机理和稳定性约束方面。S形特性区因其可能限制抽水蓄能机组的并网和运行工况转换而受到特别关注。Liu等人发现S形区内固有的流动不稳定性是电网功率振荡和机组结构振动的根本原因。他们的研究表明，不同导叶开度下非稳态涡旋的演化主导了压力脉动的产生机理[10]。在此基础上，Guo等人从能量耗散的视角补充了这一观点，发现随着流量减小，流道参数与几何结构之间的失配加剧[11]。这导致S形区内的回流和横流现象增强，显著恶化了机组的动态特性。为更准确地捕捉这些复杂流动模式，先进的流场分析方法被广泛引入。从流动结构的角度来看，Xu等人发现无叶区内水体的刚性旋转是诱发高幅低频压力脉动的关键因素，而速度梯度引起的剪切效应是能量损失的主要原因[12]。Liu等人采用动态模态分解成功识别了无叶区内“水环脉动分量”及其向导叶的传播模式，揭示了低频脉动与涡带动力学之间的相干结构[13]。
除机理识别外，原型试验和结构优化研究也探讨了如何拓展稳定运行范围。Hua等人观测了一台600 MW抽水蓄能机组在不同水头下的特征压力脉动[14]。针对这些稳定性限制，Hu等人证明分岔叶片可以改善S形区特性并抑制瞬态压力[15]。类似地，Xue等人表明改进的导叶结构可缓解超高水头机组的异常振动[16]。综合来看，这些研究阐明了低负荷运行的物理机理和水力约束，为拓展抽水蓄能机组的可用运行范围提供了工程基础。
系统级运行研究日益聚焦于可再生能源主导电力系统中抽水蓄能灵活性的协调利用。Tang等人研究了抽水蓄能与风电、光伏发电和电池储能的联合运行，表明混合储能配置可同时提升系统灵活性和经济性[17]。Tan等人进一步制定了风-光-抽水蓄能系统的互补调度规则[18]，而Dargahi等人证明抽水蓄能与分布式资源的协调规划可减少碳排放和燃料成本[19]。更广泛地，Meng等人将柔性电动汽车负荷纳入发电-电网-负荷-储能资源的协调调度中，进一步展示了多资源交互在增强系统灵活性方面的价值[20]。
随着可再生能源渗透率的提高，对考虑不确定性的调度和更复杂运行条件的关注也日益增多。Meng等人将随机可再生能源发电纳入发电-电网-负荷-储能协调优化中，证明了不确定性表示在多资源调度中的重要性[21]。Wang等人开发了基于深度强化学习的水电与混合抽水蓄能在光伏不确定性下的实时调度框架[22]。Li等人应用分布鲁棒优化来考虑光伏出力和电价的波动[23]，而Wang等人将额外长时储能选项纳入抽水蓄能容量扩展规划以增强调节能力[24]。这些研究表明，储能灵活性的有效利用越来越依赖于调度模型适应不确定性和资源交互的能力。
与此同时，针对不同抽水蓄能配置的灵活性特征也日益受到关注。Wang等人研究了定速与变速机组之间的协调频率调节，并提出了一种自适应控制框架[25]。Wu等人评估了三机式抽水蓄能在日前调度中的表现，证明其对风电波动具有更强的适应性[26]。总体而言，现有系统级研究在给定运行条件下对抽水蓄能灵活性的调度和利用取得了实质性进展。然而，通过进一步拓展运行范围可获得的额外系统价值仍未得到充分量化。
尽管在低负荷运行约束和系统级抽水蓄能调度方面取得了显著进展，但仍存在三个研究空白。现有系统级研究通常将抽水蓄能运行范围视为给定的技术边界，对其逐步拓展所产生的系统效应关注不足。额外调节空间与其在系统层面实际利用程度之间的关系也未被充分量化。此外，运行范围拓展的灵活性效益很少与机组调节行为和经济性变化一起评估。因此，关于运行边界拓展如何转化为整体系统价值的系统性认识仍然缺乏。
为解决上述空白，本研究聚焦于抽水蓄能运行范围逐步拓展所释放的灵活性价值。主要贡献如下：
(i)建立了分级宽负荷运行场景框架，以量化运行范围拓展对可用调节能力及其实际系统利用率的影响。考虑了从额定功率的35%到10%的六种最小出力限值，以代表不同程度的宽负荷运行拓展。
(ii)开发了多维评估框架，从系统灵活性、机组调节行为和经济性角度比较不同的宽负荷运行范围，从而表征不同决策偏好下运行范围拓展所涉及的权衡关系。
本文其余部分组织如下：第2节介绍了机组组合模型和多维评估框架。第3节介绍了案例研究并定义了分级宽负荷运行场景。第4节分析了不同运行范围对系统灵活性、机组调节行为和经济性的影响，并进行了不同决策偏好下的多准则评估。第5节总结了主要发现，并讨论了其对抽水蓄能宽负荷改造和运行的启示（图2）。
章节片段
方法
本节建立研究方法，核心是构建详细的电力系统机组组合模型和定义灵活性指标。该方法将机组组合模型与一组灵活性、调节和经济性指标相结合，以评估不同抽水蓄能运行范围的影响。
案例研究
选取福建省作为代表性案例研究，其位于中国东南沿海，是重要的能源枢纽。依据省级“十四五”电力发展规划[30]，模拟中纳入了以核电、风电和光伏发电高渗透率为特征的多元化电源结构（图3(a–b)）。值得注意的是，抽水蓄能容量达4200 MW，约占总装机容量的5.1%，作为关键的灵活性资源发挥作用。
系统运行分析
为评估抽水蓄能机组最小出力约束对系统行为的影响，本节分析了福建省典型周调度曲线（图5）。
电源结构呈现出高度协调的运行模式。核电作为基荷电源，维持平均10,786 MW的稳定出力（范围为6392至11,034 MW），径流式水电则贡献稳定的5670 MW。可变可再生能源呈现出截然不同的时间轨迹。
结论
本研究聚焦于不同抽水蓄能运行范围下电力系统的运行性能，考察了不同运行范围拓展程度下系统灵活性、机组调节能力和经济性的差异。最后，通过加权综合评价确定不同优先级下的最优出力范围。主要结论如下：
(1)系统灵活性：抽水蓄能更大的运行范围
讨论
尽管所提出的框架综合了系统灵活性、调节能力和经济性，但仍存在若干局限性。本分析是在一致的年度负荷和可再生能源发电时序下进行的，以隔离抽水蓄能最小出力限制变化的影响。因此，可再生能源发电和电力需求的年际变率并未通过宽负荷运行排序显式传播。未来研究可在以下方面拓展该框架：
CRediT作者贡献声明
Meng Zhang：写作——初稿，方法学，正式分析。Ai Relanjiang Kanji：软件，数据管理。Shize Yang：软件，方法学。Yaling Yao：可视化，数据管理。Ziwen Zhao：监督，项目管理。Diyi Chen：写作——审阅与编辑，基金获取。Ali Najah Ahmed：概念化。Ahmed Nasser El-Shafie：调查。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究由以下基金资助：国家自然科学基金（项目号：52339006），国家自然科学基金（项目号：52409120），国际科技合作项目（项目号：2025KJHZ0043）。
Meng Zhang|Ai Relanjiang Kanji|Shize Yang|Yaling Yao|Ziwen Zhao|Diyi Chen|Ali Najah Ahmed|Ahmed Nasser El-Shafie