基于时间序列生产模拟的多市场环境下变速抽水蓄能单元的功能作用研究

《Journal of Energy Storage》：Functional role investigation of variable-speed pumped storage units in multi-market environments based on chronological production simulation

可变转速抽水蓄能（VSPS）通过动态调节功率有效提升可再生能源消纳能力，降低系统发电差异系数0.14%，并使总系统成本减少28.8亿元。研究构建了考虑能源与辅助服务市场的时序生产模拟框架，建立技术、经济与环境三位一体的综合评估体系，通过对比固定转速抽水蓄能（FSPS）在多种运行模式下的性能，验证VSPS在提高系统灵活性和减少碳排放方面的显著优势。

　　

孙晓荣|李少伟|潘学平|任彦|王娜|郭金鹏

中国南京河海大学电气与动力工程学院，211100

摘要

全球向低碳和可持续能源系统的转型显著增加了对电网中灵活资源的需求。由于具有更高的运行效率和更广泛的调节能力，变速抽水蓄能（VSPS）单元已成为抽水蓄能技术发展的重点。本文采用了一种基于时间顺序的生产模拟框架，该框架同时考虑了能源市场和辅助服务市场，研究了VSPS单元的运行特性和多功能价值。在此基础上，建立了一个综合评估框架，以定量评估VSPS在技术、经济和环境方面的贡献。以一个区域电网为例，比较了VSPS单元和定速抽水蓄能（FSPS）单元在不同运行模式、市场参与策略和可再生能源渗透率下的运行性能。结果表明，与FSPS单元相比，VSPS单元的部署减少了系统发电差异系数，使风能和太阳能的弃电量减少了0.14%，并降低了2.88亿元人民币的系统总成本。此外，VSPS单元在增强可再生能源接纳能力和减少碳排放方面表现出更优的性能。这些发现展示了变速抽水蓄能的整体技术、经济和环境优势，并为支持其大规模部署和设计市场导向的运行策略提供了实际见解。

引言

全球对减少碳排放和可持续发展的追求正在加速能源系统的转型，风能和太阳能等可再生能源资源的份额正在迅速增长[1]。然而，它们的内在变化性和间歇性对确保电网运行提出了重大挑战，尤其是在灵活性有限的以煤炭为主的系统中[2]。在这种背景下，高效和大规模的能源存储技术已成为实现可再生能源整合和系统可靠性的不可或缺的推动因素[3]。

抽水蓄能单元（PSU）被广泛认为是最成熟、大容量和最具成本效益的存储技术，既能削峰又能提供灵活的调节服务。与改造后的燃煤电厂、热能存储和电化学电池等替代方案相比，PSU仍然是长期系统平衡和运行安全的最可靠解决方案[4]。在美国，PSU的容量从2009年的21.5吉瓦增加到2023年的约23.2吉瓦，分布在18个州，从而保持了其作为主要大规模存储技术的地位[5]。中国也经历了快速的发展。根据《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035）》，目标是在2025年之前将装机容量超过62吉瓦，并在2030年达到120吉瓦。到2024年底，中国的抽水蓄能容量已经超过了58吉瓦，占全球总量的30%以上，位居世界第一[6]。由于对大规模可再生能源整合的迫切需求，中国的抽水蓄能部署正在加速进行[7]。

近年来，变速抽水蓄能（VSPS）单元因其增强的调节性能和更广泛的运行灵活性而受到越来越多的关注。与传统定速抽水蓄能（FSPS）单元不同，VSPS可以连续调节抽水功率，使其在缓解可再生能源波动和促进大规模整合方面具有特别的优势[8]。在[9]中对双馈式和全转换器VSPS的运行特性进行了建模，为后续的性能分析提供了理论基础。在[10]中提出了一个结合了VSPS与太阳能、风能和柴油发电的混合调度模型。此外，在[11]中建立了一个短期水力-风能-太阳能-存储调度框架，明确捕捉了VSPS的动态调节能力。进一步，在[12]中开发了一个考虑VSPS参与能源和辅助服务市场的日前优化框架，为市场导向的运行策略奠定了基础。

尽管取得了这些进展，但仍存在研究空白。由于运行中的VSPS数量有限以及长期测量数据的稀缺，大多数性能评估依赖于模拟研究。基于时间顺序的生产模拟在这方面提供了一个强大的工具，能够详细分析VSPS在各种系统条件下的长期运行情况。这种方法已广泛应用于模拟可再生能源的变化性、模拟系统动态和优化调度决策。[13]、[14]中的研究专注于通过基于多角度风能变化提出输出时间序列模型来最大化可再生能源的接纳能力，从而为构建未来的风能情景提供了新的方法。在传统生产模拟框架的基础上，[15]开发了一个结合输电网络功率流约束的基于时间顺序的生产模拟模型，为提高可再生能源利用率建立了理论基础。此外，在[16]中还研究了可再生能源整合的关键限制因素，根据电网规模、负荷和供应结构确定了可再生能源单元的可行规模，并进一步开发了一个旨在最大化年可再生能源容量的顺序生产模拟模型，为提高可再生能源利用效率提供了有价值的指导。

现有研究从多个角度量化了VSPS的贡献，包括频率调节、可再生能源接纳能力和技术可行性。[17]建立了一个频率调节能力的定量评估框架，表明VSPS单元可以在不同时间尺度上显著提高系统稳定性。[18]介绍了一种绘制功率能力曲线的方法，考虑了定速和变速单元的不同电气和液压特性，并应用于评估VSPS的运行性能。[19]中的研究对两种技术路线——交流励磁和全功率变频——进行了比较回顾，总结了它们的系统配置、运行机制和技术特性，并强调了VSPS在区域电网中提高可再生能源整合方面的优势。

抽水蓄能电站是确保电力系统安全和促进可再生能源整合的关键调节资源，是中国碳达峰和碳中和战略的重要支柱[20]。2024年8月，中国首个大规模VSPS单元在丰宁电站正式投入运行，标志着VSPS技术发展的一个重要里程碑。到2025年底，惠州中东站（400兆瓦VSPS）和肇庆朗江站（300兆瓦VSPS）计划投入运行，将进一步加速VSPS在中国的大规模应用。其他国家也取得了显著进展。例如，日本的奥川站于1993年开始运行，单单元容量为400兆瓦[21]。德国建造了戈尔迪斯塔尔电站，总计划容量为1026兆瓦，其中2003年投入运行的单单元容量为267兆瓦[22]。瑞士的林塔尔站和南德德朗斯站也已完成建设，容量分别为4×250兆瓦和6×157兆瓦[23]。在印度，特里站的首个250兆瓦VSPS于2024年11月开始运行，总容量为4×250兆瓦[24]。这些实践表明，VSPS的发展不仅符合中国的能源转型和市场改革，也是构建新型电力系统的必然途径。

现有研究为VSPS的市场导向最优运行建模、电力系统运行的基于时间顺序的生产模拟及其功能角色的评估提供了宝贵的理论基础。然而，仍存在一些局限性。首先，涉及VSPS的调度模型主要关注在能源市场中最小化总系统成本，而这些单元在辅助服务市场中的经济和调节价值往往没有得到充分考虑。其次，VSPS的系统级运行和市场导向建模仍然有限，特别是在同时考虑能源和辅助服务市场的长期基于时间顺序的生产模拟框架中。第三，对变速抽水蓄能单元功能角色的现有评估通常仅从单一技术或经济角度进行，缺乏对综合效益的多维度定量评估，这限制了其在复杂电力系统中的全面价值表现。

为了解决这些不足，本文做出了三个主要贡献：•

开发了一个系统的VSPS运行建模框架，在该框架中，VSPS的物理特性和调节能力在基于时间顺序的生产模拟模型中得到了明确表示。该模型能够以每年8760小时的分辨率捕捉VSPS单元在能源市场和辅助服务市场中的协调参与，从而实现现实的长期运行分析。

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提出了一个多维度评估框架，从技术、经济和环境角度全面量化VSPS的贡献。通过整合与系统灵活性、运行成本、可再生能源接纳能力和碳排放减少相关的指标，该框架能够对VSPS的价值进行全面的评估，而不仅仅是单一目标指标。

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在不同运行模式、市场参与策略和可再生能源渗透率下，对定速VSPS和VSPS进行了全面的比较分析。结果表明，VSPS在具有高可再生能源整合度和日益市场化的未来电力系统中具有更强的适应性和更广泛的应用潜力。

部分摘录

VSPS的运行原理

本文认为VSPS配备了双馈感应发电机（DFIG）[25]，如图1所示。示意图见图1。在VSPS中，定子直接连接到电网，而转子通过转换器连接到电网，从而实现功率交换。转换器在控制系统中起着关键作用，通过调节转子侧电流的频率来调节速度和功率。

基于时间顺序的生产模拟优化模型

采用基于时间顺序的生产模拟方法来生成可靠的运行数据，以便进行定量评估。明确建模了参与电网调度的VSPS和FSPS的目标函数和约束条件，并进行了每年8760小时的模拟，以比较分析它们在现代电力系统中的功能角色。

计算示例设置

以一个区域电网为例，该系统的总装机可再生能源容量为25,000兆瓦，其中风能为9,000兆瓦，光伏能为16,000兆瓦，可再生能源占总装机容量的大约40%。到2024年，该省的抽水蓄能单元装机容量为1,800兆瓦，全部为FSPS。这种配置相当于传统水力发电容量的大约22.5%，这与典型的规划实践一致。

结论

本文采用基于时间顺序的生产模拟框架，定量评估了变速抽水蓄能单元在多种运行场景下增强电力系统运行的功能角色。所提出的方法应用于一个总装机容量为58,800兆瓦的测试系统，其中包括24,000兆瓦的热能发电、8,000兆瓦的传统水力发电、9,000兆瓦的风能发电和16,000兆瓦的光伏发电以及1,800兆瓦的抽水蓄能。

CRediT作者贡献声明

孙晓荣：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。李少伟：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理。潘学平：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念化。任彦：撰写——审稿与编辑、验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52107087、52477089）和国家电网有限公司总部科技项目（项目编号4000-202356649A-32-ZN）的支持。