2025-12-10 新闻来源：新型电力系统期刊
新型电力系统下抽水蓄能机组灵活运行综述
任志武 1，薛恒宇 2，张 飞 1，荆岫岩 1
（1. 国网电力工程研究院有限公司，北京 100069；
. 国家电网有限公司抽水蓄能事业部，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：随着以新能源为主体的新型电力系统加速构建，抽水蓄能步入了跨越式发展阶段，在电力系统中发挥的作用也在不断发生变化。该文综述了新型电力系统发展中面临着电力供应安全受到挑战、新能源消纳压力持续增大、电网失稳风险不断加剧等问题，总结了抽水蓄能机组的有功与无功支撑功能，梳理了欧洲、美国和日本不同历史阶段抽水蓄能灵活运行研究进展。在此基础上，从快速负荷调节、惯量支撑、负荷调整、负荷平衡等有功支撑和快速无功调节、长时调相等无功支撑两个应用方面展望了我国抽水蓄能灵活运行方式，并指出了支撑灵活调节电力市场存在的不足。
关键词：新型电力系统；抽水蓄能；灵活运行；有功调节；无功支撑
0 引言
随着我国双碳战略的持续推进，以风能、太阳能等间歇性可再生能源为主体的新型电力系统加速形成，调节资源需求日益迫切［1］。抽水蓄能作为电力系统的调节器、稳定器和平衡器，迈入快速、高质量发展轨道，已成为清洁低碳、安全充 裕 、 经 济 高 效 、 供 需 协 同 、 灵 活 智 能 的 新 型电力系统重要组成部分。截至 2024 年底，我国抽 水 蓄 能 在 运 总 装 机 容 量 达 到 5846.5 万 kW［2］，在建总装容量超 1.8 亿 kW。根据《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035 年）》，2025 年抽水蓄能投产总规模 6200 万 kW 以上，2030 年投产总规模1.2 亿 kW 左右［3］。当前，我国抽水蓄能无论在建与在运规模均位居全球第一，引领抽水蓄能行业发展。 抽水蓄能机组运行方式伴随着电力系统发展 不 断 发 生 变 化 ， 从 静 态 调 峰 储 能 设 备 逐 渐 成 为 新型电力系统可靠的动态有功、无功支撑设备。 20 世纪 90 年代至本世纪前十五年，国民经济快速 发展，电力系统规模快速增长，电力负荷峰谷差 加大，天荒坪、十三陵、广州等抽水蓄能机组在 系统中主要承担调峰填谷作用，机组运行方式主 要是负荷低谷凌晨抽水、上午和/或下午负荷高峰发电，形成“夜抽昼发”的“一抽一发”或“一 抽两发”典型模式。近十年来，随着光伏、太阳 能等新能源快速发展，电力系统“双高”（高比例 新能源、高比例电力电子）持续演进以及极端气 候对电力系统影响，不同区域抽水蓄能电站调用方式多样化，抽水蓄能机组的调用次数与时长变化显著［4］。抽水蓄能机组运行模式从凌晨与午间负荷低谷抽水、负荷高峰上午和/或下午和/或晚间发电的“两抽两发”与“两抽三发”模式［5］ 向长时在线运行、发电抽水调相并重、多工况频繁转换”运行模式发展，如：2021 年黑麋峰电站共调相运行 46 台次以提升湖南电网暂态电压稳定水平，泰安电站机组 9 月 13 日单日抽发启停高达47 次以维持电网频率稳定及联络线潮流平衡，仙游电站自动电压调节全年累积动作 882 次［6］。
近 年 来 ， 大 型 电 机［7］、 功 率 器 件［8］、 数 智 化［9］、灵活运行与控制［10］、电网规划［11］等技术 快速提升，经济高质量发展对电力系统可靠性、 灵活性等需求不断提升［12-13］，电力辅助服务市场爬坡响应、惯量支撑、一次调频、无功调节等）持续健全［14］，能源及环境相关法律法规不断完 善，这些因素对抽水蓄能行业发展起到重要影响，加快推动抽水蓄能在新型电力系统中的功能作用演变。随着上述技术的不断进步，具备灵活运行方式的抽水蓄能将对新型电力系统安全和稳定发挥更加重要支撑作用。有鉴于此，本文从电网需求角度简述了我国新型电力系统面临的关键问题，基于抽水蓄能机组功能，梳理了欧洲、美国和日本在抽水蓄能机组灵活运行方面的研究与实践 ，结合我国新型电力系统发展需求，提出了我国抽水蓄能机组灵活性研究重点关注方向，论文整体结构见图 1 所示。
1 新型电力系统面临的问题
新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为坚强支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台 ，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电 力 系 统 ， 是 新 型 能 源 体 系 的 重 要 组 成 和 实 现双碳”目标的关键载体［15］。新型电力系统下 ，面临的主要问题体现在：风能、太阳能等间歇性新能源发展迅速，大规模电力电子设备并网，叠加极端气候频发，造成电力供应安全挑战日趋严峻 ［16］，新能源消纳压力持续增大［17］，电网失稳风险不断加剧［18］。
1.1 电力供应安全挑战日趋严峻
随着全球气温升高，极端气候事件频发，台风、极热、极寒、洪水、风暴等自然灾害对电力生产、传输和消费方面的影响日益严重。电力生产方面，2021 年 2 月，美国南部多地连日遭遇罕见低温和暴雪寒潮，导致得克萨斯州大量风电、光伏等发电 机 组 被 迫 停 机 ， 分 别 强 迫 停 运 18 522 MW 和1476 MW，占总装机容量的 18%［19］；电力传输方面，2008 年初严重冰灾造成湖南、贵州等省份线路覆冰远超设计标准，导致大量输电线路断线、杆塔垮塌，造成巨大设备损毁和经济损失［20］；电力消费方面，2022 年长江上游遭遇了 60 年以来最严重特大干旱事件，叠加历史同期最高气温以及历史同期持续最长高温天数，导致四川日缺电力1700 万 kW、日缺电量 3.7 亿 kW 时［21］。同时，新型电力系统“鸭子曲线”［22］“峡谷曲线”［23］等造成电力平衡与系统调节困难，在光伏、风电波动性 影 响 下 ， 加 剧 了 电 力 供 应 形 势 。 2023 年 末 至2024 年初，我国先后经历五轮寒潮天气，寒潮过程中，风光资源均呈现出“先高后低”特征，用电负荷始终处于高位，电力供应难度极大。在第五轮寒潮单日中，国家电网区域负荷受积温效应影响快速拉升约 2 亿 kW，但新能源出力大幅下降超 1 亿 kW，两者形成超过 3 亿 kW“剪刀差”，导致寒潮后期电力平衡形势极为紧张。
大量案例分析表明，新能源快速发展，以及极端气候频发加剧了我国电网迎峰度夏、迎峰度冬形势，电力电量平衡保障难度加大。为确保电网安全稳定运行和电力可靠供应，亟需结合受端、送端等电网特点，建设具备多时间尺度特征的调节电源或储能设施，挖掘存量抽水蓄能电站多时间尺度调节能力，实现不同时间周期内的电力电量供需平衡。
1.2 新能源消纳压力持续增大
自 2010 年和 2013 年，我国风力和光伏发电装机分别跃居世界第一后，风电、光伏快速发展 ，年均增长约 20% 和 60%。截至 2024 年底，风电、光伏分别装机 5.21 亿 kW、8.87 亿 kW，占总装机容量比重达 41.7%［24］；2024 年，全口径可再生能源发电量达 3.46 万亿 kW 时，占全口径总发电量35%［24］。2024 年，国家发改委等部委联合印发了关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见》，明确提出加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设，推动海上风电集群 化开发［25］。新能源快速发展的同时，限于电力系统调峰能力建设滞后等方面导致的灵活性不足 ，新能源消纳面临挑战，局部地区消纳压力凸显［2］。 预计未来三年，我国新能源装机仍将快速发展 ， 国家发改委和能源局发布《电力系统调节能力优化专项行动实施方案（2025—2027 年）》，强调通过调节能力建设优化，支撑 2025—2027 年均新增2 亿 kW 以上新能源合理消纳利用，全国新能源利用率不低于 90%［26］。清洁低碳新型电力系统发展需要大力发展新能源进行支撑，在新能源总量及占比不断提升情况下，亟需加快包括抽水蓄能在内的储能设施建设，增强现有电源快速启停、宽幅调节、快速爬坡等能力，提升新能源消纳水平。
1.3 电网失稳风险不断加剧
大规模可再生能源、新型储能装置并网，以及跨区域直流输电等技术应用，电网中电力电子设备占比不断攀升，催生了电力系统“高比例可再生能源与高比例电力电子”的“双高”特征 ，导致电力系统强度支撑不足［27］，主要表现在：电力电子设备功率与网频解耦、风能与太阳能最大 功率追踪控制等导致系统惯量下降，进而使得电网承受有功扰动支撑能力不足。在全网新能源瞬时功率波动可达数千万千瓦的背景下，惯量支撑不足导致功率扰动后频率变化速率加快，增大频率偏差、影响电力系统频率稳定，如 2019 年英国8.9”大停电事故本质原因在于英国电网呈现“两高两低”特征，即：新能源接入比例高 （风电、光伏占比 40%）、电力电子装备比例高（风电、光伏、直流合计约占 50%），系统惯量低（同步机组占总开机的 50%）、设备抗扰性能低（风电机组、分布式电源脱网）［28］。大规模直流设备入网运行导致电网无功需求增大，引发大规模新能源基地弱送端系统换流母线静态电压稳定性［29］和暂态电压稳定性［30］问题，电网换相换流器型高压直流输电系统断路器频繁投切导致无功突变，引发供电电压质量以及电网安全稳定等问题［31］。这些问题可以通过配置具备瞬态、暂态和稳态全时间尺度无功补偿和电压支撑能力的同步调相机进行解决［32］。
当前，提高电力系统抗扰动支撑能力研究主要聚焦于风电、光伏机组虚拟惯量控制［33-34］、储能系统虚拟同步发电机控制［35-36］、微网混合储能系统中下垂控制［37-38］等先进控制算法和构网型技术［39-40］。在系统发生扰动情况下，上述技术在不同程度上解决了电力电子设备主动支撑能力不足的问题。但各种算法依赖于模型准确度、策略设计、算法效率等方面的可实现性和电力辅助服务市场机制所制约的经济性，构网型技术受功率器件本身过流能力限制，因而其发展有一定局限性，并不能够完全解决新型电力系统下“双高”特征所引发的电力系统强度支撑不足问题，亟需建设抽水蓄能电站等具有实际功率支撑能力的大规模同步电源，提高抽水蓄能机组惯量支撑、一次调频、无功支撑等方面能力，进一步挖掘抽水蓄能在黑启动、旋转备用等方面利用效能，降低扰动及故障情况下电网的失稳风险。
2 抽水蓄能机组的主要功能
抽水蓄能机组是新型电力系统重要组成部分，对比新型储能，抽水蓄能兼具单机容量大、使用寿命长、运行性能稳定、响应速度快、转换效率高、功率成本低等多重优势，是保障电网安全稳定、灵活运行的重要综合调节工具，承担调峰、调频、调相、储能、事故备用和黑启动等多种功能。典型定速抽水蓄能机组稳定运行功率特性见图 2 所示。
图 2 可见：稳定工况下，抽水蓄能机组运行范围由定、转子电流和原动机特性所确定。暂态工况下，抽水蓄能机组可以短时超过稳定运行范围，如强励时可以短时超过最大励磁电流限制线，水力干扰时可以短时超过原动机驱动限制线。
在服务方式上，抽水蓄能机组调峰、调频 、储能功能本质上体现的是不同时间尺度上向电网注入/吸收有功功率维持系统频率稳定的调节能力；调相运行则是通过调节发电电动机励磁电流改变机组无功功率，以维持电网接入点电压在预期水平上，是无功调节能力的体现；事故备用和黑启动同时体现抽水蓄能机组有功和无功调节能力。在时间尺度上，抽水蓄能具备全天候实时在线运行，能够在调相、抽水、发电、备用态等频繁进行工况转换，具有双向、双倍调节以及快速变负荷能力。
2.1 有功支撑
抽水蓄能可显著提升电力系统有功调节在可调度性、容量、速度等方面的能力，增强电力系统应对波动、快速爬坡和保障平衡的能力，是新型电力系统有功调节重要的“平衡节点”。
抽水蓄能机组有功支撑能力具备典型的多时间尺度特性。图 3 给出了不同时间尺度上抽水蓄能机组的调节特性，图 4 给出了电网频率波动时，抽水蓄能机组频率响应示意图。
我国在运抽水蓄能机组大都采用定速机组 ，当电网频率变化时，首先通过转动部件动能释放进行即时响应惯量支撑；其次，当频率变化超过一次调频死区时机组一次调频动作，根据相关国标，抽水蓄能机组一次调频死区为±0.05 Hz，响应时间不大于 2 s，调节时间不大于 30 s［41］；由于一次调频是有差调节，通过自动发电控制（automatic generation control，AGC）或人工下达指令方式调整 机 组 出 力 进 行 二 次 调 频 ， 以 维 持 电 网 频 率 稳定，其作用周期大致在分钟级到小时级。储能是更长时间尺度上的电量平衡，时间尺度在数小时至周。
调峰是电网根据负荷变化调整发电量，以满足不同时段用电需求。调峰常以日为单位，图 5 给出 了 广 州 抽 水 蓄 能 电 站 典 型 调 峰 情 况 下 运 行曲线［42］。
图 5 可见，广州抽水蓄能电站出力与广东电网负荷曲线相似度高，在电网负荷低谷时以抽水工况运行，在电网负荷高峰时以发电工况运行，起到了调峰填谷作用。我国早期电网以火电为主 ，负荷峰谷差大，系统调节能力差，抽水蓄能电站建设主要解决电网调峰能力。近年来，风能、太阳能发电占比快速攀升，其反调峰特性加大了系统调峰压力，抽水蓄能机组调峰能力持续增强 ，实现了新能源出力过程重塑、新能源反调特性缓解，向电网提供了备用容量和爬坡支撑［43］。
调频是根据电网频率的变化调整发电量，以维持电网频率稳定。广义上，调频分为一次调频、二次调频和三次调频。一次调频通过调速器完成，二次调频由 AGC 完成，三次调频由电网调度机构实施，时间尺度依次增大。抽水蓄能电站在不同时间尺度上均能完成一次、二次和三次调频任务，通常所说的抽水蓄能机组调频功能是指一次调频。图 6 给出了抽水蓄能机组典型调频动作情况。
图 6 可见，抽水蓄能机组参与一次调频在出力响应和电量贡献方面均表现出优异性能。随着大型交流励磁变速抽水蓄能机组的投运及国产化 ，其对电网调频性能的贡献将进一步提升。变速机组作为电源和负载提供了水轮机和水泵两种工况下的频率支撑，水泵工况下，仿真分析表明 40%功率阶跃时可以实现 13.75%/s 的负荷变化率［44］；水轮机工况下，变速机组通过动能释放与吸收可以实现有功功率的快速调节而不受水轮机特性影响［45］，较定速机组具有显著的频率支撑优势［46］；同时，定、变速机组联合参与一次调频可显著提高响应速度［47］。
储能是通过介质或设备把能量存储起来，实现能量时空转移或转化，在需要时再释放的过程。储能是风光可再生能源利用的有效保障，通过储能可实现电力系统安全、高效、经济运行［48］。在国家相关政策大力推动下［49］，电化学、热储能、氢储能、机械储能（除抽水蓄能）等新型储能发展迅速，装机规模快速攀升至 7000 万 kW［50］，但抽 水 蓄 能 依 然 是 能 源 系 统 中 不 可 或 缺 的 “ 压 舱石”，在提高电力系统韧性方面发挥关键作用，是建设新型电力系统的支撑性电源之一［51］。依托山东、浙江等电网千万千瓦级抽水蓄能电站群同新能源等联合优化运行，通过规模化储能和发电 ，能够实现能量时移和调余剂缺，提升系统对电能的时空优化配置能力，有效解决新能源带来的电力不稳定和丰枯矛盾，支撑电力电量平衡，助力新能源消纳。同时，通过“风光蓄”或“水风光蓄”型式，抽水蓄能联合风光运行，实现新能源功率波动平滑［52］，有效降低风光出力不稳定劣势。“新能源+长时储能”将成为保障新型电力系统安全经济运行的重要解决方案之一，有效助力地区千万千瓦级风电及光伏基地建设［53］。
2.2 无功支撑
调相是调节发电机励磁电流，改变发电机电压相位，以调节电力系统中无功功率分布，维持系统电压稳定。发电方向旋转并网时，抽水蓄能机组可在发电时进行无功功率调节；可以压水方式 调 相 运 行 ， 此 时 机 组 吸 入 功 率 为 额 定 功 率 的1%~2%，与调相机作用类似。由于定速抽水蓄能机组抽水工况水泵入力不可调，因此该工况无功功率调节范围有限。工程上，抽水蓄能机组调相运行是指机组以压水方式进行无功调节，此时水泵水轮机尾水锥管注入高压空气将尾水液位压至调相液位高程，使转轮在水汽混合物中旋转。
伴随着大规模新能源基地建设与特高压直流输 电 ， 我 国 电 网 已 迈 入 交 直 流 混 合 电 网 ， 电 力电子化装置占比不断提升，造成特高直流送端与受端电网无功需求不断攀升。作为动态无功支撑主 要 型 式 ， 调 相 机 获 得 发 展 空 间 ， 在 电 网 大 量应用［54］。调相机虽具备优异的无功出力特性与暂态电压支撑能力，但其惯量支撑能力存在短板 ，具备高惯量支撑能力的调相机在国内仍是亟需攻克的短板。对比调相机，抽水蓄能机组惯量大 ，300 MW 级及以上机组普遍转动惯量在 4000 t·m2以上，调相运行既可向系统提供无功支撑又能同时提供惯量支撑，因而具有比调相机更加广阔的应用场景。国网湖南电科院在黑麋峰抽水蓄能电站完成了 100 h 调相运行试验，表明机组具备长期稳定调相运行能力［55］，进一步研究表明黑麋峰机组调相运行后，湖南电网暂态电压支撑能力和清洁能源消纳能力得到了增强，有效提升了电压稳定水平［56］；仙居抽水蓄能电站机组调相运行提升了宾金直流运行可靠性，进而提升了多馈入直流的浙江电网安全、可靠运行水平［57］；洪屏抽水蓄能机组调相运行，提升了雅中—江西特高压直流消纳能力，同时提升了江西电网动态无功储备［58］。当前，调相运行在一些地区已逐步成为常态，如：华东地区仙游电站频繁调相运行以保障福建电网电压水平［59］；安徽金寨、琅琊山等抽水蓄能电站机组已频繁调相运行以支撑特高压直流运行。
2.3 事故备用与黑启动
抽水蓄能机组具备启动时间短、机组容量大、爬坡速度快等优势，发挥着重要事故备用，如 ：广蓄电站作为电网事故备用电源，每年因西电交直流故障或省内其它机组跳机等原因紧急启动数十次，以维持广东电网及联网系统频率和电压稳定［60］；运用抽水蓄能机组低频切泵、高频切机手段以恢复电网频率已成为华北电网系统保护的一项重要内容［61］；华北电网采用抽水蓄能机组快速开机带负荷功能降低多起 500 kV 线路故障影响 ，有力保障了电网安全稳定运行［62］；针对某抽水蓄能电站运行数据进行分析表明，在不调用紧急事故预留库容时，紧急事故备用比例达 5.9%［63］。当前，华北、华东、华南等区域已发展成大受端电网，随着远距离特高压直流输电的大规模建设与运行，直流馈入规模和线路容量大幅提高，亟需进一步发挥抽水蓄能机组事故备用功能，以应对直流系统故障。
近年来，极端天气造成的大停电事故频发 ，作为电网事故停运后再恢复的有效手段，抽水蓄能电站因其机组容量大、启动时间短、辅机系统少、厂用负荷低、爬坡速度快、负荷中心近等优势，普遍承担黑启动功能，文献［64］梳理北美电力可靠性委员会报道的 10 年 117 起电网故障恢复过程，明确指出抽水蓄能与常规水电是最佳黑启动电源。美国能源部通过对比各种电源特征也进一步证实抽水蓄能电站几乎具备常规水电作为黑启动电源的全部优势，是性能仅次于常规水电的黑启动电源［65］。我国电网中，抽水蓄能电站普遍承担黑启动功能，如安徽琅琊山［66］、湖北白莲河［67］等抽水蓄能电站均完成黑启动试验。随着电源结构深刻变化，抽水蓄能电站作为黑启动电源的功能将进一步加强。
3 国外水电机组灵活性研究
鉴于抽水蓄能机组是水电机组的一种，欧美对抽水蓄能机组灵活运行研究是在水电机组灵活运行背景下讨论的，从政府层面设立了大量基金项目推动技术研发，日本则聚焦于抽水蓄能的灵活调用实践。欧美对水电机组灵活运行研究见表 1 所示。
整体上，美国天然气资源丰富、用气成本低，燃机发电占比高，燃机具有较好灵活运行能力 ，因此对抽水蓄能灵活性研究聚焦于技术手段创新，如模块化建造技术、集成多样化储能系统等；欧洲水电资源丰富而天然气资源不足，站址资源开发利用程度高，在新能源快速发展背景下，水电机组灵活性研究更迫切，主要聚焦存量资源能力挖掘，如拓展部分负荷运行稳定性以提高发电功率调节范围、化储联运以提高响应速度、变速化改造以提升泵工况调节能力等；日本主要是政府层面建立相应市场机制，驱动电网公司与制造企业进行技术创新，如：规模应用双馈变速机组技术提升电网频率响应能力，开发超高扬程、超大容量机组实现快速负荷跟踪，探索海水抽蓄为沿海负荷中心提供新思路等。
3.1欧洲
欧洲是抽水蓄能发源地和新能源发展先锋。2008 年 ， 欧 盟 提 出 了 应 对 气 候 变 化 和 能 源 安 全20-20-20”战略，即：到 2020 年温室气体排放量 在 1990 年基础上减少 20%，可再生能源消费占总 能源消费比例提升至 20%，能源效率在 2007 年基础上提高 20%。为配合这一目标，欧盟于 2013—2017 年实施了“与新型可再生能源精益整合的水电站性能和灵活运行研究”项目［68］，通过研究常规混流式、交流励磁和全功率变速机组等典型水电机组在低负荷到超负荷运行范围内水力、机械和电气特性，探索保证机组长期稳定运行基础上扩大机组运行范围的方法，提高水电在新型电力系统下价值。项目成果主要有：采用模型试验和计算流体动力学方法揭示了水电机组宽负荷运行下 （30%~110% 额定负荷） 的水力不稳定现象机理，开发了偏工况下水电站动力学数值仿真模型，并采用模型与现场试验进行了验证，采用具体案例证明了水电机组能够为电网中新能源安全运行提供有力支撑。考虑到水电机组偏设计工况下的运行稳定性，欧盟开展了“提高水轮机非设计工况性能的主动流量控制研究”项目［69］，进一步提升水电机组宽负荷运行能力。
2016 年，巴黎气候变化协定生效，水力发电作为低碳可再生能源技术在应对全球气候变化中发挥关键作用。欧盟组织科研院所与产业单位发起了“地平线”项目“基于灵活性提升的水电价值提升”［70］，解决限制水电机组灵活性的瓶颈问题，充分应对间歇性新能源随机性问题。项目聚焦点包括：水电机组在电力系统中的定位；不显著影响机组寿命和效率情况下开发具备高爬坡率、日启停 30 次的水电机组；开发具备高度灵活性和强大电网支撑能力发电机转子及励磁系统、电力变频装置，以及高压设备布置方案等。
随着可再生能源装机与发电量持续提升，欧洲水电站在电网中作用持续增强，快速负荷响应与频率控制、频繁快速启停与高爬坡响应、抽水发电快速工况转换、电网故障快速穿越能力不断发挥。2019 年欧盟实施了“地平线”项目“基于水电机组的电力系统灵活性扩展”［71］，意在通过先进的软件解决方案和适度的技术升级等较小改动基础上进一步挖掘水电机组灵活性以支撑高比例新能源电力系统。通过这一项目，创新了水电技术系统集成解决方法并进行了试点应用［72］（见表 2 所示），同时系统分析了其对现代电力市场的影响。
2023 年，在老旧水电改造、电网调度灵活性需求持续提升、水电机组安全精益运行维护和水电可持续发展等需求驱动下，欧盟开展了“地平线”项目“基于数字解决方案的水电资产可持续性与灵活性潜力挖掘”［73］，开发了融合物联网 、数字孪生、人工智能、径流预测、图像识别、云计 算 等 技 术 的 D-HYDROFLEX 工 具 包 ， 并 在 波兰、罗马尼亚、西班牙等 5 个国家 8 座电站试点应用，实现物理电站向数字电站转化，完成电站远程监控和实时管理、生物多样性监测、氢能与水电协同发展等目标。项目通过数字化技术，为水电站现代化和可持续发展提供了新思路和技术支持，助力欧洲能源转型。
随着可再生能源渗透率不断增加，电网稳定性挑战风险持续加大，现有储能措施无法有效存储过剩电能以应对电力消费高峰时段。在此背景下，2024 年，欧盟开展了“地平线”项目“新型长时储能的柔性水电技术”［74］，在不改变水库及河道情况下，通过抽水蓄能技术改造现有常规水电站实现年 22 TWh 的储能提升。此外，欧盟正在开展一些科研及技术示范，探索从电源及负荷端降低电网灵活性的需求，如：基于创新储能融合的先进电网接口技术（advanced grid interfaces for innovative storage integration，AGISTIN）［75］，该项目在储能解决方案中设计先进电网接口，并在示范工程中应用，以降低对电网影响和降低大型电网用户成本。
3.2 美国
美 国 电 力 辅 助 服 务 市 场 是 世 界 上 成 功 的 电力市场之一，在运抽水蓄能电站 43 座，单机容量4.2 MW~462 MW，总装机容量 22 878 MW［76］。随着大型火电和核电机组退役，以及天然气及新能源发展，电源结构发生变化，新能源渗透率逐渐提升，要求电网提供更多可靠性、韧性、灵活性服务。早期，在电力辅助服务市场驱动下，开始包含抽水蓄能在内的水电机组灵活性方面研究 ，其主要聚焦水电站运行优化以提高机组效率和发电量；近年来，随着风能与太阳能发电发展，在新能源消纳持续推动下，水电机组灵活运行需求不 断 提 升［76］。 美 国 电 力 科 学 研 究 院 （Electric Power Research Institute，EPRI） 较早意识到水电机组灵活调节价值及其对水电机组造成的负面影响，2017 年发布了《水电站灵活运行》［77］系统阐述了灵活运行后对水泵水轮机、发电电动机、高压设备等造成的不利后果，并分析了四个灵活运行水电站案例，包括环保政策与电力市场辅助服务驱动下的水电站灵活运行（密西西比州 Osage 电站）、面向灵活运行需求的水电站改造优化（美国垦务局 Hoover 电站）、基于计算流体动力学、有限元分析与真机应力应变的水泵水轮机宽负荷运行葡萄牙能源公司 Alqueva Ⅱ抽蓄电站）、灵活运行对 电 站 的 负 面 影 响 评 价 （安 大 略 电 力 公 司 Pine Portage 电站）。报告明确提出增加水电机组灵活运行能力以应对可再生能源增长和电力辅助服务市场需求，但也应注意其对水电站带来的负面影响。
灵活运行后，水电机组从基荷运行转为负荷灵活调节运行，加大疲劳损伤，降低预期寿命。针对该问题，2019 年 EPRI 聚焦水电机组核心部件转轮，研究了混流式水轮机最优效率点、满负荷、部分负荷、空载等稳定工况和启停、负荷调整、旋转备用、调相运行等工况对转轮的影响，研究表明灵活运行将显著恶化叶片出水边与下环连接部 位 ， 同 时 明 确 指 出 灵 活 运 行 将 加 速 转 轮 老化［78］。2020 年 EPRI 聚焦发电机转子磁极间阻尼连接件和磁极与磁轭连接件，开展了满负荷、部分负荷、调相运行、甩负荷以及飞逸等灵活运行工况下的损伤分析，研究结果表明：启停循环是造成疲劳的主要因素［79］。
除 EPRI 外，美国能源部下属水力发电技术办公 室 （Water Power Technologies Office， WPTO）支持阿贡等国家实验室持续开展了包含抽水蓄能在内的水电机组灵活性研究。2012 年 4 月在美国能源部资助下，由阿贡国家实验室领导的联合研究团队聚焦传统水电与先进抽水蓄能机组（交流励磁变速机组与三机式机组）高精度建模与仿真、不同市场结构和不同新能源渗透比下服务电网能力与价值量化、投资决策案例分析等开展了系列研究［80］。通过该项目实现了抽水蓄能机组不同时间尺度下建模仿真（见图 7 所示），明确了抽水蓄能向电力系统提供的 20 项服务能力，包括：惯量响应、一次调频、二次调频、灵活备用、旋转热备用、停机冷备用、负荷跟随等。
2019 年，WPTO 支持阿贡、爱达荷州、可再生能源、橡树岭和美国太平洋西北国家实验室 ，聚焦新形势下电力系统需求、水电功能作用、新型电力系统下水电最优运行、水电技术创新等四方面，开展了 HydroWIRES 多年期项目，以期能够提升水电与抽水蓄能在电力系统可靠性、韧性与完整性方面的价值。涉及抽水蓄能方面已开展项目包括：适用电力系统规划的水电与抽水蓄能模型、不同阶段大规模电力市场演化下的抽水蓄能建模与优化、间歇性可再生能源下抽水蓄能价值与定位、经济高效的小型抽水蓄能装置、抽水蓄能机组实时惯量监测、抽水蓄能电站全生命周期评价等［81］。
2020 年在 WPTO 的资助下，EPRI 开展了水电灵活性框架研究，开发了计算水电机组灵活性的方法与框架，其主要成果包括：2023 年发布了发电及储能供应商向美国电网提供灵活性服务的产品目录，包括惯量响应、一次调频、二次调频、旋转热备、停机冷备、负荷跟踪/斜坡响应等［82］；基于不同电力市场特点所需的灵活性服务产品需求，2024 年 EPRI 基于网页技术发布了水电厂灵活运行优化工具 （Hydropower Flexibility Framework Tool，HFF Tool），该工具能够依据水电站机组本身特性，结合地理位置、生态需求、电网要求等复杂约束条件下，给出水电机组灵活运行方式的优化结果［83］。
传统抽水蓄能主要聚焦单机百兆瓦以上抽水蓄能机组，2014 年—2016 年，在美国能源部支持下，橡树岭国家实验室开展了模块化抽水蓄能技术研究，以解决大型抽水蓄能项目核准手续繁、资金投入大、回收周期长等面临的不确定性问题。项目优选废弃矿井、高层建筑等开发场景，研发了建模工具以衡量不同型式小型抽水蓄能技术经济可行性，研究表明：当前市场环境下，小型抽水蓄能不具备成本优势，但可通过技术进步降低造价、提高竞争优势［84］。2016 年—2017 年，美国能源部支持该实验室联合佐治亚理工学院等单位开展了新型地面集成多元储能与建筑暖通结合的项目，验证了模块化抽水蓄能与建筑暖通结合的可行性，并开发了原型机组［85］。随后，橡树岭国家实验室实施了 4 年研究（2017—2020）开展了长寿命、高效率、低成本的地面集成式多样化储能项目（含压缩空气的抽水蓄能），实现了建模和仿真与模型试验，循环效率高达 82%，验证了其作为规模化储能项目的可行性，研究降低成本方法，并完成市场分析，证实该技术具备在美国不同电力市场提供基本可靠性服务的能力并接近商业化水平［86］。
3.3 日本
日 本 各 区 域 电 网 包 含 50 Hz 与 60 Hz 两 个 频率，且日本中西部、东部和北海道通过直流互连，频率不同步，叠加各地区电力公司独立运营导致区域电网规模较小，在新能源渗透率不断提升背景下，抽水蓄能机组运行方式灵活，市场机制相对完善。
日本抽蓄建设历史可以追溯至 1930 年［87］，至今已近百年。截止 2021 年，日本共有 42 座抽水蓄能电站，装机容量 27.5 GW［88］，包含 21.9 GW 常规抽蓄和 5.6 GW 混合抽蓄［89］。二战后，日本经济高速发展催生了强大用电需求，上世纪 70 年代石油危机后，日本电源结构逐渐多样化。近 30 年 ，最大日供电量 3429 GWh（2007 年），机组最大出力 183 GW（2001 年）［90］。2000 年，全年总用电量940 TWh，其中新能源 （含水电）、核、天然气、煤 以 及 石 油 等 其 它 电 量 分 别 占 10.2%、 34.3%、26.4%、18.4% 和 10.7%［91］；福岛核事故后，核电占比降低，叠加风能、太阳能装机规模扩大，新能源发电量上升，2019 年，全年总电量为 1 024 TWh，其中新能源（含水电）、核、天然气、煤以及石油等 其 它 电 量 分 别 占 18%、 6%、 37%、 32% 和7%［92］。由于日本不同区域电网公司主体不同，且各个地区新能源的渗透率不同，抽水蓄能机组灵活运行功能发挥存在差异，但整体上看，抽水蓄能机组在电网中主要承担负荷频率控制、经济负荷分配和瞬时功率支撑等功能，包括尖峰负荷供给、日/周/季节储能、热备用、调相与调频、黑启动等功能［93］。图 8 给出了九州电力公司抽水蓄能机组 2011 年—2021 年抽水工况运行统计［89］，图 9给出了北海道电网 2025 年 6 月 1 日发电负荷曲线。由图可见：福岛核事故前，由于核电承担基荷 ，抽水蓄能机组夜间用电负荷低谷时抽水，配合核电机组运行；2011 年福岛核事故后，随着核电机组装机容量减少，以及新能源补贴政策推动下光伏装机容量增多，机组灵活运行更多体现在午间抽水、早晚发电，以平衡光伏出力。时至今日 ，日本抽水蓄能机组已从核蓄联合运行转变化为平衡风光出力［94］，运行方式发生显著变化。
以上分析表明，技术方面，日本聚焦电网实际需求，以市场利益为驱动，以企业创新为主导，以政府战略为依托，稳妥推动抽水蓄能机组灵活运 行 。 同 时 ， 在 支 撑 灵 活 调 节 电 力 市 场 方 面 ，2015 年 ， 日 本 成 立 了 输 电 运 营 商 跨 区 域 协 调 组织［99］（organization for cross-regional coordination of transmission operators，OCCTO）负责促进电力业务的跨区域协调，其中抽水蓄能统一由 OCCTO调度，并享有与火力发电一致的最高调度优先级，进一步奠定了抽水蓄能压舱石的作用。
4 新型电力系统下的抽水蓄能灵活运行
4.1 灵活运行需求
随着我国社会用电需求结构变化，以及新型电力系统发展，电网峰谷差增大，使得快速负荷响应、短时储能、长时储能等需求更加迫切，抽水蓄能灵活性调节需求增大。但抽水蓄能也面临压缩空气、飞轮、重力等物理储能，锂离子电池、钠硫电池、氢储能等化学储能，以及超级电容等新型储能方式的竞争，构网型储能技术的快速发展［100］，也对抽水蓄能产业构成冲击。图 10 给出了抽水蓄能与其它储能从静止状态到满负荷响应特性上的差异。
不同时间尺度上，电网对调节电源需求存在明显差异。超短时间尺度上，电力系统暂态稳定性依赖于发电机组提供惯量支撑、一次调频等功能，储能要具有高功率峰值、高响应速度、高循环寿命等特点，飞轮、超级电容、超导等储能具有显著优势；短时间尺度上，平滑间歇性风光出力、负荷跟随、二次调频等方面，储能要具有大规模化、高循环寿命等特点，化学储能与抽水储能具有同等显著优势；长时间尺度上，削峰填谷、事故备用和负荷调节等方面，储能要具有规模大、调节范围宽、度电成本低、环境友好等特点，抽水蓄能、压缩空气储能等具有显著优势。但综合技术成熟度、成本、安全、环保等方面，抽水蓄能仍是技术最成熟、经济性最优的大规模储能方式，也是循环效率最高的大规模长时储能技术。注意到，虚拟同步发电机控制、下垂控制等构网型技术的发展，使得风电、光伏等发电设备具备惯量支撑与频率支撑能力；综合能源系统［101］、电力负荷需求响应［102］、分布式发电［103］、分布式储能［104］等技术快速发展也一定程度上抑制储能需求。因此，随着新型储能和电网相关技术快速发展，抽水蓄能发展面临严峻挑战，需要挖掘抽水蓄能机组灵活运行技术，更好服务新型电力系统建设，实现抽水蓄能高质量发展。同时，根据国家相关政策要求［105］，随着“应改尽改”的落实，2027 年存量煤电机组灵活性改造趋于结束，电力系统灵活电源将更加紧张，亟需挖掘包括抽水蓄能在内的水电资源灵活调节能力。
相较于传统电网中单纯电力供给，快速发展的新能源使得合适的时间提供合适的电力资源、以及合适的时间匹配合适的负荷资源成为稀缺。传统电力系统中，依托可控化石能源发电，电力供应时间和规模易匹配负荷需求。新型电力系统中，不同时间风光新能源发电存在巨大差异，通过抽水蓄能灵活运行可有效提供解决方案，如 ：新能源大发阶段，作为负荷配合新能源消纳，同时适当进相以调节电网电压；用电高峰阶段，作为电源保证负荷供给，同时滞相运行发出无功 ，保证电网电压稳定。
抽水蓄能灵活运行需求取决于服务场景或其在系统中定位。2025 年 1 月 24 日，国家发展改革委、国家能源局印发了《抽水蓄能电站开发建设管理暂行办法》（简称暂行办法），明确提出抽水蓄能项目一般分为服务电力系统项目、服务特定电源项目两类［106］。服务电力系统类项目的目的是缓解电网峰谷差矛盾，灵活性需求核心是提供削峰填谷、调频调相、紧急备用等服务，保障区域电网安全稳定运行，提高供电可靠性；服务特定电源类项目主要是服务流域水风光一体化基地等特定电源主体的抽水蓄能项目，项目所在区域普遍内部网架结构薄弱、电压支撑匮乏、新能源短路比偏低，灵活性需求核心是平抑新能源发电的波动性、间歇性，提高暂态电压支撑，提高新能源发电的稳定性和可靠性，使得联络线功率保持稳定。因此，应依据抽水蓄能服务的特定场景或抽水蓄能在电网中的物理位置，以需求定功能 ，开发抽水蓄能灵活运行潜力。
此外，抽水蓄能机组本身诸如自动化水平 、不同工况振动水平、爬坡率、大轴扭矩变化速度、工况转换时间等设备情况也限制了灵活运行功能发挥。考虑到抽水蓄能机组基于有功与无功的四象限运行特性，以及对电网主要作用在有功与无功支撑，结合欧美日抽水蓄能机组灵活运行经验，以下从有功与无功支撑两方面论述抽水蓄能机组提升灵活运行能力，表 3 给出了主要研究方向。
4.2 有功灵活调节
4.2.1 快速负荷调节
对新能源基地，抽水蓄能需要快速响应新能源的波动；对区域电网，抽水蓄能需要快速响应频率波动。因此，灵活运行需要提高抽水蓄能机组快速有功调节能力。
抽水蓄能机组发电开机方面，需优化快速开机流程，研究导叶快速开启规律及其对机组性能的影响。当前，大型抽水蓄能机组静止到空载并网开机时间普遍在 2~4 min，如张河湾、桐柏、蒲石河分别为 153 s、160 s 和 229 s，空载到额定负荷1~2 min，如宜兴、张河湾、十三陵分别为 75 s、55 s 和 120 s。影响静止到发电满载的主要因素包括辅机启动时间、导叶动作规律、同期并网过程和负荷爬升速度等。标准化设计方案下，辅机设备启动与设备选型密切相关，存在一定优化空间；开机过程导叶动作规律与控制模式密切相关，不同控制模式显著影响静止到额定转速时间［107］，应研究考虑疲劳、稳定性、转速上升速度等多因素耦合的开机过程导叶控制方式，缩短开机时间 ；同期过程时间受转轮运转特性曲线、调速器调节参数以及“一管多机”系统水力干扰影响，定速机组在此方面研究仍有较大提升空间，变速机组由于可通过励磁调节实现机端电压频率、幅值与相位快速调节，并网时间显著缩短；机组空载到满负荷爬坡率主要受水流惯性时间常数、机组转动惯量、接力器响应时间常数等影响，由于这些
参数是水力机械系统固有特性，运行电站优化空间较小，但由于多数电站并未充分考虑灵活性调节需求，实际并网后带负荷过程时间裕量较大 ，存在进一步优化空间。
惯量支撑方面，电网主体由同步机向电力电子转变背景下，直流与交流耦合催生了电力系统复杂动力学机制，电力电子设备非线性特征以及控制参数整定使得电力系统振荡行为复杂多变 ，特别是大量新能源机组采用虚拟惯量等控制技术，导致电网宽频振荡问题［108］。随着系统惯量水平不断降低，系统扰动后初始频率变化率有增大趋势，大规模抽水蓄能建设有效增加了电力系统物理惯量，延缓了系统惯量水平降低速度，是向不断不确定方向发展电力系统注入稳定性的主要措施。因此，亟需进一步挖掘抽水蓄能机组在惯量支撑方面能力，特别是大容量双馈变速抽水蓄能机组惯量支撑能力的在线评估及优化控制，以支撑宽频振荡问题的解决。
负荷调整方面，由于风光出力短时间尺度预测不确定性，需进一步发挥抽水蓄能机组一次调频功能。作为流体驱动的原动机械，抽水蓄能机组一次调频受净水头、导叶开度所确定的运行工况点影响，变速机组还需考虑转速影响，存在明显非线性，因此调节参数需具有适应性。定速机组参与一次调频受导叶动作时水锤效应引发的反调特性影响，导致一次调频动作时机组出力与预期调整值相反，存在恶化调节效果，并进而可能
引发电力系统低频振荡现象［109］。针对这些问题，邹金等人提出了一次调频的鲁棒控制方法，提高了一次调频控制精度［110］；具备快速功率响应的新型储能技术可以有效补偿定速抽水蓄能机组一次调频时的反调特性，如飞轮储能［111］、电化学储能［112］、以及飞轮与电化学储能耦合［113］ 等，因此，应加强与新型储能配合以提高抽水蓄能灵活性。注意到，国内抽水蓄能机组耦合新型储能调频的运行方式更多停留在理论层面，并无实际电站采用，其主要原因在于市场机制不完善、协同控制技术不成熟等因素。双馈变速机组由于可以采用惯量支撑方式首先进行快速有功支撑，因而发电工况能够避免一次调频反调现象［47］，快速实现有功供给，较常规定速机组及火电机组调频能够 明 显 减 小 准 稳 态 频 率 偏 差 ， 提 高 系 统 稳 定性［114］。抽水工况时，通过交流励磁调节转速改变泵运行特性曲线实现入力调节（见图 11 所示），从而 有 效 抑 制 可 再 生 能 源 波 动 带 来 的 系 统 频 率 波动［115］。随着丰宁双馈变速机组的投运，以及泰安二期、肇庆浪江、惠州中洞等变速机组研发，亟需开展大型变速抽水蓄能机组惯量、调频支撑能力量化研究与应用实践，全面反映变速抽水蓄能灵活支撑价值。
4.2.2 宽负荷范围调节
定 速 抽 水 蓄 能 机 组 发 电 工 况 下 稳 定 运 行 范围 普 遍 在 50%~100% 相 应 水 头 下 的 最 大 保 证 功率［116］。随着水风光互补基地建设以及水力设计水平进步，一方面常规混流式机组负荷调节范围已迈入全负荷范围内稳定经济运行时代［117］，为电网释放了更多调频容量，增大了电网消纳间歇性新能源能力，也为水泵水轮机宽负荷运行奠定了坚实基础；另一方面，根据 GB/T 40595—2021 相关要求，并网水力发电机组额定负荷参与一次调频时，增负荷方向一次调频功率变化幅度应不小于8% 额定有功功率［41］，故水泵水轮机宽负荷运行也是新型电力系统下的客观需求。
除丰宁电站外，我国大型抽水蓄能电站普遍采用定速机组，且在同一输水管路布置多台机组，如仙居电站一管两机、天荒坪电站一管三机、梅州电站一管四机等。如果将一管多机系统看做一个整体，理论上可以通过水力短路运行实现泵工况入力调节，进一步提高抽水蓄能电站运行灵活性。下图 12 给出了典型电站一管两机系统中一台机组抽水一台机组发电时的入力调节范围，该机组额定水头 415 m，机组额定出力 300 MW，最高水头 457 m，最低水头 386 m。
图 12 可见，以零蓄水流量作为边界，对一管两机式流道采用水力短路运行，当水轮机稳定运行范围为 50%~100% 额定负荷运行时，水泵综合入力调节范围最低扬程时降低至 71 MW~196 MW，最高扬程降低至 68 MW~137 MW；随着宽负荷运行水泵水轮机技术的应用，其综合入力调节范围将进一步扩大，最低扬程最大入力可至 333 MW，最高扬程最大入力可至 292 MW。采用这一方式可以有效提升一管多机系统中抽水蓄能机组泵工况运行的灵活性，以应对新能源消纳过程中的风光出力不确定性。同时，这一方式运行可以显著提升电站运行时的调节备用容量，以便电网功率故障时快速提供功率支撑，提高响应速度。
4.2.3 长时储能
负荷平衡方面，风光出力除具有典型日内短时分钟级波动特性外，长时日间波动特性突出 ，同时存在新能源大发与用电负荷季节性、时段性错配矛盾，“极热无风、晚风无光”现象突出。鉴于抽水蓄能是电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源，因而需要充分发挥抽水蓄能机组调峰填谷与长时储能功能。由于我国电网新能源装机发展快于储能发展，叠加抽水蓄能建设周期长，导致储能需求不能满足新能源快速发展需要，进一步挖掘在运电站调峰填谷方面灵活运行功能是有效支撑新能源快速发展的关键技术措施。
4.3 无功灵活调节
我国一次能源与负荷逆向分布，普遍采用远距离、大容量特高压交直流技术以满足清洁能源送出、负荷中心电力供应等方面迫切需求。随着电网跨区输送容量提升，交直流之间相互影响特征愈加显著，电网无功资源不足导致电压稳定问题凸显。挖掘抽水蓄能机组无功灵活调节能力可有效解决电网动态无功支撑不足，提升系统电压稳定能力。
当前，大功率 IGBT 等电力电子器件不具备过流/过负荷能力，在系统出现短路或故障情况下 ，不 能 提 供 短 路 容 量 支 撑 ， 不 具 备 主 动 支 撑 能力［118］。抽水蓄能机组作为传统同步水电机组，较其他型式电源或调相机，在无功需求不断提升的新型电力系统中具有独特的优势，能够提供或消纳无功功率［119］，同时提供惯量支撑。从运行方式看，抽水蓄能机组无功支撑可以分为两种工况 ，发电或抽水有载无功支撑与调相无功支撑。
定速抽水蓄能机组发电电动机在正常发电或抽水运行时，转子绕组强励情况下能够承受 2 倍额定励磁电流不低于 50 s，定子绕组能够承受 1.5 倍额定电流不低于 90 s［120］，因此，发电或抽水有载工况运行时，电网故障情况下励磁系统能够短时强励，进行无功支撑。近年来，随着功率器件的发展，基于全控器件的柔性直流励磁技术开始应用于水电机组［121］，相较于普遍采用的晶闸管整流励磁技术，有功、无功解耦控制使得控制性能更优，全控功率器件使得强励能力和暂态电压支撑能力更强、电压控制精度更高、灭磁性能更快等，在电网低频/超低频振荡期间能够维持励磁，极大提升了强励响应时间及电网故障期间强励维持能力。进一步，柔性直流励磁与储能结合形成储能型柔性直流励磁，可以提升抽水蓄能机组的调频性能，显著提升机组暂态稳定性，降低电力系统频率失稳风险［122］。由于大容量发电电动机定子与转子导体容量、通风散热等已接近设计极限，柔性励磁技术发展对发电电动机设计是极大挑战。双馈变速机组发电电动机，由于漏抗较小，进相运行时，没有静态电压稳定性约束，因此进相运行范围上要显著大于定速机组，具备深度进相运行能力［123］。
抽水蓄能机组具备长时调相运行能力。通过向尾水锥管注入压缩空气将尾水液位控制在转轮下方一定高程，机组以发电或抽水方向并网，机组进入压水调相态运行，此时抽水蓄能机组与调相机运行方式相同，是大容量的无功电源或负载。调相运行较有载运行，由于采用压水技术，轴向水推力降低使得推力轴承负荷降低，转轮摩擦损失降低使得阻力矩降低，并进而降低电磁转矩及吸入功率，因而电机运行更加高效稳定。
长时调相运行制约因素主要包括两方面：一是机组技术供水取排水口之间热短路造成的机组发热部件温升情况。抽蓄机组普遍采用单元供水方式，技术供排水均与尾水相连，供排水口距离较近时，长时调相运行将引发热短路现象［124］。对具有长时调相需求的新建机组应加大取排水口距离，对在运机组应采取供排水异流道方式防止热短路。二是调相压气系统补气量与水泵水轮机水环密封漏气情况。压水调相运行时，离心力作用下使得止漏环冷却水在活动导叶与转轮叶片之间的无叶区形成水环。通过水环封闭转轮室内空气，避免气体逸入蜗壳，降低补气量；同时，转轮与空气摩擦产生大量热量，通过水环实现转轮冷却，避免转轮热膨胀导致碰摩事故发生。调相运行时，需根据具体机组特点，通过导叶预开、止漏环冷却水流量控制等方式合理控制水环厚度，保持入力较低的同时，控制补气量［125］。
受限于同步电机励磁系统时间常数限制，定速抽水蓄能无功支撑响应速度滞后构网型储能和调相机。构网型储能无功支撑响应时间在毫秒级，调相机大致在几十毫秒，而同步电机无功支撑响应时间则在几十毫秒至百毫秒量级。在过电流方面，构网型储能通过合理利用开关电路电流裕量强化短时过流能力，其短时最大过流能力可以设计为 1.5～3.0 倍额定电流、持续最长可达 10 s，增强型调相机通过优化励磁系统和冷却技术，过载能力可提升至 2～3 倍额定电流、持续 5～10 s，较抽水蓄能有显著优势。未来，面向无功支撑的灵活运行需求，应根据相应电站的具体功能需求 ，研究同步电机时间常数协同设计方法，确保电机稳定运行的同时提高无功快速响应能力。
4.4 支撑灵活调节的电力市场
新型电力系统下，新能源发展需要电网灵活性进行支撑，抽水蓄能机组灵活运行为电网提供了手段。抽水蓄能机组灵活运行意味着：机组在电网中积极响应电力市场或调度指令，发电、抽水、调相启停更加频繁，发电运行于非稳定运行区的偏设计工况、抽水启动于极限低扬程，转轮空蚀磨损加剧，过流部件及相关连接件疲劳损伤加剧等；发电电动机经历更多启停循环，预期寿命降低，导轴承磨损加剧等；高压设备中，断路器动作更加频繁，开关站设备及变压器维护成本增大等。因此，抽水蓄能灵活运行需要从受益主体中获得相应收益或补偿。
同时，抽水蓄能机组不同工况运行时，发挥功能之间存在冲突。抽水蓄能机组虽具备调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等六大功能，但在给定时间点上仅是不同功能的组合，如调峰运行时可以同时调频调相，而无法储能；压水调相运行时可以依靠惯量支撑进行调频，而无法调峰等。我国抽水蓄能行业施行以两部制电价为核心的价格形成机制。容量电价体现抽水蓄能电站提供调频、调压、系统备用和黑启动等辅助服务的价值，电量电价体现抽水蓄能电站提供调峰服务的价值［126］，调频服务聚焦的是有功支撑。研究表明，现行电价机制难以引导抽水蓄能实现灵活调节功能［127］，灵活运行并不能为电站带来足额收益。以机组长时调相为例，长时调相在增加购电成本以及相关运维成本的同时，还将显著压缩调峰服务时间，根据两部制电价机制，调相运行收益属于固定容量电价收益，因此抽水蓄能承担长时调相不仅降低了电站电量电价收益，容量电价收益还无法完全补偿增量成本。当前，提升电 网 灵 活 性 服 务 机 市 场 机 制 研 究 已 经 取 得 进展［128-129］，2021 年，我国已开展电力辅助服务市场建设，无功平衡服务已纳入电力辅助服务主要种类［130］。考虑到当前电力市场补偿机制无法保证抽水蓄能机组回收灵活运行增加的成本，应尽快开展基于电力系统效益最大化原则的抽水蓄能机组灵活运行价值补偿机制研究，推动灵活调节电源健康有序发展。
5 结论
抽水蓄能是新型电力系统建设的关键支撑 ，当前抽水蓄能在源网协调方面，其调节和稳定支撑电网潜力未得到充分挖掘，尚存在应对新能源高渗透的送端电网调峰能力不足、负荷中心地区电网无功支撑能力不足、新能源基地调节能力不足等问题，亟需在保证抽水蓄能机组高强度运行可靠性水平前提下，因地制宜，结合抽水蓄能电站所在电网结构、负荷特性等，挖掘抽水蓄能机组长时间大范围调峰调频、频繁工况转换、长时期稳定调相等灵活运行新模式及其调度技术研究。
本文总结了欧洲、美国以及日本不同阶段抽水蓄能灵活运行研究进展与实践，介绍了抽水蓄能机组具备的功能，聚焦新型电力系统下电力供应安全挑战日趋严峻、新能源消纳压力持续增大、电网失稳风险不断加剧等问题，从快速负荷调节、惯量支撑、负荷调整、负荷平衡等有功支撑和快速无功调节、长时调相等无功支撑两个方面展望了我国抽水蓄能灵活运行方式，并指出了支撑抽水蓄能灵活调节电力市场机制发展方向。在电力市场机制、新型储能、构网型技术等持续推动下，迫切需要研究抽水蓄能机组多时间尺度灵活运行技术，提升快速开机并网、宽广调节范围、优异爬坡性能、强大辅助服务等方面能力，为新型电力系统建设提供坚强支撑。
参考文献
[1] 刘吉臻，杜忠明，王庆华，等．新型电力系统下新一代煤电发展路径［J］．新型电力系统，2024，2（4）：357-370．LIU Jizhen，DU Zhongming，WANG Qinghua，et al．Development paths for next-generation coal-fired power generation under new electric power systems［J］． New Type Power Systems，2024，2（4）：357-370．
[2] 《抽水蓄能高质量发展》编写组．抽水蓄能高质量发展［M］．北京：中国电力出版社，2025．
Writing Group of High-Quality Development of Pumped Storage Power Station． High-quality development of pumped storage power station［M］． Beijing，China：China Electric Power Press，2025．
[3] 国家能源局．抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035年）［EB/OL］．（2021-09-17）［2025-05-01］． https://zfxxgk.
nea.gov.cn/2021-09/17/c_1310193456.htm．National Energy Administration．Medium and long term development plan for pumped storage（2021—2035）［EB/L］．（2021-09-17）［2025-05-01］． https://zfxxgk. nea.ov.cn/2021-09/17/c_1310193456.htm．
[4] 黄 昉．去年南方区域抽蓄调用次数首破 4 万次支撑新能源高比例消纳［N］．中国能源报，2025-01-27（18）．HUANG Fang． The number of pumped storage running in the southern region exceeded 40000 times for the first time，supporting a high proportion of new energy consumption in 2024［N］．China Energy News，2025-01-27（18）．
[5] 路振刚，叶 宏，梁廷婷，等．新形势下我国抽水蓄能技术 新 突 破 与 前 景 展 望［J］． 水 电 与 抽 水 蓄 能 ，2023，9（6）：15-19．LU Zhengang，YE Hong，LIANG Tingting，et al．China’ pumped storage technology development and prospects under the new situation［J］． Hydropower and PumpedStorage，2023，9（6）：15-19．
[6] 运行监测中心．抽水蓄能在新型电力系统中的功能定Operation and Monitoring Center．Analysis of the role of pumped storage in the power system （2021）［R］．Beijing，China：State Grid Xinyuan Company Ltd.，2021．
[7] 顾国彪 ，郑小康 ，阮 琳．浅谈中国未来大型水电装备 技 术 挑 战 与 创 新［J］． 中 国 电 机 工 程 学 报 ，2024，44（17）：6959-6972．GU Guobiao， ZHENG Xiaokang， RUAN Lin．Discussion on the technical challenges and innovations of large hydropower equipment in the future in China［J］．Proceedings of the CSEE，2024，44（17）：6959-6972．
[8] 雷万钧，刘进军，吕高泰，等．大容量电力电子装备关键器件及系统可靠性综合分析与评估方法综述［J］．高电压技术，2020，46（10）：3353-3361．
LEI Wanjun，LIU Jinjun，LÜ Gaotai，et al． Review of reliability comprehensive analysis and evaluation methods for key components and system of large capacity power electronic equipment［J］． High Voltage Engineering，2020，46（10）：3353-3361．
[9] 王 朋，张 迪，张勇军，等．新型电力系统数智化关键技术应用研究与展望［J］．电力系统保护与控制，2025，53（6）：175-187．
WANG Peng，ZHANG Di，ZHANG Yongjun，et al．Research and prospects for key digital-intelligent technology applications in new power systems［J］．Power System Protection and Control，2025，53（6）：175-187．
[10] WANG R，YANG W J，HUANG Y F，et al．Coordinating regulation reliability and quality of pumped storage units for renewables by a novel scheduling-control synergic model［J］．Applied Energy，2024，376：124162．
[11] 袁铁江，张文达．新型电力系统源-储-荷协同规划研究 综 述［J］． 中 国 电 机 工 程 学 报 ，2025，45（17）：6664- 6682．
YUAN Tiejiang，ZHANG Wenda． A review of research on source-storage-load coordinated planning for new power system［J］． Proceedings of the CSEE，2025，45（17）：6664-6682．
[12] 张 沛 ，马瑞璘 ，周钰朋 ，等．中国和北美可靠性标准 对比分析及对中国的启示［J］．电力系统自动化，2022， 46（14）：119-128．
ZHANG Pei，MA Ruilin，ZHOU Yupeng，et al． Comparative analysis and enlightenment of reliability standards of power systems in China and North America ［J］． Automation of Electric Power Systems，2022， 46（14）：119-128．
[13] 马英浩，刘 琛，谢开贵，等．电力系统网络传输灵活性及其评价综述［J］．中国电机工程学报，2023，43（14）：5429-5440．
MA Yinghao，LIU Chen，XIE Kaigui，et al． Review on network transmission flexibility of power system and its evaluation［J］．Proceedings of the CSEE，2023，43（14）：5429-5440．
[14] 国家能源局．国家能源局综合司关于公开征求《电力辅 助服务市场基本规则》意见的通知［EB/OL］．（2024-10- 08）［2025-05-01］．https://zfxxgk.nea.gov.cn/2024-10/08/ c_1212404033.htm．
National Energy Administration． Notice from the comprehensive department of the national energy administration on publicly soliciting opinions on the basic rules of the electric power auxiliary service market［EB/L］．（2024-10-08）［2025-05-01］． https://zfxxgk. nea.
ov.cn/2024-10/08/c_1212404033.htm．
[15]《新型电力系统发展蓝皮书》编写组．新型电力系统发展蓝皮书［M］．北京：中国电力出版社，2023．
Writing Group of Blue Book on the Development of New Power Systems． Blue book on the development of new power systems［M］． Beijing，China：China Electric Power Press，2023．
[16] 辛保安，李明节，贺静波，等．新型电力系统安全防御体系探究［J］．中国电机工程学报 ，2023，43（15）：5723- 5731．
XIN Baoan，LI Mingjie，HE Jingbo，et al． Research on security defense system of new power system［J］．Proceedings of the CSEE，2023，43（15）：5723-5731．
[17] 石文辉，屈姬贤，罗 魁，等．高比例新能源并网与运行发展研究［J］．中国工程科学，2022，24（6）：52-63．
SHI Wenhui，QU Jixian，LUO Kui，et al． Grid- integration and operation of high proportioned new energy ［J］．Strategic Study of CAE，2022，24（6）：52-63．
[18] 郑外生 ，饶 宏．新型电力系统柔性构网技术及其应 用［J］．电力系统自动化，2025，49（12）：1-10．
ZHENG Waisheng，RAO Hong． Flexible grid-forming technology and its application in new power system［J］．Automation of Electric Power Systems，2025，49（12）：1-10．
[19] 安学民，孙华东，张晓涵，等．美国得州“2.15”停电事件分析及启示［J］．中国电机工程学报 ，2021，41（10）： 3407-3415．
AN Xuemin，SUN Huadong，ZHANG Xiaohan，et al．Analysis and lessons of Texas power outage event on February 15，2021［J］．Proceedings of the CSEE，2021，41（10）：3407-3415．
[20] 陈鹏云，王 羽，文习山，等．低温雨雪冰冻灾害对我国电网损毁性影响概述［J］．电网技术 ，2010，34（10）：135-139．
CHEN Pengyun，WANG Yu，WEN Xishan，et al．Summary on the damaging effect of cryogenic freezing rain and snow disaster on power grid in China［J］．Power System Technology，2010，34（10）：135-139．
[21] 周业荣 ，毛玉鑫 ，胡 杨 ，等．2022 年夏季极端天气对四川电力影响与启示［J］．水力发电学报，2023，42（6）：23-29．
ZHOU Yerong，MAO Yuxin，HU Yang，et al．Impacts of extreme weather on Sichuan power in summer of 2022and its enlightenment［J］． Journal of Hydroelectric Engineering，2023，42（6）：23-29．
[22] 林一凡，付兵彬，鲁宗相，等．双碳目标下甘肃构建新型电力系统的安全风险管控实践与应对策略研究［J］．新型电力系统，2025，3（1）：1-11．
LIN Yifan，FU Bingbin，LU Zongxiang，et al． Research and experience on the security risks control countermeasures of constructing new type power system in Gansu province under the dual carbon goals［J］．New Type Power Systems，2025，3（1）：1-11．
[23] 李增辉，顾雪平，姚伟锋，等．新型电力系统电力平衡风险防控研究［J］．新型电力系统，2025，3（1）：74-87．
LI Zenghui，GU Xueping，YAO Weifeng，et al．Research on power balance mechanism and evolution of new power system［J］． New Type Power Systems，2025，3（1）：74-87．
[24] 国家能源局．2024 年可再生能源并网运行情况［EB/ OL］．（2025-01-27）［2025-05-01］．https://www.nea.gov.cn/
20250221/e10f363cabe3458aaf78ba4558970054/c.html． National Energy Administration． 2024 Operation of renewable energy review［EB/OL］．（2025-01-27）［2025- 05-01］．https://www.nea.gov.cn/20250221/e10f363cabe3458aaf78ba4558970054/c.html．
[25] 国家发展改革委，工业和信息化部，住房城乡建设部，等．关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见（发 改 能 源［EB/OL］．（2024-10-18）［2025-05-01］． https:// www. ndrc. gov. cn/xxgk/zcfb/tz/202410/t20241030_ 1394119.html．
National Development and Reform Commission，Ministry of Industry and Information Technology，Ministry of Housing and Urban-Rual Development，et al． Action guiding on vigorously implementing renewable energy substitution［EB/L］（．2024-10-18）［2025-05-01］．https://www.ndrc.gov.cn/xgk/zcfb/tz/202410/t202410301394119.html．
[26] 国家发展改革委，国家能源局．电力系统调节能力优化专项行动实施方案（2025—2027 年）［EB/OL］．（2025- 01-06）［2025-05-01］．https://www.nea.gov.cn/20250106/ 741c84c8cce04799b1561d6a45126b01/c.html． National Development and Reform Commission，National Energy Administration． Special implementation plan for regulation capacity improvement and optimization of power system （2025—2027）［EB/OL］．（2025-01-06）2025-05-01］ ． https://www. nea. gov. cn/20250106/ 741c84c8cce04799b1561d6a45126b01/c.html．
[27] 孙华东，赵 兵，徐式蕴，等．高比例电力电子电力系统强度的定义、分类及分析方法［J］．中国电机工程学报， 2024，44（18）：7039-7048．
SUN Huadong，ZHAO Bing，XU Shiyun，et al．Definition，classification，and analysis method of the strength of power system integrated with high penetration of power electronics［J］． Proceedings of the CSEE，2024，44（18）：7039-7048．
[28] 孙华东．国外大停电事故分析［M］．北京：中国电力出版社，2022：113-123．
SUN Huadong． Analysis of blackouts abroad［M］．Beijing，China：China Electric Power Press，2022：113-123．
[29] 肖 峰，韩民晓，唐晓骏，等．含大规模光伏并网的弱送端系统的电压稳定性［J］．中国电力 ，2020，53（11）： 31-39．
XIAO Feng，HAN Minxiao，TANG Xiaojun，et al．Voltage stability of weak sending-end system with large-scale grid-connected photovoltaic power plants［J］．Electric Power，2020，53（11）：31-39．
[30] 韩 璐，尹纯亚，戴 晨，等．高比例新能源送端系统暂态电压运行风险分析［J］．电力系统保护与控制，2024， 52（1）：23-34．
HAN Lu，YIN Chunya，DAI Chen，et al． Transient voltage operational risk of a high-proportion new energy sending system［J］． Power System Protection and Control，2024，52（1）：23-34．
[31] HONG Z Q，EBRAHIMI S，XU Y，et al．Average-value modeling of line-commutated inverter systems with commutation failure［J］． IEEE Transactions on Power Delivery，2022，37（4）：2805-2817．
[32] 刘增训，李晓飞，刘建琴．含调相机的高压直流送端换流 站 无 功 协 调 控 制 策 略 研 究［J］． 电 网 技 术 ，2020， 44（10）：3857-3865．
LIU Zengxun，LI Xiaofei，LIU Jianqin．HVDC converter station reactive power coordinated control strategy with synchronous condenser［J］． Power System Technology，2020，44（10）：3857-3865．
[33] XU B，ZHANG L W，YAO Y，et al． Virtual inertia coordinated allocation method considering inertia demand and wind turbine inertia response capability ［J］ ． Energies，2021，14（16）：5002．
[34] KUMAR D S，LAU P，SHARMA A，et al．Improvement of transient response in grid-tied photovoltaic systems using virtual inertia［J］． IET Smart Grid，2021，4（1）：1-14．
[35] 杨 力 ，朱晓纲 ，李 勇 ，等．规模化储能虚拟同步控制策略及其惯量分析［J］．电力科学与技术学报，2024， 39（2）：190‑197．
YANG Li，ZHU Xiaogang，LI Yong，et al． Virtual synchronous control strategy and inertia analysis of large-scale energy storage［J］． Journal of Electric Power Science and Technology，2024，39（2）：190‑197．
[36] SHADOUL M，AHSHAN R，ALABRI R S，et al． A comprehensive review on a virtual-synchronous generator：topologies，control orders and techniques， energy storages，and applications［J］． Energies，2022， 15（22）：8406．
[37] LIN X，ZAMORA R．Controls of hybrid energy storage systems in microgrids：critical review，case study and future trends［J］． Journal of Energy Storage，2022，47： 103884．
[38] XU Zhanpeng，CHEN Fuxin，CHEN Kewei，et al． Research on adaptive droop control strategy for a solar- storage DC microgrid［J］．Energies，2024，17（6）：1454．
[39] ROSSO R，WANG X F，LISERRE M，et al． Grid-forming converters： control approaches， grid-synchronization，and future trends - a review［J］． IEEE Open Journal of Industry Applications，2021，2：93-109．
[40] FAN B，LIU T，ZHAO F Z，et al． A review of current- limiting control of grid-forming inverters under symmetrical disturbances［J］． IEEE Open Journal of Power Electronics，2022，3：955-969．
[41] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会．并网电源一次调频技术规定及试验导则：GB/T 40595—2021 ［S］．北京：中国标准出版社，2021．
State Administration for Market Regulation，National Standardization Administration． Guide for technology and test on primary frequency control of grid-connected power resource：GB/T 40595—2021［S］．Beijing，China：China Standardization Press，2021．
[42] 李品清，卢宏振，刘国中．广州抽水蓄能电站 20 年运行 评析及借鉴［C］//抽水蓄能电站工程建设文集．深圳：中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员 会，2015：421-426．
LI Pinqing，LU Hongzhen，LIU Guozhong．Analysis and reference of 20-year operation of Guangzhou pumped storage power station［C］//Professional Committee of Grid Peak Regulation and Pumped Storage for China Society of Hydroelectric Power Engineering，Construction Proceedings of Pumped Storage Power Station Projects． Shenzhen，China：Power Grid Peak Regulation and Pumped Storage Professional Committee of China Hydropower Engineering Society， 2015：421-426．
[43] 刘德旭，杨 迎，黄宏旭，等．新型电力系统大规模抽水蓄能调度运行与控制综述及展望［J］．中国电机工程学报，2025，45（1）：80-97．
LIU Dexu，YANG Ying，HUANG Hongxu，et al． An overview and outlook of the operation and control of large-scale pumped hydro storages in modern power systems［J］． Proceedings of the CSEE，2025，45（1）：80-97．
[44] LIU Y H，YANG W J，YANG J，et al．Quantifying power regulation characteristics in pump mode of variable-speed
pumped storage unit with DFIM［J］． Energy Science & Engineering，2024，12（7）：2837-2851．
[45] NAGURA O，HIGUCHI M，TANI K，et al． Hitachi’s adjustable-speed pumped-storage system contributing to prevention of global warming［J］．Hitachi Review，2010， 59（3）：99-105．
[46] PADOAN A C，KAWKABANI B，SCHWERY A，et al． Dynamical behavior comparison between variable speed and synchronous machines with PSS ［J］ ． IEEE Transactions on Power Systems，2010，25（3）：1555-1565．
[47] 丁景焕，郑一鸣，桂中华，等．定速与变速抽水蓄能机组联合运行一、二次调频仿真及特性研究［J］．水电能源科学，2024，42（7）：183-187．
DING Jinghuan，ZHENG Yiming，GUI Zhonghua，et al．Simulation and characteristics of combined operation of fixed and variable speed pumped storage units under primary and secondary frequency control［J］． Water Resources and Power，2024，42（7）：183-187．
[48] 国家电网公司“电网新技术前景研究”项目咨询组．大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析［J］．电力系统自动化，2013，37（1）：3-8，30．
Consulting Group of State Grid Corporation of China to Prospects of New Technologies in Power Systems． An analysis of prospects for application of large-scale energy storage technology in power systems［J］．Automation of Electric Power Systems，2013，37（1）：3-8，30．
[49] 国家发展改革委，国家能源局．关于加快推动新型储能发展的指导意见［EB/OL］．（2021-07-15）［2025-05-01］． https://www. gov. cn/zhengce/zhengceku/2021-07/24/ content_5627088.htm．
National Development and Reform Commission，National Energy Administration． Guidings on accelerating the development of New Energy Storage［EB/OL］．（2021-07-15）［2025-05-01］ ． https://www. gov. cn/zhengce/hengceku/2021-07/24/content_5627088.htm．
[50] 邹才能，李士祥，刘辰光，等．新质生产力赋能新型储能技术及其商业模式［J］．石油学报，2024，45（10）：1443- 1461．
ZOU Caineng，LI Shixiang，LIU Chenguang，et al．New energy storage technologies and their business models empowered by new quality productivity forces［J］．Acta Petrolei Sinica，2024，45（10）：1443-1461．
[51] 周建平，杜效鹄，周兴波．面向新型电力系统的水电发展战略研究［J］．水力发电学报，2022，41（7）：106-115．
ZHOU Jianping，DU Xiaohu，ZHOU Xingbo． Study on hydropower development strategy for new power systems ［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2022，41（7）： 106-115．
[52] SUN K Q，LI K J，PAN J P，et al．An optimal combined operation scheme for pumped storage and hybrid wind- photovoltaic complementary power generation system ［J］．Applied Energy，2019，242：1155-1163．
[53] 冯 黎，王社亮．西北地区发展抽水蓄能电站的意义与面临的主要问题［J］．西北水电，2014（2）：1-4，7．
FENG Li，WANG Sheliang． Significance and issues of pumped storage power plants to be developed in west China［J］．Northwest Hydropower，2014（2）：1-4，7．
[54] 郭 强，李志强．同步调相机发展综述［J］．中国电机工程学报，2023，43（15）：6050-6063．
GUO Qiang， LI Zhiqiang． Summarization of synchronous condenser development［J］．Proceedings of the CSEE，2023，43（15）：6050-6063．
[55] 国网湖南省电力有限公司．抽蓄电站调相运行取得重大 科 研 成 果［EB/OL］．（2021-03-20）［2025-05-01］．
https://www. hunan. gov. cn/hnszf/hnyw/bmdt/202103/
t20210320_14903936.html．
State Grid Hunan Electric Power Co.，Ltd． Significant scientific research achievements made in the phase modulation operation of pumped storage power stations［EB/L］（．2021-03-20）［2025-05-01］．https://www.hunan.gov.n/hnszf/hnyw/bmdt/202103/t20210320_14903936.html．
[56] 陈道君，李 理，谢捷敏，等．黑麋峰机组调相运行对提升湖南电网暂态电压稳定水平的影响分析［J］．湖南电力，2021，41（1）：98-102．
CHEN Daojun，LI Li，XIE Jiemin，et al．Analysis of the influence of Heimifeng unit phase modulation operation on upgrading transient voltage stability level in Hunan power grid［J］． Hunan Electric Power，2021，41（1）：98-102．
[57] 吴跨宇 ，卢岑岑 ，袁亚洲．抽蓄机组调相运行对宾金直流无功电压支撑的仿真研究［J］．中国电力 ，2018， 51（3）：54-61．
WU Kuayu，LU Cencen，YUAN Yazhou． Simulation analysis of voltage support to Binjin HVDC provided by pumped storage unit’s synchronous condenser operation ［J］．Electric Power，2018，51（3）：54-61．
[58] 陈 波 ，熊华强 ，舒 展 ，等．雅中—江西特高压直流纳能力分析及提升措施研究［J］．江西电力 ，2021，45（4）：2-6，20．
CHEN Bo，XIONG Huaqiang，SHU Zhan，et al．Analysis of consumption capacity transmission line and improvement measures of Yazhong-Jiangxi ultra high voltage DC［J］． Jiangxi Electric Power，2021，45（4）：2-6，20．
[59] 胡 南，孔令华，姜 帆．抽水蓄能机组长期稳定调相运行的必要性和可行性分析［J］．红水河，2021，40（5）：1-5．
HU Nan，KONG Linghua，JIANG Fan． Analysis on necessity and feasibility of long-term stable phase modulation operation of pumped storage units［J］． Hongshui River，2021，40（5）：1-5．
[60] 罗莎莎，韩 冰，刘 云，等．广东抽水蓄能电站功能发 挥情况研究［J］．南方能源建设，2017，4（3）：69-74．
LUO Shasha，HAN Bing，LIU Yun，et al． Research on the main functions of pumped-storage plants in Guangdong［J］． Southern Energy Construction，2017， 4（3）：69-74．
[61] 孙 勇，魏 敏，王 磊，等．基于华北电网典型特征， 利用仿真模型分析抽水蓄能机组服务新能源消纳的研究与应用［J］．电力大数据，2022，25（9）：84-92．
SUN Yong，WEI Min，WANG Lei，et al． Application study of simulation model on new energy consumption using pumped storage generation based on typical features of power grid of North China［J］． Power Systems and Big Data，2022，25（9）：84-92．
[62] 庞 伟，王 帆．抽水蓄能电站在电网运行中的地位与作用［J］．水电与抽水蓄能，2015，1（6）：1-4．
PANG Wei，WANG Fan． The position and function of the pumped storage power station in power grid operation ［J］．Hydropower and Pumped Storage，2015，1（6）：1-4．
[63] 高 翔，李北晨，刘金跃，等．基于运行数据的抽水蓄能电站服务电网能力评估［J］．水电与抽水蓄能 ，2021， 7（6）：32-36．
GAO Xiang，LI Beichen，LIU Jinyue，et al． Evaluation of pumped storage power station’s service grid ability based on operating data［J］． Hydropower and Pumped Storage，2021，7（6）：32-36．
[64] ADIBI M M，FINK L H． Overcoming restoration challenges associated with major power system disturbances - restoration from cascading failures［J］．
IEEE Power and Energy Magazine，2006，4（5）：68-77．[65] GARCIA J R，O’CONNOR P W，MARKEL L C，et al．
Hydropower plants as black start resources［EB/OL］． （2019-05-01）［2025-05-01］． https://www. electricity. ca/ knowledge-centre/publications/hydropower-plants-as- black-start-resources/．
[66] 汪卫平，吴培枝．琅琊山抽水蓄能电站机组黑启动试验分［J］．水电自动化与大坝监测，2014，38（5）：58-59，77．WANG Weiping，WU Peizhi．Analysis of unit black start test at Langyashan pumped-storage power plant［J］．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2014，38（5）：58-59，77．
[67] 胡志平．湖北白莲河抽水蓄能电站站内黑启动策略研究与应用［J］．水电与新能源，2023，37（7）：20-22，35．
HU Zhiping． Study and application of the in-station black start strategy in Hubei Bailianhe pumped storage power station［J］．Hydropower and New Energy，2023， 37（7）：20-22，35．
[68] European Union． Hydropower plants performance and
flexible operation towards lean integration of new renewable
Energies［EB/OL］．（2024-06-18）［2025-05-01］．https://
cordis.europa.eu/project/id/608532/reporting．
[69] European Union． Active flow control system for improving hydraulic turbine performances at off-design
operation［EB/OL］．（2024-12-26）［2025-05-01］．https://
cordis.europa.eu/project/id/814958．
[70] European Union． Increasing the value of hydropower
through increased flexibilty［EB/OL］（．2023-01-22）［2025-
05-01］．https://cordis.europa.eu/project/id/764011．
[71] European Union． Hydropower extending power system
flexibility［EB/OL］．（2025-04-30）［2025-05-01］．https://
cordis.europa.eu/project/id/857832．
[72] KADAM S，HOFBAUER W，NEUHAUSER M，et al． XFLEX HYDRO—hydropower extending power system flexibility［J］．e & i Elektrotechnik und Informationstechnik， 2022，139（8）：723-724．
[73] European Union． Digital solutions for improving the
sustainability performance and FLEXibility potential of
HYDROpower assets［EB/OL］．（2023-09-14）［2025-05-
01］．https://cordis.europa.eu/project/id/101122357．
[74] European Union． Novel long-term electricity storage
technologies for flexible hydropower［EB/OL］．（2024-01-
08）［2025-05-01］． https://cordis. europa. eu/project/id/
101136176．
[75] European Union．Advanced grid Interfaces for innovative
STorage INtegration［EB/OL］．（2025-04-28）［2025-05-01］
https://cordis.europa.eu/project/id/101096197．
[76] National Hydropower Association． Pumped storage
report 2021［R］［．S.l.］：NHA，2021.
[77] MARCH P． Flexible operation of hydropower plants
［R］．Palo Alto，USA：Electric Power Research Institute，
2017：3002011185．
[78] Electric Power Research Institute． Flexible operation of
hydropower assets：an analytical look into the runner［EB/
OL］（．2020-12-21）［2025-05-01］．https://www.epri.com/
research/products/000000003002020101．
[79] Electric Power Research Institute． The impacts of
flexible operation on hydropower assets：generator［EB/
OL］（．2020-11-24）［2025-05-01］．https://www.epri.com/
research/products/000000003002015938．
[80] U. S. Department of Energy Efficiency & Energy．
Modeling and analysis of value of advanced pumped
storage hydropower in the U.S.-decision and information
science［R］［．S.l.］：Argonne National Laboratory，2014．
[81] U. S. Department of Energy． HydroWIRES initiative
research roadmap［R］．［S.l.］：U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information，2022．
[82] CHRISTIAN M． Flexible services directory—overview
of capability requirements for flexibility services in U. S.
energy markets［R］． Palo Alto，USA：Electric Power
Research Institute，2023：30020259000．
[83] KULJEVAN F． User’s manual for the hydropower
flexibility framework tool［R］．Palo Alto，USA：Electric
Power Research Institute，2024：3002028354．
[84] WITT A，CHALISE D R，HADJERIOUA B，et al．
Evaluation of the feasibility and viability of modular
pumped storage hydro（m-PSH）in the United States［R］．
Tennessee，USA：Oak Ridge National Laboratory，2015：
ORNL/TM-2015/559．
[85] U. S. Department of Energy． Novel Ground-Level
Integrated Diverse Energy Storage（GLIDES）coupled
with building air conditioning［EB/OL］．（2016-11-09）
［2025-05-01］． https://www. energy. gov/eere/buildings/
articles/novel-ground-level-integrated-diverse-energy-
storage-glides-coupled．
[86] KASSAEE S，ODUKOMAIYA A，ABU-HEIBA A，et al．
Ground level integtated diverse energy storage
（GLIDES）cost analysis［C］//Proceedings of the ASME
2018 International Mechanical Engineering Congress &
Exposition．Pittsburgh，USA：ASME，2018．
[87] IEA Hydropower． Annex VIII - hydropower good
practices：environmental mitigation measures and benefits
［M］［．S.l.］：The International Energy Agency，2006．
[88] 森淳二．揚水発電システムによるエネルギー貯蔵技 術の現状とこれからの展望［J］．日本エネルギー学会 機関誌えねるみくす，2021，100（2）：135-141．
MORI J． Current situation and outlook for energy storage technology by pumped-storage system［J］ ．Nihon Enerugii Gakkai Kikanshi： Enermix，2021，100（2）：135-141．
[89] 長山浩章．No.384 揚水発電所の現状と今後のあり方 ［EB/OL］．（2023-07-20）［2025-05-01］． https://www. econ. kyoto-u. ac. jp/renewable_energy/stage2/contents/ column0384.html．
NAGAYAMA H . No. 384 the current state and future direction of pumped storage power stations［EB/OL］．
2023-07-20）［2025-05-01］． https://www. econ. kyoto-u.
ac.jp/renewable_energy/stage2/contents/column0384.html．
[90] FEPC NFOBASE［EB/OL］（2024-12-20）［2025-05-01］．
https://www.fepc.or.jp/resource_sw/INFOBASE_2024_all. pdf．
[91] The Federation of Electric Power Companies of Japan．
Electricity review Japan 2006［EB/OL］（．2024-07-01）（2025-
05-11）． https://www. fepc. or. jp/english/data/electricity_
review_japan．
[92] The Federation of Electric Power Companies of Japan．
Electricity review Japan 2024［EB/OL］（．2024-07-01）（2025-
05-11）． https://www. fepc. or. jp/english/data/electricity_
review_japan/．
[93] IEA Hydropower．Annex Ⅷ - hydropower good practices：
environmental mitigation measures and benefits case study
11-02：benefits due to power generation - large scale pumped
storage power plants，Japan［M］．［S.l.］：The International
Energy Agency，2006．
[94] ICHIMURA S，KIMURA S． Present status of pumped
hydro storage operations to mitigate renewable energy
fluctuations in Japan［J］．Global Energy Interconnection，
2019，2（5）：423-428．
[95] FURUYA S，TAGUCHI T，KUSUNOKI K，et al．
Successful achievement in a variable speed pumped
storage power system at Yagisawa power plant［C］//
Proceedings of Conference Record of the Power
Conversion Conference - Yokohama 1993． Yokohama，
Japan：IEEE，1993：603-608．
[96] KUWABARA T，SHIBUYA A，FURUTA H，et al．
Design and dynamic response characteristics of 400 MW
adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi
Power Station［J］． IEEE Transactions on Energy
Conversion，1996，11（2）：376-384．
[97] PRADHAN A，MARENCE M，FRANCA M J． The
adoption of seawater pump storage hydropower systems
increases the share of renewable energy production in
small island developing states［J］． Renewable Energy，
2021，177：448-460．
[98] Japan International Cooperation Agency，Tokyo Electric
Power Company，Tokyo Electric Power Services． Final
report on feasibility study on adjustable speed pumped
Storage generation technology［R］［．S.l.］［：s.n.］，2012．
[99] Organization for Cross-regional Coordination of
Transmission Operators． Organization for cross-regional
coordination of transmission operators，Japan annual
report，2024［EB/OL］．（2024-12-10）［2025-05-01］．
https://www. occto. or. jp/en/information_disclosure/
annual_report/files/2024_annualreport_241210.pdf．
[100] 李 明，亚夏尔·吐尔洪，郑云平，等．构网型储能支撑高比例新能源并网稳定运行技术［J］．热力发电，2025， 54（3）：59-68．
LI Ming，YAXAR T，ZHENG Yunping，et al． Stable operation technology for high proportion of new energy connected to power grid supported by grid-forming energy storage［J］． Thermal Power Generation，2025，54（3）：59-68．
[101] SONG D R，MENG W Q，DONG M，et al． A critical
survey of integrated energy system： summaries，
methodologies and analysis［J］．Energy Conversion and
Management，2022，266：115863．
[102] SILVA C，FARIA P，VALE Z，et al． Demand response
performance and uncertainty：a systematic literature
review［J］．Energy Strategy Reviews，2022，41：100857．
[103] UFA R A，MALKOVA Y Y，RUDNIK V E，et al． A
review on distributed generation impacts on electric
power system［J］． International Journal of Hydrogen
Energy，2022，47（47）：20347-20361．
[104] NADEEM T B，SIDDIQUI M，KHALID M，et al．
Distributed energy systems：a review of classification，
technologies，applications，and policies［J］． Energy
Strategy Reviews，2023，48：101096．
[105] 国家发展改革委，国家能源局．关于加强电网调峰储能和智能化调度能力建设的指导意见［EB/OL］．（2024- 01-27）［2025-05-01］． https://www. gov. cn/zhengce/ zhengceku/202402/content_6934708.htm．
National Development and Reform Commission，National Energy Administration． Guiding on strengthening the peak shaving capacity，energy storage and intelligent dispatch of power system［EB/OL］．（2024-01-27）［2025-05-01］．https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202402/ontent_6934708.htm．
[106] 国家发改委，国家能源局．抽水蓄能电站开发建设管理 暂 行 办 法［EB/OL］．（2025-01-24）［2025-05-01］．
https://zfxxgk.ndrc.gov.cn/web/iteminfo.jsp?id=20481．
National Development and Reform Commission，National
Energy Administration． Interim measures for the
development，construction and management of pumped
storage power stations［EB/OL］．（2025-01-24）［2025-05-
01］． https://zfxxgk. ndrc. gov. cn/web/iteminfo. jsp? id=
20481．
[107] 吴双杰，亓 劼，安学利，等．混流式水电机组开机方式优化研究［J］．水力发电学报，2021，40（2）：158-166．
WU Shuangjie，QI Jie，AN Xueli，et al． Study on optimization of start-up modes of Francis hydropower units［J］． Journal of Hydroelectric Engineering，2021， 40（2）：158-166．
[108] 张 进，李少林，秦世耀，等．跟/构网型双馈风电机组宽频稳定及主动支撑性能量化对比［J/OL］．电网技术，2025：1-14［2025-05-01］． https://doi. org/10.13335/j.000-3673.pst.2024.2024．
ZHANG Jin，LI Shaolin，QIN Shiyao，et al．Quantitative comparison of wideband stability and active support characteristic of grid forming control and grid following control double fed induction generator［J/OL］． Power System Technology，2025：1-14［2025-05-01］． https://oi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2024.2024．
[109] 薛安成，王嘉伟，刘晓博，等．电力系统超低频频率振 荡机理分析与抑制研究现状与展望［J］．中国电机工程学报，2021，41（2）：553-567．
XUE Ancheng，WANG Jiawei，LIU Xiaobo，et al．Survey and prospect of ultra-low frequency oscillation mechanism analysis and suppression in power system［J］．Proceedings of the CSEE，2021，41（2）：553-567．
[110] 邹 金，赖 旭，汪宁渤．大规模风电并网下的抽水蓄能机组调频控制研究［J］．中国电机工程学报 ，2017， 37（2）：564-571．
ZOU Jin，LAI Xu，WANG Ningbo． Study on control of
pumped storage units for frequency regulation in power
systems integrated with large-scale wind power generation ［J］．Proceedings of the CSEE，2017，37（2）：564-571．
[111] 乔天舒 ，梁双印 ，郭 鹏 ，等．飞轮储能辅助抽水蓄能 机 组 一 次 调 频 仿 真 研 究［J］． 太 阳 能 学 报 ，2024， 45（11）：619-626．
Qiao Tianshu，LIANG Shuangyin，GUO Peng，et al．Simulation study on primary frequency regulation of pumped storage unit assisted by flywheel energy storage［J］．Acta Energiae Solaris Sinica，2024，45（11）：619-626．
[112] TADAYON L，MEIERS J，IBING L，et al．Coordinated operation of pumped hydro energy storage with reversible pump turbine and co-located battery energy storage system ［J］．Automatisierungstechnik，2025，73（2）：136-144．
[113] CASARIN S，CAVAZZINI G，PÉREZ-DÍAZ J I．Battery
and flywheel hybridization of a reversible pumped-storage
hydro power plant for wear and tear reduction［J］．Journal
of Energy Storage，2023，71：108059．
[114] 朱 珠，潘文霞，刘铜锤，等．变速抽蓄机组频率响应机 理 模 型 与 性 能 研 究［J］． 电 网 技 术 ，2023，47（2）： 463-472．
ZHU Zhu，PAN Wenxia，LIU Tongchui，et al．Frequency response mechanism modeling and performance analysis of adjustable-speed pumped storage unit［J］． Power System Technology，2023，47（2）：463-472．
[115] CHEN Y H，XU W，LIU Y，et al． Modeling and transient response analysis of doubly-fed variable speed pumped storage unit in pumping mode［J］． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2023，70（10）：9935-9947．
[116] 国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会． 混流式水泵水轮机基本技术条件 ：GB/T 22581—2024 ［S］．北京：中国标准出版社，2024．
State Administration for Market Regulation，National Standardization Administration． Fundamental technical requirements for Francis pump-turbines：GB/T 22581—2024 ［S］．Beijing，China：China Standardization Press，2024．
117] 王子瑞，张军智，史 千，等．李家峡水电站混流式水轮 机 改 造 关 键 技 术 分 析［J］． 水 电 能 源 科 学 ，2024，42（12）：176-179，115．
WANG Zirui，ZHANG Junzhi，SHI Qian，et al． Key technical analysis of renovation of Francis turbine at Lijiaxia hydropower station［J］． Water Resources and Power，2024，42（12）：176-179，115．
[118] 饶 宏，黄伟煌，郭 铸，等．提升受端电网稳定性的主动支撑型柔性直流的形态、关键技术与展望［J］．中国电机工程学报，2024，44（17）：6818-6830．
RAO Hong，HUANG Weihuang，GUO Zhu，et al．Grid-supporting VSC-HVDC for enhancing the stability of receiving end power grid：forms，key technologies，and prospects［J］．Proceedings of the CSEE，2024，44（17）：6818-6830．
[119] 齐 郑，吉苏朋．水电机组调相运行与新能源发电协同 优 化 技 术 研 究［J］． 电 力 系 统 保 护 与 控 制 ，2025， 53（3）：108-119．
QI Zheng，JI Supeng． Synergistic optimization of phase modulation operation of hydropower units and power generation of new energy units［J］． Power System Protection and Control，2025，53（3）：108-119．
[120] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会．水轮发电机基本技术要求：GB/T 7894—2023［S］．北京： 中国标准出版社，2023．
State Administration for Market Regulation，National Standardization Administration． Fundamental technical requirements for hydrogenerators：GB/T 7894—2023［S］．Beijing，China：Standard Press of China，2023．
[121] ZHANG Tiantian， MAO Chengxiong， ZHANG
Jiancheng，et al．Design and field application of flexible excitation system damping controllers ［J］ ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021，68（2）：949-959．
[122] 赵 博，成昕雨，李佳瑶，等．基于储能型柔性直流励磁系统的抽水蓄能机组调频控制策略［J］．高电压技术，2025，51（5）：2976-2988．
ZHAO Bo，CHENG Xinyu，LI Jiayao，et al． Frequency regulation control strategy of pumped storage unit based on flexible DC excitation system with energy storage［J］．High Voltage Engineering，2025，51（5）：2976-2988．
[123] 张慧中，崔学深，桂中华，等．双馈抽水蓄能机组无功调节极限能力研究［J］．大电机技术，2023（2）：1-7，29．
ZHANG Huizhong，CUI Xueshen，GUI Zhonghua，et al． Research on limit capacity of reactive power regulation of doubly-fed pumped storage unit［J］． Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2023（2）：1-7，29．
[124] 杨 磊 ，王志华．梅州抽水蓄能电站技术供水系统调相工况热短路计算分析［J］．水电站机电技术，2022， 45（11）：45-49．
YANG Lei，WANG Zhihua． Thermal short circuit calculation and analysis of technical water supply system of Meizhou Pumped Storage Power Station under phase modulation condition［J］． Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station，2022，45（11）：45-49．
[125] 张 飞，陈振木，祝宝山．水泵水轮机水环特性及其控制［J］．中国电机工程学报，2022，42（22）：8232-8242．
ZHANG Fei，CHEN Zhenmu，ZHU Baoshan．Water-ring characteristics and control of pump-turbine ［J］ ． Proceedings of the CSEE，2022，42（22）：8232-8242．
[126] 国家发展改革委．国家发展改革委关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见（发改价格〔2021〕633 号）
［EB/OL］．https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021- 05/08/content_5605367.htm．
National Development and Reform Commission. Opinion of the national development and reform commission on further improving the price formation mechanism for pumped storage hydropower（［2021］No.633）［EB/OL］．https://www. gov. cn/zhengce/zhengceku/2021-05/08/ontent_5605367.htm
[127] 崔正辉，韩 冬，周 力，等．中国抽水蓄能价格机制研究与市场化展望［J］．人民长江，2025，56（3）：10-17．
CUI Zhenghui，HAN Dong，ZHOU Li，et al． Research on price mechanism and marketization prospect of pumped storage in China［J］． Yangtze River，2025， 56（3）：10-17．
[128] 王玲玲，刘 恋，张 锞，等．电力系统灵活调节服务与 市 场 机 制 研 究 综 述［J］． 电 网 技 术 ，2022，46（2）： 442-452．
WANG Lingling，LIU Lian，ZHANG Ke，et al．A review of power system flexible ramping product and market mechanism［J］． Power System Technology，2022，46（2）：442-452．
[129] 武昭原，周 明，王剑晓，等．双碳目标下提升电力系统灵活性的市场机制综述［J］．中国电机工程学报 ， 2022，42（21）：7746-7763．
WU Zhaoyuan，ZHOU Ming，WANG Jianxiao，et al．Review on market mechanism to enhance the flexibility of power system under the dual-carbon target［J］．Proceedings of the CSEE，2022，42（21）：7746-7763．
[130] 国家能源局．国家能源局关于印发《电力辅助服务管 理办法》的通知（国能发监管规〔2021〕61 号）［EB/OL］．
（2021-12-21）［2025-05-01］． https://zfxxgk. nea. gov. cn/ 2021-12/21/c_1310391161.htm．
National Energy Administration． Notice of the National Energy Administration on issuing the management measures for power auxiliary services［EB/OL］．（2021-12-21）［2025-05-01］．https://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-12/1/c_1310391161.htm
