清華新聞網(wǎng)1月12日電 構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。隨著風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性可再生能源裝機(jī)占比的迅速提升，電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)需求也相應(yīng)增長(zhǎng)。水電和抽水蓄能憑借其通過(guò)水庫(kù)級(jí)管理在時(shí)間上調(diào)節(jié)電力供應(yīng)的能力及清潔屬性，成為較具前景的調(diào)節(jié)資源，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。然而，以往研究采用的電力系統(tǒng)規(guī)劃模型在大空間尺度下對(duì)水力發(fā)電和抽水蓄能的刻畫(huà)精度較為粗糙，難以體現(xiàn)電站間異質(zhì)性以及水電、抽蓄之間的協(xié)同調(diào)度特性，這使得系統(tǒng)性評(píng)估水電和抽水蓄能在未來(lái)電力系統(tǒng)中的作用面臨挑戰(zhàn)。
為此，清華大學(xué)核研院能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所張達(dá)副教授課題組對(duì)自主開(kāi)發(fā)的中國(guó)可持續(xù)電力系統(tǒng)綜合優(yōu)化模型（CISPO）進(jìn)一步提升建模精度，首次實(shí)現(xiàn)了在場(chǎng)站級(jí)和8760逐時(shí)級(jí)協(xié)同優(yōu)化混合式“風(fēng)-光-水-蓄”的容量擴(kuò)增和運(yùn)行調(diào)度，并且實(shí)現(xiàn)了水力發(fā)電的梯級(jí)調(diào)度和混合式開(kāi)環(huán)抽蓄的改造決策模擬。
圖1.水電與抽水蓄能資源潛力及情景設(shè)計(jì)。（A-C）水電及開(kāi)環(huán)、閉環(huán)抽水蓄能裝機(jī)經(jīng)濟(jì)潛力分布；（D）各情景建模設(shè)定
研究團(tuán)隊(duì)利用高分辨率地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評(píng)估了我國(guó)水電和抽水蓄能的資源潛力。結(jié)果表明，我國(guó)現(xiàn)有及潛在水電裝機(jī)容量經(jīng)濟(jì)潛力共計(jì)715GW，主要集中在西藏、四川、云南等西南地區(qū)；開(kāi)環(huán)抽水蓄能經(jīng)濟(jì)潛力約390GW，閉環(huán)抽水蓄能經(jīng)濟(jì)潛力約1960GW。在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了四種情景，從高精度的梯級(jí)優(yōu)化與站點(diǎn)級(jí)規(guī)劃逐步簡(jiǎn)化至傳統(tǒng)的電網(wǎng)級(jí)建模方式，以量化不同建模精度設(shè)定對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果的影響。
圖2.2060年中國(guó)電力系統(tǒng)基準(zhǔn)情景優(yōu)化結(jié)果。（A）水電裝機(jī)及發(fā)電量分布；（B）抽水蓄能裝機(jī)分布；（C-D）風(fēng)電和光伏裝機(jī)分布；（E）分省裝機(jī)結(jié)構(gòu)及棄電率；（F）全國(guó)發(fā)電結(jié)構(gòu)；（G）系統(tǒng)度電成本
在基準(zhǔn)情景下，為了滿(mǎn)足2060年約20PWh的年電力需求并實(shí)現(xiàn)負(fù)排放目標(biāo)，優(yōu)化后的系統(tǒng)主要配置包括：水電690GW、風(fēng)電2727GW、光伏5178GW、閉環(huán)抽水蓄能368GW、開(kāi)環(huán)抽水蓄能205GW以及電池儲(chǔ)能626GW；系統(tǒng)度電成本約為0.33元/kWh，棄風(fēng)棄光率控制在較低水平。
圖3.各建模情景的系統(tǒng)級(jí)結(jié)果對(duì)比。（A）年度發(fā)電量結(jié)構(gòu)；（B）年度系統(tǒng)總成本變化；（C）儲(chǔ)能裝機(jī)結(jié)構(gòu)；（D）風(fēng)光棄電率變化
抽水蓄能和梯級(jí)水電調(diào)度的精確刻畫(huà)，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性具有重要價(jià)值。部署205GW開(kāi)環(huán)抽水蓄能每年可降低系統(tǒng)成本810億元，并分別減少風(fēng)電和光伏棄電11%和7.2%；全國(guó)范圍內(nèi)的梯級(jí)水電協(xié)同優(yōu)化每年可節(jié)省約1160億元。這種成本節(jié)約主要源于系統(tǒng)靈活性的提升：梯級(jí)調(diào)度允許在枯水期釋放更多水能，從而支持更大規(guī)模的光伏接入，減少對(duì)昂貴靈活性電源的依賴(lài)。此外，建模精度對(duì)規(guī)劃結(jié)果影響顯著：傳統(tǒng)的電網(wǎng)級(jí)固定時(shí)長(zhǎng)建模方法高估了30%的閉環(huán)抽水蓄能容量需求，導(dǎo)致每年360億元的額外成本。
圖4.電力供應(yīng)邊際成本與抽水蓄能經(jīng)濟(jì)性分析。（A）各電網(wǎng)區(qū)域邊際成本分布；（B）現(xiàn)行補(bǔ)貼機(jī)制下閉環(huán)抽蓄所需容量電價(jià)；（C）考慮市場(chǎng)收益后閉環(huán)抽蓄年度利潤(rùn)；（D）基準(zhǔn)情景下各季節(jié)小時(shí)級(jí)邊際成本分布
抽水蓄能的市場(chǎng)化前景值得關(guān)注。在高比例可再生能源主導(dǎo)的電力市場(chǎng)中，顯著的日內(nèi)和季節(jié)性電價(jià)波動(dòng)將為抽水蓄能創(chuàng)造充足的套利空間。抽水蓄能電站所需容量電費(fèi)補(bǔ)貼普遍大幅下降至每年200元/kW以下，許多電站（如北方和華中地區(qū)）無(wú)需政府補(bǔ)貼，僅通過(guò)電力市場(chǎng)交易即可實(shí)現(xiàn)盈利。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于推動(dòng)抽水蓄能從補(bǔ)貼依賴(lài)型向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)變具有重要的政策啟示意義。
研究成果以“面向中國(guó)碳中和：抽蓄與水電的空間解析建模”（Spatially resolved modeling of pumped storage and hydropower for China's carbon neutrality）為題，于2025年12月22日發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。
清華大學(xué)核研院2023級(jí)博士生朱子恒、2025級(jí)博士生毛涵潔為論文第一作者，朱子恒和核研院副教授張達(dá)為論文通訊作者。合作者包括清華大學(xué)核研院副教授張碩、新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授何小剛。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D5EE05948H
供稿：核研院
編輯：李華山
審核：郭玲
