清华大学核研院张达课题组合作在水电及抽水蓄能空间解析建模领域取得重要进展

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳中和目标的关键路径。随着风电、光伏等波动性可再生能源装机占比的迅速提升，电力系统的灵活性调节需求也相应增长。水电和抽水蓄能凭借其通过水库级管理在时间上调节电力供应的能力及清洁属性，成为较具前景的调节资源，对保障电网安全稳定运行发挥着重要作用。然而，以往研究采用的电力系统规划模型在大空间尺度下对水力发电和抽水蓄能的刻画精度较为粗糙，难以体现电站间异质性以及水电、抽蓄之间的协同调度特性，这使得系统性评估水电和抽水蓄能在未来电力系统中的作用面临挑战。

为此，清华大学核研院能源环境经济研究所张达副教授课题组对自主开发的中国可持续电力系统综合优化模型（CISPO）进一步提升建模精度，首次实现了在场站级和8760逐时级协同优化混合式“风-光-水-蓄”的容量扩增和运行调度，并且实现了水力发电的梯级调度和混合式开环抽蓄的改造决策模拟。

图1.水电与抽水蓄能资源潜力及情景设计。（A-C）水电及开环、闭环抽水蓄能装机经济潜力分布；（D）各情景建模设定

研究团队利用高分辨率地理信息系统数据，系统评估了我国水电和抽水蓄能的资源潜力。结果表明，我国现有及潜在水电装机容量经济潜力共计715GW，主要集中在西藏、四川、云南等西南地区；开环抽水蓄能经济潜力约390GW，闭环抽水蓄能经济潜力约1960GW。在数据基础上，研究设计了四种情景，从高精度的梯级优化与站点级规划逐步简化至传统的电网级建模方式，以量化不同建模精度设定对系统规划结果的影响。

图2.2060年中国电力系统基准情景优化结果。（A）水电装机及发电量分布；（B）抽水蓄能装机分布；（C-D）风电和光伏装机分布；（E）分省装机结构及弃电率；（F）全国发电结构；（G）系统度电成本

在基准情景下，为了满足2060年约20PWh的年电力需求并实现负排放目标，优化后的系统主要配置包括：水电690GW、风电2727GW、光伏5178GW、闭环抽水蓄能368GW、开环抽水蓄能205GW以及电池储能626GW；系统度电成本约为0.33元/kWh，弃风弃光率控制在较低水平。

图3.各建模情景的系统级结果对比。（A）年度发电量结构；（B）年度系统总成本变化；（C）储能装机结构；（D）风光弃电率变化

抽水蓄能和梯级水电调度的精确刻画，对系统经济性具有重要价值。部署205GW开环抽水蓄能每年可降低系统成本810亿元，并分别减少风电和光伏弃电11%和7.2%；全国范围内的梯级水电协同优化每年可节省约1160亿元。这种成本节约主要源于系统灵活性的提升：梯级调度允许在枯水期释放更多水能，从而支持更大规模的光伏接入，减少对昂贵灵活性电源的依赖。此外，建模精度对规划结果影响显著：传统的电网级固定时长建模方法高估了30%的闭环抽水蓄能容量需求，导致每年360亿元的额外成本。

图4.电力供应边际成本与抽水蓄能经济性分析。（A）各电网区域边际成本分布；（B）现行补贴机制下闭环抽蓄所需容量电价；（C）考虑市场收益后闭环抽蓄年度利润；（D）基准情景下各季节小时级边际成本分布

抽水蓄能的市场化前景值得关注。在高比例可再生能源主导的电力市场中，显著的日内和季节性电价波动将为抽水蓄能创造充足的套利空间。抽水蓄能电站所需容量电费补贴普遍大幅下降至每年200元/kW以下，许多电站（如北方和华中地区）无需政府补贴，仅通过电力市场交易即可实现盈利。这一发现对于推动抽水蓄能从补贴依赖型向市场驱动型转变具有重要的政策启示意义。

研究成果以“面向中国碳中和：抽蓄与水电的空间解析建模”（Spatially resolved modeling of pumped storage and hydropower for China’s carbon neutrality）为题，于2025年12月22日发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。

清华大学核研院2023级博士生朱子恒、2025级博士生毛涵洁为论文第一作者，朱子恒和核研院副教授张达为论文通讯作者。合作者包括清华大学核研院副教授张硕、新加坡国立大学助理教授何小刚。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D5EE05948H

供稿：核研院

编辑：李华山

审核：郭玲