中部电力

电力技术

ElectricPowerTechnology

Vol.19No.1

Jan.2010

第19卷 第1期

2010年1月

项目年份19602009

装机容量(MWe)

总体2365768200234219

抽水蓄能713425756

装机容量比例(%)抽水蓄能0.305.008.019.0310.99

日本抽水蓄能电站在电网中的作用研究

张滇生，陈 涛，李永兴，刘国刚，廖建东，林松斌

(调峰调频发电公司，广东 广州510630）

【摘要】通过对日本抽水蓄能电站的发展历史、运营管理以及关键技术的分析，阐述了日本抽水蓄能电站在电

网中的五个重要作用，提出了抽水蓄能电站建设的三点建议。

【关键词】抽水蓄能电站；作用；研究

【中图分类号】TV743【文献标识码】A【文章编号】1674-4586(2010)01-0015-05

0 前言

为进一步提升抽水蓄能电站运行管理水平，以务

实的精神解决抽水蓄能电站在发展、建设、运行过程

中遇到的问题，调峰调频发电公司组织考察组，前往

日本进行考察，对抽水蓄能电站在日本的发展历史、

运营现状以及关键技术等进行了考察。通过考察分

析，阐述了日本抽水蓄能电站在电网中的五个重要作

用：一是提高电网的可靠性，保障安全可靠供电；二

是充当电网安全调节器，为新能源发展提供支撑；三

是削峰填谷事故备用，是电网运行管理的有效工具；

四是改善火电运行条件，改善水电调节性能；五是改

善线路的输电能力，提高系统的动态效益。

1 日本电力系统抽水蓄能总体情况

1.1 日本电力系统基本情况

日本全境分为东西2个电网，采用50Hz和60Hz两

种频率运行。日本电网运作方式与国内不同，电网与

电源建设管理采用一体化运作模式，厂网不分。按供

电区域，日本电力系统主要由10大发供一体的区域电

力公司管辖，这10大电力公司分别为东京、关西、中

部、九州、东北、中国、四国、北路、北海道和冲绳

电力公司。除10大电力公司外，尚有少量独立运作的

专业发电公司，其中以日本电源开发公司规模较大。

截至2009年6月，日本全国电力总装机容量

234219MWe，其中10大电力公司占86.56%，其他发

电公司约占13.44%。日本的电源结构以火电为主，

占60.01%，核电次之，占20.46%，常规水电较小，

占8.31%，因此电网调峰、调频以及事故备用的主要

手段是抽水蓄能机组。日本各大电力公司电厂数量及

装机情况见表1。

表1 日本各大电力公司电厂数量及装机情况

公司东北北海道东京中部北陆关西中国四国九州冲绳

电厂数量229661906519321

装机容量

（MWe）

342660231925

1.2 日本抽水蓄能电站基本情况

目前，日本共有抽水蓄能电站45座，总装机容量

25756MWe，占电力系统总装机容量的10.99%。大型

的抽水蓄能电站主要集中在10大电力公司和独立运作

的电源开发公司。其中，东京电力公司拥有9座抽水

蓄能电站，装机容量6808MWe，占26.43%；电源开

发公司拥有9座抽水蓄能电站，装机容量5000MWe，

占19.41%；关西电力公司拥有抽水蓄能电站5座，装

机容量4916MWe，占19.08%；中部电力公司拥有抽

水蓄能电站6座，装机容量3360MWe，占13.04%。

随着日本电力系统的不断发展，抽水蓄能在总装

机容量中的比例不断提高，从1960年的0.3%大幅增

加到2009年的10.99%。日本历年抽水蓄能装机容量

比例变化情况见表2。

表2 日本历年抽水蓄能装机容量比例变化情况表

虽然日本抽水蓄能电站所占比例已高达

10.99%，但为满足其电网可靠性调节保障的要

求，在建规模仍然很大，高达7120MWe，仅次于

•16•

电力技术

第19卷

中国，而远高于欧美各国。目前，日本在建的抽

水蓄能电站共有6座，包括规划装机容量居世界第

一的神流川抽水蓄能电站（2820MWe）和单级可

逆式抽水蓄能机组扬程最高的葛野川抽水蓄能电

站（#1、#2机组已投入运行，2台475MWe变速蓄

能机组尚未安装）。此外，2290MWe的金居原（6

×380MWe，额定水头514.8m）、1800MWe的汤之

谷（4×450MWe，额定水头400.5m）、木曾中央

（4×450MWe，额定水头449m）等三座装机容量

在2000MWe左右的大型抽水蓄能电站均已批准立

项，届时日本的抽水蓄能电站装机容量将再增加

5880MWe，可望达到37245MWe。

2 日本抽水蓄能发展经历的四个阶段

日本抽水蓄能的发展主要经历了四个阶段，分

别为补充水电枯水阶段、混合式调峰阶段、纯抽水

蓄能阶段和电力系统管理工具阶段。

2.1 补充水电枯水阶段（20世纪50年代前）

日本是能源资源贫乏的国家，约80％的能源依

靠进口，而其水能资源却相对比较丰富，早期主要

利用本国的水能资源，电力建设执行水主火辅的方

针满足需求，至1950年，其常规水电装机容量占总

装机容量的62％。由于常规水电比重较大，而常规

水电具有季节性强的特点，影响了系统能源的稳

定可靠供给。为解决此问题，日本开始研究利用

天然湖泊兴建调节性能好的小型混合式抽水蓄能

电站，并依次建成了小口川（14MWe）、池尻川

（2.3MWe）、沼泽沼（43.6MWe）三座抽水蓄能电

站。此阶段的抽水蓄能电站仅用于补充常规水电站

季节出力的不足。

2.2混合式抽水蓄能电站调峰阶段（20世纪

50-60年代）

1950年后的20年里，日本经济持续高速增长，

日本社会进入电气化全盛时期，电力需求年增长达

13％，至1969年起，东京电网最大负荷已从冬季转

移到夏季，电网峰谷差也大大增加。自1960年起，

峰谷差已达55％，电网的调峰需求随之增加。另一

方面，电源结构随着水能资源开发程度的提高，常

规水电比重开始下降，自1962开始进入了“火主水

辅”的时代，1973年火电装机容量比重达67.5％，常

规水电比重下降到24.3％，此外还兴建了不少大容量

的重油发电厂以满足负荷高速增长的需要，1958年

起火电发电燃料已由以煤为主转向以石油为主。此

阶段，负荷和电源结构均有了较大调整，电网调节

的需求日增，抽水蓄能电站建设得到迅速发展，开

始兴建一批几百兆瓦的大中抽水蓄能电站，20世纪

60年代抽水蓄能电站装机容量平均年增长47.27％，

为系统总装机容量增长速度的4倍，至1970年，抽水

蓄能电站装机容量已达3407MWe，占总装机容量的

5％，共建成19座抽水蓄能电站，其中2座为纯抽水

蓄能电站，其余17座为兼有常规水电机组的混合式

抽水蓄能电站。此阶段的抽水蓄能电站已采用可逆

式水泵水轮机，机组结构较为简化，运行调节的可

靠性、灵活性和快速性得到较大提高。

2.3纯抽水蓄能电站调峰阶段（20世纪70-80年

代）

日本出于能源安全策略的考虑，能源结构进行

了相应调整，火电装机比重由67.5％下降到61.7％。

同时核电迅速发展，1980年猛增至17.6%。核电基荷

电源比重的增加，需要抽水蓄能电站参与调峰，低

谷时还有大量的富余电量供抽水蓄能机组抽水。此

外，大容量核电机组的并网运行需要大量的蓄能机

组作为系统的事故备用，因此，70年代日本电力负

荷增长率虽然明显下降，但抽水蓄能电站仍快速增

长，70年代装机容量平均年增加810MWe，年平均增

长率仍达13

％，比总装机容量增长率高66.7％，1980

年装机容量达11510MWe，占总装机容量的8％。随

着蓄能机组装机容量比重的增加，电站运行的经济

性要求日益提高，混合式蓄能机组受自然条件限制

已不能满足要求，以高水头(500m)、大容量（单机

200~300MWe）为主的纯抽水蓄能电站扮演了电网调

节的主角，至1990年，以纯抽水蓄能机组为主的蓄

能电站装机容量已达17617MWe，占总装机容量的比

重增加到9％，进入了纯抽水蓄能电站的阶段。

2.4 电力系统管理工具阶段（20世纪90年代

后）

随着信息化等高新技术的发展和人民生活质量

要求的提高，电力系统的安全稳定和可靠性（如停

电次数和停电时间）等提出了更高的要求。为满足

新的更高要求，蓄能电站的建设和运行有了新的突

破，高水头（700m级）、大容量（400MWe级）的

机组陆续建成，还研究开发了在抽水工况也能调节

频率的可变速抽水蓄能机组，90年代后投入运行的7

座抽水蓄能电站其中有4座装设了可变速蓄能机组，

投入运行的可变速机组容量总计达1527MWe，占蓄

能机组总装机容量的5％，目前在建的还有4台可变

•17•

张滇生，等：日本抽水蓄能电站在电网中的作用研究

第1期

速机组，容量共有1670MWe，2011年投入运行后，

可变速机组容量将翻一番。在新电源结构和电网运

行可靠性的要求下，蓄能机组已不再仅仅是调峰填

谷、提供电量，机组利用小时数年均653小时（平均

每天不到1.8小时），机组的作用进入了新阶段，即

电力系统管理工具的阶段，主要承担电网的调频、

调相、负荷跟踪和事故备用等功能，以提高供电质

量和维持电力系统的安全稳定运行。

3 日本抽水蓄能电站在电网中的作用

日本电力系统的电源结构决定了比例高达

10.99％的抽水蓄能机组在电网中具有“快速反应部

队”的特殊地位，为电网的安全、可靠、经济、优

质运行起到了积极的作用。日本电网中抽水蓄能的

发展历程表明，抽水蓄能电站是电网发展到一定阶

段的必然产物，更是电网安全可靠运行的有效管理

工具，它能改善和平衡电力系统的负荷能力，提高

系统的供电质量和经济效益。其主要作用体现在以

下五方面。

3.1 提高电网的可靠性，保障安全可靠供电

建设抽水蓄能电站，可有效保证和提高电网运

行频率、电压质量的稳定性，保证社会各行各业

可靠用电，使广大电力用户享受到更高的电能质

量和可靠性电力供应。在蓄能机组作为电力系统管

理工具的新功能阶段作用下，日本电力系统的可靠

性得到了持续提升，其中，东京电网平均每户年事

故停电时间由1981~1985年5年间的21.2分钟减少到

1995~1999年5年间的4.4分钟，减少了80％，平均每

户年事故停电次数相应从0.276次减至0.146次，减少

47％。由于抽水蓄能机组起停速度快，工况转换灵

活，它的加盟对电力系统的安全运行和事故备用都

起到安全保障作用，提高了电网的可靠性。

3.2 充当电网安全调节器，为新能源发展提供

支撑

新能源的开发在日本得到了高度重视，特别

是核电的发展，截至2009年6月，日本核电装机

47935MWe，占全国总装机的20.46%。核电一般带

基荷运行，一般不参与调峰运行，而风电具有随机

性、间歇性和反调峰等特点。当系统中核电、风

电、太阳能的并网规模较大时，会增加系统的调峰

压力，甚至会影响系统的安全稳定运行。随着大核

电、大风电的建设，使得系统调峰面临技术挑战，

迫切需要建设大容量储能装置，解决系统调峰问

题，抽水蓄能是电力系统最可靠、最经济、寿命周

期最长、容量最大的储能装置，是新能源发展的重

要组成部分。日本通过配套建设抽水蓄能电站，降

低了核电机组运行维护费用、延长了机组寿命，有

效减少了风电场并网运行对电网的冲击，提高了风

电场和电网运行的协调性以及电网运行的安全稳定

性。

3.3 削峰填谷事故备用，是电网运行管理的有

效工具

蓄能机组具有削峰和填谷的双重作用，因此它

的调峰能力为其装机容量的2倍，比常规水电站和其

他类型调峰机组的调峰能力要好。从具有代表性的

东京电力公司抽水蓄能机组运行情况看，机组运行

年平均小时数在400~800小时之间，运行机组中有

90％的机组负荷率在60％~75％之间，由此可见，

日本电力系统充分利用了蓄能机组的调峰、调频、

填谷、瞬时运行的事故备用能力。抽水蓄能机组起

停迅速，工况转换快，是良好的事故备用机组。根

据J-Power电力公司和东京电力公司对不同机组类型

停机8小时后再启动时的启动时间比较，蓄能机组为

3~5分钟，燃气/燃油（LNG/LPG）机组为3小时，燃

煤机组4小时，核电机组5天，蓄能机组的快速反应

能力是火电等其他类型机组所望尘莫及的。因此在

日本，无论在电力公司还是在发电公司都非常重视

蓄能机组的卓越调节能力和负荷跟踪能力，蓄能机

组为日本急剧的负荷变化、巨大峰谷差的有效调节

和事故备用提供了不可替代的作用。

3.4 改善火电运行条件，改善水电调节性能

日本电源结构以火电为主，东京电力资料显

示，其电力系统负荷率在0.6~0.75之间，若无抽水

蓄能机组参与系统调节，将严重影响机组的经济运

行。根据分析，当电力系统日最小负荷率为0.6，

系统为纯火电机组时，还得一些机组频繁地起停运

行，如果加入10%的抽水蓄能机组，则火电机组的

调荷能力只需20%或稍多一点即可，同时“解放”

了绝大部分火电机组，让它们在高效率区间运行。

因此，占日本系统容量10.99%的抽水蓄能机组有

效地改善了日本火电机组的运行条件。早期的日本

电力系统水电比重较大，在汛期被迫弃水调峰，抽

水蓄能电站的建设将电网的大量富余电力加以“储

存”，减少弃水，改善了水电的调节性能。

3.5 改善线路的输电能力，提高系统的动态效

益

•18•

电力技术

第19卷

抽水蓄能电站还有效提高了输电线路的利用

率，降低了单位电量的输送费用。蓄能电站投入，

相当于一条高速公路变成了两条高速公路——低谷

时，线路可以满载运行，而高峰时，在主网线路满

载运行的情况下，蓄能电站依然可以供给周围的高

峰负荷，从而减轻了主网线路的压力。抽水蓄能还

有显著的动态效益，从日本的研究成果看，抽水蓄

能的动态效益主要体现在承担短负荷、事故备用、

调频、调相、提高系统运行可靠性等方面。

4 结语和建议

从装机类别和输送通道看，我国南方电网区域

运行方式呈现以下特点：一是火电装机容量比重

较大。2008年底南方电网中调及以上统调机组装

机容量为105977MWe，地调调度机组装机容量为

11130MWe，统调机组总容量为117106MWe。其中

水电占28.2%、核电占2.6%、蓄能占1.5%、风电占

0.1%，而火电所占比例高达67.6%。二是调节性能好

的蓄能机组比例偏小。2008年底，南方五省区统调

机组总容量为1.17亿千瓦。已投产的抽水蓄能机组容

量所占比例仅为1.5%，远低于日本10.99%的装机比

例。三是西电东送电力大幅增加。2009年将有云广

特高压直流单极、海南联网工程、西电东送网络完

善工程(串补部分)等一批重大工程投产。西电送广东

计划最大电力将达到20390MWe，同比增长12.3％，

送电量将达1082亿kWh，同比增长16.7％，西电东送

通道高峰时段长期压极限运行。基于以上特点，提

出如下建议：

(1)适当加大抽水蓄能电站在电网中的配置比例

随着我国社会经济结构的调整和人民生活水平

的提高，用电侧对电网的要求越来越高，而电网建

设又要求其具有高度的安全性、灵活性、适应性和

经济性，因此，电网中配置合适比例的抽水蓄能电

站是非常必要的。关于抽水蓄能机组在全部装机中

应占的比例以多少为好，存在不断认识的过程。日

本的电力研究所曾就日本各大电力公司现有设备的

组成及发展计划推算，认为抽水蓄能容量所占比重

应由1990年的10%左右增加到14%左右。

相关资料显示，其他发达国家也非常重视蓄能

电站建设，其抽水蓄能装机容量比重较高（如图

1），而我们国家抽水蓄能在电网中的比重普遍较

低，截至2008年底，南方电网区域总装机容量为1.4

亿千瓦（统调装机1.17亿千瓦），已投产的蓄能机

组容量为240万千瓦，占南方电网区域装机总容量的

1.71％，占广东电网系统装机容量的3.9％。另外，

国家电网公司统调装机5.7亿千瓦，其中抽水蓄能装

机894万千瓦，占1.56％。因此，为着力“提高供电

可靠率”的需要，适当增加抽水蓄能电站在电网中

的配置比例是必要的。

图1 部分国家抽水蓄能装机容量比重

(2)适应国家能源战略调整，加大蓄能电站的建

设速度

随着国家能源政策的调整，新能源和可再生能源

将迅速发展，核电、风电、太阳能电站等新能源在电

网系统中所占的比重逐步提高。预计到2020年，我国

装机总容量将超过16亿千瓦，其中核电将达8600万千

瓦，比例将由目前的1.1％提高到5.1％，风电将达1.5

亿千瓦，比重将由目前的1.1％上升到8.8％，新能源

比重将从2.2％提高到17.3％。抽水蓄能电站是新能源

发展必不可少的储能手段。随着新能源的规模发展，

储能将成为新能源发展的重要组成部分。抽水蓄能是

目前世界上技术最完善、容量最大、经济性最高的储

能方式。2009年7月16日，国家三部委财政部、科技

部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工

程的通知》，随后又公布了具体的《金太阳示范工程

财政补助资金管理暂行办法》，决定综合采取财政补

助、科技支持和市场拉动等方式，加快国内光伏发电

的产业化和规模化发展。随着我国风电和光伏发电等

新能源规模化快速发展，必须协调发展抽水蓄能电

站，以克服风电、太阳能等随机和间歇发电对电网安

全运行和电能质量的影响，提高新能源的开发水平和

利用效率。

同时，规划显示“十二五”期间，糯札渡、溪洛

渡水电站总计送电广东规模11400MWe，“十三五”

期间，云南金沙江中游和怒江流域各规划新增送电广

东5000MWe。随着跨区域大规模长距离超高压线路

的相继投运和新能源的大力发展，电网的安全保障问

题会更加凸显，迫切需要建设大容量的抽水蓄能电站

解决系统的调节问题。我国现有蓄能电站装机容量

占总装机容量不足1.8%，与日本蓄能装机容量占总

装机容量的10.99％相比，我国抽水蓄能电站建设发

•19•

张滇生，等：日本抽水蓄能电站在电网中的作用研究

第1期

后更大规模的抽水蓄能电站建设做积极的准备。

抽水蓄能电站作为电网系统调峰调频、调相调

压、事故备用的重要工具，在确保电网运行的可靠

性、提高电网供电质量方面起着非常重要的作用。

通过此次对日本东京电力公司抽水蓄能电站及部分

主设备制造厂家的考察，了解了日本抽水蓄能电站

的建设、运行及管理情况，对抽水蓄能电站的一些

先进技术有了进一步的认识。通过对比，认识到我

们在抽水蓄能电站建设和管理方面还有很大的提升

空间，同时，也为下一步加快抽水蓄能电站的建设

拓展了思路。

[参考文献]

[1]KazumasaKUBOTA，ages

ofSplitterRunnerAppliedtoUltraHigh-Headand

Large-CapacityPump-Turbines(J).TokyoElectricPower

CoMPany，Japankubotakubotakazumasa@.

[2]rbineTechnology[R].Japan，Toshiba，2009

[3]tor-MotorTechnology[R].Japan，Toshiba，

2009

[4]uctiontoHitachiTurbinesandPump-

Turbines[R].Japan，Hitachi，2009

[5]edTechnologyEmployedatKANNAGAWA[R].

Japan，TokyoElectricPowerCoMPany，2009

[6]lectricPowerTechnologies[R].Japan，Tokyo

ElectricPowerCoMPany，2009

展的任务还很重，建议加大抽水蓄能电站的建设速

度，以适应新能源的大规模发展和西电东送的迫切需

要。

(3)在新建电站中，建议尝试引进抽水蓄能新技术

我国抽水蓄能电站建设起步较晚。虽然经过30多

年的建设实践，在设计、施工和运行管理方面积累了

一定的经验，但距离不少发达国家的先进水平还有一

定差距，特别是在新技术的研发和应用方面还存在相

当的差距。可变速抽水蓄能机组除与常规抽水蓄能机

组具有相同功能外，还具有其特殊功能，在一定水头

下抽水运行时，负荷可调，实现抽水工况下动态调节

电网频率；发电工况可在最优出力转速下运行，部分

负荷时综合效率高，不用调速器能高速（数十秒）控

制有功功率，而与水泵水轮机出力无关，可提高系统

稳定性。另外，抽水蓄能长短叶片转轮，是近年来发

展起来的一种新技术，在超高水头大容量水泵水轮机

上有独特优势：一是与常规的叶片转轮相比，在整个

运行范围内水轮机的效率得到提高；二是在部分负荷

运行时压力脉动降低，水泵进口处空化特性得到改

善；三是整个出力范围振动较小。在日本，长短叶片

已在神流川等抽水蓄能电站得到成功应用。

以上两种作为抽水蓄能电站较有代表性的技术在

日本已得到广泛应用，且收效良好。对比国内目前抽

水蓄能电站的建设，诸如此类的技术手段还有很多有

待我们去学习利用。建议在新建抽水蓄能电站中，探

索采用如可变速机组、长短叶片转轮等新技术，为以

StudyontheFunctionsofThePumpedStoragePowerStations

inElectricPowerGridinJapan

ZHANGDian-sheng,CHENTao,LIYong-xing,LIUGuo-gang,LIAOJian-dong,LINSong-bin

（

CSGPowerGenerationCompany,Guangzhou510630,China

）

Abstract:Throughanalysisofthedevelopmenthistory,operationalmanagementandkeytechnologyofpumped

storagepowerstationsinJapan,fiveimportantfunctionsofJapanepumpedstoragepowerstationsinelectricpower

gridarediscusdandthreesuggestionsontheconstructionofpumpedstoragepowerstationsarebroughtforward.

Keywords:pumpedstoragepowerstations;function;study