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有着重要作用。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，清华大学碳中和研究院气候治理与碳金融研究中心、清华大学能源环境经济研究所团队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。近日，相关研究成果以Spatially resolved modeling of pumped storage and hydropower for China's carbon neutrality（《面向中国碳中和：抽蓄与水电的空间解析建模》）为题，发表于英国皇家化学会旗下期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，EES，五年影响因子35.4）。论文作者包括研究所朱子恒博士生（第一作者、通讯作者）、毛涵洁博士生（第一作者）、张达长聘副教授（通讯作者），合作者为清华大学张硕副教授、新加坡国立大学何小刚助理教授。

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。

本研究基于团队此前开发的CISPO模型展开，该模型相关成果（Integrated Modeling for the Transition Pathway of China's Power System）已在2025年2月发表于Energy & Environmental Science。CISPO模型首次实现了在全国尺度以8760逐小时、25km×25km精度协同优化系统容量扩张和运行调度。本研究在CISPO模型基础上进一步提升水电和抽水蓄能的建模精度至场站级别，实现了梯级调度和混合式开环抽蓄的高精度模拟。研究表明，对抽水蓄能和水电灵活性的精细化建模，对于大规模电力系统深度脱碳的经济分析具有重要意义，并为水电和抽蓄在能源转型中的角色定位、电力市场机制设计以及跨区域水资源协调管理提供了重要的科学依据。本研究是国家自然科学基金两个专项项目（“面向我国碳中和最优路径实现的自然—社会系统多尺度相互作用模式耦合、数据监测支持和决策支撑研究的顶层设计”和“碳达峰碳中和路径与对策综合研究”）和重大项目（“我国区域/全球一体化数值化学天气耦合预报及再分析系统研究”）的重要成果，并得到碳中和与能源智联（CNEST）项目和美国环保协会的支持。

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https://doi.org/10.1039/D5EE05948H