季节性抽水蓄能与梯级水电站协同运行提升可再生能源消纳能力的多时间尺度评估研究

为解决中国以风光为主的可再生能源(VRE)季节性波动导致的电力系统调节能力不足问题，研究人员创新性地提出季节性抽水蓄能(SPHS)与梯级水电站协同运行模式。通过建立嵌套长短期时序生产模拟模型，证实SPHS仅需下游水库8.6%库容即可提升系统20%VRE消纳能力，在丰/平/枯水年分别增加发电量1.60%/1.02%/0.84%，为清洁能源基地(CEB)的长期储能优化提供了可扩展框架。

　　

随着中国"双碳"目标的推进，电力系统正面临风光等波动性可再生能源(VRE)大规模并网带来的严峻挑战。数据显示，2024年中国风电、光伏新增装机首次超过水电，但风光发电的间歇性与水电径流的季节性差异，导致清洁能源基地(CEB)面临长期调节能力短缺的困境。传统抽水蓄能主要解决日内波动，而梯级水电站的调节能力又受限于有限库容，如何突破季节性储能瓶颈成为能源转型的关键难题。

针对这一挑战，西安理工大学（State Grid Shaanxi Electric Power Company Limited资助）的研究团队在《Renewable Energy》发表创新研究，提出将季节性抽水蓄能(SPHS)与现有梯级水电站通过可逆机组和管道耦合的新型系统架构。研究团队开发了嵌套式长短期时序生产模拟模型，通过周尺度长期调度与小时尺度短期调度的协同优化，对比分析了SPHS-CHVP（季节性抽水蓄能-梯级水电-VRE）、PHS-CHVP（常规抽蓄-梯级水电-VRE）和CHVP（纯梯级水电-VRE）三种运行模式的性能差异。

关键技术方法包括：1）建立多目标预emptive goal programming(PGP)模型优化水库调度；2）采用中国红水河流域梯级电站实际水文数据构建案例；3）设置丰/平/枯三种典型水文年场景；4）量化评估VRE弃电率、系统最大接纳容量等核心指标。

【Results】部分研究显示：

1. VRE消纳能力方面，SPHS-CHVP模式将系统VRE接纳容量提升20%，其上游水库仅需下游库容1/11.6（8.6%）即可实现显著效果；
2. 发电效益上，SPHS在丰/平/枯水年分别增加年发电量1.60%、1.02%和0.84%，且保障了供电稳定性；
3. 与传统抽蓄对比，SPHS通过季节性水量再分配策略，使可逆机组在汛期主要承担抽水储能、枯期发电的差异化运行，比PHS-CHVP模式更适应长期调节需求；
4. 敏感性分析揭示，输电通道容量和SPHS水库调度策略对系统性能影响显著，优化季节性灵活度可产生额外收益。

研究结论创新性地证实，SPHS通过"小库容撬动大调节"的运行机制，为破解水电系统长期储能瓶颈提供了可行路径。该成果不仅建立了评估季节性抽水蓄能的标准化框架，更启示未来可在流域尺度推广这种"新建上游小库+可逆机组"的改造模式，对促进可再生能源高比例消纳具有重要实践价值。论文提出的嵌套时序模拟方法，也为其他长短期耦合的能源系统优化提供了方法论参考。