揭示极端气象条件下多种混合式抽水蓄能改造类型的风险收益机制及其适用性

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Revealing the risk–benefit mechanisms and applicability of multiple hybrid pumped-storage retrofit types under extreme meteorological scenarios

　　摘要：依赖气候的可再生能源发电极易受到极端气象条件的影响。将传统梯级水电站改造为混合式抽水蓄能系统，为提升可再生能源的整合度提供了有效途径。然而，在极端气象干扰下，不同类型混合式抽水蓄能改造方案的风险收益机制及适用场景仍缺乏充分研究。为填补这一空白，本研究针对梯级水电-可变可再生能源系统中的四种混合式抽水蓄能改造方案建立了优化模型，构建了极端气象场景识别框架，并开展了长短期耦合调度优化分析。以雅砻江下游的梯级水电-风能-光伏一体化系统为案例，系统比较了四种改造方案的运行风险与经济性能，这四种方案分别为：配备辅助泵的混合式抽水蓄能系统、配备可逆涡轮的混合式抽水蓄能系统、上游外接水库的混合式抽水蓄能系统以及下游外接水库的混合式抽水蓄能系统。研究结果表明：（1）没有一种改造方案能适用于所有场景；总体而言，上游外接水库方案具有最强的跨场景适应性，其单位投资相对综合经济收益在不同场景下的波动范围仅为4.1至6.2之间。尽管下游外接水库方案需要更高的投资成本，但在极端场景下能带来更大收益，在1994年极端干旱场景下可实现93.84亿元人民币的最高相对综合经济收益。而配备可逆涡轮和辅助泵的方案对场景变化更为敏感；（2）虽然这些方案提升了系统的调节能力，但在某些场景下也可能增加高水位风险。例如在2024年正常高水位限电场景下，辅助泵方案使高水位风险从77.2%上升至84.1%。这些研究结果为梯级水电站混合式抽水蓄能改造的工程决策提供了参考。

引言：在气候变化加剧和低碳转型深入的背景下，电力系统正在快速向绿色化转型[1]。截至2025年底，中国的水电、风电和太阳能装机容量分别达到450吉瓦、640吉瓦和1200吉瓦，均位居世界首位[2]。到2060年，风能和太阳能的装机容量占比预计将从47.3%上升至88%[3]。然而，随着风能和光伏发电比例的持续上升，它们对气象条件的高度依赖带来了巨大的运行风险，进一步加剧了电力短缺和可再生能源限电等问题[4]。典型的例子包括2022年在高温干旱叠加情况下四川发生的电力限电事件[5]、2021年因电力供应紧张在东北地区引发的大规模有序用电事件[6]，以及2017年南澳大利亚高温期间出现的停电事件[7]。这些事件表明，极端气象条件已成为高比例可再生能源电力系统安全稳定运行的主要外部制约因素。抽水蓄能因其大规模储能能力和快速响应特性，能够有效平抑风能和光伏发电的波动，提升在多变气象条件下的可再生能源接纳能力[8]。不过，传统的纯抽水蓄能水电站对场地和水资源条件要求严格，且建设周期长、资本投入大。而混合式抽水蓄能水电站则可以利用现有的梯级水库，不仅具备调峰填谷的抽水与发电能力，还能利用自然径流发电[9]，从而在一定程度上克服传统纯抽水蓄能水电站的地理依赖性强和成本高的问题。如表1所示，梯级水电站的混合式抽水蓄能改造主要分为两种路径：一种是在现有上下游水库之间通过增设辅助泵直接建立抽水蓄能连接，如图1(a)所示，即配备辅助泵的混合式抽水蓄能系统（HPS-AP）[10]，或如图1(b)所示安装可逆机组，即配备可逆涡轮的混合式抽水蓄能系统（HPS-RT）[11]，从而在原有梯级结构中形成库间抽水-发电循环；另一种则是在保持原有梯级开发格局的同时，通过建设上游外接水库或下游外接水库来构建新的抽水蓄能循环，如图1(c)所示为上游外接水库的混合式抽水蓄能系统（HPS-OUR）[12]，如图1(d)所示为下游外接水库的混合式抽水蓄能系统（HPS-OLR）[13]。由于这几种改造方案在抽水蓄能循环结构、水力连通性以及抽水-发电调节特性上存在本质差异，因此在极端气象干扰下的运行性能也可能有很大差别。在此背景下，有两个关键问题亟待解答：（1）在不同极端气象场景下，各种混合式抽水蓄能改造方案的风险收益特征有何差异？其背后的驱动机制是什么？（2）在何种类型的极端气象场景下，每种改造方案能展现出更大优势？本章将从建模与调度方法、外部扰动场景的特征描述以及性能评估三个角度，综述有关混合式抽水蓄能改造的现有研究。在建模与调度方面，现有研究主要集中在HPS-AP方案上。Tan等人[10]提出了一种针对配备辅助泵站的传统梯级水电-光伏-风能系统的一种互补型调峰调度规则，该规则充分考虑了区域间电力传输需求。这一研究方向在[14]中得到了拓展，研究者们提出了一种结合长期储能特性的季节性联合调度方法，并分析了不同泵站规模下的光伏发电容量阈值。对于HPS-AP-光伏-风能-电池组合系统，Tang等人[15]进一步提出了一种考虑分时电价和绿色电力补贴政策的运行策略。针对HPS-RT方案，Xie等人[11]主要从多运营商视角研究了其运行模式以及多时间尺度下的协同调度问题，而Xie等人[16]则进一步探讨了多运营商之间的联合调度与利益分配问题。Zhou等人[17]为经过水电改造的储能设施建立了类型与容量配置框架，并将多时间尺度调度模型与时间序列模拟相结合，用于进行技术经济评估。对于HPS-OUR方案，Guo等人[12]研究了用于调峰的开环抽水蓄能系统的运行模式与最优运行边界，Peng等人[18]分析了水力相连的集群式开环抽水蓄能系统的协同调度问题，Han等人[19]则为大规模季节性抽水蓄能系统建立了长短期嵌套仿真模型。相比之下，HPS-OLR方案在现有的建模与调度研究中得到的关注要少得多。在外部扰动场景方面，现有研究主要考虑了资源侧扰动、系统平衡侧扰动以及市场环境侧扰动三类因素。在资源侧方面，Jing等人[20]建立了风能和太阳能波动的多维度不确定性评估框架，Zhang等人[21]采用K-means++聚类方法构建了具有代表性的风能和光伏发电场景，并对年度资源状况进行了分类，Ge等人[22]则基于预测不确定性建立了具有代表性的来水场景。在系统平衡侧方面，Hu等人[23]将负荷需求以及风能/光伏发电出力视为联合不确定输入，用于表征供需压力。在市场层面，Wang等人[24]和Tan等人[25]则引入了基于市场的电价、多种价格信号以及基于净负荷的分时电价，以此构建电价场景。在性能评估方面，一些研究侧重于经济性能和工程可行性。Lin等人[26]通过年度增量收入和全生命周期净收入等指标，比较了配备泵站与配备电化学储能的方案。人们还从提升灵活性、配置规模以及净现值、投资回收期和内部收益率等技术经济指标的角度，评估了建设泵站或辅助储能泵的可行性[27]。Karimi等人[28]为多坝季节性抽水蓄能水电系统建立了水经济优化框架，并在确定性和随机性条件下分析了能源套利与供水可靠性问题。Dawaghreh等人[29]提出了梯级抽水微型水储设计框架，通过地理空间分析和多目标优化方法，评估了在复杂地形条件下水库选址、储能容量以及可再生能源发电规模的确定问题。还有些研究则聚焦于系统的运行性能。Liu等人[30]从总发电量、净负荷峰谷差以及限电减少程度等方面，评估了参与风能和光伏发电调控的梯级储能系统性能。Guo等人[31]则运用综合风险率、限电风险率、电力短缺风险率、梯级水电发电量以及调峰性能等指标来评估系统性能。此外，还有一些研究采用了多维度评估框架。He等人[32]从经济性、技术性和能源效率三个角度，对比了三种具有代表性的混合式抽水蓄能方案。Wei等人[33]则从安全性、稳定性、效率和经济性四个方面，对梯级水电与抽水蓄能的协同运行进行了全面评估。上述代表性研究的总结见表2。总体而言，目前还存在三方面的局限。首先，现有模型大多是为某一种特定的改造方案设计的，比如HPS-AP、HPS-RT或HPS-OUR，而HPS-OLR方案则鲜有相关研究。此外，尚无研究在统一的系统框架下，系统地分析四种改造方案在拓扑结构和水电耦合方面的差异。其次，现有的风险分析主要关注水文条件或可再生能源的不确定性，未能评估这四种改造方案在现实中的复合极端气象场景下的适应能力。第三，现有的结果分析大多停留在经济或系统运行层面，未能从涵盖水库、发电厂、系统运行和经济性的多层次视角，揭示不同改造方案产生差异的传导机制。为弥补上述不足，本研究阐明了极端气象条件下四种混合式抽水蓄能改造方案的风险收益机制及其适用场景。主要贡献如下：（1）在传统的梯级水电-可变可再生能源系统中，统一构建了四种典型的混合式抽水蓄能改造方案模型，即HPS-AP、HPS-RT、HPS-OUR和HPS-OLR，并在相同的長短期耦合调度与评估框架下对这四种方案进行了比较。（2）为评估这四种改造方案在极端气象条件下的风险收益情况，从资源条件、系统平衡压力和水文安全三个维度筛选出了典型的极端气象场景，然后从水库、发电厂、系统运行和经济性能等多个角度，系统比较了这四种方案的特点，揭示了其在复合运行压力下的不同风险收益传导路径及适用场景。本文的其余部分结构如下：第2节介绍研究方法，第3节阐述案例研究的设计思路，第4节呈现研究结果与分析，第5节讨论研究结果的更广泛适用性及局限性，第6节对全文进行总结。本研究的工作流程如图2所示。

方法部分：图3展示了本研究所分析的梯级水电-混合式抽水蓄能-可变可再生能源系统的结构示意图。本章共分为三个部分：2.1节提出了四种混合式抽水蓄能改造方案的统一建模框架；2.2节建立了长短期耦合优化框架；2.3节阐述了极端气象场景的识别方法。

资源条件方面：水资源可用性指数（WAI）：该指标是将年度总来水量与其历史平均值进行标准化处理后的数值，用于反映水资源的丰缺程度以及相应的水电供应水平，计算公式为：WAIy=∑d∈TyQdin-μR/σR，其中Qdin表示第d天的自然来水量（单位：m3/s），Ty表示年份y中的天数，μR和σR分别表示历史年度总来水量序列的平均值和标准差。

系统平衡压力方面：灵活性压力天数（FSD）：该指标用于表征在高负荷需求与低电力供应共同作用下的系统灵活性压力，其计算公式为：FSDy=d∈Tyθd?θThigh∨θd?θTlow∧RdVRE?θRlow，其中·表示满足指定条件的天数，Td表示第d天的区域气温，RdVRE表示……

水文安全方面：洪水风险天数（FRD）：该指标用于反映在高来水条件下的水库防洪及运行安全压力，其计算公式为：FRDy=d∈Ty|Qdin?θQflood，其中θQflood表示洪水峰值判定阈值。FCDy的数值越大，表示洪水峰值出现的频率越高，从而该年度的水利运行安全风险也就越大。案例研究本节介绍了用于评估四种混合式抽水蓄能改造方案的案例研究系统、主要输入参数以及典型的极端气象场景。结果与分析基于2.2节中开发的长期/短期耦合模型的短期优化结果，本节对这四种混合式抽水蓄能改造方案的运行特性及相关的风险收益差异进行了比较分析。具体而言，4.1节从水库角度探讨了水库水位调节、边界风险以及溢流应对措施；4.2节则从发电站角度比较了电力供应能力与输出特性。讨论（i）四种改造类型的地理限制与全球适用性。本研究在统一框架下比较了四种典型混合式抽水蓄能改造类型的运行风险、调节效益及经济性能。然而，案例研究仅限于雅砻江下游地区，这可能限制了研究结果的普遍适用性。在不同气候条件、负荷特征的区域，这四种改造类型的性能可能会有所差异。结论本研究明确了在极端气象场景下四种混合式抽水蓄能改造类型的风险收益机制及场景适用性。为此，我们在级联水电系统中建立了四种改造方案的模型，构建了极端气象场景识别框架，并进行了长期/短期耦合调度优化。以雅砻江下游的级联水电-风能-光伏一体化系统作为案例进行研究。CRediT作者贡献声明王继洲：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件应用，方法论，正式分析，数据整理，概念构思。张兴金：写作——初稿撰写，可视化处理，数据整理。邓志华：可视化处理，资源协调。马云哲：监督指导，调查研究，正式分析。曹汉文：监督指导，资源协调。陈迪毅：验证工作，监督指导，项目管理，资金筹措。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52339006、52479088、U2340210）、自由探索基础研究项目（项目编号2024ZY-JCYJ-02-37），以及2025年自治区重点研发与成果转化计划国际科技合作项目（项目编号2025KJHZ0043）的支持。王继洲|张兴金|邓志华|马云哲|曹汉文|陈迪毅中国陕西省杨陵市西北农林科技大学水资源与水利工程研究所，邮编712100