0 引言

在能源革命新形势下，清洁能源的发展对于推进能源革命极其重要。在能源紧缺与气候变化的背景下，清洁、可再生的气象能源的开发利用被日益重视。当前现代工业化的快速发展，使得用电需求逐年递增。抽水蓄能电站在满足未来电网调峰需求、保障未来电网的安全稳定运行以及提升电力系统接纳新能源能力方面意义重大^[1]。气象对抽水蓄能电站影响显著，在气候风险指数升高的背景下，明确气象对抽水蓄能电站的影响和应对策略，对于抽水蓄能电站安全稳定运行及行业健康发展具有十分重要的现实意义。

1 抽水蓄能电站技术原理及作用

1.1抽水蓄能电站技术原理

抽水蓄能电站的基本原理是利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时做水泵运行，用多余电能将上水库的水抽到上水库存储起来，在电力负荷出现高峰做水轮机运行，将上水库的水放下来发电。

图1 纯抽水蓄能电站组成示意图

图2 纯抽水蓄能电站基本原理示意图

蓄能原理是当电能富余时，用电能来抽水，即把下游调节池中的水提到上游位置，以备再度发电充分利用水资源。这个过程是电能转化为机械能，再转化为水的势能。

储能原理是当用电高峰时，放水发电，水的势能变成动能，推动水轮机转动，再转为成电能。

1.2抽水蓄能电站作用

调峰发电。用电高峰时负荷上升速率较快，火电等电源不能满足负荷上升速率要求，需要抽水蓄能电站承担调峰运行。可替代火电容量或降低火电机组的调峰深度，减少系统燃料消耗与运行费用，提高电网运行的可靠性和经济性。

抽水填谷。电能富裕时，抽水蓄能电站利用富余的电量将下水库水抽到上水库，以水作为载体将富裕的电能转化为势能，达到储存电能的目的，这样可减少火电机组压负荷调峰和水电站弃水调峰的问题，减少火电机组因压负荷运行所增加的煤耗。同时还可以改善火电机组的运行状态，减少火电机组事故率。

频率调整。电力系统频率一般为50Hz±0.2Hz为合格。以煤电为主的电力系统，增减负荷速度相对较慢，较难适应系统的负荷变化，特别是系统负荷急剧变化出现大波动现象，从而导致系统的合格率较低。如华北电网，上世纪80年代，系统频率合格率最低曾降到81%，主要原因就是调频手段不足，上世纪90年代后随着华北地区抽水蓄能电站的相继建成投入运行，系统合格率一般保持在90%以上。但受库容限制，抽水蓄能电站解决电力负荷小波动的频率调节能力是有限的。

无功调节（调相）。电压的升高或降低都会对电力用户产生不利的影响，严重时会使设备损坏或不能正常工作。抽水蓄能机组具有调相功能，既能吸收无功功率，也可发出无功功率稳定电压，从而减少电力系统的无功补偿装置，减少投资成本。

事故备用。电力系统的发电电源在满足用电负荷的同时需要一定数量的备用容量。备用容量一般分为紧急事故备用容量和一般事故备用容量。研究表明，抽水蓄能电站承担电力备用库容时，其作业效果和经济效益都是非常显著的。抽水蓄能电站在设计中一般在上水库都留有一定的发电备用库容，需要时可利用上水库的库存水量，及时提供备用发电。

黑启动。电力系统在遇到特大事故时，火电机组在失去厂用电，又没有外部电源的情况下，一般是难以启动恢复正常运行的。此时抽水蓄能电站利用上水库库存水量，启功发电工况，恢复厂内用电并实现向外供电，这就是所谓的黑启动。

配合系统特殊负荷需要和满足系统特殊供电要求。为满足用电负荷增长或某些重大活动的用电需求，抽水蓄能电站这种特殊的运行方式及其发挥的作用，是其他任何电源都难以达到的。

抽水蓄能电站在可再生能源利用中具有重要作用，可实现电力储能平衡、调峰填谷、促进可再生能源灵活布局和环保等多方面优势，为实现清洁能源转型和能源可持续发展意义重大。

2 气象条件对抽水蓄能电站的影响

抽水蓄能电站运行基本不受天然径流的影响，但其蓄水量与气象有着紧密关系，这也决定了气象在抽水蓄能电站工作中的重要地位。抽水蓄能电站除作为调峰填谷的电源，更重要的是作为电力行业的职能部门的辅助管理工具之一，担任事故备用、调频、调相等任务，目前大多数的抽水蓄能电站担任着防洪、灌溉以及供水等综合利用任务，服务于整个能源行业。抽水蓄能电站在建设选址、工程设计、安全生产等方面都会受到不同气象条件的影响与制约。

2.1低温冰冻

抽水蓄能电站最重要的水工建筑物是挡水坝。遇低温冻害，挡水坝前会形成一层厚厚的冰盖，在抽水蓄能电站运行期间，水库内的冰盖还会随着水位变动而运动。当冰盖移动时会受到水库中固定建筑物的阻碍而停滞在其前面，形成巨大的推力。在降水量较少的地区蓄水水库在冬季水量几乎得不到补充，水库水位会持续下降，水位的不断下降和气温的不断变化，致使推力也不断的聚集在水工建筑物与冰层的接触面上，从而形成冰推，使水库中的墩台受到挤压。据研究冰层受建筑物挤压破碎前一瞬间将产生最大的冰压力，当冰推力大于闸墩或桥墩的抗压强度时就会使其发生倾斜或断裂，尤其是方形桥墩或排架柱因受力面积较大，此类情况较为严重。对安全运行造成极大危害，严重时影响正常供水。由于冰推力的作用冻结在坝体上的冰盖会因受到坝体的阻拦，对坝体形成推力。如果水库水位下降较慢，坝体护坡板较大而表面又比较粗糙，冰面一时无法克服与坝体的冻结力就不会形成冰爬现象，冰推力一直聚集在坝体上，如坝体存在缺陷就会变形或造成不规则横向裂缝，尤其是水位离坝顶较近时。当水位下降时冰盖下降塌陷，当冰推力大于冰层与坝体护板冻结力时，冰层会沿坝体爬升，又会对坝体形成拉拔力。这种拉拔力大于冰面以上护坡板与坝体的冻结力的时候就会对坝体护坡板整体造成上推，脱离坝体，而坝体护坡板在水面以下较少时，拉拔力因上部护坡板阻挡就会使坝体冰面处护坡板剥离隆起，特别是护坡板较小或表面比较粗糙的这种现象较为严重。

发生低温冻害时，抽水蓄能电站的事故闸门井内的水面可能发生冰冻现象，导致闸门无法下闸。此外，在严寒地区，与水接触的混凝土如果出现细微的裂缝，到了冬季，水会渗透到裂缝中。随着不断的冻融循环，混凝土会逐渐被破坏。抽水蓄能电站上水库主坝面板混凝土起到挡水防渗的作用，如果有大量裂缝产生，会严重降低大坝的安全性。在寒冷的冬季，当抽水蓄能电站每天都有运行任务时，库中央会形成一块浮动的冰盖，外围还有一圈碎冰带。冰盖不会对抽水蓄能电站运行有太大影响，但如果电力系统长时间不需要抽水蓄能电站运行，上、下水库就有冰封的可能。这时，虽然抽水蓄能电站水库里有足够多的水，但是由于不能和大气连通，水体无法流动，强制运行会给水工建筑物和机组设备设施带来安全风险。目前，抽水蓄能电站水库和闸门井防冰破冰的措施主要有三种：人工破冰法、高压气体充气法、水泵冲水破冰法。

2.2降水

抽水蓄能电站运行可能造成不利影响的主要是暴雨和连阴雨等降水现象。抽水蓄能电站的安全稳定运行，必须要有可靠的水源，以保证初期充水以及补充运行期水量的蒸发和渗漏的损失。抽水蓄能电站循环损失水量较少，对水源量的要求相对较少。但在水资源相对缺乏的地区，在电站的规划设计中，水源问题是相对比较突出的。为满足上、下水库充水要求，保证电站运行中损失水量的及时补充，对于水源紧张的电站，补水措施及可行的补水工程方案是不可缺少的。自然降雨是抽水蓄能电站上、下水库库容补充的来源之一。适度的降水可增加水库的蓄水量，提供更多的储能能力。但当暴雨或连阴雨强降水天气过程出现时，极易引发水库水量增加、水位上涨，甚至超过水库的警戒水位或保证水位，从而可能引发决堤等灾害性事件的发生。

因此准确地预报预测区间面平均降雨量及径流入库时间，对及时掌握抽水蓄能电站上、下水库区暴雨的时空分布及致洪特点，对提高电站调峰作用，正确控制下泄流量，不单对电站调节用水有重大作用，对防御下游洪涝发生也有积极意义。研究表明，暴雨时空分布越集中，越有利于区间洪峰的形成。若气象预报比较准确，就可以增发季节电能，减少无益弃水，抬高水库蓄水位，减少单位耗水率。遵循自然降水规律，电站调度人员可以利用上、下水库运行调度控制水库电站运行，制定合理调度计划。

2.3高温

全球气候变暖是无庸置疑的事实，已有观测结果证实，全球平均气温和海温升高、大范围冰雪消融以及全球平均海平面上升，且热昼、热夜和热浪更为频繁。平均的气候变化不会给抽水蓄能电站的运行带来严重影响，但是日渐频发的高温的事件会对抽水蓄能电站的发电、输送以及分配等过程造成不利影响。气温的上升会使水库中的水体蒸发速度会增加，导致水位下降和储能水量的减少，这不仅会减少抽水蓄能电站的可利用储能能力，影响其发电效率，同时高温环境会对抽水蓄能电站中的设备和机械构件产生影响，例如水轮机、泵等设备可能出现过热等问题，从而影响其性能，导致电站不能正常运行。

2.4风

良好的风资源可以带来更高的风能发电效率。对于与风能发电相结合的抽水蓄能电站，良好的风能资源能够提供更多的可再生能源，进而增强抽水蓄能电站的发电能力。但当风速不稳定时，对于与风能发电相结合的抽水蓄能电站，会影响风能发电效率，导致发电能力的波动。

2.5日照

对于与太阳能发电相结合的抽水蓄能电站，充足的日照可以提供更多的太阳能发电资源，增加发电能力。在阳光充足的地区，抽水蓄能电站可以更有效地利用太阳能资源，提高整体发电效率。同时，日照不足会影响太阳能发电效率，进而影响与之相关电站的发电效率。

3抽水蓄能电站应对气象风险的措施和建议

（1）通过建立完善的气象监测系统，包括气象站、雷达、卫星遥感等设施，实时监测降水量、气温、风力等气象要素，并及时获取气象预警信息，以便做出相应的调整和准备。

（2）加强对水库、河流水位变化的监测，根据气象预报和实时降水情况，合理调整水库蓄水量和泄洪策略，以减轻可能的洪涝风险。

（3）制定水电站气象风险的应急预案，明确各岗位责任，定期组织演练，以提高应对突发气象事件的能力。

（4）在规划新的水电项目时，充分考虑气候变化和极端天气事件对水资源的影响，进行全面的环境影响评估，采取相应的防护措施。

（5）利用先进的水文气象模型和预测技术，对降雨、融雪等水文过程进行精细化预测，提高水电站调度的准确性和灵活性。

（6）考虑到气候变化可能带来的不确定性，水电企业可以逐步推进能源结构的多元化，减少对水文气象条件的过度依赖。

参考文献[1]彭煜民,刘德旭,王雪林,等.计及水库运行约束的极端气象场景下抽蓄电站优化调度研究[J].水利学报,2023,54(11):1298-1308.

[2]倪晋兵,张云飞.抽水蓄能在新型电力系统中发展的思考[J].水电与抽水蓄能,2022,8(06):5-7.

[3]孟鹏,王渊博,刘阳.新型电力系统背景下抽水蓄能发展态势[J].能源,2024,(09):37-43.

[4]肖玲娟,李俊彪,段敬东,等.抽水蓄能在新型电力系统中的功能定位和发展建议[J].中国电力企业管理,2024,(04):39-41.

[5]周业荣,毛玉鑫,胡杨,等.2022年夏季极端天气对四川电力影响与启示[J].水力发电学报,2023,42(06):23-29.

[6]王涛,张剑,吴婧,等.迎峰度夏、迎峰度冬电力供需形势影响因素分析[J].电力勘测设计,2024,(08):16-20.

[7]周达,许红梅,艾婉秀,等.2022年夏季川渝高温干旱事件对电力供需影响分析[J].气象研究与应用,2024,45(01):6-11.

[8]岳昊.构建新型电力系统需更加重视气候变化“新常态”[J].中国电力企业管理,2022,(22):59-61.

[9]李锐.水电站水库调度优化策略探讨[J].水上安全,2024,(12):13-15.

[10]彭煜民,刘德旭,王雪林,等.计及水库运行约束的极端气象场景下抽蓄电站优化调度研究[J].水利学报,2023,54(11):1298-1308.

[11]卢兆辉,张盛勇,张正平.联合运行式抽水蓄能电站的建设运行现状及发展思考[J].水电与抽水蓄能,2022,8(06):8-14.