全球变暖对人类社会构成了重大挑战，减少对化石燃料的依赖并降低碳排放对于应对气候变化和实现气候目标至关重要[1]、[2]、[3]。作为世界上最大的碳排放国，中国面临着加速电力部门脱碳的巨大压力[4]。为此，中国承诺在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[5]、[6]。这些承诺推动了风能和光伏（PV）容量的空前扩张，到2024年底已超过1400吉瓦，并预计到2060年将达到5500-7600吉瓦[7]。然而，风能和光伏的间歇性和可变性显著改变了净负荷曲线，加剧了削峰压力，从而挑战了电力系统的安全稳定运行[8]、[9]、[10]。
水力发电凭借其快速启动能力、宽调节范围和技术成熟度，成为在多个时间尺度上适应高比例可变可再生能源（VRE）的关键灵活性资源[11]、[12]。中国在水电开发方面取得了显著进展：其装机容量超过420吉瓦[13]、[14]、[15]，位居全球首位，占全球水电总容量的三分之一以上。水电不仅提供可靠的清洁能源，还在防洪、供水和生态保护等方面发挥着不可替代的作用。相应地，水电调度研究已从单库运行发展到级联系统和大规模区域网络，越来越重视利用水电的灵活性来实现削峰、频率支持和可再生能源（RE）整合[16]、[17]、[18]。然而，随着VRE渗透率的上升——尤其是光伏发电导致中午净负荷谷值加深的趋势——仅依赖传统水力调节已不足以满足现代电力系统的调度需求[19]、[20]、[21]。
除了水电之外，现代电力系统中还部署了其他灵活性资源。电化学储能是短期调节的重要资源[22]、[23]、[24]，而压缩空气储能[25]、氢储能[26]以及需求侧管理（如协调电动汽车充电[27]也为电力系统运行提供了补充灵活性。在大型灵活性资源中，抽水蓄能水电站（PSH）仍然是最成熟和可部署的选择之一，越来越多地被认可为通过多种电网服务和跨行业协同作用支持清洁能源系统的系统级灵活性枢纽。在深度脱碳的电力系统背景下，这一作用已超越了传统的削峰和填谷功能。正如最新进展所强调的，现代PSH能够提供先进的电网稳定性服务——包括频率调节、电压支持、惯性响应和黑启动——这对于在高VRE渗透率下维持安全运行至关重要[28]。此外，新兴的跨行业协同作用（如PSH与数据中心和海水淡化之间的协调调度）进一步扩展了其运行范围，并带来了新的协调挑战[29]。
然而，传统PSH的大规模扩展往往受到选址要求、资本成本和环境影响的限制。这些限制使得人们越来越关注混合式抽水蓄能水电站（HPSH），即通过将现有传统水电站（CHP）改造为配备泵站的形式。通过利用现有的级联基础设施，HPSH可以增强双向调节能力，同时避免一些新建PSH项目的选址和开发限制[30]、[31]。
关于HPSH运行潜力的研究已在多个时间尺度上进行。在长期层面，先前的工作证明了季节性储能的显著价值。Ak等人[32]在随机流量和时变电价下优化了年度系统效益，从而验证了将泵站改造到级联水电站系统的经济可行性。Li等人[33]量化了季节性抽水蓄能对电力系统灵活性的贡献，后续研究进一步揭示了其在改善可再生能源接纳和削峰性能方面的作用[34]、[35]。在运行层面，研究主要集中在短期协调调度上。Tan等人[36]提出了HPSH-PV系统的互补调度规则；Tang等人[37]建立了整合HPSH、PV、风能和电池储能的多目标优化框架；Jing等人[38]使用多情景随机方法分析了不同风能-太阳能条件下的运行特性。同时，方法论的进步不断丰富了短期调度工具箱，包括混合整数线性规划[39]、分布式鲁棒优化[40]以及结合动态安全约束和灵活负荷响应的调度方法[41]。在多时间尺度层面，研究人员开始探讨战略规划与运行执行之间的内在耦合。Xie等人[42]提出了涉及多个利益相关者的HPSH削峰策略和利益分配机制；Wang等人[43]研究了在吴江河流域的级联水电站之间增加泵站的情况，并评估了经济效益和能源利用效率。除了基于案例的评估外，最近的研究开始从系统角度探讨改造配置和容量规划，包括确定区域混合能源系统中水电站改造储能设施的必要性、类型和容量的框架[44]，以及为改造级联水电站以促进可再生能源整合的容量优化[45]。
总体而言，这些研究大大推进了对HPSH长期价值、短期调度和规划问题的理解。尽管取得了这些进展，但随着HPSH系统从单站改造案例发展到多站级联改造配置（多个泵站集成在级联水库中），仍存在几个重要限制。首先，当多个改造后的泵站部署在级联系统中时，水力相互作用和功率耦合关系变得更为强烈和复杂。特别是，中间水库可能会同时受到上游和下游泵送-发电相互作用的影响，使得系统动态高度依赖且难以用传统调度模型表示。其次，大多数现有研究中仍将季节性调节和日前削峰调度视为松散关联的任务，缺乏季节性水库调节与可执行短期调度之间的明确反馈机制。第三，尽管泵站容量配置直接影响灵活性性能和水库运行风险，但现有研究对安装容量如何影响水位稳定性以及这些水力风险如何通过异质级联水库传播的关注有限。
为了解决这些不足，本研究提出了一个多时间尺度的嵌套调度框架，用于级联HPSH系统。主要贡献有三个方面：（1）开发了一个调度模型，明确表征了多站泵送协调引起的强化水力相互作用，并利用具有强调节能力的水库的季节性储能潜力；（2）建立了一个嵌套的长期和短期协调框架及相应的解决算法，通过储能反馈将季节性水库调节与日前削峰调度联系起来，从而提高在强水力-运行耦合下的多时间尺度运行的可行性；（3）引入了一个系统的风险分析框架，揭示了泵站容量配置与水库水位稳定性之间的关系，明确了相关的水力风险传播机制，并为跨级联水库的协调泵站容量分配提供了实际指导。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了所提出的方法论。第3节报告了中国青海省的案例研究。第4节总结了本文。
