張云峰 上海源晗能源技術(shù)有限公司

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國家建設和人民生活水平不斷提升，對電力需求越來越大，而在這種發(fā)展背景下，傳統(tǒng)的火力發(fā)電已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求，因此開發(fā)新的能源發(fā)電勢在必行。水電作為一種清潔可再生資源，有著供應穩(wěn)定、發(fā)電量大的優(yōu)點，對其進行深入的開發(fā)利用對我國社會發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。從整體上看，我國幅員遼闊水能資源十分豐富，無論是水資源蘊含量還是水資源開發(fā)量均位居世界首位，但從對水電的開發(fā)利用來看，整體開發(fā)程度不高。2022 年，我國水電發(fā)電裝機容量41350 萬kW，較年同期增加2258 萬kW，占總裝機容量的16%，由此可以看出，我國水電開發(fā)利用的上升空間較大。

1 新能源發(fā)電技術(shù)概述

新能源技術(shù)又被稱之為分布式能源技術(shù)，通常指的是以新能源和可再生能源為基礎的設備，旨在為用戶提供高質(zhì)量的能源服務，主要包含水能、風能、太陽能、生物質(zhì)能以及地熱能等。水利發(fā)電作為一種新興的可再生能源技術(shù)，指的是將水能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，是一種通過利用一系列的工程措施，集中水流出力，使水能通過水輪機轉(zhuǎn)換為機械能，再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。

水力發(fā)電的一次能源是可再生的，水流的能量被用來發(fā)電后，在自然界的循環(huán)中還會產(chǎn)生新的水能，而水能又產(chǎn)生自太陽能，在太陽能的驅(qū)動下，海洋中的水會以水蒸氣的形式，通過大氣環(huán)流輸送到陸地，再以降水的形式回歸為液態(tài)，然后液態(tài)降水以及冰雪融水通過河流返回大海的過程中，便形成了水能，因此只要太陽不滅，江河水流便會年年不斷，水力發(fā)電也能年年不息。

水力發(fā)電的過程不涉及水的化學變化，不消耗水量，不排放有毒有害物質(zhì)，不產(chǎn)生二氧化碳。水力發(fā)電運行成本較低，僅為火電、核電成本的1/4 ～1/3。但水力發(fā)電技術(shù)也有著自身特有的缺點，如水力發(fā)電的出力受水文條件制約、水電輸送距離較遠以及水電建設投資規(guī)模較大等。

2 新能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新能源技術(shù)模式

新能源開采技術(shù)的基礎是分布式，其關(guān)鍵在于新能源的分配和使用。通常新能源發(fā)電都有著距離用戶較遠的缺點，且發(fā)電量較小，而在所有新能源技術(shù)模式之中，除了傳統(tǒng)能源之外，其他都是清潔、友好的可再生能源。

2.2 新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由小型的新能源裝置組成，包含風能、水能、太陽能以及其他新能源。為了確保在將新能源發(fā)電進行并線使電網(wǎng)能夠安全運行，還需要對這些新能源裝置安裝逆變器，再將其連接至電網(wǎng)系統(tǒng)之中。由此可見，新電網(wǎng)的關(guān)鍵部件就是雙向逆變器和靜態(tài)開關(guān)。首先，雙向逆變器主要用于微小型的器件，除了采用傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)運行之外，還具備相應的控制功能，滿足系統(tǒng)的運行，因此逆變器運營控制技術(shù)就成為微芯片領域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)。其次，靜態(tài)開關(guān)主要用于微網(wǎng)絡和主網(wǎng)絡的公共訪問，一旦主網(wǎng)絡在運行過程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)主開關(guān)就會自動將微網(wǎng)絡切換至孤島運行，而在主網(wǎng)絡運行故障消除之后，微網(wǎng)絡和主網(wǎng)絡之間的通信將會自行恢復。此外，在新能源結(jié)構(gòu)之中，除了雙向逆變器和靜態(tài)開關(guān)之外，電能質(zhì)量控制裝置也是一個十分關(guān)鍵的設備，可開展全面質(zhì)量控制以及確保微網(wǎng)絡安全運行。

2.3 新電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 微芯片操作

微網(wǎng)絡系統(tǒng)是由多個微網(wǎng)絡構(gòu)成的，這些能源的特征和成本是不同的，因此，如何能夠在微芯片運行過程中保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，盡量降低微芯片對于電網(wǎng)系統(tǒng)的影響就成為了需要進一步研究和討論的問題。由于微芯片本身抗干擾能力較弱，且微芯片操作多是以微探針的形式存在，其主要作用于多個微網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)控制。此外，微芯片操作還體現(xiàn)在網(wǎng)絡和獨立工作流的切換過程，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，首先會切斷分布式電源，這種情況下微網(wǎng)絡不僅要連接到大型電力網(wǎng)絡系統(tǒng)之中，還應做到和大型網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的相互獨立。因此，應對微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行不斷的優(yōu)化，并同時更新控制策略，以便盡可能的消除對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的影響。

2.3.2 能源管理和優(yōu)化運行

微芯片最為重要的組成部分之一就是先進的能量管理系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)還能夠提供交錯服務，在有需求時，其能夠利用對需求響應的延遲來確保電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵負載得以交付。

3 基于新能源發(fā)電的水利發(fā)電技術(shù)

3.1 變速恒頻水力發(fā)電技術(shù)

變速恒頻水力發(fā)電技術(shù)主要用于解決小微型水電機組變速運行，在低水頭、低流量時發(fā)電困難時，可實現(xiàn)全季節(jié)、全天候發(fā)電，提升電能并網(wǎng)質(zhì)量；同時，改變傳統(tǒng)小水電運行方式，變“蓄水發(fā)電”為“有水發(fā)電”，實現(xiàn)生態(tài)流量釋放和發(fā)電兩不誤。當前，國內(nèi)研究開發(fā)的變速發(fā)電系統(tǒng)類型主要有交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)以及全功率變流器發(fā)電系統(tǒng)，其中最為常用的為交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1 可以看出，在交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)之中，電網(wǎng)通過變頻器和發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連，并給轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供交流勵磁電壓，在系統(tǒng)調(diào)速運行過程中，電網(wǎng)頻率、轉(zhuǎn)子勵磁頻率和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系見式（1）

式中fs—電網(wǎng)頻率；fr—轉(zhuǎn)子勵磁頻率；—電機轉(zhuǎn)速。

在電網(wǎng)頻率恒定，轉(zhuǎn)子勵磁頻率為正時，電機處于一種亞同步工作狀態(tài)下，此時的發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速要低于額定電網(wǎng)頻率下的轉(zhuǎn)速，如果在電機轉(zhuǎn)子勵磁頻率為負的情況下，電子實際轉(zhuǎn)速會高于額定電網(wǎng)頻率下的轉(zhuǎn)速，此時電機處于一種超同步工作狀態(tài)。因此，利用對勵磁頻率的調(diào)節(jié)就可實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對電機輸出功率的調(diào)節(jié)，有助于機組的穩(wěn)定運行。

3.2 蜂窩式水力發(fā)電技術(shù)

蜂窩式水利發(fā)電技術(shù)是一種分布式水力發(fā)電技術(shù)，也是一種新型的水力發(fā)電技術(shù)，其具有靈活、可靠和分布式的特征，蜂巢式水輪發(fā)電機呈蜂窩狀，因此該技術(shù)也被稱之為蜂巢式水力發(fā)電技術(shù)。每組蜂窩發(fā)生器由多個蜂窩發(fā)生器單元所組成，在每個蜂窩發(fā)生器單元內(nèi)部安裝有對應的水輪機葉片，分布均勻的水輪機葉片承擔著從水流中獲得能量的任務。而蜂窩發(fā)電機內(nèi)的葉輪利用葉輪支腿固定在蜂窩發(fā)電機組機座之內(nèi)，構(gòu)建起了一種穩(wěn)定、靈活的結(jié)構(gòu)。另外，為了能夠拓寬蜂窩式水輪發(fā)電機組的適用范圍，在實際應用過程中一般會采用多個機組組合的形式來提升水能的獲取效率，并最終作用至發(fā)電機上產(chǎn)生電能。蜂窩式水力發(fā)電技術(shù)具有較高的能量利用率，通常其水能利用率可高達75%～90%。

4 基于新能源發(fā)電的水力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)水利發(fā)電技術(shù)設計的關(guān)鍵在于科學合理地確定水電站的建設規(guī)模和具體運行方式，而對于水利發(fā)電工程進行規(guī)劃則通常是在水資源綜合利用最優(yōu)目標前提下開展的，需要綜合考慮防洪、灌溉以及供水等多方面的需求，并橫向比對經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等因素選擇最佳綜合效益。

在當今科學技術(shù)日新月異的社會下，發(fā)展現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)就更需要充分利用水電的優(yōu)勢，并充分發(fā)揮出水電站所具有的調(diào)峰、調(diào)頻以及調(diào)相等功能。但要想實現(xiàn)水電站的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相功能，首先需要優(yōu)化創(chuàng)新水電的發(fā)展模式，以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的運營需求。隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的提出，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化決定了電力系統(tǒng)運行對調(diào)峰有著巨大的要求，且只有依靠技術(shù)創(chuàng)新才能夠滿足水利電站的調(diào)峰需求。因此，對于傳統(tǒng)水利發(fā)電系統(tǒng)而言，當務之急就是對現(xiàn)有的設備設施進行優(yōu)化改造，并積極引進先進的現(xiàn)代化設備和技術(shù)以提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。此外，對于已經(jīng)規(guī)劃建設的水利發(fā)電項目，應重新考慮新型電力系統(tǒng)所帶來的邊界問題，可科學合理地利用長短時間尺度對水電站進行靈活調(diào)節(jié)，并制定出完善的電力發(fā)展規(guī)劃，以滿足水電調(diào)峰的需求。

5 結(jié)語

在新時代背景下，隨著人們對于新能源發(fā)電的研究不斷深入，水力發(fā)電技術(shù)得益于其所擁有的生態(tài)環(huán)保、效率高、穩(wěn)定性強等諸多優(yōu)點，也必將獲得更加廣泛的應用。因此，需加大對于水力發(fā)電技術(shù)的投入和政策支持，以不斷推動水力發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升水力發(fā)電的整體效益，進而推動我國電力事業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。