中國儲能網(wǎng)訊：水力發(fā)電是最成熟的發(fā)電方式之一，并在電力系統(tǒng)發(fā)展過程中不斷創(chuàng)新發(fā)展，在單機(jī)規(guī)模、技術(shù)裝備水平和控制技術(shù)等方面取得了長足進(jìn)步。水力發(fā)電作為穩(wěn)定可靠的優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)電源，通常包括常規(guī)水電站和抽水蓄能電站，它們在整個電力系統(tǒng)運行過程中，除了作為重要的電力電量供應(yīng)者之外，還一直扮演著調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動和事故備用等重要角色。隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)峰谷差的變大和電力電子設(shè)備裝備增加帶來的轉(zhuǎn)動慣量降低，電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、安全運行和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等基本問題都面臨巨大挑戰(zhàn)，也是未來構(gòu)建新型電力系統(tǒng)必須解決的重大問題。在我國的資源秉賦格局下，水力發(fā)電在新型電力系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用，面臨重大創(chuàng)新發(fā)展需求和機(jī)遇，對經(jīng)濟(jì)安全構(gòu)建新型電力系統(tǒng)十分重要。
水力發(fā)電現(xiàn)狀
及創(chuàng)新發(fā)展形勢需求分析
創(chuàng)新發(fā)展形勢
全球能源清潔轉(zhuǎn)型加快，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源比例快速提升，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、安全運行和經(jīng)濟(jì)調(diào)度面臨新挑戰(zhàn)新問題。2010~2021年，全球風(fēng)電裝機(jī)保持高速增長，平均增長率達(dá)到15%；其中中國每年平均增速更是達(dá)到25%；全球光伏發(fā)電裝機(jī)近10年的增速達(dá)到31%。高比例新能源的電力系統(tǒng)面臨供需平衡困難、轉(zhuǎn)動慣量降低帶來的系統(tǒng)運行控制難度增加和穩(wěn)定風(fēng)險增加、調(diào)峰容量需求大幅增加并帶來系統(tǒng)運行成本上升等重大問題，亟需從電源、電網(wǎng)和負(fù)荷側(cè)共同發(fā)力推動這些問題的解決。水力發(fā)電是重要的調(diào)節(jié)電源，具有轉(zhuǎn)動慣量大、響應(yīng)速度快、運行方式靈活等特點，在破解這些新挑戰(zhàn)新問題方面具有天然優(yōu)勢。
電氣化水平持續(xù)提升，經(jīng)濟(jì)社會運轉(zhuǎn)對電力安全可靠供應(yīng)要求持續(xù)提高。過去50年來，全球電氣化水平持續(xù)提升，電力在終端用能的比例逐步提高，以電動汽車為代表的終端電能替代加快推進(jìn)?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會對電力的依賴程度日益加深，電力成為經(jīng)濟(jì)社會運行的基礎(chǔ)生產(chǎn)資料。安全可靠的電力供應(yīng)是現(xiàn)代人們生產(chǎn)生活的重要保障。大面積停電不僅帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，還可能帶來嚴(yán)重的社會混亂，電力安全成為能源安全、甚至國家安全的核心內(nèi)容。新型電力系統(tǒng)對外服務(wù)要求持續(xù)提升安全供電的可靠性，而內(nèi)部發(fā)展卻面臨嚴(yán)重威脅電力安全的風(fēng)險要素持續(xù)增多。
新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并在電力系統(tǒng)應(yīng)用，電力系統(tǒng)智能化程度和復(fù)雜性顯著提升。電力電子器件在發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致電力系統(tǒng)負(fù)荷特征和系統(tǒng)特性都發(fā)生顯著變化，引發(fā)電力系統(tǒng)運行機(jī)理層面的深刻變化。信息通信、控制和智能化技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)生產(chǎn)和管理各個環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)智能化程度顯著提升，能夠適應(yīng)大規(guī)模在線分析和決策支持分析。分布式發(fā)電大規(guī)模接入配網(wǎng)用戶側(cè)，電網(wǎng)潮流流向由單向變?yōu)殡p向甚至多向。各類智能用電設(shè)備層出不窮，智能電表廣泛使用，電力系統(tǒng)接入終端數(shù)量呈幾何級數(shù)增長，信息安全成為電力系統(tǒng)重要風(fēng)險來源。
電力改革發(fā)展?jié)u入佳境，電價等政策環(huán)境逐步完善。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，電力行業(yè)經(jīng)歷了從小到大、從弱到強(qiáng)、從跟隨到引領(lǐng)的巨大飛躍。體制上從政府辦電到企業(yè)辦電，從廠網(wǎng)一家到廠網(wǎng)分開、適度競爭，從計劃逐漸走向市場，走出了一條適合我國國情的電力發(fā)展之路。中國電力技術(shù)裝備制造和建設(shè)施工能力和水平均居世界一流陣列，電力普遍服務(wù)和電力營商環(huán)境指標(biāo)逐漸向好，建成并運行著世界規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的電力系統(tǒng)。中國電力市場穩(wěn)步推進(jìn)，從局部到區(qū)域再到全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)路徑清晰，堅持了實事求是的中國路線。電價等政策機(jī)制逐漸理順，適宜抽水蓄能發(fā)展的電價機(jī)制初步建立，為水電創(chuàng)新發(fā)展的經(jīng)濟(jì)價值變現(xiàn)提供了政策環(huán)境。
水力發(fā)電規(guī)劃設(shè)計及運行的邊界條件發(fā)生重大改變。傳統(tǒng)水電站規(guī)劃設(shè)計核心任務(wù)是選擇技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的電站規(guī)模和運行方式，通常是在水資源綜合利用最優(yōu)目標(biāo)前提下考慮水力發(fā)電工程規(guī)劃問題，需要綜合考慮防洪、灌溉、航運、供水等要求，開展經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等綜合效益比選。在技術(shù)不斷突破和風(fēng)電、光伏等比重持續(xù)提高的背景下，電力系統(tǒng)客觀需要更加充分利用水力資源，豐富水電站的運行方式，發(fā)揮更大的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)節(jié)功能，很多過去技術(shù)、裝備及建設(shè)施工上不可行的目標(biāo)變得經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行。原有的水電站蓄水—放水發(fā)電單向模式已經(jīng)不能滿足新型電力系統(tǒng)要求，需要結(jié)合抽水蓄能電站的模式，大幅提升水電站的調(diào)節(jié)能力；同時鑒于抽水蓄能電站等短時間尺度調(diào)節(jié)電源在促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源消納方面的局限性并難以承擔(dān)安全兜底供電的重任，客觀需要增加水庫的庫容以提升常規(guī)水電的調(diào)節(jié)時間周期，以彌補(bǔ)煤電退出出現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量缺口。
創(chuàng)新發(fā)展需求
亟需加快水力發(fā)電資源開發(fā)，提升水電在新型電力系統(tǒng)中的比重，發(fā)揮更大作用。在“雙碳”目標(biāo)背景下，風(fēng)電、光伏發(fā)電等總裝機(jī)容量2030年將達(dá)到12億千瓦以上；2060年預(yù)計將達(dá)到50億~60億千瓦。未來新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源需求巨大，水力發(fā)電是最優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)電源。我國水電技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量6.87億千瓦，截至2021年底，已開發(fā)3.91億千瓦，開發(fā)率約57%，遠(yuǎn)低于歐美部分發(fā)達(dá)國家90%的開發(fā)率?？紤]水電項目開發(fā)周期長（通常5~10年），而風(fēng)電、光伏發(fā)電項目開發(fā)周期相對較短（通常0.5~1年，甚至更短）且發(fā)展迅速，急需加快水力發(fā)電項目開發(fā)進(jìn)度，盡早建成并盡早發(fā)揮作用。
亟需轉(zhuǎn)變水力發(fā)電發(fā)展方式，以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)調(diào)峰新要求。“雙碳”目標(biāo)約束下，未來電源結(jié)構(gòu)決定了電力系統(tǒng)運行對調(diào)峰帶來的巨大要求，而且這不是調(diào)度組合和市場力量能解決的問題，而是基本技術(shù)可行性問題。只有在技術(shù)可行的前提下，通過市場引導(dǎo)、調(diào)度安排和運行控制來實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定運行。對在運傳統(tǒng)水電站來說，亟需系統(tǒng)優(yōu)化利用已有庫容和設(shè)施，必要時適當(dāng)增加改造投入，千方百計提升調(diào)節(jié)能力；對新規(guī)劃建設(shè)的常規(guī)水電站，亟需考慮新型電力系統(tǒng)帶來的重大邊界條件變化，因地制宜規(guī)劃建設(shè)具有長短時間尺度相結(jié)合的靈活調(diào)節(jié)型水電站。對于抽水蓄能，在當(dāng)前短時間尺度調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足的情況下，應(yīng)該加快建設(shè)；從長遠(yuǎn)來看，應(yīng)考慮系統(tǒng)對于短時間尺度調(diào)峰能力的需求，科學(xué)制定其發(fā)展規(guī)劃。對于調(diào)水型抽水蓄能電站，應(yīng)結(jié)合國家水資源跨區(qū)域調(diào)水等需要，既作為跨流域調(diào)水工程，亦作為電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源進(jìn)行綜合利用，必要時還可結(jié)合海水淡化工程統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計。
亟需促使水力發(fā)電在保障新型電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全運行的同時創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)社會價值?；陔娏ο到y(tǒng)碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展目標(biāo)約束，未來電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)中新能源將逐漸成為主力，煤電等高碳電源將逐漸降低比例。多家研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，在煤電大規(guī)模退出情景下，到2060年，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)占比約70%；考慮抽水蓄能的水電裝機(jī)共計約8億千瓦，占比約10%。未來電源結(jié)構(gòu)中，水電是相對可靠且靈活可調(diào)的電源，是保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行的基石電源，亟需從目前的“發(fā)電為主、調(diào)節(jié)為輔”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢{(diào)節(jié)為主、發(fā)電為輔”的發(fā)展、運行模式。相應(yīng)地，水電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)在其發(fā)揮更大價值的背景下，得到應(yīng)有收益，水電企業(yè)的收益也應(yīng)該在原有發(fā)電收益基礎(chǔ)上大幅增加為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)服務(wù)的收入。
亟需開展水力發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新和政策制度創(chuàng)新，保障水力發(fā)電高效可持續(xù)發(fā)展。未來新型電力系統(tǒng)客觀要求水力發(fā)電必須加快創(chuàng)新發(fā)展，現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策制度也亟需對應(yīng)創(chuàng)新發(fā)展，以促進(jìn)水力發(fā)電高效發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，亟需根據(jù)新型電力系統(tǒng)對常規(guī)水電站、抽水蓄能電站、混合式電站、調(diào)水式抽水蓄能電站（含泵站）等的技術(shù)要求，在試點示范驗證的基礎(chǔ)上，優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計及運行維護(hù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以保障水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展有序、高效；政策制度方面，亟需研究制定引導(dǎo)支持和鼓勵水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展的激勵政策，同時也亟需為水力發(fā)電的新價值轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)效益做出市場、電價等制度設(shè)計，鼓勵企業(yè)主體積極開展創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)投入、試點示范和規(guī)?；l(fā)展。
水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展路徑與展望
水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切需要，需要堅持因地制宜、綜合施策的原則，針對已建和規(guī)劃的不同類型水電工程采用不同的技術(shù)方案，既要考慮發(fā)電和調(diào)峰調(diào)頻調(diào)相等功能需要，還可與水資源綜合利用、可調(diào)節(jié)電力負(fù)荷建設(shè)等統(tǒng)籌考慮，最后通過綜合效益評價確定最優(yōu)方案。通過提升常規(guī)水電的調(diào)節(jié)能力以及建設(shè)綜合性跨流域調(diào)水抽水蓄能電站（泵站）群，相對新建抽水蓄能電站具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益?？偟脕砜?，水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展不存在不可逾越的技術(shù)障礙，發(fā)展空間巨大、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益突出，值得高度重視并在試點實踐的基礎(chǔ)上加快規(guī)?；l(fā)展。
“發(fā)電+抽水”
“發(fā)電+抽水”模式是指利用已有水電站大壩等水工建筑物和輸變電設(shè)施，在水電站出水口下游選擇合適地方建設(shè)滾水壩形成下庫，增加抽水泵、管道等設(shè)備設(shè)施，將原有水庫作為上庫，在原有水電站發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，增加電力系統(tǒng)低谷負(fù)荷時抽水功能，發(fā)電仍然沿用原有水輪發(fā)電機(jī)組，以實現(xiàn)原有水電站增加抽水蓄能能力，從而提升水電站的調(diào)節(jié)能力（見圖1）。下庫亦可在水電站下游合適位置單獨建設(shè)。在水電站出水口下游建設(shè)下庫時，水位控制以不影響原有水電站發(fā)電效率為宜?？紤]運行方式優(yōu)化和參與調(diào)相等功能需求，抽水泵應(yīng)配套同步電動機(jī)為宜。此種模式通常適用于在運水電站的功能改造，設(shè)備設(shè)施靈活簡便，具有投資少、工期短、見效快的特點。
“發(fā)電+抽水發(fā)電”
“發(fā)電+抽水發(fā)電”模式相對于“發(fā)電+抽水”模式，主要區(qū)別在于將抽水泵改成抽水蓄能機(jī)組，直接增加原有常規(guī)水電站抽水蓄能的功能，從而提升水電站的調(diào)節(jié)能力。下庫設(shè)置原則與“發(fā)電+抽水”模式一致。此種模式亦可以將原有水庫作為下庫，在合適的地方建設(shè)上庫。對新建水電站，除安裝一定的常規(guī)發(fā)電機(jī)組外，可以設(shè)置一定容量的抽水蓄能機(jī)組。對單一水電站假設(shè)最大出力為P1，增加抽水蓄能功率為P2，那么該電站相對電力系統(tǒng)的功率運行區(qū)間就從（0,P1）擴(kuò)大為（-P2,P1+P2）。
梯級水電站循環(huán)利用
我國多條河流開發(fā)均采用梯級開發(fā)模式，建設(shè)系列水電站群，如金沙江、大渡河等。對于新建或者已建梯級水電站群，在相鄰的兩級水電站，以上一級水電站水庫作為上庫，下一級作為下庫，根據(jù)地形實際選擇合適取水口，可以綜合“發(fā)電+抽水”“發(fā)電+抽水發(fā)電”兩種模式進(jìn)行開發(fā)。此種模式適用于梯級水電站改造的情形，可大幅提升梯級水電站群的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)時間周期，效益顯著。圖2是我國某河流梯級開發(fā)的水電站布置圖，上一級水電站壩址到下一級取水口基本小于50千米。
就地平衡
“就地平衡”模式是指在水電站附近建設(shè)風(fēng)電、光伏發(fā)電項目，結(jié)合水電站的運行進(jìn)行自我調(diào)節(jié)平衡，實現(xiàn)按照調(diào)度要求的穩(wěn)定功率輸出。考慮主要的水電機(jī)組均按照電力系統(tǒng)調(diào)度運行，此種模式可適用于不適宜大規(guī)模改造且通常不作為常規(guī)調(diào)峰調(diào)頻功能調(diào)度的徑流式電站及一些小水電，靈活控制水電機(jī)組運行出力，挖掘其短時調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)局部平衡和穩(wěn)定的功率輸出，同時提升已有的輸電線路資產(chǎn)利用率。
調(diào)水與電力調(diào)峰綜合體
“調(diào)水與電力調(diào)峰綜合體”模式是在調(diào)水式抽水蓄能電站建設(shè)理念基礎(chǔ)上，結(jié)合大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水等重大水利工程，建設(shè)一批水庫和引水設(shè)施，利用水庫之間的水頭落差建設(shè)一批抽水泵站、常規(guī)水電及抽水蓄能電站組成發(fā)電蓄能綜合體?！罢{(diào)水與電力調(diào)峰綜合體”在從高海拔水源地向低海拔地區(qū)調(diào)水過程中，可以充分利用水頭落差獲得發(fā)電收益的同時實現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)水，降低調(diào)水成本。同時，“調(diào)水與電力調(diào)峰綜合體”可作為電力系統(tǒng)的大規(guī)模可調(diào)度負(fù)荷和電源，為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)服務(wù)。此外，綜合體還可以與海水淡化工程等相結(jié)合，實現(xiàn)水資源開發(fā)和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)綜合應(yīng)用。
海水抽水蓄能
海水抽水蓄能電站可在海邊選擇合適位置建設(shè)上庫，將大海作為下庫。在常規(guī)抽水蓄能電站選址日益困難的情況下，海水抽水蓄能電站已經(jīng)受到了國家有關(guān)部門的重視并開展了資源調(diào)查和前瞻性技術(shù)研究試驗。海水抽水蓄能還可結(jié)合潮汐能、波浪能、近海風(fēng)電等綜合開發(fā)，建設(shè)大庫容長調(diào)節(jié)周期的抽水蓄能電站。
除徑流式水電站和部分基本無庫容的小水電外，大部分具有一定水庫庫容的水電站均可研究開展抽水蓄能功能改造。在新建水電站可以統(tǒng)籌設(shè)計安排一定容量的抽水蓄能機(jī)組。初步估計，應(yīng)用新發(fā)展方式，可以較快新增優(yōu)質(zhì)調(diào)峰容量規(guī)模至少上億千瓦；采用“調(diào)水與電力調(diào)峰綜合體”和海水抽水蓄能發(fā)電還可帶來極其可觀的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰容量，對于新型電力系統(tǒng)建設(shè)和安全穩(wěn)定運行意義十分重大，經(jīng)濟(jì)社會效益巨大。
水電創(chuàng)新發(fā)展建議
一是盡快組織開展水電創(chuàng)新發(fā)展頂層設(shè)計，并在此工作基礎(chǔ)上出臺支持開展水電創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見。圍繞水電創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)思想、發(fā)展定位、基本原則和規(guī)劃重點及布局等重大問題開展研究，并在此基礎(chǔ)上編制發(fā)展規(guī)劃，明確發(fā)展階段和預(yù)期，引導(dǎo)市場主體有序開展項目開發(fā)。
二是組織開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析論證和工程示范。結(jié)合新型電力系統(tǒng)建設(shè)，組織開展水電站資源調(diào)查和項目技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出工程建設(shè)方案，選擇具有典型性的工程項目開展工程示范，為規(guī)?；l(fā)展積累經(jīng)驗。
三是支持開展關(guān)鍵技術(shù)研究攻關(guān)和試驗示范。通過設(shè)置國家科技專項等方式，支持水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展領(lǐng)域基礎(chǔ)性、通用性技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵設(shè)備研制和示范應(yīng)用，包括但不限于海水抽蓄水泵水輪機(jī)葉片材料、規(guī)?；瘏^(qū)域調(diào)水與電力調(diào)峰綜合體勘察設(shè)計等。
四是制定促進(jìn)水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展的財政稅收、項目核準(zhǔn)和電價政策。圍繞水力發(fā)電創(chuàng)新發(fā)展的各個環(huán)節(jié)，在項目發(fā)展初期因地制宜制定財政貼息、投資補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等政策，納入綠色金融支持范疇，降低項目財務(wù)費用；對于不從本質(zhì)上改變河流水文特性的抽水蓄能改造項目，實施簡化核準(zhǔn)程序，減少行政審批周期；理順抽水蓄能機(jī)組容量電價和抽水發(fā)電電價機(jī)制，確保合理價值回報。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年01期，作者供職于全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織
