基于新能源發電的水力發電技術研究

張云峰 上海源晗能源技術有限公司

隨著我國經濟的持續發展，國家建設和人民生活水平不斷提升，對電力需求越來越大，而在這種發展背景下，傳統的火力發電已經無法滿足現代社會發展的需求，因此開發新的能源發電勢在必行。水電作為一種清潔可再生資源，有著供應穩定、發電量大的優點，對其進行深入的開發利用對我國社會發展具有十分重要的現實意義。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量均位居世界首位，但從對水電的開發利用來看，整體開發程度不高。2022 年，我國水電發電裝機容量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，我國水電開發利用的上升空間較大。

1 新能源發電技術概述

新能源技術又被稱之為分布式能源技術，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量的能源服務，主要包含水能、風能、太陽能、生物質能以及地熱能等。水利發電作為一種新興的可再生能源技術，指的是將水能轉化為電能的一種技術，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換為機械能，再通過發電機將機械能轉換為電能的過程。

水力發電的一次能源是可再生的，水流的能量被用來發電后，在自然界的循環中還會產生新的水能，而水能又產生自太陽能，在太陽能的驅動下，海洋中的水會以水蒸氣的形式，通過大氣環流輸送到陸地，再以降水的形式回歸為液態，然后液態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，水力發電也能年年不息。

水力發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，不產生二氧化碳。水力發電運行成本較低，僅為火電、核電成本的1/4 ～1/3。但水力發電技術也有著自身特有的缺點，如水力發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模較大等。

2 新能源發電的關鍵技術

2.1 新能源技術模式

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

2.2 新能源系統結構

新能源系統結構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電進行并線使電網能夠安全運行，還需要對這些新能源裝置安裝逆變器，再將其連接至電網系統之中。由此可見，新電網的關鍵部件就是雙向逆變器和靜態開關。首先，雙向逆變器主要用于微小型的器件，除了采用傳統的逆變器并聯運行之外，還具備相應的控制功能，滿足系統的運行，因此逆變器運營控制技術就成為微芯片領域內的關鍵技術。其次，靜態開關主要用于微網絡和主網絡的公共訪問，一旦主網絡在運行過程中出現故障，系統主開關就會自動將微網絡切換至孤島運行，而在主網絡運行故障消除之后，微網絡和主網絡之間的通信將會自行恢復。此外，在新能源結構之中，除了雙向逆變器和靜態開關之外，電能質量控制裝置也是一個十分關鍵的設備，可開展全面質量控制以及確保微網絡安全運行。

2.3 新電網關鍵技術

2.3.1 微芯片操作

微網絡系統是由多個微網絡構成的，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的穩定，盡量降低微芯片對于電網系統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絡的協調控制。此外，微芯片操作還體現在網絡和獨立工作流的切換過程，在電力系統出現故障時，首先會切斷分布式電源，這種情況下微網絡不僅要連接到大型電力網絡系統之中，還應做到和大型網絡系統之間的相互獨立。因此，應對微電網結構和參數進行不斷的優化，并同時更新控制策略，以便盡可能的消除對電力系統網絡的影響。

2.3.2 能源管理和優化運行

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，相較于傳統的電網能量管理系統，微電網能量管理系統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系統中的關鍵負載得以交付。

3 基于新能源發電的水利發電技術

3.1 變速恒頻水力發電技術

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

圖1 交流勵磁雙饋發電系統結構

由圖1 可以看出，在交流勵磁雙饋發電系統之中，電網通過變頻器和發電機轉子相連，并給轉子勵磁繞組提供交流勵磁電壓，在系統調速運行過程中，電網頻率、轉子勵磁頻率和電機轉速之間的關系見式（1）

式中fs—電網頻率；fr—轉子勵磁頻率；—電機轉速。

在電網頻率恒定，轉子勵磁頻率為正時，電機處于一種亞同步工作狀態下，此時的發電機實際轉速要低于額定電網頻率下的轉速，如果在電機轉子勵磁頻率為負的情況下，電子實際轉速會高于額定電網頻率下的轉速，此時電機處于一種超同步工作狀態。因此，利用對勵磁頻率的調節就可實現對電機轉速的調節，進而實現對電機輸出功率的調節，有助于機組的穩定運行。

3.2 蜂窩式水力發電技術

蜂窩式水利發電技術是一種分布式水力發電技術，也是一種新型的水力發電技術，其具有靈活、可靠和分布式的特征，蜂巢式水輪發電機呈蜂窩狀，因此該技術也被稱之為蜂巢式水力發電技術。每組蜂窩發生器由多個蜂窩發生器單元所組成，在每個蜂窩發生器單元內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。而蜂窩發電機內的葉輪利用葉輪支腿固定在蜂窩發電機組機座之內，構建起了一種穩定、靈活的結構。另外，為了能夠拓寬蜂窩式水輪發電機組的適用范圍，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，并最終作用至發電機上產生電能。蜂窩式水力發電技術具有較高的能量利用率，通常其水能利用率可高達75%～90%。

4 基于新能源發電的水力發電技術發展趨勢

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

在當今科學技術日新月異的社會下，發展現代化的電力系統就更需要充分利用水電的優勢，并充分發揮出水電站所具有的調峰、調頻以及調相等功能。但要想實現水電站的調峰、調頻、調相功能，首先需要優化創新水電的發展模式，以滿足現代化電力系統的運營需求。隨著我國“雙碳”戰略的提出，能源結構的優化決定了電力系統運行對調峰有著巨大的要求，且只有依靠技術創新才能夠滿足水利電站的調峰需求。因此，對于傳統水利發電系統而言，當務之急就是對現有的設備設施進行優化改造，并積極引進先進的現代化設備和技術以提升電力系統的調節能力。此外，對于已經規劃建設的水利發電項目，應重新考慮新型電力系統所帶來的邊界問題，可科學合理地利用長短時間尺度對水電站進行靈活調節，并制定出完善的電力發展規劃，以滿足水電調峰的需求。

5 結語

在新時代背景下，隨著人們對于新能源發電的研究不斷深入，水力發電技術得益于其所擁有的生態環保、效率高、穩定性強等諸多優點，也必將獲得更加廣泛的應用。因此，需加大對于水力發電技術的投入和政策支持，以不斷推動水力發電技術的創新發展，提升水力發電的整體效益，進而推動我國電力事業的轉型發展。