水电在新型电力系统中的作用分析

郑 春

(四川能投物资产业集团有限公司，成都，611100)

前言

2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上提出构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”目标背景下党中央对电力系统发展作出的最新重大决策。构建以新能源为主体的新型电力系统，是在立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局，加快推进生态文明建设和人类命运共同体建设，深入贯彻落实国家能源安全新战略的背景下提出的新思想、新论断，是习近平生态文明思想的最新原创性成果，是我国能源电力发展的根本遵循。

新型电力系统是以新能源为主体、“源网荷储智”一体协同、集中式与分布式深度融合，安全可控、经济高效、绿色低碳、开放共享、数字智能的系统。电力系统是一个发用电实时平衡系统，新型电力系统具有“三高双峰”(高比例新能源、高比例电力电子装备、发电和用能高自由度，夏季用电高峰、冬季用电高峰)的特点，随着出力随机波动的新能源发电占比提升，新能源小发期间电力供应不足和大发期间消纳困难的问题将频繁交替出现。特别是在极热极寒无风、连续阴雨等特殊天气下，新能源对高峰电力平衡支撑有限。与欧美国家相比，我国电力系统特别是电源侧的灵活调节能力严重偏低，难以支撑以新能源为主体的新型电力系统发展。水电特别是水库电站具有良好的蓄能调节作用，是目前技术水平下最经济的储能设施，它可担任系统调峰、调频、备用、黑启动等任务，水电将在新型电力系统建设中发挥越来越重要的作用。

1 优化电力结构

1.1 增加清洁能源供应

在20世纪的100年中，全球地面空气温度平均上升了0.4℃～0.8℃。科学家预测，如果地球表面的温度按照现在的速度发展，到2050年全球温度将上升2℃～4℃，这将导致海平面大大上升，纽约、上海、东京和悉尼等著名国际大都市都将被海水淹没。气候变化所带来的一系列严峻问题已经引发了世界各国的高度关注，目前世界各国都已有压倒性的科学共识，气候变化是由于人类大量燃烧化石燃料释放出的二氧化碳所致，中国作为一个发展中大国，我国向全世界承诺：二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和，这充分体现了发展中大国的责任与担当，但我国能源资源禀赋是“富煤、缺气、少油”，2020年我国能源消费中煤炭占了60%，且绝大部分煤炭被用于火力发电，2020年火力发电量占比达到了68%。煤炭的大量使用对大气污染治理、应对气候变化都带来了巨大的压力。

水电是清洁能源[1]，可再生、无污染、运行费用低，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在化石能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电，大力利用水能资源。中国不论是已探明的水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源量，都居世界第一位，开发水电将有助于提高清洁能源在电力结构中的比例。

1.2 减少化石能源消费

火力发电以燃煤发电为主，煤炭燃烧将释放大量二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物，大量二氧化碳气体的释放将加剧全球气候变暖，二氧化硫和氮氧化物是形成酸雨的罪魁祸首。水电作为我国蕴藏量最大、技术最为成熟的清洁能源，以两河口水电站为例，可替代火电装机330万kW，替代火电电量(含减少系统水电群弃水电量及增加下游17个梯级电站年发电量)约297亿kW·h。两河口水电站每年可节约原煤535万t，计入增加下游梯级电站效益后每年可节约原煤1330万t，相当于少建4座年产400万t的大型煤矿。

1.3 改善丰枯出力结构

水力发电所依靠的是河流中的水资源，而天然水资源具有时空分布不均的特性，即丰水期来水多，枯水期来水少，导致水电站丰枯出力不均，梯级调节性龙头水库电站的运行方式对下游各梯级电站影响很大，随着水库电站的投产，按主汛期蓄水、枯水期腾库发电的方式运行，可将主汛期下游电站无法利用的洪水拦蓄到枯水期发电，提高了下游各电站的水资源利用率，在不影响主汛期下游梯级电站发电能力的情况下，增加了枯水期的发电量，改善了电量结构。

1.4 规模化储能

我国已经和在建水库电站众多，不少具有季及季以上调节能力，它们利用其巨大的调节库容，能将汛期多余水量蓄积在水库，将季节性电能转化为可靠电能，其储能规模大且经济。以两河口水库电站为例，两河口水电站水库总库容101.54亿m3，调节库容65.60亿m3，是具有多年调节作用的水库电站。两河口水电站建成后，与雅砻江下游锦屏一级、二滩水电站两座大水库联合运行，总调节库容达149亿m3。三个具有强大调节能力的电站，将使雅砻江干流完全可以做到多年调节，成为全国唯一一条在真正意义上能够实现年调节的河流。

2 保障电网安全运行

2.1 调频

水电相比火电等其他电源，具有运行灵活、安全可靠的绝对优势。水电站机组开机灵便、迅速，从停机状态到满负荷运行仅需1min～2min时间，并可迅速改变出力的大小，以适应负荷的剧烈变化，从而保证系统周波的稳定，其增减负荷的迅速灵敏性有利于满足电网调峰和紧急事故支援对上网容量的高标准要求，因此，电网调频调峰任务主要由水电站担任。为此，水库日出库流量过程将随着用电负荷峰、平、谷的过程而有较大变幅，在负荷处于低谷时，少发电或停机，将水蓄在库中；在负荷处于高峰时，泄水发电。具有季及以上调蓄能力的水库电站由于有较大的调节库容，可调节出力范围大，因此电网的调频调峰任务，尤其是像四川这样以水电为主的电网的调频调峰任务，主要由水库电站担任。如华电宝珠寺水电站，总装机70万kW，总库容25.5亿m3，具有不完全调节能力，是川东北的主力发电厂，承担电网调峰、调频和事故备用等重任。

2.2 充当事故应急电源[2]

系统发生大功率缺失后，为了保障频率稳定、控制潮流在运行限额内，需要及时增加发电出力。相比煤电、气电，水电和抽水蓄能机组启动时间短、调节速率快，可在1min左右从停机开至满发；相比常规水电，抽水蓄能电站更靠近负荷中心，大幅增发不影响系统稳定，且支撑系统电压的作用更强。因此，水电和抽水蓄能已经成为电力系统中最优先调用的应急电源，在多次重大事故处理时紧急开机满发，有力地保障了系统安全稳定运行，是安全保底电力系统的重要组成部分。

2.3 承担黑启动电源

近年来，美国、英国、印度、巴西等国发生的大停电事故警示我们，发生大面积停电的风险始终存在，电力系统中须配置一定规模的黑启动电源。抽水蓄能电站上库蓄能可靠、启动速度快、发电出力调节灵活、可持续供电时间长，是系统首选的黑启动电源，可为保障极端事故下的电力系统快速有序恢复提供有力支撑。

2.4 承担系统尖峰负荷

我国电力电量平衡格局总体呈现“电量平衡有余，季节性用电高峰期间电力平衡能力偏紧”的特点。充分发挥抽水蓄能电站容量效益，保障系统迎峰度夏期间尖峰负荷供给，减少了系统为应对短时尖峰负荷的燃煤等机组装机容量。

2.5 承担系统备用

大规模新能源并网影响系统原有功率供需平衡机制，负荷反调节特性十分明显，导致电网负荷峰谷差进一步加大，增加电网负荷调峰难度。新能源发电装机容量在电网中的比重增加，需配套其他常规电源，且常规电源可调出力不能通过通常情况下的启停机来完成，必须采取旋转备用的方式。新能源装机容量越大，配套准备的旋转备用容量也就越大。水库电站由于具有良好的调蓄作用，一般承担电网的事故备用、负荷备用等任务。

3 增强系统调节能力

3.1 平拟新能源出力波动[3]

我国西部地区风能、太阳能等清洁可再生能源十分丰富，具有较大的开发潜力。但受环境气象因素的影响，风电、太阳能发电出力具有随机性，其瞬时波动性强，大规模并网会对电网造成较大冲击。多能互补开发有助于平抑风光出力波动，保障上网电量的稳定性。水电站由于库容可以调蓄径流，尤其是大型的具有季及以上调蓄能力的水库电站，加之水电机组停开机、增减负荷的高度灵敏性，成为了风、光等多能互补开发的重要互补能源。以四川为例，四川省流域内风、光、水出力在年内和日内具有较好的互补特性，在空间上也大多聚集在三州地区，具有互补开发的技术和经济可行性。调节能力大的水电站，可以充分利用有效库容调节风光出力波动。以雅砻江流域下游“两库五级”梯级水电站及其周边的风光资源为例，水电站总装机1470万kW、风电规划装机1260万kW、光伏规划装机1816万kW。风光天然出力各月波动大。实施水风光互补调度，水风光互补总出力使风光过程平稳，通过水库的调节，风光水总保证出力由792.5万kW提升至969.79万kW，提高了19.74%，同时互补运行可以将风光水出力波动(出力标准差)降低为单独运行的1.62%。表明风光水互补运行后，在最小出力最大化的调节目标下，风光出力波动得到明显改善[4]。

3.2 增强系统调节能力

随着系统中新能源装机比例持续增大，系统有功波动性变大，极大增加了系统调节难度，需要灵活调节电源配合运行[5]。充分发挥水电站启停迅速、调节灵活的特点，机组利用方式逐渐由计划性的启停调峰向根据系统调峰、调频实际需要灵活启停转变，以更好地发挥促消纳、保安全作用。2019年，新能源装机占比较大的华北、东北地区，电站启动次数同比增长7.9%、11.4%。

4 改善生态环境

4.1 减少碳排放和污染物排放

以两河口水电站为例，两河口水电站替代电量可节约化石能源，减排温室气体量和其他污染物。据测算，两河口水电站所提供的大量清洁电量相当于每年减少二氧化碳排放855.9万t，减少二氧化硫排放8.06万t，减少粉尘排放171.5t，减少废渣排放42.1万t。如果计入减少系统水电群弃水电量及增加下游17个梯级电站年发电量，则两河口水电站每年减少二氧化碳排放2130万t，减少二氧化硫排放20万t，减少粉尘排放426.5t，减少废渣排放104.7万t。由此可见，水电站所提供大量的清洁能源，可有效减少温室气体排放，是应对气候变化的积极措施。

4.2 改善局地生态环境

水电作为可再生的清洁能源，已经成为国民经济发展的绿色动力。高坝大库的建设周期长，涉及范围广，势必会对自然环境产生一定的影响。然而人类的实践表明，迄今为止国内外修建的99%的水坝的生态环境作用都是利大于弊。水库建成后，对生态环境具有显著的改善作用，一方面水电站的发电效益对于降低化石能源的消耗量、减少大气污染、缓解全球气候变暖具有显著的积极影响；另一方面，水库建成后，周期性的蓄泄水方式对局地气候、陆生生态、鱼类、水质、地质环境等各方面也都有影响。

以雅砻江二滩水电站为例，二滩水电站每年提供清洁电量170亿kW·h，比较同规模火电，每年可减少消耗难再生的煤炭630万t，减少排放SO2大气污染物23万t，减少燃煤弃碴190万t，减少废水排放量4500万t，对于改善能源结构，减少废气、废渣排放，有显著效益。据有关统计，二滩水库蓄水后，库周年降雨量明显增加，空气湿度增大，对原干燥少雨、干雨季分明的干热河谷气候有所改善，出现干季有降雨、雨季无大涝的新特点。同时，水库建成后气候条件，特别是降雨量与湿度的增加，有利于河谷植被的生长，植被覆盖率较建库前明显增加。高坝大库创造了大型人造湖泊，改变了当地环境和景观，局部气候的改变有利于当地库周农业的发展。“蓝天，白云，青山，绿水，领略二滩美丽风光；林木，鲜花，草地，湖泊，尽显二滩生态雄姿”，这是所有到过二滩的人的共同感受，也是人们对二滩绿色环保的由衷赞美。二滩水电站带来了显著的社会经济效益和环境效益，2006年6月9日，作为成功入围国家环保总局首个以工程项目为主体的环评活动的15个候选项目之一，雅砻江二滩水电站工程荣获“国家环境友好工程”光荣称号，成为获得这个国家建设项目环境保护最高奖项的全国唯一一家水电工程，这无疑是对水库电站改善生态环境最好的证明和嘉奖。

5 结论

(1)构建以新能源为主体的新型电力系统，是党中央高瞻远瞩、审时度势做出的重大决策部署，是实现碳中和目标的必经之路。随着具有强随机性、波动性、间歇性的新能源大规模、高比例接入电网，新能源成为主体电源后如何实现和保障不同时间维度的电力电量平衡，迫切需要通过发展不同功能定位的储能来提升系统灵活调节和电能存储能力。

(2)水电特别是调节性水库电站是目前技术最成熟、储能规模最大且最为经济的储能方式。水电是以新能源为主体的新型电力系统极为重要的组成部分，也是服务“双碳”目标、推动能源低碳转型发展的重要支撑。水电特别是调节性水库电站和抽水蓄能电站，具有启停时间短、调节速度快的特性，可以有效平拟风光出力波动，承担系统调峰、调频、备用等任务，优化电力结构、改善生态环境等，在新能源为主体的电力系统中的调节作用越来越重要。