基于新能源发电的水力发电技术研究

2023-11-16张云峰上海源晗能源技术有限公司

节能与环保 2023年9期

张云峰上海源晗能源技术有限公司

随着我国经济的持续发展，国家建设和人民生活水平不断提升，对电力需求越来越大，而在这种发展背景下，传统的火力发电已经无法满足现代社会发展的需求，因此开发新的能源发电势在必行。水电作为一种清洁可再生资源，有着供应稳定、发电量大的优点，对其进行深入的开发利用对我国社会发展具有十分重要的现实意义。从整体上看，我国幅员辽阔水能资源十分丰富，无论是水资源蕴含量还是水资源开发量均位居世界首位，但从对水电的开发利用来看，整体开发程度不高。2022 年，我国水电发电装机容量41350 万kW，较年同期增加2258 万kW，占总装机容量的16%，由此可以看出，我国水电开发利用的上升空间较大。

1 新能源发电技术概述

新能源技术又被称之为分布式能源技术，通常指的是以新能源和可再生能源为基础的设备，旨在为用户提供高质量的能源服务，主要包含水能、风能、太阳能、生物质能以及地热能等。水利发电作为一种新兴的可再生能源技术，指的是将水能转化为电能的一种技术，是一种通过利用一系列的工程措施，集中水流出力，使水能通过水轮机转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能的过程。

水力发电的一次能源是可再生的，水流的能量被用来发电后，在自然界的循环中还会产生新的水能，而水能又产生自太阳能，在太阳能的驱动下，海洋中的水会以水蒸气的形式，通过大气环流输送到陆地，再以降水的形式回归为液态，然后液态降水以及冰雪融水通过河流返回大海的过程中，便形成了水能，因此只要太阳不灭，江河水流便会年年不断，水力发电也能年年不息。

水力发电的过程不涉及水的化学变化，不消耗水量，不排放有毒有害物质，不产生二氧化碳。水力发电运行成本较低，仅为火电、核电成本的1/4 ～1/3。但水力发电技术也有着自身特有的缺点，如水力发电的出力受水文条件制约、水电输送距离较远以及水电建设投资规模较大等。

2 新能源发电的关键技术

2.1 新能源技术模式

新能源开采技术的基础是分布式，其关键在于新能源的分配和使用。通常新能源发电都有着距离用户较远的缺点，且发电量较小，而在所有新能源技术模式之中，除了传统能源之外，其他都是清洁、友好的可再生能源。

2.2 新能源系统结构

新能源系统结构主要由小型的新能源装置组成，包含风能、水能、太阳能以及其他新能源。为了确保在将新能源发电进行并线使电网能够安全运行，还需要对这些新能源装置安装逆变器，再将其连接至电网系统之中。由此可见，新电网的关键部件就是双向逆变器和静态开关。首先，双向逆变器主要用于微小型的器件，除了采用传统的逆变器并联运行之外，还具备相应的控制功能，满足系统的运行，因此逆变器运营控制技术就成为微芯片领域内的关键技术。其次，静态开关主要用于微网络和主网络的公共访问，一旦主网络在运行过程中出现故障，系统主开关就会自动将微网络切换至孤岛运行，而在主网络运行故障消除之后，微网络和主网络之间的通信将会自行恢复。此外，在新能源结构之中，除了双向逆变器和静态开关之外，电能质量控制装置也是一个十分关键的设备，可开展全面质量控制以及确保微网络安全运行。

2.3 新电网关键技术

2.3.1 微芯片操作

微网络系统是由多个微网络构成的，这些能源的特征和成本是不同的，因此，如何能够在微芯片运行过程中保持系统的稳定，尽量降低微芯片对于电网系统的影响就成为了需要进一步研究和讨论的问题。由于微芯片本身抗干扰能力较弱，且微芯片操作多是以微探针的形式存在，其主要作用于多个微网络的协调控制。此外，微芯片操作还体现在网络和独立工作流的切换过程，在电力系统出现故障时，首先会切断分布式电源，这种情况下微网络不仅要连接到大型电力网络系统之中，还应做到和大型网络系统之间的相互独立。因此，应对微电网结构和参数进行不断的优化，并同时更新控制策略，以便尽可能的消除对电力系统网络的影响。

2.3.2 能源管理和优化运行

微芯片最为重要的组成部分之一就是先进的能量管理系统，相较于传统的电网能量管理系统，微电网能量管理系统还能够提供交错服务，在有需求时，其能够利用对需求响应的延迟来确保电网系统中的关键负载得以交付。

3 基于新能源发电的水利发电技术

3.1 变速恒频水力发电技术

变速恒频水力发电技术主要用于解决小微型水电机组变速运行，在低水头、低流量时发电困难时，可实现全季节、全天候发电，提升电能并网质量；同时，改变传统小水电运行方式，变“蓄水发电”为“有水发电”，实现生态流量释放和发电两不误。当前，国内研究开发的变速发电系统类型主要有交流励磁双馈发电系统、无刷双馈发电系统以及全功率变流器发电系统，其中最为常用的为交流励磁双馈发电系统（见图1）。

图1 交流励磁双馈发电系统结构

由图1 可以看出，在交流励磁双馈发电系统之中，电网通过变频器和发电机转子相连，并给转子励磁绕组提供交流励磁电压，在系统调速运行过程中，电网频率、转子励磁频率和电机转速之间的关系见式（1）

式中fs—电网频率；fr—转子励磁频率；—电机转速。

在电网频率恒定，转子励磁频率为正时，电机处于一种亚同步工作状态下，此时的发电机实际转速要低于额定电网频率下的转速，如果在电机转子励磁频率为负的情况下，电子实际转速会高于额定电网频率下的转速，此时电机处于一种超同步工作状态。因此，利用对励磁频率的调节就可实现对电机转速的调节，进而实现对电机输出功率的调节，有助于机组的稳定运行。

3.2 蜂窝式水力发电技术

蜂窝式水利发电技术是一种分布式水力发电技术，也是一种新型的水力发电技术，其具有灵活、可靠和分布式的特征，蜂巢式水轮发电机呈蜂窝状，因此该技术也被称之为蜂巢式水力发电技术。每组蜂窝发生器由多个蜂窝发生器单元所组成，在每个蜂窝发生器单元内部安装有对应的水轮机叶片，分布均匀的水轮机叶片承担着从水流中获得能量的任务。而蜂窝发电机内的叶轮利用叶轮支腿固定在蜂窝发电机组机座之内，构建起了一种稳定、灵活的结构。另外，为了能够拓宽蜂窝式水轮发电机组的适用范围，在实际应用过程中一般会采用多个机组组合的形式来提升水能的获取效率，并最终作用至发电机上产生电能。蜂窝式水力发电技术具有较高的能量利用率，通常其水能利用率可高达75%～90%。

4 基于新能源发电的水力发电技术发展趋势

传统水利发电技术设计的关键在于科学合理地确定水电站的建设规模和具体运行方式，而对于水利发电工程进行规划则通常是在水资源综合利用最优目标前提下开展的，需要综合考虑防洪、灌溉以及供水等多方面的需求，并横向比对经济环境、社会环境和生态环境等因素选择最佳综合效益。

在当今科学技术日新月异的社会下，发展现代化的电力系统就更需要充分利用水电的优势，并充分发挥出水电站所具有的调峰、调频以及调相等功能。但要想实现水电站的调峰、调频、调相功能，首先需要优化创新水电的发展模式，以满足现代化电力系统的运营需求。随着我国“双碳”战略的提出，能源结构的优化决定了电力系统运行对调峰有着巨大的要求，且只有依靠技术创新才能够满足水利电站的调峰需求。因此，对于传统水利发电系统而言，当务之急就是对现有的设备设施进行优化改造，并积极引进先进的现代化设备和技术以提升电力系统的调节能力。此外，对于已经规划建设的水利发电项目，应重新考虑新型电力系统所带来的边界问题，可科学合理地利用长短时间尺度对水电站进行灵活调节，并制定出完善的电力发展规划，以满足水电调峰的需求。