新时代下水电企业如何助力 “双碳”目标实现

陈志刚 陈乙嘉

摘要：“碳达峰、碳中和”目标与愿景是我国为扭转全球气候变化严峻形势、改变我国单一能源结构、保障国家能源安全所提出的战略决策。水电企业作为传统的清洁能源大户，应大力发展节能技术、清洁能源技术、可再生能源技术，优化产业结构，构建多能互补体系[1]，建设一系列源网荷储、风光水储工程，充分发挥常规水电站的调节性能，增强区域电网的新能源消纳能力。本文将从水电企业在实现“双碳”愿景中的意义、基于水电的多能互补的积极探索和水电企业助力“双碳”目标实现的有效措施等三个方面进行研究探讨，为水电企业助力“双碳”目标实现提供参考。

关键词：碳达峰;碳中和;水电企业;多能互补

2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会一般性辩论上代表中国做出了碳达峰、碳中和的庄重承诺，中国切实履行气候变化、生物多样性等环境相关条约义务，秉持人类命运共同体理念，承担与中国发展水平相称的国际责任[2]。

第一章 水电企业在实现“双碳”愿景中的意义

1.1各清洁能源的发展前景

现阶段我国发展的清洁能源主要包括核电、光伏、风电和抽蓄等，其中核电有着单机容量大、运行成本低等优势，在进一步改善运行工况、探索安全运行下核电参与电网二次调频的同时，核电有部分取代火电的发展趋势;光伏则由于取之不尽、可利用量巨大的特点成为人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径;风电因功率输出的不稳定，目前还不具备成为独立能源的条件;抽蓄作为目前技术最为成熟的灵活性电源，加快抽蓄发展是可再生能源大规模并网和构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切需求。

1.2水电是高比重可再生能源电网的关键

在“碳达峰、碳中和”的背景下，大规模新能源并网迫切需要大量调节电源提供优质的辅助服务。已有多项研究表明，水电所具有的调频容量大、调频能力强等优点，是保证含高比重可再生能源电网安全稳定运行的关键。现阶段，我国电力系统的主力调频电厂逐渐由上世纪单一的火力发电厂加入了由一定调节能力的水力发电厂，并配合新建的抽水蓄能等储能设施以增强电网的调频能力和新能源消纳能力。

第二章 积极探索基于水电的多能互补

2.1基于水电的多能互补的意义

再电气化是实现“双碳”愿景的有效途径，即建设“清洁替代”、“电能替代”的高效能源体系。由于高比例新能源、电力电子装备广泛接入，降低了电力系统的转动惯量等，对电力系统的安全控制、生产模式等都产生了根本性的影响。在工程应用领域应重点攻关高效率低成本的新能源发电、虚拟电厂、源网荷储和多能互补协调运营、综合能源系统等技术

基于水电的多能互补是指利用现有水电机组，统筹风、光、抽蓄等各类新能源规划、设计、建设，并合理配置储能，增加本地电源支撑，调动负荷响应能力，以强化电源侧的灵活调节作用、优化能源结构，降低对大电网的调节支撑需求并确保电源基地持续送电的可靠性。基于水电的多能互补，在合理配置储能的基础上可以充分发挥常规水电站的调节性能，通过增强新能源消纳，有利于加快能源转型，促进能源领域与生态环境协调可持续发展。

2.2基于水电的多能互补建设

充分依托梯级水电站出色的调峰、调频作用，围绕风光水一体化、风光水蓄储一体化和区域多能互补等方面开展以水电为中心的多能互补建设工作，打捆各水电流域周边的光伏及风电，统筹汇集送端新能源电力，优化配套储能规模，在努力实现新能源就地互补、减轻电力系统调峰压力的基础上，依托现有110kV、220kV线路在一定区域内实现新能源互补。

其中综合技术、成本和效益等各方面考量，现阶段对于水电企业来说光水蓄储一体化较为容易实现，即利用水电站有效的调节能力平滑光伏发电出力的随机性特征，配套抽蓄或者储能，使光伏能够安全并网消纳，减少弃光。

2.2.1基于水电的多能互补（光伏）

光伏方面可以利用各水电企业的大坝坝顶、厂房屋顶和建筑屋顶配置配置分布式光伏系统或利用闲置土地建设大型并网光伏电站。综合考虑采用不蓄电并网光伏发电系统或蓄电并网光伏发电系统，其中蓄电并网光伏发电系统有独立工作和并网工作两种模式，当电网断电时，仍可在短时间内向重要负载输送电力。该系统具有更大的灵活性，适应性较强，但是其造价和运行成本较高[3]。

并网方面，逆變器采用最大功率跟踪（MPPT）技术最大限度将直流电（DC）转变成交流电（AC），输出符合电网要求的交流电能，经过交流升压、配电设备与电网连接[4]。根据光伏项目方案和当地脱硫煤电价，考虑采用380V低压并网、就地消纳或10kV甚至110kV全额上网。

2.2.1基于水电的多能互补（储能）

储能对于新能源消纳具有重要意义，新能源+储能已成为发展趋势，可着重考虑抽水蓄能和电化学储能相结合。至2020年底，电化学储能的装机规模达3.28GW，占已投运储能装机的9.2%。各水电企业应开展水光储联调的相关研究，研究“光伏+电化学”储能对常规水电机组参与电网调频的积极影响，利用电化学储能出众的能量转化效率及电力电子逆变技术响应的瞬时性，改善光伏发电出力的随机性对常规水电机组造成的调频负担，避免因光伏、风电就地并网造成常规水电机组响应电网调频需求增加、转动部分振摆度增大、导桨叶频繁开关，影响机组的使用寿命。

在抽水蓄能方面，由于低流量、高水头是抽水蓄能电站的基本要求，各水电企业可以勘察常规水电沿江流域的地理条件，以各常规水电站流域库区作为抽水蓄能电站下库，寻找合适地点（水头达600m至700m左右）作为抽水蓄能电站的上库，建设300MW*4装机的大型抽水蓄能电站或150MW*2装机的小型抽水蓄能电站，该方案由于不需要建设抽水蓄能电站下库，不但能大大减小投资成本，还能通过水情预测、合理调度，配合常规水电以达到充分节水增发的目的。

水电企业在投资、建设、运营抽水蓄能项目方面有很大的先天优势，抽水蓄能电站机组使用的混流式水泵水轮机与大多数常规水电机组类似，对现有的常规水电运行、检修人员稍加培训即可上岗工作。在常规水电汛期满发期间对抽水蓄能电站机组进行A、B修及各项电气高压试验，已达到现有水电检修人员的合理利用。

2.2.1基于水电的多能互补（风电）

由于风电对水电企业来说存在一定的技术壁垒，应重点考虑以参股的方式打捆各水电站沿江流域及当地周边的风电，通过配套的储能建设，对库区流域周边现有的新能源实现就地互补，推动电源端清洁替代，提升区域清洁能源多能互补水平，减轻送受端系统的调峰压力。

第三章 水电企业助力“双碳”目标实现的有效措施

3.1发挥人才队伍优势是助力“双碳”目标的重要基石

水电企业助力“双碳”实现应充分发挥水电运行、检修和集控调度的人才队伍优势。一是要员工深刻认识我国“碳达峰、碳中和”战略目标的重要意义和作用，高度重视、提高站位，积极投身于水电多能互补、源网荷储等项目的研究与建设之中;二是要积极引导员工拓展学习人工智能、大数据和物联网等新兴技术，鼓励员工开展基于水电的虚拟电厂、多能互补协调运营方面的研究;三是要健全工作项目激励机制，通过对项目推进程度、日常工作态度和协调沟通难度进行考核，充分发挥员工的主观能动性。

3.2鼓励先进技术创新是助力“双碳”目标的首要途径

通过先进技术创新，构建适应大规模新能源并网的电力系统，推进源网荷储的深度融合，攻关大容量高安全储能、高效率新能源发电材料、宽禁带电力电子元件，是助力“双碳”目标实现的首要途径。水电企业应将基于常规水电的多能互补作为方向，努力开展多能互补集控平台、多能互补生产云APP建设和水光储数据价值挖掘，利用数字化技术，打通风光水储项目中各不同环节的信息壁垒，在一定范围内聚合可调节资源的海量信息，使整个基于水电的多能互补系统“可感、可知、可控” 。

3.3推动企业转型升级是助力“双碳”目标的必经之路

在“双碳”目标的背景下，进行转型升级是水电企业的必经之路，也是水电企业实现改革发展的重要机遇。水电企业应把握新型电力系统发展的历史机遇，参与投资建设小型抽蓄、光伏和风电等多种电源，将单一的水电企业发展成为集风、水、光、储和抽蓄为一体的新型电力企业，提升区域内新能源的消纳水平并改善地区的能源结构，以助力“双碳”目标的实现。

结语

水电作为我国能源产业结构中的重要一環，在“双碳”的大背景下，水电企业应以增强新能源消纳能力、保障电网安全稳定运行为取向，积极探索适合水电的多能互补策略，发挥人才队伍优势、鼓励工程技术创新。水电企业应不畏艰难、勇往直前，推动企业转型升级的同时，摸索以水电为主体的区域新型电力系统建设，为实现“双碳”愿景贡献属于水电企业的强大力量。

参考文献

[1]程云鹤，董洪光.中部地区崛起的能源需求及碳达峰路径研究[J].中国工程科学，2021，23（01）：68-78.

[2]刘卫东.“中国碳达峰研究”专栏序言 [J].资源科学，2021，43（04）：637-638.

[3]刘滔.贵港供电局光伏建筑一体化项目优化设计研究 [J].能源与节能，2014，（07）：79-81.

[4]蒋凡.新街光伏电站电气设计的研究和应用[D].昆明理工大学，2015，（04）.