Гидроэнергетика является одним из наиболее зрелых методов производства электроэнергии, и она постоянно обновляется и развивается в процессе развития энергосистемы. Она достигла значительного прогресса с точки зрения автономного масштаба, уровня технического оснащения и технологии управления. Как стабильный и надежный высококачественный регулируемый источник электроэнергии, гидроэнергетика обычно включает в себя обычные гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции. Помимо того, что они служат важным поставщиком электроэнергии, они также играют важную роль в сглаживании пиков, частотной модуляции, фазовой модуляции, черном запуске и аварийном резерве в течение всей работы энергосистемы. С быстрым развитием новых источников энергии, таких как ветровая энергия и фотоэлектрическая генерация энергии, увеличением разницы пиков и долин в энергосистемах и уменьшением инерции вращения, вызванным увеличением мощности электронного оборудования и оборудования, основные вопросы, такие как планирование и строительство энергосистемы, безопасная эксплуатация и экономическая диспетчеризация, сталкиваются с огромными проблемами и также являются основными вопросами, которые необходимо решить при будущем строительстве новых энергосистем. В контексте обеспеченности Китая ресурсами гидроэнергетика будет играть более важную роль в энергосистеме нового типа, сталкиваясь со значительными потребностями и возможностями инновационного развития, и она очень важна для экономической безопасности строительства энергосистемы нового типа.
Анализ текущей ситуации и ситуации инновационного развития гидроэнергетики
Ситуация инновационного развития
Глобальная трансформация чистой энергии ускоряется, и доля новой энергии, такой как энергия ветра и фотоэлектрическая генерация, быстро увеличивается. Планирование и строительство, безопасная эксплуатация и экономическое планирование традиционных энергосистем сталкиваются с новыми вызовами и проблемами. С 2010 по 2021 год глобальная ветроэнергетическая установка поддерживала быстрый рост со средним темпом роста 15%; среднегодовой темп роста в Китае достиг 25%; темп роста глобальной фотоэлектрической установки за последние 10 лет достиг 31%. Энергосистема с высокой долей новой энергии сталкивается с серьезными проблемами, такими как трудности с балансировкой спроса и предложения, возросшие трудности в управлении работой системы и риски стабильности, вызванные снижением инерции вращения, а также значительное увеличение спроса на пиковую мощность сглаживания, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов системы. Необходимо срочно совместно содействовать решению этих проблем со стороны электроснабжения, сети и нагрузки. Гидроэлектрогенерация является важным регулируемым источником энергии с такими характеристиками, как большая инерция вращения, высокая скорость реагирования и гибкий режим работы. Он имеет естественные преимущества в решении этих новых задач и проблем.
Уровень электрификации продолжает повышаться, а требования к безопасному и надежному энергоснабжению от экономических и социальных операций продолжают расти. За последние 50 лет уровень глобальной электрификации продолжал повышаться, а доля электроэнергии в конечном потреблении энергии постепенно увеличивалась. Терминальное замещение электроэнергии, представленное электромобилями, ускорилось. Современное экономическое общество все больше полагается на электроэнергию, и электричество стало основным средством производства для экономических и социальных операций. Безопасное и надежное энергоснабжение является важной гарантией для производства и жизни современных людей. Отключения электроэнергии на больших территориях не только приносят огромные экономические потери, но и могут привести к серьезному социальному хаосу. Энергетическая безопасность стала основным содержанием энергетической безопасности, даже национальной безопасности. Внешнее обслуживание новых энергосистем требует постоянного повышения надежности безопасного энергоснабжения, в то время как внутреннее развитие сталкивается с постоянным ростом факторов риска, которые представляют серьезную угрозу энергетической безопасности.
Новые технологии продолжают появляться и применяться в энергосистемах, значительно повышая степень интеллекта и сложность энергосистем. Широкое применение силовых электронных устройств в различных аспектах генерации, передачи и распределения электроэнергии привело к значительным изменениям в характеристиках нагрузки и системных характеристиках энергосистемы, что привело к глубоким изменениям в рабочем механизме энергосистемы. Технологии информационной связи, управления и интеллекта широко используются во всех аспектах производства и управления энергосистемой. Степень интеллекта энергосистем значительно улучшилась, и они могут адаптироваться к крупномасштабному онлайн-анализу и анализу поддержки принятия решений. Распределенная генерация электроэнергии подключена к пользовательской стороне распределительной сети в больших масштабах, а направление потока мощности в сети изменилось с одностороннего на двухстороннее или даже многонаправленное. Различные типы интеллектуального электрооборудования появляются бесконечным потоком, широко используются интеллектуальные счетчики, а количество терминалов доступа к энергосистеме увеличивается экспоненциально. Информационная безопасность стала важным источником риска для энергосистемы.
Реформа и развитие электроэнергетики постепенно входят в благоприятную ситуацию, и политическая среда, такая как цены на электроэнергию, постепенно улучшается. С быстрым развитием экономики и общества Китая электроэнергетическая отрасль пережила огромный скачок от малого к большому, от слабого к сильному и от следования к лидерству. С точки зрения системы, от правительства к предприятию, от одного завода к одной сети, к разделению заводов и сетей, умеренной конкуренции и постепенному переходу от планирования к рынку привели к пути развития электроэнергетики, который подходит для национальных условий Китая. Производственные и строительные мощности и уровень электроэнергетических технологий и оборудования Китая входят в число первоклассных массивов в мире. Универсальные сервисные и экологические показатели для электроэнергетического бизнеса постепенно улучшаются, и была построена и эксплуатируется крупнейшая в мире и самая технологически продвинутая электроэнергетическая система. Рынок электроэнергии Китая неуклонно продвигается вперед, имея четкий путь к построению единого рынка электроэнергии от местного до регионального и национального уровней, и придерживается китайской линии поиска истины из фактов. Политические механизмы, такие как цены на электроэнергию, постепенно рационализировались, и изначально был создан механизм ценообразования на электроэнергию, подходящий для развития гидроаккумулирующей энергетики, что обеспечило политическую среду для реализации экономической ценности инноваций и развития гидроэнергетики.
Значительные изменения произошли в граничных условиях для планирования, проектирования и эксплуатации гидроэлектростанций. Основная задача традиционного планирования и проектирования гидроэлектростанций заключается в выборе технически осуществимого и экономически обоснованного масштаба и режима работы электростанции. Обычно вопросы планирования гидроэнергетических проектов рассматриваются в рамках оптимальной цели комплексного использования водных ресурсов. Необходимо всесторонне рассмотреть такие требования, как борьба с наводнениями, орошение, судоходство и водоснабжение, а также провести комплексные сравнения экономических, социальных и экологических выгод. В контексте постоянных технологических прорывов и непрерывного увеличения доли ветровой и фотоэлектрической энергии энергосистема объективно должна более полно использовать гидравлические ресурсы, обогащать режим работы гидроэлектростанций и играть большую роль в сглаживании пиков, частотной модуляции и выравнивании. Многие цели, которые в прошлом были неосуществимы с точки зрения технологий, оборудования и строительства, стали экономически и технически осуществимыми. Первоначальный односторонний режим накопления и сброса воды для выработки электроэнергии для гидроэлектростанций больше не может отвечать требованиям новых энергосистем, и необходимо объединить режим гидроаккумулирующих электростанций, чтобы значительно улучшить регулирующую способность гидроэлектростанций; В то же время, ввиду ограничений краткосрочных регулируемых источников энергии, таких как гидроаккумулирующие электростанции, в содействии потреблению новых источников энергии, таких как ветроэнергетика и фотоэлектрическая генерация, и сложности выполнения задачи безопасного и доступного электроснабжения, объективно необходимо увеличить емкость водохранилища для улучшения временного цикла регулирования традиционной гидроэнергетики, чтобы заполнить пробел в регулирующей способности системы, который возникает при отказе от угольной энергетики.
Потребности инновационного развития
Существует настоятельная необходимость ускорить разработку гидроэнергетических ресурсов, увеличить долю гидроэнергетики в новой энергосистеме и играть большую роль. В контексте цели «двойного углерода» общая установленная мощность ветроэнергетики и фотоэлектрической генерации достигнет более 1,2 млрд киловатт к 2030 году; ожидается, что к 2060 году она достигнет 5–6 млрд киловатт. В будущем возникнет огромный спрос на регулирующие ресурсы в новых энергосистемах, а гидроэнергетика является наиболее качественным регулирующим источником энергии. Гидроэнергетические технологии Китая могут развивать установленную мощность в 687 млн киловатт. К концу 2021 года было освоено 391 млн киловатт, при этом темп освоения составит около 57%, что намного ниже 90% темпа освоения некоторых развитых стран Европы и США. Учитывая, что цикл разработки гидроэнергетических проектов длительный (обычно 5-10 лет), в то время как цикл разработки проектов ветроэнергетики и фотоэлектрической генерации относительно короткий (обычно 0,5-1 год или даже короче) и развивается быстрыми темпами, крайне важно ускорить ход разработки гидроэнергетических проектов, завершить их как можно скорее и как можно скорее сыграть свою роль.
Существует настоятельная необходимость в трансформации режима развития гидроэнергетики для удовлетворения новых требований пикового сглаживания в новых энергосистемах. В условиях ограничений цели «двойного углерода» будущая структура электроснабжения определяет огромные требования к работе энергосистемы для пикового сглаживания, и это не проблема, которую могут решить сочетание планирования и рыночные силы, а скорее базовый вопрос технической осуществимости. Экономичная, безопасная и стабильная работа энергосистемы может быть достигнута только посредством рыночного руководства, планирования и контроля эксплуатации при условии, что технология осуществима. Для традиционных гидроэлектростанций, находящихся в эксплуатации, существует настоятельная необходимость в систематической оптимизации использования существующих мощностей хранения и объектов, надлежащем увеличении инвестиций в трансформацию при необходимости и приложении всех усилий для улучшения регулирующей способности; Для обычных гидроэлектростанций, недавно запланированных и построенных, необходимо срочно рассмотреть значительные изменения в граничных условиях, вызванные новой энергосистемой, а также спланировать и построить гибкие и регулируемые гидроэлектростанции с комбинацией длинных и коротких временных шкал в соответствии с местными условиями. Что касается гидроаккумулирующих электростанций, строительство должно быть ускорено в текущей ситуации, когда краткосрочная регулирующая способность серьезно недостаточна; в долгосрочной перспективе следует рассмотреть потребность системы в краткосрочных возможностях сглаживания пиков и научно сформулировать план ее развития. Для гидроаккумулирующих электростанций с перекачкой воды необходимо объединить потребности национальных водных ресурсов для межрегиональной перекачки воды, как в качестве проекта межбассейновой перекачки воды, так и в качестве комплексного использования ресурсов регулирования энергосистемы. При необходимости его также можно объединить с общим планированием и проектированием проектов опреснения морской воды.
Существует настоятельная необходимость в содействии производству гидроэлектроэнергии для создания большей экономической и социальной ценности при обеспечении экономичной и безопасной эксплуатации новых энергосистем. Исходя из ограничений цели развития пика углерода и углеродной нейтральности в энергосистеме, новая энергия постепенно станет основной силой в структуре электроснабжения будущей энергосистемы, а доля источников энергии с высоким содержанием углерода, таких как угольная энергетика, будет постепенно снижаться. По данным нескольких исследовательских институтов, в сценарии крупномасштабного отказа от угольной энергетики к 2060 году установленная мощность ветроэнергетики и фотоэлектрической энергетики Китая составит около 70%; Общая установленная мощность гидроэнергетики с учетом гидроаккумулирования составляет около 800 миллионов киловатт, что составляет около 10%. В будущей структуре электроэнергетики гидроэнергетика является относительно надежным, гибким и регулируемым источником энергии, который является краеугольным камнем обеспечения безопасной, стабильной и экономичной эксплуатации новых энергосистем. Необходимо срочно перейти от текущего режима разработки и эксплуатации «на основе выработки электроэнергии, дополненной регулированием» к «на основе выработки электроэнергии, дополненной регулированием». Соответственно, экономические выгоды от деятельности гидроэнергетических предприятий должны быть реализованы в контексте большей ценности, а выгоды от деятельности гидроэнергетических предприятий должны также значительно увеличить доход от предоставления услуг по регулированию системы на основе первоначального дохода от выработки электроэнергии.
Существует настоятельная необходимость в реализации инноваций в стандартах, политике и системах гидроэнергетических технологий для обеспечения эффективного и устойчивого развития гидроэнергетики. В будущем объективное требование новых энергосистем заключается в том, что инновационное развитие гидроэнергетики должно быть ускорено, а существующие соответствующие технические стандарты, политики и системы также должны срочно соответствовать инновационному развитию для содействия эффективному развитию гидроэнергетики. С точки зрения стандартов и спецификаций, необходимо срочно оптимизировать стандарты и спецификации для планирования, проектирования, эксплуатации и обслуживания на основе пилотной демонстрации и проверки в соответствии с техническими требованиями новой энергосистемы для обычных гидроэлектростанций, гидроаккумулирующих электростанций, гибридных электростанций и гидроаккумулирующих электростанций с перекачкой воды (включая насосные станции), чтобы обеспечить упорядоченное и эффективное развитие инноваций в гидроэнергетике; С точки зрения политик и систем необходимо срочно изучить и сформулировать политику стимулирования для руководства, поддержки и поощрения инновационного развития гидроэнергетики. В то же время существует острая необходимость в разработке институциональных проектов, таких как рыночные цены и цены на электроэнергию, для преобразования новых ценностей гидроэнергетики в экономические выгоды, а также в поощрении предприятий к активному осуществлению инвестиций в инновационные технологии развития, пилотные демонстрации и крупномасштабные разработки.
Инновационный путь развития и перспективы гидроэнергетики
Инновационное развитие гидроэнергетики является настоятельной необходимостью для создания нового типа энергосистемы. Необходимо придерживаться принципа адаптации мер к местным условиям и реализации комплексной политики. Для различных типов гидроэнергетических проектов, которые были построены и запланированы, должны быть приняты различные технические схемы. Необходимо учитывать не только функциональные потребности генерации электроэнергии и пикового сглаживания, частотной модуляции и выравнивания, но и комплексное использование водных ресурсов, регулируемую конструкцию нагрузки и другие аспекты. Наконец, оптимальная схема должна быть определена путем комплексной оценки выгод. Улучшение регулирующей способности обычной гидроэнергетики и строительство комплексных межбассейновых гидроаккумулирующих электростанций (насосных станций) дает значительные экономические выгоды по сравнению с недавно построенными гидроаккумулирующими электростанциями. В целом, не существует непреодолимых технических барьеров для инновационного развития гидроэнергетики с огромным пространством для развития и выдающимися экономическими и экологическими выгодами. Стоит уделить большое внимание и ускорить крупномасштабное развитие на основе пилотных практик.
«Выработка электроэнергии+перекачка»
Режим «генерация электроэнергии + перекачка» относится к использованию гидротехнических сооружений, таких как существующие гидроэлектростанции и плотины, а также объекты передачи и преобразования электроэнергии, для выбора подходящих мест ниже по течению от водовыпуска гидроэлектростанции, чтобы построить водоотводную плотину для формирования нижнего водохранилища, добавить насосные насосы, трубопроводы и другое оборудование и сооружения, и использовать исходное водохранилище в качестве верхнего водохранилища. На основе функции выработки электроэнергии исходной гидроэлектростанции увеличить насосную функцию энергосистемы во время низкой нагрузки и по-прежнему использовать исходные гидротурбинные генераторные агрегаты для выработки электроэнергии, чтобы увеличить насосную и аккумулирующую способность исходной гидроэлектростанции, тем самым улучшив регулирующую способность гидроэлектростанции (см. Рисунок 1). Нижнее водохранилище также может быть построено отдельно в подходящем месте ниже по течению от гидроэлектростанции. При строительстве нижнего водохранилища ниже по течению от водовыпуска гидроэлектростанции целесообразно контролировать уровень воды, чтобы не повлиять на эффективность выработки электроэнергии исходной гидроэлектростанции. Учитывая оптимизацию режима работы и функциональные требования для участия в выравнивании, целесообразно, чтобы насос был оснащен синхронным двигателем. Этот режим, как правило, применим к функциональному преобразованию гидроэлектростанций в эксплуатации. Оборудование и сооружения являются гибкими и простыми, с характеристиками низких инвестиций, короткого периода строительства и быстрого результата.
«Производство электроэнергии+гидрогенерация»
Основное различие между режимом «генерация электроэнергии + насосная генерация электроэнергии» и режимом «генерация электроэнергии + насосная» заключается в том, что замена насосного насоса на гидроаккумулирующий агрегат напрямую увеличивает функцию гидроаккумулирования исходной обычной гидроэлектростанции, тем самым улучшая регулирующую способность гидроэлектростанции. Принцип настройки нижнего водохранилища соответствует режиму «генерация электроэнергии + насосная». Эта модель также может использовать исходное водохранилище в качестве нижнего водохранилища и построить верхний водохранилище в подходящем месте. Для новых гидроэлектростанций, в дополнение к установке определенных обычных генераторных установок, могут быть установлены гидроаккумулирующие агрегаты с определенной мощностью. Предполагая, что максимальная мощность отдельной гидроэлектростанции равна P1, а увеличенная мощность гидроаккумулирования равна P2, диапазон работы мощности электростанции относительно энергосистемы будет расширен с (0, P1) до (- P2, P1+P2).
Утилизация каскадных ГЭС
Режим развития каскада принят для развития многих рек в Китае, и построен ряд гидроэлектростанций, таких как река Цзиньша и река Даду. Для новой или существующей каскадной группы гидроэлектростанций, в двух соседних гидроэлектростанциях, водохранилище верхней каскадной гидроэлектростанции служит верхним водохранилищем, а нижняя каскадная гидроэлектростанция служит нижним водохранилищем. В соответствии с фактической местностью могут быть выбраны соответствующие водозаборы, и развитие может быть осуществлено путем объединения двух режимов «генерация электроэнергии + перекачка» и «генерация электроэнергии + перекачка электроэнергии». Этот режим подходит для реконструкции каскадных гидроэлектростанций, что может значительно улучшить регулирующую способность и цикл регулирования каскадных гидроэлектростанций со значительными преимуществами. На рисунке 2 показана схема гидроэлектростанции, разработанной в каскаде реки в Китае. Расстояние от плотины верхней гидроэлектростанции до нижнего водозабора в основном составляет менее 50 километров.
Локальная балансировка
Режим «локальной балансировки» относится к строительству проектов по производству ветровой и фотоэлектрической энергии вблизи гидроэлектростанций, а также к саморегулированию и балансировке работы гидроэлектростанций для достижения стабильной выработки электроэнергии в соответствии с требованиями планирования. Учитывая, что все основные гидроагрегаты работают в соответствии с диспетчеризацией энергосистемы, этот режим может применяться к радиальным гидроэлектростанциям и некоторым малым гидроэлектростанциям, которые не подходят для крупномасштабного преобразования и обычно не планируются как обычные функции сглаживания пиков и частотной модуляции. Эксплуатационная мощность гидроагрегатов может гибко контролироваться, может использоваться их краткосрочная регулирующая способность, может быть достигнут локальный баланс и стабильная выработка электроэнергии, при этом улучшается коэффициент использования активов существующих линий электропередачи.
Комплекс регулирования пиков потребления воды и электроэнергии
Режим «комплекса регулирования воды и пиковой мощности» основан на концепции строительства гидроаккумулирующих электростанций регулирования воды в сочетании с крупными проектами по охране водных ресурсов, такими как крупномасштабная межбассейновая переброска воды, для строительства серии водохранилищ и водозаборных сооружений, а также для использования перепада напора между водохранилищами для строительства серии насосных станций, обычных гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций для формирования комплекса по производству и хранению электроэнергии. В процессе переброски воды из высокогорных источников воды в низкогорные районы «комплекс по переброске воды и сглаживанию пиковой мощности» может полностью использовать перепад напора для получения преимуществ по производству электроэнергии, одновременно достигая переброски воды на большие расстояния и снижая затраты на переброску воды. В то же время «комплекс по сглаживанию пиковой мощности и воды» может служить крупномасштабной диспетчерской нагрузкой и источником энергии для энергосистемы, предоставляя услуги по регулированию для системы. Кроме того, комплекс также может быть объединен с проектами по опреснению морской воды для достижения комплексного применения развития водных ресурсов и регулирования энергосистемы.
Насосное хранилище морской воды
Гидроаккумулирующие электростанции с морской водой могут выбрать подходящее место на побережье для строительства верхнего резервуара, используя море в качестве нижнего резервуара. В связи с тем, что расположение обычных гидроаккумулирующих электростанций становится все более сложным, гидроаккумулирующие электростанции с морской водой привлекли внимание соответствующих национальных департаментов и провели исследования ресурсов и перспективные технические исследовательские испытания. Гидроаккумулирующие электростанции с морской водой также можно объединить с комплексным развитием приливной энергии, энергии волн, морской ветроэнергетики и т. д. для строительства гидроаккумулирующих электростанций большой емкости и длительного цикла регулирования.
За исключением русловых гидроэлектростанций и некоторых малых гидроэлектростанций без водохранилищ, большинство гидроэлектростанций с определенной емкостью водохранилища могут изучать и осуществлять преобразование функции гидроаккумулирования. На вновь построенной гидроэлектростанции определенная емкость гидроаккумулирующих установок может быть спроектирована и организована как единое целое. Предварительно подсчитано, что применение новых методов разработки может быстро увеличить масштаб высококачественной мощности сглаживания пиков не менее чем на 100 миллионов киловатт; Использование «комплекса регулирования воды и сглаживания пиков мощности» и гидроаккумулирования морской воды также может принести чрезвычайно значительную высококачественную мощность сглаживания пиков, что имеет большое значение для строительства и безопасной и стабильной работы новых энергосистем, со значительными экономическими и социальными выгодами.
Предложения по инновациям и развитию гидроэнергетики
Во-первых, как можно скорее организовать проектирование на высшем уровне инноваций и развития гидроэнергетики и выпустить руководство для поддержки развития инноваций и развития гидроэнергетики на основе этой работы. Провести исследование по основным вопросам, таким как руководящая идеология, позиционирование развития, основные принципы, приоритеты планирования и схема инновационного развития гидроэнергетики, и на этой основе подготовить планы развития, прояснить этапы развития и ожидания и направить субъектов рынка для упорядоченного осуществления разработки проекта.
Второе - организация и проведение технико-экономического обоснования и демонстрационных проектов. В сочетании со строительством новых электроэнергетических систем организация и проведение ресурсных обследований гидроэлектростанций и технико-экономического анализа проектов, предложение инженерных строительных проектов, выбор типовых инженерных проектов для проведения инженерных демонстраций, накопление опыта для крупномасштабного освоения.
В-третьих, поддержка исследований и демонстрация ключевых технологий. Создавая национальные научно-технические проекты и другие средства, мы будем поддерживать фундаментальные и всеобщие технические прорывы, разработку ключевого оборудования и демонстрационные приложения в области инноваций и развития гидроэнергетики, включая, помимо прочего, материалы лопастей для турбин насосов для перекачки морской воды и хранения, а также изыскания и проектирование крупномасштабных региональных комплексов перекачки воды и сглаживания пиков мощности.
В-четвертых, сформулируйте фискальную и налоговую политику, политику утверждения проектов и политику ценообразования на электроэнергию для содействия инновационному развитию гидроэнергетики. Сосредоточившись на всех аспектах инновационного развития гидроэнергетики, следует сформулировать такие политики, как скидки по финансовым процентам, инвестиционные субсидии и налоговые льготы в соответствии с местными условиями на ранних стадиях разработки проекта, включая зеленую финансовую поддержку, чтобы сократить финансовые затраты проекта; Для проектов реконструкции гидроаккумулирующих станций, которые существенно не меняют гидрологические характеристики рек, следует внедрить упрощенные процедуры утверждения для сокращения административного цикла утверждения; Рационализировать механизм ценообразования на электроэнергию для гидроаккумулирующих станций и механизм ценообразования на электроэнергию для гидроаккумулирующей станции для обеспечения разумной доходности.
Время публикации: 22-03-2023
