碳中和下的水電角色重塑及其關(guān)鍵問題

程春田

（大連理工大學(xué)水電與水信息研究所，遼寧省大連市 116024）

0 引言

中國(guó)提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)［1-2］。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須充分利用國(guó)內(nèi)水、風(fēng)、光資源豐富的稟賦條件［3］，在全國(guó)優(yōu)化配置清潔能源，構(gòu)建清潔、低碳的新型能源體系［4-5］。隨著風(fēng)、光裝機(jī)容量分別從2019年的210 GW和205 GW［6］發(fā)展至2030年 的480 GW和570 GW、2050年 的1 440 GW和2 160 GW［7］，風(fēng)、光裝機(jī)容量將從2019年占全國(guó)電源的21%發(fā)展至2030年的38%和2050年的70%，分別是2019年的2.53倍和8.6倍，逐步成為電網(wǎng)的主導(dǎo)電源。風(fēng)光大規(guī)模迅猛發(fā)展，必將給中國(guó)電網(wǎng)安全運(yùn)行和清潔能源消納帶來重大挑戰(zhàn)，其中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是如何解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)帶來的靈活性需求問題。

儲(chǔ)能技術(shù)被視為解決新能源靈活性的一條重要途徑［8-11］，但面臨著規(guī)模和技術(shù)瓶頸問題。2019年全球總儲(chǔ)能容量為184.6 GW［12］，其中抽水蓄能電站容量為170.9 GW，占92.6%，其次是電化學(xué)儲(chǔ)能9.6 GW，占5.2%；中國(guó)總的儲(chǔ)能為32.4 GW，其中抽水蓄能電站30.3 GW［6］，占93.5%，電化學(xué)蓄能1.72 GW，占5.3%。無論是全球還是中國(guó)，居主導(dǎo)地位的儲(chǔ)能技術(shù)均是抽水蓄能水電站，其次是電化學(xué)儲(chǔ)能，且后者與前者存在數(shù)量級(jí)差異。抽水蓄能電站主要服務(wù)于日內(nèi)靈活性需求調(diào)節(jié)，且依賴于合適的地理?xiàng)l件，并不能根據(jù)新能源分布地理位置特點(diǎn)就地加建；電化學(xué)儲(chǔ)能是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，也是寄予厚望的未來風(fēng)光靈活性需求的解決方案，但現(xiàn)在總體規(guī)模很小，主要用于響應(yīng)短期和超短期負(fù)荷波動(dòng)，且目前大多應(yīng)用于分布式新能源消納。無論是抽水蓄能電站還是電化學(xué)儲(chǔ)能，相對(duì)于中國(guó)現(xiàn)在和未來千萬千瓦級(jí)、億千瓦級(jí)、十億千瓦級(jí)及以上新能源跨區(qū)域大規(guī)模集中消納，只是杯水車薪，在可以預(yù)見的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，難以應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)未來碳中和下的風(fēng)光集中消納問題。因此，如何解決這一問題，需要尋找新的途徑。

不同于世界其他能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的國(guó)家，中國(guó)擁有世界上最豐富的水電資源，理論蘊(yùn)藏量為676 GW［13］。經(jīng)過西電東送工程20年建設(shè)，中國(guó)已經(jīng)建成了世界上最大規(guī)模的水電系統(tǒng)，水電裝機(jī)容量先后跨越了100 GW、200 GW、300 GW臺(tái)階，一直穩(wěn)居世界第一。2019年，中國(guó)已建成水電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到356 GW［6］，是2000年的4.5倍，超過世界水電排名第2巴西、第3美國(guó)、第4加拿大和第5印度4個(gè)國(guó)家容量總和［14］，是世界其他能源轉(zhuǎn)型國(guó)家所不具備的。考慮到中國(guó)水電與現(xiàn)在和未來風(fēng)光能源的規(guī)模匹配性，以及水電自身靈活性的特點(diǎn)，如何利用中國(guó)獨(dú)一無二的水電資源有利條件，開展支撐中國(guó)跨區(qū)域風(fēng)光大規(guī)模集中消納的問題研究，就可能成為解決中國(guó)碳中和下風(fēng)光大規(guī)模消納的機(jī)遇和重要的解決途徑，也是國(guó)家能源戰(zhàn)略布局需要深入研究的問題。

1 中國(guó)能源資源和負(fù)荷格局

實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，必須依據(jù)中國(guó)能源資源稟賦、負(fù)荷格局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)條件制定因地制宜的清潔能源政策。

中國(guó)地域遼闊，能源資源分布和用電負(fù)荷極不均勻。煤炭資源69%集中在“三西”地區(qū)（即山西省、陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)西部）和云南省、貴州省，風(fēng)能資源80%集中在“三北”（西北、華北、東北），太陽(yáng)能資源85%集中在西部、北部地區(qū)，水電70%集中在西南六省市、自治區(qū)（四川省、云南省、貴州省、廣西壯族自治區(qū)、重慶市、西藏自治區(qū)），用電負(fù)荷主要集中在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等中東部及沿海地區(qū)。水、風(fēng)、光資源與電力負(fù)荷中心的逆向分布特點(diǎn)決定了中國(guó)清潔能源需要跨省、跨區(qū)域大規(guī)模、大范圍輸送消納。

基于中國(guó)資源稟賦，國(guó)家于2000年實(shí)施了西電東送工程。經(jīng)過20年水電高速發(fā)展和10多年新能源快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)在西南、長(zhǎng)江上游集中建成了世界上最大規(guī)模的水電基地，在三北地區(qū)建成了世界上最大規(guī)模的風(fēng)光新能源基地。與此同時(shí)，中國(guó)也建成了全國(guó)互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)電力聯(lián)網(wǎng)。目前，國(guó)內(nèi)水、風(fēng)、光裝機(jī)容量和發(fā)電量均居世界首位，在未來世界新能源發(fā)展及應(yīng)對(duì)碳中和挑戰(zhàn)中占重要地位。清潔能源大規(guī)?？鐓^(qū)域輸送將成為中國(guó)未來能源總體格局，極大地區(qū)別于世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家。解決資源與負(fù)荷逆向分布的水、風(fēng)、光大規(guī)模集中消納是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的核心問題之一。

2 中國(guó)水電與全國(guó)互聯(lián)的水電輸送條件

水電是技術(shù)成熟、可靠的可再生能源，一直是中國(guó)乃至世界的第2大電源［15］。中國(guó)因?yàn)樘厥獾牡匦魏蜌夂驐l件，擁有全球最豐富的水電資源，這些水電資源又主要位于西南和長(zhǎng)江上游地區(qū)，且主要集中在西南和長(zhǎng)江上游水電基地的干流梯級(jí)。

西南橫跨中國(guó)地理三大臺(tái)階，地勢(shì)落差大且河流密布，是國(guó)內(nèi)水能資源最富集地區(qū)，0.1 MW及以上水電的技術(shù)可開發(fā)容量達(dá)414 GW，占國(guó)內(nèi)總技術(shù)可開發(fā)容量的68.6%，水能資源理論蘊(yùn)藏年發(fā)電量為4 450 TW·h，占全國(guó)水電75%左右［13］。域內(nèi)有雅魯藏布江、金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、瀾滄江、怒江、南盤江/紅水河8個(gè)水電基地，除了雅魯藏布江、怒江未大規(guī)模開發(fā)外，其他幾個(gè)流域中下游已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)，是國(guó)內(nèi)西電東送工程重點(diǎn)規(guī)劃和布局的電源工程。長(zhǎng)江上游干流是國(guó)內(nèi)另一水電富礦，即將全面建成的金沙江下游4個(gè)梯級(jí)加三峽、葛洲壩6個(gè)水電站，水電總裝機(jī)容量達(dá)70.315 GW，占全國(guó)水電蘊(yùn)藏量的10%，年平均發(fā)電量300 TW·h。

以西南、長(zhǎng)江上游水電基地水電輸送為主要目標(biāo)的中通道、南通道已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了西南、華中、華東、華北、華南、西北跨省跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)。西南、長(zhǎng)江地區(qū)水電規(guī)模、集中程度、與其他電網(wǎng)的互聯(lián)互通便利條件，對(duì)解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)在和未來億千瓦級(jí)、數(shù)十億千瓦級(jí)風(fēng)光大規(guī)模集中消納問題具有非常特別的意義。

3 儲(chǔ)能技術(shù)與常規(guī)水電比較

為了解決風(fēng)光消納問題，世界各國(guó)都在大力發(fā)展各種儲(chǔ)能技術(shù)［8］。儲(chǔ)能技術(shù)根據(jù)其技術(shù)特性，分為能量型和功率型。前者包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能等，其特點(diǎn)是能量密度高、儲(chǔ)能容量大；后者包括飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等，其特點(diǎn)是功率密度高、響應(yīng)速度快、可頻繁充放電。根據(jù)電能轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)形態(tài)，分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能4類。物理儲(chǔ)能主要有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；化學(xué)儲(chǔ)能主要有鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和金屬空氣電池；電磁儲(chǔ)能有超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能2種；相變儲(chǔ)能有電儲(chǔ)熱、熔融鹽儲(chǔ)熱及冰蓄冷技術(shù)。各種儲(chǔ)能技術(shù)特性及其適應(yīng)條件，很多文獻(xiàn)已經(jīng)給出總結(jié)，在此不再一一贅述。本文重點(diǎn)比較常規(guī)水電與抽水蓄能電站。

通常所說的水電包括常規(guī)水電和抽水蓄能電站，所看到的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)一般是指兩者總和［6，14］。常規(guī)水電利用落差和聚集的發(fā)電流量進(jìn)行發(fā)電，具有啟動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用中發(fā)揮著重要作用；抽水蓄能則是在負(fù)荷低谷將水從下庫(kù)抽至上庫(kù)，在用電高峰時(shí)再安排發(fā)電，是核電、風(fēng)、光等清潔能源重要的配套電源，主要通過電力置換對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)優(yōu)化整個(gè)電網(wǎng)資源配置有著非常重要的作用，也是未來世界和中國(guó)新能源發(fā)展必不可少的重要儲(chǔ)能技術(shù)。抽水蓄能較常規(guī)水電有如下幾個(gè)主要不同。

1）無論中國(guó)還是世界，抽水蓄能總體裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)水電，存在數(shù)量級(jí)上的差異［12，14］。

2）抽水蓄能庫(kù)容較小，通常只能進(jìn)行日內(nèi)負(fù)荷調(diào)節(jié)，而常規(guī)水電則有多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、不完全年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)及徑流式水電站，反映在它們的庫(kù)容上有很大不同。有些多年調(diào)節(jié)水電站，汛期可以不發(fā)電或者少發(fā)電，將汛期徑流全部或者大部分儲(chǔ)存起來，主要在枯期發(fā)電；通過蓄豐補(bǔ)枯，充分利用其巨大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，對(duì)流域天然徑流進(jìn)行重新分配，從而提高整個(gè)流域梯級(jí)水能利用率，滿足電網(wǎng)不同時(shí)間尺度的負(fù)荷響應(yīng)需求。

3）常規(guī)水電通過梯級(jí)水電站群聯(lián)合調(diào)度，能夠充分發(fā)揮龍頭水電站群的作用，大幅提高整個(gè)梯級(jí)水能利用率和靈活性調(diào)控水平［15-17］。其核心要點(diǎn)是對(duì)龍頭水電站群年初、汛前、汛后、年末關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)水位進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域梯級(jí)水電站群總體蓄能關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制，盡可能避免棄水和缺電；為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)總體資源最優(yōu)配置，在月、旬、周發(fā)電計(jì)劃制定過程中，充分挖掘年調(diào)節(jié)以下梯級(jí)水電站群的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；為滿足電網(wǎng)電力電量平衡，充分挖掘梯級(jí)水電靈活性能力，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全。梯級(jí)水電在年、月、旬、周、日、時(shí)不同時(shí)間尺度上，可以對(duì)多種調(diào)節(jié)性能水電站群進(jìn)行時(shí)序遞進(jìn)的靈活性挖掘，能夠發(fā)揮梯級(jí)水電站群巨大的規(guī)模效應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)季節(jié)性、短期、日負(fù)荷波動(dòng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，這是常規(guī)抽水蓄能電站難以企及的，也是未來風(fēng)光成為電網(wǎng)主導(dǎo)電源所急需和短缺的，如圖1所示。

圖1 常規(guī)水電與抽水蓄能電站比較Fig.1 Comparison between conventional hydropower station and pumped storage power station

根據(jù)上述比較，從中國(guó)和世界儲(chǔ)能發(fā)展來看，不管是目前技術(shù)最成熟和居支配地位的抽水蓄能，還是被寄予厚望的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，無論是從規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性、安全性，還是對(duì)多種尺度負(fù)荷波動(dòng)的靈活性響應(yīng)上，都難以與常規(guī)水電進(jìn)行比較。因此，如何促進(jìn)常規(guī)水電對(duì)中國(guó)風(fēng)光新能源大規(guī)模集中消納，恰逢其時(shí)，是中國(guó)應(yīng)對(duì)碳中和必須要加以充分利用的珍貴資源。

4 水電重塑：由“電源供應(yīng)者”逐步轉(zhuǎn)向“電源供應(yīng)者+‘電池’調(diào)節(jié)者”

解決中國(guó)新能源跨省、跨區(qū)域消納，需要持續(xù)在如下幾個(gè)方面發(fā)力：進(jìn)一步加強(qiáng)新能源跨省、跨區(qū)域通道的建設(shè)，提升新能源送出能力；持續(xù)開展源、網(wǎng)、荷側(cè)的電力電子技術(shù)水平研究，提升傳統(tǒng)電源、新型電源對(duì)電網(wǎng)的慣性支撐能力；發(fā)展各種控制技術(shù)，提高靈活性需求的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓響應(yīng)能力。另一個(gè)非常重要的方面就是如何充分利用中國(guó)各大水電基地梯級(jí)水電站群巨大的“儲(chǔ)能”和多尺度調(diào)節(jié)的靈活性作用，以及與各大電網(wǎng)的互聯(lián)方便條件，使其成為全國(guó)電力未來的靈活性調(diào)節(jié)中樞；通過水電角色重塑，使其由“電源供應(yīng)者”逐步轉(zhuǎn)向“電源供應(yīng)者＋‘電池’調(diào)節(jié)者”，通過梯級(jí)水電功能再造，在有條件的常規(guī)水電站處加建季節(jié)性抽水蓄能電站，以更好地發(fā)揮水電的調(diào)蓄；兩方面同時(shí)發(fā)力，與其他儲(chǔ)能技術(shù)一起，助力中國(guó)碳中和目標(biāo)的穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)。在全國(guó)十四大水電基地中，特別要關(guān)注和重視西南、長(zhǎng)江上游水電資源，理由如下。

1）解決中國(guó)億千瓦級(jí)、數(shù)十億千瓦級(jí)風(fēng)光大規(guī)模集中消納問題，必須有相當(dāng)規(guī)模的靈活性調(diào)節(jié)電源，西南和長(zhǎng)江水電基地干流梯級(jí)水電恰好具備這樣的規(guī)模，世界各國(guó)都難以找到類似中國(guó)這樣的有利條件，充分發(fā)揮這2個(gè)水電基地與全國(guó)跨區(qū)域電網(wǎng)便利的互聯(lián)條件并利用它們強(qiáng)大的靈活性調(diào)節(jié)能力，是未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域風(fēng)光大規(guī)模消納的最現(xiàn)實(shí)和最可靠選擇。

2）西南及長(zhǎng)江水電基地干流梯級(jí)水電站群，利用干流梯級(jí)多個(gè)龍頭水電站巨大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，通過徑流調(diào)節(jié)，可以充分發(fā)揮這些龍頭水電站巨大調(diào)節(jié)作用，帶來整個(gè)梯級(jí)數(shù)倍的電能調(diào)節(jié)杠桿效應(yīng)，能夠提供年、月、旬、周、日、時(shí)、分各種時(shí)間尺度的靈活性需求響應(yīng)，而這種多尺度的靈活性需求響應(yīng)，正是跨區(qū)域大規(guī)模風(fēng)光集中消納所需要的。

3）水電受制于地形和徑流條件，其未來發(fā)展空間是有限的［13］。未來隨著風(fēng)光規(guī)模和比例在電網(wǎng)中大幅提升，水電從現(xiàn)在重要的電源角色退化到補(bǔ)充角色是必然的，但其靈活性作用將只增不減。因此，盡早實(shí)現(xiàn)水電角色的轉(zhuǎn)變，既是未來的必然選擇，也是時(shí)代的需要。實(shí)施水電從“電源供應(yīng)者”到電網(wǎng)“電源＋‘電池’調(diào)節(jié)者”的角色重塑，將是中國(guó)能源領(lǐng)域革命性、創(chuàng)新性思維的體現(xiàn)。

4）跨區(qū)域源、網(wǎng)、荷存在天然互補(bǔ)性，并且隨著互補(bǔ)區(qū)域空間擴(kuò)大，天然優(yōu)勢(shì)更明顯。中國(guó)季風(fēng)性氣候特點(diǎn)、獨(dú)特的地形類型及多樣的山脈走向，跨緯度大，客觀上造成了南北、東西氣候和地理特征的較大差異，自然而然形成地理位置上水、風(fēng)、光天然互補(bǔ)關(guān)系。另一方面，水、風(fēng)、光發(fā)電特性也存在天然互補(bǔ)性：風(fēng)電常常冬春季風(fēng)大、夏秋季風(fēng)小，白天風(fēng)小、夜間風(fēng)大；光伏發(fā)電夏季日照強(qiáng)、冬季日照短，白天有日照、夜間沒有；水電夏季河流流量大、冬春季流量??；三者形成了天然的互補(bǔ)關(guān)系。在全國(guó)已經(jīng)形成聯(lián)網(wǎng)的情況下，通過研究西南、長(zhǎng)江上游干流梯級(jí)，三北、中東部電源和負(fù)荷特性及其時(shí)空的天然互補(bǔ)規(guī)律，發(fā)揮西南和長(zhǎng)江上游干流梯級(jí)對(duì)多個(gè)跨區(qū)域電力系統(tǒng)風(fēng)光靈活性調(diào)節(jié)中樞作用，將是風(fēng)光大規(guī)模集中消納最有效、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。因此，實(shí)現(xiàn)西南、長(zhǎng)江水電基地與三北風(fēng)光及中東部電源、負(fù)荷的跨區(qū)域互補(bǔ)，將極大地改變傳統(tǒng)水電和“三北”、西部風(fēng)光各自的發(fā)展和消納模式，同時(shí)更能充分發(fā)揮大電網(wǎng)平臺(tái)作用，可實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域范圍的源網(wǎng)荷協(xié)同，以解決三北、西部地區(qū)新能源比例進(jìn)一步增長(zhǎng)帶來的系統(tǒng)靈活性電源不足問題，可從根本上改變中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的布局和戰(zhàn)略規(guī)劃，為新能源發(fā)展提出更加可行的解決方案，有望從根本上緩解和大幅減少國(guó)內(nèi)三棄問題。

5 水電角色重塑的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

碳中和下，水電必須主動(dòng)思考其在中國(guó)能源戰(zhàn)略中的定位。水電從“電源供應(yīng)者”到電網(wǎng)“電源＋‘電池’調(diào)節(jié)者”角色重塑，不僅極大地改變了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水電系統(tǒng)調(diào)度方式，而且會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)能源格局、能源規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行、清潔能源消納產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。首先，需要回答的問題是水電角色重塑能夠在多大程度上解決中國(guó)風(fēng)光新能源跨區(qū)域消納問題。為了回答上述問題，需要什么樣的基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐？另一個(gè)重要方面，針對(duì)中國(guó)風(fēng)光大規(guī)模開發(fā)帶來的集中消納，在常規(guī)抽水蓄能地址選擇受限和只能響應(yīng)日負(fù)荷波動(dòng)情況下，能否借鑒國(guó)際上正在興起的、在已建和規(guī)劃修建流域的有調(diào)節(jié)庫(kù)容的常規(guī)水電站處加建季節(jié)性抽水蓄能電站［18-19］，增加抽水蓄能電站在電網(wǎng)儲(chǔ)能中的規(guī)模和比重，并且通過新型抽水蓄能形式（見圖2）［18］，提供對(duì)風(fēng)光新能源季節(jié)性波動(dòng)的響應(yīng)，利用棄光、棄風(fēng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光資源轉(zhuǎn)化，提高水電資源再利用。其中季節(jié)性抽水蓄能電站，對(duì)于開拓中國(guó)儲(chǔ)能建設(shè)思路意義重大，特別是對(duì)于水、風(fēng)、光資源比較豐富的西南地區(qū)和西北地區(qū)。以上2個(gè)方面是中國(guó)水電重塑的核心內(nèi)容，需要及早進(jìn)行理論和技術(shù)的謀劃，特別需要致力于如下幾個(gè)方面的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

圖2 季節(jié)性抽水蓄能電站選址及其發(fā)電原理Fig.2 Location selection and generation principle of seasonal pumped storage power station

5.1 跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補(bǔ)調(diào)控基礎(chǔ)理論

中國(guó)未來新能源將主要呈2種主要消納方式，如圖3所示。一是分布式就地消納解決，在建設(shè)風(fēng)光新能源時(shí)，配套建設(shè)相匹配的儲(chǔ)能設(shè)施，主要適用于新能源規(guī)模和占比較少的中東部、沿海地區(qū)，不是本文論述重點(diǎn)；另一個(gè)是跨省、跨區(qū)域集中消納解決，適用于新能源規(guī)模龐大的電網(wǎng)層級(jí)，主要是指三北地區(qū)、西南地區(qū)送端電網(wǎng)，這些地區(qū)的新能源規(guī)模大，占比高，大部分需要跨省、跨區(qū)域輸送，是中國(guó)有別于世界各國(guó)的不同點(diǎn)，也是本文重點(diǎn)。

圖3 中國(guó)未來新能源消納的2種消納方式Fig.3 Two manners of China’s renewable energy accommodation in the future

風(fēng)光隨機(jī)性、波動(dòng)性要求電力系統(tǒng)提供足夠的季節(jié)性、短期、超短期靈活性資源。徑流時(shí)空分布的不均勻性及發(fā)電、防洪、生態(tài)用水等綜合應(yīng)用要求水電站蓄豐補(bǔ)枯和對(duì)徑流進(jìn)行時(shí)空再分配。梯級(jí)水電調(diào)節(jié)性能差異展示了它們不同的電量轉(zhuǎn)移能力和靈活性響應(yīng)能力；梯級(jí)水電上下游水力聯(lián)系使得梯級(jí)在時(shí)間、空間上關(guān)聯(lián)耦合，它們聯(lián)合運(yùn)行能夠全面提高梯級(jí)水電系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求的能力。這些特點(diǎn)，使得梯級(jí)水電與其他電源協(xié)同調(diào)度和控制極其復(fù)雜，需要控龍頭、抓互補(bǔ)、增靈活，對(duì)梯級(jí)水電群進(jìn)行時(shí)序遞進(jìn)的蓄能控制、庫(kù)容挖掘、靈活性需求響應(yīng)，如圖4所示，以滿足不同時(shí)間尺度、季節(jié)性控制要求的水、風(fēng)、光互補(bǔ)調(diào)控需要。這就需要全面創(chuàng)新梯級(jí)水電站群調(diào)度理論，把風(fēng)光季節(jié)性波動(dòng)、日內(nèi)波動(dòng)耦合到不同尺度的梯級(jí)水電站群優(yōu)化建模中，需要構(gòu)建多時(shí)間嵌套、跨區(qū)域協(xié)同的多電源優(yōu)化控制理論方法，突破超大規(guī)模、不確定性、高維優(yōu)化求解理論難題。

圖4 多時(shí)空尺度遞進(jìn)挖掘梯級(jí)水電調(diào)節(jié)能力Fig.4 Multiple temporal and spatial scales excavation cascaded hydropower regulation capacity step by step

5.2 梯級(jí)水電功能再造的抽水蓄能電站技術(shù)及其調(diào)度運(yùn)行理論

如前所述，受限于水電自然和地理?xiàng)l件，水電在中國(guó)電源結(jié)構(gòu)中的比例將逐步降低，必然會(huì)從現(xiàn)在的主要電源發(fā)展成為未來電網(wǎng)的重要調(diào)峰、調(diào)頻電源，除了汛期為避免棄水進(jìn)行最大程度消納外，大多數(shù)時(shí)間將會(huì)作為電網(wǎng)的靈活性電源。在這樣的背景下，如何突破固有思維慣性，及早從電源的靈活性思維出發(fā)，對(duì)已建成流域梯級(jí)水電站群進(jìn)行季節(jié)性抽水蓄能電站的改造，從電網(wǎng)靈活性考慮對(duì)未來即將開發(fā)的流域梯級(jí)水電站群進(jìn)行重新定位并進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

事實(shí)上，為了應(yīng)對(duì)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，水電較多的巴西和世界水電占比較高的其他國(guó)家，已經(jīng)對(duì)水電靈活性角色有了新的認(rèn)知，率先提出了季節(jié)性抽水蓄能電站的概念［18-19］，并已經(jīng)開始了季節(jié)性抽水蓄能電站的建設(shè)。對(duì)于中國(guó)來說，季節(jié)性抽水蓄能電站的作用將更為重要，并且可以將其概念進(jìn)一步延展，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。場(chǎng)景1類同于巴西等國(guó)家，定位于電網(wǎng)層級(jí)跨區(qū)域新能源季節(jié)性和日內(nèi)波動(dòng)需求，利用流域梯級(jí)干流和支流合適的地理位置，在有調(diào)節(jié)能力常規(guī)水電站處修建季節(jié)性抽水蓄能水電站［18］，實(shí)現(xiàn)不可控新能源電量的時(shí)空轉(zhuǎn)移，如圖3（b）所示；場(chǎng)景2是不局限于年調(diào)節(jié)及以上的水電站，在有調(diào)節(jié)能力的水電站處，加建抽水蓄能電站，通過水泵直接將水抽到水庫(kù)，利用原有機(jī)組發(fā)電，這樣能夠利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光資源，在通道受限時(shí)隨時(shí)利用棄電將水流抽至庫(kù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用，這對(duì)于中國(guó)發(fā)展流域水、風(fēng)、光綠色走廊尤其重要。

季節(jié)性抽水蓄能電站較傳統(tǒng)的抽水蓄能電站有極大不同：①著眼于電網(wǎng)的季節(jié)性靈活性需求，而非僅日負(fù)荷波動(dòng)需求；②對(duì)已建和未建的常規(guī)梯級(jí)水電站群從靈活性需求出發(fā)，通過在有調(diào)節(jié)能力梯級(jí)水電站群加建季節(jié)性或者周期性抽水蓄能電站，提高整個(gè)流域的水能利用率和對(duì)電網(wǎng)靈活性需求的響應(yīng)；③改變了傳統(tǒng)的梯級(jí)水電站群規(guī)劃和運(yùn)行方式，需要對(duì)現(xiàn)有的流域梯級(jí)水電規(guī)劃及其運(yùn)行提出新的理論方法和建設(shè)技術(shù)。

中國(guó)水電主要集中在西南、長(zhǎng)江流域，風(fēng)光占比較高的西北新疆、青海水電也較多。因此，為應(yīng)對(duì)中國(guó)未來風(fēng)光大規(guī)模開發(fā)，在西南、西北水電基地研究干流及支流季節(jié)性抽水蓄能電站意義重大。由于季節(jié)性抽水蓄能改變了傳統(tǒng)的上下游梯級(jí)水力聯(lián)系，而梯級(jí)水電的上下游緊密水力聯(lián)系本身使得梯級(jí)的中長(zhǎng)期和短期存在多尺度耦合與影響。因此，季節(jié)性抽水蓄能電站的加建和規(guī)劃也會(huì)極大地改變流域梯級(jí)水能規(guī)劃和運(yùn)行，需要全新的理論和技術(shù)的指導(dǎo)。

5.3 水電重塑下的干流梯級(jí)水電站群調(diào)度運(yùn)行方式

水電重塑的核心是從“電源供應(yīng)者”轉(zhuǎn)化為“電源供應(yīng)者＋‘電池’調(diào)節(jié)者”，需要應(yīng)對(duì)風(fēng)光新能源大規(guī)模增加后的季節(jié)性和日內(nèi)出力波動(dòng)［20］，不僅僅要響應(yīng)尖峰負(fù)荷，還要滿足低谷負(fù)荷。梯級(jí)水電從最大化利用水能資源轉(zhuǎn)化成為水能利用和靈活性調(diào)節(jié)并舉，特別是在枯期，需要最大限度地發(fā)揮梯級(jí)水電的靈活性調(diào)節(jié)作用。另一方面，梯級(jí)水電對(duì)風(fēng)光靈活性需求的響應(yīng)，需要將風(fēng)光的季節(jié)性波動(dòng)、日內(nèi)波動(dòng)嵌入到梯級(jí)水電的長(zhǎng)、中、短期及實(shí)時(shí)調(diào)度建模過程中，這不僅帶來了模型結(jié)構(gòu)的變化，而且?guī)砹讼到y(tǒng)規(guī)模指數(shù)級(jí)的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度、求解難度急劇上升［21］。需要研究梯級(jí)水電在滿足發(fā)電、防洪、供水、通航、生態(tài)用水等綜合需求下，在不同風(fēng)光新能源滲透率下的梯級(jí)水電站群水位控制方式，包括龍頭水電站群的控制運(yùn)行方式，季節(jié)性的梯級(jí)水電站群運(yùn)行方式，旬、周梯級(jí)水電運(yùn)行控制方式，以及日內(nèi)和實(shí)時(shí)水電運(yùn)行控制，以響應(yīng)不同時(shí)間尺度的風(fēng)光新能源靈活性需求。通過上述研究，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)及梯級(jí)水電站群的時(shí)序遞進(jìn)水電靈活性挖掘，以最大限度地滿足中國(guó)新能源迅速增長(zhǎng)的跨區(qū)域靈活性需求。

5.4 多源信息融合的高精度水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)技術(shù)

支撐未來國(guó)內(nèi)跨省、跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補(bǔ)調(diào)控，高精度的水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)技術(shù)是前提。氣候變化導(dǎo)致大氣環(huán)流發(fā)生重大變化，極端水文事件（如洪澇、干旱）呈現(xiàn)增加或加重的變化趨勢(shì)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來人類活動(dòng)影響日益加劇，這些因素極大地改變了水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)的一致性條件，使得水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)更為困難。另一方面，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步提高了各種天、地、空及各種專業(yè)要素?cái)?shù)據(jù)的觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、分析手段，如何從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、遙感、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）等海量數(shù)據(jù)中，重構(gòu)傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，開展基于多源海量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)、人工智能水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)研究，是未來提高水、風(fēng)、光預(yù)測(cè)的根本和可靠途徑。

5.5 水電重塑的跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補(bǔ)實(shí)施路徑

為了避免中國(guó)水、風(fēng)、光建成即存在大規(guī)模棄電的可能，未來大規(guī)模風(fēng)光開發(fā)必須進(jìn)行整體的路徑規(guī)劃，這就需要從源、網(wǎng)、荷多個(gè)途徑研究配置跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補(bǔ)問題，包括跨區(qū)域同質(zhì)電源聚合規(guī)律、異質(zhì)電源的互補(bǔ)規(guī)律，多電源間聚合和互補(bǔ)規(guī)律。特別需要研究水電對(duì)國(guó)內(nèi)大規(guī)模風(fēng)光開發(fā)的支撐路徑，跟誰(shuí)互補(bǔ)、何時(shí)互補(bǔ)、如何互補(bǔ)以及在不同季節(jié)、不同時(shí)間如何挖掘梯級(jí)水電的靈活性。

6 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)，必須繼續(xù)大規(guī)模開發(fā)風(fēng)光等新能源，可以采用跨區(qū)域集中消納和分布式消納2種方式并存解決國(guó)內(nèi)差異化新能源消納問題。在現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來，中國(guó)跨區(qū)域大規(guī)模風(fēng)光集中消納問題需要發(fā)揮國(guó)內(nèi)獨(dú)一無二的水電規(guī)模、集中程度的資源稟賦，充分利用十四大水電基地干流梯級(jí)巨大的“儲(chǔ)能”和多尺度調(diào)節(jié)的靈活性作用，讓它們成為全國(guó)和分區(qū)電力未來的靈活性調(diào)節(jié)中樞。在現(xiàn)階段和未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，水電是中國(guó)碳中和目標(biāo)最現(xiàn)實(shí)、最可靠的選擇。

針對(duì)中國(guó)碳中和這一重大需求，需要及早開展水電重塑，特別是西南、長(zhǎng)江上游水電重塑的問題研究。需要充分利用國(guó)內(nèi)流域水電資源集中優(yōu)勢(shì)和流域周邊風(fēng)光資源豐富的條件，開展流域級(jí)、省級(jí)、區(qū)域級(jí)、跨區(qū)域級(jí)水、風(fēng)、光互補(bǔ)問題研究，及早對(duì)水電進(jìn)行能源戰(zhàn)略定位，對(duì)已建、在建、規(guī)劃中的水電，開展季節(jié)性、周期性抽水蓄能電站的調(diào)查和規(guī)劃，進(jìn)一步挖掘水電儲(chǔ)能價(jià)值。水電重塑既是中國(guó)能源戰(zhàn)略必然驅(qū)動(dòng)，也是水電地域、特性所決定的。