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

中國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”目標(biāo)［1-2］。實現(xiàn)這一目標(biāo)必須充分利用國內(nèi)水、風(fēng)、光資源豐富的稟賦條件［3］，在全國優(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)、光裝機容量將從2019年占全國電源的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，必將給中國電網(wǎng)安全運行和清潔能源消納帶來重大挑戰(zhàn)，其中的一個重要挑戰(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)儲能9.6 GW，占5.2%；中國總的儲能為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，居主導(dǎo)地位的儲能技術(shù)均是抽水蓄能水電站，其次是電化學(xué)儲能，且后者與前者存在數(shù)量級差異。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條件，并不能根據(jù)新能源分布地理位置特點就地加建；電化學(xué)儲能是國內(nèi)外研究熱點，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，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)儲能，相對于中國現(xiàn)在和未來千萬千瓦級、億千瓦級、十億千瓦級及以上新能源跨區(qū)域大規(guī)模集中消納，只是杯水車薪，在可以預(yù)見的很長一段時間內(nèi)，難以應(yīng)對國內(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)型的國家，中國擁有世界上最豐富的水電資源，理論蘊藏量為676 GW［13］。經(jīng)過西電東送工程20年建設(shè)，中國已經(jīng)建成了世界上最大規(guī)模的水電系統(tǒng)，水電裝機容量先后跨越了100 GW、200 GW、300 GW臺階，一直穩(wěn)居世界第一。2019年，中國已建成水電裝機總?cè)萘窟_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、第4加拿大和第5印度4個國家容量總和［14］，是世界其他能源轉(zhuǎn)型國家所不具備的。考慮到中國水電與現(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，如何利用中國獨一無二的水電資源有利條件，開展支撐中國跨區(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碳中和下風(fēng)光大規(guī)模消納的機遇和重要的解決途徑，也是國家能源戰(zhàn)略布局需要深入研究的問題。

1 中國能源資源和負(fù)荷格局

實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，必須依據(jù)中國能源資源稟賦、負(fù)荷格局、經(jīng)濟發(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決定了中國清潔能源需要跨省、跨區(qū)域大規(guī)模、大范圍輸送消納。

基于中國資源稟賦，國家于2000年實施了西電東送工程。經(jīng)過20年水電高速發(fā)展和10多年新能源快速發(fā)展，中國已經(jīng)在西南、長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，中國也建成了全國互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了全國電力聯(lián)網(wǎng)。目前，國內(nèi)水、風(fēng)、光裝機容量和發(fā)電量均居世界首位，在未來世界新能源發(fā)展及應(yīng)對碳中和挑戰(zhàn)中占重要地位。清潔能源大規(guī)模跨區(qū)域輸送將成為中國未來能源總體格局，極大地區(qū)別于世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的德國、英國、美國等國家。解決資源與負(fù)荷逆向分布的水、風(fēng)、光大規(guī)模集中消納是中國實現(xiàn)碳中和的核心問題之一。

2 中國水電與全國互聯(lián)的水電輸送條件

水電是技術(shù)成熟、可靠的可再生能源，一直是中國乃至世界的第2大電源［15］。中國因為特殊的地形和氣候條件，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江上游地區(qū)，且主要集中在西南和長江上游水電基地的干流梯級。

西南橫跨中國地理三大臺階，地勢落差大且河流密布，是國內(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414 GW，占國內(nèi)總技術(shù)可開發(fā)容量的68.6%，水能資源理論蘊藏年發(fā)電量為4 450 TW·h，占全國水電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，其他幾個流域中下游已經(jīng)進行了大規(guī)模開發(fā)，是國內(nèi)西電東送工程重點規(guī)劃和布局的電源工程。長江上游干流是國內(nèi)另一水電富礦，即將全面建成的金沙江下游4個梯級加三峽、葛洲壩6個水電站，水電總裝機容量達70.315 GW，占全國水電蘊藏量的10%，年平均發(fā)電量300 TW·h。

以西南、長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，對解決國內(nèi)現(xiàn)在和未來億千瓦級、數(shù)十億千瓦級風(fēng)光大規(guī)模集中消納問題具有非常特別的意義。

3 儲能技術(shù)與常規(guī)水電比較

為了解決風(fēng)光消納問題，世界各國都在大力發(fā)展各種儲能技術(shù)［8］。儲能技術(shù)根據(jù)其技術(shù)特性，分為能量型和功率型。前者包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、電池儲能等，其特點是能量密度高、儲能容量大；后者包括飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等，其特點是功率密度高、響應(yīng)速度快、可頻繁充放電。根據(jù)電能轉(zhuǎn)化存儲形態(tài)，分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲能4類。物理儲能主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；化學(xué)儲能主要有鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和金屬空氣電池；電磁儲能有超導(dǎo)磁儲能和超級電容器儲能2種；相變儲能有電儲熱、熔融鹽儲熱及冰蓄冷技術(shù)。各種儲能技術(shù)特性及其適應(yīng)條件，很多文獻已經(jīng)給出總結(jié)，在此不再一一贅述。本文重點比較常規(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)電流量進行發(fā)電，具有啟動靈活、反應(yīng)迅速等特點，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)荷低谷將水從下庫抽至上庫，在用電高峰時再安排發(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電網(wǎng)負(fù)荷進行調(diào)節(jié)，對優(yōu)化整個電網(wǎng)資源配置有著非常重要的作用，也是未來世界和中國新能源發(fā)展必不可少的重要儲能技術(shù)。抽水蓄能較常規(guī)水電有如下幾個主要不同。

1）無論中國還是世界，抽水蓄能總體裝機規(guī)模和發(fā)電量遠遠小于常規(guī)水電，存在數(shù)量級上的差異［12，14］。

2）抽水蓄能庫容較小，通常只能進行日內(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存起來，主要在枯期發(fā)電；通過蓄豐補枯，充分利用其巨大的調(diào)節(jié)庫容，對流域天然徑流進行重新分配，從而提高整個流域梯級水能利用率，滿足電網(wǎng)不同時間尺度的負(fù)荷響應(yīng)需求。

3）常規(guī)水電通過梯級水電站群聯(lián)合調(diào)度，能夠充分發(fā)揮龍頭水電站群的作用，大幅提高整個梯級水能利用率和靈活性調(diào)控水平［15-17］。其核心要點是對龍頭水電站群年初、汛前、汛后、年末關(guān)鍵時間節(jié)點水位進行有效控制，實現(xiàn)對流域梯級水電站群總體蓄能關(guān)鍵節(jié)點控制，盡可能避免棄水和缺電；為實現(xiàn)電力系統(tǒng)總體資源最優(yōu)配置，在月、旬、周發(fā)電計劃制定過程中，充分挖掘年調(diào)節(jié)以下梯級水電站群的調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)電網(wǎng)運行經(jīng)濟性最優(yōu)；為滿足電網(wǎng)電力電量平衡，充分挖掘梯級水電靈活性能力，保證電網(wǎng)運行安全。梯級水電在年、月、旬、周、日、時不同時間尺度上，可以對多種調(diào)節(jié)性能水電站群進行時序遞進的靈活性挖掘，能夠發(fā)揮梯級水電站群巨大的規(guī)模效應(yīng)，對電網(wǎng)季節(jié)性、短期、日負(fù)荷波動進行有效調(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，從中國和世界儲能發(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)儲能技術(shù)，無論是從規(guī)模、經(jīng)濟性、安全性，還是對多種尺度負(fù)荷波動的靈活性響應(yīng)上，都難以與常規(guī)水電進行比較。因此，如何促進常規(guī)水電對中國風(fēng)光新能源大規(guī)模集中消納，恰逢其時，是中國應(yīng)對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”

解決中國新能源跨省、跨區(qū)域消納，需要持續(xù)在如下幾個方面發(fā)力：進一步加強新能源跨省、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。另一個非常重要的方面就是如何充分利用中國各大水電基地梯級水電站群巨大的“儲能”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；兩方面同時發(fā)力，與其他儲能技術(shù)一起，助力中國碳中和目標(biāo)的穩(wěn)步實現(xiàn)。在全國十四大水電基地中，特別要關(guān)注和重視西南、長江上游水電資源，理由如下。

1）解決中國億千瓦級、數(shù)十億千瓦級風(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，西南和長江水電基地干流梯級水電恰好具備這樣的規(guī)模，世界各國都難以找到類似中國這樣的有利條件，充分發(fā)揮這2個水電基地與全國跨區(qū)域電網(wǎng)便利的互聯(lián)條件并利用它們強大的靈活性調(diào)節(jié)能力，是未來很長一段時間內(nèi)實現(xiàn)跨區(qū)域風(fēng)光大規(guī)模消納的最現(xiàn)實和最可靠選擇。

2）西南及長江水電基地干流梯級水電站群，利用干流梯級多個龍頭水電站巨大的調(diào)節(jié)庫容，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，帶來整個梯級數(shù)倍的電能調(diào)節(jié)杠桿效應(yīng)，能夠提供年、月、旬、周、日、時、分各種時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充角色是必然的，但其靈活性作用將只增不減。因此，盡早實現(xiàn)水電角色的轉(zhuǎn)變，既是未來的必然選擇，也是時代的需要。實施水電從“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)、荷存在天然互補性，并且隨著互補區(qū)域空間擴大，天然優(yōu)勢更明顯。中國季風(fēng)性氣候特點、獨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)、光天然互補關(guān)系。另一方面，水、風(fēng)、光發(fā)電特性也存在天然互補性：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、冬季日照短，白天有日照、夜間沒有；水電夏季河流流量大、冬春季流量小；三者形成了天然的互補關(guān)系。在全國已經(jīng)形成聯(lián)網(wǎng)的情況下，通過研究西南、長江上游干流梯級，三北、中東部電源和負(fù)荷特性及其時空的天然互補規(guī)律，發(fā)揮西南和長江上游干流梯級對多個跨區(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)濟的技術(shù)手段。因此，實現(xiàn)西南、長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，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，同時更能充分發(fā)揮大電網(wǎng)平臺作用，可實現(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)新能源比例進一步增長帶來的系統(tǒng)靈活性電源不足問題，可從根本上改變中國能源結(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，水電必須主動思考其在中國能源戰(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內(nèi)現(xiàn)有水電系統(tǒng)調(diào)度方式，而且會對國內(nèi)能源格局、能源規(guī)劃、電網(wǎng)運行、清潔能源消納產(chǎn)生深遠影響。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？另一個重要方面，針對中國風(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)荷波動情況下，能否借鑒國際上正在興起的、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］，提供對風(fēng)光新能源季節(jié)性波動的響應(yīng)，利用棄光、棄風(fēng)，實現(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，對于開拓中國儲能建設(shè)思路意義重大，特別是對于水、風(fēng)、光資源比較豐富的西南地區(qū)和西北地區(qū)。以上2個方面是中國水電重塑的核心內(nèi)容，需要及早進行理論和技術(shù)的謀劃，特別需要致力于如下幾個方面的關(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)、光互補調(diào)控基礎(chǔ)理論

中國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，配套建設(shè)相匹配的儲能設(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；另一個是跨省、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，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，是中國有別于世界各國的不同點，也是本文重點。

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

風(fēng)光隨機性、波動性要求電力系統(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枯和對徑流進行時空再分配。梯級水電調(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；梯級水電上下游水力聯(lián)系使得梯級在時間、空間上關(guān)聯(lián)耦合，它們聯(lián)合運行能夠全面提高梯級水電系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求的能力。這些特點，使得梯級水電與其他電源協(xié)同調(diào)度和控制極其復(fù)雜，需要控龍頭、抓互補、增靈活，對梯級水電群進行時序遞進的蓄能控制、庫容挖掘、靈活性需求響應(yīng)，如圖4所示，以滿足不同時間尺度、季節(jié)性控制要求的水、風(fēng)、光互補調(diào)控需要。這就需要全面創(chuàng)新梯級水電站群調(diào)度理論，把風(fēng)光季節(jié)性波動、日內(nèi)波動耦合到不同尺度的梯級水電站群優(yōu)化建模中，需要構(gòu)建多時間嵌套、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 多時空尺度遞進挖掘梯級水電調(diào)節(jié)能力Fig.4 Multiple temporal and spatial scales excavation cascaded hydropower regulation capacity step by step

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

如前所述，受限于水電自然和地理條件，水電在中國電源結(jié)構(gòu)中的比例將逐步降低，必然會從現(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行最大程度消納外，大多數(shù)時間將會作為電網(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)，對已建成流域梯級水電站群進行季節(jié)性抽水蓄能電站的改造，從電網(wǎng)靈活性考慮對未來即將開發(fā)的流域梯級水電站群進行重新定位并進行重新規(guī)劃設(shè)計就顯得尤為重要。

事實上，為了應(yīng)對能源結(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家，已經(jīng)對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)。對于中國來說，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一步延展，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。場景1類同于巴西等國家，定位于電網(wǎng)層級跨區(qū)域新能源季節(jié)性和日內(nèi)波動需求，利用流域梯級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］，實現(xiàn)不可控新能源電量的時空轉(zhuǎn)移，如圖3（b）所示；場景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，利用原有機組發(fā)電，這樣能夠利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光資源，在通道受限時隨時利用棄電將水流抽至庫區(qū)，實現(xiàn)水資源循環(huán)利用，這對于中國發(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)荷波動需求；②對已建和未建的常規(guī)梯級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，提高整個流域的水能利用率和對電網(wǎng)靈活性需求的響應(yīng)；③改變了傳統(tǒng)的梯級水電站群規(guī)劃和運行方式，需要對現(xiàn)有的流域梯級水電規(guī)劃及其運行提出新的理論方法和建設(shè)技術(shù)。

中國水電主要集中在西南、長江流域，風(fēng)光占比較高的西北新疆、青海水電也較多。因此，為應(yīng)對中國未來風(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)的上下游梯級水力聯(lián)系，而梯級水電的上下游緊密水力聯(lián)系本身使得梯級的中長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)劃也會極大地改變流域梯級水能規(guī)劃和運行，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水電站群調(diào)度運行方式

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［20］，不僅僅要響應(yīng)尖峰負(fù)荷，還要滿足低谷負(fù)荷。梯級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)揮梯級水電的靈活性調(diào)節(jié)作用。另一方面，梯級水電對風(fēng)光靈活性需求的響應(yīng)，需要將風(fēng)光的季節(jié)性波動、日內(nèi)波動嵌入到梯級水電的長、中、短期及實時調(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水電站群水位控制方式，包括龍頭水電站群的控制運行方式，季節(jié)性的梯級水電站群運行方式，旬、周梯級水電運行控制方式，以及日內(nèi)和實時水電運行控制，以響應(yīng)不同時間尺度的風(fēng)光新能源靈活性需求。通過上述研究，實現(xiàn)梯級及梯級水電站群的時序遞進水電靈活性挖掘，以最大限度地滿足中國新能源迅速增長的跨區(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)測技術(shù)

支撐未來國內(nèi)跨省、跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補調(diào)控，高精度的水、風(fēng)、光預(yù)測技術(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，社會經(jīng)濟快速發(fā)展帶來人類活動影響日益加劇，這些因素極大地改變了水、風(fēng)、光預(yù)測的一致性條件，使得水、風(fēng)、光預(yù)測更為困難。另一方面，科學(xué)技術(shù)進步提高了各種天、地、空及各種專業(yè)要素數(shù)據(jù)的觀測、監(jiān)測、分析手段，如何從數(shù)值天氣預(yù)報、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)測研究，是未來提高水、風(fēng)、光預(yù)測的根本和可靠途徑。

5.5 水電重塑的跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補實施路徑

為了避免中國水、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)必須進行整體的路徑規(guī)劃，這就需要從源、網(wǎng)、荷多個途徑研究配置跨區(qū)域水、風(fēng)、光互補問題，包括跨區(qū)域同質(zhì)電源聚合規(guī)律、異質(zhì)電源的互補規(guī)律，多電源間聚合和互補規(guī)律。特別需要研究水電對國內(nèi)大規(guī)模風(fēng)光開發(fā)的支撐路徑，跟誰互補、何時互補、如何互補以及在不同季節(jié)、不同時間如何挖掘梯級水電的靈活性。

6 結(jié)語

為了實現(xiàn)中國碳中和目標(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，中國跨區(qū)域大規(guī)模風(fēng)光集中消納問題需要發(fā)揮國內(nèi)獨一無二的水電規(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巨大的“儲能”和多尺度調(diào)節(jié)的靈活性作用，讓它們成為全國和分區(qū)電力未來的靈活性調(diào)節(jié)中樞。在現(xiàn)階段和未來很長一段時間內(nèi)，水電是中國碳中和目標(biāo)最現(xiàn)實、最可靠的選擇。

針對中國碳中和這一重大需求，需要及早開展水電重塑，特別是西南、長江上游水電重塑的問題研究。需要充分利用國內(nèi)流域水電資源集中優(yōu)勢和流域周邊風(fēng)光資源豐富的條件，開展流域級、省級、區(qū)域級、跨區(qū)域級水、風(fēng)、光互補問題研究，及早對水電進行能源戰(zhàn)略定位，對已建、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，進一步挖掘水電儲能價值。水電重塑既是中國能源戰(zhàn)略必然驅(qū)動，也是水電地域、特性所決定的。