第1章绪论
1.1研究背景与意义
当前许多国家在努力实现能源转型，水电作为清洁能源，以具有污染小、可再生、运行费用低等诸多优点赢得了各国的青睐，得到了大力发展（表1-1）。在未来高比例可再生能源电力系统结构中，水电作为调峰调频的重要角色，将会面临频繁过渡过程中结构可靠性和非*优工况下水力发电机组发电可靠性两个重要问题（Gosens et al.，2017；WorldEnergyCouncil，2013）。因此，从水电站自身角度考虑，研究高比例可再生能源系统中机组发电可靠性和动态性能具有重要的应用价值。
水电厂中用于调节负荷功率的是水轮机调节系统，由水力发电机组、调速器等组成。对于目前大多数水电厂，调节系统主要在水力发电机组*优工况区对电力负荷冲击进行调节。在髙比例可再生能源电力系统中，由于随机可再生能源功率变化较大，机组会在*优工况区和非*优工况区承担更加频繁的调节任务（Chaudhry，1979）。水力发电机组在非*优工况区轴系振动剧烈，发电机角速度在调速器控制下难以保证其波动的稳定性，这会对水力发电机组发电可靠性造成巨大威胁。在传统*优工况区设计的水轮机调节系统模型没有考虑非*优工况下轴系振动对调速器控制的影响，因此，轴系振动在部分荷载运行下对发电机角速度的影响，是发电可靠性分析中必须考虑的问题。
综上所述，考虑水力发电系统中参数的不确定性和机组在非*优工况区轴系振动剧烈等问题，提出基于三种不同参数传递方式的水轮机调节系统和水力发电机组轴系耦合模型。在此基础上，建立水风光多能互补系统的动力学模型，深入研究不同工况对水轮机、发电机、调速器、励磁系统等机电设备稳定性和发电可靠性的影响机理，并揭示其中耦联动力学规律，从而保证系统安全高效运行。这是一个既有理论研究价值又有工程实践意义的科学问题。
1.2能源结构现状与发展趋势
全球变暖已成为制约人类社会可持续发展的重大问题，其主要影响因素是化石燃料（如石油、煤炭等）燃烧排放的大量二氧化碳（1750年二氧化碳浓度为502.88mg/m3，2019年增长至738.16mg/m3）与污染物（秦大河，2014）。温室气体对来自太阳辐射的长波辐射具有高度吸收性，能强烈吸收地面福射中的红外线，导致地球温度上升（李奥庆，2018）。全球变暖造成海平面上升、冰川融化、极端天气增多等诸多问题。与此同时，全球传统化石能源供应面临能源需求总量不断增长、化石能源资源紧张和能源供应成本较高这三方面巨大挑战。基于世界范围内生态安全与可持续发展方向，许多国家把可再生能源开发和提高能源利用率放在首要战略地位。截至2014年底，全球已有164个国家（地区）明确了可再生能源发展目标，145个国家（地区）颁布了可再生能源发展的支持政策，部分国家的可再生能源发展战略行动计划见表1-2。
可见，多国致力于能源结构的低碳化，努力构建以可再生能源为主体的可持续能源体系，通过高强度节能和大比例发展可再生能源，有效减少化石能源消费和二氧化碳排放，实现经济社会发展的低碳转型，进而实现人与自然的和谐共处，经济社会与资源环境的协调和可持续发展（Wangetal.，2018；Zouetal.，2017；董秀成，2015；史丹等，2015）。
1.2.1能源结构大转型下的水电角色
1.能源结构转型
结构转型一词*早出自1980年德国科学研究院发表的报告《能源转型：没有石油与铀的增长与繁荣》，重点呼吁德国社会彻底放弃核电和化石能源（朱彤，2016）。自此，德国能源政策逐步开始转型。一方面通过提高燃油税等措施激励民众节约化石能源，降低能耗；另一方面各机构着手进行能源结构调整，重点开发和利用可再生能源（如风能、太阳能、水能和生物能等）（曾正德，2011）。2012年，德国设定了可再生能源发电量在2020年达到35%和2050年超过80%的目标。德国以可再生能源为核心，以提高能效为支撑，通过能源结构转型，提前两年实现了2020年可再生能源发电量达到总发电量35%的目标。可见，可再生能源在德国的能源结构转型中扮演着重要的角色。
近年来，随着我国经济的快速发展，能源需求量大幅度增长，能源和环境均面临巨大挑战。2030年，非化石能源（指风能、太阳能、水能和生物能等）在一次能源消费比例提高到20%左右（Chu，2015；刘叶志，2008）。可见，我国能源结构改革主要目标与德国类似，以可再生能源逐步替代化石能源。
回顾世界能源结构转型历史，人类经历了三次能源结构转型。首次能源结构转型发生在19世纪初，生物能向煤炭能源转型；第二次能源结构转型分成两个阶段，前半段发生在20世纪60年代，煤炭能源向石油能源转型，后半段发生在20世纪70年代，天然气和核电能源逐步替代部分石油能源（朱彤，2016）;第三次能源结构转型以可再生能源为重要目标。有些学者总结能源结构转型特征是由“固体”经“液体”向“气体”转换，每次能源结构转型均表现出“降碳化”特征（马丽梅等，2018）。确切地说，是用氢元素替代能源中的碳元素，从而降低能源利用中碳元素的排放，也可称为能源的低碳转型。
近年来，国内外学者针对能源结构转型做了大量的研究，主要侧重于两个问题。一是经济增长路径与能源结构转换关系；二是能源结构转换过程中可再生能源系统运行及其对现有电力系统的冲击。针对第二个问题，未来高比例可再生能源系统将成为全球广泛关注的未来电力系统场景。国家发展和改革委员会能源研究所在《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》中明确提出，2050年85%的发电量来自可再生能源，太阳能和风能发电装机容量将分别达到2397GW和2696GW，发电量将分别占全国总发电量35.2%和28.35%（贾双，2017;Huetal.’2017；新华网，2012）。
2.可再生能源消纳难题
在能源结构逐步优化的大背景下，我国可再生能源装机容量和发电量持续增加。截至2020年底，全国可再生能源发电量高达2.2万亿kW-h，占全社会用电量的比例达到29.5%。全国风电新增并网容量7238万kW，累计并网容量2.8亿kW;全国光伏发电新增装机容量4925万kW，累计并网容量高达2.5亿kW（中国水力发电工程学会，2021）。我国的弃风率、弃光率一直居高不下，2011～2015年全国平均弃风率高达13.42%，平均弃风损失电量为191.6亿kW，电费损失平均值高达103.4亿元（表1-3），欧洲大多数国家及美国弃风率可保持在5%以下（Zouetal.，2017；张玥，2016）。西北地区弃风率、弃光率远高于我国平均水平（表1-4），其主要原因归结于外送通道不足；东北三省弃风问题的主要原因是调峰能力不足。电力系统调峰能力的核心问题是电力系统灵活性不足，我国低配比可再生能源下的电力系统已表现出明显的灵活性不足问题（肖定垚等，2014）。在2050年高配比可再生能源情景下，灵活性不足将成为可再生能源消纳的巨大风险性问题（鲁宗相等，2016）。因此，在外来髙配比可再生能源情景下，对电力系统可用的灵活性资源类型和潜力进行规划研究，是实现能源结构低碳转型的必由之路。
对于电力系统灵活性，国际上目前有两种比较权威的定义：第一种是国际能源署对电力系统灵活性的定义，指面临巨大扰动时通过调整发电或负荷来维持可靠性的能力（International EnergyAgency，2011）；第二种是北美电力可靠性委员会的定义，指系统资源满足需求变化的能力（鲁宗相等，2022）。近几年，随着可再生能源的快速发展，国内外研究学者对灵活性定义进一步拓展。我国学者鲁宗相等（2016）总结了电力系统灵活性的四大特征：时间尺度、灵活性资源、系统不确定性和成本约束。从时间尺度方面，风光等可再生能源波动从秒级时间尺度到分钟级时间尺度对电力系统的影响主要为调峰调频，水力发电系统在调峰调频上具备快速反应能力；从灵活性资源方面，截至2019年底，全国水电总装机容量约为3.56亿kW，年发电量逾万亿kW-h，均居世界第一位；从系统不确定性方面，水电站的水库存储能力至少能够保障小时级的电力系统调度；从成本约束方面，在稳定性上风力发电机风速适应能力不足，风能利用率大打折扣，风电单位发电成本大于水电。此外，由于风电、光电自身不能调节，电力系统调节能力不足。火电相对稳定，发电成本较低，在我国能源结构中占据主要位置，但火电带来的污染问题必须引起重视。因此，在电力系统灵活性调度资源上，水电具有较大的优势。
3.水电开发现状
我国地大物博，水能储备丰富。根据不完全统计，我国的水电理论蕴藏量为6.9亿kW，平均每年发电量可以达到6.08万亿kW-h，居于世界首位（周大兵，2007）。目前，我国水资源开发率较低，只有46%，与发达国家相比还有一定差距。
经统计，我国常规能源的剩余可采总储量构成是：原煤能源占61.6%，水力能源占35.4%，原油能源占1.4%，天然气能源占1.6%。其中，水力能源为可再生能源，按技术可开发量使用100年计算（马文亮等，2006）。由此可知，水资源在能源结构中处于十分重要的战略地位，开发水力能源、发展水电，是我国发展节
水力发电系统运行性能综合评估
能减排、低碳消费、保护环境、调整能源结构的必要途径。另外，水利工程不仅具有发电效益，还具有灌溉、航运、防洪、旅游等综合利用效益。
由表1-5可知，我国2011～2014年水轮机产量进入高产期，说明在此期间水电站建设迅速扩张；2015年开始，水轮机产量迅速下降，并进入平稳发展期（210万kW左右）。水电站投资规模从2013年的1223亿元逐步缩小至2018年的472亿元，这是因为水电站建设及投产周期变化。尽管水电站快速建设，但水力发电量在2015年以后基本保持平稳状态。随着我国经济发展步入新常态，水电作为技术成熟、出力相对稳定的可再生能源，在可靠性、经济性和灵活性方面具有显著优势。从整体情况看，近几年全国整体电力格局供需宽松，我国水电行业将进入相对缓慢的稳定发展阶段，水轮机行业也将进入相对平稳的发展阶段。
1.2.2能源结构调整水电调节重任
1.风光互补开发优势
风力发电系统由风轮、发电机、铁塔、数字逆变器等部分组成。该系统通过风轮将作用在桨叶上的风力转化为自身的转速和扭矩，并通过轴、增速箱、联轴器等模块将扭矩和转速传递到发电机，从而实现风能到机械能再到电能的转换。根据全国九百多个气象站的数据统计（陆地上离地10m高度资料），全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用风能储量为2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。陆地风电年上网电量按等效满负荷2000h计，每年可提供电量为5000亿kW-h;海上风电年上网电量按等效满负荷2500h计，每年可提供电量为1.8万亿kW-h，合计电量为2.3万亿kW-h（邢刚，2015；雷鹏，2011）。
光伏发电系统一般由太阳能电池板、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分组成（王传辉，2008）。该系统将光能直接转变成电能，再通过转换器加载到蓄电池上。随着经济全球化的不断发展，多国十分关注光电技术产业，其意义已超出经济范畴，对国家战略安全有重要影响（温永鑫等，2017）。我国整体光电技术较强，在某些领域处于领先地位，加上国家政策扶持，光电发展保持着较高的速度。在美国、德国和日本这三个光伏消费市场*大与应用范围*广的国家中，光伏房顶
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