科普：能源人必读的水电常识！

7月25日晚，粤水电公告称：公司与四川省达州市宣汉县人民政府签订《宣汉县人民政府广东水电二局股份有限公司白岩滩水库抽水蓄能电站项目招商引资协议》，宣汉县人民政府同意公司在其境内投资建设白岩滩水库抽水蓄能电站项目，项目预计装机容量120万至160万kW，总投资约100亿元。粤水电大力发展水电项目，也从侧面印证了一点，水电开发对于我国电力低碳化转型至关重要。

水电作为清洁能源中的重要存在，是我国电力清洁化转型的基石。关于水电你又了解多少？国际能源网（微信公众号：inencom）汇总了关于水电的N个知识点，让您全面了解水电的类型和发电原理以及新中国成立前后我国水电发展情况。

水力发电原理和水电站类型

水力发电:是运用水的势能转换成电能的发电方式，其原理是利用水位的落差（势能）在重力作用下流动（动能），例如从河流或水库等高位水源引水流至较低位处，水流推动水轮机使之旋转，带动发电机发电。

水电站类型

按照装机容量可划分为五等：

■ 大（1）型水电站（总装机容量≥1.2 GW）

■ 大（2）型水电站（1.2 GW＞总装机容量≥0.3 GW）

■ 中型水电站（0.3 GW＞总装机容量≥0.05 GW）

■ 小（1）型水电站（0.05 GW＞总装机容量≥0.01 GW）

■ 小（2）型水电站（总装机容量＜0.01 GW）

按照利用水源的性质，可分为三类：

■ 常规水电站：利用天然河流，湖泊等水源发电。

■ 抽水蓄能电站：利用电网中负荷低谷时多余的电力，将低处下水库的水抽到高处上水库存蓄，待电网负荷高峰时放水发电，尾水至下水库，从而满足电网调峰等电力负荷的需要。

■ 潮汐能电站：利用海潮涨落所形成的潮汐能发电。

常规水电站:

典型电站：长江三峡集团金沙江白鹤滩水电站-单机容量世界第一

抽水蓄能电站：

典型电站：国网浙江天荒坪抽水蓄能电站

潮汐电站：

潮汐能的主要利用方式是潮汐发电。潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。差别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机结构要适合低水头、大流量的特点。

典型电站：浙江江厦潮汐电站

我国水电站分布：

我国的水能资源蕴藏量和开发量均居世界第一位，水能资源蕴藏量为676GW，理论发电量5,920TWh。

由于气候和地形地势等因素的影响，我国的水力资源在不同地区和不同流域的分布很不均匀，其特点是西部水力资源比较丰富，而东部则较稀缺贫乏。水电站数量大约47,000座，总装机容量352.26GW.

分布在长江流域，西南片区，珠江流域：

如长江，金沙江，雅砻江，大渡河，澜沧江，乌江，清江，南盘江，黔江等

分布在黄河流域：

如拉西瓦，玛尔挡，李家峡，小浪底，龙羊峡，刘家峡，乌金峡，三门峡等水电站

主要抽水蓄能电站：

如白莲河蓄能电站，广州抽水蓄能电站，河北丰宁抽水蓄能电站，蒲石河抽水蓄能电站，仙居抽水蓄能电站，浙江安吉天荒坪抽水蓄能电站，河南宝泉抽水蓄能电站，福建仙游抽水蓄能电站，响水涧抽水蓄能电站，新疆阜康抽水蓄能电站等

水电系统介绍

系统组成和介绍-常规水电站

■ 大坝

■ 进水口

■ 水渠

■ 水力机械系统

■ 发电机组

■ 变电设备

■ 配电设备

■ 输电设备

■ 控制及辅助设备

■ 出水口

大坝

作用是拦截水流，抬高水位，形成水库，造成上下游水位差，使电站具备水力发电的基本条件

水闸

作用是调节流量和控制洪水。

水力机械系统组成

水轮机

作用是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。

活动导叶

控制水流量，达到调节转速和出力的目的。轴，传递机械能。

导轴承

承受径向水推力和控制摆度。尾水管，回收能量并导出水流。

发电机组

发电机 （CAMILLE BAUER变送器SINEAX系列）

定子，产生感应电势。转子，产生旋转磁场。（电测仪器仪表TM产品）

推力轴承

作用是承受轴向水推力及机组转动部件自重。

冷却器

作用是轴承冷却器用于冷却轴承

制动器

作用是停机时制动发电机，防止长时间低速旋转损坏推力轴承。

变电设备

变压器

作用是升高或是降低交流电压。

配电设备

断路器

作用是关合，承载，开断运行回路正常电流，过载电流。

隔离开关

作用是合闸时承载正常回路电流，过载电流，分闸时符合绝缘距离和有明显断开标志。

电压互感器PT

把高电压降为标准电压，供保护，计量，仪表等装置使用。一般标准电压为100v。

电流互感器CT

把大电流降为标准电流，供保护，计量，仪表等装置使用。一般标准电流为5A或1A。

避雷器

作用是限制过电压以保护电气设备

母线

作用是汇集，分配和传送电能

导线

作用是传送电能

输电设备

作用是传送电能。铁塔，固定导线和避雷线。避雷线，保护架空输电线路。

控制设备

励磁系统

作用是为发电机转子提供直流电建立磁场，控制发电机机端电压或调整机组无功功率。

调速系统

作用是控制机组转速或调整机组有功功率。

继电保护

作用是监视电力系统的正常运行，当被保护的元件发生故障时，自动迅速地，有选择地发出跳闸命令，将故障设备从系统中切除，保证正常设备继续运行，最大限度地保证向用户安全，连续供电。

同期装置

作用是不同电源间的同期并网。

自动装置

作用是完成一定功能的自动装置。

计算机监控系统

通过对电站各种设备信息进行采集，处理，实现自动监视，控制，调节，保护等功能，保证设备安全稳定运行。

直流系统

为开关设备的操作，二次设备提供可靠能源。直流系统组成：蓄电池，充电装置，配电装置。

励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统。一般由两部分构成，第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流，以建立直流磁场；第二部分是励磁控制单元，这一部分包括励磁调节器，强行励磁，强行减磁和灭磁等，它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的需要。

调速系统控制原动机（水轮机）及发电机的转速（频率）和有功功率。

调速系统和励磁系统是发电机组的主要控制系统。

系统组成和介绍-抽水蓄能水电站

■ 上游蓄水池 upper reservoir

■ 阀室 valve chamber

■ 缓冲槽 surge tank

■ 控制阀门

■ 抽水机/水轮机

■ 电机/发电机

■ 下游蓄水池 lower reservoir

■ 电力消耗抽水模式（电机工作）

■ 电力传输水轮机模式

■ 变压器

■ 电力和控制室

抽水蓄能电站与常规水电站有许多相同之处，也有许多不同之处。抽水蓄能电站有上水库，上水库水可流向下方的水轮发电机，推动水轮发电机发电，这是相同之处；抽水蓄能电站还有下水库，推动水轮发电机发电后的水没有流走，而是储存在下水库，抽水蓄能电站可以把下水库的水泵到上水库，这是最大的不同，也就是说，抽水蓄能电站的水流是双向运行的。

抽水蓄能电站使用的水轮机是双向可逆的，既可以作为水轮机使用也可作为水泵使用；抽水蓄能电站的电机也是双向运转的，既可以作为发电机又可以作为电动机使用。上水库的水流向下水库时推动水泵水轮机旋转，带动电动发电机向电网输电；使用电网的电驱动电动发电机旋转，带动水泵水轮机把下水库的水泵到上水库。

抽水蓄能电站具有调峰填谷的效益，承担备用电源的作用，与其他发电形式配合运行。

什么是调速系统

调速系统(Governor System)作用是控制水轮机和发电机的转速（频率）和有功功率。是水电站中重要的控制系统。

调速系统的组成系统组成主要涉及：

■ 调速器 governor

■ 水轮机 turbine

■ 发电机 generator

调速器 Governor

■ PID 控制器

■ 执行机构 actuator

PID=Proportion-Integration-Differentiation 比例-积分-微分控制器

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

执行机构是执行PID的输出运算结果，例如液压机，伺服电机等

水轮机：

水轮机是水电站中将水流的动能转化为机械能的设备。通过水电站的大坝将水流集中，让水通过水渠管道引至水轮机，冲击水轮机转动，并由水轮机带动与其连接的发电机产生电能。

按照工作原理，大致可分为三类

■ 冲击式水轮机 impulse turbine

利用高速水流冲击水斗或叶片做功

■ 反击式水轮机 reaction turbine

利用水流的压力和动能来做功

■ 水泵水轮机

一种可逆式水轮机，即可做水轮机，也可做水泵，一般用在抽水蓄能电站

冲击式水轮机 impulse turbine

典型代表：Pelton Turbine 佩尔顿式水轮机

利用水动能冲击水斗来获得能量。

主要部件

■ Nozzle 喷嘴

■ Deflector 变流器/折向器

■ Runner 旋转轮

■ Jet of water 喷水柱/水枪

■ Bucket or vane 水斗或叶片

■ Braking jet or nozzle 制动喷嘴

■ Spear 长矛：用于控制水流

新中国成立前我国水电概况

中国在1905～1937年的33年间，共建成7座小型水电站，总装机容量2.66 MW左右，即台湾省的龟山水电站（1905年建成，装机容量60 kW），云南昆明市的石龙坝水电站，四川泸县的洞窝水电站，成都市洗面桥水电站（1926年建成，装机容量10 kW），成都市的猛追湾水电站（1930年建成，装机容量100 kW），四川金堂的玉虹水电站（1933年建成，装机容量40 kW），西藏拉萨市郊的夺地水电站。

1937年抗日战争爆发后，中华民国政府迁往重庆，于1938年在四川成立了龙溪河水力发电工程处，着手开发长寿县（今重庆市境内）附近的龙溪河和桃花溪。同年11月，桃花溪水电站开工，1941年8月发电。1939年10月开工建设龙溪河最下游一级下硐水电站，1941年1月首台1.5 MW机组发电。此外，在四川、云南、贵州、陕西、甘肃、青海、福建等省兴建了一些小水电站，其中较大的有：贵州省猫跳河上的修文水电站和天门河上的桐梓水电站，装机容量分别为1.5 MW和576 kW；云南省的开远南桥、下关天生桥和大理万花溪等3座水电站，装机容量分别为1.8 MW、300 kW和200 kW。1941年云南腾冲叠水河水电站开工，1942年土建工程完工时，日本帝国主义入侵，腾冲沦陷，发电设备运抵中缅边界未能入境，使建设中断。

1944～1948年，中国解放区曾建设了几座小水电站，计有：1942年2月河北省涉县的赤岸水电站，装机容量10 kW；1944年7月在河北省涉县兴建的西达村水电站，装机容量28 kW；1945年3月在河北省涉县和辽县（今山西省左权县）兴建的茅岭底水电站，装机容量10 kW；1947年7月开工建设了装机容量为155 kW的水水电站，于1948年1月25日发电。

1905～1949年，中国建成的小水电站共39座，总装机容量11.39 MW，其中西北3座，880 kW；西南26座，9.593 MW；华东10座，917 kW。在建的有长寿、修文、古田、安宁、临夏、金华等6座水电站，总装机容量27.85 MW。

新中国成立后我国水电建设情况

（1）1949～1957年是水电建设的开创阶段。这一阶段主要是培养干部，建立机构，查明水能资源，开展大江大河的流域规划，为大规模兴建水电站做好准备。首先对丰满水电站进行恢复改建，装机容量由121.5 MW增加到554 MW；同时建设了一批中小型水电站，主要有四川龙溪河第一级、福建的古田溪第一级、浙江的黄坛口、江西的上犹江、广东的流溪河等水电站，以及河北的官厅、辽宁的大伙房、安徽的佛子岭等水库的水电站。在边远地区建成新疆的乌拉泊、西藏的夺地、海南岛的东方等水电站。到1957年底，全国水电装机容量达到1 019 MW，年发电量48.2亿kW·h。1957年浙江新安江水电站和黄河三门峡水利枢纽开工，中国开始建设大型水电站。

（2）1958～1965年是中国水电建设的较大发展阶段。浙江的新安江、广东的新丰江、甘肃的盐锅峡、湖南的柘溪和鸭绿江上中国、朝鲜合建的云峰等5座大型水电站相继投产，建成广西的西津、湖南的双牌和北京的密云等18座中型水电站。截至1965年底，全国水电装机容量达3 020 MW，年发电量104.1亿kW·h。1958～1959年一大批大中型工程仓促开工，由于资金和材料不足，以及质量事故等，被迫停工，造成很大的经济损失。据统计，由于停工、报废所浪费的资金超过4亿元。

（3）1966～1976年水电建设经历了动乱阶段。设计、科研机构多被撤销，水电前期工作停顿，在建工程的规模减少了，影响了后期的发展。但是由于前一时期工作的基础扎实和水电职工的努力，这一阶段的水电建设仍取得较大成果，先后投产的有甘肃的刘家峡和碧口，湖北的丹江口，四川的龚嘴，浙江的富春江，宁夏的青铜峡和河南的三门峡等7座大型水电站，以及辽宁的桓仁、湖北的黄龙滩、安徽的陈村、陕西的石泉等43座中型水电站。此外，从20世纪70年代开始，小水电每年装机300～400 MW，截至1976年底，全国水电装机容量达14.655 GW，年发电量456.4亿kW·h。在此期间，开工的水电站主要有长江干流上的葛洲坝、贵州的乌江渡、湖南的凤滩、广西的大化、青海的龙羊峡和吉林的白山等。

（4）1977～1985年是水电建设进一步发展的阶段。1976年以后，恢复和重建了勘测、设计和科研机构，逐步扭转了水电前期工作被动落后的局面，1977～1980年又一次完成了全国水能资源普查，更全面地调查统计了全国水能资源蕴藏量和可开发水能资源，并对黄河上游、红水河、大渡河、雅砻江、澜沧江、乌江、瓯江、闽江等江河进一步作了规划。首次编写了“十大水电基地开发设想”，开始了西北、西南大江大河水能资源的开发。在此期间，葛洲坝一期工程965 MW、白山一期900 MW、乌江渡630 MW，大化400 MW等大型水电站陆续发电，太平湾、红石、马迹塘、恶滩、牛路岭、南桠河、大寨等一批中型水电站也陆续投产。截至1985年底，全国水电装机容量达25.6 GW，年发电量达868亿kW·h。

（5）1986～2000年是中国水电建设蓬勃发展阶段。1986年3月第六届全国人大第四次会议通过的“七五”计划要求：“大力开发黄河上游、长江中上游干支流和红水河流域水能资源，建设一批大型水电站，在东北、华东等地区建设一批中型水电站。”为加快水电开发，采取了鼓励地方、部门和企业集资办电；发挥价格杠杆对电力供求的调节作用；对国家安排的电力基本建设，实行投资包干办法。在此期间投产的水电站中，百万千瓦以上的水电站共有16座，包括：四川的二滩，湖北的葛洲坝，青海的龙羊峡和李家峡，福建的水口，广西、贵州的天生桥一级和天生桥二级，云南的漫湾，湖南的五强溪，湖北的隔河岩，广西的岩滩，山西的万家寨；还有吉林的丰满和白山经过扩建后晋升为百万千瓦以上电站。

在此期间投产的大型抽水蓄能电站有广东广州抽水蓄能电站和浙江天荒坪抽水蓄能电站，使中国百万千瓦以上的水电站由1985年的1座猛增到17座。此外有一批百万千瓦以下的大型水电站以及大量的中型水电站投产，包括陕西的安康、四川的宝珠寺和铜街子、云南的鲁布革、贵州的东风、湖南的东江、江西的万安、吉林的老虎哨、北京的十三陵抽水蓄能电站、河北的潘家口、福建的沙溪口、浙江的紧水滩等。

在此期间，小水电也有较大发展，到1999年底止，全国小水电装机容量已达23.48 GW。这一时期是中国水电发展最快的时期，特别是1994年12月14日世界上最大的水电站——三峡工程正式开工建设，标志着中国水电建设进入了全盛时期。