增强小型径流式水电站日内调节能力的技术经济可行性研究：基于最小储水容量的优化分析

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【字体：大中小】 时间：2025年10月14日 来源：Renewable Energy 9.1

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　　本研究针对径流式小型水电站(SHPP)因缺乏调节能力导致水资源利用率低的问题，提出了一种集成小型储水罐的创新运行规则。通过对希腊Platanias河Argyri地区6.9MW水电站的案例研究，发现容量为日均流量1%(620m3)的储水罐可实现最优技术经济性能，净现值(NPV)达436k€，内部收益率(IRR)40.83%，效益成本比(B/C)3.99。该方案为提升可再生能源并网稳定性提供了新思路。

随着欧盟绿色协议和2050年碳中和目标的推进，可再生能源在能源结构中的占比持续增长。然而，风电、光伏等间歇性电源的随机性给电网稳定带来了挑战。相比之下，水力发电具有较好的调节能力，但传统的径流式小型水电站(Small Hydropower Plant, SHPP)由于缺乏储水设施，其发电效率受到严重制约。当来水量低于水轮机技术最小流量q_min或超过最大流量q_max时，部分水资源无法被有效利用，导致能源浪费。特别是在干旱季节或突发洪水期间，这种问题尤为突出。

为解决这一难题，来自希腊雅典国立科技大学的研究团队开展了一项创新性研究，探讨了为径流式SHPP加装小型储水罐的可行性。研究成果发表在《Renewable Energy》期刊上，为提升小型水电站的运行灵活性和经济性提供了重要参考。

研究人员采用的技术方法主要包括：首先基于历史水文数据(2017-2021年)建立小时尺度的来流模型；其次设计了考虑水轮机最小运行时间t_min,oper和最小停机时间t_{min,no_oper}约束的新型运行规则；然后通过11种不同容量方案(占日均流量0.5%-50%)的技术经济比较，选用净现值(Net Present Value, NPV)、内部收益率(Internal Rate of Return, IRR)和效益成本比(Benefit-Cost ratio, B/C)作为关键评价指标；最后对电价、投资成本、贴现率和经济寿命等参数进行敏感性分析。

研究结果显示，通过合理的储水容量配置可以显著提升水电站的运行效率。具体而言：

在运行规则验证方面，研究表明储水罐能够有效收集低于q_min的来水，并在适当时机释放，使水轮机在设计流量q_des附近高效运行。以Sc_D方案(容量占日均流量3%)为例，在典型春季日(2018年5月31日)的运行模拟中，储水罐成功将多个低流量时段的水资源整合利用，产生了额外的发电收益。

技术经济评估结果表明，所有方案的能源产出均有提升，但经济效益存在显著差异。当储水容量从0.5%增加至50%时，年发电量增益从451,498kWh增长至563,596kWh。然而，由于投资成本随容量增加而快速上升，最优经济性能出现在中等容量区间。Sc_B方案(容量占日均流量1%，实际容量617m3)表现出最佳经济性，其NPV为436,493€，IRR达40.83%，B/C比为3.99。

敏感性分析揭示了各参数对项目可行性的影响程度。电价上涨20%可使可行方案范围从Sc_A-Sc₂(容量占日均流量0.5%-5%)扩展至Sc_A-Sc₃(容量占日均流量0.5%-10%)。投资成本增加30%对最优方案选择无影响，但会缩小可行方案范围。贴现率降低至5%以下或经济寿命延长至22年以上均可改善项目经济性。值得注意的是，Sc_B方案在所有参数变化场景下均保持最优，证明了该方案的稳健性。

该研究的创新价值在于首次提出了针对径流式SHPP的小型储水系统优化设计方法，建立了考虑实际运行约束的日内调节策略。研究证明，即使最小规模的储水设施(仅占日均流量1%)也能产生显著的经济效益，这为现有水电站的升级改造提供了低成本的解决方案。未来研究方向可结合多种水轮机组合优化，进一步挖掘小型水电的灵活调节潜力。随着可再生能源占比的不断提高，这种增强型小型水电站有望在电网调峰和能源互补中发挥更重要的作用。

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