2026年6月26日，为期两天的“2026年双碳目标下水力发电新技术应用研讨会”在四川成都圆满落幕，研讨会为水电产业搭建了交流合作平台，促进了技术创新和产业升级，为推动水电产业高质量发展、助力实现双碳目标提供了支撑。会上，围绕梯级电站灵活调节、水电机组数字孪生诊断与运行、水电站5G+、抽蓄智能仿真技术、水风光蓄一体化、混合抽蓄智能调度、水电参与电力市场等多个主题内容开展研讨。此外，参会嘉宾参观了国能大渡河流域水电开发有限公司和四川省气象服务中心，并在现场进行了交流与互动。征得专家同意后，在此分享本次会议部分文字实录，欢迎阅读。
《基于超级电容混合储能的水电机组新型黑启动功率变换装置》
陈哲之 三峡金沙江云川水电开发有限公司禄劝乌东德电厂运行部主任
各位专家、各位领导，早上好！下面介绍的是我们厂的一项科研项目。
这个项目是我们厂和中科院、长江院等一起合作，基于超级电容的水电机组的黑启动功率变换装置。汇报分为以下四个点。
前面的背景很多专家刚才也介绍了，新能源并网规模持续增长，其出力具有不确定性与波动性，电网发生停电事故的概率显著上升，去年2025年的时候在葡萄牙发生了全国大停电的事件，当时葡萄牙也是因为新能源装机超过了全网70%，全网的旋转备用，传统的惯性是很低的，所以当时没有支撑调节的力量，造成了全网发电设备脱网、大范围停电。从发改委和国家能源局几个文件当中都可以看到，我们新能源的消纳保障措施之一是要强化整个电网的黑启动能力的建设。
简单做一下定义，什么是黑启动？可能在座的也有不是搞电力行业的一些同志，所以简单做一下解释。黑启动是指电网发生一些较大事故后崩溃或者瓦解，在无外部电源支撑的条件下，由系统内具备自启动能力的机组率先启动，带动其余机组逐步恢复供电，使得电网逐步恢复的过程。我们常见的黑启动方式分为两类，一类是A类，A类用我们常见的蓄电池给机组提供辅助设备的电源。B类可以理解为柴油机，用柴油机给机组提供辅助设备电源。
现在国内水电机组A类黑启动辅助电源一般都是蓄电池，蓄电池有一个问题，它的容量受限，因为我们水电站包括抽蓄大部分厂房都是地下厂房，空间受限，没有那么多的空间布置这么多的容量，它的功率密度比较低，蓄电池循环寿命比较短，特别在我们发电机辅机有一些大的电机启动的时候可能会出现超过额定电流5到7倍的冲击电流，这个时候需要对我们机组，包括调速器、自用电等设备进行大量的黑启动适应性改造，如果不改的话，只有一个方法，大幅提高蓄电池的容量。超级电容具有放电速度快、功率密度大、循环寿命长、高低温的性能比较好，如果能够把超级电容与蓄电池两者混合运用，对我们解决前面说的蓄电池的这些缺点有很大的帮助。
现在完成的情况也给大家做一个汇报，现在乌东德左岸电站完成了两台机的A类和B类黑启动的功能建设。A类采用“动力电池+超级电容”作为黑启动辅助电源，动力电池平时工作在电压源模式，提供基础的电压支撑，它也输出基荷电流。超级电容工作在电流源模式，它对启动过程中大功率的电机的启动瞬间做电流的补偿。
这是现场的一些设备，这个也是选用了国内领先企业生产的超级电容模组，跟电磁弹射使用的超容是一个东西。最大的优点是大幅缩减了黑启动的时间，同时避免了对机组进行大量的改造，蓄电池的容量也大幅减少，有效节约了成本。可以说利用超级电容和蓄电池以后，我们单机85万的水轮发电机没有做任何的黑启动适应性技改，原来怎么启动就是怎么启动，因为把电源侧做强了。
创新点刚才也说到了，如果不改造机组系统的情况下，我们计算过，整个启动过程中蓄电池输出的功率将达到800千瓦以上，这个时候蓄电池容量可能就要配到700Ah。如果要改造机组的相关设备，主要把几个影响比较大的，比如调速系统、高压油系统等大泵，在黑启动的过程不进行启动或者用小泵启动，这时候蓄电池的容量可以缩减至400Ah，但是加上超级电容以后，我们发现算出来的结果可以把蓄电池的容量进一步核减到100Ah，成本降低是非常可观的。
这是一个简单的拓扑方案简单说明一下，刚才说了我们要把蓄电池和超级电容并列运行，我们想到的两个电压源怎么并联输出，但是超级电容也只是在需要它补充的时候进行并联，就会存在一个问题，两个电压源都是逆变出来的交流，交流就会存在同期的问题，但是在我这个场景下对它的响应要求是很高的，我不能等你后面检同期，再去合开关，这个时间肯定来不及了，所以当时也是创新提出了超级电容工作在电流源的模式，也是这个项目的核心专利点，这该专利正在推进日本专利申请工作。
这个里面也用到了算法上的革新，刚才说的UPS是采用虚拟同步发电机的技术，超容的控制是基于模型的预测MPC的技术，与传统的PID相比具有更快的动态响应和更强的鲁棒性。大家搞水电的特别是调速器对PID调节更为熟悉一点，MPC不同于PID，它基于模型的提前预测，在我刚才介绍的那个场景里面，我这个就是电流的增加，超过阈值，这个模型是很简单的，所以它便于实现模型化的提前处置，能够实现动态的快速响应。
提到黑启动的流程，第一，我需要启动的时候，先把UPS启动了，让我蓄电池首先逆变，带上基础负荷。超级电容处于待机状态，这个时候不输出功率的，当我需要大电机启动的时候，这里160kW是我们电厂调速器的一台大泵的功率，阈值是大于270A的时候它就会迅速启动，把超出阈值的电流部分由超级电容承担。当电机启动完毕，负荷电流又下去的时候，变为额定电流的时候，这个时候超级电容就不再输出，剩下的功率是由蓄电池UPS接着带，到下一次又启动负荷的时候，比如75kW的高压油泵重复上述的过程。
第三，应用效果。
这是2025年的3月22日和4月19日分别完成了6号机和5号机A类和B类试验，同时也是超级电容首次在水电机组黑启动当中的成功应用。外面总的黄色线是整个发电机启动过程当中所有负载总的电流，可以看到电流是很不平衡的，它平时一般的基荷电流很小，大泵启动或者其他辅机启动的时候黄色的线就会很大。红色的线就是我的超级电容输出的电流，两个之间的差值就是蓄电池的电流输出，可以看到红色跟随总电流，并且跟随得非常好，差值维持在恒定的范围，保证蓄电池不要过载，这里有一个小的插曲，当时我们在做实验的时候，超级电容并没有调试好，调速器大泵启动的时候UPS过载，立刻就停机了。但是超级电容调整好以后，它就能跟随补充总电流，使得我整个开机的过程很顺利。
这个也是经过行业专家的认定，有一个科技成果评价书，达到了国际领先的水平。它其实突破了我们传统单一蓄电池的方案，另外它最大的优点是不需要进行机组黑启动的适应性改造，大幅拓宽方案适用范围，显著降低国内水电机组黑启动改造的技术门槛。
这个也是一些发明专利，还有SCI论文的发表。
当前基于这个项目，我们启动国际标准立项的工作，这个也是完成了国内对口工作组的提案汇报，并且在2026年也完成了国家能源局能源领域的行标立项汇报，并且我们6号机也是与南网签订了黑启动的辅助服务市场的协议，这个是得到了电网的认可。最后是2025年，入选了我们三峡集团重大首台套，今年也是入选了三峡集团第六批国家能源局的重大技术装备的申报清单。
刚才也讲了，这个成果适用于常规水电和抽蓄机组的黑启动，它把黑启动的改造门槛直接拉得非常低，我只要把超级电容和UPS加上去，我这个机组原来是怎么样启动就是怎么样启动，不需要进行相关的技改。
汇报完毕，谢谢大家！
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