水利发电，仅限于大尺度？

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首先要说的一点是这样的，发电这个东西呢，是能量守恒的，也就是说

最后输出的电功率 = 输入机械功率 * 发电系统效率

所以题主所说的一个喷泉供一栋写字楼的想法挺好，就是不知道这个喷泉得多大，在这，喷泉的动能从哪儿来，也是电机带动压缩机压出来的，那么

最后输入的电功率 = 喷泉系统输入电功率 * 喷泉系统效率 * 发电系统效率

显而易见，公式里的效率是不可能大于1的，所以，你说的这个喷泉想法是得不偿失的，当然有没有这么做的，后文中会提到。

接下来，说一下水利发电的原理，水利发电的原理也是多种多样的，简单来说，针对河流可以分为：水库式（利用水头，也就是水位落差产生的势能发电）、川流式（利用水流动的动能发电）和抽水蓄能式。

可以看得出来，水库闸内水位高，河流水位低，但水库开闸时，水位差的势能可以转换为水轮机的动能推动发电机发电。流入的水如果不发点将被存储在水库内。

可以看得出来，这种发电方式不蓄水，不构造水头，有时只需往河里固定一个水利透平装置就可以（当然技术上还是有很多问题的，比如水利透平装置的固定方式、密封等问题）。

上述两种水力发电方式可以说各有优势，川流式对环境影响相对较小投放成本也较低，再四川、杭州等丰水地区有很多，而水库式基本是永久破坏原本生态环境，所以再项目上马前需要长时间各方论证（比如三峡），同时水库式的水利设施往往还兼具其他，如蓄水、防洪、航运等其他功能；此外川流式的水力发电站的输出功率是难以控制的，很明显的会根据河流丰水期、枯水期变化，而水库式水力发电站功率基本是可以控制的，闸门开放的大小就可以基本控制输入功率。除了这两种水力发电方式外，结合两者还有一种调整池水力发电，是介于水库式和川流式之间的，虽然建造拦水坝，但形成的调整池只能容纳一天的水量，主要目的在于配合用电负荷功率进行调整发电功率。

好了，知道了能量的来源——水的势能、动能的来源以及转化方式后我们再普及一个基础概念：

电能是难以存储的，是即发即用的。

从这个概念出发，不难发现，我们再发电时需要做到功率的平衡，暂时忽略发电机系统效率那么也就有了下面这个公式。

电网消耗功率 = 发电机输出功率 = 发电机机端电压 * 电流 = 发电机机械功率 = 转速 * 转矩

我们知道发电机转的快，输出的电频率就会变高，而我们的变压器设备是无法改变电频率的，那么也就要求了发电机转速恒定以实现发电机端电压频率恒定为50Hz（我国标准）。同时变压器再制造网后其变比也是固定了，为了让上网电压恒等，那么发电机端电压也要是恒定的，所以上面公式中可以变化的参数只有电流和转矩，那么发电机是怎么样一个动态调整过程呢。

我们假设电机正在正常运行着，此时电网负荷突然上升，也就意味着转速会下降，端电压也会跟着下降，此时增加电机输入功率，提高输入转矩，同时电流上升，让功率重新达到平衡，若此时电网负荷突然下降，那么意味着转速和端电压会上升，那么需要减小输入功率，此时电机转矩下降，电流下降，功率重新回到平衡状态。（当然上面的过程没有考虑电机励磁问题）

那么问题来了，像川流式的水力发电装置是看天发电的呀，并不能根据电网负荷来调节发电功率，怎么办，于是就有电力电子的用武之地，可以看一个下面的发电系统拓扑结构：

中间的电源管理模块就是用电力电子器件来实现的，这样一来，虽然电压、频率可以保证了，但是电流（也就是输出功率）是随河水流量变化的，这是一个不稳定的功率源。

一个不稳定的功率源有什么问题呢？打个比方，一座小水电的年日均发电量足够一户人家使用，那么夏天丰水期所发出来的功率就会较多，需要更多的用电设备来消耗，或者控制发电机转矩，浪费掉一部分能量；相反再冬天枯水期发的功率就会比较低，意味着需要通过限制用电来保证发电机不停转，这样一来，没有那个家庭/城市可以接受，毕竟如果要人们在冬天限制用电时间是不可能的，那么怎么办，就需要电网了，我们假设电网是一个无穷大的能量源，我的这些小水电所发出来的电能先汇集到电网，再通过电网分配到用户，这样就可以保证用于获得一个较为稳定的电源，但是问题就来了，不稳定的小水电即使经过电源整理，也难以保证谐波水平符合电网需求，一旦接入的小水电太多，那么电网的稳定性也会受到影响，就像一个大力士，可以举起100斤的沙袋，当他举着90斤时，你往上面加0.01斤没问题，加1斤也没问题，但是加上50斤呢？可能大力士就被压垮了，电网也是一样，电网能消纳一部分电能质量较差的能源，但是不能消纳过多不稳定电源。那么小水电自己组建小电网可以吗？答案也是不行的，那么这个小电网的能量特性就和单个小水电的特性接近，这个电网是十分脆弱的，用电负荷的波动很可能一下子打破功率平衡导致全线停机。

学了这么久电气工程，第一次在知乎上认真回答专业相关问题，谢谢阅读。