水电站规模庞大，修建费用昂贵。由于建造的地理位置不同，世界上没有完全相同的两座水电站。因此，这使得依特定情况设计的水电站方案很难测试。与水能相比，风能和太阳能等其他清洁能源技术更容易设计、完善、块化并部署。来自美国国家可再生能源实验室（NREL的 Caitlin McDermott-Murphy 解释道，这就是为什么他实验室的研究人员正在创建一个水电站模拟平台来测试设计以及实时运行的状况。水电站提供了可靠、灵活的电力，也可以储能，但由于最初的设计不容易优化，其效不如预期。这也意味着电网策略不了解水电站的真正潜力，因此没有完全整合它们。McDermott-Murphy 还提到，今水力发电行业正在使用更多的电力电子设备，使水电能够更好地控制电能输出，发挥水力发电越来越多的潜力。设想两种水力发电情景：首先，一场严重的冬季风暴袭击美国中西部，致使整个地区反复停电，居民们被困在严寒的天气中数小时；然而，只要有合适的系统，该地区的水电站就可以启动电网。

Panwar 的水电仿真平台研究最初是由于水电技术办公室（WPTO）的Seedlings and Saplings 计划而启动的，该计划支持水力发电领域的创造性、高风险、高回报的想法。有了这笔启动资金，Panwar 和团队着手解决一个可能阻碍水电行业采用新技术和设计的巨大挑战：如何测试无法建造的水电站？

没有完全相同的两座水电站

研究人员可以建造一个新的太阳能光伏系统来进行现场验证。但是，建造水电站原型往往是不切实际的，耗时长且花费高，因为水电站太大，而且依赖于特定的地理位置，有时需要依托整个山脉才能运行。在运水电设施的修补是有风险的；测试可能会造成不可逆转的损害。灵活性、可靠性和储能能力

即便如此，如今新的水电技术和电网配置可能比以往任何时候都更加重要。随着美国向 100% 清洁能源电网转型，水电的灵活性、可靠性和储能能力都将在保持电网平稳运行方面发挥重要作用。虽然研究人员已经研究了如何将太阳能和风能技术整合到电网中，但水电如何支持未来的清洁能源电网还没有得到很好的解释。

美国国家可再生能源实验室（NREL）的高级研究顾问 Rob Hovsapian说：“这对我们的仿真平台是一个重要的补充。”Rob Hovsapian 帮助构建了仿真平台。“水电需要适应不断变化的电网，我们希望使其成为更具灵活性和可靠性的资源。”

第二个场景发生在偏远的阿拉斯加科尔多瓦市，这个城市仅靠水力发电就能运行当地电网，至少在夏天是这样。一旦冬天来了，水就会结冰，雪崩隆隆地逼近，在气温最低时候切断电源。

这两种情景都是水电在电网中发挥可靠支柱作用的真例子（可能不是完全发挥作用）。随着美国在电网系统中越来越多使用可再生能源，水电的稳定性和可负担性是使电网既可靠又灵活的关键。但是，如果研究人员能找到更好的方法来研究这些大型、复杂的水电设施，今天的水电站可能更好，也更灵活。

实时水电仿真平台

如今，美国国家可再生能源实验室（NREL）的专家们设计出了一种精确检测水电设施的方法。他们通过实时水电仿真平台在虚拟的实验室环境中重建水电站，该平台使用来自实际水电站的现场数据、数学模型，甚至硬件设备。有了这个平台，用户可以研究各种水电站设计在现实世界中如何实时运行，为测试新的水电技术和电网配置提供了一种低本、低风险的方法。

该项目由美国能源部水力发电技术办公室（WPTO）资助，是其弹性电力系统（HydroWIRES）计划的一部分，该项目期三年，其首席研究员 Mayank Panwar 说：“我们希望这领域能进入实验室研究视野。”

现代水电站可以优化控为了提供灵活可靠的能源，水电行业正在使用更多的电力电子设备，这使他们能够更好地控制电能输出。这意味着水电站可以快速应对网络和自然威胁，比如导致中西部停电的严重冬季风暴。

Panwar 说：“水电站需要彻底改变运行和控制方式。”

在最初的 Seedlings and Saplings 项目中，Panwar 和他的同事从阿拉斯加偏远城市科尔多瓦的水电站收集了现场数据。然后，使用机器学习，他们设计出软件演示可以逼真地模仿水电站，包括其电子控制、涡轮机、液压和机械电路，甚至水流，所有这些都是实时的。

然而，如何真实地模仿现实生活中的电网呢？为了了解新的水电设计如何整合进各种电网系统，Panwar 和他的团队求助于美国国家可再生能源实验室的综合能源系统高级研究（ARIES）平台。有了美国能源部最大的数字电网模拟平台之一——ARIES，水电仿真平台可以模拟水电站如何与储能及其他可再生能源技术相结合，为电网提供更可靠的能源。

ARIES 平台提供了一个将团队的软件与实际硬件连接起来的机会，比如代表水力涡轮机的旋转机器，以便在安全、可控的实验室环境中尽可能地复制真实的水电站。

接下来，Panwar 和他的团队计划扩大他们的仿真平台，以模拟能够产生兆瓦电量的水电站（目前该平台的上限为 2.5 兆瓦）。在此过程中，他们将继续与行业顾问委员会联系了解水电站面临的挑战以及水电仿真平台如何提供帮助。最终，Panwar 希望业界将他的平台视为试验台。

如果 Panwar 实现了他的愿望，那么美国掌握丰富水电资源的公用事业公司将很快学会如何重新配置当地水电站和电网，以更好地为客户服务——即使在严冬风暴期间也能供暖和供电，并在未来实现 100% 清洁能源。