近年來，四川持續擴大清潔能源開發規模。國網四川省電力公司依托國家重點研發計劃，在小金川流域建成投運國內首座全功率變速抽水蓄能電站和世界首個梯級水光蓄互補聯合發電系統，實現了梯級小水電、光伏發電、變速抽水蓄能的互補聯合運行和智能調度，提升了清潔能源電源友好并網水平和電量消納水平。
聯合國工業發展組織于近日發布《世界小水電發展報告（2022）》，由國網四川省電力公司牽頭建成的四川小金川流域梯級水光蓄互補聯合發電系統入選典型案例，是12個典型案例中唯一來自中國的案例。
2月25日，國網四川電力牽頭的項目創新成果“梯級水光蓄互補聯合發電關鍵技術、裝備研發及應用”通過中國電力企業聯合會科技成果鑒定。項目攻克了梯級水光蓄互補聯合發電世界級難題，研究成果整體達國際領先水平。該成果依托國家重點研發計劃項目“分布式光伏與梯級小水電互補聯合發電技術研究及應用示范”等項目形成。
2022年5月，國網四川電力在小金川流域建成投運國內首座全功率變速抽水蓄能電站和世界首個梯級水光蓄互補聯合發電系統，實現了梯級小水電、光伏發電、變速抽水蓄能的互補聯合運行，形成了全功率變速抽水蓄能機組設計、制造、控制以及調試等成套技術，打破了國外技術壟斷，對助力構建新型電力系統、支撐清潔能源高效消納具有重要意義。
探索梯級水光蓄互補聯合發電模式
四川清潔能源資源豐富，水能資源技術可開發量達1.48億千瓦，居全國第二位。川西“三州一市”各流域河谷內太陽能資源豐富，但光伏發電出力具有強隨機性和波動性。
國網四川電力副總工程師、“分布式光伏與梯級小水電互補聯合發電技術研究及應用示范”項目負責人韓曉言介紹，小金川流域梯級水光蓄互補聯合發電系統由19.5萬千瓦梯級水電、5萬千瓦光伏發電和0.5萬千瓦變速抽水蓄能組成，其中，變速抽水蓄能機組為全新研制，是國內首臺投入工程運行的全功率變速抽水蓄能機組。
四川電力科學研究院副院長丁理杰介紹，梯級水光蓄互補聯合發電一般包括三種形式的互補：一是中長期電量資源的互補，水電和光伏發電天然存在互補性，豐水期水電出力較多、光伏發電出力較少，枯水期水電出力受限、光伏發電出力較大；二是短期調度計劃的互補，在日內，白天光伏大發時，利用富余電力將水從下庫抽到上庫儲存，等晚間或用電高峰時，再從上庫向下庫放水發電；三是實時控制層面的互補，光伏發電出力波動可分為短時快速波動和慢速波動，慢速波動為分鐘級，快速波動一般為秒級，利用梯級水電補償光伏發電的慢速波動，變速抽水蓄能補償光伏發電的快速波動，實現對功率波動的快速平滑抑制。多層互補能實現水電、光伏發電、抽水蓄能三種能源方式的運行最優化，提升光伏發電等新能源電源的友好并網水平。
國網四川電力于2018年成立大規模清潔能源送出研發團隊。團隊歷時4年提出了全功率變速抽水蓄能變流器、調速、勵磁、監控系統的協調控制策略，聯合國電南瑞科技股份有限公司等單位研制了國內首套全功率變速抽水蓄能自動控制保護設備和系統，實現變速抽水蓄能二次關鍵核心技術的自主可控；提出全功率變速抽水蓄能保護配置和整定方法，適應發電、抽水、旁路等多個運行工況，實現了全功率抽水蓄能機組控制保護設備的工程應用；攻克了梯級水光蓄互補系統聯合運行控制與調度技術難題，研制了世界首套梯級水光蓄互補電站聯合運行分析、控制與調度系列軟件。
這些創新攻克了梯級水光蓄互補聯合發電系統聯合運行調度控制和全功率變速抽水蓄能技術難題，有助于實現多種能源的安全、高效、協同運行，助力清潔能源消納。
自主創新攻克難題填補技術空白
5月25日清晨，阿壩州小金縣春廠壩電廠內，幾名技術人員圍在電腦前。“5、4、3、2、1，開始！”指揮員下達了指令，一陣轟鳴聲傳來……他們正在進行變速抽水蓄能功率階躍響應試驗，通過靈活調節變速抽水蓄能機組出力，讓它與光伏等新能源發電機組互補運行。
相較于傳統的定速抽水蓄能，變速抽水蓄能具有運行效率高、響應速度快、調節范圍廣、抽水功率可調等優點，可滿足水光蓄互補發電要求。但國內尚無連續變速抽水蓄能機組應用的先例，機組控制和保護技術更是空白。面對挑戰，國網四川電力大規模清潔能源送出研發團隊聯合中國水科院、哈爾濱電機廠、國電南瑞等單位研發出國內首臺全功率變速恒頻可逆式抽水蓄能機組，實現了系統集成的全國產化。
“我們從極少的相關文獻中查到快速變功率的控制技術，但經理論推導和詳細的電磁暫態仿真分析后發現，該模式下機組存在超低頻振蕩風險，可能危及機組安全。”四川電科院技術專家史華勃說。
結合理論分析與電磁暫態仿真手段，團隊創新提出“快速變轉速控制”與“快速變功率控制”相結合的多階段協調控制策略，實現不同工況下變流器、調速、勵磁和監控系統的協同控制，可使機組最大限度兼顧安全高效穩定運行和系統快速功率響應、寬調節范圍的需求，填補了國內技術空白。變速抽水蓄能技術的創新突破打破了國外技術壟斷，預計可降低同類設備價格20%以上，為國產設備制造企業帶來更多發展機遇。
國內首臺全功率變速抽水蓄能機組投運
在缺乏經驗可循的情況下，研發團隊在全功率變速抽水蓄能機組運行調試方面也創造性地開展了相關工作。
面對國內首臺全功率變速抽水蓄能機組，研發團隊認真研讀相關的20余項國家和行業標準，結合機組設計制造文件，組織50余名技術人員歷時40余天，編制出全國首份全功率變速抽水蓄能機組啟動調試大綱和系列調試方案。“我們利用硬件在環仿真手段對機組啟動調試中的每一步都進行了仿真校核，確保控制策略無誤。”丁理杰介紹。
繼電保護是機組安全穩定運行的關鍵。國內首臺全功率變速抽水蓄能機組的繼電保護系統如何配置、定值如何整定、調試如何開展，都是難題。“變速抽水蓄能機組保護定值整定的最大難點在于定值需適應發電、抽水、旁路、變速等多個工況下的機組運行狀態。”四川電科院繼電保護技術專責周文越介紹。研發團隊基于大量機電暫態仿真，多次與調試機構和國網四川電力調度控制中心討論定值合理性，經過10余次修改完善，最終完成了200余項保護定值的整定，為機組啟動運行打下了堅實基礎。
調試過程并非一帆風順。調試人員先后解決了電壓互感器熔絲熔斷、機組振蕩等問題，特別是抽水過程中導葉開啟速度和轉速升高速度不匹配的問題。“我們提出了分段柔性啟動策略，避免一次升速過程中導葉與轉速不匹配引發故障。”韓曉言介紹。
同時，國網四川電力聯合國電南瑞研發了世界首套梯級水光蓄互補電站聯合運行與智能調度系統。系統于2022年5月投運，能夠根據周邊的氣象數據，預測光伏電站和水電站的發電情況，并借助抽水蓄能機組全功率變流器的毫秒級響應能力，匹配最合適的發電配比并進行聯合智能調度，實現了梯級水電、光伏發電和變速抽水蓄能的互補聯合最優運行，大幅降低了光伏發電的功率波動。
預計到2025年，四川省風電、光伏發電裝機達到3200萬千瓦，與省內1億千瓦的水電裝機共同形成多個大型水風光蓄互補發電基地，電網運行方式更加復雜。研發團隊將繼續深耕水風光蓄多能互補領域開展技術攻關，助推大規模清潔能源消納。
環保節能網熱線：029-86252006
聯系地址：陜西省西安市北關正街35號方興大廈8樓
環保公司網址：www.opemt.cn |
