國內首臺變速抽水蓄能機組的變與不變

　　“我國變速抽水蓄能機組工程設計、安裝、調試、運行、維護等方面技術將實現‘0’的突破。”8月7日晚，剛參加完一場專業研討會的楊梅激動地跟同事說。

　　4天后，國內首臺大型交流勵磁變速抽水蓄能機組(以下簡稱變速機組)在國網新源豐寧抽水蓄能電站投產發電。

　　作為該電站的設計者，變速機組項目負責人楊梅和她的同事們用了12年時間，完成了國際技術調研和分析、工程應用課題研究、工程設計直至建設投產的全過程。她所供職的中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司(以下簡稱北京院)也因此成為目前國內唯一一家具有交流勵磁變速機組專題科研和工程應用設計業績的設計院。

　　“豐寧變速機組的成功建設和運行，為我國全面掌握變速機組工程選點規劃和設計、設備設計和制造、安裝、調試、運行和維護等全產業鏈技術奠定了基礎。”在抽水蓄能領域深耕29年的楊梅說，這將使我國很快跨入有能力、有條件合理布局和建設完全自主化變速機組的階段，將有效助力新型電力系統建設，加快實現“雙碳”目標。

　　變速機組變在哪?

　　抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站，被譽為藏在深山的“超級充電寶”。

　　水泵水輪機-發電電動機組是抽水蓄能電站抽水和發電的核心。相比較定速機組，變速機組具有提供頻率自動控制容量、實現有功功率的高速調節、水泵入力在變速范圍內連續可調、更強的進相運行能力、提高機組運行的穩定性和運行效率等優點。

　　“豐寧變速機組的轉速可在同步轉速的-7%到+6.2%范圍內變化，由于水泵入力與轉速的三次方成正比，因此抽水功率在全揚程條件下實現220兆瓦到330兆瓦范圍內連續調節。而定速機組抽水工況轉速是固定的，因此抽水功率不能因為轉速而調節。”楊梅解釋說，比如電網中存在240兆瓦的負荷缺口，變速機組能夠通過調節轉子轉速，更精準地滿足電網需求。

　　據介紹，相比定速機組，變速機組在設備上的不同主要體現在發電電動機轉子及交流勵磁裝置。現場調試試驗結果表明，變速機組通過交流勵磁裝置瞬時調節機械轉速來釋放或儲備轉子的機械動能，能夠顯著提高一次調頻響應速率，響應時間可以達到0.2秒，而定速機組一次調頻響應時間一般為2秒。

　　變速機組具有水頭、功率、導葉開度、轉速四要素協聯控制關系，發電工況時能夠通過瞬時調節轉速使水輪機運行在高效率區。另外，豐寧變速機組并網速度快，發電工況機組從開始建壓到GCB并網合閘完成時間小于2秒，而定速機組一般大于50秒;同時，豐寧變速機組由于采用了交流勵磁裝置自啟動方式，水泵工況機組啟動速度快，機組轉速從0到GCB并網合閘，僅需要85秒，而定速機組則需要約240秒;變速機組根據交流勵磁特性，其電氣制動投入時間早于定速機組，且變速機組電氣制動采用回饋制動方式，因此其電氣制動速度更快，即從GCB分閘到轉速為0約為36秒，而定速機組需要約300秒。

　　“世界最大”遇上“國內首臺”

　　國內首臺變速機組投產的豐寧抽水蓄能電站在此之前有多個“光環”，創造抽水蓄能領域的四項世界第一：總裝機容量世界第一，電站儲能能力世界第一，單體地下廠房規模世界第一，電站洞室群規模世界第一。

　　諸多“第一”的背后，豐寧抽水蓄能電站設計團隊實現了復雜地質條件下巨型地下洞室變形控制技術、抽水蓄能電站周調節特大庫容上水庫防滲設計、超大規模抽水蓄能電站“四多”電氣主接線設計、廠用電系統控制保護數字化和智慧運維設計、全廠智能照明系統設計、電站生態修復與景觀視覺提升等多項創新設計。

　　“變速機組在豐寧抽水蓄能電站的落地，是為了更好地實現與世界第一個±500千伏張北柔性直流電網工程配套運行的目標。”楊梅解釋說，該工程是一個能夠輸送大規模風能、太陽能、抽水蓄能等多種形態能源的康保-張北-豐寧-北京四端環形網絡，豐寧換流站作為張北柔性直流示范工程的一部分，其作用是在豐寧抽水蓄能電站投產后，將抽蓄電站調節作用納入直流電網統一平衡，以平抑新能源出力的波動，使受端換流站下網電力可以一定程度上與負荷特性匹配。

　　12年來，北京院在研究和落實豐寧抽水蓄能電站變速機組工程設計技術的過程中，攻克了變速機組系統構建、水力模型驗收和過渡過程分析、變速機組電動工況啟動方式與主要設備選型研究、含非常規接線定子繞組的變速機組電磁設計研究、核心部件轉子鐵心材料選擇與疲勞設計研究、轉子繞組絕緣系統選擇與試驗標準研究、協聯控制方案優化設計研究、變速機組轉子保護研究等多項技術難題。

　　北京院作為技術支持方，還持續配合現場完成了無經驗可循的變速機組安裝、分部調試、整組調試和涉網試驗等一系列工作。

　　技術變革背后的不變

　　“2009年第一次接觸到國外的變速機組技術，那時定速機組還沒有實現國產化，現在已經全面實現國產化。”楊梅回憶說，像定速機組技術一樣，只有在不斷研究、應用的過程中，才能實現變速機組自主化全產鏈的升級。

　　當下，我國抽水蓄能無論是裝機規模和建設、運營管理能力，還是設計、施工、設備制造技術水平，均處于世界前列。

　　談及抽水蓄能，繞不開北京院。經過多年的研究和探索，北京院已經形成了一整套解決抽水蓄能電站關鍵技術問題的理論和方法，掌握了瀝青混凝土和鋼筋混凝土全庫盆防滲設計、超高水頭大PD值壓力鋼管和內加強月牙肋鋼岔管結構設計、復雜地質條件下的大型洞室群開挖支護設計等一系列抽水蓄能電站建設關鍵技術，為我國抽水蓄能設計、施工、設備制造國產化和快速發展做出了歷史貢獻。

　　現為北京院副總工的楊梅親身經歷了我國抽水蓄能領域走過的設備和技術引進、消化吸收、自主化鞏固和提高的全過程。

　　“抽水蓄能技術一直在升級、變化，但是不變的是北京院人服務國家建設的初心。”楊梅說，北京院作為國內最早從事抽水蓄能電站技術研究并且一直引領行業發展的勘測設計單位，有責任挑起變速機組研究的擔子。

　　在推動國內首臺交流勵磁變速機組投產的同時，楊梅和她的同事們，已經開始研究全功率變速抽水蓄能機組，并且已于2022年完成工程應用科研成果，正等待著再一次的“花開”。(杜鑫)