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核心提示：近年來，四川持續(xù)擴(kuò)大清潔能源開發(fā)規(guī)模。國網(wǎng)四川省電力公司依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，在小金川流域建成投運(yùn)國內(nèi)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(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了梯級小水電、光伏發(fā)電、變速抽水蓄能的互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行和智能調(diào)度，提升了清潔能源電源友好并網(wǎng)水平和電量消納水平。

聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織于近日發(fā)布《世界小水電發(fā)展報告（2022）》，由國網(wǎng)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(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)四川電力牽頭的項目創(chuàng)新成果“梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)及應(yīng)用”通過中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技成果鑒定。項目攻克了梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電世界級難題，研究成果整體達(dá)國際領(lǐng)先水平。該成果依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“分布式光伏與梯級小水電互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究及應(yīng)用示范”等項目形成。

2022年5月，國網(wǎng)四川電力在小金川流域建成投運(yùn)國內(nèi)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(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了梯級小水電、光伏發(fā)電、變速抽水蓄能的互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行，形成了全功率變速抽水蓄能機(jī)組設(shè)計、制造、控制以及調(diào)試等成套技術(shù)，打破了國外技術(shù)壟斷，對助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、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(bǔ)聯(lián)合發(fā)電模式

四川清潔能源資源豐富，水能資源技術(shù)可開發(fā)量達(dá)1.48億千瓦，居全國第二位。川西“三州一市”各流域河谷內(nèi)太陽能資源豐富，但光伏發(fā)電出力具有強(qiáng)隨機(jī)性和波動性。

國網(wǎng)四川電力副總工程師、“分布式光伏與梯級小水電互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究及應(yīng)用示范”項目負(fù)責(zé)人韓曉言介紹，小金川流域梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由19.5萬千瓦梯級水電、5萬千瓦光伏發(fā)電和0.5萬千瓦變速抽水蓄能組成，其中，變速抽水蓄能機(jī)組為全新研制，是國內(nèi)首臺投入工程運(yùn)行的全功率變速抽水蓄能機(jī)組。

四川電力科學(xué)研究院副院長丁理杰介紹，梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電一般包括三種形式的互補(bǔ)：一是中長期電量資源的互補(bǔ)，水電和光伏發(fā)電天然存在互補(bǔ)性，豐水期水電出力較多、光伏發(fā)電出力較少，枯水期水電出力受限、光伏發(fā)電出力較大；二是短期調(diào)度計劃的互補(bǔ)，在日內(nèi)，白天光伏大發(fā)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(fā)電；三是實(shí)時控制層面的互補(bǔ)，光伏發(fā)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(bǔ)償光伏發(fā)電的慢速波動，變速抽水蓄能補(bǔ)償光伏發(fā)電的快速波動，實(shí)現(xiàn)對功率波動的快速平滑抑制。多層互補(bǔ)能實(shí)現(xiàn)水電、光伏發(fā)電、抽水蓄能三種能源方式的運(yùn)行最優(yōu)化，提升光伏發(fā)電等新能源電源的友好并網(wǎng)水平。

國網(wǎng)四川電力于2018年成立大規(guī)模清潔能源送出研發(fā)團(tuán)隊。團(tuán)隊歷時4年提出了全功率變速抽水蓄能變流器、調(diào)速、勵磁、監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，聯(lián)合國電南瑞科技股份有限公司等單位研制了國內(nèi)首套全功率變速抽水蓄能自動控制保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變速抽水蓄能二次關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控；提出全功率變速抽水蓄能保護(hù)配置和整定方法，適應(yīng)發(fā)電、抽水、旁路等多個運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)了全功率抽水蓄能機(jī)組控制保護(hù)設(shè)備的工程應(yīng)用；攻克了梯級水光蓄互補(bǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行控制與調(diào)度技術(shù)難題，研制了世界首套梯級水光蓄互補(bǔ)電站聯(lián)合運(yùn)行分析、控制與調(diào)度系列軟件。

這些創(chuàng)新攻克了梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度控制和全功率變速抽水蓄能技術(shù)難題，有助于實(shí)現(xiàn)多種能源的安全、高效、協(xié)同運(yùn)行，助力清潔能源消納。

自主創(chuàng)新攻克難題填補(bǔ)技術(shù)空白

5月25日清晨，阿壩州小金縣春廠壩電廠內(nèi)，幾名技術(shù)人員圍在電腦前。“5、4、3、2、1，開始！”指揮員下達(dá)了指令，一陣轟鳴聲傳來……他們正在進(jìn)行變速抽水蓄能功率階躍響應(yīng)試驗，通過靈活調(diào)節(jié)變速抽水蓄能機(jī)組出力，讓它與光伏等新能源發(fā)電機(jī)組互補(bǔ)運(yùn)行。

相較于傳統(tǒng)的定速抽水蓄能，變速抽水蓄能具有運(yùn)行效率高、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、抽水功率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足水光蓄互補(bǔ)發(fā)電要求。但國內(nèi)尚無連續(xù)變速抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用的先例，機(jī)組控制和保護(hù)技術(shù)更是空白。面對挑戰(zhàn)，國網(wǎng)四川電力大規(guī)模清潔能源送出研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合中國水科院、哈爾濱電機(jī)廠、國電南瑞等單位研發(fā)出國內(nèi)首臺全功率變速恒頻可逆式抽水蓄能機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成的全國產(chǎn)化。

“我們從極少的相關(guān)文獻(xiàn)中查到快速變功率的控制技術(shù)，但經(jīng)理論推導(dǎo)和詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真分析后發(fā)現(xiàn)，該模式下機(jī)組存在超低頻振蕩風(fēng)險，可能危及機(jī)組安全。”四川電科院技術(shù)專家史華勃說。

結(jié)合理論分析與電磁暫態(tài)仿真手段，團(tuán)隊創(chuàng)新提出“快速變轉(zhuǎn)速控制”與“快速變功率控制”相結(jié)合的多階段協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)不同工況下變流器、調(diào)速、勵磁和監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)同控制，可使機(jī)組最大限度兼顧安全高效穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)快速功率響應(yīng)、寬調(diào)節(jié)范圍的需求，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。變速抽水蓄能技術(shù)的創(chuàng)新突破打破了國外技術(shù)壟斷，預(yù)計可降低同類設(shè)備價格20%以上，為國產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)帶來更多發(fā)展機(jī)遇。

國內(nèi)首臺全功率變速抽水蓄能機(jī)組投運(yùn)

在缺乏經(jīng)驗可循的情況下，研發(fā)團(tuán)隊在全功率變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行調(diào)試方面也創(chuàng)造性地開展了相關(guān)工作。

面對國內(nèi)首臺全功率變速抽水蓄能機(jī)組，研發(fā)團(tuán)隊認(rèn)真研讀相關(guān)的20余項國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合機(jī)組設(shè)計制造文件，組織50余名技術(shù)人員歷時40余天，編制出全國首份全功率變速抽水蓄能機(jī)組啟動調(diào)試大綱和系列調(diào)試方案。“我們利用硬件在環(huán)仿真手段對機(jī)組啟動調(diào)試中的每一步都進(jìn)行了仿真校核，確保控制策略無誤。”丁理杰介紹。

繼電保護(hù)是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。國內(nèi)首臺全功率變速抽水蓄能機(jī)組的繼電保護(hù)系統(tǒng)如何配置、定值如何整定、調(diào)試如何開展，都是難題。“變速抽水蓄能機(jī)組保護(hù)定值整定的最大難點(diǎn)在于定值需適應(yīng)發(fā)電、抽水、旁路、變速等多個工況下的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。”四川電科院繼電保護(hù)技術(shù)專責(zé)周文越介紹。研發(fā)團(tuán)隊基于大量機(jī)電暫態(tài)仿真，多次與調(diào)試機(jī)構(gòu)和國網(wǎng)四川電力調(diào)度控制中心討論定值合理性，經(jīng)過10余次修改完善，最終完成了200余項保護(hù)定值的整定，為機(jī)組啟動運(yùn)行打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

調(diào)試過程并非一帆風(fēng)順。調(diào)試人員先后解決了電壓互感器熔絲熔斷、機(jī)組振蕩等問題，特別是抽水過程中導(dǎo)葉開啟速度和轉(zhuǎn)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(dǎo)葉與轉(zhuǎn)速不匹配引發(fā)故障。”韓曉言介紹。

同時，國網(wǎng)四川電力聯(lián)合國電南瑞研發(fā)了世界首套梯級水光蓄互補(bǔ)電站聯(lián)合運(yùn)行與智能調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)于2022年5月投運(yùn)，能夠根據(jù)周邊的氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測光伏電站和水電站的發(fā)電情況，并借助抽水蓄能機(jī)組全功率變流器的毫秒級響應(yīng)能力，匹配最合適的發(fā)電配比并進(jìn)行聯(lián)合智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了梯級水電、光伏發(fā)電和變速抽水蓄能的互補(bǔ)聯(lián)合最優(yōu)運(yùn)行，大幅降低了光伏發(fā)電的功率波動。

預(yù)計到2025年，四川省風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到3200萬千瓦，與省內(nèi)1億千瓦的水電裝機(jī)共同形成多個大型水風(fēng)光蓄互補(bǔ)發(fā)電基地，電網(wǎng)運(yùn)行方式更加復(fù)雜。研發(fā)團(tuán)隊將繼續(xù)深耕水風(fēng)光蓄多能互補(bǔ)領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)，助推大規(guī)模清潔能源消納。

原標(biāo)題：水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電 助力清潔能源更高效消納