變速抽水蓄能機組邁向工程化應用

建設中的肇慶浪江抽水蓄能電站。受訪單位供圖

近日，廣東肇慶浪江抽水蓄能電站300兆瓦變速機組發電電動機通風模型試驗通過驗收，這是國內首個實現100％國産化的大型變速抽水蓄能機組的通風模型試驗。

“該模型試驗的驗收完成，為下一步肇慶浪江抽水蓄能電站變速機組發電電動機轉子等研發工作提供了核心專業支撐，推動我國300兆瓦變速抽水蓄能機組進入研發攻關的新階段。”南方電網儲能股份有限公司（以下簡稱“南網儲能”）基建部副總經理雷興春説。

“300兆瓦變速抽水蓄能機組成套設備”被列為我國能源領域首臺（套）重大技術裝備項目，肇慶浪江抽水蓄能電站等3個工程為其依託工程。隨著依託工程的關鍵核心技術不斷被攻克，我國首臺（套）變速抽水蓄能機組正加速邁向工程化應用。

研發國內首個超大直徑金屬護環

日前，記者來到肇慶浪江抽水蓄能電站工程的“心臟”——地下廠房。目前，這裡已全面進入機電安裝階段。

肇慶浪江抽水蓄能電站是粵港澳大灣區首個變速抽水蓄能電站，是“十四五”期間國家重點實施項目。電站總裝機容量120萬千瓦，將安裝4台30萬千瓦機組，其中1台機組為我國自主研發的可變速機組。

“要讓國産的可變速機組在此‘安家’絕非易事，核心難點在於技術裝備的研製。”中國能源研究會抽水蓄能專委會副秘書長陳泓宇説，受裝備製造等方面的限制，我國目前開發的抽水蓄能電站基本採用定速抽水蓄能機組。因此，要將抽水蓄能機組從定速轉為變速，面臨巨大挑戰。

大型變速抽水蓄能機組研製涉及到發電電動機、水泵水輪機、交流勵磁、控制保護等多方面的技術攻關。

以發電電動機為例，變速機組與定速機組最大區別在於發電電動機的轉子部位。變速機組運作時，轉子繞組端部需要承受離心力、電磁力及熱漲力的綜合作用，高耐受能力的金屬護環是變速機組必不可少的部件。國內此前並沒有該部件的製造經驗。

“我們聯合東方電氣集團東方電機有限公司（以下簡稱‘東方電機’）攻關團隊在材料選擇、加工製造、安裝工藝等方面開展了一系列研究。”雷興春介紹，最終，攻關團隊研發出國內首個變速抽蓄機組超大直徑（約5米）金屬護環，實現了金屬護環的國産化製造。“這種新護環的直徑是普通汽輪發電機的2．5倍，材料屈服強度超過750兆帕，相當於1平方米的面積可承受75萬噸重物的壓力。”雷興春説。

攻克交流勵磁系統難題

交流勵磁技術是實現大型變速抽水蓄能機組功能的關鍵。變速抽水蓄能機組運作時，其中的部件轉子既要通過改變轉速來實現功率的靈活調節，又要保持旋轉磁場與定子旋轉磁場的相對靜止，以實現穩定的能量轉換。由於常規的直流勵磁系統無法滿足變速抽水蓄能機組運轉的要求，必須通過交流勵磁系統産生的可變旋轉磁場，彌補轉子實際轉速與同步轉速的轉差。

要實現與複雜的機組變速運作工況精準匹配，交流勵磁系統需要滿足電壓達到6．6千伏、電流達到6．1千安、長期輸出頻率範圍控制在系統頻率的±10％以內、短時連續輸出頻率範圍覆蓋0至110％的系統頻率等一系列嚴苛的參數要求。

為滿足6．6千伏電壓要求，南京南瑞繼保電氣有限公司研發團隊對比多個技術方案，最終攻克了大功率壓接式器件直接串聯技術，實現設備最優性能。在電流方面，研發團隊採用了大功率電壓源型變流器並聯技術，實現7．2千安的大電流輸出。

“目前，機組的全部交流勵磁系統已完成設計。下一步，我們將開展一系列的功能驗證試驗。”南網儲能生技部總經理李育林透露。

讓40個“樂器”和諧“彈奏”

大型變速抽水蓄能機組研製的難題不僅涉及電氣領域，還涉及水力設計領域。變速機組由於負荷調節寬，需要對水泵水輪機的轉輪翼型及通流部件進行多方面優化，以實現更快的響應速度。

“歷時15個月、7輪次的數值模擬及功能測試試驗，我們聯合東方電機開發出了性能優異的水泵水輪機，實現了高效、穩定、安全、大範圍入力可調的設計目標。”南網儲能建管分公司機電部總經理葉飛説。

與技術裝備研製同步進行的是控制功能倣真建設。“新設備一旦投入運作，必須確保其在各種工況下運作萬無一失，否則會對電網安全穩定造成威脅。”近兩年來，南網儲能科研院技術專家彭煜民帶領團隊，針對變速機組各種運作場景進行控制功能推演。

目前，研發團隊已完成機組工況轉換流程的編制和數模倣真平臺的搭建，正全面開展各項功能測試。數模倣真平臺僅針對“交流勵磁和調速器多模式切換協同控制技術”就有近40個邏輯策略模組。“這些倣真模組可確保近40個功能各異的‘樂器’一起演奏時，既不斷聲，也沒有雜音。”彭煜民説。

除了300兆瓦變速抽水蓄能機組，我國首臺國産400兆瓦變速機組的技術設計也基本定型，預計2026年可完成機組製造，2027年投入惠州中洞抽水蓄能電站使用，屆時將實現抽水蓄能裝備技術的全面國産化。

“目前各項技術攻關和工程建設都在順利推進中。”雷興春表示。