国内首台变速抽水蓄能机组的变与不变

　　“我国变速抽水蓄能机组工程设计、安装、调试、运行、维护等方面技术将实现‘0’的突破。”8月7日晚，刚参加完一场专业研讨会的杨梅激动地跟同事说。

　　4天后，国内首台大型交流励磁变速抽水蓄能机组(以下简称变速机组)在国网新源丰宁抽水蓄能电站投产发电。

　　作为该电站的设计者，变速机组项目负责人杨梅和她的同事们用了12年时间，完成了国际技术调研和分析、工程应用课题研究、工程设计直至建设投产的全过程。她所供职的中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司(以下简称北京院)也因此成为目前国内唯一一家具有交流励磁变速机组专题科研和工程应用设计业绩的设计院。

　　“丰宁变速机组的成功建设和运行，为我国全面掌握变速机组工程选点规划和设计、设备设计和制造、安装、调试、运行和维护等全产业链技术奠定了基础。”在抽水蓄能领域深耕29年的杨梅说，这将使我国很快跨入有能力、有条件合理布局和建设完全自主化变速机组的阶段，将有效助力新型电力系统建设，加快实现“双碳”目标。

　　变速机组变在哪?

　　抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，被誉为藏在深山的“超级充电宝”。

　　水泵水轮机-发电电动机组是抽水蓄能电站抽水和发电的核心。相比较定速机组，变速机组具有提供频率自动控制容量、实现有功功率的高速调节、水泵入力在变速范围内连续可调、更强的进相运行能力、提高机组运行的稳定性和运行效率等优点。

　　“丰宁变速机组的转速可在同步转速的-7%到+6.2%范围内变化，由于水泵入力与转速的三次方成正比，因此抽水功率在全扬程条件下实现220兆瓦到330兆瓦范围内连续调节。而定速机组抽水工况转速是固定的，因此抽水功率不能因为转速而调节。”杨梅解释说，比如电网中存在240兆瓦的负荷缺口，变速机组能够通过调节转子转速，更精准地满足电网需求。

　　据介绍，相比定速机组，变速机组在设备上的不同主要体现在发电电动机转子及交流励磁装置。现场调试试验结果表明，变速机组通过交流励磁装置瞬时调节机械转速来释放或储备转子的机械动能，能够显著提高一次调频响应速率，响应时间可以达到0.2秒，而定速机组一次调频响应时间一般为2秒。

　　变速机组具有水头、功率、导叶开度、转速四要素协联控制关系，发电工况时能够通过瞬时调节转速使水轮机运行在高效率区。另外，丰宁变速机组并网速度快，发电工况机组从开始建压到GCB并网合闸完成时间小于2秒，而定速机组一般大于50秒;同时，丰宁变速机组由于采用了交流励磁装置自启动方式，水泵工况机组启动速度快，机组转速从0到GCB并网合闸，仅需要85秒，而定速机组则需要约240秒;变速机组根据交流励磁特性，其电气制动投入时间早于定速机组，且变速机组电气制动采用回馈制动方式，因此其电气制动速度更快，即从GCB分闸到转速为0约为36秒，而定速机组需要约300秒。

　　“世界最大”遇上“国内首台”

　　国内首台变速机组投产的丰宁抽水蓄能电站在此之前有多个“光环”，创造抽水蓄能领域的四项世界第一：总装机容量世界第一，电站储能能力世界第一，单体地下厂房规模世界第一，电站洞室群规模世界第一。

　　诸多“第一”的背后，丰宁抽水蓄能电站设计团队实现了复杂地质条件下巨型地下洞室变形控制技术、抽水蓄能电站周调节特大库容上水库防渗设计、超大规模抽水蓄能电站“四多”电气主接线设计、厂用电系统控制保护数字化和智慧运维设计、全厂智能照明系统设计、电站生态修复与景观视觉提升等多项创新设计。

　　“变速机组在丰宁抽水蓄能电站的落地，是为了更好地实现与世界第一个±500千伏张北柔性直流电网工程配套运行的目标。”杨梅解释说，该工程是一个能够输送大规模风能、太阳能、抽水蓄能等多种形态能源的康保-张北-丰宁-北京四端环形网络，丰宁换流站作为张北柔性直流示范工程的一部分，其作用是在丰宁抽水蓄能电站投产后，将抽蓄电站调节作用纳入直流电网统一平衡，以平抑新能源出力的波动，使受端换流站下网电力可以一定程度上与负荷特性匹配。

　　12年来，北京院在研究和落实丰宁抽水蓄能电站变速机组工程设计技术的过程中，攻克了变速机组系统构建、水力模型验收和过渡过程分析、变速机组电动工况启动方式与主要设备选型研究、含非常规接线定子绕组的变速机组电磁设计研究、核心部件转子铁心材料选择与疲劳设计研究、转子绕组绝缘系统选择与试验标准研究、协联控制方案优化设计研究、变速机组转子保护研究等多项技术难题。

　　北京院作为技术支持方，还持续配合现场完成了无经验可循的变速机组安装、分部调试、整组调试和涉网试验等一系列工作。

　　技术变革背后的不变

　　“2009年第一次接触到国外的变速机组技术，那时定速机组还没有实现国产化，现在已经全面实现国产化。”杨梅回忆说，像定速机组技术一样，只有在不断研究、应用的过程中，才能实现变速机组自主化全产链的升级。

　　当下，我国抽水蓄能无论是装机规模和建设、运营管理能力，还是设计、施工、设备制造技术水平，均处于世界前列。

　　谈及抽水蓄能，绕不开北京院。经过多年的研究和探索，北京院已经形成了一整套解决抽水蓄能电站关键技术问题的理论和方法，掌握了沥青混凝土和钢筋混凝土全库盆防渗设计、超高水头大PD值压力钢管和内加强月牙肋钢岔管结构设计、复杂地质条件下的大型洞室群开挖支护设计等一系列抽水蓄能电站建设关键技术，为我国抽水蓄能设计、施工、设备制造国产化和快速发展做出了历史贡献。

　　现为北京院副总工的杨梅亲身经历了我国抽水蓄能领域走过的设备和技术引进、消化吸收、自主化巩固和提高的全过程。

　　“抽水蓄能技术一直在升级、变化，但是不变的是北京院人服务国家建设的初心。”杨梅说，北京院作为国内最早从事抽水蓄能电站技术研究并且一直引领行业发展的勘测设计单位，有责任挑起变速机组研究的担子。

　　在推动国内首台交流励磁变速机组投产的同时，杨梅和她的同事们，已经开始研究全功率变速抽水蓄能机组，并且已于2022年完成工程应用科研成果，正等待着再一次的“花开”。(杜鑫)