“我國變速抽水蓄能機組工程設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行、維護等方面技術(shù)將實現(xiàn)‘0’的突破?！?月7日晚，剛參加完一場專業(yè)研討會的楊梅激動地跟同事說。
4天后，國內(nèi)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(wǎng)新源豐寧抽水蓄能電站投產(chǎn)發(fā)電。
作為該電站的設(shè)計者，變速機組項目負責(zé)人楊梅和她的同事們用了12年時間，完成了國際技術(shù)調(diào)研和分析、工程應(yīng)用課題研究、工程設(shè)計直至建設(shè)投產(chǎn)的全過程。她所供職的中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱北京院）也因此成為目前國內(nèi)唯一一家具有交流勵磁變速機組專題科研和工程應(yīng)用設(shè)計業(yè)績的設(shè)計院。
“豐寧變速機組的成功建設(shè)和運行，為我國全面掌握變速機組工程選點規(guī)劃和設(shè)計、設(shè)備設(shè)計和制造、安裝、調(diào)試、運行和維護等全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)奠定了基礎(chǔ)?！痹诔樗钅茴I(lǐng)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(shè)完全自主化變速機組的階段，將有效助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)，加快實現(xiàn)“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(fā)電的水電站，被譽為藏在深山的“超級充電寶”。
水泵水輪機-發(fā)電電動機組是抽水蓄能電站抽水和發(fā)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(xiàn)有功功率的高速調(diào)節(jié)、水泵入力在變速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、更強的進相運行能力、提高機組運行的穩(wěn)定性和運行效率等優(yōu)點。
“豐寧變速機組的轉(zhuǎn)速可在同步轉(zhuǎn)速的-7%到+6.2%范圍內(nèi)變化，由于水泵入力與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此抽水功率在全揚程條件下實現(xiàn)220兆瓦到330兆瓦范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。而定速機組抽水工況轉(zhuǎn)速是固定的，因此抽水功率不能因為轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)?！睏蠲方忉屨f，比如電網(wǎng)中存在240兆瓦的負荷缺口，變速機組能夠通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，更精準地滿足電網(wǎng)需求。
據(jù)介紹，相比定速機組，變速機組在設(shè)備上的不同主要體現(xiàn)在發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子及交流勵磁裝置?，F(xiàn)場調(diào)試試驗結(jié)果表明，變速機組通過交流勵磁裝置瞬時調(diào)節(jié)機械轉(zhuǎn)速來釋放或儲備轉(zhuǎn)子的機械動能，能夠顯著提高一次調(diào)頻響應(yīng)速率，響應(yīng)時間可以達到0.2秒，而定速機組一次調(diào)頻響應(yīng)時間一般為2秒。
變速機組具有水頭、功率、導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速四要素協(xié)聯(lián)控制關(guān)系，發(fā)電工況時能夠通過瞬時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使水輪機運行在高效率區(qū)。另外，豐寧變速機組并網(wǎng)速度快，發(fā)電工況機組從開始建壓到GCB并網(wǎng)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(zhuǎn)速從0到GCB并網(wǎng)合閘，僅需要85秒，而定速機組則需要約240秒；變速機組根據(jù)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(zhuǎn)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(nèi)首臺”
國內(nèi)首臺變速機組投產(chǎn)的豐寧抽水蓄能電站在此之前有多個“光環(huán)”，創(chuàng)造抽水蓄能領(lǐng)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(guī)模世界第一，電站洞室群規(guī)模世界第一。
諸多“第一”的背后，豐寧抽水蓄能電站設(shè)計團隊實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下巨型地下洞室變形控制技術(shù)、抽水蓄能電站周調(diào)節(jié)特大庫容上水庫防滲設(shè)計、超大規(guī)模抽水蓄能電站“四多”電氣主接線設(shè)計、廠用電系統(tǒng)控制保護數(shù)字化和智慧運維設(shè)計、全廠智能照明系統(tǒng)設(shè)計、電站生態(tài)修復(fù)與景觀視覺提升等多項創(chuàng)新設(shè)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(xiàn)與世界第一個±500千伏張北柔性直流電網(wǎng)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(guī)模風(fēng)能、太陽能、抽水蓄能等多種形態(tài)能源的康保-張北-豐寧-北京四端環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)后，將抽蓄電站調(diào)節(jié)作用納入直流電網(wǎng)統(tǒng)一平衡，以平抑新能源出力的波動，使受端換流站下網(wǎng)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(shè)計技術(shù)的過程中，攻克了變速機組系統(tǒng)構(gòu)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(shè)備選型研究、含非常規(guī)接線定子繞組的變速機組電磁設(shè)計研究、核心部件轉(zhuǎn)子鐵心材料選擇與疲勞設(shè)計研究、轉(zhuǎn)子繞組絕緣系統(tǒng)選擇與試驗標準研究、協(xié)聯(lián)控制方案優(yōu)化設(shè)計研究、變速機組轉(zhuǎn)子保護研究等多項技術(shù)難題。
北京院作為技術(shù)支持方，還持續(xù)配合現(xiàn)場完成了無經(jīng)驗可循的變速機組安裝、分部調(diào)試、整組調(diào)試和涉網(wǎng)試驗等一系列工作。
技術(shù)變革背后的不變
“2009年第一次接觸到國外的變速機組技術(shù)，那時定速機組還沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，現(xiàn)在已經(jīng)全面實現(xiàn)國產(chǎn)化?！睏蠲坊貞浾f，像定速機組技術(shù)一樣，只有在不斷研究、應(yīng)用的過程中，才能實現(xiàn)變速機組自主化全產(chǎn)鏈的升級。
當下，我國抽水蓄能無論是裝機規(guī)模和建設(shè)、運營管理能力，還是設(shè)計、施工、設(shè)備制造技術(shù)水平，均處于世界前列。
談及抽水蓄能，繞不開北京院。經(jīng)過多年的研究和探索，北京院已經(jīng)形成了一整套解決抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計、超高水頭大PD值壓力鋼管和內(nèi)加強月牙肋鋼岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型洞室群開挖支護設(shè)計等一系列抽水蓄能電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，為我國抽水蓄能設(shè)計、施工、設(shè)備制造國產(chǎn)化和快速發(fā)展做出了歷史貢獻。
現(xiàn)為北京院副總工的楊梅親身經(jīng)歷了我國抽水蓄能領(lǐng)域走過的設(shè)備和技術(shù)引進、消化吸收、自主化鞏固和提高的全過程。
“抽水蓄能技術(shù)一直在升級、變化，但是不變的是北京院人服務(wù)國家建設(shè)的初心?！睏蠲氛f，北京院作為國內(nèi)最早從事抽水蓄能電站技術(shù)研究并且一直引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的勘測設(shè)計單位，有責(zé)任挑起變速機組研究的擔子。
在推動國內(nèi)首臺交流勵磁變速機組投產(chǎn)的同時，楊梅和她的同事們，已經(jīng)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(yīng)用科研成果，正等待著再一次的“花開”。
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