近日，廣東肇慶浪江抽水蓄能電站300兆瓦變速機組發(fā)電電動(dòng)機通風(fēng)模型試驗通過(guò)驗收，這是國內首個(gè)實(shí)現100%國產(chǎn)化的大型變速抽水蓄能機組的通風(fēng)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(fā)電電動(dòng)機轉子等研發(fā)工作提供了核心專(zhuān)業(yè)支撐，推動(dòng)我國300兆瓦變速抽水蓄能機組進(jìn)入研發(fā)攻關(guān)的新階段。”南方電網(wǎng)儲能股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南網(wǎng)儲能”）基建部副總經(jīng)理雷興春說(shuō)。
“300兆瓦變速抽水蓄能機組成套設備”被列為我國能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目，肇慶浪江抽水蓄能電站等3個(gè)工程為其依托工程。隨著(zhù)依托工程的關(guān)鍵核心技術(shù)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(fā)國內首個(gè)超大直徑金屬護環(huán)
日前，記者來(lái)到肇慶浪江抽水蓄能電站工程的“心臟”——地下廠(chǎng)房。目前，這里已全面進(jìn)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(gè)變速抽水蓄能電站，是“十四五”期間國家重點(diǎn)實(shí)施項目。電站總裝機容量120萬(wàn)千瓦，將安裝4臺30萬(wàn)千瓦機組，其中1臺機組為我國自主研發(fā)的可變速機組。
“要讓國產(chǎn)的可變速機組在此‘安家’絕非易事，核心難點(diǎn)在于技術(shù)裝備的研制。”中國能源研究會(huì )抽水蓄能專(zhuān)委會(huì )副秘書(shū)長(cháng)陳泓宇說(shuō)，受裝備制造等方面的限制，我國目前開(kāi)發(fā)的抽水蓄能電站基本采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制涉及到發(fā)電電動(dòng)機、水泵水輪機、交流勵磁、控制保護等多方面的技術(shù)攻關(guān)。
以發(fā)電電動(dòng)機為例，變速機組與定速機組最大區別在于發(fā)電電動(dòng)機的轉子部位。變速機組運行時(shí)，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(huán)是變速機組必不可少的部件。國內此前并沒(méi)有該部件的制造經(jīng)驗。
“我們聯(lián)合東方電氣集團東方電機有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)‘東方電機’）攻關(guān)團隊在材料選擇、加工制造、安裝工藝等方面開(kāi)展了一系列研究。”雷興春介紹，最終，攻關(guān)團隊研發(fā)出國內首個(gè)變速抽蓄機組超大直徑（約5米）金屬護環(huán)，實(shí)現了金屬護環(huán)的國產(chǎn)化制造。“這種新護環(huán)的直徑是普通汽輪發(fā)電機的2.5倍，材料屈服強度超過(guò)750兆帕，相當于1平方米的面積可承受75萬(wàn)噸重物的壓力。”雷興春說(shuō)。
交流勵磁技術(shù)是實(shí)現大型變速抽水蓄能機組功能的關(guān)鍵。變速抽水蓄能機組運行時(shí)，其中的部件轉子既要通過(guò)改變轉速來(lái)實(shí)現功率的靈活調節，又要保持旋轉磁場(chǎng)與定子旋轉磁場(chǎng)的相對靜止，以實(shí)現穩定的能量轉換。由于常規的直流勵磁系統無(wú)法滿(mǎn)足變速抽水蓄能機組運轉的要求，必須通過(guò)交流勵磁系統產(chǎn)生的可變旋轉磁場(chǎng)，彌補轉子實(shí)際轉速與同步轉速的轉差。
要實(shí)現與復雜的機組變速運行工況精準匹配，交流勵磁系統需要滿(mǎn)足電壓達到6.6千伏、電流達到6.1千安、長(cháng)期輸出頻率范圍控制在系統頻率的±10%以?xún)?、短時(shí)連續輸出頻率范圍覆蓋0至110%的系統頻率等一系列嚴苛的參數要求。
為滿(mǎn)足6.6千伏電壓要求，南京南瑞繼保電氣有限公司研發(fā)團隊對比多個(gè)技術(shù)方案，最終攻克了大功率壓接式器件直接串聯(lián)技術(shù)，實(shí)現設備最優(yōu)性能。在電流方面，研發(fā)團隊采用了大功率電壓源型變流器并聯(lián)技術(shù)，實(shí)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(kāi)展一系列的功能驗證試驗。”南網(wǎng)儲能生技部總經(jīng)理李育林透露。
大型變速抽水蓄能機組研制的難題不僅涉及電氣領(lǐng)域，還涉及水力設計領(lǐng)域。變速機組由于負荷調節寬，需要對水泵水輪機的轉輪翼型及通流部件進(jìn)行多方面優(yōu)化，以實(shí)現更快的響應速度。
“歷時(shí)15個(gè)月、7輪次的數值模擬及功能測試試驗，我們聯(lián)合東方電機開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的水泵水輪機，實(shí)現了高效、穩定、安全、大范圍入力可調的設計目標。”南網(wǎng)儲能建管分公司機電部總經(jīng)理葉飛說(shuō)。
與技術(shù)裝備研制同步進(jìn)行的是控制功能仿真建設。“新設備一旦投入運行，必須確保其在各種工況下運行萬(wàn)無(wú)一失，否則會(huì )對電網(wǎng)安全穩定造成威脅。”近兩年來(lái)，南網(wǎng)儲能科研院技術(shù)專(zhuān)家彭煜民帶領(lǐng)團隊，針對變速機組各種運行場(chǎng)景進(jìn)行控制功能推演。
目前，研發(fā)團隊已完成機組工況轉換流程的編制和數模仿真平臺的搭建，正全面開(kāi)展各項功能測試。數模仿真平臺僅針對“交流勵磁和調速器多模式切換協(xié)同控制技術(shù)”就有近40個(gè)邏輯策略模塊。“這些仿真模塊可確保近40個(gè)功能各異的‘樂(lè )器’一起演奏時(shí)，既不斷聲，也沒(méi)有雜音。”彭煜民說(shuō)。
除了300兆瓦變速抽水蓄能機組，我國首臺國產(chǎn)400兆瓦變速機組的技術(shù)設計也基本定型，預計2026年可完成機組制造，2027年投入惠州中洞抽水蓄能電站使用，屆時(shí)將實(shí)現抽水蓄能裝備技術(shù)的全面國產(chǎn)化。
“目前各項技術(shù)攻關(guān)和工程建設都在順利推進(jìn)中。”雷興春表示。
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