中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：6月17日，四川省阿壩州小金縣的小金川集控中心內(nèi)，南瑞集團(tuán)技術(shù)人員正在進(jìn)行梯級(jí)水光蓄平滑控制試驗(yàn)，驗(yàn)證春廠壩抽水蓄能電站全功率變速抽蓄機(jī)組參與新能源互補(bǔ)運(yùn)行的控制策略，進(jìn)一步優(yōu)化水光蓄互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制功能。此前，南瑞集團(tuán)已支撐服務(wù)世界首例梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)正式投產(chǎn)。
小金川河流域已建成9座水電站，該項(xiàng)目利用木坡、贊拉、猛固橋3個(gè)梯級(jí)小水電及周邊分布式光伏電站，在原有春廠壩水電站廠區(qū)內(nèi)，新安裝1臺(tái)裝機(jī)容量為5兆瓦的抽蓄機(jī)組，形成“195兆瓦水電+50兆瓦光伏+5兆瓦抽水蓄能”的梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示范工程。作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，該工程的順利投運(yùn)，對(duì)提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。據(jù)初步測(cè)算，項(xiàng)目投產(chǎn)后，每年可增加水電消納量975萬(wàn)千瓦時(shí)。
在小金川流域梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電示范工程建設(shè)中，南瑞集團(tuán)主要承擔(dān)了梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)電站聯(lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)、全功率變流器、勵(lì)磁系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、變速抽蓄機(jī)組協(xié)同控制器等核心控制設(shè)備的研制工作，助力攻克了梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度、變速抽蓄機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控國(guó)產(chǎn)化及協(xié)同控制技術(shù)、全功率變流器效率及功率密度提升、實(shí)現(xiàn)變速機(jī)組多工況場(chǎng)景下多變量解耦控制等難題。
聯(lián)合智能調(diào)度破解互補(bǔ)調(diào)節(jié)難題
與一般流域梯級(jí)水電站調(diào)度控制不同，小金川流域梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電工程涵蓋了梯級(jí)水電調(diào)控、常規(guī)水力發(fā)電、光伏發(fā)電、變速抽水蓄能發(fā)電等多種模式。光伏出力受氣候光照等因素影響會(huì)劇烈波動(dòng)，而梯級(jí)水力發(fā)電又受到庫(kù)容水位、運(yùn)行工況、水量平衡等因素綜合影響。如何實(shí)現(xiàn)光伏和水電在復(fù)雜場(chǎng)景下多時(shí)間尺度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、優(yōu)化控制和友好互補(bǔ)，是擺在研發(fā)團(tuán)隊(duì)面前的一道難題。
2018年，南瑞集團(tuán)牽頭的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)著手開(kāi)展項(xiàng)目調(diào)研和策劃。經(jīng)過(guò)近4年的攻關(guān)，2022年2月，梯級(jí)水光蓄聯(lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)投入閉環(huán)試運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)水光送出最大功率波動(dòng)率每分鐘小于5%，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)精度偏差小于2%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。
“梯級(jí)水光蓄聯(lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)有效解決了光伏精細(xì)化預(yù)測(cè)、多目標(biāo)多場(chǎng)景下梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)電站實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化?！弊鳛椤奥?lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的重要成員，南瑞集團(tuán)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員單鵬珠全程參與了系統(tǒng)研發(fā)。
單鵬珠介紹，梯級(jí)水光蓄聯(lián)合運(yùn)行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)基于層次化調(diào)度控制框架，分為控制層和調(diào)度層。其中，控制層可實(shí)現(xiàn)對(duì)梯級(jí)水光的協(xié)調(diào)控制、平滑控制和預(yù)測(cè)控制。平滑控制功能利用水電機(jī)組出力、抽蓄機(jī)組毫秒級(jí)調(diào)節(jié)特性分別平抑光伏分鐘級(jí)低頻波動(dòng)、秒級(jí)高頻波動(dòng)；預(yù)測(cè)控制功能結(jié)合高精度光伏預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，制定短期、超短期發(fā)電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)水光出力的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
變流器頂層設(shè)計(jì)攻克整機(jī)效率難題
常規(guī)抽蓄發(fā)電機(jī)組采用恒定轉(zhuǎn)速機(jī)組，功率不能調(diào)整，要實(shí)現(xiàn)水光蓄互補(bǔ)發(fā)電，必須采用變速抽蓄機(jī)組。而變流器是實(shí)現(xiàn)變速抽蓄機(jī)組機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心裝置。
春廠壩抽水蓄能電站應(yīng)用了南瑞集團(tuán)最新研制的NES8000型中壓三電平變流器，為春廠壩全功率變速抽蓄提供了定制化解決方案。
整機(jī)效率是體現(xiàn)變流器性能的核心技術(shù)指標(biāo)?！盀閷?shí)現(xiàn)整機(jī)效率提升，我們從電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)及調(diào)制三大方面開(kāi)展全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)效率大于98%?！睋?jù)南瑞集團(tuán)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員莊圣倫介紹，他所在的團(tuán)隊(duì)通過(guò)三相一體閥串設(shè)計(jì)有效減小了回路寄生電感，降低了關(guān)斷尖峰；采用總體布局設(shè)計(jì)理念，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，將機(jī)網(wǎng)側(cè)三相功率模組，從常規(guī)布局的三面機(jī)柜壓縮為一面；通過(guò)濾波回路優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大降低了機(jī)網(wǎng)側(cè)濾波回路體積。優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)邏輯有效降低了關(guān)斷時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)損耗。采用的不連續(xù)調(diào)制策略在兼顧電能質(zhì)量的同時(shí)，等效降低了開(kāi)關(guān)頻率1.5倍。該變流器功率密度大于0.5兆瓦/立方米, 處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
多措并舉解決變速抽蓄控制難題
在不同運(yùn)行工況下，變速抽蓄機(jī)組全功率變流器存在不同維度的控制耦合問(wèn)題。如十秒級(jí)的調(diào)速器與變流器有功超低頻耦合，秒級(jí)的導(dǎo)葉動(dòng)作與變流器轉(zhuǎn)速控制間耦合，百毫秒級(jí)的變流器電壓控制與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制間有功無(wú)功耦合等，這些耦合關(guān)系對(duì)變流器及勵(lì)磁系統(tǒng)的控制提出了較高要求。
為保證機(jī)組全工況運(yùn)行穩(wěn)定，南瑞集團(tuán)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)變流器控制系統(tǒng)、水輪機(jī)等部件進(jìn)行精確建模，詳細(xì)計(jì)算各控制環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系，并設(shè)計(jì)出變流器、勵(lì)磁系統(tǒng)解耦控制及關(guān)鍵控制參數(shù)校核方法。通過(guò)在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀裝置平臺(tái)上與協(xié)調(diào)控制器間的詳細(xì)測(cè)試論證，最終順利完成現(xiàn)場(chǎng)全部試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了變速抽蓄機(jī)組發(fā)電工況下快速功率及快速頻率模式切換、抽水模式下轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)運(yùn)行。
南瑞集團(tuán)自主研發(fā)的變速抽蓄機(jī)組協(xié)同控制器是助力破解變速抽蓄控制難題的又一“利器”。
全功率變速抽蓄機(jī)組的調(diào)速器和變流器均可調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，控制過(guò)程中存在相互影響。協(xié)同控制器能根據(jù)有功功率設(shè)定值和工作水頭，利用機(jī)組運(yùn)行特性曲線，計(jì)算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開(kāi)度，將有功功率、導(dǎo)葉開(kāi)度和轉(zhuǎn)速信號(hào)下發(fā)給調(diào)速器和變流器，由調(diào)速器控制機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，變流器控制三相定子電壓實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終達(dá)到協(xié)同控制的目的。但這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，國(guó)外廠商相關(guān)研究成果對(duì)國(guó)內(nèi)尚未公開(kāi)。
面對(duì)困難，南瑞集團(tuán)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迎難而上，歷時(shí)兩年多，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、理論研究、算法驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，成功研制出相關(guān)產(chǎn)品。自主研發(fā)的協(xié)同控制器攻克了全功率變速抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、全功率變流器、調(diào)速器之間工況轉(zhuǎn)換與協(xié)同控制難題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組發(fā)電和抽水工況下功率和轉(zhuǎn)速的快速連續(xù)調(diào)節(jié)。5月20日，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)順利完成了變速發(fā)電快速功率調(diào)節(jié)驗(yàn)證，標(biāo)志著機(jī)組具備10%額定容量下的百毫秒級(jí)快速功率調(diào)節(jié)能力，為電站安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了有力支撐。
“貴公司為國(guó)內(nèi)首臺(tái)全功率變速抽水蓄能機(jī)組貢獻(xiàn)了南瑞智慧，充分展現(xiàn)了國(guó)有企業(yè)的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。在此，特向貴公司和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)表示誠(chéng)摯的感謝……”6月20日，國(guó)網(wǎng)四川電力發(fā)來(lái)感謝信，對(duì)南瑞集團(tuán)和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的付出表示了感謝。
全國(guó)首例水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的成功運(yùn)行，為流域水光蓄多能互補(bǔ)一體化開(kāi)發(fā)提供了示范樣板?！半p碳”目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)建設(shè)對(duì)抽水蓄能發(fā)展提出更高要求。下一步，南瑞集團(tuán)將深入推進(jìn)“一體四翼”高質(zhì)量發(fā)展，持續(xù)把握能源電力技術(shù)變革趨勢(shì)，整合內(nèi)外部創(chuàng)新資源，不斷提高在高端設(shè)備領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為提升流域可再生能源利用率，助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系貢獻(xiàn)南瑞力量。
