中國儲能網(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)，南瑞集團技術人員正在進行梯級水光蓄平滑控制試驗，驗證春廠壩抽水蓄能電站全功率變速抽蓄機組參與新能源互補運行的控制策略，進一步優(yōu)化水光蓄互補協(xié)調(diào)控制功能。此前，南瑞集團已支撐服務世界首例梯級水光蓄互補聯(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，該項目利用木坡、贊拉、猛固橋3個梯級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臺裝機容量為5兆瓦的抽蓄機組，形成“195兆瓦水電+50兆瓦光伏+5兆瓦抽水蓄能”的梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示范工程。作為國家重點研發(fā)計劃項目，該工程的順利投運，對提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平具有顯著的經(jīng)濟效益和社會意義。據(jù)初步測算，項目投產(chǎn)后，每年可增加水電消納量975萬千瓦時。
在小金川流域梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電示范工程建設中，南瑞集團主要承擔了梯級水光蓄互補電站聯(lián)合運行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)、全功率變流器、勵磁系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、變速抽蓄機組協(xié)同控制器等核心控制設備的研制工作，助力攻克了梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行控制與智能調(diào)度、變速抽蓄機組計算機監(jiān)控國產(chǎn)化及協(xié)同控制技術、全功率變流器效率及功率密度提升、實現(xiàn)變速機組多工況場景下多變量解耦控制等難題。
聯(lián)合智能調(diào)度破解互補調(diào)節(jié)難題
與一般流域梯級水電站調(diào)度控制不同，小金川流域梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電工程涵蓋了梯級水電調(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劇烈波動，而梯級水力發(fā)電又受到庫容水位、運行工況、水量平衡等因素綜合影響。如何實現(xiàn)光伏和水電在復雜場景下多時間尺度的實時調(diào)節(jié)、優(yōu)化控制和友好互補，是擺在研發(fā)團隊面前的一道難題。
2018年，南瑞集團牽頭的項目團隊著手開展項目調(diào)研和策劃。經(jīng)過近4年的攻關，2022年2月，梯級水光蓄聯(lián)合運行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)投入閉環(huán)試運行。經(jīng)測試，該系統(tǒng)水光送出最大功率波動率每分鐘小于5%，實時調(diào)節(jié)精度偏差小于2%，各項性能指標均優(yōu)于國家及行業(yè)標準，完全滿足項目設計要求。
“梯級水光蓄聯(lián)合運行控制與智能調(diào)度系統(tǒng)有效解決了光伏精細化預測、多目標多場景下梯級水光蓄互補電站實時調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制等技術難題，實現(xiàn)了關鍵技術國產(chǎn)化?！弊鳛椤奥?lián)合運行控制與智能調(diào)度”項目團隊的重要成員，南瑞集團現(xiàn)場技術人員單鵬珠全程參與了系統(tǒng)研發(fā)。
單鵬珠介紹，梯級水光蓄聯(lián)合運行控制與智能調(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，控制層可實現(xiàn)對梯級水光的協(xié)調(diào)控制、平滑控制和預測控制。平滑控制功能利用水電機組出力、抽蓄機組毫秒級調(diào)節(jié)特性分別平抑光伏分鐘級低頻波動、秒級高頻波動；預測控制功能結(jié)合高精度光伏預測數(shù)據(jù)，制定短期、超短期發(fā)電計劃，實現(xiàn)對水光出力的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運行。
變流器頂層設計攻克整機效率難題
常規(guī)抽蓄發(fā)電機組采用恒定轉(zhuǎn)速機組，功率不能調(diào)整，要實現(xiàn)水光蓄互補發(fā)電，必須采用變速抽蓄機組。而變流器是實現(xiàn)變速抽蓄機組機電能量轉(zhuǎn)換的核心裝置。
春廠壩抽水蓄能電站應用了南瑞集團最新研制的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。
整機效率是體現(xiàn)變流器性能的核心技術指標?！盀閷崿F(xiàn)整機效率提升，我們從電氣結(jié)構(gòu)設計、驅(qū)動及調(diào)制三大方面開展全面優(yōu)化，實現(xiàn)了整機效率大于98%?！睋?jù)南瑞集團現(xiàn)場技術人員莊圣倫介紹，他所在的團隊通過三相一體閥串設計有效減小了回路寄生電感，降低了關斷尖峰；采用總體布局設計理念，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，將機網(wǎng)側(cè)三相功率模組，從常規(guī)布局的三面機柜壓縮為一面；通過濾波回路優(yōu)化設計，極大降低了機網(wǎng)側(cè)濾波回路體積。優(yōu)化的驅(qū)動開關邏輯有效降低了關斷時間，降低開關損耗。采用的不連續(xù)調(diào)制策略在兼顧電能質(zhì)量的同時，等效降低了開關頻率1.5倍。該變流器功率密度大于0.5兆瓦/立方米, 處于國內(nèi)領先地位。
多措并舉解決變速抽蓄控制難題
在不同運行工況下，變速抽蓄機組全功率變流器存在不同維度的控制耦合問題。如十秒級的調(diào)速器與變流器有功超低頻耦合，秒級的導葉動作與變流器轉(zhuǎn)速控制間耦合，百毫秒級的變流器電壓控制與發(fā)電機勵磁控制間有功無功耦合等，這些耦合關系對變流器及勵磁系統(tǒng)的控制提出了較高要求。
為保證機組全工況運行穩(wěn)定，南瑞集團項目團隊對變流器控制系統(tǒng)、水輪機等部件進行精確建模，詳細計算各控制環(huán)節(jié)間的耦合關系，并設計出變流器、勵磁系統(tǒng)解耦控制及關鍵控制參數(shù)校核方法。通過在實時數(shù)字仿真儀裝置平臺上與協(xié)調(diào)控制器間的詳細測試論證，最終順利完成現(xiàn)場全部試驗，實現(xiàn)了變速抽蓄機組發(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)運行。
南瑞集團自主研發(fā)的變速抽蓄機組協(xié)同控制器是助力破解變速抽蓄控制難題的又一“利器”。
全功率變速抽蓄機組的調(diào)速器和變流器均可調(diào)節(jié)機組有功功率和轉(zhuǎn)速，控制過程中存在相互影響。協(xié)同控制器能根據(jù)有功功率設定值和工作水頭，利用機組運行特性曲線，計算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導葉開度，將有功功率、導葉開度和轉(zhuǎn)速信號下發(fā)給調(diào)速器和變流器，由調(diào)速器控制機組導葉開度實現(xiàn)機組有功功率和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，變流器控制三相定子電壓實現(xiàn)細調(diào)，最終達到協(xié)同控制的目的。但這項技術在國內(nèi)尚無先例，國外廠商相關研究成果對國內(nèi)尚未公開。
面對困難，南瑞集團項目團隊迎難而上，歷時兩年多，通過數(shù)據(jù)分析、理論研究、算法驗證等環(huán)節(jié)，成功研制出相關產(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，實現(xiàn)了機組發(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，項目現(xiàn)場順利完成了變速發(fā)電快速功率調(diào)節(jié)驗證，標志著機組具備10%額定容量下的百毫秒級快速功率調(diào)節(jié)能力，為電站安全穩(wěn)定高效運行提供了有力支撐。
“貴公司為國內(nèi)首臺全功率變速抽水蓄能機組貢獻了南瑞智慧，充分展現(xiàn)了國有企業(yè)的責任擔當。在此，特向貴公司和項目團隊表示誠摯的感謝……”6月20日，國網(wǎng)四川電力發(fā)來感謝信，對南瑞集團和項目團隊的付出表示了感謝。
全國首例水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的成功運行，為流域水光蓄多能互補一體化開發(fā)提供了示范樣板?！半p碳”目標下，新型電力系統(tǒng)建設對抽水蓄能發(fā)展提出更高要求。下一步，南瑞集團將深入推進“一體四翼”高質(zhì)量發(fā)展，持續(xù)把握能源電力技術變革趨勢，整合內(nèi)外部創(chuàng)新資源，不斷提高在高端設備領域的核心競爭力，為提升流域可再生能源利用率，助力新型電力系統(tǒng)建設，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系貢獻南瑞力量。
