中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國(guó)家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導(dǎo)，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合240余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十三屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州召開(kāi)。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中245家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日上午，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院優(yōu)秀技術(shù)專家史華勃受邀在用戶側(cè)儲(chǔ)能與虛擬電廠專場(chǎng)分享了主題報(bào)告，報(bào)告題目為《全功率變速抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》。以下是報(bào)告主要內(nèi)容：
史華勃：各位專家，大家上午好！今天有幸給大家?guī)?lái)一種全新的儲(chǔ)能技術(shù)，就是《全功率變速抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》。我的報(bào)告分四部分，首先是研究背景。
眾所周知，以化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)是不可持續(xù)的，大力發(fā)展新能源，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢(shì)在必行。2021年，習(xí)總書(shū)記提出了構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，2022年，副總理提出了構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，不管新型電力系統(tǒng)的概念如何變化，始終不變的是新能源的大力發(fā)展，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)是大勢(shì)所趨。
截至到2022年，以風(fēng)光為主的新能源裝機(jī)有7.6億，占到總裝機(jī)的27%，預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)光新能源裝機(jī)達(dá)到12億以上，到2060年，新能源將成為主體電源。
如此高比例的新能源接入，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)峻的安全問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)外，近年來(lái)已經(jīng)發(fā)生過(guò)由于新能源接入占比過(guò)高，缺乏靈活性調(diào)節(jié)資源，導(dǎo)致的大面積停電事故。那么，如何解決這個(gè)問(wèn)題？將新能源與常規(guī)電源、儲(chǔ)能等互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行，將是解決大規(guī)模新能源接入有效的途徑之一。常見(jiàn)的一些互補(bǔ)形式，主要包括“風(fēng)光+儲(chǔ)能”、“風(fēng)光+火電”，甚至“新能源+水電”這樣一些形式。尤其是水電，是目前最為經(jīng)濟(jì)、最為清潔的儲(chǔ)能方式，具有負(fù)荷調(diào)節(jié)、調(diào)頻和備用等功能，相對(duì)于常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能，它的安全性更高，容量可以做到更大，調(diào)節(jié)時(shí)間響應(yīng)也可以達(dá)到與儲(chǔ)能媲美的層次。
在經(jīng)濟(jì)政策方面，從國(guó)家層面一直到地方都出臺(tái)了一系列的政策，來(lái)促進(jìn)和推動(dòng)中小型變速抽水蓄能以及多能互補(bǔ)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)抽蓄技術(shù)以及多能互補(bǔ)技術(shù)將得到大力發(fā)展。實(shí)際上，目前全國(guó)多個(gè)地方都在出臺(tái)一系列的抽蓄規(guī)劃，包括多能互補(bǔ)系統(tǒng)。以四川為例，目前差不多規(guī)劃了有1000多萬(wàn)的抽蓄，各大發(fā)電集團(tuán)都在發(fā)展“儲(chǔ)能+抽蓄+新能源”互補(bǔ)的形式。
第二部分，關(guān)鍵技術(shù)。
截至到2020年底，國(guó)際上大概有18個(gè)電站約40臺(tái)雙饋?zhàn)兯俪樾顧C(jī)組，主要是在日本等國(guó)家投運(yùn)，有少量的全功率抽蓄機(jī)組投運(yùn)。在我們國(guó)家，目前只有四川春廠壩全功率抽蓄投運(yùn)?？傮w上，我國(guó)抽水蓄能電站幾乎定速型的機(jī)組，在運(yùn)行效率和快速調(diào)節(jié)能力上，不足以滿足快速發(fā)展的新能源的調(diào)節(jié)需求。
如何解決？全功率抽蓄就是一種有效的途徑。大家可以看到這張圖，這是全功率抽蓄的一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)圖，它是通過(guò)一個(gè)同步的可逆式發(fā)電電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)雙向變流器接入電網(wǎng)。關(guān)鍵設(shè)備，有水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變流器以及相應(yīng)的調(diào)速勵(lì)磁、保護(hù)裝置和協(xié)同控制器，這種類型的抽蓄可以在寬水頭、變負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)，運(yùn)行效率和安全性更高，具備和新能源多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制的能力。
在變速抽蓄技術(shù)領(lǐng)域，主要有兩種形式的變速抽蓄，一種是雙饋式，其變流器的容量占比相對(duì)較小，技術(shù)相對(duì)成熟，適用于大容量場(chǎng)合，比如像30萬(wàn)千瓦等級(jí)的場(chǎng)合。對(duì)于全功率式的抽蓄機(jī)組，電機(jī)的調(diào)速范圍更廣，特別適合我們用現(xiàn)有的水電進(jìn)行改造，基本上按我們的經(jīng)驗(yàn)，兩年左右就可以實(shí)現(xiàn)從改造到投產(chǎn)，使它具備快速調(diào)節(jié)的能力。全功率抽蓄在中小容量，比如說(shuō)10萬(wàn)千瓦及以下的場(chǎng)合，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，我們認(rèn)為這種全功率抽蓄+新能源互補(bǔ)的形式，必將是未來(lái)新能源發(fā)展的重要形式。
對(duì)于這種類型的抽蓄，它的關(guān)鍵技術(shù)，在裝備制造和協(xié)調(diào)控制方面，存在五個(gè)方面的難點(diǎn)：第一，關(guān)于可逆式的水泵水輪機(jī)。經(jīng)過(guò)我們團(tuán)隊(duì)的研發(fā)，攻克了兼顧高效穩(wěn)定、能量匹配和快速功率響應(yīng)等多目標(biāo)平衡的水泵水輪機(jī)水利模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，目前我們已經(jīng)研制了一臺(tái)水泵水輪機(jī)，提出水輪機(jī)和水泵工況下的全路徑尋優(yōu)設(shè)置技術(shù)，確定了機(jī)組變轉(zhuǎn)速-變開(kāi)度雙尋優(yōu)運(yùn)行路徑，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。這與新能源MPPT最大功率跟蹤完全兩樣，我們采用的是最大效率跟蹤。
第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，可逆式的發(fā)電電動(dòng)機(jī)。我們突破了變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)，提出了寬變速范圍下電磁負(fù)荷、絕緣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)方法，也研發(fā)了一臺(tái)5兆瓦等級(jí)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)。目前，這個(gè)技術(shù)可以使得發(fā)電電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率達(dá)到97%。
第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是適用于變速抽蓄的全功率變流器，目前已經(jīng)攻克了適用于變速抽蓄的全功率變流器設(shè)計(jì)、制造、控制等關(guān)鍵技術(shù)，提出了不連續(xù)PWM調(diào)制和分段開(kāi)通關(guān)斷的控制策略和效率提升方法，研制了一臺(tái)7.5MW全功率變流器一臺(tái)。在額定工況下，運(yùn)行效率可以達(dá)到98%以上。
第四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)控制策略。這是整個(gè)機(jī)組的控制核心，也是在此之前，國(guó)際上對(duì)我們進(jìn)行全面封鎖的關(guān)鍵控制技術(shù)，也是卡脖子技術(shù)。對(duì)于我們機(jī)組的功率和轉(zhuǎn)速控制的協(xié)調(diào)來(lái)講，具有兩種控制模式，一種叫快速功率模式，一種叫快速轉(zhuǎn)速模式，也就是變流器控制哪個(gè)量，這個(gè)量就控制的快，但是它們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)，這種控制模式有何優(yōu)劣？我們通過(guò)對(duì)機(jī)組這種多控制模式動(dòng)態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)如果我們采用快速功率控制，機(jī)組可能存在超低頻震蕩風(fēng)險(xiǎn)，其轉(zhuǎn)速響應(yīng)非常慢，不利于機(jī)組效率的提升。這也是與學(xué)術(shù)界提的控制思路完全兩樣，學(xué)術(shù)界一般來(lái)說(shuō)都認(rèn)為快速功率控制非常好，沒(méi)有看到它的弱勢(shì)和缺點(diǎn)，那么我們進(jìn)一步提出了采用快速轉(zhuǎn)速控制，這個(gè)時(shí)候我們的轉(zhuǎn)速控制非常精準(zhǔn)，可以確保機(jī)組隨時(shí)處于一個(gè)最優(yōu)效率的控制狀態(tài)。
結(jié)合這兩種控制模式的優(yōu)點(diǎn)，我們提出了一種兼顧機(jī)組安全高效運(yùn)行和快速調(diào)節(jié)能力的協(xié)調(diào)控制策略，可以說(shuō)是完全打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)全功率變速控制技術(shù)0到1的突破。我們是怎么做的？就是在發(fā)電工況，機(jī)組啟停和慢速負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程采用快速轉(zhuǎn)速控制策略，穩(wěn)定運(yùn)行工況可切換到快速功率控制模式，提供快速功率調(diào)節(jié)能力，可以達(dá)到毫秒級(jí)，與儲(chǔ)能可以媲美。在抽水工況，我們也可以負(fù)荷可調(diào)，精準(zhǔn)可控，采用快速變轉(zhuǎn)速的控制，可以迅速實(shí)現(xiàn)抽水功率的調(diào)節(jié)，類似于一個(gè)可控負(fù)荷。
第五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)控制器。它的作用是協(xié)調(diào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)等等多部件的控制，從監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)節(jié)指令，按照控制策略分發(fā)各設(shè)備的控制指令。
第三部分，應(yīng)用示范。
目前，我們依托一個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，歷時(shí)大概五年時(shí)間，從2018年立項(xiàng)到去年投產(chǎn)，我們?cè)谒拇ù簭S壩水電站改擴(kuò)建了一臺(tái)全功率變速抽水蓄能機(jī)組，它利用已有電站的上水庫(kù)和下水庫(kù)，在中間的管道上新增一個(gè)叉管來(lái)安裝我們的變速抽水蓄能機(jī)組。
這是我們當(dāng)時(shí)建設(shè)時(shí)期的照片，右邊的大坑就是我們抽蓄機(jī)組地下廠房，大概在地下40多米，所以工程難度還是挺大的，解決了很多滲水、建設(shè)施工等等一系列的難題。
整個(gè)機(jī)組從2020年開(kāi)始施工，到2022年，歷時(shí)兩年時(shí)間，全面實(shí)現(xiàn)了這個(gè)機(jī)組的調(diào)試和投運(yùn)。為什么要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)兩年？我們常規(guī)的抽蓄，從規(guī)劃落地到建成，可能七八年到十年時(shí)間就過(guò)去了，短時(shí)間之內(nèi)不可能形成快速調(diào)節(jié)能力。對(duì)于全功率抽蓄，如果未來(lái)我們利用一些已有的小水電或者說(shuō)需要退役的一些小水電，把它改造成這種類型的全功率抽蓄，短期之內(nèi)就可以為電力系統(tǒng)提供靈活的調(diào)節(jié)資源，如果有風(fēng)光互補(bǔ)的話，那還可以大力提升新能源送出和消納能力。
在現(xiàn)場(chǎng)，我們也對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行了一些測(cè)試。在發(fā)電工況，下面是我們的一些測(cè)試曲線，發(fā)電工況正常的運(yùn)行期間，我們采用的是快速的變轉(zhuǎn)速控制，左邊是我們的轉(zhuǎn)速曲線，可以看到機(jī)組實(shí)際的轉(zhuǎn)速可以完美跟蹤指令轉(zhuǎn)速，這可以確保機(jī)組隨時(shí)運(yùn)行安全高效的狀態(tài)。
在抽水過(guò)程中，我們采用變流器控轉(zhuǎn)速、調(diào)速器控開(kāi)度的方式，大概在3分鐘就可以從機(jī)組的靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)滿載狀態(tài)。在此過(guò)程中，通過(guò)調(diào)速器的開(kāi)度以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制，可以實(shí)現(xiàn)抽水負(fù)荷功率的快速響應(yīng)調(diào)節(jié)，下面就是我們的調(diào)節(jié)曲線。我們的調(diào)性能是非常優(yōu)異的，可以媲美于傳統(tǒng)儲(chǔ)能，也完全優(yōu)于常規(guī)的抽蓄。因?yàn)槌Ｒ?guī)的抽蓄，抽水狀態(tài)是負(fù)荷不可調(diào)的，都是滿功率抽水，在抽水狀態(tài)下作為一個(gè)負(fù)荷的時(shí)候，也可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)，也可以去參與新能源的功率波動(dòng)抑制。
對(duì)于機(jī)組的快速調(diào)節(jié)方面，剛開(kāi)始我也一直在強(qiáng)調(diào)，我們機(jī)組快，到底能快到什么程度，左邊這張就是現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試曲線，紅色的這條曲線就是功率響應(yīng)曲線。從現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試情況來(lái)看，我們可以實(shí)現(xiàn)百毫秒，大概10%以上額定功率的調(diào)節(jié)能力，這一點(diǎn)完全可以媲美傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能，但是我們的容量可以做到更大，安全性可以做到更高，可以為新能源發(fā)展提供一個(gè)更好的解決思路。
我們進(jìn)一步基于研發(fā)的全功率變速抽水蓄能機(jī)組，建設(shè)了梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示范工程，這個(gè)工程在四川小金縣的小金川河流域，這上面是利用流域上已有的幾個(gè)水電站和光伏站，與全功率變速抽蓄形成了梯級(jí)的水光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)全面投運(yùn)。
隨著全功率抽蓄機(jī)組的并網(wǎng)，也標(biāo)志著世界首例梯級(jí)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)示范工程建成投運(yùn)，整個(gè)系統(tǒng)融合光伏功率預(yù)測(cè)、互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行安全分析、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制等一系列功能，實(shí)現(xiàn)了研究成果的集成和驗(yàn)證。我們從短期秒級(jí)的電力互補(bǔ)到中長(zhǎng)期的電量互補(bǔ)，甚至實(shí)時(shí)的功率波動(dòng)互補(bǔ)，都做到了全面的應(yīng)用，這也可以為未來(lái)大規(guī)模新能源送出，對(duì)電網(wǎng)可調(diào)可控性要求做出非常好的應(yīng)用。
現(xiàn)場(chǎng)我們也對(duì)整個(gè)互補(bǔ)系統(tǒng)做了一系列的監(jiān)測(cè)，左邊是變速抽蓄和光伏的互補(bǔ)曲線，右邊是梯級(jí)水電的發(fā)展情況和光伏的出力情況?？梢钥吹?，整個(gè)互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行是非常穩(wěn)定的，可以滿足光伏各種波動(dòng)抑制的需求。下面是一些展望。
目前，通過(guò)我們這個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)內(nèi)各單位的協(xié)同攻關(guān)，目前已經(jīng)全面突破了全功率變速抽蓄在裝備制造、協(xié)調(diào)控制方面的技術(shù)難題，完成打破了國(guó)外的技術(shù)封鎖，擁有了國(guó)產(chǎn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和相關(guān)的技術(shù)。目前，已經(jīng)應(yīng)用到了四川的電力系統(tǒng)中。另外一個(gè)層面上，全功率變速抽蓄效率高，響應(yīng)如此之快，可以預(yù)見(jiàn)是未來(lái)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向，我覺(jué)得應(yīng)該大力去推廣應(yīng)用，在座的各位能夠去推廣應(yīng)用，那是我們最愿意看到的事情。
目前，我們也依托相關(guān)的技術(shù)成功申請(qǐng)了國(guó)網(wǎng)公司的中小型變速抽水蓄能運(yùn)行控制和多能互補(bǔ)方面的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室有四個(gè)大的研究方向，主要是在變速抽水蓄能的保護(hù)邏輯、場(chǎng)站級(jí)的協(xié)同控制邏輯、水光互補(bǔ)包括負(fù)荷協(xié)調(diào)等控制的重要實(shí)證方面的研究。最關(guān)鍵的是解決多能互補(bǔ)如何發(fā)展、如何應(yīng)用，我們?cè)趺礃犹嵘鍧嵞茉吹南{，保障安全供電問(wèn)題。未來(lái)此類抽蓄、多能互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略在入網(wǎng)前如何驗(yàn)證、如何改進(jìn)，都是我們實(shí)驗(yàn)室的研究方向。
在座的各位，如果有這方面的研究需求，也歡迎大家一起來(lái)共同探討研究。
我的分享完畢，感謝各位專家！
備注：感謝研究團(tuán)隊(duì)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、國(guó)電南瑞科技股份有限公司等單位支持。
