变速抽水蓄能机组迈向工程化应用

◎本报记者 叶 青  通讯员 黄 昉

近日，广东肇庆浪江抽水蓄能电站300兆瓦变速机组发电电动机通风模型试验通过验收，这是国内首个实现100%国产化的大型变速抽水蓄能机组的通风模型试验。

“该模型试验的验收完成，为下一步肇庆浪江抽水蓄能电站变速机组发电电动机转子等研发工作提供了核心专业支撑，推动我国300兆瓦变速抽水蓄能机组进入研发攻关的新阶段。”南方电网储能股份有限公司（以下简称“南网储能”）基建部副总经理雷兴春说。

“300兆瓦变速抽水蓄能机组成套设备”被列为我国能源领域首台（套）重大技术装备项目，肇庆浪江抽水蓄能电站等3个工程为其依托工程。随着依托工程的关键核心技术不断被攻克，我国首台（套）变速抽水蓄能机组正加速迈向工程化应用。

研发国内首个超大直径金属护环

日前，记者来到肇庆浪江抽水蓄能电站工程的“心脏”——地下厂房。目前，这里已全面进入机电安装阶段。

肇庆浪江抽水蓄能电站是粤港澳大湾区首个变速抽水蓄能电站，是“十四五”期间国家重点实施项目。电站总装机容量120万千瓦，将安装4台30万千瓦机组，其中1台机组为我国自主研发的可变速机组。

“要让国产的可变速机组在此‘安家’绝非易事，核心难点在于技术装备的研制。”中国能源研究会抽水蓄能专委会副秘书长陈泓宇说，受装备制造等方面的限制，我国目前开发的抽水蓄能电站基本采用定速抽水蓄能机组。因此，要将抽水蓄能机组从定速转为变速，面临巨大挑战。

大型变速抽水蓄能机组研制涉及到发电电动机、水泵水轮机、交流励磁、控制保护等多方面的技术攻关。

以发电电动机为例，变速机组与定速机组最大区别在于发电电动机的转子部位。变速机组运行时，转子绕组端部需要承受离心力、电磁力及热涨力的综合作用，高耐受能力的金属护环是变速机组必不可少的部件。国内此前并没有该部件的制造经验。

“我们联合东方电气集团东方电机有限公司（以下简称‘东方电机’）攻关团队在材料选择、加工制造、安装工艺等方面开展了一系列研究。”雷兴春介绍，最终，攻关团队研发出国内首个变速抽蓄机组超大直径（约5米）金属护环，实现了金属护环的国产化制造。“这种新护环的直径是普通汽轮发电机的2.5倍，材料屈服强度超过750兆帕，相当于1平方米的面积可承受75万吨重物的压力。”雷兴春说。

攻克交流励磁系统难题

交流励磁技术是实现大型变速抽水蓄能机组功能的关键。变速抽水蓄能机组运行时，其中的部件转子既要通过改变转速来实现功率的灵活调节，又要保持旋转磁场与定子旋转磁场的相对静止，以实现稳定的能量转换。由于常规的直流励磁系统无法满足变速抽水蓄能机组运转的要求，必须通过交流励磁系统产生的可变旋转磁场，弥补转子实际转速与同步转速的转差。

要实现与复杂的机组变速运行工况精准匹配，交流励磁系统需要满足电压达到6.6千伏、电流达到6.1千安、长期输出频率范围控制在系统频率的±10%以内、短时连续输出频率范围覆盖0至110%的系统频率等一系列严苛的参数要求。

为满足6.6千伏电压要求，南京南瑞继保电气有限公司研发团队对比多个技术方案，最终攻克了大功率压接式器件直接串联技术，实现设备最优性能。在电流方面，研发团队采用了大功率电压源型变流器并联技术，实现7.2千安的大电流输出。

“目前，机组的全部交流励磁系统已完成设计。下一步，我们将开展一系列的功能验证试验。”南网储能生技部总经理李育林透露。

让40个“乐器”和谐“弹奏”

大型变速抽水蓄能机组研制的难题不仅涉及电气领域，还涉及水力设计领域。变速机组由于负荷调节宽，需要对水泵水轮机的转轮翼型及通流部件进行多方面优化，以实现更快的响应速度。

“历时15个月、7轮次的数值模拟及功能测试试验，我们联合东方电机开发出了性能优异的水泵水轮机，实现了高效、稳定、安全、大范围入力可调的设计目标。”南网储能建管分公司机电部总经理叶飞说。

与技术装备研制同步进行的是控制功能仿真建设。“新设备一旦投入运行，必须确保其在各种工况下运行万无一失，否则会对电网安全稳定造成威胁。”近两年来，南网储能科研院技术专家彭煜民带领团队，针对变速机组各种运行场景进行控制功能推演。

目前，研发团队已完成机组工况转换流程的编制和数模仿真平台的搭建，正全面开展各项功能测试。数模仿真平台仅针对“交流励磁和调速器多模式切换协同控制技术”就有近40个逻辑策略模块。“这些仿真模块可确保近40个功能各异的‘乐器’一起演奏时，既不断声，也没有杂音。”彭煜民说。

除了300兆瓦变速抽水蓄能机组，我国首台国产400兆瓦变速机组的技术设计也基本定型，预计2026年可完成机组制造，2027年投入惠州中洞抽水蓄能电站使用，届时将实现抽水蓄能装备技术的全面国产化。

“目前各项技术攻关和工程建设都在顺利推进中。”雷兴春表示。