近年来，四川持续扩大清洁能源开发规模。国网四川省电力公司依托国家重点研发计划，在小金川流域建成投运国内首座全功率变速抽水蓄能电站和世界首个梯级水光蓄互补联合发电系统，实现了梯级小水电、光伏发电、变速抽水蓄能的互补联合运行和智能调度，提升了清洁能源电源友好并网水平和电量消纳水平。
联合国工业发展组织于近日发布《世界小水电发展报告（2022）》，由国网四川省电力公司牵头建成的四川小金川流域梯级水光蓄互补联合发电系统入选典型案例，是12个典型案例中唯一来自中国的案例。
(相关资料图)
2月25日，国网四川电力牵头的项目创新成果“梯级水光蓄互补联合发电关键技术、装备研发及应用”通过中国电力企业联合会科技成果鉴定。项目攻克了梯级水光蓄互补联合发电世界级难题，研究成果整体达国际领先水平。该成果依托国家重点研发计划项目“分布式光伏与梯级小水电互补联合发电技术研究及应用示范”等项目形成。
2022年5月，国网四川电力在小金川流域建成投运国内首座全功率变速抽水蓄能电站和世界首个梯级水光蓄互补联合发电系统，实现了梯级小水电、光伏发电、变速抽水蓄能的互补联合运行，形成了全功率变速抽水蓄能机组设计、制造、控制以及调试等成套技术，打破了国外技术垄断，对助力构建新型电力系统、支撑清洁能源高效消纳具有重要意义。
探索梯级水光蓄互补联合发电模式
四川清洁能源资源丰富，水能资源技术可开发量达1.48亿千瓦，居全国第二位。川西“三州一市”各流域河谷内太阳能资源丰富，但光伏发电出力具有强随机性和波动性。
国网四川电力副总工程师、“分布式光伏与梯级小水电互补联合发电技术研究及应用示范”项目负责人韩晓言介绍，小金川流域梯级水光蓄互补联合发电系统由19.5万千瓦梯级水电、5万千瓦光伏发电和0.5万千瓦变速抽水蓄能组成，其中，变速抽水蓄能机组为全新研制，是国内首台投入工程运行的全功率变速抽水蓄能机组。
四川电力科学研究院副院长丁理杰介绍，梯级水光蓄互补联合发电一般包括三种形式的互补：一是中长期电量资源的互补，水电和光伏发电天然存在互补性，丰水期水电出力较多、光伏发电出力较少，枯水期水电出力受限、光伏发电出力较大；二是短期调度计划的互补，在日内，白天光伏大发时，利用富余电力将水从下库抽到上库储存，等晚间或用电高峰时，再从上库向下库放水发电；三是实时控制层面的互补，光伏发电出力波动可分为短时快速波动和慢速波动，慢速波动为分钟级，快速波动一般为秒级，利用梯级水电补偿光伏发电的慢速波动，变速抽水蓄能补偿光伏发电的快速波动，实现对功率波动的快速平滑抑制。多层互补能实现水电、光伏发电、抽水蓄能三种能源方式的运行最优化，提升光伏发电等新能源电源的友好并网水平。
国网四川电力于2018年成立大规模清洁能源送出研发团队。团队历时4年提出了全功率变速抽水蓄能变流器、调速、励磁、监控系统的协调控制策略，联合国电南瑞科技股份有限公司等单位研制了国内首套全功率变速抽水蓄能自动控制保护设备和系统，实现变速抽水蓄能二次关键核心技术的自主可控；提出全功率变速抽水蓄能保护配置和整定方法，适应发电、抽水、旁路等多个运行工况，实现了全功率抽水蓄能机组控制保护设备的工程应用；攻克了梯级水光蓄互补系统联合运行控制与调度技术难题，研制了世界首套梯级水光蓄互补电站联合运行分析、控制与调度系列软件。
这些创新攻克了梯级水光蓄互补联合发电系统联合运行调度控制和全功率变速抽水蓄能技术难题，有助于实现多种能源的安全、高效、协同运行，助力清洁能源消纳。
自主创新攻克难题填补技术空白
5月25日清晨，阿坝州小金县春厂坝电厂内，几名技术人员围在电脑前。“5、4、3、2、1，开始！”指挥员下达了指令，一阵轰鸣声传来……他们正在进行变速抽水蓄能功率阶跃响应试验，通过灵活调节变速抽水蓄能机组出力，让它与光伏等新能源发电机组互补运行。
相较于传统的定速抽水蓄能，变速抽水蓄能具有运行效率高、响应速度快、调节范围广、抽水功率可调等优点，可满足水光蓄互补发电要求。但国内尚无连续变速抽水蓄能机组应用的先例，机组控制和保护技术更是空白。面对挑战，国网四川电力大规模清洁能源送出研发团队联合中国水科院、哈尔滨电机厂、国电南瑞等单位研发出国内首台全功率变速恒频可逆式抽水蓄能机组，实现了系统集成的全国产化。
“我们从极少的相关文献中查到快速变功率的控制技术，但经理论推导和详细的电磁暂态仿真分析后发现，该模式下机组存在超低频振荡风险，可能危及机组安全。”四川电科院技术专家史华勃说。
结合理论分析与电磁暂态仿真手段，团队创新提出“快速变转速控制”与“快速变功率控制”相结合的多阶段协调控制策略，实现不同工况下变流器、调速、励磁和监控系统的协同控制，可使机组最大限度兼顾安全高效稳定运行和系统快速功率响应、宽调节范围的需求，填补了国内技术空白。变速抽水蓄能技术的创新突破打破了国外技术垄断，预计可降低同类设备价格20%以上，为国产设备制造企业带来更多发展机遇。
国内首台全功率变速抽水蓄能机组投运
在缺乏经验可循的情况下，研发团队在全功率变速抽水蓄能机组运行调试方面也创造性地开展了相关工作。
面对国内首台全功率变速抽水蓄能机组，研发团队认真研读相关的20余项国家和行业标准，结合机组设计制造文件，组织50余名技术人员历时40余天，编制出全国首份全功率变速抽水蓄能机组启动调试大纲和系列调试方案。“我们利用硬件在环仿真手段对机组启动调试中的每一步都进行了仿真校核，确保控制策略无误。”丁理杰介绍。
继电保护是机组安全稳定运行的关键。国内首台全功率变速抽水蓄能机组的继电保护系统如何配置、定值如何整定、调试如何开展，都是难题。“变速抽水蓄能机组保护定值整定的最大难点在于定值需适应发电、抽水、旁路、变速等多个工况下的机组运行状态。”四川电科院继电保护技术专责周文越介绍。研发团队基于大量机电暂态仿真，多次与调试机构和国网四川电力调度控制中心讨论定值合理性，经过10余次修改完善，最终完成了200余项保护定值的整定，为机组启动运行打下了坚实基础。
调试过程并非一帆风顺。调试人员先后解决了电压互感器熔丝熔断、机组振荡等问题，特别是抽水过程中导叶开启速度和转速升高速度不匹配的问题。“我们提出了分段柔性启动策略，避免一次升速过程中导叶与转速不匹配引发故障。”韩晓言介绍。
同时，国网四川电力联合国电南瑞研发了世界首套梯级水光蓄互补电站联合运行与智能调度系统。系统于2022年5月投运，能够根据周边的气象数据，预测光伏电站和水电站的发电情况，并借助抽水蓄能机组全功率变流器的毫秒级响应能力，匹配最合适的发电配比并进行联合智能调度，实现了梯级水电、光伏发电和变速抽水蓄能的互补联合最优运行，大幅降低了光伏发电的功率波动。
预计到2025年，四川省风电、光伏发电装机达到3200万千瓦，与省内1亿千瓦的水电装机共同形成多个大型水风光蓄互补发电基地，电网运行方式更加复杂。研发团队将继续深耕水风光蓄多能互补领域开展技术攻关，助推大规模清洁能源消纳。
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