中國儲能網(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家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合240余家機構(gòu)共同支持的第十三屆中國國際儲能大會在杭州召開。
來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會，其中245家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日上午，國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院優(yōu)秀技術(shù)專家史華勃受邀在用戶側(cè)儲能與虛擬電廠專場分享了主題報告，報告題目為《全功率變速抽水蓄能關鍵技術(shù)及應用》。以下是報告主要內(nèi)容：
史華勃：各位專家，大家上午好！今天有幸給大家?guī)硪环N全新的儲能技術(shù)，就是《全功率變速抽水蓄能關鍵技術(shù)及應用》。我的報告分四部分，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)勢在必行。2021年，習總書記提出了構(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)的建設是大勢所趨。
截至到2022年，以風光為主的新能源裝機有7.6億，占到總裝機的27%，預計到2030年，風光新能源裝機達到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，會帶來嚴峻的安全問題。在國內(nèi)外，近年來已經(jīng)發(fā)生過由于新能源接入占比過高，缺乏靈活性調(diào)節(jié)資源，導致的大面積停電事故。那么，如何解決這個問題？將新能源與常規(guī)電源、儲能等互補聯(lián)合運行，將是解決大規(guī)模新能源接入有效的途徑之一。常見的一些互補形式，主要包括“風光+儲能”、“風光+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、最為清潔的儲能方式，具有負荷調(diào)節(jié)、調(diào)頻和備用等功能，相對于常規(guī)的電化學儲能，它的安全性更高，容量可以做到更大，調(diào)節(jié)時間響應也可以達到與儲能媲美的層次。
在經(jīng)濟政策方面，從國家層面一直到地方都出臺了一系列的政策，來促進和推動中小型變速抽水蓄能以及多能互補的發(fā)展，可以預見，未來抽蓄技術(shù)以及多能互補技術(shù)將得到大力發(fā)展。實際上，目前全國多個地方都在出臺一系列的抽蓄規(guī)劃，包括多能互補系統(tǒng)。以四川為例，目前差不多規(guī)劃了有1000多萬的抽蓄，各大發(fā)電集團都在發(fā)展“儲能+抽蓄+新能源”互補的形式。
第二部分，關鍵技術(shù)。
截至到2020年底，國際上大概有18個電站約40臺雙饋變速抽蓄機組，主要是在日本等國家投運，有少量的全功率抽蓄機組投運。在我們國家，目前只有四川春廠壩全功率抽蓄投運?？傮w上，我國抽水蓄能電站幾乎定速型的機組，在運行效率和快速調(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基本的結(jié)構(gòu)圖，它是通過一個同步的可逆式發(fā)電電動機，經(jīng)過雙向變流器接入電網(wǎng)。關鍵設備，有水泵水輪機、發(fā)電電動機、變流器以及相應的調(diào)速勵磁、保護裝置和協(xié)同控制器，這種類型的抽蓄可以在寬水頭、變負荷工況實現(xiàn)尋優(yōu)，運行效率和安全性更高，具備和新能源多時間尺度協(xié)調(diào)控制的能力。
在變速抽蓄技術(shù)領域，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較小，技術(shù)相對成熟，適用于大容量場合，比如像30萬千瓦等級的場合。對于全功率式的抽蓄機組，電機的調(diào)速范圍更廣，特別適合我們用現(xiàn)有的水電進行改造，基本上按我們的經(jīng)驗，兩年左右就可以實現(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10萬千瓦及以下的場合，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，我們認為這種全功率抽蓄+新能源互補的形式，必將是未來新能源發(fā)展的重要形式。
對于這種類型的抽蓄，它的關鍵技術(shù)，在裝備制造和協(xié)調(diào)控制方面，存在五個方面的難點：第一，關于可逆式的水泵水輪機。經(jīng)過我們團隊的研發(fā)，攻克了兼顧高效穩(wěn)定、能量匹配和快速功率響應等多目標平衡的水泵水輪機水利模型優(yōu)化設計方法，目前我們已經(jīng)研制了一臺水泵水輪機，提出水輪機和水泵工況下的全路徑尋優(yōu)設置技術(shù)，確定了機組變轉(zhuǎn)速-變開度雙尋優(yōu)運行路徑，從而實現(xiàn)機組的高效、安全、穩(wěn)定運行。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。
第二個關鍵技術(shù)，可逆式的發(fā)電電動機。我們突破了變速發(fā)電電動機制造的關鍵技術(shù)，提出了寬變速范圍下電磁負荷、絕緣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化匹配設計方法，也研發(fā)了一臺5兆瓦等級的發(fā)電電動機。目前，這個技術(shù)可以使得發(fā)電電動機的運行效率達到97%。
第三個關鍵技術(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計、制造、控制等關鍵技術(shù)，提出了不連續(xù)PWM調(diào)制和分段開通關斷的控制策略和效率提升方法，研制了一臺7.5MW全功率變流器一臺。在額定工況下，運行效率可以達到98%以上。
第四個關鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)控制策略。這是整個機組的控制核心，也是在此之前，國際上對我們進行全面封鎖的關鍵控制技術(shù)，也是卡脖子技術(shù)。對于我們機組的功率和轉(zhuǎn)速控制的協(xié)調(diào)來講，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量，這個量就控制的快，但是它們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)，這種控制模式有何優(yōu)劣？我們通過對機組這種多控制模式動態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)如果我們采用快速功率控制，機組可能存在超低頻震蕩風險，其轉(zhuǎn)速響應非常慢，不利于機組效率的提升。這也是與學術(shù)界提的控制思路完全兩樣，學術(shù)界一般來說都認為快速功率控制非常好，沒有看到它的弱勢和缺點，那么我們進一步提出了采用快速轉(zhuǎn)速控制，這個時候我們的轉(zhuǎn)速控制非常精準，可以確保機組隨時處于一個最優(yōu)效率的控制狀態(tài)。
結(jié)合這兩種控制模式的優(yōu)點，我們提出了一種兼顧機組安全高效運行和快速調(diào)節(jié)能力的協(xié)調(diào)控制策略，可以說是完全打破了國外的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了我國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，機組啟停和慢速負荷調(diào)節(jié)過程采用快速轉(zhuǎn)速控制策略，穩(wěn)定運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，可以達到毫秒級，與儲能可以媲美。在抽水工況，我們也可以負荷可調(diào)，精準可控，采用快速變轉(zhuǎn)速的控制，可以迅速實現(xiàn)抽水功率的調(diào)節(jié)，類似于一個可控負荷。
第五個關鍵技術(shù)，協(xié)調(diào)控制器。它的作用是協(xié)調(diào)機組監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(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)各設備的控制指令。
第三部分，應用示范。
目前，我們依托一個國家重點研發(fā)計劃項目，歷時大概五年時間，從2018年立項到去年投產(chǎn)，我們在四川春廠壩水電站改擴建了一臺全功率變速抽水蓄能機組，它利用已有電站的上水庫和下水庫，在中間的管道上新增一個叉管來安裝我們的變速抽水蓄能機組。
這是我們當時建設時期的照片，右邊的大坑就是我們抽蓄機組地下廠房，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、建設施工等等一系列的難題。
整個機組從2020年開始施工，到2022年，歷時兩年時間，全面實現(xiàn)了這個機組的調(diào)試和投運。為什么要重點強調(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間就過去了，短時間之內(nèi)不可能形成快速調(diào)節(jié)能力。對于全功率抽蓄，如果未來我們利用一些已有的小水電或者說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，如果有風光互補的話，那還可以大力提升新能源送出和消納能力。
在現(xiàn)場，我們也對各個工況進行了一些測試。在發(fā)電工況，下面是我們的一些測試曲線，發(fā)電工況正常的運行期間，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，可以看到機組實際的轉(zhuǎn)速可以完美跟蹤指令轉(zhuǎn)速，這可以確保機組隨時運行安全高效的狀態(tài)。
在抽水過程中，我們采用變流器控轉(zhuǎn)速、調(diào)速器控開度的方式，大概在3分鐘就可以從機組的靜止狀態(tài)到達滿載狀態(tài)。在此過程中，通過調(diào)速器的開度以及發(fā)電機轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制，可以實現(xiàn)抽水負荷功率的快速響應調(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)儲能，也完全優(yōu)于常規(guī)的抽蓄。因為常規(guī)的抽蓄，抽水狀態(tài)是負荷不可調(diào)的，都是滿功率抽水，在抽水狀態(tài)下作為一個負荷的時候，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抑制。
對于機組的快速調(diào)節(jié)方面，剛開始我也一直在強調(diào)，我們機組快，到底能快到什么程度，左邊這張就是現(xiàn)場的測試曲線，紅色的這條曲線就是功率響應曲線。從現(xiàn)場的測試情況來看，我們可以實現(xiàn)百毫秒，大概10%以上額定功率的調(diào)節(jié)能力，這一點完全可以媲美傳統(tǒng)的電化學儲能，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)展提供一個更好的解決思路。
我們進一步基于研發(fā)的全功率變速抽水蓄能機組，建設了梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示范工程，這個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水電站和光伏站，與全功率變速抽蓄形成了梯級的水光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)，這個系統(tǒng)已經(jīng)全面投運。
隨著全功率抽蓄機組的并網(wǎng)，也標志著世界首例梯級水光蓄互補聯(lián)合運行發(fā)電系統(tǒng)示范工程建成投運，整個系統(tǒng)融合光伏功率預測、互補系統(tǒng)運行安全分析、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制等一系列功能，實現(xiàn)了研究成果的集成和驗證。我們從短期秒級的電力互補到中長期的電量互補，甚至實時的功率波動互補，都做到了全面的應用，這也可以為未來大規(guī)模新能源送出，對電網(wǎng)可調(diào)可控性要求做出非常好的應用。
現(xiàn)場我們也對整個互補系統(tǒng)做了一系列的監(jiān)測，左邊是變速抽蓄和光伏的互補曲線，右邊是梯級水電的發(fā)展情況和光伏的出力情況。可以看到，整個互補系統(tǒng)運行是非常穩(wěn)定的，可以滿足光伏各種波動抑制的需求。下面是一些展望。
目前，通過我們這個國家重點研發(fā)計劃項目，團隊內(nèi)各單位的協(xié)同攻關，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，完成打破了國外的技術(shù)封鎖，擁有了國產(chǎn)的自主知識產(chǎn)權(quán)和相關的技術(shù)。目前，已經(jīng)應用到了四川的電力系統(tǒng)中。另外一個層面上，全功率變速抽蓄效率高，響應如此之快，可以預見是未來在儲能領域的一個重要的發(fā)展方向，我覺得應該大力去推廣應用，在座的各位能夠去推廣應用，那是我們最愿意看到的事情。
目前，我們也依托相關的技術(shù)成功申請了國網(wǎng)公司的中小型變速抽水蓄能運行控制和多能互補方面的實驗室，實驗室有四個大的研究方向，主要是在變速抽水蓄能的保護邏輯、場站級的協(xié)同控制邏輯、水光互補包括負荷協(xié)調(diào)等控制的重要實證方面的研究。最關鍵的是解決多能互補如何發(fā)展、如何應用，我們怎么樣提升清潔能源的消納，保障安全供電問題。未來此類抽蓄、多能互補系統(tǒng)控制策略在入網(wǎng)前如何驗證、如何改進，都是我們實驗室的研究方向。
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：感謝研究團隊中國水利水電科學研究院、哈爾濱電機廠有限責任公司、國電南瑞科技股份有限公司等單位支持。
