建設(shè)中的肇慶浪江抽水蓄能電站。受訪單位供圖

近日，廣東肇慶浪江抽水蓄能電站300兆瓦變速機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)通風(fēng)模型試驗(yàn)通過(guò)驗(yàn)收，這是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)100％國(guó)產(chǎn)化的大型變速抽水蓄能機(jī)組的通風(fēng)模型試驗(yàn)。

“該模型試驗(yàn)的驗(yàn)收完成，為下一步肇慶浪江抽水蓄能電站變速機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等研發(fā)工作提供了核心專業(yè)支撐，推動(dòng)我國(guó)300兆瓦變速抽水蓄能機(jī)組進(jìn)入研發(fā)攻關(guān)的新階段。”南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“南網(wǎng)儲(chǔ)能”）基建部副總經(jīng)理雷興春說(shuō)。

“300兆瓦變速抽水蓄能機(jī)組成套設(shè)備”被列為我國(guó)能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目，肇慶浪江抽水蓄能電站等3個(gè)工程為其依托工程。隨著依托工程的關(guān)鍵核心技術(shù)不斷被攻克，我國(guó)首臺(tái)（套）變速抽水蓄能機(jī)組正加速邁向工程化應(yīng)用。

研發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè)超大直徑金屬護(hù)環(huán)

日前，記者來(lái)到肇慶浪江抽水蓄能電站工程的“心臟”——地下廠房。目前，這里已全面進(jìn)入機(jī)電安裝階段。

肇慶浪江抽水蓄能電站是粵港澳大灣區(qū)首個(gè)變速抽水蓄能電站，是“十四五”期間國(guó)家重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目。電站總裝機(jī)容量120萬(wàn)千瓦，將安裝4臺(tái)30萬(wàn)千瓦機(jī)組，其中1臺(tái)機(jī)組為我國(guó)自主研發(fā)的可變速機(jī)組。

“要讓國(guó)產(chǎn)的可變速機(jī)組在此‘安家’絕非易事，核心難點(diǎn)在于技術(shù)裝備的研制。”中國(guó)能源研究會(huì)抽水蓄能專委會(huì)副秘書長(zhǎng)陳泓宇說(shuō)，受裝備制造等方面的限制，我國(guó)目前開(kāi)發(fā)的抽水蓄能電站基本采用定速抽水蓄能機(jī)組。因此，要將抽水蓄能機(jī)組從定速轉(zhuǎn)為變速，面臨巨大挑戰(zhàn)。

大型變速抽水蓄能機(jī)組研制涉及到發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水泵水輪機(jī)、交流勵(lì)磁、控制保護(hù)等多方面的技術(shù)攻關(guān)。

以發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，變速機(jī)組與定速機(jī)組最大區(qū)別在于發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部位。變速機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組端部需要承受離心力、電磁力及熱漲力的綜合作用，高耐受能力的金屬護(hù)環(huán)是變速機(jī)組必不可少的部件。國(guó)內(nèi)此前并沒(méi)有該部件的制造經(jīng)驗(yàn)。

“我們聯(lián)合東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱‘東方電機(jī)’）攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在材料選擇、加工制造、安裝工藝等方面開(kāi)展了一系列研究。”雷興春介紹，最終，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出國(guó)內(nèi)首個(gè)變速抽蓄機(jī)組超大直徑（約5米）金屬護(hù)環(huán)，實(shí)現(xiàn)了金屬護(hù)環(huán)的國(guó)產(chǎn)化制造。“這種新護(hù)環(huán)的直徑是普通汽輪發(fā)電機(jī)的2．5倍，材料屈服強(qiáng)度超過(guò)750兆帕，相當(dāng)于1平方米的面積可承受75萬(wàn)噸重物的壓力。”雷興春說(shuō)。

攻克交流勵(lì)磁系統(tǒng)難題

交流勵(lì)磁技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大型變速抽水蓄能機(jī)組功能的關(guān)鍵。變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其中的部件轉(zhuǎn)子既要通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的靈活調(diào)節(jié)，又要保持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)靜止，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)換。由于常規(guī)的直流勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)法滿足變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，必須通過(guò)交流勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的可變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差。

要實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜的機(jī)組變速運(yùn)行工況精準(zhǔn)匹配，交流勵(lì)磁系統(tǒng)需要滿足電壓達(dá)到6．6千伏、電流達(dá)到6．1千安、長(zhǎng)期輸出頻率范圍控制在系統(tǒng)頻率的±10％以內(nèi)、短時(shí)連續(xù)輸出頻率范圍覆蓋0至110％的系統(tǒng)頻率等一系列嚴(yán)苛的參數(shù)要求。

為滿足6．6千伏電壓要求，南京南瑞繼保電氣有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)比多個(gè)技術(shù)方案，最終攻克了大功率壓接式器件直接串聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)性能。在電流方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了大功率電壓源型變流器并聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)7．2千安的大電流輸出。

“目前，機(jī)組的全部交流勵(lì)磁系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)。下一步，我們將開(kāi)展一系列的功能驗(yàn)證試驗(yàn)。”南網(wǎng)儲(chǔ)能生技部總經(jīng)理李育林透露。

讓40個(gè)“樂(lè)器”和諧“彈奏”

大型變速抽水蓄能機(jī)組研制的難題不僅涉及電氣領(lǐng)域，還涉及水力設(shè)計(jì)領(lǐng)域。變速機(jī)組由于負(fù)荷調(diào)節(jié)寬，需要對(duì)水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪翼型及通流部件進(jìn)行多方面優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)速度。

“歷時(shí)15個(gè)月、7輪次的數(shù)值模擬及功能測(cè)試試驗(yàn)，我們聯(lián)合東方電機(jī)開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的水泵水輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、安全、大范圍入力可調(diào)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。”南網(wǎng)儲(chǔ)能建管分公司機(jī)電部總經(jīng)理葉飛說(shuō)。

與技術(shù)裝備研制同步進(jìn)行的是控制功能仿真建設(shè)。“新設(shè)備一旦投入運(yùn)行，必須確保其在各種工況下運(yùn)行萬(wàn)無(wú)一失，否則會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定造成威脅。”近兩年來(lái)，南網(wǎng)儲(chǔ)能科研院技術(shù)專家彭煜民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)變速機(jī)組各種運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行控制功能推演。

目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已完成機(jī)組工況轉(zhuǎn)換流程的編制和數(shù)模仿真平臺(tái)的搭建，正全面開(kāi)展各項(xiàng)功能測(cè)試。數(shù)模仿真平臺(tái)僅針對(duì)“交流勵(lì)磁和調(diào)速器多模式切換協(xié)同控制技術(shù)”就有近40個(gè)邏輯策略模塊。“這些仿真模塊可確保近40個(gè)功能各異的‘樂(lè)器’一起演奏時(shí)，既不斷聲，也沒(méi)有雜音。”彭煜民說(shuō)。

除了300兆瓦變速抽水蓄能機(jī)組，我國(guó)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)400兆瓦變速機(jī)組的技術(shù)設(shè)計(jì)也基本定型，預(yù)計(jì)2026年可完成機(jī)組制造，2027年投入惠州中洞抽水蓄能電站使用，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)抽水蓄能裝備技術(shù)的全面國(guó)產(chǎn)化。

“目前各項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)和工程建設(shè)都在順利推進(jìn)中。”雷興春表示。