数字储能网讯：5月24～26日，由工业和信息化部节能与综合利用司与国家能源局能源节约和科技装备司联合指导，中国化学与物理电源行业协会主办并联合240余家机构共同支持的第十三届中国国际储能大会在杭州召开。
来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1011余家产业链供应链企业，5417位嘉宾参加了本届大会，其中245家企业展示了储能产品，可谓盛装出席，涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证等新型储能全产业链。
5月25日上午，国网四川省电力公司电力科学研究院优秀技术专家史华勃受邀在用户侧储能与虚拟电厂专场分享了主题报告，报告题目为《全功率变速抽水蓄能关键技术及应用》。以下是报告主要内容：
史华勃：各位专家，大家上午好！今天有幸给大家带来一种全新的储能技术，就是《全功率变速抽水蓄能关键技术及应用》。我的报告分四部分，首先是研究背景。
众所周知，以化石能源为主的传统能源结构是不可持续的，大力发展新能源，构建新型电力系统势在必行。2021年，习总书记提出了构建以新能源为主体的新型电力系统，2022年，副总理提出了构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，不管新型电力系统的概念如何变化，始终不变的是新能源的大力发展，新型电力系统的建设是大势所趋。
截至到2022年，以风光为主的新能源装机有7.6亿，占到总装机的27%，预计到2030年，风光新能源装机达到12亿以上，到2060年，新能源将成为主体电源。
如此高比例的新能源接入，会带来严峻的安全问题。在国内外，近年来已经发生过由于新能源接入占比过高，缺乏灵活性调节资源，导致的大面积停电事故。那么，如何解决这个问题？将新能源与常规电源、储能等互补联合运行，将是解决大规模新能源接入有效的途径之一。常见的一些互补形式，主要包括“风光+储能”、“风光+火电”，甚至“新能源+水电”这样一些形式。尤其是水电，是目前最为经济、最为清洁的储能方式，具有负荷调节、调频和备用等功能，相对于常规的电化学储能，它的安全性更高，容量可以做到更大，调节时间响应也可以达到与储能媲美的层次。
在经济政策方面，从国家层面一直到地方都出台了一系列的政策，来促进和推动中小型变速抽水蓄能以及多能互补的发展，可以预见，未来抽蓄技术以及多能互补技术将得到大力发展。实际上，目前全国多个地方都在出台一系列的抽蓄规划，包括多能互补系统。以四川为例，目前差不多规划了有1000多万的抽蓄，各大发电集团都在发展“储能+抽蓄+新能源”互补的形式。
第二部分，关键技术。
截至到2020年底，国际上大概有18个电站约40台双馈变速抽蓄机组，主要是在日本等国家投运，有少量的全功率抽蓄机组投运。在我们国家，目前只有四川春厂坝全功率抽蓄投运。总体上，我国抽水蓄能电站几乎定速型的机组，在运行效率和快速调节能力上，不足以满足快速发展的新能源的调节需求。
如何解决？全功率抽蓄就是一种有效的途径。大家可以看到这张图，这是全功率抽蓄的一个基本的结构图，它是通过一个同步的可逆式发电电动机，经过双向变流器接入电网。关键设备，有水泵水轮机、发电电动机、变流器以及相应的调速励磁、保护装置和协同控制器，这种类型的抽蓄可以在宽水头、变负荷工况实现寻优，运行效率和安全性更高，具备和新能源多时间尺度协调控制的能力。
在变速抽蓄技术领域，主要有两种形式的变速抽蓄，一种是双馈式，其变流器的容量占比相对较小，技术相对成熟，适用于大容量场合，比如像30万千瓦等级的场合。对于全功率式的抽蓄机组，电机的调速范围更广，特别适合我们用现有的水电进行改造，基本上按我们的经验，两年左右就可以实现从改造到投产，使它具备快速调节的能力。全功率抽蓄在中小容量，比如说10万千瓦及以下的场合，具有显著的技术经济优势，我们认为这种全功率抽蓄+新能源互补的形式，必将是未来新能源发展的重要形式。
对于这种类型的抽蓄，它的关键技术，在装备制造和协调控制方面，存在五个方面的难点：第一，关于可逆式的水泵水轮机。经过我们团队的研发，攻克了兼顾高效稳定、能量匹配和快速功率响应等多目标平衡的水泵水轮机水利模型优化设计方法，目前我们已经研制了一台水泵水轮机，提出水轮机和水泵工况下的全路径寻优设置技术，确定了机组变转速-变开度双寻优运行路径，从而实现机组的高效、安全、稳定运行。这与新能源MPPT最大功率跟踪完全两样，我们采用的是最大效率跟踪。
第二个关键技术，可逆式的发电电动机。我们突破了变速发电电动机制造的关键技术，提出了宽变速范围下电磁负荷、绝缘系统、冷却系统及结构强度优化匹配设计方法，也研发了一台5兆瓦等级的发电电动机。目前，这个技术可以使得发电电动机的运行效率达到97%。
第三个关键技术，就是适用于变速抽蓄的全功率变流器，目前已经攻克了适用于变速抽蓄的全功率变流器设计、制造、控制等关键技术，提出了不连续PWM调制和分段开通关断的控制策略和效率提升方法，研制了一台7.5MW全功率变流器一台。在额定工况下，运行效率可以达到98%以上。
第四个关键技术，协调控制策略。这是整个机组的控制核心，也是在此之前，国际上对我们进行全面封锁的关键控制技术，也是卡脖子技术。对于我们机组的功率和转速控制的协调来讲，具有两种控制模式，一种叫快速功率模式，一种叫快速转速模式，也就是变流器控制哪个量，这个量就控制的快，但是它们如何协调，这种控制模式有何优劣？我们通过对机组这种多控制模式动态特性分析，发现如果我们采用快速功率控制，机组可能存在超低频震荡风险，其转速响应非常慢，不利于机组效率的提升。这也是与学术界提的控制思路完全两样，学术界一般来说都认为快速功率控制非常好，没有看到它的弱势和缺点，那么我们进一步提出了采用快速转速控制，这个时候我们的转速控制非常精准，可以确保机组随时处于一个最优效率的控制状态。
结合这两种控制模式的优点，我们提出了一种兼顾机组安全高效运行和快速调节能力的协调控制策略，可以说是完全打破了国外的技术垄断，实现了我国全功率变速控制技术0到1的突破。我们是怎么做的？就是在发电工况，机组启停和慢速负荷调节过程采用快速转速控制策略，稳定运行工况可切换到快速功率控制模式，提供快速功率调节能力，可以达到毫秒级，与储能可以媲美。在抽水工况，我们也可以负荷可调，精准可控，采用快速变转速的控制，可以迅速实现抽水功率的调节，类似于一个可控负荷。
第五个关键技术，协调控制器。它的作用是协调机组监控系统、调速系统、励磁系统、变流器系统等等多部件的控制，从监控系统接收调节指令，按照控制策略分发各设备的控制指令。
第三部分，应用示范。
目前，我们依托一个国家重点研发计划项目，历时大概五年时间，从2018年立项到去年投产，我们在四川春厂坝水电站改扩建了一台全功率变速抽水蓄能机组，它利用已有电站的上水库和下水库，在中间的管道上新增一个叉管来安装我们的变速抽水蓄能机组。
这是我们当时建设时期的照片，右边的大坑就是我们抽蓄机组地下厂房，大概在地下40多米，所以工程难度还是挺大的，解决了很多渗水、建设施工等等一系列的难题。
整个机组从2020年开始施工，到2022年，历时两年时间，全面实现了这个机组的调试和投运。为什么要重点强调两年？我们常规的抽蓄，从规划落地到建成，可能七八年到十年时间就过去了，短时间之内不可能形成快速调节能力。对于全功率抽蓄，如果未来我们利用一些已有的小水电或者说需要退役的一些小水电，把它改造成这种类型的全功率抽蓄，短期之内就可以为电力系统提供灵活的调节资源，如果有风光互补的话，那还可以大力提升新能源送出和消纳能力。
在现场，我们也对各个工况进行了一些测试。在发电工况，下面是我们的一些测试曲线，发电工况正常的运行期间，我们采用的是快速的变转速控制，左边是我们的转速曲线，可以看到机组实际的转速可以完美跟踪指令转速，这可以确保机组随时运行安全高效的状态。
在抽水过程中，我们采用变流器控转速、调速器控开度的方式，大概在3分钟就可以从机组的静止状态到达满载状态。在此过程中，通过调速器的开度以及发电机转速的协调控制，可以实现抽水负荷功率的快速响应调节，下面就是我们的调节曲线。我们的调性能是非常优异的，可以媲美于传统储能，也完全优于常规的抽蓄。因为常规的抽蓄，抽水状态是负荷不可调的，都是满功率抽水，在抽水状态下作为一个负荷的时候，也可以为电力系统提供调节，也可以去参与新能源的功率波动抑制。
对于机组的快速调节方面，刚开始我也一直在强调，我们机组快，到底能快到什么程度，左边这张就是现场的测试曲线，红色的这条曲线就是功率响应曲线。从现场的测试情况来看，我们可以实现百毫秒，大概10%以上额定功率的调节能力，这一点完全可以媲美传统的电化学储能，但是我们的容量可以做到更大，安全性可以做到更高，可以为新能源发展提供一个更好的解决思路。
我们进一步基于研发的全功率变速抽水蓄能机组，建设了梯级水光蓄互补联合发电系统示范工程，这个工程在四川小金县的小金川河流域，这上面是利用流域上已有的几个水电站和光伏站，与全功率变速抽蓄形成了梯级的水光蓄互补发电系统，这个系统已经全面投运。
随着全功率抽蓄机组的并网，也标志着世界首例梯级水光蓄互补联合运行发电系统示范工程建成投运，整个系统融合光伏功率预测、互补系统运行安全分析、联合优化调度和协调控制等一系列功能，实现了研究成果的集成和验证。我们从短期秒级的电力互补到中长期的电量互补，甚至实时的功率波动互补，都做到了全面的应用，这也可以为未来大规模新能源送出，对电网可调可控性要求做出非常好的应用。
现场我们也对整个互补系统做了一系列的监测，左边是变速抽蓄和光伏的互补曲线，右边是梯级水电的发展情况和光伏的出力情况。可以看到，整个互补系统运行是非常稳定的，可以满足光伏各种波动抑制的需求。下面是一些展望。
目前，通过我们这个国家重点研发计划项目，团队内各单位的协同攻关，目前已经全面突破了全功率变速抽蓄在装备制造、协调控制方面的技术难题，完成打破了国外的技术封锁，拥有了国产的自主知识产权和相关的技术。目前，已经应用到了四川的电力系统中。另外一个层面上，全功率变速抽蓄效率高，响应如此之快，可以预见是未来在储能领域的一个重要的发展方向，我觉得应该大力去推广应用，在座的各位能够去推广应用，那是我们最愿意看到的事情。
目前，我们也依托相关的技术成功申请了国网公司的中小型变速抽水蓄能运行控制和多能互补方面的实验室，实验室有四个大的研究方向，主要是在变速抽水蓄能的保护逻辑、场站级的协同控制逻辑、水光互补包括负荷协调等控制的重要实证方面的研究。最关键的是解决多能互补如何发展、如何应用，我们怎么样提升清洁能源的消纳，保障安全供电问题。未来此类抽蓄、多能互补系统控制策略在入网前如何验证、如何改进，都是我们实验室的研究方向。
在座的各位，如果有这方面的研究需求，也欢迎大家一起来共同探讨研究。
我的分享完毕，感谢各位专家！
备注：感谢研究团队中国水利水电科学研究院、哈尔滨电机厂有限责任公司、国电南瑞科技股份有限公司等单位支持。
来源：中国储能网
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