新型电力系统风光水储一体化运行条件下水电机组的挑战及解决方案
铎 林 东方电气集团首席专家、东方电气集团东方电机有限公司副总工程师下面我就“新型电力系统风光水储一体化运行条件下水电机组的挑战以及解决方案”向各位做个汇报。风光水储一体化运行，这个概念前面几位老师都做了阐述，是和新型电力系统密切相关的，也是我们国家的战略需求。从目前整个国家的战略安排来说，新型电力系统是按照三步走的发展布局。2030年前，新能源逐步要成为发电量的增量主体。2030年—2045年，新能源会逐步成为装机主体电源。2045年—2060年，新能源会逐步成为发电量主体电源。面对新型电力系统的建设，大规模开发，也提出了一些问题和挑战。1、多重因素叠加，造成部分地区电力供应紧张，保障电力供应安全面临突出问题。特别是四川在2020年夏季，面临着高温、少水、少风不利气温情况下，四川作为全国水电装机第一大省，首次在汛期出现了电量短缺。2、高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”特性日益呈现，系统运行压力持续增加。新型电力系统低惯量、低阻尼、弱电压支撑等特征是比较明显的。系统主体多元化、电网形态复杂化、运行方式多样化的特点愈发明显，对电力系统安全、高效、优化运行提出了更大挑战。3、新能源快速发展，系统调节能力提升面临诸多掣肘，新能源消纳形势依然严峻。面对这种形势我们提出了风光水储一体化。主要目的就是助力新型电力系统清洁低碳、安全高效运行的重要途径，这是我们今天坐在一起研讨这个项目的重要意义。刚才闻老师也说了，我们作为风光水储一体化中的水电，主要作用是什么，实际就提到了水电的二次补偿，主要解决电网间歇性、波动性、随机性的问题。目前来说，在规划上已经做了五个比较大的水光互补基地，整个市场也迎来了大爆发。大家都知道，风光发电具有波动性、不可储存性的特点，对短时间尺度下有功平衡和频率稳定、无功平衡和电压稳定造成的影响，我们水电机组又具有功率调节速度快、调节范围大、能源可储存等优点，针对它们的优缺点将风电与光电接入清洁能源发电大基地，利用水电站实现弥补风光电站负荷波动、消减风能的不稳定性、平抑光能波动性，实现水电、风电、光电的互补，充分利用水电的送去通道资源，加快多能互补的新型电力系统建设，这是它最大的特点。对这些新的技术我们进行研究和发展、应用是势在必行的。1、容量配比，需要我们提供合理的水风光容量配比，它是发挥互补发电优势的关键。2、消纳与接入，分析电力的消纳方向，论证风光电与水电打捆送出的必要性。4、电网运行影响，随着新能源的接入，转动惯量的下降，短路容量支撑不足、次同步谐振增加，都需要我们在设备上提供强有力的支持。针对这方面我们也提出了四大研究方向，提出了三个着力方向。1、我们的机组应该具有全负荷、宽范围的长期运行能力。3、随着风光新能源的波动性，需要我们负荷及工况的频繁转化。这三个特点对水电机组来说，机组应该具备更高的适应性，包括更宽的调节范围、更强的支撑能力、更高的结构强度。同时，风光水储联合运行又增加了新的单元，就是我们的储能单元，也提出了新的要求。综合这三方面新的挑战，新型电力系统和传统电网差别还是比较大的。针对传统的设计，特别是水电机组也提出了新的挑战。综合起来有这么几个大的方面：1、水电机组中的水轮机，要求我们有更宽广的水轮机稳定运行范围，并且适宜长期低负荷运行的频繁变化，在传统的电网下是没有这个要求的。2、具备更优异的水力性能，包括效率、压力脉动、空化特性、卡门涡、叶道涡等。5、更优秀的结构刚性和抗疲劳特性。水轮发电机组的主要部件，包括顶盖、涡壳座环、转子、主轴、磁轭、磁极等，应该有新的抗疲劳特性要求。6、更优秀的发电机电磁性能提出了新的要求，要承受较大的电压及频率波动，具备足够的超发能力、调相容量和进相深度。这几点对我们的水轮发电机组提出了更高的要求和更高的指标。针对这些指标我们也提出了在新型电力系统下风光水储运行环境下水电机组新的解决方案。方案1，构建适应风光水一体化运行的新型“三高水电机组。1、提出新一代机组设计理念。要改变过去以额定的水头流量来进行设计的理念，要研究融合水力高稳定性、结构高可靠性、涉网电气高适应性于一体的新一代“三高”水电机组。2、升级全套关键技术。从水力研发、结构刚强度及疲劳特性评估、发电机电气特性分析等关键核心技术重新进行研发。3、建立新的评估准则体系。对我们高适应性的水轮发电机评估准则，目前还处于空白，通过我们的研发应该形成新的准则，来指导我们未来新型水电机组的研制。水轮机水力的研发应该完全满足水风光一体化运行的要求，具备全水头、全负荷、全工况长期稳定的运行能力，因为只有具备了这个能力，才能满足我们水风光储一体化运行时对调峰的要求，过去的调峰和现在的调峰完全是不同的将年。确定水风光一体化运行条件下水轮机高稳定性的评估要素及其指标，特别是在低负荷下水力的指标。东风电机在这方面也做了大量的工作，对一些关键技术也进行了重新的开发。1）对无叶区压力脉动。在水力设计过程中对导叶翼型、导叶和叶片安放角、叶片进出水边型线等几何参数进行系统优化设计，形成了基于可压缩流体的非定常计算方法，对水泵水轮机宽负荷运行压力脉动控制技术也重新进行了构造。2）对水泵水轮机S特性优化。创新性提出了综合大/小开度S特性的“两度三区”设计理念及其优化方案。建立了水泵水轮机过渡过程特征角TCA理论，量化了大开度S特性与过渡过程特性之间的关系。提出了针对水泵水轮机小开度S特性安全余量的系统性解决方案。针对导叶小开度稳定性，我们对失稳原因进行了分析，提出了新的理论和判定准则，同时针对新的要求提出了新的设计准则。从相位共振方面我们也做了很多研究，针对产生相位共振的现象，从三个维度进行了研究，幅值、频率、相位上，从降幅、错频、移相三个维度开展相应的水力优化和叶栅组合方案优化，有效规避相位共振引起的相关问题，从而为全负荷运行提供了支撑。目前这些技术路线已经在多个电站成功得到验证。降幅成功应用于9/20组合，错频成功应用于（6+6）/20组合，移相成功应用于9/22组合。在水风光储运行情况下，机组频繁启动对机组的寿命提出了新的要求。首先我们就要掌握关键部件的高强度、低应力、精准的错频设计及流固耦合分析的核心能力，结构动应力及疲劳特性高可靠。确定在负荷宽幅频繁变化特点下的机组结构高可靠性运行状态评估要素及指标。1）对比较大的水轮机受力部件顶盖进行了基于流固耦合高精度动力特性的分析和优化，优化了结构设计，有效降低了动力响应水平。2）针对高精度水力激振力分析，可压缩非定常流体仿真技术，使得整个计算模型得到了非常好的分析手段，针对超高水头水泵水轮机无叶区可能产生的边界层的失稳现象及其引起的激励力、能量传递路径及顶盖结构响应进行评估分析。3）对一些关键部件进行了高刚度、低应力的设计，包括顶盖、转轮、叶片设计制造、高强度一体埋入式底环、座环结构优化设计等。对另一个部件球阀也提出了新的要求，高安全、高可靠球阀设计，整体球阀刚性设计基础、活门“刚柔并济”设计技术、全水段球阀密封设计系统技术，对球阀提出了高安全、高可靠的要求。对水电机组另一个核心部件发电电动机关键技术，以安全稳定为创新目的，以技术理念为突破方向。整个部件与支撑设计理念是刚柔结合。关键的旋转部位，优化部件的刚度，考虑连接柔性。关键支撑部位，采用刚柔结合的方法，减少机组振动。说到这样，实际非常难的，太刚容易折，太揉容易卷。对转动部件固定设计采用了高效牢固的设计理念。梳理确定了转子旋转部件固定思路，磁极安全可靠性设计，还有磁极问题处理优化。推力轴承创新技术采用了低耗清洁技术。开创性的低损耗喷淋式轴承专利技术，以显著减少搅拌损耗为手段，并从根源上减少搅拌损耗与油雾这里主要掌握涉网电气特性的分析能力，确保机组水力特性、结构特性、电气特性的高适应性。确定在电压、频率大范围波动条件下的水轮发电机高稳定性的评估要素及其指标。在工况转化及可靠性上，要提供强有力的支撑。因为整个一体化运行的时候，变化是非常大的，过渡过程的分析是我们要提前介入的，过渡过程加上执行机构的设计和系统控制联合优化，保证工况转化快捷、可靠。要提出新的指标，工况转化成功率要大于99%，是我们在电站该技术应用上的曲线。过渡过程分析，我们已经完全掌握了水力过渡过程关键技术，形成了东方电机自主技术体系和核心竞争力。具备了过渡过程全工况计算分析能力，可开展输水系统水流布置、调压室设置、机组参数等敏感性分析，具有一管多机、同管异机、可变速抽蓄的过渡过程计算研究经验。开发适应宽范围调节需求的功率支撑能力。1）适应新型电力电网电压波动的要求，现在正常的电压波动是正负5%，目前水电机组提出了要适应7.5%电压波动的要求。2）针对新能源无功的要求，对水电机组提出了高容量、快速反应的调相要求。3）对进相深度也提出了深度进相能力的要求，同时我们的水电机组和强大的超发能力来适应机组的变化需求。另一方面，针对机组的控制、整机组的调试提出了新的方法，这和传统的调试方法还是有所区别的。针对风光水储一体化运行的特性提出了新的要求，包括调频、调峰、调相要求，传统的水电机组对调峰和调频具有相应的能力，但是调相的能力在过去我们的传统电网是很少有这个要求的，在新型电网下这个要求是非常大的，从目前国网的运行数据来说，每年的调相次数台次是成倍比例增加，今年特别是特高压交直流的落点处基本上今年已经达到了140多台次，要求我们的水电机组对调相方面提出一些新的要求，我们前期也和金上公司、西南电科院进行了合作，对金上光伏系统的接入和水电开机方式进行了详细的研究，特别是对整个系统下的暂态过电压抑制方案做出了新的指标要求。这是我们调相机和水电机组两个之间比有一定差异，目前我们正和国网和设计院一起在做这方面的工作。从调相运行来说也带来新的条件，要求我们在水轮机组调相，有带水调相、压水调相、排水调相，针对这三种方式都做了关键技术的研究，最后我们也确定了压水调相为主的水轮机组调相运行的方式。我们对风光水储中的储提出了新的要求，这里面我们有先天优势就是抽水蓄能机组，因为本身具备了调峰填谷、调频、调相、事故备用、黑启动、新能源消纳融为一体，针对这块我们前面一些技术基本上要应用在高品质抽水蓄能项目上，特别是未来抽水蓄能可能是作为风光水储一体化运行中比较关键的技术，已经投入了大量的人力、物力进行开发。总的来说，我们还是希望瞄准我们的碳达峰、碳中和目标，推动整个能源革命。
注：文字实录未经专家整理核实，仅作参考使用，具体解释权归本次会议主办方所有。
