藏在深井里的抽蓄機組。 中電建水電開發(fā)集團有限公司供圖

　　5月13日，全球首個梯級水光蓄互補電站在四川省阿壩藏族羌族自治州小金縣并網(wǎng)運行。至此，小金川河流域梯級小水電完成華麗轉身，在全國乃至全球都具有突破意義。

　　2009年以來，中電建水電開發(fā)集團有限公司在小金川河陸續(xù)建成木坡水電站、贊拉水電站、春廠壩水電站，裝機容量共15.9萬千瓦。這些電站，與四川3000多座小水電情況類似，每年豐水期都被棄水問題困擾。

　　2018年國家重點研發(fā)計劃項目“分布式光伏與梯級小水電互補聯(lián)合發(fā)電技術研究及應用示范”選址春廠壩水電站，計劃將已有的梯級水電站改造成為梯級水光蓄互補電站。一場“變形記”悄然在四姑娘山腳下展開。

　　改造有多難？

　　安裝抽蓄發(fā)電機組，﹃像在一口深井里繡花﹄

　　走進春廠壩水電站，直觀的感覺是“迷你”。新建的抽蓄機組裝機容量只有0.5萬千瓦，僅為白鶴灘水電站百萬千瓦機組的兩百分之一；廠房面積也只有132平方米，不及白鶴灘水電站左右岸廠房的四百分之一。

　　其改造很費了一番周折。第一步，需要在已投產的廠房里，擴建安裝一臺抽蓄發(fā)電機組，這在國內尚屬首次。

　　記者在廠房里碰到了中國電建成都勘測設計院春廠壩抽水蓄能電站EPC項目經(jīng)理黃煌，他一語道破改造的難度，“就像在一口深井里繡花。”

　　黃煌所說的深井，直徑13米、深54.5米，其深度相當于17層樓房。“要滿足抽蓄機組20—30米吸出高度的特殊要求，只能把機組安裝在深井的底部?！秉S煌說，由于跟原來的廠房相隔只有幾米遠，離小金川河和大壩也非常近，要保護原有電站不受損，深井開挖不能使用炸藥爆破。這讓建設者們犯了難。

　　“我們創(chuàng)新性地采用了液壓劈裂的方式開挖。”黃煌說，灌漿、高壓懸噴、防滲墻等十八般武藝都用上，最終實現(xiàn)了深井的一次澆筑成型。

　　挖深井的問題解決了，要把機組安進去又是新挑戰(zhàn)。深井底部作業(yè)面只有132平方米，“跟一套三室一廳的房子差不多大?！敝袊娊娏z修工程公司春廠壩抽水蓄能電站EPC項目機電施工負責人杜興說，作業(yè)面上堆放著上百種零部件，只能同時站下18名工人，這給多工序交叉作業(yè)帶來極大難度。他們提出了一種全新的臥式抽蓄機組安裝方案，在機電設備安裝到位后再統(tǒng)一澆筑基礎混凝土，減少機組安裝步驟，提高安裝效率。

　　裝上抽蓄機組之后，利用已經(jīng)建成的木坡、贊拉、猛固橋三座水電站，形成儲水的上庫和發(fā)電的下庫，從而把常規(guī)水電站（春廠壩水電站）改造成混合式抽水蓄能電站；再接入周邊分布式光伏，最終形成“19.5萬千瓦水電＋5萬千瓦光伏＋0.5萬千瓦抽水蓄能”的梯級水光蓄互補電站。

　　水光蓄之間如何實現(xiàn)互補？項目技術負責人、國網(wǎng)四川電科院副院長丁理杰指著電站控制中心的屏幕說，有三個層面的互補，一是中長期電量資源的互補，豐水期水電出力多時，光伏出力較少，枯水期水電不夠的時候，光伏頂上；二是短期調度計劃的互補，在電能過剩時，利用多發(fā)的電把水從下庫抽到上庫儲存，等用電高峰時，再從上庫向下庫放水發(fā)電；三是實時控制層面的互補，光伏出力波動，通過穩(wěn)定的水電來調峰?！巴ㄟ^多層互補，就能實現(xiàn)水電、光伏、抽水蓄能三種能源方式之間的運行最優(yōu)化?！?/p>

　　突破在哪里？

　　攻克世界性難題，實現(xiàn)系統(tǒng)集成全國產化

　　“從籍籍無名，到深感重任在肩?！敝袊娊ㄋ拇ㄐ〗鸫ㄋ婇_發(fā)有限公司總經(jīng)理楊炳全回憶，原本寂靜的春廠壩水電站，迎來送往了無數(shù)批來自全國頂級科研院所、工程設備廠家的專家學者，他們都朝著同一個目標努力——建成全球首個梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)示范工程。

　　水光蓄互補發(fā)電極其復雜，要實現(xiàn)聯(lián)合運行，需要攻克裝備研制、運行控制、智能調度等多個關鍵技術。作為抽水蓄能電站的“心臟”，發(fā)電機組是關鍵之中的關鍵。

　　常規(guī)的抽水蓄能發(fā)電機組，采用的都是恒定轉速的機組，功率不能調整，要實現(xiàn)水光蓄互補發(fā)電，常規(guī)機組無法達到要求，必須采用變速抽蓄機組。這對科研人員來說，是一項巨大的挑戰(zhàn)?！白兯俪樾顧C組成套設備被國外壟斷，國內還沒有投運的先例。”丁理杰說，這意味著他們要開展突破性研究。

　　20人組成的研發(fā)團隊，開始沒日沒夜攻關。經(jīng)過4年時間研發(fā)，終于生產出國內首臺全功率變速恒頻可逆式抽蓄機組。這臺變速抽蓄機組，可以在百毫秒之內，通過轉速變化來完成功率調節(jié)。簡單來說，隨著日照條件的變化，光伏功率會進行不同時間尺度的波動，變速抽蓄機組根據(jù)光伏功率波動進行調節(jié)。比如一朵云過來遮住了光線，光伏出力急速跌落，抽蓄機組能在百毫秒內迅速提升出力，確保水光蓄互補電站出力按計劃進行。

　　機組打破國外壟斷，實現(xiàn)了系統(tǒng)集成的全國產化。國網(wǎng)四川電科院技術專家史華勃牽頭提出“快速變轉速控制”與“快速變功率控制”相結合多階段協(xié)調控制策略，實現(xiàn)不同工況下勵磁、調速和變流器的協(xié)同控制，可在最大程度上使機組兼顧最優(yōu)效率運行并具備毫秒級快速功率調節(jié)能力，可以說是變速抽水蓄能的核心和大腦。“這是一個極大的突破。”丁理杰說，預期可以降低同類設備價格20％以上，而接下來實現(xiàn)設備銷售，每年制造企業(yè)可以實現(xiàn)營收1億元以上。

　　除了硬件突破，還配套研發(fā)了世界第一個梯級水光蓄互補電站聯(lián)合運行控制與智能調度系統(tǒng)。牽頭負責該課題的國電南瑞科技股份有限公司技術人員單鵬珠介紹，電力最大的特點是時供時銷、實時匹配，要讓水電、光伏、抽水蓄能所發(fā)的電力負荷平衡，是個特別精細的技術活。智能調度系統(tǒng)的“智能”程度，可以達到自己決策、自己糾偏，能夠根據(jù)周邊的氣象數(shù)據(jù)，預測光伏和水電站的發(fā)電情況，并利用抽水蓄能機組全功率變流器的毫秒級響應能力，來匹配最合適的發(fā)電配比和聯(lián)合智能調度。

　　價值有多大？

　　為水電開發(fā)利用找到新路，可推廣到水光資源富集地區(qū)

　　作為全球首個水光蓄互補電站，春廠壩水電站“變形”具有怎樣的示范意義？

　　首先，為水電的開發(fā)利用找到了一條新路。丁理杰告訴記者，水電是我國目前最大的儲能系統(tǒng)。截至2020年底，全國所有儲能電站（主要包括抽水儲能電站、超大型電池組電站等）加起來的裝機容量為327萬千瓦，而四川僅雅礱江二灘水電站的裝機就達330萬千瓦?！耙簿褪钦f我們一個水電站蓄一兩個小時，就可以達到全國所有儲能電站的量?！痹诙±斫芸磥?，四川9000萬千瓦、位居全國第一的水電裝機容量，是最好的“蓄電池”。怎樣才能更好地發(fā)揮水電“蓄電池”的作用？春廠壩水電站就提供了一種新的可能。

　　楊炳全介紹，小金川河的幾座小水電都面臨棄水問題，豐水期有30％—50％的水電被棄掉，這也是四川大多數(shù)小水電面臨的共性問題。要解決棄水問題，要么加大就地消納的力度，要么新建電力外送通道，這對小水電業(yè)主來說，無法掌握主動權。隨著國家重點研發(fā)計劃項目在春廠壩水電站的示范應用，據(jù)初步測算，項目投產后，每年可增加水電消納量975萬千瓦時，產生極大的經(jīng)濟效益。“不僅提升水力發(fā)電量，水電的價值也將得到放大。”楊炳全說，因為參與光伏調峰，未來調峰電價將體現(xiàn)在水電價格里，四川也正在研究調峰電價的價格體系。

　　四川小水電眾多，除小金川河流域外，雜谷腦河、臥羅河、鴨嘴河等流域水光資源同樣非常豐富，這些流域已有小水電裝機超過200萬千瓦、光伏裝機超過80萬千瓦，且小水電、光伏接入場景與春廠壩水電站類似，可以實現(xiàn)復制和推廣。日前，四川省發(fā)展改革委、省能源局印發(fā)《四川省“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要有序建設抽水蓄能電站，對利用上下游梯級水電站建設的混合式抽水蓄能電站，開展選點研究?！拔覀冞@個示范項目生逢其時，正好與國家和省上的能源戰(zhàn)略高度契合?！倍±斫苷f。

　　還有一個重要的示范意義是證明了水光蓄互補運行模式的可行性?！笆濉蹦?，四川新能源（風電、光伏）裝機僅600余萬千瓦，占電力總裝機的比例小，即便滿發(fā)對電網(wǎng)穩(wěn)定構成的威脅也不大。但根據(jù)規(guī)劃，到“十四五”末，四川新能源裝機將達到2200萬千瓦，占比將接近15％，而未來占比還將持續(xù)提升，這就對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。通過水光蓄互補運行，將不確定的光伏能源變成完全可控、可調度的能源，將大大保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

　　春廠壩水電站的投資方中電建水電開發(fā)集團有限公司，也從傳統(tǒng)的水電開發(fā)向多能互補的抽水蓄能電站轉型。2021年，在河北、新疆維吾爾自治區(qū)、湖南等地獲得多個抽水蓄能項目開發(fā)權，裝機規(guī)模660萬千瓦；目前正在密切跟蹤四川、河北、廣西壯族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)等地10余個抽水蓄能項目，裝機規(guī)模超1000萬千瓦。雅礱江流域水電開發(fā)有限公司也對春廠壩水電站的多能互補模式產生很大興趣，希望能將示范成果應用到流域的兩河口、錦屏等大型梯級水電站。