梯级小水电“变形记”

　　藏在深井里的抽蓄机组。 中电建水电开发集团有限公司供图

　　5月13日，全球首个梯级水光蓄互补电站在四川省阿坝藏族羌族自治州小金县并网运行。至此，小金川河流域梯级小水电完成华丽转身，在全国乃至全球都具有突破意义。

　　2009年以来，中电建水电开发集团有限公司在小金川河陆续建成木坡水电站、赞拉水电站、春厂坝水电站，装机容量共15.9万千瓦。这些电站，与四川3000多座小水电情况类似，每年丰水期都被弃水问题困扰。

　　2018年国家重点研发计划项目“分布式光伏与梯级小水电互补联合发电技术研究及应用示范”选址春厂坝水电站，计划将已有的梯级水电站改造成为梯级水光蓄互补电站。一场“变形记”悄然在四姑娘山脚下展开。

　　改造有多难？

　　安装抽蓄发电机组，﹃像在一口深井里绣花﹄

　　走进春厂坝水电站，直观的感觉是“迷你”。新建的抽蓄机组装机容量只有0.5万千瓦，仅为白鹤滩水电站百万千瓦机组的两百分之一；厂房面积也只有132平方米，不及白鹤滩水电站左右岸厂房的四百分之一。

　　其改造很费了一番周折。第一步，需要在已投产的厂房里，扩建安装一台抽蓄发电机组，这在国内尚属首次。

　　记者在厂房里碰到了中国电建成都勘测设计院春厂坝抽水蓄能电站EPC项目经理黄煌，他一语道破改造的难度，“就像在一口深井里绣花。”

　　黄煌所说的深井，直径13米、深54.5米，其深度相当于17层楼房。“要满足抽蓄机组20—30米吸出高度的特殊要求，只能把机组安装在深井的底部。”黄煌说，由于跟原来的厂房相隔只有几米远，离小金川河和大坝也非常近，要保护原有电站不受损，深井开挖不能使用炸药爆破。这让建设者们犯了难。

　　“我们创新性地采用了液压劈裂的方式开挖。”黄煌说，灌浆、高压悬喷、防渗墙等十八般武艺都用上，最终实现了深井的一次浇筑成型。

　　挖深井的问题解决了，要把机组安进去又是新挑战。深井底部作业面只有132平方米，“跟一套三室一厅的房子差不多大。”中国电建电力检修工程公司春厂坝抽水蓄能电站EPC项目机电施工负责人杜兴说，作业面上堆放着上百种零部件，只能同时站下18名工人，这给多工序交叉作业带来极大难度。他们提出了一种全新的卧式抽蓄机组安装方案，在机电设备安装到位后再统一浇筑基础混凝土，减少机组安装步骤，提高安装效率。

　　装上抽蓄机组之后，利用已经建成的木坡、赞拉、猛固桥三座水电站，形成储水的上库和发电的下库，从而把常规水电站（春厂坝水电站）改造成混合式抽水蓄能电站；再接入周边分布式光伏，最终形成“19.5万千瓦水电＋5万千瓦光伏＋0.5万千瓦抽水蓄能”的梯级水光蓄互补电站。

　　水光蓄之间如何实现互补？项目技术负责人、国网四川电科院副院长丁理杰指着电站控制中心的屏幕说，有三个层面的互补，一是中长期电量资源的互补，丰水期水电出力多时，光伏出力较少，枯水期水电不够的时候，光伏顶上；二是短期调度计划的互补，在电能过剩时，利用多发的电把水从下库抽到上库储存，等用电高峰时，再从上库向下库放水发电；三是实时控制层面的互补，光伏出力波动，通过稳定的水电来调峰。“通过多层互补，就能实现水电、光伏、抽水蓄能三种能源方式之间的运行最优化。”

　　突破在哪里？

　　攻克世界性难题，实现系统集成全国产化

　　“从籍籍无名，到深感重任在肩。”中国电建四川小金川水电开发有限公司总经理杨炳全回忆，原本寂静的春厂坝水电站，迎来送往了无数批来自全国顶级科研院所、工程设备厂家的专家学者，他们都朝着同一个目标努力——建成全球首个梯级水光蓄互补联合发电系统示范工程。

　　水光蓄互补发电极其复杂，要实现联合运行，需要攻克装备研制、运行控制、智能调度等多个关键技术。作为抽水蓄能电站的“心脏”，发电机组是关键之中的关键。

　　常规的抽水蓄能发电机组，采用的都是恒定转速的机组，功率不能调整，要实现水光蓄互补发电，常规机组无法达到要求，必须采用变速抽蓄机组。这对科研人员来说，是一项巨大的挑战。“变速抽蓄机组成套设备被国外垄断，国内还没有投运的先例。”丁理杰说，这意味着他们要开展突破性研究。

　　20人组成的研发团队，开始没日没夜攻关。经过4年时间研发，终于生产出国内首台全功率变速恒频可逆式抽蓄机组。这台变速抽蓄机组，可以在百毫秒之内，通过转速变化来完成功率调节。简单来说，随着日照条件的变化，光伏功率会进行不同时间尺度的波动，变速抽蓄机组根据光伏功率波动进行调节。比如一朵云过来遮住了光线，光伏出力急速跌落，抽蓄机组能在百毫秒内迅速提升出力，确保水光蓄互补电站出力按计划进行。

　　机组打破国外垄断，实现了系统集成的全国产化。国网四川电科院技术专家史华勃牵头提出“快速变转速控制”与“快速变功率控制”相结合多阶段协调控制策略，实现不同工况下励磁、调速和变流器的协同控制，可在最大程度上使机组兼顾最优效率运行并具备毫秒级快速功率调节能力，可以说是变速抽水蓄能的核心和大脑。“这是一个极大的突破。”丁理杰说，预期可以降低同类设备价格20％以上，而接下来实现设备销售，每年制造企业可以实现营收1亿元以上。

　　除了硬件突破，还配套研发了世界第一个梯级水光蓄互补电站联合运行控制与智能调度系统。牵头负责该课题的国电南瑞科技股份有限公司技术人员单鹏珠介绍，电力最大的特点是时供时销、实时匹配，要让水电、光伏、抽水蓄能所发的电力负荷平衡，是个特别精细的技术活。智能调度系统的“智能”程度，可以达到自己决策、自己纠偏，能够根据周边的气象数据，预测光伏和水电站的发电情况，并利用抽水蓄能机组全功率变流器的毫秒级响应能力，来匹配最合适的发电配比和联合智能调度。

　　价值有多大？

　　为水电开发利用找到新路，可推广到水光资源富集地区

　　作为全球首个水光蓄互补电站，春厂坝水电站“变形”具有怎样的示范意义？

　　首先，为水电的开发利用找到了一条新路。丁理杰告诉记者，水电是我国目前最大的储能系统。截至2020年底，全国所有储能电站（主要包括抽水储能电站、超大型电池组电站等）加起来的装机容量为327万千瓦，而四川仅雅砻江二滩水电站的装机就达330万千瓦。“也就是说我们一个水电站蓄一两个小时，就可以达到全国所有储能电站的量。”在丁理杰看来，四川9000万千瓦、位居全国第一的水电装机容量，是最好的“蓄电池”。怎样才能更好地发挥水电“蓄电池”的作用？春厂坝水电站就提供了一种新的可能。

　　杨炳全介绍，小金川河的几座小水电都面临弃水问题，丰水期有30％—50％的水电被弃掉，这也是四川大多数小水电面临的共性问题。要解决弃水问题，要么加大就地消纳的力度，要么新建电力外送通道，这对小水电业主来说，无法掌握主动权。随着国家重点研发计划项目在春厂坝水电站的示范应用，据初步测算，项目投产后，每年可增加水电消纳量975万千瓦时，产生极大的经济效益。“不仅提升水力发电量，水电的价值也将得到放大。”杨炳全说，因为参与光伏调峰，未来调峰电价将体现在水电价格里，四川也正在研究调峰电价的价格体系。

　　四川小水电众多，除小金川河流域外，杂谷脑河、卧罗河、鸭嘴河等流域水光资源同样非常丰富，这些流域已有小水电装机超过200万千瓦、光伏装机超过80万千瓦，且小水电、光伏接入场景与春厂坝水电站类似，可以实现复制和推广。日前，四川省发展改革委、省能源局印发《四川省“十四五”可再生能源发展规划》明确提出，要有序建设抽水蓄能电站，对利用上下游梯级水电站建设的混合式抽水蓄能电站，开展选点研究。“我们这个示范项目生逢其时，正好与国家和省上的能源战略高度契合。”丁理杰说。

　　还有一个重要的示范意义是证明了水光蓄互补运行模式的可行性。“十三五”末，四川新能源（风电、光伏）装机仅600余万千瓦，占电力总装机的比例小，即便满发对电网稳定构成的威胁也不大。但根据规划，到“十四五”末，四川新能源装机将达到2200万千瓦，占比将接近15％，而未来占比还将持续提升，这就对电网的稳定性提出了新的挑战。通过水光蓄互补运行，将不确定的光伏能源变成完全可控、可调度的能源，将大大保障电网的安全稳定运行。

　　春厂坝水电站的投资方中电建水电开发集团有限公司，也从传统的水电开发向多能互补的抽水蓄能电站转型。2021年，在河北、新疆维吾尔自治区、湖南等地获得多个抽水蓄能项目开发权，装机规模660万千瓦；目前正在密切跟踪四川、河北、广西壮族自治区、新疆维吾尔自治区等地10余个抽水蓄能项目，装机规模超1000万千瓦。雅砻江流域水电开发有限公司也对春厂坝水电站的多能互补模式产生很大兴趣，希望能将示范成果应用到流域的两河口、锦屏等大型梯级水电站。