田杰：研究自主知识产权直流输电技术
电网人物2022-01-26
4月15日，浙江长龙山抽水蓄能电站主机房内，南瑞集团有限公司工程人员陆晨正调试励磁系统。南瑞集团主要承担电站全部6台机组的励磁系统建设，此前陆晨所在的团队已服务该电站4台机组投产发电。
加快发展抽水蓄能，对于加快构建新型电力系统、促进可再生能源大规模高比例发展、保障电力系统安全稳定运行具有重要作用。南瑞集团历经十余年科技攻关，已孕育出具有完全自主知识产权、技术水平国际领先的励磁系统、计算机监控系统、水轮机调速系统等一系列产品。这些产品广泛应用于福建仙游、浙江仙居、安徽绩溪、河北丰宁、山东沂蒙等数十座抽水蓄能电站的建设和运行中。
攻克难题，自主研发抽水蓄能机组励磁系统
励磁系统是供给同步电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，也是电机的核心控制部件。它的主要任务是向同步电机的励磁绕组提供可调节的直流电流，以满足同步电机正常运行的需求，起到稳定电机机端电压和为电网提供电压无功支撑的作用。
与常规大型发电机组相比，抽水蓄能机组集抽水与发电功能于一体，有调峰、调频、调相、事故备用等多种运行工况。抽水蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心，因此对系统可靠性及运行稳定性的要求更高。在机组工况转换中，励磁系统必须根据监控给出的不同运行模式指令切换相应的控制方式，以适应不同工况运行的需要。
南瑞集团微机励磁系统研发起步较早，相关产品广泛应用于火电、水电、核电、燃机、调相机、生物质发电、余热发电等领域。2007年，南瑞集团开始着手研制抽水蓄能机组励磁系统。2009年，首套国产抽水蓄能励磁系统在河北潘家口抽水蓄能电站9万千瓦机组顺利投入运行。2012年，南瑞集团与国网新源公司在安徽响水涧抽水蓄能电站完成30万千瓦级抽水蓄能机组励磁系统的研制和示范应用。
在抽水蓄能机组励磁系统的研制中，如何最大限度提升灭磁系统性能是一道难题。“灭磁及过电压保护装置是励磁系统的重要组成部分，也是机组发生电气故障时的最后一道防护措施。机组发生电气故障时，灭磁及过电压保护装置可迅速切断机组的励磁回路，并将储存在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中，其可靠性和安全性对机组安全运行至关重要。”南瑞集团长龙山抽水蓄能电站励磁项目负责人李潇洛介绍。
南瑞集团深入研究灭磁机理，吸收多种灭磁方法的优点，采用组合方式解决了单一灭磁方式快速性与可靠性难以兼顾的技术难题，使灭磁时间与采用单一灭磁方式相比缩短约20%，降低了磁场断路器弧压。这一技术能在故障发生时更快断开励磁绕组与励磁电源间的联系，并快速消耗电机转子磁场能量，为机组安全稳定运行提供保障。
南瑞集团研发的大型抽水蓄能机组励磁系统具有最大/最小励磁电流限制、伏赫限制、强励限制以及四象限无功限制等功能，可最大限度保障机组安全运行。该系统还采用了智能显示和故障智能诊断技术，提高了设备运行维护的便利性。与进口励磁系统相比，该系统更适应我国电网安全运行的需要。
和励磁系统一样，静止变频器也是大型抽水蓄能电站的关键设备，承担着机组在抽水工况下的启动任务。在抽水启动时，如果静止变频器接收机端电压反馈信号较弱，转子位置检测结果不准确，就会导致机组启动失败。南瑞集团提出通过励磁系统变参数控制来增强机端电压反馈信号的方法，提高了静止变频器转子初始位置检测准确率，从而提高了机组抽水启动成功率。
迭代升级可编程控制器，支撑抽蓄电站运维
进入4月，山西省五台县光伏发电量显著增加。4月14日中午，位于五台县滹沱河畔的西龙池抽水蓄能电站值班人员按照山西电力调度控制中心发布的抽水指令，点击计算机监控系统上的“抽水”图标，将机组运行工况从发电状态迅速平稳切换至抽水状态，消纳新能源电力。到用电晚高峰时，值班人员又根据调度指令，将机组切换至发电工况，发挥调峰作用。
计算机监控系统是抽水蓄能电站的控制核心。伴随着抽水蓄能电站单机容量增大，控制过程也越来越复杂。这对电站计算机监控系统提出了更高要求。作为计算机监控系统的重要组成部分，可编程控制器(PLC)也亟须在功能、容量、速度等方面进一步迭代升级，以满足多种复杂控制场景的应用需求。
此前，我国抽水蓄能电站应用的计算机监控系统主要依赖进口。进口的监控系统在产品设计上一般“重机不重网”，不能完全适应我国电网的特点以及满足电网安全稳定运行需求。2020年，南瑞集团开始对总装机容量120万千瓦的西龙池抽水蓄能电站计算机监控系统进行国产化改造。升级改造后的计算机监控系统上位机采用南瑞集团智能一体化管控平台，现地控制单元采用南瑞集团研发的新一代智能可编程控制器。
针对抽水蓄能电站计算机监控系统的国产化改造需求，南瑞集团凭借多年来在可编程控制器产品智能化、通用化、小型化、国产化等方面的深入研究，迭代升级原有可编程控制器，自主创新研发新一代智能可编程控制器，在体系架构、执行速度、信息安全、对象建模等方面实现了较大提升。新一代智能可编程控制器扫描速度更快、周期更短;机架间支持以太网所有的拓扑结构，能满足现场各类网络结构需求;通过专用以太网模件接入外部网络设备，机架内部采用高速双总线通信，提升了通信效率和数据处理速度。
打破国外垄断，为抽蓄电站提供定制化解决方案
4月14日，河北丰宁抽水蓄能电站内，南瑞集团项目团队开展2号机组励磁系统、计算机监控系统调试工作，为近期2号机组投产发电提供技术服务。
丰宁抽水蓄能电站是当前全球装机规模最大的抽水蓄能电站，总装机360万千瓦，安装12台单机容量30万千瓦的单级可逆式水泵水轮发电电动机组。南瑞集团承担了电站励磁系统、计算机监控系统、水轮机调速系统、智能分布式安全监测系统、水情测报系统、水库防汛调度管理系统等的建设任务。随着2021年年底电站首批机组投运，南瑞集团多项技术及产品已在电站平稳运行100余天。
历经多年耕耘，南瑞集团现已形成较为成熟的抽水蓄能励磁系统、计算机监控系统、水轮机调速系统、工程安全监测系统、水情测报系统等一系列产品，打破国外垄断，并针对不同抽水蓄能电站的个性化需求提供定制化解决方案。随着国内抽水蓄能电站加快建设，该集团相关技术及产品已服务江西洪屏、江苏溧阳、辽宁蒲石河、吉林敦化、海南琼中等抽水蓄能电站。
伴随新型电力系统加快构建，抽水蓄能发展按下“快进键”。作为国内大型抽水蓄能电站自主控制系统的引领者，南瑞集团正在加快智能抽水蓄能、变速机组控制等关键技术的攻关和工程实践，以抽水蓄能电站关键控制技术自立自强助力抽水蓄能高质量发展。（卢媛迪 王海燕 余笑）
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