廣州從化南昆山脈北側(cè)，綠水青山相映成趣。這里建有我國首座大型抽水蓄能電站——廣州抽水蓄能電站。今年，該電站投產(chǎn)30年后新添了個“第一”——第一次用上了“國產(chǎn)大腦”。
12月7日，記者從南方電網(wǎng)儲能股份有限公司(以下簡稱“南網(wǎng)儲能”)獲悉，我國自主研制的首套抽水蓄能核心控制系統(tǒng)在廣州、惠州兩座抽水蓄能電站投運以來，截至記者發(fā)稿時，安全啟動已超過1500次、累計運行超過1.7萬小時。這標(biāo)志著抽水蓄能電站4類核心控制子系統(tǒng)均成功實現(xiàn)了全面國產(chǎn)化，有力提高了我國能源產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的安全性。
改變核心控制系統(tǒng)受制于人局面
抽水蓄能電站是目前技術(shù)最成熟的大規(guī)模儲能方式之一，是保障我國新能源消納的重要力量。截至今年9月底，我國抽水蓄能在運總裝機容量達(dá)到5000萬千瓦，居世界首位，而到2030年投產(chǎn)總規(guī)模將達(dá)到1.2億千瓦左右。
作為抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)備，抽蓄機組核心控制系統(tǒng)由計算機監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、繼電保護(hù)這四大系統(tǒng)組成，被喻為電站的“大腦”。
此前，這個“大腦”一直是我國的短板。盡管我國在抽水蓄能主機設(shè)備領(lǐng)域已實現(xiàn)全面國產(chǎn)化，多項技術(shù)國際領(lǐng)先，但核心控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口，備品備件更新艱難，控制程序為“黑匣子”，核心功能優(yōu)化存在盲區(qū)。
以“大腦”中的勵磁系統(tǒng)核心部件直流滅磁開關(guān)為例，國際標(biāo)準(zhǔn)要求開關(guān)機械壽命達(dá)到2萬次。“實際上，使用不到1年、開關(guān)動作次數(shù)不到3000次時，進(jìn)口部件就發(fā)生了問題，廠商經(jīng)多次催促才出具一份語焉不詳?shù)墓收蠄蟾妗?rdquo;提起此事，南網(wǎng)儲能修試公司技術(shù)專家閆文斌十分無奈。
“核心控制系統(tǒng)受制于人，是我國抽水蓄能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)科技自立自強的最后一塊短板。”南網(wǎng)儲能修試公司副總經(jīng)理鞏宇說，“我們下定決心啃下這塊‘硬骨頭’。”
這套系統(tǒng)國產(chǎn)化水平大致可分為“設(shè)備級”“部件級”和“元件級”，其中“元件級”自主可控水平最高，要求關(guān)鍵技術(shù)元件全部國產(chǎn)。
2021年2月，南網(wǎng)儲能牽頭組建研發(fā)團(tuán)隊，選取廣州、惠州兩座抽水蓄能電站為平臺，開展四大系統(tǒng)的“元件級”國產(chǎn)設(shè)備研發(fā)。
“排兵布陣”攻克多項關(guān)鍵技術(shù)
“雖然一直盼著擁有‘國產(chǎn)大腦’，但真邁開這一步，心里特別虛。”南網(wǎng)儲能修試公司自動化部總經(jīng)理楊銘軒告訴記者，畢竟一個“大腦”涵蓋核心控制器、調(diào)節(jié)器等206種設(shè)備，涉及近12萬個元件。
設(shè)備選型是研發(fā)的第一步，也是決定后續(xù)環(huán)節(jié)能否實施的關(guān)鍵。“我們必須挑選出最合格的元件‘隊員’，才能組建起一支‘足球隊’。”楊銘軒打了一個比方。為此，團(tuán)隊前后走訪了國內(nèi)70多家相關(guān)設(shè)備制造商。
“足球隊”組建起來了，如何根據(jù)“隊員”的“身體素質(zhì)”和“技術(shù)水平”進(jìn)行“排兵布陣”，著實考驗著團(tuán)隊。
面對我國新能源大規(guī)模并網(wǎng)對抽蓄機組提出的更高調(diào)速要求，團(tuán)隊自主研制出0.0001赫茲(Hz)分辨率國產(chǎn)調(diào)速器，精度等級比進(jìn)口0.001Hz分辨率調(diào)速器更高。精度前移一個小數(shù)點的背后，是團(tuán)隊歷時500余天攻克測頻回路解析等關(guān)鍵技術(shù)的艱難創(chuàng)新。
勵磁系統(tǒng)是保障電壓和無功功率穩(wěn)定的關(guān)鍵。目前我國直流勵磁系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——直流滅磁開關(guān)95%以上采用進(jìn)口設(shè)備，沒有適用于300兆瓦抽蓄機組的國產(chǎn)產(chǎn)品。
“常規(guī)的直流滅磁開關(guān)機械壽命約為1000次，而抽蓄機組要求至少2萬次，對開關(guān)體積、磁保持、模塊化組裝等有著極其嚴(yán)苛的技術(shù)要求。”勵磁系統(tǒng)研發(fā)負(fù)責(zé)人陳強介紹，團(tuán)隊與上海立新電器合作，把控絕緣材料選取、模具制作、生產(chǎn)工藝運用等全環(huán)節(jié)質(zhì)量，用時一年終于研制出符合要求的直流滅磁開關(guān)。
整套設(shè)備性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平
安裝調(diào)試是直流滅磁開關(guān)投用前的“臨門一腳”，整個勵磁系統(tǒng)的國產(chǎn)化成敗在此一舉。
今年1月11日晚上10時，試驗正式開始。在設(shè)置好所有的試驗接線和錄波儀器后，團(tuán)隊撤離至遠(yuǎn)處，“幾乎是屏氣斂息、提心吊膽”。當(dāng)試驗數(shù)據(jù)、裝置部件檢查結(jié)果合格了，團(tuán)隊才敢松一口氣。
兩年多來，團(tuán)隊咬緊牙關(guān)，逐一取得了40項重大技術(shù)創(chuàng)新，21項技術(shù)填補國內(nèi)空白，其中調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)已通過成果鑒定，設(shè)備性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
隨著繼電保護(hù)、勵磁、調(diào)速器、計算機監(jiān)控四大系統(tǒng)的國產(chǎn)設(shè)備相繼在兩座抽水蓄能電站投運，我國抽水蓄能電站終于用上自主研發(fā)的“國產(chǎn)大腦”。經(jīng)應(yīng)用檢驗，新系統(tǒng)完全滿足機組運行需求，多個方面性能優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備。
“攻克抽水蓄能核心控制系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)整套設(shè)備自主可控，是我們主動要做的事，總得有人邁出這一步。而支撐我們前行的動力源于對‘中國制造’的信心。”鞏宇語氣堅定。
未來，南方電網(wǎng)將在所屬7座已投運抽水蓄能電站的30多臺機組陸續(xù)推廣使用“國產(chǎn)大腦”。
來源：科技日報 記者葉 青 通訊員黃 昉
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