国产"陀鞭" 驱动抽水蓄能机组飞转
2014/5/23 14:44:57 新闻来源：国家电网报
5月19日0时35分，夜静悄悄的，坐落在皖南山区浮山脚下的响水涧电站犹如一幅水墨丹青。
然而，灯火通明的响水涧电站地下厂房里是另一番景象——转动的机组发出轰鸣声。在我国首套10万千瓦级国产SFC的拖动下，响水涧电站3号机组仅用7分钟，就从停机变为抽水运行方式，下水库的水源源不断地被抽至上水库，为白天发电蓄满了能量。随后，这套投运1个多月、已成功启动46次的国产SFC恢复备用状态，在设备室等候下一次抽水的到来。
弥补10万千瓦级抽水蓄能机组设备短板
我国抽水蓄能行业起步较晚，20世纪90年代末大型抽水蓄能电站才陆续投产，而且早期投产电站的主机及辅助设备为成套进口。十几年来，经过几代人艰苦卓绝的努力，我国抽水蓄能电站装机容量实现了几何式增长，抽水蓄能设备研发制造逐步实现国产化，但是抽水蓄能机组SFC设备国产化一直没能实现有效突破。打破国外垄断，研制出我国的SFC，成为国内抽水蓄能行业从业者们的夙愿。
作为抽水蓄能电站的关键控制设备，SFC负责将抽水蓄能机组由静止状态拖拽至抽水工况运行。由SFC拖动的机组启动方式相比背靠背等方式而言，具有快速、简便、高效、可靠的特点。此前国内抽水蓄能机组SFC研发、技术与市场长期被国外少数企业垄断，导致设备成本昂贵、运行维护费用高，核心关键技术受制于人。
为打破国外企业的技术和设备垄断、降低设备成本，早在2008年，国家电网公司便进行抽水蓄能机组SFC国产化研制科技项目立项，国网新源控股有限公司与国网电力科学研究院联合承担并研制了国内首台抽水蓄能机组SFC，并成功在潘家口抽水蓄能电站(拥有3台9万千瓦机组)完成了示范应用，积累了SFC国产化研制的宝贵经验。
近年来，新建抽水蓄能电站机组单机容量多为25万千瓦以上，10万千瓦级抽水蓄能机组SFC一直未能国产化。为弥补10万千瓦级抽水蓄能机组设备技术短板，公司于2013年立项，由国网新源公司与南瑞继保公司联合承担开展10万千瓦级国产抽水蓄能机组SFC研发。新研制的SFC将在总装机容量为100万千瓦(4台25万千瓦机组)的响水涧电站开展示范应用，开始10万千瓦级SFC国产化破冰之旅。中国工程院院士、国网电科院名誉院长、南瑞继保公司董事长沈国荣的一番话掷地有声："国网新源公司和南瑞继保公司有责任、有义务，也有能力研制出高水平的SFC产品，为大容量抽水蓄能机组设备国产化做出贡献。"
同心协力攻克技术难题
承担这一科技项目，南瑞继保公司研究院副院长沈全荣踌躇满志，他说："我们有信心研制出技术先进、高可靠性的产品，因为我们在相关技术领域已有丰富的技术积累、高水平的硬软件平台，更有齐全的专业研发队伍。"
然而自主创新之路并非坦途，首先遇到的难题就是SFC容量计算。设备研发技术负责人刘为群说："SFC容量计算如同设计火车头的动力一样重要。容量算小了，将来机组转速升不上去;容量算大了，浪费投资。国外技术保密，国内没有成熟有经验的算法，这是一块硬骨头。"
石祥建是研究工作牵头人，他带领同事搜索相关材料，翻阅抽水蓄能SFC技术资料，但没找到准确有效的计算方法。"要做国产SFC，我们必须攻克容量计算这道难关，老外能做的我们也一定能做到。"石祥建的一席话让同事们憋足了劲。
他们从电机运动方程研究入手，通过理论方法推导SFC容量计算公式;研究同步电动机模型，改造实时数字仿真系统(RTDS)现有电机模型，用仿真办法计算SFC系统容量。电机原理复杂，电机运动方程研究更是枯燥乏味。近一个月时间，他们完全沉浸其中，加班、熬夜，研究过程和公式推导记了满满一个笔记本。用石祥建的话说，"做梦都在研究计算公式"。功夫不负有心人，经过复杂理论计算和实时系统仿真，两种方法得到的SFC容量相同，容量计算方法得到了验证，项目组摸着石头成功过了河。
大容量抽水蓄能机组SFC功率大，电气一次部分设计难度高，既要满足高电压要求，又要满足输出大电流的要求。项目组成员吴龙说："研制的SFC样机系统在工作时，最大总发热功率达120千瓦，这些发热需要靠散热系统散出去，否则热量足以熔化金属，更别说损坏那些娇贵的可控硅器件了。"
项目组广泛汲取设计经验，重点研究SFC设备的特殊性，最终成功设计出既有利于散热又有利于维护的风冷结构方案。与进口设备相比，该方案具有更好的模块化特点和检修维护的灵活性。
承担控制装置研发任务的闫伟，为解决两台装置之间的信息同步问题，一边编程一边试验;为测试装置的软件功能，在动模试验室加班加点连续做试验超过一个半月，启动动模机组不下500次;为验证转子位置检测功能，最多时一天启动机组超过100次，试验记录本一天要记几十页。
"转子位置检测是在无位置传感器的情况下，通过电气方法精确测量转子位置。对于响水涧电站机组的转子位置检测，好比在直径10米的圆周上找出某个位置，其误差要在7毫米以内，技术要求非常高，但我们的方法更高。"闫伟说。在研发过程中，他们设计了至少3种试验方法，正是有了几百次启动动模机组试验，一种效果最好的解决方案最终确定下来。
同样的技术难题还有很多，但研发项目组同心协力，逐一攻克。历经8个多月奋战，首套10万千瓦级国产抽水蓄能机组SFC顺利通过测试，具备试运行条件。
自主开展设备安装调试
响水涧电站是国内首个机组实现全国产化的大型抽水蓄能电站，原有一套进口SFC。电站于2012年投入商业运行，目前设备还处在磨合期，虽然总体运行情况良好，但在这个时候接到国产SFC示范应用任务，响水涧电站负责人魏伟坦言："这是一个大手术，在正常运行的设备上新增一套并行设备，比在基建阶段安装两套同样设备的复杂程度和施工调试难度高得多。"
"在一个健康的躯干上'动刀子'，绝不是没事找事，这事关抽水蓄能设备国产化的大业，我们责无旁贷。"国网新源公司相关负责人说，"SFC示范应用，对我国抽水蓄能行业有着非同寻常的意义。抽水蓄能机组配套设备能否全部实现国产化，就看这临门一脚。"
不打无把握之仗。响水涧电站组织生产骨干开展多次讨论、审核和勘察，摸清了SFC安装调试的三个难点：新增电缆数量多，电缆桥架改动大，施工难点多;电气二次系统涉及面广，信号点多，与其他设备接口多，系统接线异常繁杂;必须在确保原有进口SFC设备顺利恢复、保障电站安全运行的同时，完成国产SFC静态和动态调试，并实现两套设备切换。
项目组反复优化安装调试方案，开展事故预想，制定应急预案。前期充分扎实的准备工作，为原进口SFC恢复和国产SFC安装调试顺利进行打下了良好基础。
但调试开始前传来一个坏消息，原进口SFC厂家不会在本次现场调试过程中提供技术支持。闻听此言，大家都憋着股劲儿。
求人不如求己。3月26日一早，国网新源公司技术中心负责现场调试的秦俊精神抖擞地到了现场。这天是原进口SFC恢复正常运行的日子。魏伟问："今天可是关键时刻，你们有没有信心?""每根电缆、每个信号、每个步骤都反复核对了好几次，我们有信心一次恢复成功。"秦俊回答。
随着现场一声启动令，机组顺利转动起来，原进口SFC恢复试验一次成功，现场工作的第一道坎顺利迈过，接下来国产SFC调试才是真正考验。秦俊说："SFC设备调试就跟飞机试飞差不多，一架新飞机能不能飞起来、性能怎么样、怎么优化、怎么安全降落，经过试飞后才知道。"
3月27日国产SFC设备首次带电，3月28日首次拖动成功。经过3天试验与参数优化，4月1日14时许，国产SFC同期试验顺利完成，拖动4台机组抽水并网均一次性成功。在场人员欢呼雀跃。6天，这个数字比当初进口SFC调试时间少了近一个月，且调试过程中未发生一块电路板烧损，未发生一个元器件损坏，未发生一起因试验引起的事故，刷新了国内SFC调试纪录。
4月5日，首套10万千瓦级国产SFC在响水涧电站开始了为期6个月的并网试运行。"10万千瓦级SFC在转子位置识别等关键技术上的突破在实际应用中是否确实可行，还需经过试运行考验。"国网新源公司科技信息部主任吴毅说。
然而，灯火通明的响水涧电站地下厂房里是另一番景象——转动的机组发出轰鸣声。在我国首套10万千瓦级国产SFC的拖动下，响水涧电站3号机组仅用7分钟，就从停机变为抽水运行方式，下水库的水源源不断地被抽至上水库，为白天发电蓄满了能量。随后，这套投运1个多月、已成功启动46次的国产SFC恢复备用状态，在设备室等候下一次抽水的到来。
弥补10万千瓦级抽水蓄能机组设备短板
我国抽水蓄能行业起步较晚，20世纪90年代末大型抽水蓄能电站才陆续投产，而且早期投产电站的主机及辅助设备为成套进口。十几年来，经过几代人艰苦卓绝的努力，我国抽水蓄能电站装机容量实现了几何式增长，抽水蓄能设备研发制造逐步实现国产化，但是抽水蓄能机组SFC设备国产化一直没能实现有效突破。打破国外垄断，研制出我国的SFC，成为国内抽水蓄能行业从业者们的夙愿。
作为抽水蓄能电站的关键控制设备，SFC负责将抽水蓄能机组由静止状态拖拽至抽水工况运行。由SFC拖动的机组启动方式相比背靠背等方式而言，具有快速、简便、高效、可靠的特点。此前国内抽水蓄能机组SFC研发、技术与市场长期被国外少数企业垄断，导致设备成本昂贵、运行维护费用高，核心关键技术受制于人。
为打破国外企业的技术和设备垄断、降低设备成本，早在2008年，国家电网公司便进行抽水蓄能机组SFC国产化研制科技项目立项，国网新源控股有限公司与国网电力科学研究院联合承担并研制了国内首台抽水蓄能机组SFC，并成功在潘家口抽水蓄能电站(拥有3台9万千瓦机组)完成了示范应用，积累了SFC国产化研制的宝贵经验。
近年来，新建抽水蓄能电站机组单机容量多为25万千瓦以上，10万千瓦级抽水蓄能机组SFC一直未能国产化。为弥补10万千瓦级抽水蓄能机组设备技术短板，公司于2013年立项，由国网新源公司与南瑞继保公司联合承担开展10万千瓦级国产抽水蓄能机组SFC研发。新研制的SFC将在总装机容量为100万千瓦(4台25万千瓦机组)的响水涧电站开展示范应用，开始10万千瓦级SFC国产化破冰之旅。中国工程院院士、国网电科院名誉院长、南瑞继保公司董事长沈国荣的一番话掷地有声："国网新源公司和南瑞继保公司有责任、有义务，也有能力研制出高水平的SFC产品，为大容量抽水蓄能机组设备国产化做出贡献。"
同心协力攻克技术难题
承担这一科技项目，南瑞继保公司研究院副院长沈全荣踌躇满志，他说："我们有信心研制出技术先进、高可靠性的产品，因为我们在相关技术领域已有丰富的技术积累、高水平的硬软件平台，更有齐全的专业研发队伍。"
然而自主创新之路并非坦途，首先遇到的难题就是SFC容量计算。设备研发技术负责人刘为群说："SFC容量计算如同设计火车头的动力一样重要。容量算小了，将来机组转速升不上去;容量算大了，浪费投资。国外技术保密，国内没有成熟有经验的算法，这是一块硬骨头。"
石祥建是研究工作牵头人，他带领同事搜索相关材料，翻阅抽水蓄能SFC技术资料，但没找到准确有效的计算方法。"要做国产SFC，我们必须攻克容量计算这道难关，老外能做的我们也一定能做到。"石祥建的一席话让同事们憋足了劲。
他们从电机运动方程研究入手，通过理论方法推导SFC容量计算公式;研究同步电动机模型，改造实时数字仿真系统(RTDS)现有电机模型，用仿真办法计算SFC系统容量。电机原理复杂，电机运动方程研究更是枯燥乏味。近一个月时间，他们完全沉浸其中，加班、熬夜，研究过程和公式推导记了满满一个笔记本。用石祥建的话说，"做梦都在研究计算公式"。功夫不负有心人，经过复杂理论计算和实时系统仿真，两种方法得到的SFC容量相同，容量计算方法得到了验证，项目组摸着石头成功过了河。
大容量抽水蓄能机组SFC功率大，电气一次部分设计难度高，既要满足高电压要求，又要满足输出大电流的要求。项目组成员吴龙说："研制的SFC样机系统在工作时，最大总发热功率达120千瓦，这些发热需要靠散热系统散出去，否则热量足以熔化金属，更别说损坏那些娇贵的可控硅器件了。"
项目组广泛汲取设计经验，重点研究SFC设备的特殊性，最终成功设计出既有利于散热又有利于维护的风冷结构方案。与进口设备相比，该方案具有更好的模块化特点和检修维护的灵活性。
承担控制装置研发任务的闫伟，为解决两台装置之间的信息同步问题，一边编程一边试验;为测试装置的软件功能，在动模试验室加班加点连续做试验超过一个半月，启动动模机组不下500次;为验证转子位置检测功能，最多时一天启动机组超过100次，试验记录本一天要记几十页。
"转子位置检测是在无位置传感器的情况下，通过电气方法精确测量转子位置。对于响水涧电站机组的转子位置检测，好比在直径10米的圆周上找出某个位置，其误差要在7毫米以内，技术要求非常高，但我们的方法更高。"闫伟说。在研发过程中，他们设计了至少3种试验方法，正是有了几百次启动动模机组试验，一种效果最好的解决方案最终确定下来。
同样的技术难题还有很多，但研发项目组同心协力，逐一攻克。历经8个多月奋战，首套10万千瓦级国产抽水蓄能机组SFC顺利通过测试，具备试运行条件。
自主开展设备安装调试
响水涧电站是国内首个机组实现全国产化的大型抽水蓄能电站，原有一套进口SFC。电站于2012年投入商业运行，目前设备还处在磨合期，虽然总体运行情况良好，但在这个时候接到国产SFC示范应用任务，响水涧电站负责人魏伟坦言："这是一个大手术，在正常运行的设备上新增一套并行设备，比在基建阶段安装两套同样设备的复杂程度和施工调试难度高得多。"
"在一个健康的躯干上'动刀子'，绝不是没事找事，这事关抽水蓄能设备国产化的大业，我们责无旁贷。"国网新源公司相关负责人说，"SFC示范应用，对我国抽水蓄能行业有着非同寻常的意义。抽水蓄能机组配套设备能否全部实现国产化，就看这临门一脚。"
不打无把握之仗。响水涧电站组织生产骨干开展多次讨论、审核和勘察，摸清了SFC安装调试的三个难点：新增电缆数量多，电缆桥架改动大，施工难点多;电气二次系统涉及面广，信号点多，与其他设备接口多，系统接线异常繁杂;必须在确保原有进口SFC设备顺利恢复、保障电站安全运行的同时，完成国产SFC静态和动态调试，并实现两套设备切换。
项目组反复优化安装调试方案，开展事故预想，制定应急预案。前期充分扎实的准备工作，为原进口SFC恢复和国产SFC安装调试顺利进行打下了良好基础。
但调试开始前传来一个坏消息，原进口SFC厂家不会在本次现场调试过程中提供技术支持。闻听此言，大家都憋着股劲儿。
求人不如求己。3月26日一早，国网新源公司技术中心负责现场调试的秦俊精神抖擞地到了现场。这天是原进口SFC恢复正常运行的日子。魏伟问："今天可是关键时刻，你们有没有信心?""每根电缆、每个信号、每个步骤都反复核对了好几次，我们有信心一次恢复成功。"秦俊回答。
随着现场一声启动令，机组顺利转动起来，原进口SFC恢复试验一次成功，现场工作的第一道坎顺利迈过，接下来国产SFC调试才是真正考验。秦俊说："SFC设备调试就跟飞机试飞差不多，一架新飞机能不能飞起来、性能怎么样、怎么优化、怎么安全降落，经过试飞后才知道。"
3月27日国产SFC设备首次带电，3月28日首次拖动成功。经过3天试验与参数优化，4月1日14时许，国产SFC同期试验顺利完成，拖动4台机组抽水并网均一次性成功。在场人员欢呼雀跃。6天，这个数字比当初进口SFC调试时间少了近一个月，且调试过程中未发生一块电路板烧损，未发生一个元器件损坏，未发生一起因试验引起的事故，刷新了国内SFC调试纪录。
4月5日，首套10万千瓦级国产SFC在响水涧电站开始了为期6个月的并网试运行。"10万千瓦级SFC在转子位置识别等关键技术上的突破在实际应用中是否确实可行，还需经过试运行考验。"国网新源公司科技信息部主任吴毅说。
