建设动模试验平台需求迫切
构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要举措，但新能源的随机波动性给新型电力系统安全稳定运行带来了严峻挑战。大力发展抽水蓄能是促进新能源大规模发展、保障电力系统安全运行的重要举措。国家能源局《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》（以下简称《规划》）提出，到2030年，抽蓄投产总规模达到1.2亿千瓦左右，是目前我国抽蓄总装机的3.7倍。抽水蓄能市场发展具有清晰且广阔的前景。
目前我国大型抽水蓄能电站主要采用定速抽蓄机组，与定速抽蓄技术相比，变速抽蓄机组在水力性能、功率调节特性与系统经济性等方面具有显著优势，更有利于新能源消纳和维持电网安全稳定运行，是国际上最先进的抽水蓄能技术，也是我国抽水蓄能技术的必然发展方向。然而，大容量变速抽蓄机组技术一直被国外垄断和封锁，技术门槛高、难度大，是我国亟需解决的卡脖子技术之一，也是《规划》中明确的重点攻关任务之一。
新型电力系统由于电源和负荷侧均存在较大的不确定性，对变速抽蓄机组的功率调节性能提出了更高要求。变速抽蓄机组在变速水泵水轮机、交流励磁发电电动机、继电保护装置、大容量变流器及水-机-网协同控制等方面存在一系列关键技术亟待突破。开展自主研发，须通过对相关理论和技术研发成果的准确性及有效性进行充分的工程化应用验证，以降低实际大型变速抽蓄电站工程的技术风险。因此，建设面向新型电力系统的变速抽蓄机组全环节动态模拟试验系统，是变速抽蓄机组关键核心技术研发与工程化验证的必然选择。
此外，由于变速抽蓄机组在我国尚未实现工程化应用，我国更缺乏变速抽蓄机组的调度、运行和维护经验，变速抽蓄机组全环节动态模拟试验系统可以提供一整套实际机组的缩比样机，依托该平台，可开展机组协调运行、预测性维护方案设计、数字孪生模型验证、新型电力系统运维培训等研究与示范应用，为加快自主掌握相关的安全高效运维技术提供重要支撑条件。
变速抽蓄机组全环节动态模拟试验系统作为一套基础性研发试验平台，既能为变速抽蓄机组核心技术研发提供必要的试验条件，又能为变速抽蓄机组的运行维护技术研究提供支撑，还能为新型电力系统相关技术研究提供模拟试验环境，其建设对于实现大容量变速抽蓄机组技术国产化、促进新型电力系统建设具有重要意义。
相关研究成果亟待工程化应用验证
目前我国总体上抽水蓄能占电源总装机比重仅为1.4%，与发达国家相比存在较大差距。要实现到2030年占比达到10%的总体目标，抽水蓄能电站的建设规模还远远不够。
我国已建和在建的大型抽水蓄能电站绝大部分都采用定速机组，仅有少数变速机组投入运行。国内已经投运的变速抽水蓄能机组主要采用中小容量的变极调速同步发电电动机，如安徽响洪甸和天津潘家口电站，其调速范围较窄，主要用于水头变化范围较大时改变抽水功率，在电网中起到的稳定和支持作用非常有限。大容量交流励磁变速抽蓄机组的工程方面，目前只有河北丰宁抽蓄电站二期建设中引进了安德里兹公司的交流励磁变速抽蓄机组，且尚未投入商业运行。
随着新能源发电迅猛发展，具有更强的功率调节能力和更快的响应速度的变速抽蓄受到国内外的高度重视，加快建设交流励磁变速抽蓄电站，已成为业界共识，但大容量变速抽蓄机组技术目前尚未实现国产化和工程应用，南网调峰调频公司和国网新源公司等企业均在积极推进国产化示范工程项目。
交流励磁变速抽蓄机组关键核心技术买不来、要不来，只能依靠自主研发，而国内对交流励磁变速抽蓄机组技术的研究开展相对较晚，相关研究成果亟待工程化应用验证。虽然国内相关单位已经研制了水机或电机等部件级的试验样机，但其试验功能均存在较大的局限性，难以实现电机参数适应性、水力过渡过程、励磁调速协同控制、水-机-网耦合控制、短路故障响应等特别是在新型电力系统环境下的动态过程试验研究及极端工况特性试验，因此迫切需要建设面向新型电力系统的具有动、稳态性能综合试验能力的变速抽蓄机组全环节动态模拟试验系统。
将推动抽水蓄能行业高质量发展
打造水-机-网全环节变速抽蓄机组动态模拟试验平台，争做行业领先。本平台除应具备管路、变速水泵水轮机及其调速器、交流励磁发电电动机及其变频励磁器、继电保护系统等实际机组的全套设备外，还应包括模拟新能源为主体新型电力系统的一系列电源或负荷，具有开展机组研制、控制、并网运行和维护等不同阶段研究所需的动态模拟试验能力。
面向我国未来新型电力系统技术需求，解决痛点问题。我国的能源结构对抽蓄的灵活性要求更高，结合模块化、可扩展的新型电力系统模型，可针对新型电力系统各种运行工况和用户场景开展试验。然而，国内外现有动模机组主要基于现有的电网结构，无法实现变速机组在高比例新能源电力系统中的动态运行特性试验研究。
兼顾机组多工况稳、动态性能模拟，实现系统级分析。变速抽蓄机组动态模拟试验平台可开展稳态和动态模拟试验。本机组模型采用与大容量变速抽蓄机组真机内部结构和特性一致的动模机组模型，能真实反映机组的运行特性。而国内现有变速抽蓄机组小型缩比模型机组只能开展水机或电机在稳态工况下运行的试验，无法模拟设备或系统发生短路故障、功率震荡等极端工况。
瞄准国家级技术创新中心定位，国内外开放共享。通过构建变速抽蓄机组全环节动态模拟试验平台，打造一个多维度技术研究、产品研发和工程应用的技术研究平台，培育一批变速抽蓄技术领域的创新成果，促进技术成果转化水平不断提升。
如前所述，建设变速抽蓄机组动模试验平台将促进变速抽蓄机组设计、控制、运维相关领域的技术攻关，加速变速抽蓄机组关键设备国产化制造进程，助力变速抽蓄国家级示范工程建设运行，最终推动国内抽水蓄能行业在新型电力系统背景下高质量发展。
作者简介：
马一鸣，南方电网储能股份有限公司储能科研院，三级拔尖级技术专家，从事大容量可变速抽水蓄能机组主机设计与运行特性分析的研究工作。
