勒謝拉水電站的升級改造

[法國]　 N. 列斐伏爾

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勒謝拉水電站的升級改造

[法國] N. 列斐伏爾

摘要：為減少碳排放，整合可再生能源，歐盟實施了一個eStorage項目，旨在致力于將現有的抽水蓄能電站中固定轉速機組改造為可變速的機組。以勒謝拉(Le Cheylas)工程為實例，研究在具體工程中需要解決的實際問題，并論證其經濟與技術的可行性。對研究背景和目的、研究過程中遇到的一些技術挑戰及其解決方法和措施等情況作了介紹。

關鍵詞：抽水蓄能電站；機組改造；轉速；實例分析；勒謝拉水電站；法國

1概述

整合大量的可再生能源，同時減少碳足跡，即碳排放，將需要開發大量的運行靈活且無碳發電和儲蓄的設施。在過去的40 a中，全世界范圍內已建成了大量的擁有大裝機容量(一般為1 000 MW以上和10 GW·h的儲蓄容量)的抽水蓄能電站。

幾乎所有的抽水蓄能電站裝配的都是固定轉速的機組。對該類型機組的要求是：在抽水模式下，每臺機組均為一個固定的功率；此時，水泵是停運或是滿負荷運轉。當水輪機作泵運行時，它要求其他類型的發電站必須能靈活地保持在線。像奧地利這樣的國家，其水力發電占能源結構比例的很大一部分，在保持機組發電模式中，部分抽水蓄能電站機組通常是提供頻率調節，而其他機組則處于抽水運行模式。

這種運行模式對循環效率有一個比較大的負面影響，即它是逐步導致使用部分間歇發電以使上游水庫中的水變熱。固定的運行速度也限制了水力機組的能力，只有在水輪機模式運行下，才能保持大水頭和流量變化范圍內的高效率。

最近，歐洲為抽水蓄能電站研制出了變頻調速技術，該技術帶來了額外的靈活性，以提供必要的系統服務，使其成為這些水電站中的最佳解決方案。相對于普通的水電站，可變速機組的一個關鍵好處是無論是在抽水運行模式還是在發電模式下，都能對功率進行調節，而普通的機組只能在發電模式下進行調節。雖然在歐洲一些新的可變速的抽水蓄能電站最近得到許可建設或是已在建設中(比如，林塔爾(Linthal)2015，裝機容量為1 000 MW；楠德蘭獅(Nant de Drance)，裝機容量為942 MW；新文達(Venda Nova)，裝機容量為800 MW)，但是歐洲目前還沒有關于將普通電站改造成可變速電站的實際經驗。

這種轉換比建設新電站要復雜得多，因為它需要與現有的水泵水輪機的相關參數相適應。

2eStorage項目

為了應對這一挑戰，在主要利益相關者(伊利亞-曹(Elia -TSO)、EDF電力公司、帝國理工學院(Imperial College)-學術機構、DNV GL工程咨詢和阿爾斯通(Alstom)-設備制造商)之間形成了一個財團，在歐盟地區發揮整個能源價值鏈的作用。該財團開發了一個命名為eStorage的項目，且已由歐盟委員會通過FP7授予許可。

eStorage項目的開展，旨在研制具有成本效益的解決方案，跨歐盟廣泛部署靈活且可靠的、規模達10億kW·h的可變速抽水蓄能電站；同時提高網格化管理系統，以改善能源管理和大規模地推進可再生能源發電成本效益的整合，從而促進2020年目標的完成以及達成2050年歐洲能源政策愿景。

根據上述未來的歐洲系統提出的挑戰，基于可再生能源的一大貢獻， 針對eStorage項目，已制定出以下具體的目標。

(1) 對現有的勒謝拉抽水蓄能電站改造升級為可變速式的可行性開展論證，內容包括：在抽水運行模式下的技術和經濟可行性，具有的新的調節能力，以及提高其整體效率和水輪機模式下的運行效率，比如抽水模式。

(2) 尋找更接近實時的市場系統，增強和驗證IT系統的功能，以論證新的能量儲蓄平衡能力。

(3) 在替代性的未來發展情景下，對歐盟進行大規模試運行的可變速抽水蓄能電站機組的優勢進行量化。

(4) 提出對市場和監管框架的修改，為能源儲存建立一個可行的商業模式，并使靈活的儲能技術在歐盟得到大力發展。

(5) 允許將歐洲75%的抽水蓄能電站機組(30 GW)升級為變速式電站，以便在抽水模式的靈活平衡中獲得額外的電力，著力開發和研究技術解決方案。

本文的研究內容主要集中在eStorage項目的第一目標，即將勒謝拉抽水蓄能電站機組升級改造為可變速式。

3勒謝拉抽水蓄能電站

勒謝拉抽水蓄能電站位于法國阿爾卑斯(Alps)地區，自1979年投產運行以來，一直由EDF運營。該電站的投運具有以下2個目的。

(1) 發電。利用阿爾克(Arc)河從Longefan經過長20 km的隧道流入弗呂梅(Le Flumet)水庫的水來發電，年均發電量為550 GW·h。

(2) 儲能。在1 d中，通常是在晚上，將勒謝德水庫的水抽送至弗呂梅水庫。

該電站只有一個廠房，里面配備有2臺功率均為270 MVA的可逆式機組，且均為豎軸式。常見結構的輸水系統將廠房和水庫連接起來。該工程擬通過eStorage項目將2號機組轉換為變速式。未來的運行仍將為2種運行模式，但更具頻率響應功能且效率也會有所提高。

在2010年，為了實施維修，1號機組被拆除。對拆除后的1號機組的所有主要部件組件(球形閥、水泵-水輪機和發電機馬達)均進行了檢查維護。檢查結果表明，設備狀況良好，只需進行簡單的修護處理。已經把原來設備的服務功能還原，在本次維修以后，1號機組仍將繼續在一個固定的旋轉速度范圍內運行。

在2010年，對2號機組進行了同樣的檢查，檢查結果表明，其性能狀況良好。該機組可以選擇進行類似的維護操作，并能長時間地繼續運行，其性能和運行水平與1號機組的相同，或是有可能被轉換為變速式。經過研究，最終的選擇是將其轉換為變速式。

4技術問題

4.1水力設計

為了充分利用抽水模式下的功率調節，水力設計必須允許增加水流量的變化。最初的設計是無法預見在這樣條件下的操作，所以必須重新進行水力設計。

關鍵的設計目標是允許全揚程范圍內抽水模式下的功率變化為80 MW(即恒功率變化接近機組額定功率的30%，其較大的擴展速度變化范圍為±7%)。泵和轉輪的設計代表了在變頻調速技術和升級改造之間所面臨的兩難選擇的挑戰。

該泵的設計是變速升級的關鍵部分。相比“傳統”的水泵水輪機升級改造，2個新的水力結構的設計將面臨設計條件的挑戰。泵站低功率的下限是根據一個不可能去操作而且也不穩定的區域設定的(稱為隆起區)，而高功率上限則是根據汽蝕現象來確定的。

由于需要對整個發電機部分進行改造，且可以自由選擇旋轉速度，因此，從水力學的角度來看，選擇新的參考速度正好可以在汽蝕和峰值標準之間起到平衡的作用。為了優化設計，需將現有的參考速度作為最佳的解決方案，以最大限度地提高作泵運行的功率變化幅度。

出于成本以及其他一些原因的考慮，決定僅對非嵌入式的部分實施改造，即只對轉輪和導葉進行升級改造。這些組件具有較高的水流速度，并且它們會帶來最佳效率/成本權衡，因此，選擇保留現有的通風管道、座環和蝸殼。

一個額外的約束條件是水輪機必須仍然與現有的瞬變性能相匹配，特別是考慮到不會對另一臺機組實施升級改造，這就導致了更大的挑戰。雖然有這些約束，但是在水輪機模式下，效率的提高仍將高達幾百分之幾，這是根據進行模型試驗的結果而預測出來的。

4.2電氣設計

在現有的機坑內，在對一種新的雙饋異步電動機(DFIM)進行安裝時，需要對其安裝時的空間局限性給予特別的注意，比如結構設計、輔助接口等。新型變頻器的集成會直接影響到對空間的要求、冷卻系統和電力的供應。因此，這也是工程項目前期要進行核實的關鍵因素之一。

關于DFIM的技術，已在相當多的文獻中均有討論。采用IGBT或IGCT電壓源逆變器時，首選的是交流變頻器，因為它能對電網作出快速響應。此外，由于逆變器不需要無功功率的電力電子裝置的交換，因此電機的體積會更小。特別是在對一座電站進行升級改造，并將新的組件安裝到現有的土建工程中時，這一點非常關鍵。此外，沒有次諧波的注入，就不會產生次同步共振。DFIM技術在阿爾斯通公司所屬的所有變速抽水蓄能工程中都得到了采用。采用DFIM設計是因為它對于所給定的約束能做出最好的權衡。

保留現有的定子被認為是減少無功電源供應。該頻率轉換器可提供部分無功功率。然而，在這樣的情況下，定子繞組需要與轉子繞組相兼容。在發電模式中，要求將一個功率因素從0.91減少到0.85，這樣就勢必需要對現有的定子進行更換。

DFIM設計的另一個限制是在發電機機坑內必須采用適合的定子和轉子。SM 坑的尺寸是限制DFTM最大輸出的一個因素。

DFIM繞線轉子的重量比凸極式同步發電機還要重23%，而且比其體積更大，這些都會影響到轉軸的性能。由于是圓柱形轉子且體積更大，重量也更大，因此，其利用率要低于同步發電機。

除了發電機，整個機組的電氣設備都必須重新設計：設備的某些部分可以重復使用，而其他的則需要更換，且新的設備必須要適應廠房的條件。例如，同步轉子勵磁裝置必須予以拆除，而定子中的MV齒輪可以保留使用。

安裝在廠房里的大多數新設備都是為了能給DFTM轉子提供支持和服務。這些設備包括：

(1) 加在機組電力變壓器的MV側的加強型電源；

(2) 短路限流電抗器；

(3) MV斷路器；

(4) 特殊的VSI型變壓器；

(5) 諧波濾波器；

(6) 電壓源逆變器(VSI)；

(7) 從VSI到轉子環網柜的分相母線槽；

(8) 保護柜內通過電流與電壓的轉子；

(9) 用于轉子電流和電壓測量頻率較低時，非常規電流互感器和電壓互感器。

需要注意的是，對轉子勵磁所需設備最大的配置(VSI變壓器和VSI)大約為150 m2，可能很難在一些地下水電站廠房中找到這樣大的空間面積。因此，大型設備，比如抽頭變壓器或逆變器模塊，將被安放在電站的外面。

在定子側，需要放置更多的傳統設備裝置，主要包括：

(1) 分相母線槽(在現有的同步機組中可重復使用的部分)；

(2) 用于DFTM電機模式起動或制動的短路斷路器，并再生成制動順序；

(3) 發電機斷路器(GCB)，根據其使用狀況和評估等級，也許可以考慮更換新的GCB；

(4) 相位反轉斷路器，是否需要繼續使用或更換，取決于它的狀態、老化程度和評估等級。

最后，同樣重要的是，機組功率變壓器應予以更換以適應更高的MVA評級。這種置換提供了一個提高定子電壓和電機優化設計的條件。

同步機組的一些重要特性，比如黑啟動操作、分離網絡反饋或線路充電能力，也必須由變轉速機組來承擔。獲取黑啟動操作并沒有為轉子勵磁提供能量，由于低功率饋線，使VSI通電足以在定子一側產生電壓并形成定子電壓。

獨立的網絡或線路輸電容量，是同步機組所面臨的又一個挑戰。

4.3機械設計

水力學研究結果表明，對額定速度進行修改不會有任何好處，同時考慮到機組最大額定功率的功率并沒有得到實質性的修改，因此，機組軸線和軸承只是受到水輪機升級改造的影響。例如，計算的最大過流速度和新轉輪的水力負荷與現有的泵轉輪相比，并沒有反應出任何顯著的變化。

與之相反的是，發動機的升級換代對機床主軸線和軸承的幾個關鍵參數有著很大的影響，比如：增加的徑向軸承跨度關系到轉子體積的增加，從而就會導致轉子的重量大幅度的增加。軸線最重要的特征是自然彎曲頻率，只有重新布置機組位置才能克服這些困難。例如，發電機或者電動機的徑向軸承受到離轉子最近位置向上的推力軸承的推力。

推力軸承部分需要進行重新設計，主要基于期望其具有更大的承載能力以支持主要來自DFIM轉子機組的軸向載荷。有限元計算結果表明，最好的做法是將推力軸承放置在水輪機的頂蓋上。在這種情況下，在水泵-水輪機頂蓋上，推力軸承支承錐的植入不會太困難，因為頂蓋和配電盤都將被更換成新的。實際上，這2個水輪機部件被更換對其實施更新改造會更有利，主要有以下幾個原因。

(1) 減少停機的時間。

(2) 修改頂蓋層的布置形式，這樣就可以避免更高的頻率激勵范圍，即從開始到變速之間。

新的超重轉子要求對廠房的起重設備進行更新改造。

5經濟分析

關于對設備進行更新改造的經濟效益，應當從2個不同的方面展開分析。

(1) 直接關系到能源發電。由于水輪機效率的提高，每年的能源生產以及循環條件將增多。這兩者將導致產生能源市場的附加值。

(2) 另一個因素是額外的靈活性，在抽水模式下導致不同的負載，允許在非高峰期期間提供一些配套服務。雖然目前市場規則不承認這些新服務的正確估值，但是在未來，預計將會在歐洲的間歇性可再生能源發展中增值。

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5.1增強發電和循環機會

阿爾斯通公司已經對安裝在發電機側的水輪機進行了模型試驗和仿真，以評估新設備的可預見效率。相比于原機組，在自由回轉模式中，全局效率增加了5.2%，在泵送模式中，增加了0.8%。

就發電量而言，更高的效率會產生2種效應。

(1) 因為每立方米的流量將會產生比以前多5.2%的電量，所以通過流量來提高發電量。考慮到勒謝拉抽水蓄能電站安裝有2臺機組，而設計流量比截流重要得多，相比1號機組而言，2號機組將優先投入運行。

(2) 因為增加了循環機會，發電量得以增加。考慮到2號機組的新性能，新的存儲效率估計為82%，而目前運行的機組為72%。因此，市場價格的上漲使泵模式下的利潤降低，這將導致更多的循環機會。

確定提高2號機組的生產效率所帶來的影響，在對勒謝拉抽水蓄能電站的運行建模(在歷史流動過程的基礎上)時，已經考慮到了現在和將來的布置情況。正如所預期的，在現在的情況下，雖然2臺機組(表現相同的特征)運行條件相似，但大約80%的水可以通過改造后的2號機組流入水輪機。在新的配置中，1號機組是專門用于高峰期運行。這樣就導致每年會產生45 GW·h的額外的電量，相應地也增加了8%的其他發電。

考慮到循環方面，每年抽水的持續時間不是一個物理值(比如根據可用的流量來發電)，但是是一個優化的結果：循環機率數量的變化當然是根據高峰期和非高峰期之間的市場價值及其全年的分布所得出的。因此，必須在不同的市場條件下實現優化，并證明在5%~10%之間增加的周期循環。

轉換的第2個重要方面反映在泵運行模式下，將變速技術提供到不同的功率機組的可能性，這對固定轉速技術來說是不可能實現的。這個新功能要求輔助服務(一級、二級和三級頻率儲備)是在泵運行模式下提供的，與之相適應的是低需求或高間歇性時期的可再生能源發電。

5.3歐洲電力系統增加的變異性

歐共體及其成員國推進的能源政策為歐洲電力系統構思了一個新的背景，其中，新的可再生能源的特征是具有巨大的發展。由于它們所依靠的資源在晝夜間和隨季節波動，風力和光伏發電是間歇性的。至于其在能源結構中的比重卻仍不顯著，這種間歇性可以被系統吸收而沒有任何問題：變異性和不確定性是所有電力系統常見的問題。

然而，它們在電力結構中的比重得到了增加，相比直到現在已知的，因為變異范圍超出所在范圍，就變異性而言，間歇性解決了新的問題。例如，基于歐共體藍圖中對2050年的規劃，EDF R&D已經模擬預測出了在2030年的日均生產量。在冬季期間，在歐洲范圍內，平均可用電量為190 GW，但是考慮到不同氣候的變化因素，大約在60~275 GW之間。

關于間歇性的第2個問題是這些產品的可預測性。盡管在過去幾年中取得了重要進展，但氣象科學提供風力和光伏發電輸出的預測不可能完全準確，也非常不規范。考慮到在歐盟27個裝機容量為650 GW規模的間歇性電量(到2050年，與歐盟未來的藍圖一致)，在預測和發電之間，僅有1%的變化就會導致超過6.5 GW電量的丟失，而且這些丟失的電量必須由電力系統補償。

如今，間歇性發電的波動主要由現有的比較傳統的發電廠(化石燃料)進行補給，這是在調節模式(部分負荷)下操作的。因此，不斷上升的間歇性反饋也會導致更高的平衡需求，對于傳統的發電廠(即比較高的部分負荷時間)而言，降低了它們的效率。

此外，在低需求或高RES-E發電期間，傳統發電廠不能總是停下來，考慮到靈活性與常規發電廠最小的技術輸出的需求，減少風力或光伏發電，使能源市場價格削減。因此，在這些時期特別需要額外的靈活性，以使PSP與作泵運行的一段時間相適應。

5.4額外的靈活性

以目前的配置，勒謝拉抽水蓄能電站已經能夠在水輪機模式下靈活地運行，2號機組的升級改造也不會改變這一靈活特性。在泵運行模式下，升級改造將使它能夠將頻率控制在±40 MW，且在需要靈活性期間會更加準確。為了對這些新的服務的經濟價值進行評估，考慮到可能性(或者不可能性)，勒謝拉抽水蓄能電站的運行已模型化以對蓄水量進行調控。在法國，輔助服務目前的報酬是通過發電機和TSO(RTE)之間的雙邊合同來確定的，一個值并不代表實際成本。

因此，評估是根據運行狀況和歷年的運行條件進行的。為了不同的狀況，已決定持續模擬3 a(即2010~2012年)。然后，對每天運行的數學優化框架配置檢索新的水輪機變速值。工具采用的是最高點，內部的EDF操作工具能為法國所有的EDF機組的日常發電進行優化調度。在這項研究中，已對所有的勒謝拉抽水蓄能電站機組建模。

關于頻率控制的主要結果如下。

(1) 勒謝拉抽水蓄能電站的蓄水比頻率控制更多。其原發性和繼發性儲備值總和增加了57%。

(2) 從邏輯上講，這一增長來自于2號機組的抽水時長。

(3) 也來自新一代發電時期。以泵模式運行輸送的能量越多，產生的電量也就越多。在產生這種附加能量時，即對頻率進行了控制。

(4) 2號機組幾乎總是提供頻率控制，而不是作泵運行，但對于用于作泵運行時，2號機組則是遠遠超過1號機組。

目前的價格是使用法國的RTE，以補償電力生產者配送頻率控制的電量：大約為17 C=/MW·h。合同定義的價格為3 a。RTE通過與電力生產者之間必須保留每30 min一個問卷的強制性雙邊合同來安排二次頻率控制。

6結語

在現階段，已經發現了一些技術方面存在的問題，并提出了評估及其相應的解決方案，以論證設想其升級改造的可行性；接下來將是建設階段。相應地，機組不僅將從改進的水力設計中受益，以實現更大的動態和充滿活力的性能，而且也將對機組進行全部的更新改造以延長其運行壽命。這種類型的升級改造是非常符合成本效益的，相比新建設的計劃，會便宜10倍左右，還可以在一個更短的時間內完成(比建設一個新的工程快3倍左右的速度)。

此外，通過在抽水模式下發展存儲容量和靈活性，這種轉換可以作為解決方案的一部分，也是作為對歐洲電力結構中的間歇性發電重要份額的整合。

雖然目前的市場設計不允許在它的真實的水平上給這些服務定價，但是，現在已經開始達成一個共識，就是必須要有有效的存儲能力。這些關鍵的優勢應該在未來能夠找到為更多的水泵水輪機實施轉換的方法。

(黃麗瑾譚麗華編譯)

文獻標志碼：中圖法分類號：TV743A

文章編號：1006-0081(2015)11-0012-05

收稿日期：2015-09-11