勒谢拉水电站的升级改造

[法国]　 N. 列斐伏尔



勒谢拉水电站的升级改造

[法国] N. 列斐伏尔

摘要：为减少碳排放，整合可再生能源，欧盟实施了一个eStorage项目，旨在致力于将现有的抽水蓄能电站中固定转速机组改造为可变速的机组。以勒谢拉(Le Cheylas)工程为实例，研究在具体工程中需要解决的实际问题，并论证其经济与技术的可行性。对研究背景和目的、研究过程中遇到的一些技术挑战及其解决方法和措施等情况作了介绍。

关键词：抽水蓄能电站；机组改造；转速；实例分析；勒谢拉水电站；法国

1概述

整合大量的可再生能源，同时减少碳足迹，即碳排放，将需要开发大量的运行灵活且无碳发电和储蓄的设施。在过去的40 a中，全世界范围内已建成了大量的拥有大装机容量(一般为1 000 MW以上和10 GW·h的储蓄容量)的抽水蓄能电站。

几乎所有的抽水蓄能电站装配的都是固定转速的机组。对该类型机组的要求是：在抽水模式下，每台机组均为一个固定的功率；此时，水泵是停运或是满负荷运转。当水轮机作泵运行时，它要求其他类型的发电站必须能灵活地保持在线。像奥地利这样的国家，其水力发电占能源结构比例的很大一部分，在保持机组发电模式中，部分抽水蓄能电站机组通常是提供频率调节，而其他机组则处于抽水运行模式。

这种运行模式对循环效率有一个比较大的负面影响，即它是逐步导致使用部分间歇发电以使上游水库中的水变热。固定的运行速度也限制了水力机组的能力，只有在水轮机模式运行下，才能保持大水头和流量变化范围内的高效率。

最近，欧洲为抽水蓄能电站研制出了变频调速技术，该技术带来了额外的灵活性，以提供必要的系统服务，使其成为这些水电站中的最佳解决方案。相对于普通的水电站，可变速机组的一个关键好处是无论是在抽水运行模式还是在发电模式下，都能对功率进行调节，而普通的机组只能在发电模式下进行调节。虽然在欧洲一些新的可变速的抽水蓄能电站最近得到许可建设或是已在建设中(比如，林塔尔(Linthal)2015，装机容量为1 000 MW；楠德兰狮(Nant de Drance)，装机容量为942 MW；新文达(Venda Nova)，装机容量为800 MW)，但是欧洲目前还没有关于将普通电站改造成可变速电站的实际经验。

这种转换比建设新电站要复杂得多，因为它需要与现有的水泵水轮机的相关参数相适应。

2eStorage项目

为了应对这一挑战，在主要利益相关者(伊利亚-曹(Elia -TSO)、EDF电力公司、帝国理工学院(Imperial College)-学术机构、DNV GL工程咨询和阿尔斯通(Alstom)-设备制造商)之间形成了一个财团，在欧盟地区发挥整个能源价值链的作用。该财团开发了一个命名为eStorage的项目，且已由欧盟委员会通过FP7授予许可。

eStorage项目的开展，旨在研制具有成本效益的解决方案，跨欧盟广泛部署灵活且可靠的、规模达10亿kW·h的可变速抽水蓄能电站；同时提高网格化管理系统，以改善能源管理和大规模地推进可再生能源发电成本效益的整合，从而促进2020年目标的完成以及达成2050年欧洲能源政策愿景。

根据上述未来的欧洲系统提出的挑战，基于可再生能源的一大贡献， 针对eStorage项目，已制定出以下具体的目标。

(1) 对现有的勒谢拉抽水蓄能电站改造升级为可变速式的可行性开展论证，内容包括：在抽水运行模式下的技术和经济可行性，具有的新的调节能力，以及提高其整体效率和水轮机模式下的运行效率，比如抽水模式。

(2) 寻找更接近实时的市场系统，增强和验证IT系统的功能，以论证新的能量储蓄平衡能力。

(3) 在替代性的未来发展情景下，对欧盟进行大规模试运行的可变速抽水蓄能电站机组的优势进行量化。

(4) 提出对市场和监管框架的修改，为能源储存建立一个可行的商业模式，并使灵活的储能技术在欧盟得到大力发展。

(5) 允许将欧洲75%的抽水蓄能电站机组(30 GW)升级为变速式电站，以便在抽水模式的灵活平衡中获得额外的电力，着力开发和研究技术解决方案。

本文的研究内容主要集中在eStorage项目的第一目标，即将勒谢拉抽水蓄能电站机组升级改造为可变速式。

3勒谢拉抽水蓄能电站

勒谢拉抽水蓄能电站位于法国阿尔卑斯(Alps)地区，自1979年投产运行以来，一直由EDF运营。该电站的投运具有以下2个目的。

(1) 发电。利用阿尔克(Arc)河从Longefan经过长20 km的隧道流入弗吕梅(Le Flumet)水库的水来发电，年均发电量为550 GW·h。

(2) 储能。在1 d中，通常是在晚上，将勒谢德水库的水抽送至弗吕梅水库。

该电站只有一个厂房，里面配备有2台功率均为270 MVA的可逆式机组，且均为竖轴式。常见结构的输水系统将厂房和水库连接起来。该工程拟通过eStorage项目将2号机组转换为变速式。未来的运行仍将为2种运行模式，但更具频率响应功能且效率也会有所提高。

在2010年，为了实施维修，1号机组被拆除。对拆除后的1号机组的所有主要部件组件(球形阀、水泵-水轮机和发电机马达)均进行了检查维护。检查结果表明，设备状况良好，只需进行简单的修护处理。已经把原来设备的服务功能还原，在本次维修以后，1号机组仍将继续在一个固定的旋转速度范围内运行。

在2010年，对2号机组进行了同样的检查，检查结果表明，其性能状况良好。该机组可以选择进行类似的维护操作，并能长时间地继续运行，其性能和运行水平与1号机组的相同，或是有可能被转换为变速式。经过研究，最终的选择是将其转换为变速式。

4技术问题

4.1水力设计

为了充分利用抽水模式下的功率调节，水力设计必须允许增加水流量的变化。最初的设计是无法预见在这样条件下的操作，所以必须重新进行水力设计。

关键的设计目标是允许全扬程范围内抽水模式下的功率变化为80 MW(即恒功率变化接近机组额定功率的30%，其较大的扩展速度变化范围为±7%)。泵和转轮的设计代表了在变频调速技术和升级改造之间所面临的两难选择的挑战。

该泵的设计是变速升级的关键部分。相比“传统”的水泵水轮机升级改造，2个新的水力结构的设计将面临设计条件的挑战。泵站低功率的下限是根据一个不可能去操作而且也不稳定的区域设定的(称为隆起区)，而高功率上限则是根据汽蚀现象来确定的。

由于需要对整个发电机部分进行改造，且可以自由选择旋转速度，因此，从水力学的角度来看，选择新的参考速度正好可以在汽蚀和峰值标准之间起到平衡的作用。为了优化设计，需将现有的参考速度作为最佳的解决方案，以最大限度地提高作泵运行的功率变化幅度。

出于成本以及其他一些原因的考虑，决定仅对非嵌入式的部分实施改造，即只对转轮和导叶进行升级改造。这些组件具有较高的水流速度，并且它们会带来最佳效率/成本权衡，因此，选择保留现有的通风管道、座环和蜗壳。

一个额外的约束条件是水轮机必须仍然与现有的瞬变性能相匹配，特别是考虑到不会对另一台机组实施升级改造，这就导致了更大的挑战。虽然有这些约束，但是在水轮机模式下，效率的提高仍将高达几百分之几，这是根据进行模型试验的结果而预测出来的。

4.2电气设计

在现有的机坑内，在对一种新的双馈异步电动机(DFIM)进行安装时，需要对其安装时的空间局限性给予特别的注意，比如结构设计、辅助接口等。新型变频器的集成会直接影响到对空间的要求、冷却系统和电力的供应。因此，这也是工程项目前期要进行核实的关键因素之一。

关于DFIM的技术，已在相当多的文献中均有讨论。采用IGBT或IGCT电压源逆变器时，首选的是交流变频器，因为它能对电网作出快速响应。此外，由于逆变器不需要无功功率的电力电子装置的交换，因此电机的体积会更小。特别是在对一座电站进行升级改造，并将新的组件安装到现有的土建工程中时，这一点非常关键。此外，没有次谐波的注入，就不会产生次同步共振。DFIM技术在阿尔斯通公司所属的所有变速抽水蓄能工程中都得到了采用。采用DFIM设计是因为它对于所给定的约束能做出最好的权衡。

保留现有的定子被认为是减少无功电源供应。该频率转换器可提供部分无功功率。然而，在这样的情况下，定子绕组需要与转子绕组相兼容。在发电模式中，要求将一个功率因素从0.91减少到0.85，这样就势必需要对现有的定子进行更换。

DFIM设计的另一个限制是在发电机机坑内必须采用适合的定子和转子。SM 坑的尺寸是限制DFTM最大输出的一个因素。

DFIM绕线转子的重量比凸极式同步发电机还要重23%，而且比其体积更大，这些都会影响到转轴的性能。由于是圆柱形转子且体积更大，重量也更大，因此，其利用率要低于同步发电机。

除了发电机，整个机组的电气设备都必须重新设计：设备的某些部分可以重复使用，而其他的则需要更换，且新的设备必须要适应厂房的条件。例如，同步转子励磁装置必须予以拆除，而定子中的MV齿轮可以保留使用。

安装在厂房里的大多数新设备都是为了能给DFTM转子提供支持和服务。这些设备包括：

(1) 加在机组电力变压器的MV侧的加强型电源；

(2) 短路限流电抗器；

(3) MV断路器；

(4) 特殊的VSI型变压器；

(5) 谐波滤波器；

(6) 电压源逆变器(VSI)；

(7) 从VSI到转子环网柜的分相母线槽；

(8) 保护柜内通过电流与电压的转子；

(9) 用于转子电流和电压测量频率较低时，非常规电流互感器和电压互感器。

需要注意的是，对转子励磁所需设备最大的配置(VSI变压器和VSI)大约为150 m2，可能很难在一些地下水电站厂房中找到这样大的空间面积。因此，大型设备，比如抽头变压器或逆变器模块，将被安放在电站的外面。

在定子侧，需要放置更多的传统设备装置，主要包括：

(1) 分相母线槽(在现有的同步机组中可重复使用的部分)；

(2) 用于DFTM电机模式起动或制动的短路断路器，并再生成制动顺序；

(3) 发电机断路器(GCB)，根据其使用状况和评估等级，也许可以考虑更换新的GCB；

(4) 相位反转断路器，是否需要继续使用或更换，取决于它的状态、老化程度和评估等级。

最后，同样重要的是，机组功率变压器应予以更换以适应更高的MVA评级。这种置换提供了一个提高定子电压和电机优化设计的条件。

同步机组的一些重要特性，比如黑启动操作、分离网络反馈或线路充电能力，也必须由变转速机组来承担。获取黑启动操作并没有为转子励磁提供能量，由于低功率馈线，使VSI通电足以在定子一侧产生电压并形成定子电压。

独立的网络或线路输电容量，是同步机组所面临的又一个挑战。

4.3机械设计

水力学研究结果表明，对额定速度进行修改不会有任何好处，同时考虑到机组最大额定功率的功率并没有得到实质性的修改，因此，机组轴线和轴承只是受到水轮机升级改造的影响。例如，计算的最大过流速度和新转轮的水力负荷与现有的泵转轮相比，并没有反应出任何显着的变化。

与之相反的是，发动机的升级换代对机床主轴线和轴承的几个关键参数有着很大的影响，比如：增加的径向轴承跨度关系到转子体积的增加，从而就会导致转子的重量大幅度的增加。轴线最重要的特征是自然弯曲频率，只有重新布置机组位置才能克服这些困难。例如，发电机或者电动机的径向轴承受到离转子最近位置向上的推力轴承的推力。

推力轴承部分需要进行重新设计，主要基于期望其具有更大的承载能力以支持主要来自DFIM转子机组的轴向载荷。有限元计算结果表明，最好的做法是将推力轴承放置在水轮机的顶盖上。在这种情况下，在水泵-水轮机顶盖上，推力轴承支承锥的植入不会太困难，因为顶盖和配电盘都将被更换成新的。实际上，这2个水轮机部件被更换对其实施更新改造会更有利，主要有以下几个原因。

(1) 减少停机的时间。

(2) 修改顶盖层的布置形式，这样就可以避免更高的频率激励范围，即从开始到变速之间。

新的超重转子要求对厂房的起重设备进行更新改造。

5经济分析

关于对设备进行更新改造的经济效益，应当从2个不同的方面展开分析。

(1) 直接关系到能源发电。由于水轮机效率的提高，每年的能源生产以及循环条件将增多。这两者将导致产生能源市场的附加值。

(2) 另一个因素是额外的灵活性，在抽水模式下导致不同的负载，允许在非高峰期期间提供一些配套服务。虽然目前市场规则不承认这些新服务的正确估值，但是在未来，预计将会在欧洲的间歇性可再生能源发展中增值。

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5.1增强发电和循环机会

阿尔斯通公司已经对安装在发电机侧的水轮机进行了模型试验和仿真，以评估新设备的可预见效率。相比于原机组，在自由回转模式中，全局效率增加了5.2%，在泵送模式中，增加了0.8%。

就发电量而言，更高的效率会产生2种效应。

(1) 因为每立方米的流量将会产生比以前多5.2%的电量，所以通过流量来提高发电量。考虑到勒谢拉抽水蓄能电站安装有2台机组，而设计流量比截流重要得多，相比1号机组而言，2号机组将优先投入运行。

(2) 因为增加了循环机会，发电量得以增加。考虑到2号机组的新性能，新的存储效率估计为82%，而目前运行的机组为72%。因此，市场价格的上涨使泵模式下的利润降低，这将导致更多的循环机会。

确定提高2号机组的生产效率所带来的影响，在对勒谢拉抽水蓄能电站的运行建模(在历史流动过程的基础上)时，已经考虑到了现在和将来的布置情况。正如所预期的，在现在的情况下，虽然2台机组(表现相同的特征)运行条件相似，但大约80%的水可以通过改造后的2号机组流入水轮机。在新的配置中，1号机组是专门用于高峰期运行。这样就导致每年会产生45 GW·h的额外的电量，相应地也增加了8%的其他发电。

考虑到循环方面，每年抽水的持续时间不是一个物理值(比如根据可用的流量来发电)，但是是一个优化的结果：循环机率数量的变化当然是根据高峰期和非高峰期之间的市场价值及其全年的分布所得出的。因此，必须在不同的市场条件下实现优化，并证明在5%~10%之间增加的周期循环。

转换的第2个重要方面反映在泵运行模式下，将变速技术提供到不同的功率机组的可能性，这对固定转速技术来说是不可能实现的。这个新功能要求辅助服务(一级、二级和三级频率储备)是在泵运行模式下提供的，与之相适应的是低需求或高间歇性时期的可再生能源发电。

5.3欧洲电力系统增加的变异性

欧共体及其成员国推进的能源政策为欧洲电力系统构思了一个新的背景，其中，新的可再生能源的特征是具有巨大的发展。由于它们所依靠的资源在昼夜间和随季节波动，风力和光伏发电是间歇性的。至于其在能源结构中的比重却仍不显著，这种间歇性可以被系统吸收而没有任何问题：变异性和不确定性是所有电力系统常见的问题。

然而，它们在电力结构中的比重得到了增加，相比直到现在已知的，因为变异范围超出所在范围，就变异性而言，间歇性解决了新的问题。例如，基于欧共体蓝图中对2050年的规划，EDF R&D已经模拟预测出了在2030年的日均生产量。在冬季期间，在欧洲范围内，平均可用电量为190 GW，但是考虑到不同气候的变化因素，大约在60~275 GW之间。

关于间歇性的第2个问题是这些产品的可预测性。尽管在过去几年中取得了重要进展，但气象科学提供风力和光伏发电输出的预测不可能完全准确，也非常不规范。考虑到在欧盟27个装机容量为650 GW规模的间歇性电量(到2050年，与欧盟未来的蓝图一致)，在预测和发电之间，仅有1%的变化就会导致超过6.5 GW电量的丢失，而且这些丢失的电量必须由电力系统补偿。

如今，间歇性发电的波动主要由现有的比较传统的发电厂(化石燃料)进行补给，这是在调节模式(部分负荷)下操作的。因此，不断上升的间歇性反馈也会导致更高的平衡需求，对于传统的发电厂(即比较高的部分负荷时间)而言，降低了它们的效率。

此外，在低需求或高RES-E发电期间，传统发电厂不能总是停下来，考虑到灵活性与常规发电厂最小的技术输出的需求，减少风力或光伏发电，使能源市场价格削减。因此，在这些时期特别需要额外的灵活性，以使PSP与作泵运行的一段时间相适应。

5.4额外的灵活性

以目前的配置，勒谢拉抽水蓄能电站已经能够在水轮机模式下灵活地运行，2号机组的升级改造也不会改变这一灵活特性。在泵运行模式下，升级改造将使它能够将频率控制在±40 MW，且在需要灵活性期间会更加准确。为了对这些新的服务的经济价值进行评估，考虑到可能性(或者不可能性)，勒谢拉抽水蓄能电站的运行已模型化以对蓄水量进行调控。在法国，辅助服务目前的报酬是通过发电机和TSO(RTE)之间的双边合同来确定的，一个值并不代表实际成本。

因此，评估是根据运行状况和历年的运行条件进行的。为了不同的状况，已决定持续模拟3 a(即2010~2012年)。然后，对每天运行的数学优化框架配置检索新的水轮机变速值。工具采用的是最高点，内部的EDF操作工具能为法国所有的EDF机组的日常发电进行优化调度。在这项研究中，已对所有的勒谢拉抽水蓄能电站机组建模。

关于频率控制的主要结果如下。

(1) 勒谢拉抽水蓄能电站的蓄水比频率控制更多。其原发性和继发性储备值总和增加了57%。

(2) 从逻辑上讲，这一增长来自于2号机组的抽水时长。

(3) 也来自新一代发电时期。以泵模式运行输送的能量越多，产生的电量也就越多。在产生这种附加能量时，即对频率进行了控制。

(4) 2号机组几乎总是提供频率控制，而不是作泵运行，但对于用于作泵运行时，2号机组则是远远超过1号机组。

目前的价格是使用法国的RTE，以补偿电力生产者配送频率控制的电量：大约为17 C=/MW·h。合同定义的价格为3 a。RTE通过与电力生产者之间必须保留每30 min一个问卷的强制性双边合同来安排二次频率控制。

6结语

在现阶段，已经发现了一些技术方面存在的问题，并提出了评估及其相应的解决方案，以论证设想其升级改造的可行性；接下来将是建设阶段。相应地，机组不仅将从改进的水力设计中受益，以实现更大的动态和充满活力的性能，而且也将对机组进行全部的更新改造以延长其运行寿命。这种类型的升级改造是非常符合成本效益的，相比新建设的计划，会便宜10倍左右，还可以在一个更短的时间内完成(比建设一个新的工程快3倍左右的速度)。

此外，通过在抽水模式下发展存储容量和灵活性，这种转换可以作为解决方案的一部分，也是作为对欧洲电力结构中的间歇性发电重要份额的整合。

虽然目前的市场设计不允许在它的真实的水平上给这些服务定价，但是，现在已经开始达成一个共识，就是必须要有有效的存储能力。这些关键的优势应该在未来能够找到为更多的水泵水轮机实施转换的方法。

(黄丽瑾谭丽华编译)

文献标志码：中图法分类号：TV743A

文章编号：1006-0081(2015)11-0012-05

收稿日期：2015-09-11