问题描述
抽水蓄能电站（以下简称抽蓄）水头变幅不仅是一个关键的技术参数，同时也是一个关键的经济参数。抽蓄电站水头变幅增宽，可以在上、下库最大水面面积基本不变的情况下，提高水库有效库容，增加抽蓄电站的总装机容量和总储能电量，有着巨大经济价值。但抽蓄电站水头变幅过宽，也会给水泵水轮机带来诸多技术问题，如水泵工况的空化问题、水轮机工况的“S”区问题、低水头的运行的稳定性问题等，水泵水轮机的研制面临巨大的技术挑战。
抽蓄电站水头变幅过宽通常是指相对值，在水头变化范围绝对值一定的情况下，水头越低，则其相对值越宽（大），故宽水头变幅通常存在于中低水头和低水头抽蓄电站，不仅存在纯抽蓄电站如此，常蓄结合的混合式抽蓄电站更为普遍。两河口混合式抽蓄电站水头/扬程低、变幅宽，超出已有规范，虽然技术上也可以通过变极变速、交流励磁变速、高低水头分段机组来满足抽蓄供能要求，但带来一些列问题，如技术过于复杂、投资大、运行维护困难、可靠性不高等，导致方案不具实施的经济可行性。以两河口混蓄为依托，开发出适应两河口水头宽变幅条件的定速机组，不仅为两河口混蓄找到一个切实可行的经济的技术解决方案，成为宽变幅抽蓄的首台套电站和首台套机组，同时也将推动我国抽蓄技术向前迈出一大步，达到世界领先水平。水泵水轮机模型研究及模型试验表明，结合发电电动机研究成果选择合适的同步转速，两河口抽蓄电站采用定转速水泵水轮机具备可行性，下一步将全面突破有关技术，使两河口宽水头变幅抽蓄技术从可行变为现实。问题背景
我国主要流域已、在建较多大中型梯级电站，很多具有结合建设混蓄的条件。混蓄电站通常涉及移民少，不涉及重大环境敏感对象，地质资料积累丰富，易于快速实施发挥效益。混蓄电站可为电力系统提供可靠调节，在服务新能源发电方面具有明显优势，可以更好地满足电力系统和清洁能源基地对调节能力的需要，在新型电力系统和新能源大规模开发利用的新形势下，混合式抽水蓄能电站可能迎来大规模快速发展。但很多抽水蓄能电站具有水头/扬程低、变幅大等特点，机组选型难度极大。
两河口混合式抽水蓄能电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，是一座利用雅砻江中游两河口水电站为上库，利用牙根一级水电站为下库，扩建可逆机组形成的混合式抽水蓄能电站。两河口混蓄电站水头范围176.0m~267.0m、扬程范围184.2m~270.3m。由于两河口水库为年调节水库，消落深度达80m，混蓄电站的水头/扬程变幅大，水泵水轮机最大扬程与最小水头比Hpmax/Htmin=1.536，且电站海拔高，机组容量大，机型选择难度极大。根据电站的水头/扬程范围等基本条件，可供选择的机型有变转速蓄能机组和定转速蓄能机组。本电站水泵水轮机最大扬程与最小水头比（K值）为1.536。国外同水头段定转速单级混流式水泵水轮机K值最大的为日本SHIN TOTYNE抽蓄（K=1.48），国内K值最大的为溧阳抽蓄（K=1.296），两河口混蓄水泵水轮机最大扬程与最小水头比已远超出国内外同水头段定转速单级混流式水泵水轮机的Hpmax/Htmin比值上限。两河口混蓄水轮机比转速nst约140~165m·kW，水泵比转速nq约为55~65m·m3/s。我国《抽水蓄能电站设计规范》（NB/T 10072-2018）推荐的Hpmax/Htmin按插值法计算不超过1.31，美国垦务局建议Hpmax/Htmin按插值法计算不超过1.33，两河口混蓄的水头/扬程变幅亦远超国内外规程规范的建议值。国外类似容量的变速机组业绩较多，世界上已投产单机容量最大的变速机组为日本的葛野川，发电机额定容量为475MVA，采用交流励磁变频。我国已投产的变速机组较少，单机容量最大的变速机组为潘家口，发电机额定功率为90MW，采用变极变频。国内外大型可变速机组的交流励磁系统大多由东芝、ABB、GE等几大国外公司提供，而国内对抽蓄机组交流励磁系统研究比较晚，目前主要集中在理论和试验研究阶段，相关制造厂均没有业绩，且电厂对大型交流励磁变速机组没有实际运行经验。两河口混蓄电站若采用变速机组，机组设计、制造和运行方面存在较大的技术风险。设计对以上两种机型进行了深入分析比较，从机组设计制造难度、机电设备运行维护、电站运行方式、枢纽布置及工程量等多方面综合考虑，初拟两河口混蓄电站采用低水头宽变幅蓄能机组。最新进展（截止问题发布年度）
1、进展
近年来随着模型水泵水轮机水力开发和原型机设计制造的技术进步，国内外知名水轮发电机组制造厂在大水头变幅的水泵水轮机研究方面积累了一定的经验。如溧阳（Hpmax/Htmin=1.296）、五岳（Hpmax/Htmin=1.270）等。国外也有一些200m以上水头段宽变幅抽蓄机组投入运行，如2008年投运的印度布鲁利亚电站230MW可逆机组，水泵最大扬程为218.9m，水轮机的最小水头为149.4m，Hpmax/Htmin=1.47；2011年投运的奥地利LimburgII电站装设2台240MW可逆式机组，水泵最大扬程为442.1m，水轮机的最小水头为273.3m，Hpmax/Htmin=1.61（该水泵水轮机导水机构需采用单导叶接力器的型式）。可研阶段就两河口混蓄机型与主机厂做了进一步的技术交流，初步认为两河口水泵水轮机经过水力技术研发可以实现定速机组水泵工况全扬程、发电工况中高水头长期安全稳定运行，发电工况较低水头下限制运行。在低水头段，天然来流量小，可安排两河口混蓄和两河口水电站统筹抽水发电运行。鉴于本电站水头变幅远超现有统计范围及规范推荐值，水泵水轮机水力开发难度极大，业主委托主机厂提前开展宽变幅定速水泵水轮机水力研发和模型试验工作。2022年11月，主机厂基于现有模型转轮，对水泵水轮机水泵工况和水轮机工况进行了全流道数值模拟分析和优化，初步认为在规定的运行范围内，可以保证水泵水轮机具有较高的效率、优良的水力性能和理想的能量指标。2022年12月至2023年2月，水泵水轮机模型初步试验结果表明，主机厂研发的模型转轮达到了预期目标，验证了两河口混蓄电站在超宽水头变幅下采用定转速水泵水轮机的可行性。下阶段将进一步优化水泵水轮机模型转轮性能，如改善水泵工况无叶区压力脉动、提高水轮机工况“S”区安全余量等。2、难点和挑战（1）突破中低水头宽变幅水泵水轮机关键技术。定转速混流式水泵水轮机对水头变幅比较敏感，满足水泵水轮机在整个上、下库全水位长期安全稳定运行难度非常大。过大的水头变幅会造成水泵水轮机的水力性能设计困难，机组在部分运行工况稳定性较差，出现空化、噪声、振动等情况。水泵在低扬程、大流量区域运行时，受到叶片空化限制，过低扬程下，要求的吸出高度快速降低，入力增大；高扬程、小流量区域运行时，水泵入口产生回流，可能进入驼峰区。水轮机在极低水头段运行将远离最优工况，稳定性指标较差，效率较低。中低水头宽变幅水泵水轮机水力开发需兼顾能量特性和运行稳定性，深入研究提升水泵空化和水泵驼峰特性并有效兼顾能量性能的水力设计方法，优化水泵空化特性、压力脉动指标及“S”特性区安全余量。通过对水泵水轮机的水力性能、模型试验、过渡过程分析等关键技术研究，填补中低水头宽变幅水泵水轮机研究的技术空白。（2）突破高海拔大容量定转速发电电动机关键技术。国内外大型可变速机组的交流励磁系统大多由东芝、ABB、GE等几大国外公司提供，国内厂家没有业绩，且电厂对大型交流励磁变速机组没有实际运行经验，大容量蓄能机组采用变速技术存在较大的技术风险。两河口混蓄电站海拔约2600m，单机容量300MW，需重点研究发电电动机定子线棒绝缘、防晕及通风散热等重大技术问题。应结合水泵水轮机水力开发成果，优化选择发电电动机的同步转速。突破高海拔大容量定转速发电电动机关键技术，将为后续大量的类似项目提供有力的技术支撑。重要意义
随着双碳目标的提出和新型电力系统的建设，未来风电和太阳能将成为电力系统提供增量电量的重要电源。采取“水电+抽水蓄能+风光一体化”的模式，提升电力系统中长期容量增量和电量增量，满足消纳风电和太阳能需求，是未来中国能源高质量发展的必然要求，也是建设高比例可再生能源系统的有效途径。
常蓄结合的混蓄抽水蓄能是我国抽水蓄能的重要组成部分。2021年国家发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》，实施站址中也包括安康、梨园-阿海、两河口、叶巴滩等一批混蓄项目，混合式抽水蓄能电站迎来了快速发展时期。目前，安康混蓄（60万kW）、紧水滩混蓄（29.7万kW）、两河口混蓄（120万kW）均已核准在建，光照混蓄（80万kW）也正在加快开展前期工作。两河口混蓄是目前世界上最大、海拔最高的混合式抽水蓄能电站。另外，叶巴滩混蓄电站论证规模为450万kW，将成为世界上最大的混合式抽蓄电站。建设常蓄结合的混蓄抽水蓄能具有独特的优势。我国主要流域已、在建较多大中型梯级电站，很多具有结合建设混蓄的条件。混蓄电站充分利用已建电站的条件，投资少，见效快，经济效益好。混蓄电站可为电力系统提供可靠调节，在服务新能源发电方面具有明显优势，混合式抽水蓄能电站可能迎来大规模快速发展。突破中低水头宽变幅蓄能机组关键技术，对于推广混合式抽水蓄能电站具有重要意义。
