二灘電站枯水期3機(jī)運(yùn)行必要性與可行性分析

姜開波，楊 東

(二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花 617100)

0 前言

二灘電站共6臺機(jī)組，單機(jī)額定容量為550 MW，5回500 kV出線，其中二普三回線是與四川主網(wǎng)的聯(lián)系通道，每回長約200 km，屬于長距離高壓輸電線路。在枯水期運(yùn)行主要面對兩個問題，一是日發(fā)電量較少，機(jī)組負(fù)荷率低，旋轉(zhuǎn)備用經(jīng)常多達(dá)3臺機(jī)額定總?cè)萘?，即?jīng)常有機(jī)組在空載運(yùn)行，這無益會增加耗水率，降低電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益;二是二普線為輕載線路，向系統(tǒng)注入大量無功，加之普提站無功不能就地平衡，電網(wǎng)仍要求二灘電站吸收二普線路充電無功及電網(wǎng)部分無功，二灘機(jī)組在某種程度上主要為調(diào)壓而開四臺機(jī)并網(wǎng)。如果3臺機(jī)運(yùn)行能滿足電網(wǎng)無功及穩(wěn)定運(yùn)行要求，少開1臺機(jī)并網(wǎng)，無論對節(jié)水增效還是降低機(jī)組磨損都是有益的。文獻(xiàn)［1］通過計算分析了二灘發(fā)變組吸收系統(tǒng)無功的能力，但只基于機(jī)組低勵限制考慮，而實際機(jī)組允許進(jìn)相的深度還受機(jī)端電壓的影響，分析時不能忽略。下面在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上針對上述兩方面的問題，對二灘電站3機(jī)運(yùn)行的必要性和可行性進(jìn)行了分析。

1 節(jié)水效益

為了避免并網(wǎng)機(jī)組吸收電網(wǎng)有功，并網(wǎng)機(jī)組最小須帶負(fù)荷20 MW，相當(dāng)于空載運(yùn)行，此時機(jī)組過機(jī)流量約38 m3/s。機(jī)組枯水期平均耗水率約2.47 m3/kWh，將這些數(shù)值代入式(1)可以計算出1臺機(jī)帶最小負(fù)荷1 h損失的水量為87 400 m3，若少開1臺機(jī)并網(wǎng)，該水量即為節(jié)約水量。

式中，Vs為1臺機(jī)帶最小負(fù)荷時浪費(fèi)的水量，m3;Qn為1臺機(jī)帶最小負(fù)荷時的過機(jī)流量，m3/s;Pmin為 機(jī)組最小負(fù)荷，kW;t為機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時間，h;cavrg為機(jī)組枯水期平均耗水率，m3/kWh。

將此水量按耗水率折算成電量約為35 400 kWh，按每度電0.28元的上網(wǎng)電價計算，價值約1萬元。針對4臺機(jī)并網(wǎng)的情況，每天如能保持少開1臺機(jī)即3臺機(jī)運(yùn)行8 h，枯水期按5個月算，將所節(jié)約的水全部發(fā)電則可增收1 200萬元，因此節(jié)水增發(fā)電的效益很值得關(guān)注。

2 穩(wěn)定分析

對于3臺機(jī)并網(wǎng)能否滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，主要從3方面考慮:一是由于線路是輕載運(yùn)行，因此不易出現(xiàn)低頻振蕩等功角穩(wěn)定問題;二是事故情況下對系統(tǒng)電壓的影響，全站3機(jī)運(yùn)行，此時跳1臺機(jī)組對系統(tǒng)電壓的抬高以及跳一條線路后系統(tǒng)電壓被拉低的問題，經(jīng)過四川電力試驗研究院的穩(wěn)定計算表明不會引起四川電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題;三是機(jī)組重新并網(wǎng)的問題，二灘電廠機(jī)端額定電壓18.0 kV，勵磁系統(tǒng)調(diào)整機(jī)端電壓范圍為±10%，機(jī)組并網(wǎng)允許的最大電壓偏差為1%，勵磁V/f限制定值為1.07，故機(jī)組能夠順利并網(wǎng)所允許的系統(tǒng)最高電壓為1.07×1.01×522.5 kV=564.7 kV，跳1 臺機(jī)后，最不利的情況下，500 kV系統(tǒng)電壓會升高至544 kV，理論上講，當(dāng)系統(tǒng)電壓在564.7 kV以下時，二灘電廠機(jī)組可以順利并網(wǎng)。

另外對于頻率，隨著四川電網(wǎng)裝機(jī)容量的快速增加以及與重慶電網(wǎng)的增強(qiáng)聯(lián)系，以及與西北電網(wǎng)、華東電網(wǎng)的聯(lián)系，加上3機(jī)運(yùn)行時機(jī)組所帶負(fù)荷通常不足455 MW，因此不會因為跳1臺機(jī)而受到影響。

3 全站吸收電網(wǎng)無功的能力

在滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求時，對于開3臺是否能滿足枯水期電網(wǎng)的電壓調(diào)整要求就是主要考慮的問題。該問題可以描述成當(dāng)電網(wǎng)要求某一系統(tǒng)電壓時，各種有功負(fù)荷下機(jī)組最大進(jìn)相加上主變壓器消耗無功的總和能否滿足電網(wǎng)要求全站吸收的無功。通?？梢酝ㄟ^試驗方式來確定機(jī)組及主變壓器吸收電網(wǎng)無功的最大能力，但由于涉及頻繁調(diào)整系統(tǒng)電壓、機(jī)組有功及無功，運(yùn)行操作風(fēng)險較大，同時測得的值也受電網(wǎng)運(yùn)行方式的影響，因此采用計算的方式來確定機(jī)組與主變壓器吸收電網(wǎng)無功的最大能力。計算主要考慮機(jī)組低勵限制和最小機(jī)端電壓限制對于機(jī)組進(jìn)相的影響。

3.1 機(jī)組低勵限制曲線的修正

二灘機(jī)組的低勵限制曲線按表1的幾個典型負(fù)荷點下低勵限制值給出，不同的負(fù)荷下允許的進(jìn)相無功可以分段按線性插值求得。但應(yīng)注意的是機(jī)組低勵限制還與機(jī)端電壓有關(guān)，該表所列值是在機(jī)端額定電壓18 kV下給出的，實際運(yùn)行中還應(yīng)該按實際機(jī)端電壓與定額電壓比值的平方進(jìn)行修正，即按式(2)進(jìn)行修正。

式中，Qg為發(fā)電機(jī)實際機(jī)端電壓對應(yīng)的允許進(jìn)相無功，Mvar;Qe為額定電壓對應(yīng)的允許進(jìn)相無功，可從表1按線性插值求得，Mvar;Ug為發(fā)電機(jī)實際機(jī)端電壓，kV。

表1 額定機(jī)端電壓(18 kV)下機(jī)組低勵限制

按機(jī)端電壓最低值17.1 kV修正，可以得到此時的允許進(jìn)相無功，見表2。

表2 機(jī)端電壓(17.1 kV)下機(jī)組低勵限制

3.2 機(jī)組功率分配

對于3臺機(jī)運(yùn)行時功率的分配主要考慮振動區(qū)，按照水頭185.0 m、機(jī)組振動區(qū)為150～455 MW，根據(jù)AGC負(fù)荷分配原則，可知3臺機(jī)運(yùn)行時，機(jī)組有功不可分配區(qū)域有3段，即:①450～495 MW;②850～930 MW;③1 250～1 365 MW。AGC投入省調(diào)控制運(yùn)行時，將不可分配的負(fù)荷區(qū)間傳送給省調(diào)AGC，省調(diào)AGC下發(fā)設(shè)定值時會躲過不可分配負(fù)荷的區(qū)域，考慮3臺機(jī)總負(fù)荷從最小負(fù)荷60 MW到最大1 650 MW，可以得出表3所示的典型負(fù)荷分配。

表3 典型有功分配及計算所得無功

表3中P1－P3，Q1－Q3即分別為第1臺機(jī)至第3臺機(jī)的有功與無功。

3.3 機(jī)組與主變壓器吸收無功能力的計算

二灘發(fā)電變壓器組采用單元接線，所有發(fā)電變壓器組通過主變壓器高壓側(cè)雙母線并聯(lián)向電網(wǎng)供電。在計算的時候主要考慮主變壓器的電抗參數(shù)，而忽略電阻及激勵支路，同時忽略廠用電系統(tǒng)，則得出參數(shù)折算至主變壓器高壓側(cè)的簡化潮流計算模型，即圖1所示。

圖1 機(jī)組無功計算模型

圖1 中，U1為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓按主變壓器變比折算至主變壓器高壓側(cè)的電壓，kV;XT為主變壓器電抗，Ω;U2為主變壓器高壓側(cè)母線電壓，kV;S1為發(fā)電機(jī)復(fù)功率，MVA;P1為發(fā)電機(jī)有功功率，MW;Q1為發(fā)電機(jī)無功功率，Mvar。

主變壓器是由3臺單相雙繞組變壓器按Y/D－11方式連接構(gòu)成，單相額定容量是 SN=21 400 MVA，高壓側(cè)額定電壓，低壓側(cè)額定電壓18 kV，抽頭在3檔即變比k=522.5/18。將主變壓器短路電壓百分比值Uk%=14.51代入XT=求出主變壓器電抗。

從發(fā)電機(jī)端U1往主變壓器高壓端U2計算，按式(3)求得主變壓器高壓側(cè)電壓有效值。

式中，DU為主變壓器電抗電壓降縱分量，kV;dU為主變壓器電抗電壓降橫分量，kV;U2為主變壓器高壓側(cè)母線電壓有效值，kV;U1為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓按主變壓器變比折算至主變壓器高壓側(cè)的電壓有效值，kV。

將DU=Q1XT/U1與dU=P1XT/U1代入式(3)可以得到式(4)，即

由式(4)可以看出，當(dāng)已知發(fā)電機(jī)有功、機(jī)端電壓與主變壓器高壓側(cè)母線電壓則可以求出此時機(jī)組的無功。

四川電網(wǎng)在2011—2012年枯期對二灘母線電壓曲線最低為524 kV，實際運(yùn)行中，只要求母線電壓最低調(diào)至526 kV，此時端電壓進(jìn)相至17.1 kV時，機(jī)組只能吸收無功170 Mvar，不及機(jī)組低勵限制最大值，所以必須考慮機(jī)端電壓對機(jī)組進(jìn)相能力的影響。當(dāng)機(jī)組在振動區(qū)下沿以下運(yùn)行時，由于有功小，機(jī)組低勵限制允許進(jìn)相較大，此時機(jī)組最大進(jìn)相能力主要受機(jī)端電壓的限制，而對于機(jī)組在振動區(qū)上沿以上運(yùn)行時，有功較大，機(jī)組低勵限制允許進(jìn)相較小，機(jī)端電壓不會運(yùn)行在最低值，此時機(jī)組最大進(jìn)相能力主要受低勵限制的作用。表3中是機(jī)組無功計算值，相對機(jī)組有功小于150 MW時對應(yīng)的低勵限制值相比，可以看出此時發(fā)電機(jī)在滿足機(jī)端電壓要求與低勵限制要求的兩個條件中，的確是前者更嚴(yán)格。

對應(yīng)于表3中所示的各種負(fù)荷，可以按式(5)求出主變壓器無功損耗，結(jié)果列于表4。

式中，DQT為主變壓器損耗無功，Mvar。

其他參數(shù)含義同圖1、式(3)。

表4 對應(yīng)于表3各負(fù)荷計算所得各主變壓器的無功

將表3中的各機(jī)組的允許進(jìn)相的無功與表4中各并網(wǎng)機(jī)組對應(yīng)的各主變壓器的無功消耗一起考慮，即可得出3臺機(jī)運(yùn)行忽略其他主變壓器及廠用電時各負(fù)荷點下全站吸收系統(tǒng)無功的最大能力，可以作出圖2中的機(jī)組加主變壓器吸收無功能力曲線，該曲線類似于機(jī)組的低勵限制曲線(見圖2中機(jī)組最大進(jìn)相能力曲線)，此曲線表明如果電網(wǎng)要求的某系統(tǒng)電壓下的潮流點落于左側(cè)則表明無法滿足此系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)要求，落于右側(cè)則能。

3.4 實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的驗證

從實際運(yùn)行數(shù)據(jù)取母線電壓為526 kV的數(shù)據(jù)點，工況為3臺機(jī)運(yùn)行，5回出線運(yùn)行，5臺主變壓器運(yùn)行，見表5。

圖2 母線電壓526 kV時機(jī)組加主變壓器吸收無功能力

表5 主變壓器高壓側(cè)母線電壓526 kV的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過式(5)可以計算表5中對應(yīng)的各負(fù)荷情況下主變壓器的無功損耗，而線路總無功與機(jī)組總無功的差值是實際主變壓器、廠用電等無功損耗的總和，忽略廠用電的情況下該差值即主變壓器實際損耗的無功，將計算與實際主變壓器損耗無功相比，發(fā)現(xiàn)計算值比實際值大約20 Mvar，見圖3所示。分析原因是計算模型的簡化所致，可以進(jìn)行修正，得出圖2中“對應(yīng)于3臺主變壓器并網(wǎng)修正后的機(jī)組加主變壓器吸收無功能力”曲線?？紤]到實際工況有1臺主變壓器小修不投運(yùn)、其余2臺備用機(jī)組主變壓器空載運(yùn)行及廠用電無功消耗情況，全站吸收無功的能力，接近于3臺機(jī)并網(wǎng)時計算出的機(jī)組進(jìn)相總無功和主變壓器消耗的無功。

圖3 主變壓器計算無功損耗與實際損耗的比較

將表5的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)以散點方式在圖2中作出，可以看出，大部分?jǐn)?shù)據(jù)落于全廠無功吸收能力曲線的右邊，且靠近曲線邊緣;也有4個數(shù)據(jù)點落于該曲線左側(cè)，但都是有功負(fù)荷比較大的點，有2臺機(jī)在振動區(qū)上沿的情況。這說明3臺機(jī)運(yùn)行時，在小負(fù)荷情況下(2臺機(jī)在振動區(qū)下沿)，可以將系統(tǒng)電壓調(diào)下限;當(dāng)2臺機(jī)在振動區(qū)上沿運(yùn)行時，要將系統(tǒng)電壓調(diào)下限，二灘電廠機(jī)組進(jìn)相值將達(dá)到低勵限制報警值或機(jī)端電壓下限值邊緣。實際情況是，在枯水期的低谷時段，二灘電廠負(fù)荷均在600 MW以下，只需1臺機(jī)運(yùn)行在振動區(qū)的上沿。

4 結(jié)語

(1)基于少開1臺機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益以及機(jī)組減少磨損考慮，表明3臺機(jī)運(yùn)行方式是有必要的。

(2)采用計算方法確定全站吸收電網(wǎng)無功的能力，經(jīng)過實際數(shù)據(jù)驗證表明開3臺機(jī)能滿足電網(wǎng)電壓下限運(yùn)行的調(diào)整要求，但調(diào)節(jié)裕度不大，上限則明顯可以得到滿足。電網(wǎng)的穩(wěn)定試驗表明3臺機(jī)不會存在穩(wěn)定性問題。因此，3機(jī)運(yùn)行方式是可行的。

(3)實際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，AGC分配原則會導(dǎo)致3機(jī)運(yùn)行會帶來機(jī)組頻繁跨越振動區(qū)的問題，應(yīng)該通過與電網(wǎng)調(diào)度部門進(jìn)行協(xié)商溝通，避免省調(diào)AGC頻繁下發(fā)跨越振動區(qū)的有功設(shè)定值。

［1]王世界.二灘水電廠發(fā)電機(jī)變壓器組吸收線路無功最大容量計算［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32(1):43－46.

［2]何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析(下冊)(第三版)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.

［3]張健，孫華東.二灘電站枯水期調(diào)壓策略研究［D］.中國電力科學(xué)研究院，2009.