豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性分析

趙杰君　王婷婷

摘要：隨著電網(wǎng)中新能源的加入，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行尤其是夜間頻率控制變得尤為困難。定速機(jī)組水泵工況運(yùn)行情況下，不能調(diào)節(jié)輸入功率，無法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求，可變速機(jī)組可有效解決負(fù)荷突變所引發(fā)的無功功率過剩、工頻過電壓等系統(tǒng)安全運(yùn)行隱患。文章論證了豐寧二期抽水蓄能電站二期引入可變速機(jī)組的必要性。

關(guān)鍵詞：可變速機(jī)組；抽水蓄能；豐寧二期；電網(wǎng)運(yùn)行；電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TV743 文章編號(hào)：1009-2374（2016）07-0118-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.060

1 國(guó)外可變速機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代開始，國(guó)外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，日本、歐洲在變速抽蓄機(jī)組的應(yīng)用方面均進(jìn)行了深入的工作，其中日本是研發(fā)、制造和應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵(lì)磁蓄能機(jī)組最早且最多的國(guó)家。日本已投運(yùn)的可變速抽水蓄能電站較多，如矢木澤、高見、大河內(nèi)、鹽源、奧清津、沖繩、小丸川等電站，德國(guó)和斯洛文尼亞也有可變速抽蓄電站投產(chǎn)運(yùn)行?？勺兯傩钅艿母黜?xiàng)技術(shù)也在不斷優(yōu)化和發(fā)展。變速機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備變頻器經(jīng)歷了從CYC（Cycloconvertor，可控硅）到GTO（Gate turn off thyristor，門極可關(guān)斷晶閘管）或GCT（Gate commutated turn off thyristor，換流晶閘管）再到IEGT（Injection enhanced gate transistor，電子注入增強(qiáng)型晶閘管）的發(fā)展階段。IEGT以其在電力電子設(shè)備中應(yīng)用時(shí)可使驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路得到簡(jiǎn)化，從而提高整個(gè)電力電子設(shè)備的效率，并且設(shè)備尺寸較小，較適用于抽水蓄能電站的地下廠房的特點(diǎn)已得到了廣泛應(yīng)用。另外，大容量、三相分布繞組的隱極轉(zhuǎn)子的線圈端部固定方式也經(jīng)歷了長(zhǎng)足的研發(fā)、應(yīng)用和改進(jìn)，目前如東芝公司的U型螺栓支撐系統(tǒng)已在實(shí)際運(yùn)行中得到了高可靠性的驗(yàn)證，并已成功應(yīng)用于額定容量460MW、額定轉(zhuǎn)速500rpm、世界最高揚(yáng)程782m的葛野川電站3#/4#變速機(jī)組上，且3#機(jī)組已于2014年6月9日順利投運(yùn)。從發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品研發(fā)和電站建設(shè)來看，變速蓄能機(jī)組的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，且在國(guó)際上也逐步形成較為成熟的變速機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。變速機(jī)組比定速機(jī)組能夠更好地服務(wù)于電網(wǎng)，能夠使整個(gè)電力系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，可變速抽水蓄能機(jī)組已成為重要的電網(wǎng)調(diào)節(jié)與控制手段，而且從以往電站的部分機(jī)組為變速機(jī)組已逐步演變成為電站全部機(jī)組均采用變速機(jī)組的方式，說明電網(wǎng)的需求和多方面的建設(shè)必要性也日益加強(qiáng)，同時(shí)變速機(jī)組在國(guó)際上其他國(guó)家和地區(qū)也得到了越來越廣泛的重視和建設(shè)。

2 京津及冀北電網(wǎng)概況

2.1 電網(wǎng)現(xiàn)狀

豐寧二期抽水蓄能電站供電范圍為京津及冀北電網(wǎng)。京津及冀北電網(wǎng)供電區(qū)域包括北京、天津兩市和河北北部的唐山、秦皇島、承德、張家口、廊坊5區(qū)市。

2013年京津及冀北電網(wǎng)最高發(fā)購(gòu)電負(fù)荷為53575MW，同比增長(zhǎng)9.07%。截至2013年底，京津及冀北電網(wǎng)調(diào)度口徑裝機(jī)容量達(dá)62101MW，其中省、市調(diào)調(diào)度裝機(jī)容量為58976.1MW，包括火電（燃煤、燃?xì)猓?9908.9MW，占比為84.8%；水電（含抽水蓄能）1438MW，占比為2.4%；風(fēng)電7294.5MW，占比為12.3%；其他334.7MW，占比為0.5%，地調(diào)裝機(jī)容量為3124.9MW。2013年北京電網(wǎng)全社會(huì)用電量為913億kWh，天津電網(wǎng)全社會(huì)用電量為774億kWh，冀北電網(wǎng)全社會(huì)用電量為1359億kWh。京津及冀北電網(wǎng)全社會(huì)用電量為3046億kWh。2013年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷日最高發(fā)購(gòu)電負(fù)荷為53575MW。

2.2 電源規(guī)劃

2013～2015年期間，京津及冀北電網(wǎng)已核準(zhǔn)及同意開展前期工作電源項(xiàng)目共計(jì)15705MW，2016～2025年期間抽水蓄能機(jī)組容量1800MW，火電13890MW。該地區(qū)風(fēng)能資源主要分布在張家口和承德兩地，現(xiàn)有風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模約為6844MW，預(yù)計(jì)2025年京津及冀北電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到20108MW，其中張家口地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到12700MW，承德地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到6980MW。

2025年，京津及冀北電網(wǎng)從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網(wǎng)送電150MW，向山東電網(wǎng)送電3500MW，京津及冀北電網(wǎng)區(qū)外送受電總計(jì)為4700MW。

3 豐寧二期抽水蓄能電站

豐寧抽水蓄能電站地處河北省承德市豐寧滿族自治縣境內(nèi)，距北京市區(qū)的直線距離180km，距承德市的直線距離150km。

豐寧抽水蓄能電站總裝機(jī)容量3600MW，電站分兩期開發(fā)，一、二期工程裝機(jī)容量分別為1800MW，均安裝6臺(tái)單機(jī)容量300MW的可逆式水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，在京津及冀北電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用任務(wù)。

樞紐建筑物主要由上水庫(kù)，下水庫(kù)，一、二期工程水道系統(tǒng)和發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。電站屬一等大（1）型工程，主要建筑物按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。上、下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。

一期、二期工程共用上、下水庫(kù)及開關(guān)站，且在一期工程建設(shè)中按最終規(guī)模一次建成。二期工程主要建筑物由水道系統(tǒng)（4#、5#、6#）和地下廠房（包括7#～12#機(jī)）及其附屬洞室組成。

4 豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性

4.1 有利于維護(hù)首都電網(wǎng)的供電安全

北京是我國(guó)的首都，也是我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和國(guó)際交流的中心，其健康穩(wěn)定發(fā)展必將帶動(dòng)京津冀乃至我國(guó)經(jīng)濟(jì)整體協(xié)調(diào)發(fā)展，其輻射帶動(dòng)作用將引領(lǐng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主方向，成為國(guó)內(nèi)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的龍頭。首都的國(guó)際化大都市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民生活水平的提高，都對(duì)北京電力供應(yīng)提出了更高的要求。加之國(guó)內(nèi)國(guó)際各種政治、文化、體育活動(dòng)在京舉辦十分頻繁，保障北京市供電穩(wěn)定具有更重要的意義。京津及冀北電網(wǎng)擔(dān)負(fù)著北京地區(qū)電力供應(yīng)的重大責(zé)任，同時(shí)也是我國(guó)特高壓主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的核心，是“三華”特高壓同步電網(wǎng)結(jié)構(gòu)橫縱交接處。因此京津及冀北電網(wǎng)供電安全，是保障北京地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本，是保障北京地區(qū)供電安全的電網(wǎng)支撐。

現(xiàn)階段，京津及冀北電網(wǎng)主要依靠火電機(jī)組深度調(diào)峰來解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，系統(tǒng)運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì)，而且隨著調(diào)峰缺口的不斷擴(kuò)大，僅依靠燃煤火電機(jī)組并不能從根本上解決調(diào)峰問題。京津及冀北電網(wǎng)中的供熱機(jī)組裝機(jī)規(guī)模較大，供熱機(jī)組冬季實(shí)行“以熱定電”，在此期間，電力系統(tǒng)調(diào)峰及事故備用容量明顯不足，大容量燃煤火電機(jī)組被迫超常規(guī)壓負(fù)荷運(yùn)行，甚至存在負(fù)荷壓不下來的問題。冬季調(diào)峰需求十分迫切。加之河北千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地的建設(shè)，京津及冀北電網(wǎng)，尤其是夜間電網(wǎng)傳輸用功功率低于其自然功率時(shí)，出現(xiàn)過剩無功功率，引起工頻過電壓，危機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行迫切需要配備幾臺(tái)具有調(diào)節(jié)性能更優(yōu)、調(diào)節(jié)幅度更大、與風(fēng)電契合度更高的可變機(jī)組。

由于可變速抽蓄機(jī)組具有調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度較快等特點(diǎn)以及調(diào)節(jié)幅度大、對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)，京津及冀北電網(wǎng)加入可變速抽水蓄能機(jī)組，有利于促進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)。同時(shí)，變速機(jī)組可以使用變頻交流勵(lì)磁裝置代替SFC進(jìn)行水泵工況啟動(dòng)，即可變機(jī)組能實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，從而降低對(duì)局部電網(wǎng)的沖擊。此外，變速機(jī)組可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且能夠在泵工況下對(duì)輸入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，也比常規(guī)抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化的響應(yīng)速度更快，對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)較小。同時(shí)，在負(fù)荷突變時(shí)，可變電機(jī)可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，釋放或吸收負(fù)荷，使電網(wǎng)的擾動(dòng)比常規(guī)電機(jī)小，能夠有效降低電站啟停對(duì)局部電網(wǎng)的沖擊性。

由此可見，在京津及冀北電網(wǎng)建設(shè)一定規(guī)模的可變機(jī)組，對(duì)保障北京地區(qū)的供電安全將發(fā)揮更為巨大的作用。

4.2 有利于外送電源接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性

京津及冀北地區(qū)是華北電網(wǎng)的負(fù)荷中心，由于近年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)于電力的需求越來越高，而京津及冀北地區(qū)由于煤炭、水利等資源的限制，電網(wǎng)無法依靠本地區(qū)電源建設(shè)來滿足電網(wǎng)電力負(fù)荷需求，需要接受山西、內(nèi)蒙及西北地區(qū)的區(qū)外送電來滿足本地區(qū)電力負(fù)荷的需求。根據(jù)規(guī)劃，2025年，京津及冀北電網(wǎng)從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網(wǎng)送電150MW，向山東電網(wǎng)送電3500MW，京津及冀北電網(wǎng)區(qū)外送受電總計(jì)為4700MW。

作為受端電網(wǎng)，電網(wǎng)的電源支撐與電壓穩(wěn)定問題一直被大家所關(guān)注。由于電源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，負(fù)荷中心缺少足夠的電壓支撐，因此，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，受端電網(wǎng)很容易失去同步穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。采用交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)取代傳統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，能夠有效解決傳統(tǒng)抽水蓄能機(jī)組所存在的調(diào)速和水輪發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行等問題，從根本上解決諧波等對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，維持電壓的穩(wěn)定，可以更好地適應(yīng)受端電網(wǎng)對(duì)可靠性的需求。

4.3 有利于提高與可再生能源電源的契合度

河北省是我國(guó)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地，預(yù)計(jì)2020年總裝機(jī)容量將達(dá)到16430MW。豐寧抽水蓄能電站建設(shè)采用可變速機(jī)組，將有利于提高與可再生能源電源的契合度。

一方面，可根據(jù)風(fēng)電等新能源出力過程，更為靈活地跟蹤電網(wǎng)頻率，調(diào)節(jié)水泵輸入功率的功能，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調(diào)節(jié)速率提高，可更好地跟蹤風(fēng)電等穩(wěn)定性差的出力過程，從而減小新能源電源對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4.4 可提高機(jī)組效率、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命

對(duì)于可變速機(jī)組，機(jī)組整體空化性能得到提高；機(jī)組可根據(jù)運(yùn)行工況和水輪機(jī)特性調(diào)整轉(zhuǎn)速，使機(jī)組始終運(yùn)行于最優(yōu)或較優(yōu)工況，因而可明顯改善水泵水輪機(jī)的水力性能，提高運(yùn)行效率，減少震動(dòng)、空蝕和泥沙磨損，延長(zhǎng)機(jī)組檢修期，并可擴(kuò)大運(yùn)行水頭范圍和負(fù)荷范圍，提高機(jī)組穩(wěn)定性。在合適的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變速機(jī)組的磨損量可減少50%。根據(jù)幾個(gè)水電站資料，年平均效率可提高3%～5%，機(jī)組檢修期可延長(zhǎng)一倍左右。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，從電網(wǎng)安全考慮，可變速機(jī)組具有良好的穩(wěn)定性及變速恒頻發(fā)電能力、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍，具有一定程度的異步運(yùn)行能力和較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、深度吸收系統(tǒng)無功的功能，并可通過自動(dòng)頻率控制來提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。因此，豐寧二期抽水蓄能電站工程如有可變速機(jī)組考慮實(shí)施，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與新能源契合度的提高等方面都非常有利。

參考文獻(xiàn)

[1] 滕軍.對(duì)可變速抽水蓄能機(jī)組建設(shè)必要性和關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)[A].2010年度電氣學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集[C].2010.

[2] 程光華.抽水蓄能電站采用可變速機(jī)組的優(yōu)越性[J].安徽電力，2002，（2）.

[3] 韓民曉.可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（16）.

[4] 桑原尚夫.大河內(nèi)電站400MW變速抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[J].水利水電快報(bào)，1997，（3）.

作者簡(jiǎn)介：趙杰君（1984-），女，河北衡水人，中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：水電規(guī)劃。

（責(zé)任編輯：小 燕）