大型水電廠在電力系統(tǒng)中的作用

方國成

(福建水口發(fā)電集團有限公司,福建福州 350007)

1 緒言

水電廠是實現(xiàn)水力發(fā)電的大型工廠,一般的大型水電廠的生產(chǎn)流程是先從其它水源處(如江河湖泊的上游處,或者大型水庫等)引來水流,水流在通過水輪機的過程中會引起水輪機發(fā)生旋轉(zhuǎn),在該旋轉(zhuǎn)的過程中水的重力勢能和動能會轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,使水輪機帶動發(fā)電機工作切割磁力線,這個過程中機械能又轉(zhuǎn)換為電能輸出,實現(xiàn)完整的發(fā)電方式。圖1為大型水電廠的生產(chǎn)流程和主要系統(tǒng)簡圖。

2 大型水電廠在電力系統(tǒng)中的基本作用

一般大型水電廠在電力系統(tǒng)中所提供的功能大體分為以下幾點：第一點是所能提供的最基本的功能,提供電能,這也是水電廠所肩負(fù)的最基本的任務(wù),即存在意義。第二點是調(diào)峰作用,是指在不同季節(jié)氣候,不同的水源豐富程度中,有能力的大型水電廠通過調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)負(fù)荷來維持正常發(fā)電,既完成基本工作,又做到最大程度上保證不浪費水資源。第三點是調(diào)頻作用,我國的水電廠頻率為50±0.2赫茲,一般水電廠的調(diào)頻需要大型的、有能力的機組來進行。第四點是調(diào)相,完整運行調(diào)相的過程需要水電廠機組具備調(diào)相運行能力,可根據(jù)電網(wǎng)要求參與系統(tǒng)無功功率平衡。第五點是蓄能作用,蓄電功能是在水電廠低谷時期蓄住大量能源電量,并可以做到在用電高峰期時完成正常供電,滿足負(fù)荷需要。最后一點是將其作為緊急狀況下的備用機組,這是因為在水電廠的電力系統(tǒng)中,水輪發(fā)電機組有著快速啟動,并且迅速投入發(fā)電工作的特點,所以當(dāng)電力系統(tǒng)突然發(fā)生事故時,急需補充電量,常把水電廠的機組作為事故備用機組。

圖1 大型水電廠的生產(chǎn)流程和主要系統(tǒng)簡圖

2.1 大型水電廠在電力系統(tǒng)中的提供電能作用

一般大型水電廠的組成結(jié)構(gòu)為水輪發(fā)電機組、變壓器、斷路器、隔離刀閘、勵磁系統(tǒng)、電流互感器、電壓互感器、G I S組合式電器設(shè)備、計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、發(fā)電機及變壓器保護設(shè)備、管道、水輪機調(diào)速器、閥門、泵、計量設(shè)備、蓄電池、通訊設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、發(fā)電機消防設(shè)備等。具體是,先從其他水源處引來水流,再通過水輪機,在水流通過水輪機組這一過程中,水流帶動水輪機發(fā)生旋轉(zhuǎn),通過旋轉(zhuǎn),水的重力勢能和動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,同時,轉(zhuǎn)子通直流電產(chǎn)生磁場,切割磁力線,在定子上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,定子與系統(tǒng)形成回路,輸出負(fù)荷,這個過程中機械能又轉(zhuǎn)換為電能輸出,最后得以實現(xiàn)完整的發(fā)電方式。

水電廠在電力系統(tǒng)中做能提供的作用有很多,其中最基本的就是提供電能,通過大壩,水輪機組,再到發(fā)電機組,整個流程實現(xiàn)水力發(fā)電,為日漸匱乏的電能源提供補充。

2.2 大型水電廠的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相作用

調(diào)峰填谷功能是大型水電廠比較實用且重要的作用和功能之一,大型水電廠的蓄能抽水電站可以做到在用電高峰時期調(diào)峰發(fā)電,也可以做到在用電低谷時期通過抽水調(diào)峰填谷,以此保證電網(wǎng)的正常運行。一般的大型水電廠都具備相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能,因為在不同時期,不同季節(jié),水電廠所負(fù)擔(dān)的負(fù)荷程度不同,例如如果在豐水時期或者季節(jié),水源或者水庫所帶來的水流量會更大,此時水電廠需要提高負(fù)荷,負(fù)擔(dān)滿載工作,負(fù)擔(dān)提升電力系統(tǒng)的基荷,以此避免浪費水資源的情況發(fā)生;而在水流較小的季節(jié)里,水電廠需要負(fù)擔(dān)的是峰荷,之所以選擇水電站負(fù)擔(dān)峰荷的原因同時也就是水電站與火電站的區(qū)別所在,簡單來說區(qū)別就在于水位差,把水從高水位放入低水位,在水流經(jīng)過當(dāng)中安裝發(fā)電機組,水把發(fā)電機組葉輪帶動發(fā)電機,發(fā)出來的電通過升壓變壓器升至電網(wǎng)相同的電壓,然后并網(wǎng),相當(dāng)于各小支流的水流入大河一樣。然后分配到各需要用電的地方,送到目的地。同樣的目的火電站需要將發(fā)電機組從冷備轉(zhuǎn)為熱備,這一過程需要幾個小時,成本也過高,而水電站可以完成短時間內(nèi)快速的做出調(diào)節(jié)。

在調(diào)頻方面上,水電站具有調(diào)節(jié)速度快,操作簡便,調(diào)整范圍大不棄水,成本低廉等優(yōu)點,尤其是快速跟蹤負(fù)荷的特點,使得調(diào)節(jié)性能好的大型水電廠調(diào)頻效果非常好。

在調(diào)相方面上,水電廠也發(fā)揮著比較大的作用,例如在水源不充足的枯水期,水電廠的水庫存量較少,此時的水電廠還可以在調(diào)峰負(fù)擔(dān)峰荷的基礎(chǔ)上,提供一些機組作為調(diào)相機進行調(diào)相。此時水輪發(fā)電機作為空載的同步電動機運轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)其勵磁,發(fā)出無功功率,以滿足系統(tǒng)無功的需要。但是,如果水電站離負(fù)荷中心較遠,長距離輸送無功功率,其損耗很大。另外水輪機必須充氣壓水,以及調(diào)相運轉(zhuǎn)時存在有功損耗等,也就影響其調(diào)相的經(jīng)濟效果,需要綜合比較后確定采用調(diào)相運行方式是否合理。水電站接入系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容,及時合理地選擇水電的送電電壓、送電線路的回路數(shù)和導(dǎo)線截面,以保證將水電站發(fā)出的電能經(jīng)濟、可靠、合理地送入系統(tǒng)。

2.3 大型水電廠的緊急事故備用作用

水電廠作為緊急事故備用的條件主要分為兩大點,第一點是結(jié)合了水輪發(fā)電機組的優(yōu)點,可以做到迅速啟動,并且快速投入到并網(wǎng)發(fā)電環(huán)節(jié)中去。在水電廠擔(dān)任主要調(diào)頻站的時候,水電廠的調(diào)頻的容量基本上均為備用的容量,這個時候調(diào)頻的容量就較為適合作事故備用容量,而且如果一旦發(fā)生電源方面,或者電網(wǎng)方面的事故時,可以通過頻率自動減少負(fù)荷裝置來完成切除,較少不必要的負(fù)荷,以此來最快保證頻率的要求,從而也可以保證水電廠對于需電用戶的供電問題,第二點一般水電廠相距于負(fù)荷中心不近,存在一定距離,這就意味著水電廠與負(fù)荷中心之間的“聯(lián)絡(luò)阻抗”相對較高,所以當(dāng)緊急事故一旦到來,水電廠可以做到用自同期方式快速并入系統(tǒng),以在最大程度上降低發(fā)生的緊急事件對于需電用戶以及系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)語

有關(guān)于水電廠的優(yōu)點總結(jié)了許多,也正是因為這些優(yōu)點,或者是區(qū)別于其他電站的固定特點,才使得水電廠多了更多在電力系統(tǒng)中起到的作用,這些作用大多替代不了,也高效并且便利,成本也低。綜上所述,本文主要先簡述了大型水電廠的生產(chǎn)流程和主要系統(tǒng),然后闡述了大型水電廠在電力系統(tǒng)中的作用,包括三大點,分別為提供電力、調(diào)峰調(diào)相調(diào)頻作用、以及緊急事故備用作用,這些作用無疑是為現(xiàn)階段全世界的能源規(guī)劃問題提供了新的思路和想法,也滿足了人們對于電力質(zhì)量的需求。

[1] 白成禮,董麗娟,汪亞軍.新形勢下水電廠在電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰中的功能定位[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016,(29)：211.

[2] 王根本,李焱剛.并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)頻率調(diào)整以及水電廠在頻率調(diào)整中的作用[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2012,(13)：126.