水電站小負(fù)荷調(diào)壓運行經(jīng)濟性分析與對策

馬廣德

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000）

0 概述

電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電壓過高或過低，都會直接影響工業(yè)生產(chǎn)和人們生活的質(zhì)量，會對電力設(shè)備造成損壞，嚴(yán)重會引起系統(tǒng)的“電壓崩潰”，引發(fā)電網(wǎng)大范圍停電的嚴(yán)重后果，對電網(wǎng)的安全造成威脅。

在國家“3060”戰(zhàn)略大背景下，新能源快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷變化，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)要求越來越高，單純依靠電網(wǎng)無功補償設(shè)備已無法完全滿足系統(tǒng)電壓質(zhì)量要求。當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時，利用發(fā)電機進相運行作為輔助調(diào)壓手段。但在系統(tǒng)電壓較高卻沒有負(fù)荷空間的時段，水電機組被要求帶小負(fù)荷進相運行，對水電站運行的經(jīng)濟性產(chǎn)生了一些影響。

1 五強溪、白市電廠接入方式及調(diào)壓背景

五強溪水電廠位于沅水干流中下游湖南省沅陵縣境內(nèi)，現(xiàn)裝有7 臺單機容量25 萬kW 的混流式水輪發(fā)電機組（包括2023 年投產(chǎn)的擴機2 臺），擴機前年設(shè)計發(fā)電量53.7 億kW·h，是華中電網(wǎng)中調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓的骨干電廠之一，也是湖南省最大的水電廠，采用五民線、五崗線兩回500 kV 出線接入電網(wǎng)（500 kV 五張線正在建設(shè)中）。

白市水電廠位于貴州省黔東南州天柱縣境內(nèi)，是沅水流域梯級開發(fā)的第四級。電廠安裝3 臺單機容量14 萬kW 的混流式水輪發(fā)電機組，年設(shè)計發(fā)電量12.36 億kW·h。白市電廠開關(guān)站承載著上游三板溪電廠的電力輸出任務(wù)，兩回500 kV 線路，其中一回三白線聯(lián)絡(luò)至上游三板溪電廠，一回白艷線送出至懷化艷山紅開關(guān)站。

湖南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點是西電東送，大多數(shù)電源點距長株潭負(fù)荷中心距離較遠(yuǎn)，這種結(jié)構(gòu)特點的一個負(fù)面結(jié)果就是大量線路充電無功加入電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸，水電大發(fā)季節(jié)影響有功送出而無功不足，枯水季節(jié)則無功大量過剩，電壓大幅升高，危及電網(wǎng)安全。傳統(tǒng)的補償法由于其容量小、調(diào)節(jié)的不平滑性，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行的要求，所以增加發(fā)電機的無功調(diào)節(jié)手段勢在必行，利用大容量機組進相運行，吸收電力系統(tǒng)中過剩的無功功率，降低電壓，是電網(wǎng)調(diào)節(jié)的一個很強的調(diào)控手段。

目前五強溪、白市電廠在夜間電壓較高、系統(tǒng)調(diào)節(jié)困難時段，通常按照華中網(wǎng)調(diào)要求機組小負(fù)荷深度進相運行參與系統(tǒng)調(diào)壓。該方式下運行，對機組的壽命和經(jīng)濟運行均產(chǎn)生不利的影響。

2 小負(fù)荷調(diào)壓運行經(jīng)濟分析

以下從小負(fù)荷調(diào)壓運行方式下對經(jīng)濟性的影響、折損電量計算、考核與補償情況幾個方面進行分析。

2.1 小負(fù)荷調(diào)壓運行對經(jīng)濟性的的影響

五強溪電廠機組小負(fù)荷調(diào)壓出力一般為10～20 MW，機組最大進相深度為-80 Mvar，白市電廠機組小負(fù)荷調(diào)壓出力一般為30 MW，機組最大進相深度為-45 Mvar，通常根據(jù)AVC 自動調(diào)節(jié)500 kV母線電壓。機組在此不良工況下長時間運行，將對發(fā)電企業(yè)造成直接和間接的經(jīng)濟損失[1]。

（1）對經(jīng)濟性的直接影響。機組在小負(fù)荷工況運行時，機組單位負(fù)荷下消耗的流量較大，效率相對較低，發(fā)電耗水量較高[2]，運行的經(jīng)濟性指標(biāo)較差。以五強溪電廠為例，2022 年全年平均發(fā)電耗水量為8.46 m3/kW·h,而帶15 MW 負(fù)荷調(diào)壓運行時的耗水率高達30 m3/kW·h 左右，因此造成一定的電量損失[3]。

（2）對經(jīng)濟性的間接影響。機組小負(fù)荷調(diào)壓時間過長后，對機組的影響還表現(xiàn)在以下方面：機組在振動區(qū)或振動區(qū)邊緣運行，正常情況下為不推薦運行區(qū)，機組振動擺度數(shù)據(jù)超標(biāo)，造成金屬部件疲勞、元器件接口及二次接線端子松動，容易引發(fā)設(shè)備故障，增加設(shè)備維護工作量；發(fā)電機長期進相運行，定子發(fā)熱增加，特別是定子端部發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起定子繞組絕緣降低；在尾水管中形成的脈動壓力可使尾水管管壁產(chǎn)生裂縫，在嚴(yán)重的情況下，整個尾水設(shè)施可能被破壞；可能引起水輪機組共振，使整個機組與廠房遭到不同程度的破壞[4-6]。

在以上不良工況下長期運行，將對機組壽命產(chǎn)生不利影響，增大機組維護工作量，縮短檢修周期，使檢修費用增加。

2.2 折損電量計算

計算思路：將小負(fù)荷調(diào)壓運行期間的發(fā)電水量，換算成假設(shè)用于正常負(fù)荷發(fā)電的預(yù)期發(fā)電量，其與小負(fù)荷調(diào)壓發(fā)電量的差值即計為損失電量。調(diào)壓水量=調(diào)壓單機過機流量×3 600×調(diào)壓小時數(shù)；調(diào)壓電量=調(diào)壓單機出力×調(diào)壓小時數(shù)；預(yù)期電量=調(diào)壓水量/正常發(fā)電平均耗水率。

由以上可得公式：

式中：E損失為調(diào)壓損失的發(fā)電量（萬kW·h）；E預(yù)期為調(diào)壓水量換算到正常發(fā)電的發(fā)電量（萬kW·h）；T調(diào)壓為調(diào)壓時長（h）；Q調(diào)壓為調(diào)壓流量（m3/s）；ε為平均耗水率（m3/kW·h）；為調(diào)壓時的出力（萬kW）。

（1）五強溪電廠2020～2022 年調(diào)壓損失電量計算

圖1 五強溪電廠NHQ 曲線

查詢五強溪電廠2020～2022 年平均水頭、平均耗水率、調(diào)壓時長，根據(jù)NHQ 曲線可查詢機組調(diào)壓運行對應(yīng)的流量，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）可計算調(diào)壓損失電量如表1。

表1 五強溪電廠2020～2022 年小負(fù)荷調(diào)壓損失電量計算表

(2)白市電廠2022 年調(diào)壓損失電量計算

白市電廠2022 年調(diào)度下令小負(fù)荷調(diào)壓運行時長1 154 h，查詢白市電廠2022 年平均水頭、平均耗水率，根據(jù)NHQ 曲線可查詢機組調(diào)壓運行對應(yīng)的流量，根據(jù)公式（1）（2）（3）可計算調(diào)壓損失電量如表2：

表2 白市電廠2022 年小負(fù)荷調(diào)壓損失電量計算表

圖2 白市電廠NHQ 曲線

根據(jù)以上計算可知，五強溪電廠2020～2022年小負(fù)荷調(diào)壓損失電量分別為1 372.8 萬kW·h、1 694.2 萬kW·h、2 658 萬kW·h；白市電廠2022 年小負(fù)荷調(diào)壓損失電量為687.7 萬kW·h，且調(diào)壓時長呈逐年上升趨勢。僅2022 年一年，五強溪、白市兩廠小負(fù)荷調(diào)壓運行消耗的同等水量，如用于正常發(fā)電可多發(fā)3 345.7 萬kW·h 的電量，這對發(fā)電企業(yè)來說是一筆不小的損失。

2.3 補償與考核情況分析

小負(fù)荷調(diào)壓運行期間的補償和考核主要考慮無功的考核和補償及輔助服務(wù)分?jǐn)傎M用。當(dāng)前華中電網(wǎng)“兩個細(xì)則”對發(fā)電企業(yè)無功和電壓的考核較重，當(dāng)發(fā)電機組進相運行時，若機組無功出力的絕對值小于電力調(diào)度機構(gòu)下發(fā)的發(fā)電機組進相深度絕對值要求且電廠的母線電壓大于電壓曲線所要求的母線電壓上限時，計為一個考核點，每臺機組每日只要有一個考核點就考核，考核值按全廠額定容量×0.2的標(biāo)準(zhǔn)進行考核。

以2022 年華中電網(wǎng)“兩個細(xì)則”獎勵和考核情況作為參考，五強溪電廠2022 年申訴前無功考核25 萬kW·h；無功補償0.18 萬元，按當(dāng)前電價0.242 元/kW·h 計算，折合電量為0.74 萬kW·h。白市電廠2022 年申訴前無功考核8.4 萬kWh；無功補償7.98 萬元，按當(dāng)前電價0.37 元/kW·h 計算，折合電量為21.57 萬kW·h。依據(jù)《湖南省電力輔助服務(wù)市場交易規(guī)則（試行）》（湘監(jiān)能市場[2020]81 號）相關(guān)條款規(guī)定，夜間低谷時期深度調(diào)峰輔助服務(wù)開啟期間，開機參與系統(tǒng)調(diào)壓將可能產(chǎn)生輔助服務(wù)分?jǐn)傎M用。

由于系統(tǒng)夜間低谷期間系統(tǒng)電壓普遍偏高，機組參與系統(tǒng)調(diào)壓無疑增加了無功考核風(fēng)險，且可能產(chǎn)生輔助服務(wù)分?jǐn)傎M用。雖然發(fā)電企業(yè)有維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定的義務(wù)，但按電網(wǎng)調(diào)度要求進行小負(fù)荷調(diào)壓所得到的補償與所受電量損失和承擔(dān)的考核風(fēng)險相差懸殊。

3 優(yōu)化對策

要減少五強溪、白市電廠小負(fù)荷調(diào)壓的經(jīng)濟損失，可從減少調(diào)壓次數(shù)和時間、減少無功考核、增加無功補償3 個方面考慮，可采取以下措施：

（1）向華中網(wǎng)調(diào)建議加快無功補償設(shè)施建設(shè)，同時優(yōu)化調(diào)壓措施，有調(diào)壓需求時盡可能優(yōu)先采用變電站進行調(diào)壓或多利用掛網(wǎng)的火電機組調(diào)壓，減少五強溪、白市電廠的調(diào)壓時間，盡量確保電廠的安全經(jīng)濟運行。

（2）因電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)電壓升高，可向電網(wǎng)申請適當(dāng)提高電廠母線電壓控制上限。自2022 年10 月，湖南湘西邊城變電站投運后，湘西南電網(wǎng)電壓較之前有所升高，經(jīng)分析對比白市電廠母線平均電壓提高了1.3 kV，托口電廠母線平均電壓提高了1.5 kV。經(jīng)與華中網(wǎng)調(diào)溝通協(xié)調(diào)，華中網(wǎng)調(diào)下達的2023 年華中電網(wǎng)第三季度直調(diào)廠站中樞點電壓曲線，五強溪、三板溪、白市、托口電廠三季度母線電壓的上限值較上一季度均提高了2 kV，此舉在一定程度上減少了電廠調(diào)壓次數(shù)。

（3）優(yōu)化電廠機組勵磁系統(tǒng)欠勵限制曲線，修改AVC 勵磁調(diào)節(jié)限值，開展采集裝置調(diào)校，提高采樣精度，釋放機組無功調(diào)節(jié)能力，減少無功考核事件。

（4）加強與能源監(jiān)管部門溝通，建議加大“兩個細(xì)則”中無功補償?shù)莫剟盍Χ?，減少電廠小負(fù)荷調(diào)壓運行的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)語

五強溪、白市電廠小負(fù)荷調(diào)壓的運行方式不夠經(jīng)濟，且對機組的壽命產(chǎn)生不良影響。今后可繼續(xù)從調(diào)度側(cè)優(yōu)化調(diào)壓措施、根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化調(diào)整電壓控制曲線、優(yōu)化發(fā)電機勵磁系統(tǒng)功能減少無功考核、建議平衡無功補償與考核力度等方面開展工作，進一步優(yōu)化運行指標(biāo)，提高經(jīng)濟效益。