二灘電站枯水期3機運行必要性與可行性分析

姜開波，楊 東

(二灘水力發電廠，四川攀枝花 617100)

0 前言

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

1 節水效益

為了避免并網機組吸收電網有功，并網機組最小須帶負荷20 MW，相當于空載運行，此時機組過機流量約38 m3/s。機組枯水期平均耗水率約2.47 m3/kWh，將這些數值代入式(1)可以計算出1臺機帶最小負荷1 h損失的水量為87 400 m3，若少開1臺機并網，該水量即為節約水量。

式中，Vs為1臺機帶最小負荷時浪費的水量，m3;Qn為1臺機帶最小負荷時的過機流量，m3/s;Pmin為 機組最小負荷，kW;t為機組帶負荷運行時間，h;cavrg為機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元的上網電價計算，價值約1萬元。針對4臺機并網的情況，每天如能保持少開1臺機即3臺機運行8 h，枯水期按5個月算，將所節約的水全部發電則可增收1 200萬元，因此節水增發電的效益很值得關注。

2 穩定分析

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

另外對于頻率，隨著四川電網裝機容量的快速增加以及與重慶電網的增強聯系，以及與西北電網、華東電網的聯系，加上3機運行時機組所帶負荷通常不足455 MW，因此不會因為跳1臺機而受到影響。

3 全站吸收電網無功的能力

在滿足電網穩定要求時，對于開3臺是否能滿足枯水期電網的電壓調整要求就是主要考慮的問題。該問題可以描述成當電網要求某一系統電壓時，各種有功負荷下機組最大進相加上主變壓器消耗無功的總和能否滿足電網要求全站吸收的無功。通常可以通過試驗方式來確定機組及主變壓器吸收電網無功的最大能力，但由于涉及頻繁調整系統電壓、機組有功及無功，運行操作風險較大，同時測得的值也受電網運行方式的影響，因此采用計算的方式來確定機組與主變壓器吸收電網無功的最大能力。計算主要考慮機組低勵限制和最小機端電壓限制對于機組進相的影響。

3.1 機組低勵限制曲線的修正

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

式中，Qg為發電機實際機端電壓對應的允許進相無功，Mvar;Qe為額定電壓對應的允許進相無功，可從表1按線性插值求得，Mvar;Ug為發電機實際機端電壓，kV。

表1 額定機端電壓(18 kV)下機組低勵限制

按機端電壓最低值17.1 kV修正，可以得到此時的允許進相無功，見表2。

表2 機端電壓(17.1 kV)下機組低勵限制

3.2 機組功率分配

對于3臺機運行時功率的分配主要考慮振動區，按照水頭185.0 m、機組振動區為150～455 MW，根據AGC負荷分配原則，可知3臺機運行時，機組有功不可分配區域有3段，即:①450～495 MW;②850～930 MW;③1 250～1 365 MW。AGC投入省調控制運行時，將不可分配的負荷區間傳送給省調AGC，省調AGC下發設定值時會躲過不可分配負荷的區域，考慮3臺機總負荷從最小負荷60 MW到最大1 650 MW，可以得出表3所示的典型負荷分配。

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臺機至第3臺機的有功與無功。

3.3 機組與主變壓器吸收無功能力的計算

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

圖1 機組無功計算模型

圖1 中，U1為發電機機端電壓按主變壓器變比折算至主變壓器高壓側的電壓，kV;XT為主變壓器電抗，Ω;U2為主變壓器高壓側母線電壓，kV;S1為發電機復功率，MVA;P1為發電機有功功率，MW;Q1為發電機無功功率，Mvar。

主變壓器是由3臺單相雙繞組變壓器按Y/D－11方式連接構成，單相額定容量是 SN=21 400 MVA，高壓側額定電壓，低壓側額定電壓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。

從發電機端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為主變壓器高壓側母線電壓有效值，kV;U1為發電機機端電壓按主變壓器變比折算至主變壓器高壓側的電壓有效值，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，當已知發電機有功、機端電壓與主變壓器高壓側母線電壓則可以求出此時機組的無功。

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

對應于表3中所示的各種負荷，可以按式(5)求出主變壓器無功損耗，結果列于表4。

式中，DQT為主變壓器損耗無功，Mvar。

其他參數含義同圖1、式(3)。

表4 對應于表3各負荷計算所得各主變壓器的無功

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

3.4 實際運行數據的驗證

從實際運行數據取母線電壓為526 kV的數據點，工況為3臺機運行，5回出線運行，5臺主變壓器運行，見表5。

圖2 母線電壓526 kV時機組加主變壓器吸收無功能力

表5 主變壓器高壓側母線電壓526 kV的實際運行數據

通過式(5)可以計算表5中對應的各負荷情況下主變壓器的無功損耗，而線路總無功與機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，發現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，可以進行修正，得出圖2中“對應于3臺主變壓器并網修正后的機組加主變壓器吸收無功能力”曲線。考慮到實際工況有1臺主變壓器小修不投運、其余2臺備用機組主變壓器空載運行及廠用電無功消耗情況，全站吸收無功的能力，接近于3臺機并網時計算出的機組進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的實際運行數據以散點方式在圖2中作出，可以看出，大部分數據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個數據點落于該曲線左側，但都是有功負荷比較大的點，有2臺機在振動區上沿的情況。這說明3臺機運行時，在小負荷情況下(2臺機在振動區下沿)，可以將系統電壓調下限;當2臺機在振動區上沿運行時，要將系統電壓調下限，二灘電廠機組進相值將達到低勵限制報警值或機端電壓下限值邊緣。實際情況是，在枯水期的低谷時段，二灘電廠負荷均在600 MW以下，只需1臺機運行在振動區的上沿。

4 結語

(1)基于少開1臺機的經濟效益以及機組減少磨損考慮，表明3臺機運行方式是有必要的。

(2)采用計算方法確定全站吸收電網無功的能力，經過實際數據驗證表明開3臺機能滿足電網電壓下限運行的調整要求，但調節裕度不大，上限則明顯可以得到滿足。電網的穩定試驗表明3臺機不會存在穩定性問題。因此，3機運行方式是可行的。

(3)實際運行數據表明，AGC分配原則會導致3機運行會帶來機組頻繁跨越振動區的問題，應該通過與電網調度部門進行協商溝通，避免省調AGC頻繁下發跨越振動區的有功設定值。

［1]王世界.二灘水電廠發電機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測，2008，32(1):43－46.

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

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