葛洲壩水電站增容改造電網適應性分析

黃娟娟，李泰軍，郭相國

(中南電力設計院， 武漢市 430071)

?

葛洲壩水電站增容改造電網適應性分析

黃娟娟，李泰軍，郭相國

(中南電力設計院， 武漢市 430071)

為保障葛洲壩水電站機組的安全穩(wěn)定運行，提高水量利用率和增加發(fā)電效益，計劃對葛洲壩水電站19臺125 MW機組(大江水電站14臺、二江水電站5臺)進行更新改造增容。以2015年湖北電網豐大運行方式為背景，采用BPA電力系統(tǒng)分析程序，搭建湖北電網網架結構模型，對葛洲壩水電站增容改造后的電網進行潮流穩(wěn)定計算，并對相關機電參數(shù)進行了校核。仿真計算結果表明，葛洲壩水電站增容改造后，不影響近區(qū)500 kV網架送出和220 kV電網供電，不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，相關機電參數(shù)選擇合理，滿足系統(tǒng)運行要求。

葛洲壩水電站；增容；解環(huán)；機電參數(shù)；穩(wěn)定

0 引 言

葛洲壩水利樞紐工程位于湖北省宜昌市境內的長江三峽末端河段上，距上游的三峽水電站38 km，是長江干流上修建的第一座大型水電工程，是三峽工程的反調節(jié)和航運梯級，具有發(fā)電、改善航道等綜合效益，為無調節(jié)能力的徑流式水電站。葛洲壩水電站共裝有21臺水輪發(fā)電機組，其中2臺170 MW，19臺125 MW，總裝機容量2 715 MW，至今已運行30多年。葛洲壩水電站機組投入運行以來，為盡量減少棄水，機組長期處于滿負荷運行狀態(tài)，平均年運行小時數(shù)達6 000 h以上，遠高于國內其他水電站，機組部件開始出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，導致電站運行故障率上升，嚴重影響機組安全運行[1-2]。

隨著三峽電站投產運行，葛洲壩水電站作為三峽電站的反調節(jié)水利樞紐，三峽電站滿發(fā)或調峰運行時，下泄流量大大超過葛洲壩水電站的滿出力流量，造成葛洲壩水電站被迫棄水，影響三峽電站的調峰能力和三峽—葛洲壩水電站聯(lián)合運行的整體效益[3]。為保障葛洲壩水電站機組的安全穩(wěn)定運行，使三峽—葛洲壩樞紐發(fā)電流量匹配，避免大量棄水，提高水量利用率，增加發(fā)電效益，中國長江電力有限公司擬計劃對19臺125 MW機組(大江水電站14臺、二江水電站5臺)進行更新改造增容[4]。本文以2015年湖北電網豐大方式為基礎，采用BPA電力系統(tǒng)分析程序，對葛洲壩水電站機組增容改造后的電網進行潮流穩(wěn)定分析，并對相關機電參數(shù)進行校核。

1 電廠概況

葛洲壩水電站分為大江水電站和二江水電站，其中大江水電站裝有14臺125 MW機組，發(fā)電機和主變壓器采用“兩機一變”、“兩變一線”的擴大單元接線方式，接入廠內配電裝置(3/2接線)，大江水電站采用500 kV電壓等級，出線6回接入系統(tǒng)，分別至雙河2回、玉賢(軍山)1回、朝陽2回、隔河巖1回，其中至雙河和玉賢的導線均采用4×300 mm2，至朝陽的導線為4×400 mm2，至隔河巖的導線為4×500 mm2。

二江水電站共7臺機組，分別為2臺170 MW和5臺125 MW機組，采用發(fā)電機-變壓器組單元接線方式接入廠內配電裝置(雙母帶旁母，旁母分段)，二江水電站采用220 kV電壓等級接入系統(tǒng)，出線10回，分別至小雁溪1回、陳家沖1回、遠安1回、長坂坡1回、桔城2回、白家沖2回、點軍2回，其中至陳家沖、遠安和長坂坡導線截面較小，為400 mm2；葛白雙回線路采用2×ACCC-611碳纖維復合導線；其余導線均采用2×300 mm2。

大江水電站與二江水電站之間設置有2臺360 MVA的聯(lián)絡變壓器，由于二江水電站近區(qū)負荷增加，外送壓力變小，目前2臺聯(lián)變已取消。大江水電站與二江水電站的接入系統(tǒng)示意如圖1所示。

2 改造增容方案

葛洲壩水電站共裝有21臺水輪發(fā)電機組，其中2臺170 MW，19臺125 MW。中國長江電力有限公司計劃對19臺125 MW機組進行更新改造增容，單機增容25 MW，總增容量為475 MW，其中大江水電站電廠增容350 MW、二江水電站電廠增容125 MW。

根據(jù)長江電力提供的發(fā)電機、水輪機更新改造滾動計劃，葛洲壩水電站首臺機組將于2014年進行改造增容，到2015年將有2臺大江機組和1臺二江機組改造完畢；2016—2019年，每年完成二江水電站1臺機組的增容，到2019年二江水電站5臺機組全部改造增容完畢；2017—2021年，每年完成大江水電站2臺機組的增容，到2022年，大江水電站14臺機組全部改造增容完畢。

3 電網適應性分析

3.1 宜昌電網消納能力

根據(jù)文獻[5]推薦的電磁環(huán)網解環(huán)方案，“十二五”期間，宜昌電網內部分為3片運行：龍泉饋供片、二江水電站+宜昌北(安福寺)片和隔河巖+宜昌南(朝陽)片。基于上述分片供電方案，葛洲壩機組改造增容后，主要對宜昌南部豐水期500 kV層面送出(葛洲壩大江水電站)和宜昌北部220 kV層面供電有影響(葛洲壩二江水電站)。

圖1 葛洲壩水電站接入系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Gezhouba Hydropower Plant connecting to system

從負荷發(fā)展情況來看，2011年宜昌江南負荷約1 GW，2015年預計達到1.8 GW[6]，負荷增加800 MW，年均增長率14.8%，大江水電站14臺機組共增容350 MW，遠小于負荷的增長。即便是豐水期小方式，負荷增量(800 MW×0.65=520 MW)也高于大江水電站機組增容量(負荷增長率只要達到10.8%，負荷增量都要大于大江水電站機組增容量)，大江水電站增容不會影響其500 kV外送，且隨著南部地區(qū)負荷發(fā)展，大江水電站—雙河和大江水電站—軍山線路潮流會逐年減少。

宜昌江北220 kV層面存在較大電力缺額，由于宜昌電網以水電裝機為主，豐、枯期水電出力相差懸殊，枯水期電力缺額大于豐水期。二江水電站5臺機組共增容125 MW，二江水電站增容后有利于緩解北部地區(qū)用電緊張狀況。此外，從二江水電站就近所供的幾個站點負荷發(fā)展情況來看，2011年二江水電站出線的第一落點負荷約835 MW，2015年預計達到1.376 GW，負荷增加540 MW，年均增長率13.3%，二江水電站5臺機組共增容125 MW，遠小于負荷的增長，即便豐水期小方式，負荷增量(540 MW×0.65=351 MW)也要高于二江水電站機組增容量(負荷增長率只要達到5.3%，負荷增量都要大于二江水電站機組增容量)，二江水電站機組增容后可以在第一落點完全消納，不會增加后續(xù)電網送出壓力。而且隨著負荷增長，遠期二江水電站所供片區(qū)還需從周邊電網獲得供電支持。

3.2 網架能力

2015年宜昌江南500 kV層面豐水期電力盈余最多，隨著負荷的增長，電力盈余將會逐漸減少，為了校核500 kV網架送出能力和220 kV電網供電能力，研究水平年選取2015年，并考慮電站19臺機組全部改造增容完畢，特高壓電網按照試驗示范工程擴主變壓器考慮。

豐大方式下，大江水電站500 kV出線潮流分布均勻，潮流均不重，增容前，單回線路潮流最大為670 MW，增容后為760 MW，無重載和過載線路。

二江水電站220 kV出線潮流分布也較均勻，增容前，單回線路潮流為86～145 MW，N-1最大潮流為277 MW，發(fā)生在二江水電站—黃花和桔城—黃花線路上；考慮二江水電站5臺機組全部增容后(增加容量為125 MW)，二江水電站220 kV出線潮流略有增加，單回線路潮流增加至87～154 MW，N-1最大潮流仍然是發(fā)生在二江水電站—黃花和桔城—黃花線路上，為277 MW，但N-1均無過載問題。

由于宜昌電網與荊門電網解環(huán)運行，即開斷遠安—雙河和長坂坡—荊門電廠線路，使得黃花和遠安變成為終端變電站，當二江水電站—黃花和桔城—黃花任1回線路故障或檢修時，黃花和遠安變只能通過剩下的1回線路供電，導致該線路潮流較重，隨著負荷的發(fā)展，潮流重載情況將更趨嚴重。

受來水影響，枯大方式下葛洲壩水電站出力減少，大江水電站和二江水電站出線潮流均有所下降，其中大江水電站500 kV單回線路潮流不足500 MW。由于葛洲壩水電站出力降低，枯水期宜昌北部電網還需從安福寺下網一部分電力供應主城區(qū)，增容前，安福寺下網容量約1.725 GW，猇亭—白家沖線路潮流約2×171 MW，N-1潮流264 MW，接近線路熱穩(wěn)極限(280 MW)，閾度僅有16 MW。二江水電站增容后，安福寺下網容量下降為1.666 GW，猇亭—白家沖線路潮流也有所減少，約2×157 MW，N-1潮流下降為243 MW，熱穩(wěn)極限欲度增加至37 MW，電站增容后改善了220 kV電網潮流分布。

4 機電參數(shù)校核

根據(jù)廠家提供的發(fā)電機技術規(guī)范，選取基準功率SB=100 MVA，發(fā)電機各相關參數(shù)折算成標幺值見表1。

由表1可見：發(fā)電機相關電抗參數(shù)的標幺值，改造后與改造前相比變化很小；歸算為統(tǒng)一基準功率后的慣性時間常數(shù)TJ改造前后不變，但是以各自機組額定容量為基準功率的慣性時間常數(shù)TJN，改造后相比改造前減少了1.15～1.32 s，改造前的TJN接近7 s，改造后的TJN不足6 s。

表1 發(fā)電機技術參數(shù)

Table 1 Technical parameters of generator

轉動慣量是表示電力系統(tǒng)出現(xiàn)大干擾時，機組轉動部分保持原來運動狀態(tài)的能力，直接影響到發(fā)電機在甩負荷時的速度上升率和系統(tǒng)負荷突變時發(fā)電機的運行穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和動態(tài)穩(wěn)定也有很大影響，還與機組的造價密切相關。一般來說，轉動慣量越大，機組慣性時間常數(shù)越大，機組轉速變化率愈小，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定越有利。但是轉動慣量過大，將增加機組尺寸或重量，使機組造價猛增，從而導致成本的提高[7-11]。

由表1可見，改造前的發(fā)電機額定慣性時間常數(shù)TJN=6.936 s>6 s，改造后的TJN為5.6～5.8 s，接近6 s，葛洲壩水電站改造后的系統(tǒng)穩(wěn)定性要略差于改造前。

選取2015年，對電站改造增容前后的近區(qū)網架進行穩(wěn)定校核計算，其中大江水電站—雙河單回線路三永故障跳雙回時的穩(wěn)定曲線見圖2。

由穩(wěn)定計算結果可知：

(1)改造后的發(fā)電機技術參數(shù)，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求，電站近區(qū)相關線路發(fā)生三永故障跳單回或雙回線路三永故障跳雙回時，在不采取任何措施的情況下，系統(tǒng)均能維持穩(wěn)定。

(2)電站改造增容后，雖然機組轉動慣量不變，但由于增容后機組額定容量增大，發(fā)電機的額定慣性時間常數(shù)相對減少，由增容前后的穩(wěn)定曲線對比可知，葛洲壩水電站改造增容后的穩(wěn)定性要比改造前略差，但都滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。

圖2 2015年大江水電站—雙河N-2故障增容 前后穩(wěn)定曲線對比圖Fig.2 Stabilization curve comparison before and after uprating under N-2 fault of Gezhouba Dajiang Hydropower Plant-Shuanghe in 2015

綜合分析：葛洲壩水電站改造后的發(fā)電機技術規(guī)范滿足要求，對系統(tǒng)穩(wěn)定影響不大。

5 結 論

(1)葛洲壩改造增容不會影響其500 kV電力外送和220 kV電網供電，二江水電站增容后還將有利于緩解宜昌電網220 kV層面供電壓力，改善220 kV電網潮流分布。

(2)改造后的發(fā)電機技術參數(shù)滿足運行要求，對系統(tǒng)穩(wěn)定影響不大，滿足電網安全穩(wěn)定運行要求。

[1]馬龍，周伍，曾廣棟，等.葛洲壩水電站3號機組增容改造穩(wěn)定性分析[J].大電機技術，2012(6)：44-47. Ma Long， Zhou Wu， Zeng Guangdong， et al. Studies on stabilities of No.3 Unit of GZB power plant after the upgrading[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine， 2012(6)：44-47.

[2]張益華.淺談三峽—葛洲壩聯(lián)合運行對葛洲壩水電站的影響[J].華中電力，2011，24(5)：75-78. Zhang Yihua. Influence of Three Gorges-Gezhouba joint operation to Gezhouba hydropower station[J]. Central China Electric Power， 2011， 24(5)： 75-78.

[3]艾友忠， 盧進玉.葛洲壩水電站機組增容改造綜述[J].水力發(fā)電，2006，32(1)：80-83. Ai Youzhong， Lu Jinyu. The summarize of alteration and capacity-increasing in Gezhouba hydropower station[J]. Water Power， 2006， 32(1)： 80-83.

[4]解浩兵，徐華奇.葛洲壩水電站增容改造機組運行穩(wěn)定性介紹[J].大電機技術， 2009(6)：39-43，48. Xie Haobing， Xu Huaqi. Operation stability of Gezhouba hydropower station after its capacity increasing[J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine， 2009(6)：39-43，48.

[5]湖北省電力公司.湖北電網“十二五”發(fā)展規(guī)劃報告[R].武漢：湖北省電力公司，2010.

[6]湖北電力調度通信中心.湖北電網2015年度運行方式[R].武漢：湖北省電力公司，2015.

[7]趙振元，陳維榮，戴朝華，等.系統(tǒng)慣性時間常數(shù)對互聯(lián)電網暫態(tài)穩(wěn)定水平的影響[J].電網技術，2012，36(1)：102-107. Zhao Zhenyuan， Chen Weirong， Dai Chaohua， et al. Influence of system inertia time constants on transient stability level of interconnected AC power grid[J]. Power System Technology， 2012， 36(1)： 102-107.

[8]曹亞龍.發(fā)電機轉動慣量的計算對PSS參數(shù)整定的影響[J].廣東電力，2010，23(12)：50-53. Cao Yalong.Influence of generator’s moment of inertia calculation on parameter tuning of PSS[J]. Guangdong Electric Power， 2010， 23(12)：50-53.

[9]陳翔，劉天琪，李興源，等.慣性常數(shù)對交直流互聯(lián)系統(tǒng)強弱的評估[J].華東電力，2011，39(12)：1994-1997. Chen Xiang， Liu Tianqi， Li Xingyuan， et al. Strength evaluation by inertia constant for AC-DC interconnected system[J]. East China Electric Power， 2011， 39(12)： 1994-1997.

[10]鄭超，尚慧玉，次丹玉珍，等.轉動慣量對西藏林芝電網外送能力影響機制分析[J].電網技術，2012，36(12)：119-123. Zheng Chao， Shang Huiyu， Cidan Yuzhen， et al. Analysis on influence mechanism of rotational inertia level of generators at sending end on outward power transmission capability for Linzi power network connected with Tibet power grid[J].Power System Technology，2012，36(12)：119-123.

[11]黃娟娟.葛洲壩水電站機組更新改造增容項目接入系統(tǒng)設計[R].武漢：中南電力設計院，2012.

(編輯：蔣毅恒)

Grid Adaptability Analysis after Renovating and Uprating for Gezhouba Hydropower Plant

HUANG Juanjuan， LI Taijun， GUO Xiangguo

(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

To ensure the security and stability of the Gezhouba Power Plant, improve the utilization rate of water and increase power generation benefit, it plans to renovate and uprate 19 sets of 125 MW units including 14 sets in Gezhouba Dajiang Hydropower Plant and 5 sets in Gezhouba Erjiang Hydropower Plant. Base on the operation during peak-load flow period of Hubei power grid in 2015, this paper constructed the network structure model for Hubei Power Grid, calculated the power flow and stability of grid after the renovating and uprating of Gezhouba Hydropower Plant, and checked related mechanical and electrical parameters, with using BPA power system analysis program. The simulation results show that, after the renovating and uprating of Gezhouba Hydropower Plant, the transmission capacity of near-zone 500 kV power grid and the power supply of 220 kV power grid are unaffected and without system stability problem; the related mechanical and electrical parameters are reasonable and meet the system requirements.

Gezhouba hydropower plant; uprating; looping-off; mechanical and electrical parameters; stabilization

TM 312

A

1000-7229(2015)06-0124-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.021

2015-04-23

2015-05-05

黃娟娟(1979)，女，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和研究工作；

李泰軍(1977)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和研究工作；

郭相國(1980)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和研究工作。