豐寧二期抽水蓄能電站應用可變速機組的必要性分析

趙杰君　王婷婷

摘要：隨著電網中新能源的加入，導致電網的穩定運行尤其是夜間頻率控制變得尤為困難。定速機組水泵工況運行情況下，不能調節輸入功率，無法滿足電網快速準確進行電網頻率調節的要求，可變速機組可有效解決負荷突變所引發的無功功率過剩、工頻過電壓等系統安全運行隱患。文章論證了豐寧二期抽水蓄能電站二期引入可變速機組的必要性。

關鍵詞：可變速機組；抽水蓄能；豐寧二期；電網運行；電網頻率調節 文獻標識碼：A

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

1 國外可變速機組應用現狀

從20世紀60年代開始，國外水電行業就開始了可變速抽水蓄能機組的研究及試驗工作，日本、歐洲在變速抽蓄機組的應用方面均進行了深入的工作，其中日本是研發、制造和應用連續可變速交流勵磁蓄能機組最早且最多的國家。日本已投運的可變速抽水蓄能電站較多，如矢木澤、高見、大河內、鹽源、奧清津、沖繩、小丸川等電站，德國和斯洛文尼亞也有可變速抽蓄電站投產運行。可變速蓄能的各項技術也在不斷優化和發展。變速機組的關鍵設備變頻器經歷了從CYC（Cycloconvertor，可控硅）到GTO（Gate turn off thyristor，門極可關斷晶閘管）或GCT（Gate commutated turn off thyristor，換流晶閘管）再到IEGT（Injection enhanced gate transistor，電子注入增強型晶閘管）的發展階段。IEGT以其在電力電子設備中應用時可使驅動電路、緩沖電路得到簡化，從而提高整個電力電子設備的效率，并且設備尺寸較小，較適用于抽水蓄能電站的地下廠房的特點已得到了廣泛應用。另外，大容量、三相分布繞組的隱極轉子的線圈端部固定方式也經歷了長足的研發、應用和改進，目前如東芝公司的U型螺栓支撐系統已在實際運行中得到了高可靠性的驗證，并已成功應用于額定容量460MW、額定轉速500rpm、世界最高揚程782m的葛野川電站3#/4#變速機組上，且3#機組已于2014年6月9日順利投運。從發達國家的產品研發和電站建設來看，變速蓄能機組的各項技術發展已日趨成熟，且在國際上也逐步形成較為成熟的變速機組的建設、運行和維護經驗。變速機組比定速機組能夠更好地服務于電網，能夠使整個電力系統更經濟地運行，可變速抽水蓄能機組已成為重要的電網調節與控制手段，而且從以往電站的部分機組為變速機組已逐步演變成為電站全部機組均采用變速機組的方式，說明電網的需求和多方面的建設必要性也日益加強，同時變速機組在國際上其他國家和地區也得到了越來越廣泛的重視和建設。

2 京津及冀北電網概況

2.1 電網現狀

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

2013年京津及冀北電網最高發購電負荷為53575MW，同比增長9.07%。截至2013年底，京津及冀北電網調度口徑裝機容量達62101MW，其中省、市調調度裝機容量為58976.1MW，包括火電（燃煤、燃氣）49908.9MW，占比為84.8%；水電（含抽水蓄能）1438MW，占比為2.4%；風電7294.5MW，占比為12.3%；其他334.7MW，占比為0.5%，地調裝機容量為3124.9MW。2013年北京電網全社會用電量為913億kWh，天津電網全社會用電量為774億kWh，冀北電網全社會用電量為1359億kWh。京津及冀北電網全社會用電量為3046億kWh。2013年京津及冀北電網最大負荷日最高發購電負荷為53575MW。

2.2 電源規劃

2013～2015年期間，京津及冀北電網已核準及同意開展前期工作電源項目共計15705MW，2016～2025年期間抽水蓄能機組容量1800MW，火電13890MW。該地區風能資源主要分布在張家口和承德兩地，現有風電裝機規模約為6844MW，預計2025年京津及冀北電網風電裝機將達到20108MW，其中張家口地區風電裝機將達到12700MW，承德地區風電裝機將達到6980MW。

2025年，京津及冀北電網從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網送電150MW，向山東電網送電3500MW，京津及冀北電網區外送受電總計為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，距北京市區的直線距離180km，距承德市的直線距離150km。

豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3600MW，電站分兩期開發，一、二期工程裝機容量分別為1800MW，均安裝6臺單機容量300MW的可逆式水泵水輪機、發電電動機組，在京津及冀北電網系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相和緊急事故備用任務。

樞紐建筑物主要由上水庫，下水庫，一、二期工程水道系統和發電廠房及開關站組成。電站屬一等大（1）型工程，主要建筑物按1級建筑物設計。上、下水庫設計洪水標準采用200年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核。

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

4 豐寧二期抽水蓄能電站應用可變速機組的必要性

4.1 有利于維護首都電網的供電安全

北京是我國的首都，也是我國的政治、經濟、文化和國際交流的中心，其健康穩定發展必將帶動京津冀乃至我國經濟整體協調發展，其輻射帶動作用將引領中國經濟發展的主方向，成為國內區域經濟和社會發展的龍頭。首都的國際化大都市建設和經濟發展以及人民生活水平的提高，都對北京電力供應提出了更高的要求。加之國內國際各種政治、文化、體育活動在京舉辦十分頻繁，保障北京市供電穩定具有更重要的意義。京津及冀北電網擔負著北京地區電力供應的重大責任，同時也是我國特高壓主網架結構的核心，是“三華”特高壓同步電網結構橫縱交接處。因此京津及冀北電網供電安全，是保障北京地區電網穩定運行的根本，是保障北京地區供電安全的電網支撐。

現階段，京津及冀北電網主要依靠火電機組深度調峰來解決電網調峰問題，系統運行極不經濟，而且隨著調峰缺口的不斷擴大，僅依靠燃煤火電機組并不能從根本上解決調峰問題。京津及冀北電網中的供熱機組裝機規模較大，供熱機組冬季實行“以熱定電”，在此期間，電力系統調峰及事故備用容量明顯不足，大容量燃煤火電機組被迫超常規壓負荷運行，甚至存在負荷壓不下來的問題。冬季調峰需求十分迫切。加之河北千萬千瓦級風電基地的建設，京津及冀北電網，尤其是夜間電網傳輸用功功率低于其自然功率時，出現過剩無功功率，引起工頻過電壓，危機系統安全運行迫切需要配備幾臺具有調節性能更優、調節幅度更大、與風電契合度更高的可變機組。

由于可變速抽蓄機組具有調節速率和調節精度高、響應速度較快等特點以及調節幅度大、對電網擾動小等優勢，京津及冀北電網加入可變速抽水蓄能機組，有利于促進堅強智能電網的建設。同時，變速機組可以使用變頻交流勵磁裝置代替SFC進行水泵工況啟動，即可變機組能實現自啟動，交流勵磁系統的輸出頻率逐漸變化，故能實現平滑啟動，從而降低對局部電網的沖擊。此外，變速機組可在較大范圍內調節，且能夠在泵工況下對輸入功率進行調節，也比常規抽水蓄能電站對電網負荷變化的響應速度更快，對電網的波動較小。同時，在負荷突變時，可變電機可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉速，充分利用轉子動能，釋放或吸收負荷，使電網的擾動比常規電機小，能夠有效降低電站啟停對局部電網的沖擊性。

由此可見，在京津及冀北電網建設一定規模的可變機組，對保障北京地區的供電安全將發揮更為巨大的作用。

4.2 有利于外送電源接入電網的安全穩定性

京津及冀北地區是華北電網的負荷中心，由于近年來經濟的飛速發展，對于電力的需求越來越高，而京津及冀北地區由于煤炭、水利等資源的限制，電網無法依靠本地區電源建設來滿足電網電力負荷需求，需要接受山西、內蒙及西北地區的區外送電來滿足本地區電力負荷的需求。根據規劃，2025年，京津及冀北電網從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網送電150MW，向山東電網送電3500MW，京津及冀北電網區外送受電總計為4700MW。

作為受端電網，電網的電源支撐與電壓穩定問題一直被大家所關注。由于電源遠離負荷中心，負荷中心缺少足夠的電壓支撐，因此，當系統受到干擾時，受端電網很容易失去同步穩定和電壓穩定。采用交流勵磁發電機取代傳統的電動發電機組，能夠有效解決傳統抽水蓄能機組所存在的調速和水輪發電機的變速運行等問題，從根本上解決諧波等對電機運行性能的影響，維持電壓的穩定，可以更好地適應受端電網對可靠性的需求。

4.3 有利于提高與可再生能源電源的契合度

河北省是我國千萬千瓦級風電基地，預計2020年總裝機容量將達到16430MW。豐寧抽水蓄能電站建設采用可變速機組，將有利于提高與可再生能源電源的契合度。

一方面，可根據風電等新能源出力過程，更為靈活地跟蹤電網頻率，調節水泵輸入功率的功能，在保證電網安全穩定運行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調節速率提高，可更好地跟蹤風電等穩定性差的出力過程，從而減小新能源電源對電網的沖擊。

4.4 可提高機組效率、延長機組使用壽命

對于可變速機組，機組整體空化性能得到提高；機組可根據運行工況和水輪機特性調整轉速，使機組始終運行于最優或較優工況，因而可明顯改善水泵水輪機的水力性能，提高運行效率，減少震動、空蝕和泥沙磨損，延長機組檢修期，并可擴大運行水頭范圍和負荷范圍，提高機組穩定性。在合適的轉速下運行，變速機組的磨損量可減少50%。根據幾個水電站資料，年平均效率可提高3%～5%，機組檢修期可延長一倍左右。

5 結語

綜上，從電網安全考慮，可變速機組具有良好的穩定性及變速恒頻發電能力、更優的調節性能、更廣的調節范圍，具有一定程度的異步運行能力和較好的調節系統無功、深度吸收系統無功的功能，并可通過自動頻率控制來提高電網供電質量。因此，豐寧二期抽水蓄能電站工程如有可變速機組考慮實施，對電網的安全穩定運行與新能源契合度的提高等方面都非常有利。

參考文獻

[1] 滕軍.對可變速抽水蓄能機組建設必要性和關鍵技術的認識[A].2010年度電氣學術交流會議論文集[C].2010.

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

[3] 韓民曉.可變速抽水蓄能發電技術應用與進展[J].科技導報，2013，31（16）.

[4] 桑原尚夫.大河內電站400MW變速抽水蓄能機組的設計及動態響應特性[J].水利水電快報，1997，（3）.

作者簡介：趙杰君（1984-），女，河北衡水人，中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：水電規劃。

（責任編輯：小 燕）