大型水電廠在電力系統中的作用

方國成

(福建水口發電集團有限公司,福建福州 350007)

1 緒言

水電廠是實現水力發電的大型工廠,一般的大型水電廠的生產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生旋轉,在該旋轉的過程中水的重力勢能和動能會轉變為機械能,使水輪機帶動發電機工作切割磁力線,這個過程中機械能又轉換為電能輸出,實現完整的發電方式。圖1為大型水電廠的生產流程和主要系統簡圖。

2 大型水電廠在電力系統中的基本作用

一般大型水電廠在電力系統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的最基本的任務,即存在意義。第二點是調峰作用,是指在不同季節氣候,不同的水源豐富程度中,有能力的大型水電廠通過調節負擔負荷來維持正常發電,既完成基本工作,又做到最大程度上保證不浪費水資源。第三點是調頻作用,我國的水電廠頻率為50±0.2赫茲,一般水電廠的調頻需要大型的、有能力的機組來進行。第四點是調相,完整運行調相的過程需要水電廠機組具備調相運行能力,可根據電網要求參與系統無功功率平衡。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中,水輪發電機組有著快速啟動,并且迅速投入發電工作的特點,所以當電力系統突然發生事故時,急需補充電量,常把水電廠的機組作為事故備用機組。

圖1 大型水電廠的生產流程和主要系統簡圖

2.1 大型水電廠在電力系統中的提供電能作用

一般大型水電廠的組成結構為水輪發電機組、變壓器、斷路器、隔離刀閘、勵磁系統、電流互感器、電壓互感器、G I S組合式電器設備、計算機監控系統設備、發電機及變壓器保護設備、管道、水輪機調速器、閥門、泵、計量設備、蓄電池、通訊設備、通風設備、發電機消防設備等。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,水流帶動水輪機發生旋轉,通過旋轉,水的重力勢能和動能轉變為機械能,同時,轉子通直流電產生磁場,切割磁力線,在定子上產生感應電動勢,定子與系統形成回路,輸出負荷,這個過程中機械能又轉換為電能輸出,最后得以實現完整的發電方式。

水電廠在電力系統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,再到發電機組,整個流程實現水力發電,為日漸匱乏的電能源提供補充。

2.2 大型水電廠的調峰、調頻、調相作用

調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峰發電,也可以做到在用電低谷時期通過抽水調峰填谷,以此保證電網的正常運行。一般的大型水電廠都具備相應的調節功能,因為在不同時期,不同季節,水電廠所負擔的負荷程度不同,例如如果在豐水時期或者季節,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荷,負擔滿載工作,負擔提升電力系統的基荷,以此避免浪費水資源的情況發生;而在水流較小的季節里,水電廠需要負擔的是峰荷,之所以選擇水電站負擔峰荷的原因同時也就是水電站與火電站的區別所在,簡單來說區別就在于水位差,把水從高水位放入低水位,在水流經過當中安裝發電機組,水把發電機組葉輪帶動發電機,發出來的電通過升壓變壓器升至電網相同的電壓,然后并網,相當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電機組從冷備轉為熱備,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快速的做出調節。

在調頻方面上,水電站具有調節速度快,操作簡便,調整范圍大不棄水,成本低廉等優點,尤其是快速跟蹤負荷的特點,使得調節性能好的大型水電廠調頻效果非常好。

在調相方面上,水電廠也發揮著比較大的作用,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峰負擔峰荷的基礎上,提供一些機組作為調相機進行調相。此時水輪發電機作為空載的同步電動機運轉,調節其勵磁,發出無功功率,以滿足系統無功的需要。但是,如果水電站離負荷中心較遠,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,以及調相運轉時存在有功損耗等,也就影響其調相的經濟效果,需要綜合比較后確定采用調相運行方式是否合理。水電站接入系統設計的主要內容,及時合理地選擇水電的送電電壓、送電線路的回路數和導線截面,以保證將水電站發出的電能經濟、可靠、合理地送入系統。

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,第一點是結合了水輪發電機組的優點,可以做到迅速啟動,并且快速投入到并網發電環節中去。在水電廠擔任主要調頻站的時候,水電廠的調頻的容量基本上均為備用的容量,這個時候調頻的容量就較為適合作事故備用容量,而且如果一旦發生電源方面,或者電網方面的事故時,可以通過頻率自動減少負荷裝置來完成切除,較少不必要的負荷,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荷中心不近,存在一定距離,這就意味著水電廠與負荷中心之間的“聯絡阻抗”相對較高,所以當緊急事故一旦到來,水電廠可以做到用自同期方式快速并入系統,以在最大程度上降低發生的緊急事件對于需電用戶以及系統的影響。

3 結語

有關于水電廠的優點總結了許多,也正是因為這些優點,或者是區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流程和主要系統,然后闡述了大型水電廠在電力系統中的作用,包括三大點,分別為提供電力、調峰調相調頻作用、以及緊急事故備用作用,這些作用無疑是為現階段全世界的能源規劃問題提供了新的思路和想法,也滿足了人們對于電力質量的需求。

[1] 白成禮,董麗娟,汪亞軍.新形勢下水電廠在電力系統調頻調峰中的功能定位[J].科技創新與應用,2016,(29)：211.

[2] 王根本,李焱剛.并聯運行的電力系統頻率調整以及水電廠在頻率調整中的作用[J].科技創業家,2012,(13)：126.