淺談瀑布溝、深溪溝、枕頭壩水電站電壓聯合調節

向 文 軍

(國家能源大渡河生產指揮中心，四川 成都 610000)

0 引 言

電壓是電力系統無功功率供需平衡的具體表現，無功功率的傳輸不但產生很大的損耗，而且沿傳輸途徑有很大的電壓降落，因而系統中各中樞點的電壓特性更具有地區性質。電壓過高或過低均能造成用電設備的損壞，并能降低產品的質量和生產效率，甚至使某些設備不能工作。隨著電網的生產和發展，電壓已不只是一個供電質量問題，還關系到電網的安全運行和經濟運行[1]。為了實現電網的電壓控制和調整，可建立以幾個發電廠為中心的地區網絡，采用分散電壓調節和集中控制相結合方式，根據無功功率就地平衡的原則，在調度中心的統一協調下，自動維持本地區電壓在規定范圍內。

1 三站工程概況

1.1 瀑布溝水電站

瀑布溝水電站是大渡河干流梯級規劃中的第19個梯級。采用6臺單機容量600 MW的混流式水輪發電機組，裝機總容量3 600 MW。電站主要送電方向為成都和川西北地區，采用500 kV電壓等級接入系統。電站出線六回，其中四回至眉山東坡500 kV變電站，線路長約171 km；一回接深溪溝水電站，線路長約22 km；備用一回。

1.2 深溪溝水電站

深溪溝電站為大渡河干流規劃的第20級電站，其上一梯級為瀑布溝電站，下一級為枕頭壩電站。電站共有4臺軸流式機組，單機容量165 MW，總裝機容量660 MW。出線電壓采用500 kV電壓，出線二回，一回接入瀑布溝電站升壓站，經瀑布溝電站接入四川主網，至瀑布溝電站的線路距離約22 km；另一回接枕頭壩水電站，線路長約27 km。

1.3 枕頭壩水電站

枕頭壩水電站為大渡河干流水電28級規劃的第21個梯級，其上一梯級為深溪溝電站，共有4臺軸流轉槳式機組，單機容量180 MW，裝機容量720 MW。電站采用500 kV電壓等級接入系統。電站出線兩回，一回至深溪溝電站，線路長約27 km；備用一回至枕頭壩二級電站方向。

2 三站無功與電壓關系分析

枕頭壩電站負荷通過枕深線送至深溪溝電站，再通過深溪溝電站深布線將深溪溝電站負荷、枕頭壩電站負荷送至瀑布溝電站。則瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站組成一個簡單的開式網絡。

2.1 電壓分析模型建立

由于瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站距離較短，架空線路未考慮線路參數的分布性及線路容升效應等因素。瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站輸電線路等值電路見圖1。其中R和X分別表示線路等值電阻和等值電抗；U1為枕頭壩線電壓；U2為深溪溝線電壓；U3為深布線瀑布溝側線電壓；I1為枕深線電流，以U1、U2為例。

圖1 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站輸電線路等值電路圖

U1-U2=(R1+jX1)I1=ΔU2+δU2

(1)

由于

(2)

則

U1=U2+ΔU2+δU2

(3)

其向量圖見圖2[2]。

圖2 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站等值向量圖

(4)[4]

故可認為U1≈U2+ΔU2，同理可得U2≈U3+ΔU3。

3 目前三站電壓調節存在的問題

2019年2月15日，瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站AVC投省調閉環控制，14∶37省調AVC下發值(瀑布溝AVC設值531.32 kV、深溪溝AVC設值530.22 kV、枕頭壩AVC設值532.54 kV)，枕頭壩2號、3號機組減磁閉鎖，枕頭壩一級2F、3F發電機勵磁系統欠勵限制動作。查詢監控系統歷史記錄見表1和圖3。

4 故障原因分析

從瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站歷史數據中可以看出：

(1)故障前后瀑布溝電壓基本保持不變，見圖4。

(2)14:37以后枕頭壩電壓略低于深溪溝電壓，深溪溝機組無功增加，枕頭壩機組無功降低，兩站無功互相拉扯，見圖5、6。

分析故障原因為：根據瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站電壓分析模型，可以得出瀑深枕三站電壓應滿足枕頭壩電壓U1>深溪溝電壓U2>瀑布溝電壓U3。而14∶37瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站AVC投省調閉環控制，枕頭壩AVC收到省調電壓下調指令，由于枕頭壩AVC電壓值設定不合理，使枕頭壩AVC電壓設定值略低于深溪溝AVC電壓設定值。枕頭壩電壓下降，枕頭壩機組無功相應減少，同時枕頭壩電壓降低引起深溪溝電壓降低，而深溪溝AVC為保持深溪溝電壓不變，機組無功增加。同時深溪溝電壓反作用于枕頭壩電壓，阻止枕頭壩電壓下降。枕頭壩AVC為達到目標設定值進一步減少機組無功直到減磁閉鎖動作。

表1 瀑深枕三站電壓及深枕無功變化(14∶26-14∶45)

圖3 瀑深枕三站電壓及深枕無功變化趨勢(電壓單位：kV 無功單位：Mvar)

圖4 瀑深枕三站電壓變化趨勢(電壓單位：kV 無功單位：Mvar)

圖5 深溪溝電壓及無功變化趨勢(電壓單位：kV 無功單位：Mvar)

5 電壓聯合調節

電力系統中無功實行分層、分區、就地平衡原則，梯級水電站聯合電壓調節(VCS)主要用于電力系統負荷實時調整后各電站無功出力決策的實施，實現梯級水電站廠間無功負荷的實時分配，以確保在電力系統安全的前提下不會出現機組長期欠勵、過勵等不合理現象，從而達到科學、安全的目的。

5.1 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩電壓聯調工作流程

瀑布溝、深溪溝、枕頭壩地理位置相距較近。瀑布溝機組容量大，無功調節能力強，同時瀑布溝母線裝設2組容量為160 Mvar電抗器，深溪溝，枕頭壩電站機組容量小，無功調節能力差。瀑布溝電站、深溪溝電站、枕頭壩電站均具有AVC功能。瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站聯合電壓調節(VCS)作為一個處于電網調度和電廠AVC之間的運行控制層。根據電網調度機構要求的區域電壓曲線, 并考慮站間電壓偏移、機組容量以及廠內相關約束條件，確定流域內梯級各電站最佳的無功功率分配，再下達給電廠AVC 執行。瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站電壓聯調工作流程見圖7[5]。

圖6 枕頭壩電壓及無功變化趨勢(電壓單位：kV 無功單位：Mvar)

圖7 瀑深枕三站VCS工作流程

5.2 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩電壓聯調策略

瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站作為以瀑布溝電站為調節樞紐，深溪溝、枕頭壩輔助調節的區域電網。當區域內電壓偏高(低)，調節瀑布溝電站(樞紐電站)電壓，其余兩站輔助調整電壓[6]，同時避免區域內多臺設備同時調整無功引起震蕩。

(1) 系統電壓調整。

(2) 電壓一定時，有功功率調整引起無功功率變化。

(3) 投切無功補償裝置。

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針對影響電壓偏移主要因素，制定相應調節策略：

(1)調度機構下達瀑布溝電壓值，瀑布溝電壓設定值變化，引起瀑布溝母線無功功率Q變化，計算出當前瀑布溝、深溪溝兩站的電壓差，得出深溪溝電壓設定值。采集深溪溝母線無功功率Q變化，計算出當前深溪溝、枕頭壩兩站的電壓差，得出枕頭壩電壓設定值。

(2)瀑布溝設定電壓一定時，瀑布溝有功變化或投切電抗器，引起瀑布溝母線無功功率Q變化，計算出當前瀑布溝、深溪溝兩站的電壓差，得出深溪溝電壓設定值。采集深溪溝母線無功功率Q變化，計算出當前深溪溝、枕頭壩兩站的電壓差，得出枕頭壩電壓設定值。

(3)深溪溝設定電壓一定時，深溪溝有功變化，引起深溪溝母線無功功率Q變化，計算出當前深溪溝、枕頭壩兩站的電壓差，得出枕頭壩電壓設定值。

具體調節策略圖見圖8。

圖8 瀑深枕三站VCS調節策略圖

5.3 系統安全閉鎖

電壓聯合調節(VCS)系統故障、操作不當以及外部環境的變化等多種因素都可能造成電壓聯合調節(VCS)系統失控。電壓聯合調節(VCS)系統的失控通常會給電網和電站帶來嚴重的影響。因此，電壓聯合調節(VCS)系統如果發生了以下異常情況，則VCS自動退出控制，電站AVC保持原有工作狀態。VCS自動退出條件如下：

(1) 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三站任一站AVC閉環控制退出。

(2) 深布線、枕深線任一線路跳閘或檢修。

(4) 深布線、枕深線任一線路無功功率長時間無變化或發生突變。

(5) 電網電壓異常。

(6) 集控與電站通訊中斷。

(7) 集控與調度通訊中斷。

6 結 語

由于瀑布溝、深溪溝、枕頭壩三級梯級電站接線方式特殊性，可將瀑布溝電壓值作為該區域電壓值，當調度機構控制區域電壓變化時，通過主要調整瀑布溝電壓，深溪溝、枕頭壩輔以調壓方式，就可以使三站電壓時刻保持在合理偏移范圍內，避免電站間無功功率互相拉扯現象。同時解決了電壓傳統控制方式中，采用電壓-無功單站控制，而不能做到電壓-無功地區控制的問題。在流域梯級電站智慧調度建設中，區域電壓聯合調節意義重大，控制著電壓質量和提高電壓合格率、梯級電站運行管理水平，為實現電站運行安全、經濟、優質、高效發揮巨大作用。