三峽水電站泄洪對發電影響分析

冉洪偉，龔保紅，劉小錕

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大型水電站通常同時肩負著防洪、發電、航運、生態調度、水資源利用等綜合功能。為充分利用水能，汛期一般優先采用機組發電過流下泄，但當機組滿發下泄流量仍不滿足要求時，將開啟泄洪設施進行泄洪，以增加下泄流量。電站泄洪引起的下游水位波動，將不可避免地對運行機組發電水頭產生影響，需要重點關注電站運行設備能否有效、正確的響應，關系到電站及電網安全穩定運行[1]。

三峽水電站作為世界上規模最大的水利樞紐工程，防洪是最核心效益，肩負著長江中下游流域防洪的重要任務。汛期嚴格按照防洪主管部門批復的相關規程和調度指令控制水庫水位，當對出庫流量的要求大于機組滿發流量時，將會開啟泄洪設施進行泄洪。三峽水電站由左岸電站、右岸電站、地下電站組成，裝機容量大、機組數量多，站內運行設備能否對水頭變化作出可靠響應更關系到電網系統安全穩定的運行。本文通過電站泄洪前后下游水位、有功功率、調速器、AGC等數據實際變化情況，分析了電站泄洪對發電的具體影響過程及原因。

1 泄洪影響分析

1.1 對下游水位影響

水電站泄洪時出庫流量突然增大必然會引起下游水位較大波動，圖1為三峽水電站汛期2次開啟深孔前后實測下游水位變化趨勢圖，其中第一次泄洪開啟1個深孔，第二次泄洪為連續開啟2個深孔。

圖1 泄洪前后下游水位變化趨勢Fig.1 Change trend of water level in downstream before and after flood discharge

如圖1所示，三峽水電站開啟深孔泄洪后下游水位均會快速上升，上升達0.7～1.0 m后逐漸趨于穩定。結合電站歷年開啟深孔泄洪后下游水位實際變化情況，總結規律如下：所開深孔位置和數量對下游水位變化幅度的影響略有差別，但每次開啟深孔后，下游水位立即快速上升隨后保持穩定的變化過程均一致，其中開啟首個深孔對下游水位變化短時影響最大，連續開啟時，下一個深孔開啟對下游水位變化影響相對變小。此外，運用不同的泄洪設施泄洪對下游水位的影響也略有不同[2]。

1.2 對水電站有功功率影響分析

水電站水頭的變化會直接影響到運行機組的有功功率，為應對水頭在短時間內變化引起有功功率波動，目前主要運用電站監控系統AGC和機組調速器的調節功能[3]。

水電站監控系統AGC投入時，會實時對電站設定總有功值和實際總有功值進行比較，當兩者差值大于設定的死區定值后，AGC將重新對有功進行計算分配并下達至機組執行。由于三峽水電站各分廠監控系統AGC功能及死區定值設置等均一致，本文默認各分廠AGC應對開啟深孔泄洪后運行機組單機有功功率變化的調節功能均一致，重點從機組調速器調節功能分析開啟深孔泄洪后對運行機組有功功率影響的情況。

水電站機組調速器的基本任務是根據電網負荷變化不斷調節機組的有功功率，維持機組轉速在額定轉速規定范圍內，以滿足電網對頻率質量的要求。三峽水電站機組正常并網運行時，調速器均投功率模式，在此模式下，會實時對機組給定有功值和實際有功值進行比較，而后調整導葉開度，使實際有功功率接近給定有功功率。但為避免機組調速器頻繁調節影響設備壽命及性能，目前行業普遍做法是設置調節死區，只有給定有功功率和實際有功功率差值大于死區定值后，調速器才會發出增減導葉開度指令，將實際有功功率調節至給定有功功率[4]。通過查詢三峽水電站機組調速器資料得知，左岸電站和地下電站機組的調速器功率模式算法相類似，均設置調節死區且定值一致，但是右岸電站機組調速器未設置調節死區，在調速器功率模式下，實時根據功率給定值，查詢水頭、功率及導葉開度的三維曲線實時進行機組有功功率調整[5]。

1.2.1 對水電站機組有功功率影響

分別對三峽水電站泄洪前后3個分廠機組調速器動作、有功功率變化情況進行對比分析，找出泄洪引起的下游水位波動對機組具體影響情況及異同的原因，圖2～4為泄洪后三峽電站各分廠機組功率及導葉開度變化趨勢圖。

圖2 泄洪后左岸電站機組功率及導葉變化趨勢Fig.2 Change trend of power and guide vane of left bank power station unit after flood discharge

圖3 泄洪后右岸電廠機組功率及導葉變化趨勢Fig.3 Change trend of power and guide vane of right bank power station unit after flood discharge

圖4 泄洪后地下電站機組功率及導葉變化趨勢Fig.4 Change trend of power and guide vane of underground power station unit after flood discharge

三峽水電站開啟深孔泄洪后，下游水位快速上升，運行機組發電水頭降低，而調速器導葉開度不變的情況下，機組有功功率會緩慢下降，由于3個分廠的調速器功率模式下算法存在是否設置調節死區的區別，相對應調速器表現出明顯不同的響應過程。右岸電站機組因調速器功率模式下算法未設置調節死區，實際功率減少后，立即查詢水頭、功率及導葉開度的三維曲線，得出設定功率在水頭變化后的對應導葉開度值，動作導葉調整功率和機組實際功率基本維持設定值不變。而因左岸電站和地下電站機組調速器設置死區，實時對實際有功功率及設定有功功率進行比較，但只有當差值超過死區值后，調速器才會響應動作導葉調節功率，導葉開度表現出先維持不變后快速增加的過程，機組實際有功功率表現出先緩慢下降隨后上升穩定過程。從圖2，3可以看出，開啟泄洪后左岸電站和地下電站機組調速器響應時間并不一致，其中左岸電站機組較地下電站機組晚15 min左右響應，主要原因是泄洪前每臺機組實際有功功率和設定有功功率差值并不完全一致，加上受下游導墻、離泄洪點位置遠近等因素影響各分廠下游水位變化也不可能完全一致，對應機組實際有功功率下降至死區值時間也會有所差別。

1.2.2 對水電站分廠總有功功率影響

各分廠總有功功率會隨單機功率波動疊加而變化，分析時考慮最不利的極端情況，即各分廠監控系統AGC調節功能退出，機組有功功率實際值與設定值完全一致時開啟泄洪，且下游水位變化情況一致，那么分廠實際總有功功率波動理論上最大值等于調速器死區定值乘運行機組臺數。目前該電站調速器死區定值3.5 MW，理論上左岸電站和地下電站總有功功率最大偏差分別為49，21 MW。但水電站實際電力生產過程中，各分廠監控系統AGC功能均保持正常投入狀態，且廠內機組有功功率實際值與設定值之間差值不可能完全一致，下游水位變化也不可能完全一致，各分廠實際總有功功率與設定值的偏差遠達不到理論上的最大值。表1為泄洪后三峽水電站各分廠及全廠實際總有功最大偏差統計。

表1 泄洪后各分廠及全廠總有功功率最大偏差統計Tab.1 Statistics of maximum deviation of total active power of each branch and the whole plant after flood discharge

由表1可見，雖然水電站站內監控系統AGC和調速器具有調節功能，但開啟泄洪后各分廠總有功功率實際值與設定值之間仍會存在偏差，其中右岸電站最大偏差8.4 MW，左岸電站和地下電站偏差均接近30 MW，偏差大小可能受機組臺數及調速器是否設置死區等因素影響，變化趨勢是否與站內單機有功變化一致還需進一步研究。圖5～7為泄洪前后各分廠總有功功率實際變化趨勢圖。

圖5 左岸電站總有功功率變化趨勢Fig.5 Change trend of total active power of left bank power station

圖6 右岸電站總有功功率變化趨勢Fig.6 Change trend of total active power of right bank power station

圖7 地下電站總有功功率變化趨勢Fig.7 Change trend of total active power of underground power station

由圖5～7可以直觀展示三峽水電站在開啟泄洪后各分廠總有功功率波動趨勢與分廠典型機組有功功率變化趨勢一致，其中右岸電站總有功功率無明顯波動，左岸電站和地下電站總有功功率短時快速下降后緩慢上升至設定值，波動均在允許范圍內，滿足并網調度協議及實時調度控制要求。

2 對策分析

針對因三峽水電站泄洪時水頭變化可能引起的站內運行機組有功功率及分廠總有功功率短暫的波動。一方面，運用電站泄洪設施時，嚴格按照調度規程內各泄洪設施安全運行條件、開啟的先后順序、“均勻、間隔、對稱”開啟原則等相關規定執行；另一方面，泄洪期間，電站運行人員應加強運行設備監視和檢查，特別是針對泄洪設施連續開啟時造成的下游水位長時間波動，必要時可采取人工干預，避免實際有功功率長時間偏離設定值，從而給電站和電網安全穩定運行造成安全隱患。

3 結 語

通過對三峽水電站泄洪前后運行設備實際數據變化開展相關性分析，得出因站內監控系統AGC及機組調速器的調節功能，泄洪僅會引起運行機組有功及電站總有功在正常范圍內短時波動，對電網和電站設備安全穩定運行無影響。運用泄洪設施時仍需嚴格按照調度規程執行，期間加強對運行設備監視和檢查，盡量避免有功實際值長時間偏離設定值。后續為了更加精準掌握泄洪對電站運行設備的具體影響，可對不同上游水位和運用不同泄洪設施泄洪時下游水位變化規律、機組調速器功率調節死區設置的必要性及定值合理性等開展進一步專題研究。