水電站小負荷調壓運行經濟性分析與對策

馬廣德

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410000）

0 概述

電壓是電能質量的重要指標。電壓過高或過低，都會直接影響工業生產和人們生活的質量，會對電力設備造成損壞，嚴重會引起系統的“電壓崩潰”，引發電網大范圍停電的嚴重后果，對電網的安全造成威脅。

在國家“3060”戰略大背景下，新能源快速發展，電網結構不斷變化，系統電壓調節要求越來越高，單純依靠電網無功補償設備已無法完全滿足系統電壓質量要求。當系統電壓過高時，利用發電機進相運行作為輔助調壓手段。但在系統電壓較高卻沒有負荷空間的時段，水電機組被要求帶小負荷進相運行，對水電站運行的經濟性產生了一些影響。

1 五強溪、白市電廠接入方式及調壓背景

五強溪水電廠位于沅水干流中下游湖南省沅陵縣境內，現裝有7 臺單機容量25 萬kW 的混流式水輪發電機組（包括2023 年投產的擴機2 臺），擴機前年設計發電量53.7 億kW·h，是華中電網中調頻、調峰、調壓的骨干電廠之一，也是湖南省最大的水電廠，采用五民線、五崗線兩回500 kV 出線接入電網（500 kV 五張線正在建設中）。

白市水電廠位于貴州省黔東南州天柱縣境內，是沅水流域梯級開發的第四級。電廠安裝3 臺單機容量14 萬kW 的混流式水輪發電機組，年設計發電量12.36 億kW·h。白市電廠開關站承載著上游三板溪電廠的電力輸出任務，兩回500 kV 線路，其中一回三白線聯絡至上游三板溪電廠，一回白艷線送出至懷化艷山紅開關站。

湖南電網結構特點是西電東送，大多數電源點距長株潭負荷中心距離較遠，這種結構特點的一個負面結果就是大量線路充電無功加入電網遠距離傳輸，水電大發季節影響有功送出而無功不足，枯水季節則無功大量過剩，電壓大幅升高，危及電網安全。傳統的補償法由于其容量小、調節的不平滑性，已經不能滿足現代電力系統運行的要求，所以增加發電機的無功調節手段勢在必行，利用大容量機組進相運行，吸收電力系統中過剩的無功功率，降低電壓，是電網調節的一個很強的調控手段。

目前五強溪、白市電廠在夜間電壓較高、系統調節困難時段，通常按照華中網調要求機組小負荷深度進相運行參與系統調壓。該方式下運行，對機組的壽命和經濟運行均產生不利的影響。

2 小負荷調壓運行經濟分析

以下從小負荷調壓運行方式下對經濟性的影響、折損電量計算、考核與補償情況幾個方面進行分析。

2.1 小負荷調壓運行對經濟性的的影響

五強溪電廠機組小負荷調壓出力一般為10～20 MW，機組最大進相深度為-80 Mvar，白市電廠機組小負荷調壓出力一般為30 MW，機組最大進相深度為-45 Mvar，通常根據AVC 自動調節500 kV母線電壓。機組在此不良工況下長時間運行，將對發電企業造成直接和間接的經濟損失[1]。

（1）對經濟性的直接影響。機組在小負荷工況運行時，機組單位負荷下消耗的流量較大，效率相對較低，發電耗水量較高[2]，運行的經濟性指標較差。以五強溪電廠為例，2022 年全年平均發電耗水量為8.46 m3/kW·h,而帶15 MW 負荷調壓運行時的耗水率高達30 m3/kW·h 左右，因此造成一定的電量損失[3]。

（2）對經濟性的間接影響。機組小負荷調壓時間過長后，對機組的影響還表現在以下方面：機組在振動區或振動區邊緣運行，正常情況下為不推薦運行區，機組振動擺度數據超標，造成金屬部件疲勞、元器件接口及二次接線端子松動，容易引發設備故障，增加設備維護工作量；發電機長期進相運行，定子發熱增加，特別是定子端部發熱嚴重，容易引起定子繞組絕緣降低；在尾水管中形成的脈動壓力可使尾水管管壁產生裂縫，在嚴重的情況下，整個尾水設施可能被破壞；可能引起水輪機組共振，使整個機組與廠房遭到不同程度的破壞[4-6]。

在以上不良工況下長期運行，將對機組壽命產生不利影響，增大機組維護工作量，縮短檢修周期，使檢修費用增加。

2.2 折損電量計算

計算思路：將小負荷調壓運行期間的發電水量，換算成假設用于正常負荷發電的預期發電量，其與小負荷調壓發電量的差值即計為損失電量。調壓水量=調壓單機過機流量×3 600×調壓小時數；調壓電量=調壓單機出力×調壓小時數；預期電量=調壓水量/正常發電平均耗水率。

由以上可得公式：

式中：E損失為調壓損失的發電量（萬kW·h）；E預期為調壓水量換算到正常發電的發電量（萬kW·h）；T調壓為調壓時長（h）；Q調壓為調壓流量（m3/s）；ε為平均耗水率（m3/kW·h）；為調壓時的出力（萬kW）。

（1）五強溪電廠2020～2022 年調壓損失電量計算

圖1 五強溪電廠NHQ 曲線

查詢五強溪電廠2020～2022 年平均水頭、平均耗水率、調壓時長，根據NHQ 曲線可查詢機組調壓運行對應的流量，根據公式（1）、（2）、（3）可計算調壓損失電量如表1。

表1 五強溪電廠2020～2022 年小負荷調壓損失電量計算表

(2)白市電廠2022 年調壓損失電量計算

白市電廠2022 年調度下令小負荷調壓運行時長1 154 h，查詢白市電廠2022 年平均水頭、平均耗水率，根據NHQ 曲線可查詢機組調壓運行對應的流量，根據公式（1）（2）（3）可計算調壓損失電量如表2：

表2 白市電廠2022 年小負荷調壓損失電量計算表

圖2 白市電廠NHQ 曲線

根據以上計算可知，五強溪電廠2020～2022年小負荷調壓損失電量分別為1 372.8 萬kW·h、1 694.2 萬kW·h、2 658 萬kW·h；白市電廠2022 年小負荷調壓損失電量為687.7 萬kW·h，且調壓時長呈逐年上升趨勢。僅2022 年一年，五強溪、白市兩廠小負荷調壓運行消耗的同等水量，如用于正常發電可多發3 345.7 萬kW·h 的電量，這對發電企業來說是一筆不小的損失。

2.3 補償與考核情況分析

小負荷調壓運行期間的補償和考核主要考慮無功的考核和補償及輔助服務分攤費用。當前華中電網“兩個細則”對發電企業無功和電壓的考核較重，當發電機組進相運行時，若機組無功出力的絕對值小于電力調度機構下發的發電機組進相深度絕對值要求且電廠的母線電壓大于電壓曲線所要求的母線電壓上限時，計為一個考核點，每臺機組每日只要有一個考核點就考核，考核值按全廠額定容量×0.2的標準進行考核。

以2022 年華中電網“兩個細則”獎勵和考核情況作為參考，五強溪電廠2022 年申訴前無功考核25 萬kW·h；無功補償0.18 萬元，按當前電價0.242 元/kW·h 計算，折合電量為0.74 萬kW·h。白市電廠2022 年申訴前無功考核8.4 萬kWh；無功補償7.98 萬元，按當前電價0.37 元/kW·h 計算，折合電量為21.57 萬kW·h。依據《湖南省電力輔助服務市場交易規則（試行）》（湘監能市場[2020]81 號）相關條款規定，夜間低谷時期深度調峰輔助服務開啟期間，開機參與系統調壓將可能產生輔助服務分攤費用。

由于系統夜間低谷期間系統電壓普遍偏高，機組參與系統調壓無疑增加了無功考核風險，且可能產生輔助服務分攤費用。雖然發電企業有維護電網安全穩定的義務，但按電網調度要求進行小負荷調壓所得到的補償與所受電量損失和承擔的考核風險相差懸殊。

3 優化對策

要減少五強溪、白市電廠小負荷調壓的經濟損失，可從減少調壓次數和時間、減少無功考核、增加無功補償3 個方面考慮，可采取以下措施：

（1）向華中網調建議加快無功補償設施建設，同時優化調壓措施，有調壓需求時盡可能優先采用變電站進行調壓或多利用掛網的火電機組調壓，減少五強溪、白市電廠的調壓時間，盡量確保電廠的安全經濟運行。

（2）因電網結構發生變化導致系統電壓升高，可向電網申請適當提高電廠母線電壓控制上限。自2022 年10 月，湖南湘西邊城變電站投運后，湘西南電網電壓較之前有所升高，經分析對比白市電廠母線平均電壓提高了1.3 kV，托口電廠母線平均電壓提高了1.5 kV。經與華中網調溝通協調，華中網調下達的2023 年華中電網第三季度直調廠站中樞點電壓曲線，五強溪、三板溪、白市、托口電廠三季度母線電壓的上限值較上一季度均提高了2 kV，此舉在一定程度上減少了電廠調壓次數。

（3）優化電廠機組勵磁系統欠勵限制曲線，修改AVC 勵磁調節限值，開展采集裝置調校，提高采樣精度，釋放機組無功調節能力，減少無功考核事件。

（4）加強與能源監管部門溝通，建議加大“兩個細則”中無功補償的獎勵力度，減少電廠小負荷調壓運行的經濟損失。

4 結語

五強溪、白市電廠小負荷調壓的運行方式不夠經濟，且對機組的壽命產生不良影響。今后可繼續從調度側優化調壓措施、根據電網結構變化調整電壓控制曲線、優化發電機勵磁系統功能減少無功考核、建議平衡無功補償與考核力度等方面開展工作，進一步優化運行指標，提高經濟效益。