二滩电站枯水期3机运行必要性与可行性分析

时间：2024-07-28

姜开波，杨东

(二滩水力发电厂，四川攀枝花 617100)

0 前言

二滩电站共6台机组，单机额定容量为550 MW，5回500 kV出线，其中二普三回线是与四川主网的联系通道，每回长约200 km，属于长距离高压输电线路。在枯水期运行主要面对两个问题，一是日发电量较少，机组负荷率低，旋转备用经常多达3台机额定总容量，即经常有机组在空载运行，这无益会增加耗水率，降低电站经济运行效益;二是二普线为轻载线路，向系统注入大量无功，加之普提站无功不能就地平衡，电网仍要求二滩电站吸收二普线路充电无功及电网部分无功，二滩机组在某种程度上主要为调压而开四台机并网。如果3台机运行能满足电网无功及稳定运行要求，少开1台机并网，无论对节水增效还是降低机组磨损都是有益的。文献［1］通过计算分析了二滩发变组吸收系统无功的能力，但只基于机组低励限制考虑，而实际机组允许进相的深度还受机端电压的影响，分析时不能忽略。下面在文献［1］的基础上针对上述两方面的问题，对二滩电站3机运行的必要性和可行性进行了分析。

1 节水效益

为了避免并网机组吸收电网有功，并网机组最小须带负荷20 MW，相当于空载运行，此时机组过机流量约38 m3/s。机组枯水期平均耗水率约2.47 m3/kWh，将这些数值代入式(1)可以计算出1台机带最小负荷1 h损失的水量为87 400 m3，若少开1台机并网，该水量即为节约水量。

式中，Vs为1台机带最小负荷时浪费的水量，m3;Qn为1台机带最小负荷时的过机流量，m3/s;Pmin为机组最小负荷，kW;t为机组带负荷运行时间，h;cavrg为机组枯水期平均耗水率，m3/kWh。

将此水量按耗水率折算成电量约为35 400 kWh，按每度电0.28元的上网电价计算，价值约1万元。针对4台机并网的情况，每天如能保持少开1台机即3台机运行8 h，枯水期按5个月算，将所节约的水全部发电则可增收1 200万元，因此节水增发电的效益很值得关注。

2 稳定分析

对于3台机并网能否满足电网稳定运行要求，主要从3方面考虑:一是由于线路是轻载运行，因此不易出现低频振荡等功角稳定问题;二是事故情况下对系统电压的影响，全站3机运行，此时跳1台机组对系统电压的抬高以及跳一条线路后系统电压被拉低的问题，经过四川电力试验研究院的稳定计算表明不会引起四川电网的电压稳定问题;三是机组重新并网的问题，二滩电厂机端额定电压18.0 kV，励磁系统调整机端电压范围为±10%，机组并网允许的最大电压偏差为1%，励磁V/f限制定值为1.07，故机组能够顺利并网所允许的系统最高电压为1.07×1.01×522.5 kV=564.7 kV，跳1 台机后，最不利的情况下，500 kV系统电压会升高至544 kV，理论上讲，当系统电压在564.7 kV以下时，二滩电厂机组可以顺利并网。

另外对于频率，随着四川电网装机容量的快速增加以及与重庆电网的增强联系，以及与西北电网、华东电网的联系，加上3机运行时机组所带负荷通常不足455 MW，因此不会因为跳1台机而受到影响。

3 全站吸收电网无功的能力

在满足电网稳定要求时，对于开3台是否能满足枯水期电网的电压调整要求就是主要考虑的问题。该问题可以描述成当电网要求某一系统电压时，各种有功负荷下机组最大进相加上主变压器消耗无功的总和能否满足电网要求全站吸收的无功。通常可以通过试验方式来确定机组及主变压器吸收电网无功的最大能力，但由于涉及频繁调整系统电压、机组有功及无功，运行操作风险较大，同时测得的值也受电网运行方式的影响，因此采用计算的方式来确定机组与主变压器吸收电网无功的最大能力。计算主要考虑机组低励限制和最小机端电压限制对于机组进相的影响。

3.1 机组低励限制曲线的修正

二滩机组的低励限制曲线按表1的几个典型负荷点下低励限制值给出，不同的负荷下允许的进相无功可以分段按线性插值求得。但应注意的是机组低励限制还与机端电压有关，该表所列值是在机端额定电压18 kV下给出的，实际运行中还应该按实际机端电压与定额电压比值的平方进行修正，即按式(2)进行修正。

式中，Qg为发电机实际机端电压对应的允许进相无功，Mvar;Qe为额定电压对应的允许进相无功，可从表1按线性插值求得，Mvar;Ug为发电机实际机端电压，kV。

表1 额定机端电压(18 kV)下机组低励限制

按机端电压最低值17.1 kV修正，可以得到此时的允许进相无功，见表2。

表2 机端电压(17.1 kV)下机组低励限制

3.2 机组功率分配

对于3台机运行时功率的分配主要考虑振动区，按照水头185.0 m、机组振动区为150～455 MW，根据AGC负荷分配原则，可知3台机运行时，机组有功不可分配区域有3段，即:①450～495 MW;②850～930 MW;③1 250～1 365 MW。AGC投入省调控制运行时，将不可分配的负荷区间传送给省调AGC，省调AGC下发设定值时会躲过不可分配负荷的区域，考虑3台机总负荷从最小负荷60 MW到最大1 650 MW，可以得出表3所示的典型负荷分配。

表3 典型有功分配及计算所得无功

表3中P1－P3，Q1－Q3即分别为第1台机至第3台机的有功与无功。

3.3 机组与主变压器吸收无功能力的计算

二滩发电变压器组采用单元接线，所有发电变压器组通过主变压器高压侧双母线并联向电网供电。在计算的时候主要考虑主变压器的电抗参数，而忽略电阻及激励支路，同时忽略厂用电系统，则得出参数折算至主变压器高压侧的简化潮流计算模型，即图1所示。

图1 机组无功计算模型

图1 中，U1为发电机机端电压按主变压器变比折算至主变压器高压侧的电压，kV;XT为主变压器电抗，Ω;U2为主变压器高压侧母线电压，kV;S1为发电机复功率，MVA;P1为发电机有功功率，MW;Q1为发电机无功功率，Mvar。

主变压器是由3台单相双绕组变压器按Y/D－11方式连接构成，单相额定容量是 SN=21 400 MVA，高压侧额定电压，低压侧额定电压18 kV，抽头在3档即变比k=522.5/18。将主变压器短路电压百分比值Uk%=14.51代入XT=求出主变压器电抗。

从发电机端U1往主变压器高压端U2计算，按式(3)求得主变压器高压侧电压有效值。

式中，DU为主变压器电抗电压降纵分量，kV;dU为主变压器电抗电压降横分量，kV;U2为主变压器高压侧母线电压有效值，kV;U1为发电机机端电压按主变压器变比折算至主变压器高压侧的电压有效值，kV。

将DU=Q1XT/U1与dU=P1XT/U1代入式(3)可以得到式(4)，即

由式(4)可以看出，当已知发电机有功、机端电压与主变压器高压侧母线电压则可以求出此时机组的无功。

四川电网在2011—2012年枯期对二滩母线电压曲线最低为524 kV，实际运行中，只要求母线电压最低调至526 kV，此时端电压进相至17.1 kV时，机组只能吸收无功170 Mvar，不及机组低励限制最大值，所以必须考虑机端电压对机组进相能力的影响。当机组在振动区下沿以下运行时，由于有功小，机组低励限制允许进相较大，此时机组最大进相能力主要受机端电压的限制，而对于机组在振动区上沿以上运行时，有功较大，机组低励限制允许进相较小，机端电压不会运行在最低值，此时机组最大进相能力主要受低励限制的作用。表3中是机组无功计算值，相对机组有功小于150 MW时对应的低励限制值相比，可以看出此时发电机在满足机端电压要求与低励限制要求的两个条件中，的确是前者更严格。

对应于表3中所示的各种负荷，可以按式(5)求出主变压器无功损耗，结果列于表4。

式中，DQT为主变压器损耗无功，Mvar。

其他参数含义同图1、式(3)。

表4 对应于表3各负荷计算所得各主变压器的无功

将表3中的各机组的允许进相的无功与表4中各并网机组对应的各主变压器的无功消耗一起考虑，即可得出3台机运行忽略其他主变压器及厂用电时各负荷点下全站吸收系统无功的最大能力，可以作出图2中的机组加主变压器吸收无功能力曲线，该曲线类似于机组的低励限制曲线(见图2中机组最大进相能力曲线)，此曲线表明如果电网要求的某系统电压下的潮流点落于左侧则表明无法满足此系统电压的调节要求，落于右侧则能。

3.4 实际运行数据的验证

从实际运行数据取母线电压为526 kV的数据点，工况为3台机运行，5回出线运行，5台主变压器运行，见表5。

图2 母线电压526 kV时机组加主变压器吸收无功能力

表5 主变压器高压侧母线电压526 kV的实际运行数据

通过式(5)可以计算表5中对应的各负荷情况下主变压器的无功损耗，而线路总无功与机组总无功的差值是实际主变压器、厂用电等无功损耗的总和，忽略厂用电的情况下该差值即主变压器实际损耗的无功，将计算与实际主变压器损耗无功相比，发现计算值比实际值大约20 Mvar，见图3所示。分析原因是计算模型的简化所致，可以进行修正，得出图2中“对应于3台主变压器并网修正后的机组加主变压器吸收无功能力”曲线。考虑到实际工况有1台主变压器小修不投运、其余2台备用机组主变压器空载运行及厂用电无功消耗情况，全站吸收无功的能力，接近于3台机并网时计算出的机组进相总无功和主变压器消耗的无功。

图3 主变压器计算无功损耗与实际损耗的比较

将表5的实际运行数据以散点方式在图2中作出，可以看出，大部分数据落于全厂无功吸收能力曲线的右边，且靠近曲线边缘;也有4个数据点落于该曲线左侧，但都是有功负荷比较大的点，有2台机在振动区上沿的情况。这说明3台机运行时，在小负荷情况下(2台机在振动区下沿)，可以将系统电压调下限;当2台机在振动区上沿运行时，要将系统电压调下限，二滩电厂机组进相值将达到低励限制报警值或机端电压下限值边缘。实际情况是，在枯水期的低谷时段，二滩电厂负荷均在600 MW以下，只需1台机运行在振动区的上沿。