黃娟娟，李泰軍，郭相國

(中南電力設(shè)計(jì)院， 武漢市 430071)

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葛洲壩水電站增容改造電網(wǎng)適應(yīng)性分析

黃娟娟，李泰軍，郭相國

(中南電力設(shè)計(jì)院， 武漢市 430071)

為保障葛洲壩水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高水量利用率和增加發(fā)電效益，計(jì)劃對葛洲壩水電站19臺(tái)125 MW機(jī)組(大江水電站14臺(tái)、二江水電站5臺(tái))進(jìn)行更新改造增容。以2015年湖北電網(wǎng)豐大運(yùn)行方式為背景，采用BPA電力系統(tǒng)分析程序，搭建湖北電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，對葛洲壩水電站增容改造后的電網(wǎng)進(jìn)行潮流穩(wěn)定計(jì)算，并對相關(guān)機(jī)電參數(shù)進(jìn)行了校核。仿真計(jì)算結(jié)果表明，葛洲壩水電站增容改造后，不影響近區(qū)500 kV網(wǎng)架送出和220 kV電網(wǎng)供電，不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，相關(guān)機(jī)電參數(shù)選擇合理，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

葛洲壩水電站；增容；解環(huán)；機(jī)電參數(shù)；穩(wěn)定

0 引 言

葛洲壩水利樞紐工程位于湖北省宜昌市境內(nèi)的長江三峽末端河段上，距上游的三峽水電站38 km，是長江干流上修建的第一座大型水電工程，是三峽工程的反調(diào)節(jié)和航運(yùn)梯級(jí)，具有發(fā)電、改善航道等綜合效益，為無調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站。葛洲壩水電站共裝有21臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)170 MW，19臺(tái)125 MW，總裝機(jī)容量2 715 MW，至今已運(yùn)行30多年。葛洲壩水電站機(jī)組投入運(yùn)行以來，為盡量減少棄水，機(jī)組長期處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，平均年運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)6 000 h以上，遠(yuǎn)高于國內(nèi)其他水電站，機(jī)組部件開始出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，導(dǎo)致電站運(yùn)行故障率上升，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行[1-2]。

隨著三峽電站投產(chǎn)運(yùn)行，葛洲壩水電站作為三峽電站的反調(diào)節(jié)水利樞紐，三峽電站滿發(fā)或調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，下泄流量大大超過葛洲壩水電站的滿出力流量，造成葛洲壩水電站被迫棄水，影響三峽電站的調(diào)峰能力和三峽—葛洲壩水電站聯(lián)合運(yùn)行的整體效益[3]。為保障葛洲壩水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使三峽—葛洲壩樞紐發(fā)電流量匹配，避免大量棄水，提高水量利用率，增加發(fā)電效益，中國長江電力有限公司擬計(jì)劃對19臺(tái)125 MW機(jī)組(大江水電站14臺(tái)、二江水電站5臺(tái))進(jìn)行更新改造增容[4]。本文以2015年湖北電網(wǎng)豐大方式為基礎(chǔ)，采用BPA電力系統(tǒng)分析程序，對葛洲壩水電站機(jī)組增容改造后的電網(wǎng)進(jìn)行潮流穩(wěn)定分析，并對相關(guān)機(jī)電參數(shù)進(jìn)行校核。

1 電廠概況

葛洲壩水電站分為大江水電站和二江水電站，其中大江水電站裝有14臺(tái)125 MW機(jī)組，發(fā)電機(jī)和主變壓器采用“兩機(jī)一變”、“兩變一線”的擴(kuò)大單元接線方式，接入廠內(nèi)配電裝置(3/2接線)，大江水電站采用500 kV電壓等級(jí)，出線6回接入系統(tǒng)，分別至雙河2回、玉賢(軍山)1回、朝陽2回、隔河巖1回，其中至雙河和玉賢的導(dǎo)線均采用4×300 mm2，至朝陽的導(dǎo)線為4×400 mm2，至隔河巖的導(dǎo)線為4×500 mm2。

二江水電站共7臺(tái)機(jī)組，分別為2臺(tái)170 MW和5臺(tái)125 MW機(jī)組，采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線方式接入廠內(nèi)配電裝置(雙母帶旁母，旁母分段)，二江水電站采用220 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，出線10回，分別至小雁溪1回、陳家沖1回、遠(yuǎn)安1回、長坂坡1回、桔城2回、白家沖2回、點(diǎn)軍2回，其中至陳家沖、遠(yuǎn)安和長坂坡導(dǎo)線截面較小，為400 mm2；葛白雙回線路采用2×ACCC-611碳纖維復(fù)合導(dǎo)線；其余導(dǎo)線均采用2×300 mm2。

大江水電站與二江水電站之間設(shè)置有2臺(tái)360 MVA的聯(lián)絡(luò)變壓器，由于二江水電站近區(qū)負(fù)荷增加，外送壓力變小，目前2臺(tái)聯(lián)變已取消。大江水電站與二江水電站的接入系統(tǒng)示意如圖1所示。

2 改造增容方案

葛洲壩水電站共裝有21臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)170 MW，19臺(tái)125 MW。中國長江電力有限公司計(jì)劃對19臺(tái)125 MW機(jī)組進(jìn)行更新改造增容，單機(jī)增容25 MW，總增容量為475 MW，其中大江水電站電廠增容350 MW、二江水電站電廠增容125 MW。

根據(jù)長江電力提供的發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)更新改造滾動(dòng)計(jì)劃，葛洲壩水電站首臺(tái)機(jī)組將于2014年進(jìn)行改造增容，到2015年將有2臺(tái)大江機(jī)組和1臺(tái)二江機(jī)組改造完畢；2016—2019年，每年完成二江水電站1臺(tái)機(jī)組的增容，到2019年二江水電站5臺(tái)機(jī)組全部改造增容完畢；2017—2021年，每年完成大江水電站2臺(tái)機(jī)組的增容，到2022年，大江水電站14臺(tái)機(jī)組全部改造增容完畢。

3 電網(wǎng)適應(yīng)性分析

3.1 宜昌電網(wǎng)消納能力

根據(jù)文獻(xiàn)[5]推薦的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案，“十二五”期間，宜昌電網(wǎng)內(nèi)部分為3片運(yùn)行：龍泉饋供片、二江水電站+宜昌北(安福寺)片和隔河巖+宜昌南(朝陽)片。基于上述分片供電方案，葛洲壩機(jī)組改造增容后，主要對宜昌南部豐水期500 kV層面送出(葛洲壩大江水電站)和宜昌北部220 kV層面供電有影響(葛洲壩二江水電站)。

圖1 葛洲壩水電站接入系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Gezhouba Hydropower Plant connecting to system

從負(fù)荷發(fā)展情況來看，2011年宜昌江南負(fù)荷約1 GW，2015年預(yù)計(jì)達(dá)到1.8 GW[6]，負(fù)荷增加800 MW，年均增長率14.8%，大江水電站14臺(tái)機(jī)組共增容350 MW，遠(yuǎn)小于負(fù)荷的增長。即便是豐水期小方式，負(fù)荷增量(800 MW×0.65=520 MW)也高于大江水電站機(jī)組增容量(負(fù)荷增長率只要達(dá)到10.8%，負(fù)荷增量都要大于大江水電站機(jī)組增容量)，大江水電站增容不會(huì)影響其500 kV外送，且隨著南部地區(qū)負(fù)荷發(fā)展，大江水電站—雙河和大江水電站—軍山線路潮流會(huì)逐年減少。

宜昌江北220 kV層面存在較大電力缺額，由于宜昌電網(wǎng)以水電裝機(jī)為主，豐、枯期水電出力相差懸殊，枯水期電力缺額大于豐水期。二江水電站5臺(tái)機(jī)組共增容125 MW，二江水電站增容后有利于緩解北部地區(qū)用電緊張狀況。此外，從二江水電站就近所供的幾個(gè)站點(diǎn)負(fù)荷發(fā)展情況來看，2011年二江水電站出線的第一落點(diǎn)負(fù)荷約835 MW，2015年預(yù)計(jì)達(dá)到1.376 GW，負(fù)荷增加540 MW，年均增長率13.3%，二江水電站5臺(tái)機(jī)組共增容125 MW，遠(yuǎn)小于負(fù)荷的增長，即便豐水期小方式，負(fù)荷增量(540 MW×0.65=351 MW)也要高于二江水電站機(jī)組增容量(負(fù)荷增長率只要達(dá)到5.3%，負(fù)荷增量都要大于二江水電站機(jī)組增容量)，二江水電站機(jī)組增容后可以在第一落點(diǎn)完全消納，不會(huì)增加后續(xù)電網(wǎng)送出壓力。而且隨著負(fù)荷增長，遠(yuǎn)期二江水電站所供片區(qū)還需從周邊電網(wǎng)獲得供電支持。

3.2 網(wǎng)架能力

2015年宜昌江南500 kV層面豐水期電力盈余最多，隨著負(fù)荷的增長，電力盈余將會(huì)逐漸減少，為了校核500 kV網(wǎng)架送出能力和220 kV電網(wǎng)供電能力，研究水平年選取2015年，并考慮電站19臺(tái)機(jī)組全部改造增容完畢，特高壓電網(wǎng)按照試驗(yàn)示范工程擴(kuò)主變壓器考慮。

豐大方式下，大江水電站500 kV出線潮流分布均勻，潮流均不重，增容前，單回線路潮流最大為670 MW，增容后為760 MW，無重載和過載線路。

二江水電站220 kV出線潮流分布也較均勻，增容前，單回線路潮流為86～145 MW，N-1最大潮流為277 MW，發(fā)生在二江水電站—黃花和桔城—黃花線路上；考慮二江水電站5臺(tái)機(jī)組全部增容后(增加容量為125 MW)，二江水電站220 kV出線潮流略有增加，單回線路潮流增加至87～154 MW，N-1最大潮流仍然是發(fā)生在二江水電站—黃花和桔城—黃花線路上，為277 MW，但N-1均無過載問題。

由于宜昌電網(wǎng)與荊門電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行，即開斷遠(yuǎn)安—雙河和長坂坡—荊門電廠線路，使得黃花和遠(yuǎn)安變成為終端變電站，當(dāng)二江水電站—黃花和桔城—黃花任1回線路故障或檢修時(shí)，黃花和遠(yuǎn)安變只能通過剩下的1回線路供電，導(dǎo)致該線路潮流較重，隨著負(fù)荷的發(fā)展，潮流重載情況將更趨嚴(yán)重。

受來水影響，枯大方式下葛洲壩水電站出力減少，大江水電站和二江水電站出線潮流均有所下降，其中大江水電站500 kV單回線路潮流不足500 MW。由于葛洲壩水電站出力降低，枯水期宜昌北部電網(wǎng)還需從安福寺下網(wǎng)一部分電力供應(yīng)主城區(qū)，增容前，安福寺下網(wǎng)容量約1.725 GW，猇亭—白家沖線路潮流約2×171 MW，N-1潮流264 MW，接近線路熱穩(wěn)極限(280 MW)，閾度僅有16 MW。二江水電站增容后，安福寺下網(wǎng)容量下降為1.666 GW，猇亭—白家沖線路潮流也有所減少，約2×157 MW，N-1潮流下降為243 MW，熱穩(wěn)極限欲度增加至37 MW，電站增容后改善了220 kV電網(wǎng)潮流分布。

4 機(jī)電參數(shù)校核

根據(jù)廠家提供的發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范，選取基準(zhǔn)功率SB=100 MVA，發(fā)電機(jī)各相關(guān)參數(shù)折算成標(biāo)幺值見表1。

由表1可見：發(fā)電機(jī)相關(guān)電抗參數(shù)的標(biāo)幺值，改造后與改造前相比變化很?。粴w算為統(tǒng)一基準(zhǔn)功率后的慣性時(shí)間常數(shù)TJ改造前后不變，但是以各自機(jī)組額定容量為基準(zhǔn)功率的慣性時(shí)間常數(shù)TJN，改造后相比改造前減少了1.15～1.32 s，改造前的TJN接近7 s，改造后的TJN不足6 s。

表1 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

Table 1 Technical parameters of generator

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表示電力系統(tǒng)出現(xiàn)大干擾時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力，直接影響到發(fā)電機(jī)在甩負(fù)荷時(shí)的速度上升率和系統(tǒng)負(fù)荷突變時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定也有很大影響，還與機(jī)組的造價(jià)密切相關(guān)。一般來說，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)越大，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率愈小，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定越有利。但是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過大，將增加機(jī)組尺寸或重量，使機(jī)組造價(jià)猛增，從而導(dǎo)致成本的提高[7-11]。

由表1可見，改造前的發(fā)電機(jī)額定慣性時(shí)間常數(shù)TJN=6.936 s>6 s，改造后的TJN為5.6～5.8 s，接近6 s，葛洲壩水電站改造后的系統(tǒng)穩(wěn)定性要略差于改造前。

選取2015年，對電站改造增容前后的近區(qū)網(wǎng)架進(jìn)行穩(wěn)定校核計(jì)算，其中大江水電站—雙河單回線路三永故障跳雙回時(shí)的穩(wěn)定曲線見圖2。

由穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知：

(1)改造后的發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，電站近區(qū)相關(guān)線路發(fā)生三永故障跳單回或雙回線路三永故障跳雙回時(shí)，在不采取任何措施的情況下，系統(tǒng)均能維持穩(wěn)定。

(2)電站改造增容后，雖然機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，但由于增容后機(jī)組額定容量增大，發(fā)電機(jī)的額定慣性時(shí)間常數(shù)相對減少，由增容前后的穩(wěn)定曲線對比可知，葛洲壩水電站改造增容后的穩(wěn)定性要比改造前略差，但都滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。

圖2 2015年大江水電站—雙河N-2故障增容 前后穩(wěn)定曲線對比圖Fig.2 Stabilization curve comparison before and after uprating under N-2 fault of Gezhouba Dajiang Hydropower Plant-Shuanghe in 2015

綜合分析：葛洲壩水電站改造后的發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范滿足要求，對系統(tǒng)穩(wěn)定影響不大。

5 結(jié) 論

(1)葛洲壩改造增容不會(huì)影響其500 kV電力外送和220 kV電網(wǎng)供電，二江水電站增容后還將有利于緩解宜昌電網(wǎng)220 kV層面供電壓力，改善220 kV電網(wǎng)潮流分布。

(2)改造后的發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)滿足運(yùn)行要求，對系統(tǒng)穩(wěn)定影響不大，滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

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(編輯：蔣毅恒)

Grid Adaptability Analysis after Renovating and Uprating for Gezhouba Hydropower Plant

HUANG Juanjuan， LI Taijun， GUO Xiangguo

(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

To ensure the security and stability of the Gezhouba Power Plant, improve the utilization rate of water and increase power generation benefit, it plans to renovate and uprate 19 sets of 125 MW units including 14 sets in Gezhouba Dajiang Hydropower Plant and 5 sets in Gezhouba Erjiang Hydropower Plant. Base on the operation during peak-load flow period of Hubei power grid in 2015, this paper constructed the network structure model for Hubei Power Grid, calculated the power flow and stability of grid after the renovating and uprating of Gezhouba Hydropower Plant, and checked related mechanical and electrical parameters, with using BPA power system analysis program. The simulation results show that, after the renovating and uprating of Gezhouba Hydropower Plant, the transmission capacity of near-zone 500 kV power grid and the power supply of 220 kV power grid are unaffected and without system stability problem; the related mechanical and electrical parameters are reasonable and meet the system requirements.

Gezhouba hydropower plant; uprating; looping-off; mechanical and electrical parameters; stabilization

TM 312

A

1000-7229(2015)06-0124-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.021

2015-04-23

2015-05-05

黃娟娟(1979)，女，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和研究工作；

李泰軍(1977)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和研究工作；

郭相國(1980)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和研究工作。