趙杰君　王婷婷

摘要：隨著電網(wǎng)中新能源的加入，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運行尤其是夜間頻率控制變得尤為困難。定速機組水泵工況運行情況下，不能調(diào)節(jié)輸入功率，無法滿足電網(wǎng)快速準確進行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求，可變速機組可有效解決負荷突變所引發(fā)的無功功率過剩、工頻過電壓等系統(tǒng)安全運行隱患。文章論證了豐寧二期抽水蓄能電站二期引入可變速機組的必要性。

關(guān)鍵詞：可變速機組；抽水蓄能；豐寧二期；電網(wǎng)運行；電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV743 文章編號：1009-2374（2016）07-0118-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.060

1 國外可變速機組應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機組的研究及試驗工作，日本、歐洲在變速抽蓄機組的應(yīng)用方面均進行了深入的工作，其中日本是研發(fā)、制造和應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵磁蓄能機組最早且最多的國家。日本已投運的可變速抽水蓄能電站較多，如矢木澤、高見、大河內(nèi)、鹽源、奧清津、沖繩、小丸川等電站，德國和斯洛文尼亞也有可變速抽蓄電站投產(chǎn)運行?？勺兯傩钅艿母黜椉夹g(shù)也在不斷優(yōu)化和發(fā)展。變速機組的關(guān)鍵設(shè)備變頻器經(jīng)歷了從CYC（Cycloconvertor，可控硅）到GTO（Gate turn off thyristor，門極可關(guān)斷晶閘管）或GCT（Gate commutated turn off thyristor，換流晶閘管）再到IEGT（Injection enhanced gate transistor，電子注入增強型晶閘管）的發(fā)展階段。IEGT以其在電力電子設(shè)備中應(yīng)用時可使驅(qū)動電路、緩沖電路得到簡化，從而提高整個電力電子設(shè)備的效率，并且設(shè)備尺寸較小，較適用于抽水蓄能電站的地下廠房的特點已得到了廣泛應(yīng)用。另外，大容量、三相分布繞組的隱極轉(zhuǎn)子的線圈端部固定方式也經(jīng)歷了長足的研發(fā)、應(yīng)用和改進，目前如東芝公司的U型螺栓支撐系統(tǒng)已在實際運行中得到了高可靠性的驗證，并已成功應(yīng)用于額定容量460MW、額定轉(zhuǎn)速500rpm、世界最高揚程782m的葛野川電站3#/4#變速機組上，且3#機組已于2014年6月9日順利投運。從發(fā)達國家的產(chǎn)品研發(fā)和電站建設(shè)來看，變速蓄能機組的各項技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，且在國際上也逐步形成較為成熟的變速機組的建設(shè)、運行和維護經(jīng)驗。變速機組比定速機組能夠更好地服務(wù)于電網(wǎng)，能夠使整個電力系統(tǒng)更經(jīng)濟地運行，可變速抽水蓄能機組已成為重要的電網(wǎng)調(diào)節(jié)與控制手段，而且從以往電站的部分機組為變速機組已逐步演變成為電站全部機組均采用變速機組的方式，說明電網(wǎng)的需求和多方面的建設(shè)必要性也日益加強，同時變速機組在國際上其他國家和地區(qū)也得到了越來越廣泛的重視和建設(shè)。

2 京津及冀北電網(wǎng)概況

2.1 電網(wǎng)現(xiàn)狀

豐寧二期抽水蓄能電站供電范圍為京津及冀北電網(wǎng)。京津及冀北電網(wǎng)供電區(qū)域包括北京、天津兩市和河北北部的唐山、秦皇島、承德、張家口、廊坊5區(qū)市。

2013年京津及冀北電網(wǎng)最高發(fā)購電負荷為53575MW，同比增長9.07%。截至2013年底，京津及冀北電網(wǎng)調(diào)度口徑裝機容量達62101MW，其中省、市調(diào)調(diào)度裝機容量為58976.1MW，包括火電（燃煤、燃氣）49908.9MW，占比為84.8%；水電（含抽水蓄能）1438MW，占比為2.4%；風電7294.5MW，占比為12.3%；其他334.7MW，占比為0.5%，地調(diào)裝機容量為3124.9MW。2013年北京電網(wǎng)全社會用電量為913億kWh，天津電網(wǎng)全社會用電量為774億kWh，冀北電網(wǎng)全社會用電量為1359億kWh。京津及冀北電網(wǎng)全社會用電量為3046億kWh。2013年京津及冀北電網(wǎng)最大負荷日最高發(fā)購電負荷為53575MW。

2.2 電源規(guī)劃

2013～2015年期間，京津及冀北電網(wǎng)已核準及同意開展前期工作電源項目共計15705MW，2016～2025年期間抽水蓄能機組容量1800MW，火電13890MW。該地區(qū)風能資源主要分布在張家口和承德兩地，現(xiàn)有風電裝機規(guī)模約為6844MW，預(yù)計2025年京津及冀北電網(wǎng)風電裝機將達到20108MW，其中張家口地區(qū)風電裝機將達到12700MW，承德地區(qū)風電裝機將達到6980MW。

2025年，京津及冀北電網(wǎng)從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網(wǎng)送電150MW，向山東電網(wǎng)送電3500MW，京津及冀北電網(wǎng)區(qū)外送受電總計為4700MW。

3 豐寧二期抽水蓄能電站

豐寧抽水蓄能電站地處河北省承德市豐寧滿族自治縣境內(nèi)，距北京市區(qū)的直線距離180km，距承德市的直線距離150km。

豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3600MW，電站分兩期開發(fā)，一、二期工程裝機容量分別為1800MW，均安裝6臺單機容量300MW的可逆式水泵水輪機、發(fā)電電動機組，在京津及冀北電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用任務(wù)。

樞紐建筑物主要由上水庫，下水庫，一、二期工程水道系統(tǒng)和發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。電站屬一等大（1）型工程，主要建筑物按1級建筑物設(shè)計。上、下水庫設(shè)計洪水標準采用200年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核。

一期、二期工程共用上、下水庫及開關(guān)站，且在一期工程建設(shè)中按最終規(guī)模一次建成。二期工程主要建筑物由水道系統(tǒng)（4#、5#、6#）和地下廠房（包括7#～12#機）及其附屬洞室組成。

4 豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機組的必要性

4.1 有利于維護首都電網(wǎng)的供電安全

北京是我國的首都，也是我國的政治、經(jīng)濟、文化和國際交流的中心，其健康穩(wěn)定發(fā)展必將帶動京津冀乃至我國經(jīng)濟整體協(xié)調(diào)發(fā)展，其輻射帶動作用將引領(lǐng)中國經(jīng)濟發(fā)展的主方向，成為國內(nèi)區(qū)域經(jīng)濟和社會發(fā)展的龍頭。首都的國際化大都市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展以及人民生活水平的提高，都對北京電力供應(yīng)提出了更高的要求。加之國內(nèi)國際各種政治、文化、體育活動在京舉辦十分頻繁，保障北京市供電穩(wěn)定具有更重要的意義。京津及冀北電網(wǎng)擔負著北京地區(qū)電力供應(yīng)的重大責任，同時也是我國特高壓主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的核心，是“三華”特高壓同步電網(wǎng)結(jié)構(gòu)橫縱交接處。因此京津及冀北電網(wǎng)供電安全，是保障北京地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運行的根本，是保障北京地區(qū)供電安全的電網(wǎng)支撐。

現(xiàn)階段，京津及冀北電網(wǎng)主要依靠火電機組深度調(diào)峰來解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，系統(tǒng)運行極不經(jīng)濟，而且隨著調(diào)峰缺口的不斷擴大，僅依靠燃煤火電機組并不能從根本上解決調(diào)峰問題。京津及冀北電網(wǎng)中的供熱機組裝機規(guī)模較大，供熱機組冬季實行“以熱定電”，在此期間，電力系統(tǒng)調(diào)峰及事故備用容量明顯不足，大容量燃煤火電機組被迫超常規(guī)壓負荷運行，甚至存在負荷壓不下來的問題。冬季調(diào)峰需求十分迫切。加之河北千萬千瓦級風電基地的建設(shè)，京津及冀北電網(wǎng)，尤其是夜間電網(wǎng)傳輸用功功率低于其自然功率時，出現(xiàn)過剩無功功率，引起工頻過電壓，危機系統(tǒng)安全運行迫切需要配備幾臺具有調(diào)節(jié)性能更優(yōu)、調(diào)節(jié)幅度更大、與風電契合度更高的可變機組。

由于可變速抽蓄機組具有調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度較快等特點以及調(diào)節(jié)幅度大、對電網(wǎng)擾動小等優(yōu)勢，京津及冀北電網(wǎng)加入可變速抽水蓄能機組，有利于促進堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)。同時，變速機組可以使用變頻交流勵磁裝置代替SFC進行水泵工況啟動，即可變機組能實現(xiàn)自啟動，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實現(xiàn)平滑啟動，從而降低對局部電網(wǎng)的沖擊。此外，變速機組可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且能夠在泵工況下對輸入功率進行調(diào)節(jié)，也比常規(guī)抽水蓄能電站對電網(wǎng)負荷變化的響應(yīng)速度更快，對電網(wǎng)的波動較小。同時，在負荷突變時，可變電機可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，釋放或吸收負荷，使電網(wǎng)的擾動比常規(guī)電機小，能夠有效降低電站啟停對局部電網(wǎng)的沖擊性。

由此可見，在京津及冀北電網(wǎng)建設(shè)一定規(guī)模的可變機組，對保障北京地區(qū)的供電安全將發(fā)揮更為巨大的作用。

4.2 有利于外送電源接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性

京津及冀北地區(qū)是華北電網(wǎng)的負荷中心，由于近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對于電力的需求越來越高，而京津及冀北地區(qū)由于煤炭、水利等資源的限制，電網(wǎng)無法依靠本地區(qū)電源建設(shè)來滿足電網(wǎng)電力負荷需求，需要接受山西、內(nèi)蒙及西北地區(qū)的區(qū)外送電來滿足本地區(qū)電力負荷的需求。根據(jù)規(guī)劃，2025年，京津及冀北電網(wǎng)從蒙西受電3950MW，從山西受電1400MW，從東北受電3000MW，向河北南網(wǎng)送電150MW，向山東電網(wǎng)送電3500MW，京津及冀北電網(wǎng)區(qū)外送受電總計為4700MW。

作為受端電網(wǎng)，電網(wǎng)的電源支撐與電壓穩(wěn)定問題一直被大家所關(guān)注。由于電源遠離負荷中心，負荷中心缺少足夠的電壓支撐，因此，當系統(tǒng)受到干擾時，受端電網(wǎng)很容易失去同步穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。采用交流勵磁發(fā)電機取代傳統(tǒng)的電動發(fā)電機組，能夠有效解決傳統(tǒng)抽水蓄能機組所存在的調(diào)速和水輪發(fā)電機的變速運行等問題，從根本上解決諧波等對電機運行性能的影響，維持電壓的穩(wěn)定，可以更好地適應(yīng)受端電網(wǎng)對可靠性的需求。

4.3 有利于提高與可再生能源電源的契合度

河北省是我國千萬千瓦級風電基地，預(yù)計2020年總裝機容量將達到16430MW。豐寧抽水蓄能電站建設(shè)采用可變速機組，將有利于提高與可再生能源電源的契合度。

一方面，可根據(jù)風電等新能源出力過程，更為靈活地跟蹤電網(wǎng)頻率，調(diào)節(jié)水泵輸入功率的功能，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調(diào)節(jié)速率提高，可更好地跟蹤風電等穩(wěn)定性差的出力過程，從而減小新能源電源對電網(wǎng)的沖擊。

4.4 可提高機組效率、延長機組使用壽命

對于可變速機組，機組整體空化性能得到提高；機組可根據(jù)運行工況和水輪機特性調(diào)整轉(zhuǎn)速，使機組始終運行于最優(yōu)或較優(yōu)工況，因而可明顯改善水泵水輪機的水力性能，提高運行效率，減少震動、空蝕和泥沙磨損，延長機組檢修期，并可擴大運行水頭范圍和負荷范圍，提高機組穩(wěn)定性。在合適的轉(zhuǎn)速下運行，變速機組的磨損量可減少50%。根據(jù)幾個水電站資料，年平均效率可提高3%～5%，機組檢修期可延長一倍左右。

5 結(jié)語

綜上，從電網(wǎng)安全考慮，可變速機組具有良好的穩(wěn)定性及變速恒頻發(fā)電能力、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍，具有一定程度的異步運行能力和較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、深度吸收系統(tǒng)無功的功能，并可通過自動頻率控制來提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。因此，豐寧二期抽水蓄能電站工程如有可變速機組考慮實施，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行與新能源契合度的提高等方面都非常有利。

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作者簡介：趙杰君（1984-），女，河北衡水人，中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：水電規(guī)劃。

（責任編輯：小 燕）