豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性分析

1、豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性分析 豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性分析 摘要：隨著電網(wǎng)中新能源的參加，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行尤其是夜間頻率控制變得尤為困難。定速機(jī)組水泵工況運(yùn)行情況下，不能調(diào)節(jié)輸入功率，無法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求，可變速機(jī)組可有效解決負(fù)荷突變所引發(fā)的無功功率過剩、工頻過電壓等系統(tǒng)平安運(yùn)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(jī)組的必要性。 關(guān)鍵詞：可變速機(jī)組；抽水蓄能；豐寧二期；電網(wǎng)運(yùn)行；電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 中圖分類號：TV743 文章編號：1009-237407-0118-02 DOI：10.13535/j ki.11

2、-4406/n.2021.07.060 1 國外可變速機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀 從20世紀(jì)60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，日本、歐洲在變速抽蓄機(jī)組的應(yīng)用方面均進(jìn)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(jī)組最早且最多的國家。日本已投運(yùn)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(yùn)行?？勺兯傩钅艿母黜?xiàng)技術(shù)也在不斷優(yōu)化和開展。變速機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備變頻器經(jīng)歷了從CYC到GTO或GCT再到IEGT的開展階段。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

3、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(diǎn)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)用和改良，目前如東芝公司的U型螺栓支撐系統(tǒng)已在實(shí)際運(yùn)行中得到了高可靠性的驗(yàn)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(yáng)程782m的葛野川電站3#/4#變速機(jī)組上，且3#機(jī)組已于2021年6月9日順利投運(yùn)。從興旺國家的產(chǎn)品研發(fā)和電站建設(shè)來看，變速蓄能機(jī)組的各項(xiàng)技術(shù)開展已日趨成熟，且在國際上也逐步形成較為成熟的變速機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。變速機(jī)組比定速機(jī)組能夠更好地效勞于電網(wǎng)，能夠使整個電力系統(tǒng)更

4、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，可變速抽水蓄能機(jī)組已成為重要的電網(wǎng)調(diào)節(jié)與控制手段，而且從以往電站的局部機(jī)組為變速機(jī)組已逐步演變成為電站全部機(jī)組均采用變速機(jī)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(qiáng)，同時變速機(jī)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。 2021年京津及冀北電網(wǎng)最高發(fā)購電負(fù)荷為53575MW，同比增長9.07%。截至2021年底，京津及冀北電網(wǎng)調(diào)度口徑裝機(jī)容量達(dá)62101MW，其中省、市調(diào)調(diào)度裝

5、機(jī)容量為58976.1MW，包括火電49908.9MW，占比為84.8%；水電1438MW，占比為2.4%；風(fēng)電7294.5MW，占比為12.3%；其他334.7MW，占比為0.5%，地調(diào)裝機(jī)容量為3124.9MW。2021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。2021年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷日最高發(fā)購電負(fù)荷為53575MW。 2.2 電源規(guī)劃 20212021年期間，京津及冀北電網(wǎng)已核準(zhǔn)及同意開展前期工作電源工程共計(jì)15705MW，20212025年期間抽水蓄能機(jī)組容

6、量1800MW，火電13890MW。該地區(qū)風(fēng)能資源主要分布在張家口和承德兩地，現(xiàn)有風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模約為6844MW，預(yù)計(jì)2025年京津及冀北電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)將到達(dá)20218MW，其中張家口地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)將到達(dá)12700MW，承德地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)將到達(dá)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(jì)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

7、蓄能電站總裝機(jī)容量3600MW，電站分兩期開發(fā)，一、二期工程裝機(jī)容量分別為1800MW，均安裝6臺單機(jī)容量300MW的可逆式水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動機(jī)組，在京津及冀北電網(wǎng)系統(tǒng)中承當(dāng)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。電站屬一等大型工程，主要建筑物按1級建筑物設(shè)計(jì)。上、下水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇洪水設(shè)計(jì)，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)和地下廠房及其附屬洞室組成。 4 豐寧二期抽水蓄能電站應(yīng)用可變速機(jī)組的必要性

8、4.1 有利于維護(hù)首都電網(wǎng)的供電平安 北京是我國的首都，也是我國的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和國際交流的中心，其健康穩(wěn)定開展必將帶動京津冀乃至我國經(jīng)濟(jì)整體協(xié)調(diào)開展，其輻射帶動作用將引領(lǐng)中國經(jīng)濟(jì)開展的主方向，成為國內(nèi)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會開展的龍頭。首都的國際化大都市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)開展以及人民生活水平的提高，都對北京電力供給提出了更高的要求。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(dān)負(fù)著北京地區(qū)電力供給的重大責(zé)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)供電平安，是保障北京地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本，是保障

9、北京地區(qū)供電平安的電網(wǎng)支撐。 現(xiàn)階段，京津及冀北電網(wǎng)主要依靠火電機(jī)組深度調(diào)峰來解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，系統(tǒng)運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì)，而且隨著調(diào)峰缺口的不斷擴(kuò)大，僅依靠燃煤火電機(jī)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(jī)組裝機(jī)規(guī)模較大，供熱機(jī)組冬季實(shí)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缺乏，大容量燃煤火電機(jī)組被迫超常規(guī)壓負(fù)荷運(yùn)行，甚至存在負(fù)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(fēng)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(jī)系統(tǒng)平安運(yùn)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(fēng)電契合度更高

10、的可變機(jī)組。 由于可變速抽蓄機(jī)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(diǎn)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)參加可變速抽水蓄能機(jī)組，有利于促進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)。同時，變速機(jī)組可以使用變頻交流勵磁裝置代替SFC進(jìn)行水泵工況啟動，即可變機(jī)組能實(shí)現(xiàn)自啟動，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實(shí)現(xiàn)平滑啟動，從而降低對局部電網(wǎng)的沖擊。此外，變速機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，也比常規(guī)抽水蓄能電站對電網(wǎng)負(fù)荷變化的響應(yīng)速度更快，對電網(wǎng)的波動較小。同時，在負(fù)荷突變時，可變電機(jī)可以通過改變頻率的方法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，釋放或吸收負(fù)荷，使電網(wǎng)的擾動比常

11、規(guī)電機(jī)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(jī)組，對保障北京地區(qū)的供電平安將發(fā)揮更為巨大的作用。 4.2 有利于外送電源接入電網(wǎng)的平安穩(wěn)定性 京津及冀北地區(qū)是華北電網(wǎng)的負(fù)荷中心，由于近年來經(jīng)濟(jì)的飛速開展，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(fù)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(fù)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

12、，京津及冀北電網(wǎng)區(qū)外送受電總計(jì)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(yuǎn)離負(fù)荷中心，負(fù)荷中心缺少足夠的電壓支撐，因此，當(dāng)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(jī)取代傳統(tǒng)的電動發(fā)電機(jī)組，能夠有效解決傳統(tǒng)抽水蓄能機(jī)組所存在的調(diào)速和水輪發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行等問題，從根本上解決諧波等對電機(jī)運(yùn)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(fēng)電基地，預(yù)計(jì)2021年總裝機(jī)容量將到達(dá)16430MW。豐寧抽水蓄能電站建設(shè)采用可變速機(jī)組，將有利于提高與

13、可再生能源電源的契合度。 一方面，可根據(jù)風(fēng)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)平安穩(wěn)定運(yùn)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(fēng)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(jī)組效率、延長機(jī)組使用壽命 對于可變速機(jī)組，機(jī)組整體空化性能得到提高；機(jī)組可根據(jù)運(yùn)行工況和水輪機(jī)特性調(diào)整轉(zhuǎn)速，使機(jī)組始終運(yùn)行于最優(yōu)或較優(yōu)工況，因而可明顯改善水泵水輪機(jī)的水力性能，提高運(yùn)行效率，減少震動、空蝕和泥沙磨損，延長機(jī)組檢修期，并可擴(kuò)大運(yùn)行水頭范圍和負(fù)荷范圍，提高機(jī)組穩(wěn)定性。在適宜的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變速機(jī)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(jī)組檢修期可延長一倍左右。 5 結(jié)語 綜上，從電網(wǎng)平安考慮，可變速機(jī)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(yùn)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(jī)組考慮實(shí)施，對電網(wǎng)的平安穩(wěn)定運(yùn)