丰宁二期抽水蓄能电站应用可变速机组的必要性分析

摘要：随着电网中新能源的加入，导致电网的稳定运行尤其是夜间频率控制变得尤为困难。定速机组水泵工况运行情况下，不能调节输入功率，无法满足电网快速准确进行电网频率调节的要求，可变速机组可有效解决负荷突变所引发的无功功率过剩、工频过电压等系统安全运行隐患。文章论证了丰宁二期抽水蓄能电站二期引入可变速机组的必要性。

关键词：可变速机组；抽水蓄能；丰宁二期；电网运行；电网频率调节 文献标识码：A

中图分类号：TV743 文章编号：1009-2374（2016）07-0118-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.07.060

1 国外可变速机组应用现状

从20世纪60年代开始，国外水电行业就开始了可变速抽水蓄能机组的研究及试验工作，日本、欧洲在变速抽蓄机组的应用方面均进行了深入的工作，其中日本是研发、制造和应用连续可变速交流励磁蓄能机组最早且最多的国家。日本已投运的可变速抽水蓄能电站较多，如矢木泽、高见、大河内、盐源、奥清津、冲绳、小丸川等电站，德国和斯洛文尼亚也有可变速抽蓄电站投产运行。可变速蓄能的各项技术也在不断优化和发展。变速机组的关键设备变频器经历了从CYC（Cycloconvertor，可控硅）到GTO（Gate turn off thyristor，门极可关断晶闸管）或GCT（Gate commutated turn off thyristor，换流晶闸管）再到IEGT（Injection enhanced gate transistor，电子注入增强型晶闸管）的发展阶段。IEGT以其在电力电子设备中应用时可使驱动电路、缓冲电路得到简化，从而提高整个电力电子设备的效率，并且设备尺寸较小，较适用于抽水蓄能电站的地下厂房的特点已得到了广泛应用。另外，大容量、三相分布绕组的隐极转子的线圈端部固定方式也经历了长足的研发、应用和改进，目前如东芝公司的U型螺栓支撑系统已在实际运行中得到了高可靠性的验证，并已成功应用于额定容量460MW、额定转速500rpm、世界最高扬程782m的葛野川电站3#/4#变速机组上，且3#机组已于2014年6月9日顺利投运。从发达国家的产品研发和电站建设来看，变速蓄能机组的各项技术发展已日趋成熟，且在国际上也逐步形成较为成熟的变速机组的建设、运行和维护经验。变速机组比定速机组能够更好地服务于电网，能够使整个电力系统更经济地运行，可变速抽水蓄能机组已成为重要的电网调节与控制手段，而且从以往电站的部分机组为变速机组已逐步演变成为电站全部机组均采用变速机组的方式，说明电网的需求和多方面的建设必要性也日益加强，同时变速机组在国际上其他国家和地区也得到了越来越广泛的重视和建设。

2 京津及冀北电网概况

2.1 电网现状

丰宁二期抽水蓄能电站供电范围为京津及冀北电网。京津及冀北电网供电区域包括北京、天津两市和河北北部的唐山、秦皇岛、承德、张家口、廊坊5区市。

2013年京津及冀北电网最高发购电负荷为53575MW，同比增长9.07%。截至2013年底，京津及冀北电网调度口径装机容量达62101MW，其中省、市调调度装机容量为58976.1MW，包括火电（燃煤、燃气）49908.9MW，占比为84.8%；水电（含抽水蓄能）1438MW，占比为2.4%；风电7294.5MW，占比为12.3%；其他334.7MW，占比为0.5%，地调装机容量为3124.9MW。2013年北京电网全社会用电量为913亿kWh，天津电网全社会用电量为774亿kWh，冀北电网全社会用电量为1359亿kWh。京津及冀北电网全社会用电量为3046亿kWh。2013年京津及冀北电网最大负荷日最高发购电负荷为53575MW。

2.2 电源规划

2013～2015年期间，京津及冀北电网已核准及同意开展前期工作电源项目共计15705MW，2016～2025年期间抽水蓄能机组容量1800MW，火电13890MW。该地区风能资源主要分布在张家口和承德两地，现有风电装机规模约为6844MW，预计2025年京津及冀北电网风电装机将达到20108MW，其中张家口地区风电装机将达到12700MW，承德地区风电装机将达到6980MW。

2025年，京津及冀北电网从蒙西受电3950MW，从山西受电1400MW，从东北受电3000MW，向河北南网送电150MW，向山东电网送电3500MW，京津及冀北电网区外送受电总计为4700MW。

3 丰宁二期抽水蓄能电站

丰宁抽水蓄能电站地处河北省承德市丰宁满族自治县境内，距北京市区的直线距离180km，距承德市的直线距离150km。

丰宁抽水蓄能电站总装机容量3600MW，电站分两期开发，一、二期工程装机容量分别为1800MW，均安装6台单机容量300MW的可逆式水泵水轮机、发电电动机组，在京津及冀北电网系统中承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用任务。

枢纽建筑物主要由上水库，下水库，一、二期工程水道系统和发电厂房及开关站组成。电站属一等大（1）型工程，主要建筑物按1级建筑物设计。上、下水库设计洪水标准采用200年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。

一期、二期工程共用上、下水库及开关站，且在一期工程建设中按最终规模一次建成。二期工程主要建筑物由水道系统（4#、5#、6#）和地下厂房（包括7#～12#机）及其附属洞室组成。

4 丰宁二期抽水蓄能电站应用可变速机组的必要性

4.1 有利于维护首都电网的供电安全

北京是我国的首都，也是我国的政治、经济、文化和国际交流的中心，其健康稳定发展必将带动京津冀乃至我国经济整体协调发展，其辐射带动作用将引领中国经济发展的主方向，成为国内区域经济和社会发展的龙头。首都的国际化大都市建设和经济发展以及人民生活水平的提高，都对北京电力供应提出了更高的要求。加之国内国际各种政治、文化、体育活动在京举办十分频繁，保障北京市供电稳定具有更重要的意义。京津及冀北电网担负着北京地区电力供应的重大责任，同时也是我国特高压主网架结构的核心，是“三华”特高压同步电网结构横纵交接处。因此京津及冀北电网供电安全，是保障北京地区电网稳定运行的根本，是保障北京地区供电安全的电网支撑。

现阶段，京津及冀北电网主要依靠火电机组深度调峰来解决电网调峰问题，系统运行极不经济，而且随着调峰缺口的不断扩大，仅依靠燃煤火电机组并不能从根本上解决调峰问题。京津及冀北电网中的供热机组装机规模较大，供热机组冬季实行“以热定电”，在此期间，电力系统调峰及事故备用容量明显不足，大容量燃煤火电机组被迫超常规压负荷运行，甚至存在负荷压不下来的问题。冬季调峰需求十分迫切。加之河北千万千瓦级风电基地的建设，京津及冀北电网，尤其是夜间电网传输用功功率低于其自然功率时，出现过剩无功功率，引起工频过电压，危机系统安全运行迫切需要配备几台具有调节性能更优、调节幅度更大、与风电契合度更高的可变机组。

由于可变速抽蓄机组具有调节速率和调节精度高、响应速度较快等特点以及调节幅度大、对电网扰动小等优势，京津及冀北电网加入可变速抽水蓄能机组，有利于促进坚强智能电网的建设。同时，变速机组可以使用变频交流励磁装置代替SFC进行水泵工况启动，即可变机组能实现自启动，交流励磁系统的输出频率逐渐变化，故能实现平滑启动，从而降低对局部电网的冲击。此外，变速机组可在较大范围内调节，且能够在泵工况下对输入功率进行调节，也比常规抽水蓄能电站对电网负荷变化的响应速度更快，对电网的波动较小。同时，在负荷突变时，可变电机可以通过改变频率的办法来迅速改变转速，充分利用转子动能，释放或吸收负荷，使电网的扰动比常规电机小，能够有效降低电站启停对局部电网的冲击性。

由此可见，在京津及冀北电网建设一定规模的可变机组，对保障北京地区的供电安全将发挥更为巨大的作用。

4.2 有利于外送电源接入电网的安全稳定性

京津及冀北地区是华北电网的负荷中心，由于近年来经济的飞速发展，对于电力的需求越来越高，而京津及冀北地区由于煤炭、水利等资源的限制，电网无法依靠本地区电源建设来满足电网电力负荷需求，需要接受山西、内蒙及西北地区的区外送电来满足本地区电力负荷的需求。根据规划，2025年，京津及冀北电网从蒙西受电3950MW，从山西受电1400MW，从东北受电3000MW，向河北南网送电150MW，向山东电网送电3500MW，京津及冀北电网区外送受电总计为4700MW。

作为受端电网，电网的电源支撑与电压稳定问题一直被大家所关注。由于电源远离负荷中心，负荷中心缺少足够的电压支撑，因此，当系统受到干扰时，受端电网很容易失去同步稳定和电压稳定。采用交流励磁发电机取代传统的电动发电机组，能够有效解决传统抽水蓄能机组所存在的调速和水轮发电机的变速运行等问题，从根本上解决谐波等对电机运行性能的影响，维持电压的稳定，可以更好地适应受端电网对可靠性的需求。

4.3 有利于提高与可再生能源电源的契合度

河北省是我国千万千瓦级风电基地，预计2020年总装机容量将达到16430MW。丰宁抽水蓄能电站建设采用可变速机组，将有利于提高与可再生能源电源的契合度。

一方面，可根据风电等新能源出力过程，更为灵活地跟踪电网频率，调节水泵输入功率的功能，在保证电网安全稳定运行的前提下提高新能源利用率；另一方面，电站调节速率提高，可更好地跟踪风电等稳定性差的出力过程，从而减小新能源电源对电网的冲击。

4.4 可提高机组效率、延长机组使用寿命

对于可变速机组，机组整体空化性能得到提高；机组可根据运行工况和水轮机特性调整转速，使机组始终运行于最优或较优工况，因而可明显改善水泵水轮机的水力性能，提高运行效率，减少震动、空蚀和泥沙磨损，延长机组检修期，并可扩大运行水头范围和负荷范围，提高机组稳定性。在合适的转速下运行，变速机组的磨损量可减少50%。根据几个水电站资料，年平均效率可提高3%～5%，机组检修期可延长一倍左右。

5 结语

综上，从电网安全考虑，可变速机组具有良好的稳定性及变速恒频发电能力、更优的调节性能、更广的调节范围，具有一定程度的异步运行能力和较好的调节系统无功、深度吸收系统无功的功能，并可通过自动频率控制来提高电网供电质量。因此，丰宁二期抽水蓄能电站工程如有可变速机组考虑实施，对电网的安全稳定运行与新能源契合度的提高等方面都非常有利。

参考文献

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作者简介：赵杰君（1984-），女，河北衡水人，中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：水电规划。