葛洲坝水电站增容改造电网适应性分析

黄娟娟，李泰军，郭相国

(中南电力设计院， 武汉市 430071)



葛洲坝水电站增容改造电网适应性分析

黄娟娟，李泰军，郭相国

(中南电力设计院， 武汉市 430071)

为保障葛洲坝水电站机组的安全稳定运行，提高水量利用率和增加发电效益，计划对葛洲坝水电站19台125 MW机组(大江水电站14台、二江水电站5台)进行更新改造增容。以2015年湖北电网丰大运行方式为背景，采用BPA电力系统分析程序，搭建湖北电网网架结构模型，对葛洲坝水电站增容改造后的电网进行潮流稳定计算，并对相关机电参数进行了校核。仿真计算结果表明，葛洲坝水电站增容改造后，不影响近区500 kV网架送出和220 kV电网供电，不存在系统稳定问题，相关机电参数选择合理，满足系统运行要求。

葛洲坝水电站；增容；解环；机电参数；稳定

0 引 言

葛洲坝水利枢纽工程位于湖北省宜昌市境内的长江三峡末端河段上，距上游的三峡水电站38 km，是长江干流上修建的第一座大型水电工程，是三峡工程的反调节和航运梯级，具有发电、改善航道等综合效益，为无调节能力的径流式水电站。葛洲坝水电站共装有21台水轮发电机组，其中2台170 MW，19台125 MW，总装机容量2 715 MW，至今已运行30多年。葛洲坝水电站机组投入运行以来，为尽量减少弃水，机组长期处于满负荷运行状态，平均年运行小时数达6 000 h以上，远高于国内其他水电站，机组部件开始出现不同程度的老化现象，导致电站运行故障率上升，严重影响机组安全运行[1-2]。

随着三峡电站投产运行，葛洲坝水电站作为三峡电站的反调节水利枢纽，三峡电站满发或调峰运行时，下泄流量大大超过葛洲坝水电站的满出力流量，造成葛洲坝水电站被迫弃水，影响三峡电站的调峰能力和三峡—葛洲坝水电站联合运行的整体效益[3]。为保障葛洲坝水电站机组的安全稳定运行，使三峡—葛洲坝枢纽发电流量匹配，避免大量弃水，提高水量利用率，增加发电效益，中国长江电力有限公司拟计划对19台125 MW机组(大江水电站14台、二江水电站5台)进行更新改造增容[4]。本文以2015年湖北电网丰大方式为基础，采用BPA电力系统分析程序，对葛洲坝水电站机组增容改造后的电网进行潮流稳定分析，并对相关机电参数进行校核。

1 电厂概况

葛洲坝水电站分为大江水电站和二江水电站，其中大江水电站装有14台125 MW机组，发电机和主变压器采用“两机一变”、“两变一线”的扩大单元接线方式，接入厂内配电装置(3/2接线)，大江水电站采用500 kV电压等级，出线6回接入系统，分别至双河2回、玉贤(军山)1回、朝阳2回、隔河岩1回，其中至双河和玉贤的导线均采用4×300 mm2，至朝阳的导线为4×400 mm2，至隔河岩的导线为4×500 mm2。

二江水电站共7台机组，分别为2台170 MW和5台125 MW机组，采用发电机-变压器组单元接线方式接入厂内配电装置(双母带旁母，旁母分段)，二江水电站采用220 kV电压等级接入系统，出线10回，分别至小雁溪1回、陈家冲1回、远安1回、长坂坡1回、桔城2回、白家冲2回、点军2回，其中至陈家冲、远安和长坂坡导线截面较小，为400 mm2；葛白双回线路采用2×ACCC-611碳纤维复合导线；其余导线均采用2×300 mm2。

大江水电站与二江水电站之间设置有2台360 MVA的联络变压器，由于二江水电站近区负荷增加，外送压力变小，目前2台联变已取消。大江水电站与二江水电站的接入系统示意如图1所示。

2 改造增容方案

葛洲坝水电站共装有21台水轮发电机组，其中2台170 MW，19台125 MW。中国长江电力有限公司计划对19台125 MW机组进行更新改造增容，单机增容25 MW，总增容量为475 MW，其中大江水电站电厂增容350 MW、二江水电站电厂增容125 MW。

根据长江电力提供的发电机、水轮机更新改造滚动计划，葛洲坝水电站首台机组将于2014年进行改造增容，到2015年将有2台大江机组和1台二江机组改造完毕；2016—2019年，每年完成二江水电站1台机组的增容，到2019年二江水电站5台机组全部改造增容完毕；2017—2021年，每年完成大江水电站2台机组的增容，到2022年，大江水电站14台机组全部改造增容完毕。

3 电网适应性分析

3.1 宜昌电网消纳能力

根据文献[5]推荐的电磁环网解环方案，“十二五”期间，宜昌电网内部分为3片运行：龙泉馈供片、二江水电站+宜昌北(安福寺)片和隔河岩+宜昌南(朝阳)片。基于上述分片供电方案，葛洲坝机组改造增容后，主要对宜昌南部丰水期500 kV层面送出(葛洲坝大江水电站)和宜昌北部220 kV层面供电有影响(葛洲坝二江水电站)。

图1 葛洲坝水电站接入系统示意图Fig.1 Schematic diagram of Gezhouba Hydropower Plant connecting to system

从负荷发展情况来看，2011年宜昌江南负荷约1 GW，2015年预计达到1.8 GW[6]，负荷增加800 MW，年均增长率14.8%，大江水电站14台机组共增容350 MW，远小于负荷的增长。即便是丰水期小方式，负荷增量(800 MW×0.65=520 MW)也高于大江水电站机组增容量(负荷增长率只要达到10.8%，负荷增量都要大于大江水电站机组增容量)，大江水电站增容不会影响其500 kV外送，且随着南部地区负荷发展，大江水电站—双河和大江水电站—军山线路潮流会逐年减少。

宜昌江北220 kV层面存在较大电力缺额，由于宜昌电网以水电装机为主，丰、枯期水电出力相差悬殊，枯水期电力缺额大于丰水期。二江水电站5台机组共增容125 MW，二江水电站增容后有利于缓解北部地区用电紧张状况。此外，从二江水电站就近所供的几个站点负荷发展情况来看，2011年二江水电站出线的第一落点负荷约835 MW，2015年预计达到1.376 GW，负荷增加540 MW，年均增长率13.3%，二江水电站5台机组共增容125 MW，远小于负荷的增长，即便丰水期小方式，负荷增量(540 MW×0.65=351 MW)也要高于二江水电站机组增容量(负荷增长率只要达到5.3%，负荷增量都要大于二江水电站机组增容量)，二江水电站机组增容后可以在第一落点完全消纳，不会增加后续电网送出压力。而且随着负荷增长，远期二江水电站所供片区还需从周边电网获得供电支持。

3.2 网架能力

2015年宜昌江南500 kV层面丰水期电力盈余最多，随着负荷的增长，电力盈余将会逐渐减少，为了校核500 kV网架送出能力和220 kV电网供电能力，研究水平年选取2015年，并考虑电站19台机组全部改造增容完毕，特高压电网按照试验示范工程扩主变压器考虑。

丰大方式下，大江水电站500 kV出线潮流分布均匀，潮流均不重，增容前，单回线路潮流最大为670 MW，增容后为760 MW，无重载和过载线路。

二江水电站220 kV出线潮流分布也较均匀，增容前，单回线路潮流为86～145 MW，N-1最大潮流为277 MW，发生在二江水电站—黄花和桔城—黄花线路上；考虑二江水电站5台机组全部增容后(增加容量为125 MW)，二江水电站220 kV出线潮流略有增加，单回线路潮流增加至87～154 MW，N-1最大潮流仍然是发生在二江水电站—黄花和桔城—黄花线路上，为277 MW，但N-1均无过载问题。

由于宜昌电网与荆门电网解环运行，即开断远安—双河和长坂坡—荆门电厂线路，使得黄花和远安变成为终端变电站，当二江水电站—黄花和桔城—黄花任1回线路故障或检修时，黄花和远安变只能通过剩下的1回线路供电，导致该线路潮流较重，随着负荷的发展，潮流重载情况将更趋严重。

受来水影响，枯大方式下葛洲坝水电站出力减少，大江水电站和二江水电站出线潮流均有所下降，其中大江水电站500 kV单回线路潮流不足500 MW。由于葛洲坝水电站出力降低，枯水期宜昌北部电网还需从安福寺下网一部分电力供应主城区，增容前，安福寺下网容量约1.725 GW，猇亭—白家冲线路潮流约2×171 MW，N-1潮流264 MW，接近线路热稳极限(280 MW)，阈度仅有16 MW。二江水电站增容后，安福寺下网容量下降为1.666 GW，猇亭—白家冲线路潮流也有所减少，约2×157 MW，N-1潮流下降为243 MW，热稳极限欲度增加至37 MW，电站增容后改善了220 kV电网潮流分布。

4 机电参数校核

根据厂家提供的发电机技术规范，选取基准功率SB=100 MVA，发电机各相关参数折算成标幺值见表1。

由表1可见：发电机相关电抗参数的标幺值，改造后与改造前相比变化很小；归算为统一基准功率后的惯性时间常数TJ改造前后不变，但是以各自机组额定容量为基准功率的惯性时间常数TJN，改造后相比改造前减少了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 发电机技术参数

Table 1 Technical parameters of generator

转动惯量是表示电力系统出现大干扰时，机组转动部分保持原来运动状态的能力，直接影响到发电机在甩负荷时的速度上升率和系统负荷突变时发电机的运行稳定性，对电力系统的暂态过程和动态稳定也有很大影响，还与机组的造价密切相关。一般来说，转动惯量越大，机组惯性时间常数越大，机组转速变化率愈小，对电力系统的暂态稳定越有利。但是转动惯量过大，将增加机组尺寸或重量，使机组造价猛增，从而导致成本的提高[7-11]。

由表1可见，改造前的发电机额定惯性时间常数TJN=6.936 s>6 s，改造后的TJN为5.6～5.8 s，接近6 s，葛洲坝水电站改造后的系统稳定性要略差于改造前。

选取2015年，对电站改造增容前后的近区网架进行稳定校核计算，其中大江水电站—双河单回线路三永故障跳双回时的稳定曲线见图2。

由稳定计算结果可知：

(1)改造后的发电机技术参数，满足系统稳定运行要求，电站近区相关线路发生三永故障跳单回或双回线路三永故障跳双回时，在不采取任何措施的情况下，系统均能维持稳定。

(2)电站改造增容后，虽然机组转动惯量不变，但由于增容后机组额定容量增大，发电机的额定惯性时间常数相对减少，由增容前后的稳定曲线对比可知，葛洲坝水电站改造增容后的稳定性要比改造前略差，但都满足系统稳定要求。

图2 2015年大江水电站—双河N-2故障增容 前后稳定曲线对比图Fig.2 Stabilization curve comparison before and after uprating under N-2 fault of Gezhouba Dajiang Hydropower Plant-Shuanghe in 2015

综合分析：葛洲坝水电站改造后的发电机技术规范满足要求，对系统稳定影响不大。

5 结 论

(1)葛洲坝改造增容不会影响其500 kV电力外送和220 kV电网供电，二江水电站增容后还将有利于缓解宜昌电网220 kV层面供电压力，改善220 kV电网潮流分布。

(2)改造后的发电机技术参数满足运行要求，对系统稳定影响不大，满足电网安全稳定运行要求。

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(编辑：蒋毅恒)

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

黄娟娟(1979)，女，硕士，高级工程师，从事电力系统规划设计和研究工作；

李泰军(1977)，男，硕士，高级工程师，从事电力系统规划设计和研究工作；

郭相国(1980)，男，硕士，高级工程师，从事电力系统规划设计和研究工作。