三峡水电站泄洪对发电影响分析
2022-11-23冉洪伟龚保红刘小锟
冉洪伟，龚保红，刘小锟
(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)
0 引 言
大型水电站通常同时肩负着防洪、发电、航运、生态调度、水资源利用等综合功能。为充分利用水能，汛期一般优先采用机组发电过流下泄，但当机组满发下泄流量仍不满足要求时，将开启泄洪设施进行泄洪，以增加下泄流量。电站泄洪引起的下游水位波动，将不可避免地对运行机组发电水头产生影响，需要重点关注电站运行设备能否有效、正确的响应，关系到电站及电网安全稳定运行[1]。
三峡水电站作为世界上规模最大的水利枢纽工程，防洪是最核心效益，肩负着长江中下游流域防洪的重要任务。汛期严格按照防洪主管部门批复的相关规程和调度指令控制水库水位，当对出库流量的要求大于机组满发流量时，将会开启泄洪设施进行泄洪。三峡水电站由左岸电站、右岸电站、地下电站组成，装机容量大、机组数量多，站内运行设备能否对水头变化作出可靠响应更关系到电网系统安全稳定的运行。本文通过电站泄洪前后下游水位、有功功率、调速器、AGC等数据实际变化情况，分析了电站泄洪对发电的具体影响过程及原因。
1 泄洪影响分析
1.1 对下游水位影响
水电站泄洪时出库流量突然增大必然会引起下游水位较大波动，图1为三峡水电站汛期2次开启深孔前后实测下游水位变化趋势图，其中第一次泄洪开启1个深孔，第二次泄洪为连续开启2个深孔。
图1 泄洪前后下游水位变化趋势Fig.1 Change trend of water level in downstream before and after flood discharge
如图1所示，三峡水电站开启深孔泄洪后下游水位均会快速上升，上升达0.7～1.0 m后逐渐趋于稳定。结合电站历年开启深孔泄洪后下游水位实际变化情况，总结规律如下：所开深孔位置和数量对下游水位变化幅度的影响略有差别，但每次开启深孔后，下游水位立即快速上升随后保持稳定的变化过程均一致，其中开启首个深孔对下游水位变化短时影响最大，连续开启时，下一个深孔开启对下游水位变化影响相对变小。此外，运用不同的泄洪设施泄洪对下游水位的影响也略有不同[2]。
1.2 对水电站有功功率影响分析
水电站水头的变化会直接影响到运行机组的有功功率，为应对水头在短时间内变化引起有功功率波动，目前主要运用电站监控系统AGC和机组调速器的调节功能[3]。
水电站监控系统AGC投入时，会实时对电站设定总有功值和实际总有功值进行比较，当两者差值大于设定的死区定值后，AGC将重新对有功进行计算分配并下达至机组执行。由于三峡水电站各分厂监控系统AGC功能及死区定值设置等均一致，本文默认各分厂AGC应对开启深孔泄洪后运行机组单机有功功率变化的调节功能均一致，重点从机组调速器调节功能分析开启深孔泄洪后对运行机组有功功率影响的情况。
水电站机组调速器的基本任务是根据电网负荷变化不断调节机组的有功功率，维持机组转速在额定转速规定范围内，以满足电网对频率质量的要求。三峡水电站机组正常并网运行时，调速器均投功率模式，在此模式下，会实时对机组给定有功值和实际有功值进行比较，而后调整导叶开度，使实际有功功率接近给定有功功率。但为避免机组调速器频繁调节影响设备寿命及性能，目前行业普遍做法是设置调节死区，只有给定有功功率和实际有功功率差值大于死区定值后，调速器才会发出增减导叶开度指令，将实际有功功率调节至给定有功功率[4]。通过查询三峡水电站机组调速器资料得知，左岸电站和地下电站机组的调速器功率模式算法相类似，均设置调节死区且定值一致，但是右岸电站机组调速器未设置调节死区，在调速器功率模式下，实时根据功率给定值，查询水头、功率及导叶开度的三维曲线实时进行机组有功功率调整[5]。
1.2.1 对水电站机组有功功率影响
分别对三峡水电站泄洪前后3个分厂机组调速器动作、有功功率变化情况进行对比分析，找出泄洪引起的下游水位波动对机组具体影响情况及异同的原因，图2～4为泄洪后三峡电站各分厂机组功率及导叶开度变化趋势图。
图2 泄洪后左岸电站机组功率及导叶变化趋势Fig.2 Change trend of power and guide vane of left bank power station unit after flood discharge
图3 泄洪后右岸电厂机组功率及导叶变化趋势Fig.3 Change trend of power and guide vane of right bank power station unit after flood discharge
图4 泄洪后地下电站机组功率及导叶变化趋势Fig.4 Change trend of power and guide vane of underground power station unit after flood discharge
三峡水电站开启深孔泄洪后，下游水位快速上升，运行机组发电水头降低，而调速器导叶开度不变的情况下，机组有功功率会缓慢下降，由于3个分厂的调速器功率模式下算法存在是否设置调节死区的区别，相对应调速器表现出明显不同的响应过程。右岸电站机组因调速器功率模式下算法未设置调节死区，实际功率减少后，立即查询水头、功率及导叶开度的三维曲线，得出设定功率在水头变化后的对应导叶开度值，动作导叶调整功率和机组实际功率基本维持设定值不变。而因左岸电站和地下电站机组调速器设置死区，实时对实际有功功率及设定有功功率进行比较，但只有当差值超过死区值后，调速器才会响应动作导叶调节功率，导叶开度表现出先维持不变后快速增加的过程，机组实际有功功率表现出先缓慢下降随后上升稳定过程。从图2，3可以看出，开启泄洪后左岸电站和地下电站机组调速器响应时间并不一致，其中左岸电站机组较地下电站机组晚15 min左右响应，主要原因是泄洪前每台机组实际有功功率和设定有功功率差值并不完全一致，加上受下游导墙、离泄洪点位置远近等因素影响各分厂下游水位变化也不可能完全一致，对应机组实际有功功率下降至死区值时间也会有所差别。
1.2.2 对水电站分厂总有功功率影响
各分厂总有功功率会随单机功率波动叠加而变化，分析时考虑最不利的极端情况，即各分厂监控系统AGC调节功能退出，机组有功功率实际值与设定值完全一致时开启泄洪，且下游水位变化情况一致，那么分厂实际总有功功率波动理论上最大值等于调速器死区定值乘运行机组台数。目前该电站调速器死区定值3.5 MW，理论上左岸电站和地下电站总有功功率最大偏差分别为49，21 MW。但水电站实际电力生产过程中，各分厂监控系统AGC功能均保持正常投入状态，且厂内机组有功功率实际值与设定值之间差值不可能完全一致，下游水位变化也不可能完全一致，各分厂实际总有功功率与设定值的偏差远达不到理论上的最大值。表1为泄洪后三峡水电站各分厂及全厂实际总有功最大偏差统计。
表1 泄洪后各分厂及全厂总有功功率最大偏差统计Tab.1 Statistics of maximum deviation of total active power of each branch and the whole plant after flood discharge
由表1可见，虽然水电站站内监控系统AGC和调速器具有调节功能，但开启泄洪后各分厂总有功功率实际值与设定值之间仍会存在偏差，其中右岸电站最大偏差8.4 MW，左岸电站和地下电站偏差均接近30 MW，偏差大小可能受机组台数及调速器是否设置死区等因素影响，变化趋势是否与站内单机有功变化一致还需进一步研究。图5～7为泄洪前后各分厂总有功功率实际变化趋势图。
图5 左岸电站总有功功率变化趋势Fig.5 Change trend of total active power of left bank power station
图6 右岸电站总有功功率变化趋势Fig.6 Change trend of total active power of right bank power station
图7 地下电站总有功功率变化趋势Fig.7 Change trend of total active power of underground power station
由图5～7可以直观展示三峡水电站在开启泄洪后各分厂总有功功率波动趋势与分厂典型机组有功功率变化趋势一致，其中右岸电站总有功功率无明显波动，左岸电站和地下电站总有功功率短时快速下降后缓慢上升至设定值，波动均在允许范围内，满足并网调度协议及实时调度控制要求。
2 对策分析
针对因三峡水电站泄洪时水头变化可能引起的站内运行机组有功功率及分厂总有功功率短暂的波动。一方面，运用电站泄洪设施时，严格按照调度规程内各泄洪设施安全运行条件、开启的先后顺序、“均匀、间隔、对称”开启原则等相关规定执行；另一方面，泄洪期间，电站运行人员应加强运行设备监视和检查，特别是针对泄洪设施连续开启时造成的下游水位长时间波动，必要时可采取人工干预，避免实际有功功率长时间偏离设定值，从而给电站和电网安全稳定运行造成安全隐患。
3 结 语
通过对三峡水电站泄洪前后运行设备实际数据变化开展相关性分析，得出因站内监控系统AGC及机组调速器的调节功能，泄洪仅会引起运行机组有功及电站总有功在正常范围内短时波动，对电网和电站设备安全稳定运行无影响。运用泄洪设施时仍需严格按照调度规程执行，期间加强对运行设备监视和检查，尽量避免有功实际值长时间偏离设定值。后续为了更加精准掌握泄洪对电站运行设备的具体影响，可对不同上游水位和运用不同泄洪设施泄洪时下游水位变化规律、机组调速器功率调节死区设置的必要性及定值合理性等开展进一步专题研究。
