水电站小负荷调压运行经济性分析与对策

马广德

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410000）

0 概述

电压是电能质量的重要指标。电压过高或过低，都会直接影响工业生产和人们生活的质量，会对电力设备造成损坏，严重会引起系统的“电压崩溃”，引发电网大范围停电的严重后果，对电网的安全造成威胁。

在国家“3060”战略大背景下，新能源快速发展，电网结构不断变化，系统电压调节要求越来越高，单纯依靠电网无功补偿设备已无法完全满足系统电压质量要求。当系统电压过高时，利用发电机进相运行作为辅助调压手段。但在系统电压较高却没有负荷空间的时段，水电机组被要求带小负荷进相运行，对水电站运行的经济性产生了一些影响。

1 五强溪、白市电厂接入方式及调压背景

五强溪水电厂位于沅水干流中下游湖南省沅陵县境内，现装有7 台单机容量25 万kW 的混流式水轮发电机组（包括2023 年投产的扩机2 台），扩机前年设计发电量53.7 亿kW·h，是华中电网中调频、调峰、调压的骨干电厂之一，也是湖南省最大的水电厂，采用五民线、五岗线两回500 kV 出线接入电网（500 kV 五张线正在建设中）。

白市水电厂位于贵州省黔东南州天柱县境内，是沅水流域梯级开发的第四级。电厂安装3 台单机容量14 万kW 的混流式水轮发电机组，年设计发电量12.36 亿kW·h。白市电厂开关站承载着上游三板溪电厂的电力输出任务，两回500 kV 线路，其中一回三白线联络至上游三板溪电厂，一回白艳线送出至怀化艳山红开关站。

湖南电网结构特点是西电东送，大多数电源点距长株潭负荷中心距离较远，这种结构特点的一个负面结果就是大量线路充电无功加入电网远距离传输，水电大发季节影响有功送出而无功不足，枯水季节则无功大量过剩，电压大幅升高，危及电网安全。传统的补偿法由于其容量小、调节的不平滑性，已经不能满足现代电力系统运行的要求，所以增加发电机的无功调节手段势在必行，利用大容量机组进相运行，吸收电力系统中过剩的无功功率，降低电压，是电网调节的一个很强的调控手段。

目前五强溪、白市电厂在夜间电压较高、系统调节困难时段，通常按照华中网调要求机组小负荷深度进相运行参与系统调压。该方式下运行，对机组的寿命和经济运行均产生不利的影响。

2 小负荷调压运行经济分析

以下从小负荷调压运行方式下对经济性的影响、折损电量计算、考核与补偿情况几个方面进行分析。

2.1 小负荷调压运行对经济性的的影响

五强溪电厂机组小负荷调压出力一般为10～20 MW，机组最大进相深度为-80 Mvar，白市电厂机组小负荷调压出力一般为30 MW，机组最大进相深度为-45 Mvar，通常根据AVC 自动调节500 kV母线电压。机组在此不良工况下长时间运行，将对发电企业造成直接和间接的经济损失[1]。

（1）对经济性的直接影响。机组在小负荷工况运行时，机组单位负荷下消耗的流量较大，效率相对较低，发电耗水量较高[2]，运行的经济性指标较差。以五强溪电厂为例，2022 年全年平均发电耗水量为8.46 m3/kW·h,而带15 MW 负荷调压运行时的耗水率高达30 m3/kW·h 左右，因此造成一定的电量损失[3]。

（2）对经济性的间接影响。机组小负荷调压时间过长后，对机组的影响还表现在以下方面：机组在振动区或振动区边缘运行，正常情况下为不推荐运行区，机组振动摆度数据超标，造成金属部件疲劳、元器件接口及二次接线端子松动，容易引发设备故障，增加设备维护工作量；发电机长期进相运行，定子发热增加，特别是定子端部发热严重，容易引起定子绕组绝缘降低；在尾水管中形成的脉动压力可使尾水管管壁产生裂缝，在严重的情况下，整个尾水设施可能被破坏；可能引起水轮机组共振，使整个机组与厂房遭到不同程度的破坏[4-6]。

在以上不良工况下长期运行，将对机组寿命产生不利影响，增大机组维护工作量，缩短检修周期，使检修费用增加。

2.2 折损电量计算

计算思路：将小负荷调压运行期间的发电水量，换算成假设用于正常负荷发电的预期发电量，其与小负荷调压发电量的差值即计为损失电量。调压水量=调压单机过机流量×3 600×调压小时数；调压电量=调压单机出力×调压小时数；预期电量=调压水量/正常发电平均耗水率。

由以上可得公式：

式中：E损失为调压损失的发电量（万kW·h）；E预期为调压水量换算到正常发电的发电量（万kW·h）；T调压为调压时长（h）；Q调压为调压流量（m3/s）；ε为平均耗水率（m3/kW·h）；为调压时的出力（万kW）。

（1）五强溪电厂2020～2022 年调压损失电量计算

图1 五强溪电厂NHQ 曲线

查询五强溪电厂2020～2022 年平均水头、平均耗水率、调压时长，根据NHQ 曲线可查询机组调压运行对应的流量，根据公式（1）、（2）、（3）可计算调压损失电量如表1。

表1 五强溪电厂2020～2022 年小负荷调压损失电量计算表

(2)白市电厂2022 年调压损失电量计算

白市电厂2022 年调度下令小负荷调压运行时长1 154 h，查询白市电厂2022 年平均水头、平均耗水率，根据NHQ 曲线可查询机组调压运行对应的流量，根据公式（1）（2）（3）可计算调压损失电量如表2：

表2 白市电厂2022 年小负荷调压损失电量计算表

图2 白市电厂NHQ 曲线

根据以上计算可知，五强溪电厂2020～2022年小负荷调压损失电量分别为1 372.8 万kW·h、1 694.2 万kW·h、2 658 万kW·h；白市电厂2022 年小负荷调压损失电量为687.7 万kW·h，且调压时长呈逐年上升趋势。仅2022 年一年，五强溪、白市两厂小负荷调压运行消耗的同等水量，如用于正常发电可多发3 345.7 万kW·h 的电量，这对发电企业来说是一笔不小的损失。

2.3 补偿与考核情况分析

小负荷调压运行期间的补偿和考核主要考虑无功的考核和补偿及辅助服务分摊费用。当前华中电网“两个细则”对发电企业无功和电压的考核较重，当发电机组进相运行时，若机组无功出力的绝对值小于电力调度机构下发的发电机组进相深度绝对值要求且电厂的母线电压大于电压曲线所要求的母线电压上限时，计为一个考核点，每台机组每日只要有一个考核点就考核，考核值按全厂额定容量×0.2的标准进行考核。

以2022 年华中电网“两个细则”奖励和考核情况作为参考，五强溪电厂2022 年申诉前无功考核25 万kW·h；无功补偿0.18 万元，按当前电价0.242 元/kW·h 计算，折合电量为0.74 万kW·h。白市电厂2022 年申诉前无功考核8.4 万kWh；无功补偿7.98 万元，按当前电价0.37 元/kW·h 计算，折合电量为21.57 万kW·h。依据《湖南省电力辅助服务市场交易规则（试行）》（湘监能市场[2020]81 号）相关条款规定，夜间低谷时期深度调峰辅助服务开启期间，开机参与系统调压将可能产生辅助服务分摊费用。

由于系统夜间低谷期间系统电压普遍偏高，机组参与系统调压无疑增加了无功考核风险，且可能产生辅助服务分摊费用。虽然发电企业有维护电网安全稳定的义务，但按电网调度要求进行小负荷调压所得到的补偿与所受电量损失和承担的考核风险相差悬殊。

3 优化对策

要减少五强溪、白市电厂小负荷调压的经济损失，可从减少调压次数和时间、减少无功考核、增加无功补偿3 个方面考虑，可采取以下措施：

（1）向华中网调建议加快无功补偿设施建设，同时优化调压措施，有调压需求时尽可能优先采用变电站进行调压或多利用挂网的火电机组调压，减少五强溪、白市电厂的调压时间，尽量确保电厂的安全经济运行。

（2）因电网结构发生变化导致系统电压升高，可向电网申请适当提高电厂母线电压控制上限。自2022 年10 月，湖南湘西边城变电站投运后，湘西南电网电压较之前有所升高，经分析对比白市电厂母线平均电压提高了1.3 kV，托口电厂母线平均电压提高了1.5 kV。经与华中网调沟通协调，华中网调下达的2023 年华中电网第三季度直调厂站中枢点电压曲线，五强溪、三板溪、白市、托口电厂三季度母线电压的上限值较上一季度均提高了2 kV，此举在一定程度上减少了电厂调压次数。

（3）优化电厂机组励磁系统欠励限制曲线，修改AVC 励磁调节限值，开展采集装置调校，提高采样精度，释放机组无功调节能力，减少无功考核事件。

（4）加强与能源监管部门沟通，建议加大“两个细则”中无功补偿的奖励力度，减少电厂小负荷调压运行的经济损失。

4 结语

五强溪、白市电厂小负荷调压的运行方式不够经济，且对机组的寿命产生不良影响。今后可继续从调度侧优化调压措施、根据电网结构变化调整电压控制曲线、优化发电机励磁系统功能减少无功考核、建议平衡无功补偿与考核力度等方面开展工作，进一步优化运行指标，提高经济效益。