水电站并网发电项目接入系统研究

水电站并网发电项目接入系统研究

蔡萍

四川劲拓工程咨询有限公司 四川 成都 610100

摘要：本文对水电站并网发电的有关要求、水电站并网发电需要遵循的原则、水电站并网发电具体的操作流程等进行了介绍。在此基础上，本文以某水电站并网发电项目接入系统为例，围绕方案研究的前提条件和原则、导线截面的选择、接入系统方案、电气相关计算（主要是潮流计算）等水电站并网发电项目接入系统设计及水电站并网发电对电网的影响和作用展开详细分析，希望为水电从业人员提供一定的参考。

关键词：水电站；并网发电；接入系统；潮流计算

0引言

在电力行业，并网发电是指将发电机组的输电线路与输电网接通，进而开始向外输送电能。具体的并网过程并非文字描述般简单，需完成接入系统的建设及应用，方可将发电站生产的电能正常供给给输电网络，进而实现电能的输送、分配。为做好这项工作，需围绕水电站并网发电项目接入系统展开详细研究。

1水电站并网发电的要求

220kV水电站如果需要接入供电系统，实现并网发电，必须遵守如下要求：

（1）基本要求。①接入电力系统方案应与电力系统的整体规划设计保持协调性[1]。②接线方式应当正规，但复杂程度不宜过高，整体运行过程的稳定性需要达标且能够灵活调度。③如果采用分期建设的方式，则应该充分考虑“平稳过渡”，确保方便性[2]。④应综合考虑投资和年运行费用因素，在确保相关要求全部达标的情况下，尽量控制成本支出。⑤应满足“n-1”送电可靠性要求，且水电站并网发电质量必须符合国家相关要求。

（2）电压等级方面的要求。①220kV水电站接入电力系统时，送电电压等级应完全符合国家电压标准，电压等级不应超过2种[3]。②接入电压等级的选择必须与地方电网当前供电需求、总体布局、未来发展规划相契合。在此基础上，还应充分考虑水电站当前建设规模以及未来扩展后预计达到的规模。③需委托专业单位围绕送电容量、送电距离等要素进行全方位分析、论证。④应做好并网方案比选工作——如果出现多种方案技术指标、经济指标较为接近的情况，应优先选择电压等级较高的方案。如果在选择电压等级较高方案但电压暂时无法达标时，应设置并网初期的降压运行方案，做好过渡期的工作。

（3）水电站并网接入系统方式及送出线路方面的要求。①电力主接线应该选择较为简洁、具有较高可靠性的接线形式，且具备供电可靠、灵活运行、操作及检修便捷程度较高等特点。②如果一个区域内存在不止一个需要接入电网的220kV水电站，且其中的某个水电站距离较远、向外输电的线路走廊相关安排较为困难，则应采用“首先完成区域内小范围并网（将其他水电站的电能均集中在同一个水电站），之后统一向外接入电网”的方式。③为实现并网，水电站向外送出电能的电缆线路导线截面大小需按照电流密度完成选定。在此基础上，作业人员还应围绕严重运行方式的潮流，对导线发热上限值是否处于允许范围内进行多次核验。④向外输送电路的导线需要长时期允许载流量超过事故运行方式下的电网最大送电容量。

2水电站并网分析

水电站是否需要并网，在很大程度上取决于地方现有供电能力是否能够满足地方用电需求，且与地方未来经济发展趋势息息相关[4]。原因在于，电能作为当今社会最重要的二次能源（同时也是清洁能源），现代生产生活中一旦出现断电情况，社会整体几乎陷入停滞状态。因此可以得出一个结论，如果一个地区具有良好的发展前景，那么该地区的用电需求量必然会显著增加。受此影响，地区原有电网的负荷压力必然会增大。为了缓解这种压力，便需要并网，以达到增加电能来源的目的。其中，水力发电的原理是充分利用自然清洁能源——水的动能，不会背离环保理念。

总体来看，水电站并网应该遵循“就近原则”。比如我国某地区近年来的经济发展水平得到了明显提升。特别是当地农网建设改造之后，地区整体电网结构得到了进一步加强和改善，导致当地用电条件远超从前的同时，电费价格也显著下降。受此影响，当地用电量、用电结构也发生了十分明显的变化。地区用电量改变了过去的单一生活照明占重要比例的情况，生活用电，生产加工用电，水电资源开发施工用电逐年上升，令工业有了很大发展，使地区用电结构有了较大调整。随着区域经济的进一步发展，城乡居民生活用电和一、三产业的用电量将进一步增加。随着该地区战略的实施和资源的进一步开发，工业经济及水电开发将高速度发展。该地区的一组用电数据显示：①2018年全区供电量为1.89亿 kW·h，供电负荷45MW，利用小时数为4200h。2018年供电量、供电负荷相较于2017年分别增长0.14亿kW·h和3MW，增长率分别为7.14%和8%。2015～2018供电量年均增长9.49%，供电负荷年均增长9.8%。由于基数较小，增长率较高。②基于上述数据及对该地区未来用电需求的负荷增长走势的判断，早在2019年，该地区有关部门便对2020年的用电量进行了预估——预计供电量将达到2.23亿kW·h，供电负荷达到52.49MW。2021年的调查结果显示，该地区实际用电增长量超过了这一预估值。因此，对增长趋势进行修正后，得到该地区2025年的电网供电增长量应该达到3.21亿kW·h，供电负荷预计达到74.29MW。

在对地区用电需求增长趋势进行综合预估后，还需围绕地区电力平衡、水电站接入系统方案可行性等展开分析。针对这些内容，将在下文结合实际案例展开分析。

3 水电站并网操作方法

水电站并网操作流程如下：其一，应做好并网前的调试工作。比如水电站应与地区电力公司（市级或省级）签订《购售电合同》，完成电力调控中心各专业处室安排的相关工作[5]。在此基础上，应取得各级单位签字批复后的《并网投运申请书》后，方可开展并网调试。其二，完成并网调试前期准备工作，召开启动验收会议之后，水电站应按照《机组启动调试大纲》以及《启动试运行程序大纲》等文件中的有关要求，依次完成水力发电充水试验、机组开机试验、发电机组带主变压器与高压配电装置试验、高压配电装置母线受电试验、水轮发电机组并列及负荷/带负荷/甩负荷试验、负荷下（紧急）事故停机试验以及其他强制性试验后，开展为期72小时的试运行试验。上述所有试验均通过之后，说明水电站并网的所有条件均已齐备，后续只需完成各类型并网准入手续的办理即可。

4 基于实例的水电站并网发电项目接入系统分析

4.1 水电站概况

蔡阳水电站位于四川省甘孜州泸定县磨西镇境内，为燕子沟中下游第一级电站，燕子沟为大渡河右岸支流磨西河右源支沟。电站采用引水式开发。该电站具有日调节性能，枯期平均出力 8.1MW，电站装机容量 70MW，多年平均发电量 31564 万 kW•h。坝址位于燕子沟与 3#支沟交汇处下游约 80m，多年平均流量 7.86m³/s，厂址位于燕子沟与海螺沟汇口附近海螺沟右岸冲积漫滩上，距汇口约 300m，电站利用落差 538.99m，最大引用流量为 16.5m³/s；为利用支流磨子沟的水量，在磨子沟汇口上游约 3.6km 建底格栏栅坝，坝址处多年平均流量 2.45m³/s，通过 0.180km 隧洞将水引入主洞中，最大引用流量3.92m³/s。

2014 年泸定蔡阳水电站工程接入系统通过国网四川省电力公司评审，并作了批复（川电发展〔2014〕173 号）。原则上同意设计单位推荐的蔡阳水电站接入系统的方案，具体而言：蔡阳水电站装机容量 70MW（2×35MW），采用高电压送电，即 220kV 电压等级接入四川主网，直接接入幸福 220kV 变电站 220kV 侧。

4.2水电站并网发电项目接入系统设计

4.2.1并网最终方案

采样水电站周边现有的其他电源点共计三个，分别为磨西变电站、桃子坪变电站、幸福变电站。第一个设想是：潮流从蔡阳电站往北送到磨西 110kV 变再往南送幸福变，潮流迂回，线路距离长（约 35km），运行不经济。同时接入磨西变需通过贡嘎山风景区，线路走廊的审批难度非常大。故该设想并不具有可行性。第二个设想是：接入桃子坪变电站，但桃子坪变电站进线走廊非常困难，线路走廊通过生态红线区，实施难度较大，且一旦采用该方案，则幸福变电站主变容量不能满足要求。第三个设想是，接入幸福变电站。具体方案为：幸福变站内 110kV 间隔扩建，受现场条件及技术规范的限制，无法扩建幸福变电站主变容量不能满足要求，幸福变电站主变容量不能满足要求。幸福变电站站内扩建 220kV 间隔也是受现场条件及技术规范的限制，无法扩建。因此只能在站外新征地向东扩建是有条件的，但需重新征地难度较大。经过全方位考量、评估后，最终决定在蔡阳电站预留1个220kV 出线间隔，以承担周边负荷的供电。这种并网接入方案的优点集中在以下几个方面：接入幸福220kV站送电潮流合理，没有迂回；送电电压高、距离短、能损小；现有主变容量满足要求。在设计送出电压等级方面的综合考量是：蔡阳水电站现有装机容量为70MW，并网后可选择的送电电压既可以是220kV, 也可以是110kV。考虑到就近的幸福变电站、桃子坪变电站均无110kV间隔，均无备用间隔且并无扩建条件；若采用110kV电压等级接入电网，需通过幸福变再次升压。但由于幸福变现有主变容量不足，最终决定蔡阳电站采用高电压送电，即220kV电压等级送出。

4.2.2方案研究的前提条件和原则

除了考虑水电站及附近变电站的基本情况之外，其他相关考量因素如下：①必须确保水电站所发电能合理、安全、经济、可靠地送出；②结合周边电网建设的实际情况，提出可行的接入方案，有利于电力尽快发挥效益；③方案不仅需要在技术层面具有可行性，投资成本还应尽量低，方案变现后的运行需要安全可靠，同时彰显出经济性和环保性。

4.2.3导线截面的选择

导线截面的选择需要基于经济密度角度进行考量，即根据经济电流密度的计算方法完成评估。具体公式如下：

（1）

在公式（1）中，S表示导线（钢芯铝绞线）的截面，单位为mm2；P表示送电容量，单位为kW；表示线路额定电压，单位为kV；J表示经济电流密度，单位为A/mm2，是一个固定参数。考虑采样水电站的实际情况，将J与分别取1.15A/mm2和0.95，代入计算后，得出采样水电站接入系统的导线截面积为168mm

2。

基于导线长期容许电流校验导线截面，最终得出的结果是：根据气温条件多年平均最高气温22.7℃，海拔2865m，考虑日照的情况下，修正系数为1。LGJ-300 导线修正载流量为783A，220kV电压时持续极限输送容量为289MVA，可满足蔡阳电站输送容量的要求留有充足容量（结合业主意见）。

4.2.4接入系统方案

蔡阳电站通过一回220kV线路送电至幸福220kV变电站。线路长度为6.5公里，导线截面为300mm2。如果从平面视角来看，蔡阳水电站位于幸福变电站的西北方向，二者之间连线与水平（东西方向）线之间的夹角约为40°。

4.2.5电气相关计算——潮流计算

潮流计算原则如下：①考虑“丰、大”方式。②共计三种计算方式：方式一：考虑断开幸福～雅安；方式二：幸福～小天都220kV线路；方式三：在幸福变电站内二台主变解列运行方式。网络电压水平按规程要求控制。最终结果如下：方案一的潮流分布为70～318～549MW，小天都～康定线路按 2x300 截面限制潮流，该断面超过线路的极限送电容量（2x300 导线、导线温度70℃，送电容量 500MW）。方案二：断开幸福～小天都，幸福~雅安联网运行，潮流分布为 70～31.8MW。幸福站送电线路潮流满足要求，电压水平合理。方案三：在变电站内解列运行，可合理分布在幸福变汇聚的小水电，幸福～雅安165.76MW、幸福～小天都～康定152、390.7MW，缓解了小天都～康定线路的潮流。

对上述三种方案进行综合分析后，得出的结果是：方案一可以作为常规潮流方案，在所有水电大、小天都～康定线路均有过载；在蔡阳水电站完成并网接入且正式投产之后，应采用二、三两种方案。

5 水电站并网发电对电网的影响和作用

近年来，我国正在大力开发多种新能源发电形式。如太阳能光伏发电、海洋能、氢能、生物质能、地热能等均可用于发电。这些新能源发电模式存在的最大问题是，发电过程缺乏足够的稳定性，可能出现控制不佳甚至完全无法控制的情况。而这样的电网接入形式有较大概率会对电网系统的稳定性、安全性带来较大的负面影响，从而使广大用电户无法享受到优质、稳定的电能供应服务。相较于这些新能源发电形式，我国水力发电起步比较早且掌握了大量的一手数据信息。具体而言：水力发电是指依靠自然水域流动过程中释放出的动能，推动水轮机转动后发电。因此，水流域的水流特点、蕴含多少能量、这些能量的变化趋势等信息在建设水力发电站之前便已经得到充分收集。在此情况下，水力发电过程整体可控性较高，水力发电稳定性较大。与此同时，水力发电与风力发电类似，其最大优势是发电过程几乎不会产生任何污染，故契合可持续发展、绿色发展理念。综合来看，水电站并网发电后，能够为电网提供稳定、优质的电能，且有助于提高电网内电能流通设计的科学性——电能在电网中很难得到有效存储，如果发电量过多且没有被及时消耗，电能便会被白白浪费。一个水电站的平均发电量虽然存在变化区间，但整体稳定，这意味着接入电网的电能总量具有相对固定性，不会出现“电网电量过多而无法及时消耗，最终引起浪费”的情况，能够对电网产生积极影响。

6结语

水电站并网并不是一件能够轻易完成的事。除了水电站的发电规模、发电质量、电能供应稳定性等均符合要求之外，还应与地方经济发展潜力、用电增长需求相契合。在此基础上，有关单位还应做好水电站并网发电项目接入系统设计工作。当方方面面的技术问题全部得到解决，试运行无误后，方可提交各级部门审批，最终得到全部手续后，才能真正完成并网接入。水电站并网发电之后，能够解决地区供电能力不足、供电压力大的问题，进而帮助地区解决用电忧虑，开足马力，取得更大的成就。

参考文献：

[1]熊鸿韬,林进钿,楼伯良,项俊猛. 水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证[J]. 电力系统及其自动化学报:1-6.

[2]周莎莎. 一起水电机组非同期并网事件的分析处理和启示[J]. 机电信息,2022,(11):6-9.

[3]张发庆. 基于电子接口的新能源并网发电接入系统暂态电压稳定机理[J]. 自动化技术与应用,2020,39(09):78-81+86.

[4]吴凡,匡蕾. 基于PMU数据的300MW水电机组并网暂态分析[J]. 电气技术,2018,19(12):76-82.

[5]张云程. 水电机组调节系统参数辨识及并网运行控制优化研究[D].华中科技大学,2018.

作者简介：蔡萍（1987-），女，汉族，江西九江人，中级工程师，本科，主要从事电网220kV及以下输变电工程可研阶段，水电、光伏并网接入系统设计人员。