唐寶鋒，鄭紫堯

(國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021)

抽水蓄能電站接入系統(tǒng)方案研究

唐寶鋒，鄭紫堯

(國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021)

根據(jù)易縣抽水蓄能電站的地理位置及電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提出3種500 kV接入系統(tǒng)方案和1種220 kV接入系統(tǒng)方案，對各方案從接入點(diǎn)、工程實(shí)施難度、電網(wǎng)潮流、短路電流、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較，最終確定了易縣抽水蓄能電站以2回500 kV出線接入慈云變電站的方案，結(jié)合接入系統(tǒng)方案所確定的2回出線規(guī)模，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定易縣抽水蓄能電站發(fā)變組采用聯(lián)合接線、開關(guān)站采用角型接線方案。

抽水蓄能；調(diào)峰；接入系統(tǒng)；主接線

1 概述

河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)電源結(jié)構(gòu)單一，火電比例高。近些年，伴隨外送電源增加和風(fēng)電規(guī)模擴(kuò)大，使得電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。截至2016年底，省調(diào)直調(diào)裝機(jī)容量33 476.3 MW，其中火電28 835 MW，占比86.1%；水電1 101.9 MW，占比3.3%；風(fēng)電1 188.8 MW，占比3.6%；光伏2 146.6 MW，占比6.4%；其他新能源204 MW，占比0.6%。電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大，2016年最大峰谷差12 974 MW，最大峰谷差率44.75%。

抽水蓄能電站是公認(rèn)的可靠調(diào)峰電源[1-2]。抽水蓄能電站在實(shí)際運(yùn)行中具有兩大顯著的特性：一是它既是發(fā)電廠為系統(tǒng)提供峰荷電能，又是用戶消納系統(tǒng)低谷電能，這種調(diào)峰填谷的運(yùn)行方式在減小系統(tǒng)峰谷差時(shí)具有雙重作用；二是啟停迅速，運(yùn)行靈活、可靠，對負(fù)荷的急劇變化能作出快速反應(yīng)，適合承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻及快速跟蹤負(fù)荷、備用、無功調(diào)節(jié)和黑啟動(dòng)等輔助任務(wù)。因此，建設(shè)抽水蓄能電站，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施之一。河北南網(wǎng)水電的調(diào)峰能力當(dāng)前在2 000 MW左右，與實(shí)際需求相差較多。為保證河北南網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要擴(kuò)展新的調(diào)峰途徑，增加抽水蓄能電站這類經(jīng)濟(jì)有效的調(diào)峰電源。

根據(jù)規(guī)劃，河北南網(wǎng)在2025年前將在保定易縣建設(shè)1座抽水蓄能電站，規(guī)劃裝機(jī)容量為4臺(tái)300 MW機(jī)組。以下根據(jù)抽水蓄能電站所處的地理位置及在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用，介紹了3種500 kV接入系統(tǒng)方案和1種220 kV接入系統(tǒng)方案。對于以上4種接入系統(tǒng)方案，通過對接入點(diǎn)、電壓等級(jí)、線路路徑、潮流、工程造價(jià)各方面的綜合比較，最終選擇了易縣抽水蓄能電站通過2回500 kV線路接入慈云變電站的方案。

2 接入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 接入點(diǎn)選擇

易縣抽水蓄能電站位于河北省保定市易縣境內(nèi)，距保定市76 km，距石家莊市200 km，距北京市120 km。廠址周邊主要有保定1 000 kV變電站、慈云500 kV變電站、保北500 kV變電站、易州220 kV變電站、淶陽220 kV變電站等，如圖1所示。

圖1 易縣抽水蓄能電站周邊變電站情況

經(jīng)確認(rèn)，各站均有間隔供電廠接入。對于相鄰較近的易州變電站，根據(jù)遠(yuǎn)景電網(wǎng)分區(qū)方案，易州變電站所處電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)有西北郊電廠(2臺(tái)350 MW機(jī)組)及蔚縣風(fēng)電(裝機(jī)容量1 050 MW)，區(qū)內(nèi)電量已經(jīng)平衡。另外，易州-保北2回線路采用2×LGJ-300導(dǎo)線，極限輸送容量為439 MVA。如抽水蓄能電站接入易州變電站，將會(huì)造成電力外送容量受限，因此，易州變電站不適宜接入抽水蓄能電站。

對于本工程，系統(tǒng)接入點(diǎn)可在慈云、保定、保北、淶陽變電站中選擇。

2.2 接入系統(tǒng)方案

根據(jù)易縣抽水蓄能蓄能電站的地理位置及在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用，設(shè)計(jì)了4種接入系統(tǒng)方案。

方案1：由電站直出2回500 kV線路接入慈云500 kV變電站，線路長約53 km，導(dǎo)線截面LGJ-4×400 mm2。

方案2：由電站直出2回500 kV出線接入保北500 kV變電站，線路長約55 km，導(dǎo)線截面LGJ-4×400 mm2。

方案3：由電站直出2回500 kV線路接入保定1 000 kV變電站500 kV側(cè)東段母線，線路長約51 km，導(dǎo)線截面LGJ-4×400 mm2。

方案4：由電站直出3回220 kV線路，1回接入淶陽220 kV變電站，2回接入慈云500 kV變電站，線路長度分別為54 km及43 km，導(dǎo)線截面LGJ-2×630 mm2。各方案的接入系統(tǒng)示意如圖2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4圖2 易縣抽水蓄能電站接入系統(tǒng)方案

2.3 方案比選

2.3.1 工程實(shí)施

經(jīng)調(diào)研，慈云、保北、保定及淶陽變電站均有備用間隔供易縣抽水蓄能電站接入。

對于方案1，易縣抽水蓄能電站接入慈云變電站的2回500 kV線路需繞行易縣縣城、望龍山風(fēng)景區(qū)、望龍水庫，跨越易水河、高易鐵路、京昆高速、廊涿高速、G112國道、S232省道及渾源-安定2條單回500 kV線路，山區(qū)地形占比19%。綜合比較，該方案不存在施工制約因素，工程總體施工難度較小。

對于方案2，易縣抽水蓄能電站接入保北變電站的2回500 kV線路需跨越京昆高速、張石高速、榮烏高速、易水河及渾源-安定2條單回500 kV線路、渾源-霸州2條單回500 kV線路，鉆越保定-晉北1 000 kV線路，且山區(qū)地形較多，約占40%，工程實(shí)施難度較大。

對于方案3，保定1 000 kV特高壓變電站共有500 kV出線12回，結(jié)合遠(yuǎn)景規(guī)劃，其6回接入京津唐電網(wǎng)，6回接入河北南網(wǎng)。在接入河北南網(wǎng)的6回線路中，目前已建設(shè)2回接入易水變電站，另有2回規(guī)劃接入慈云變電站(正處于可研階段)，僅剩余東側(cè)2回線路供易縣抽水蓄能電站接入。經(jīng)線路專業(yè)核實(shí)，此2回線需要在站端連續(xù)跨越至慈云、易水變電站的4回500 kV線路，施工難度較大。并且，在施工過程中可能需要對該4回線路同時(shí)停電，對電網(wǎng)造成較大影響。

對于方案4，接入慈云站的2回220 kV線路與方案1的500 kV線路路徑類似。接入淶陽變電站的1回220 kV線路需跨越易水河3次，并跨越京昆高速，全線地形為山區(qū)、丘陵，分別占約32%和68%。線路總長度在4種方案中最多，工程量最大。

2.3.2 潮流分布

對各接入系統(tǒng)方案，按照易縣抽水蓄能電站大負(fù)荷發(fā)電及低谷抽水2種工況進(jìn)行潮流計(jì)算，潮流分布合理，不存在線路過載情況。在N-1方式下，方案3在保定-慈云斷1回線時(shí)，另一回線路潮流將達(dá)到2 332 MW，接近線路的極限輸送功率(2 400 MVA)。因此，如采用方案3作為易縣抽水蓄能電站的接入系統(tǒng)方案，需要對保定-慈云500 kV線路采用有效的潮流控制措施，或者采用更大截面導(dǎo)線，如LGJ-4×630 mm2。

2.3.3 短路電流

該地區(qū)500 kV網(wǎng)架短路電流水平較高。2025年各變電站的短路電流如表1所示。

表1 2025年短路電流計(jì)算結(jié)果 kA

短路地點(diǎn)方案1方案2方案3方案4三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路易縣抽水蓄能500kV母線28.8924.8829.2425.4330.0025.0337.8227.08慈云保定1000kV500kV母線58.3741.8855.4136.2856.2138.7657.1535.89500kV東59.3333.7957.9231.5061.3238.7958.9131.20500kV西53.0226.7452.9126.7153.0426.7352.9726.71保北500kV母線60.2844.3062.9948.7159.7143.7459.9842.99淶陽220kV------31.2423.96

由表1可見，保北變電站在方案2時(shí)短路電流為62.99 kA，已經(jīng)達(dá)到遮斷電流的極限水平(63 kA)。因此，該地區(qū)需要采取必要的限制短路電流措施。

電網(wǎng)解環(huán)是降低短路電流最有效的方案。隨著特高壓在河北南網(wǎng)的落地，河北南網(wǎng)與京津唐電網(wǎng)可更多通過特高壓電網(wǎng)聯(lián)系，500 kV電網(wǎng)解環(huán)已經(jīng)具備條件。若斷開慈云-房山2回500 kV線路，慈云、保定、保北500 kV母線短路電流均有不同程度的降低，如表2所示。

表2 2025年慈云-房山線路斷開后 短路電流計(jì)算結(jié)果 kA

短路地點(diǎn)方案1方案2方案3方案4三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路易縣抽水蓄能500kV母線26.6423.3528.5825.0228.8824.2536.6825.95慈云保定1000kV500kV母線48.3035.0445.3229.4446.1031.9347.0829.03500kV西54.3731.1952.6428.3755.9235.5753.8228.01500kV東52.3826.3952.3326.3852.4226.3952.3526.38保北500kV母線57.0342.4259.3446.2356.2541.6356.6240.66淶陽220kV------30.4123.14

2.3.4 工程投資

4種接入系統(tǒng)方案的系統(tǒng)一次設(shè)備配套投資如表3所示。通過對比分析可知，方案1投資總額最少，方案4投資最大。

通過以上在工程施工難度、電網(wǎng)潮流、短路電流水平及工程投資方面的對比，經(jīng)綜合分析比較，方案1工程實(shí)施難度較低，潮流分布合理，且工程造價(jià)最低，因此選用方案1為本工程的接入系統(tǒng)方案。

表3 各方案接入系統(tǒng)一次部分配套投資比較 萬元

方案項(xiàng)目規(guī)格規(guī)模投資合計(jì)方案1易縣抽水蓄能-慈云線路4×LGJ-400同塔雙回53km21963慈云站間隔500kVHGIS 個(gè)156823531方案2易縣抽水蓄能-保北線路4×LGJ-400同塔雙回55km23485保北站間隔500kVSF6斷路器(罐式)2個(gè)147225957方案3易縣抽水蓄能-保定線路4×LGJ-400同塔雙回51km21808保定站間隔500kVGIS2個(gè)173823546方案4易縣抽水蓄能-慈云線路2×LGJ-630同塔雙回54km18421易縣抽水蓄能-淶陽線路2×LGJ-630單回路43km7343慈云站間隔220kVGIS2個(gè)722淶陽站間隔220kVGIS1個(gè)36126847

3 抽水蓄能電站主接線方案

3.1 主接線方案

易縣抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰填谷等任務(wù)，工況變化頻繁，基于上述運(yùn)行方式及電站分期開發(fā)等特點(diǎn)，要求電氣主接線能適應(yīng)本電站的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇滿足可靠性設(shè)計(jì)要求及運(yùn)行工況改變，操作方便、靈活，并力求降低投資的接線方案作為本電站的電氣主接線。

3.1.1 發(fā)電機(jī)變壓器組接線

發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器的組合可采用單元接線、聯(lián)合單元接線、擴(kuò)大單元接線，如圖3所示。

(a) 方案1 (b)方案2 (c) 方案3圖3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器接線方式

方案1采用單元接線方式，接線簡單、明了，設(shè)備的布置清晰，運(yùn)行的可靠性較其他兩方案高。但該組合方式高壓出線需4回，不滿足本工程2回500 kV進(jìn)線方案。

方案2采用聯(lián)合單元接線。該方案同樣具備接線簡單、設(shè)備的布置清晰的特點(diǎn)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)操作靈活、簡單。500 kV進(jìn)線回路數(shù)可減少到2回，簡化了開關(guān)站的接線和布置，節(jié)省開關(guān)站的土建和電氣設(shè)備投資。

方案3采用擴(kuò)大單元接線。該方案接線和設(shè)備的布置相對復(fù)雜，該方案進(jìn)線回路數(shù)為2回，簡化500 kV側(cè)的接線，主變壓器臺(tái)數(shù)可減少2臺(tái)，但廠用及起動(dòng)電源的可靠性較前2個(gè)方案差。為減小發(fā)電電動(dòng)機(jī)回路的短路電流，變壓器需采用低壓雙分裂繞組的變壓器。

綜上所述，方案1(單元接線)技術(shù)可靠性高，但投資較高；方案3(擴(kuò)大單元接線)技術(shù)可靠性稍差，投資也較高。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)主變壓器的組合方式采用方案2(聯(lián)合單元接線)。

3.1.2 開關(guān)站主接線

易縣抽水蓄能電站開關(guān)站主接線可采用3/2接線、雙母線及角型接線3種方式。表4對各方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

表4 主接線方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

項(xiàng)目3/2斷路器接線雙母線接線角型接線運(yùn)行方式任一設(shè)備故障不影響供電檢修任一母線隔離開關(guān),需停運(yùn)相連出線和母線任一設(shè)備故障不影響供電可靠性高低高斷路器數(shù)量/只654造價(jià)/萬元521443453476

3/2接線供電可靠性高，但多應(yīng)用于進(jìn)出線較多，需組多串的工程。工程進(jìn)出線僅4回，組成2串回路，需配置6臺(tái)斷路器，投資較高。雙母線接線時(shí)，主變壓器進(jìn)線斷路器故障時(shí)將造成2臺(tái)機(jī)組停機(jī)，可靠性較低。角型接線的可靠性與3/2接線相同，運(yùn)行靈活，且經(jīng)濟(jì)性適中，是工程的首選方案。

另外，DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5條3款規(guī)定“GIS配電裝置，當(dāng)進(jìn)出線回路數(shù)少時(shí)，可采用角型，當(dāng)進(jìn)出線回路數(shù)較多時(shí)，可采用雙母線、雙母線分段等接線，但均不設(shè)旁路母線。進(jìn)出線達(dá)8回及以及上，可選用3/2或4/3斷路器接線。”該工程終期規(guī)模為2回進(jìn)線、2回出線，應(yīng)選用角型接線做為抽水蓄能電站的主接線方案。

4 結(jié)束語

對易縣抽水蓄能電站的接入系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)論證。通過工程實(shí)施難度、電網(wǎng)潮流、短路計(jì)算、工程造價(jià)的綜合對比分析，最終選擇了易縣抽水蓄能電站經(jīng)2回500 kV線路接入慈云變電站的方案。結(jié)合接入系統(tǒng)方案，對易縣抽水蓄能電站的主接線方案提出建議，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，發(fā)變組采用聯(lián)合單元接線方式，開關(guān)站采用角型接線方式。

[1] 朱建國．電力系統(tǒng)中抽水蓄能電站調(diào)峰作用的研究[J]．能源與節(jié)能，2014，(7)：12-13．

[2] 宋 豪，宋曙光，王 超，等．抽水蓄能電站對山東電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的影響[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(5)：138-142．

[3] 傅 旭，谷 子．陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站接入系統(tǒng)方案研究[J]．智能電網(wǎng)，2017，5(1)：99-106．

[4] 蔡 黎，陳凌云．抽水蓄能電站接入系統(tǒng)研究[J]．中國電力，2013，46(1)：81-85．

Study on Scheme of Pumped Storage Power Station Connecting to Power Grid

Tang Baofeng,Zheng Ziyao

(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

According to the geographical position and grid structure of Yi'xian Pumped Storage Power Station,three schemes of connecting to power grid in 500 kV and one scheme of connecting to power grid in 220 kV are put forward.After the comprehensive comparison of each scheme from the point of access,the difficulty of the project,power flow, short-circuit current and project investment,the final scheme is determined that connecting to Ci'yun substation by two 500 kV lines.Combined with determined scheme of two lines scale,through technical and economic comparison,the joint connection of the generator and transformer group of Yixian Pumped Storage Power Station is determined,and the switch station adopts angle type connection.

pumped storage power station;peak load;connecting system;main connection

2017-09-01

唐寶鋒(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電力仿真分析等工作。

TM774

B

1001-9898(2017)06-0001-04

本文責(zé)任編輯：齊勝濤