季調(diào)節(jié)水電站枯水期調(diào)度研究

劉紅嶺,蔡建章,蔡華祥

(云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011)

季調(diào)節(jié)水電站枯水期調(diào)度研究

劉紅嶺,蔡建章,蔡華祥

(云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011)

水庫(kù)入流的不確定性使得水電站在枯水期調(diào)度運(yùn)行時(shí)面臨著水量利用與水頭控制間的協(xié)調(diào)矛盾,而季調(diào)節(jié)及以下調(diào)節(jié)能力的水電站由于調(diào)節(jié)能力的限制使得這種矛盾更加突出。本文從綜合利用來(lái)流能與水庫(kù)蓄能的角度出發(fā),提出以來(lái)流能損失表示水頭的損失,以水庫(kù)蓄能的高效利用為目標(biāo)確定水電站枯水期最佳調(diào)度運(yùn)行方式。通過(guò)來(lái)流能損失與一定水庫(kù)蓄能利用效率下的動(dòng)用蓄能的比較分析,優(yōu)化確定枯水期水位控制方案,為實(shí)現(xiàn)枯水期水量與水頭利用的協(xié)調(diào)控制提供調(diào)度決策依據(jù)。

水電站；枯水期；來(lái)流能；水庫(kù)蓄能；調(diào)度規(guī)律

0 前言

目前,水電站枯水期運(yùn)行方式的制定有兩種基本途徑：常規(guī)調(diào)度圖、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度理論。常規(guī)調(diào)度圖是水庫(kù)調(diào)度規(guī)則函數(shù)的圖形表示,是在缺乏準(zhǔn)確信息的情況下,依據(jù)歷史系列水文資料計(jì)算繪制而成。直觀、簡(jiǎn)明的特點(diǎn)使得其在單庫(kù)調(diào)度問(wèn)題中廣泛應(yīng)用,但對(duì)于規(guī)模日益龐大的庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度問(wèn)題,則不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水庫(kù)枯水期期優(yōu)化調(diào)度的方法受限于徑流預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。依據(jù)對(duì)徑流描述和處理方式的不同,水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度理論可分為：確定性優(yōu)化[1-10]與隨機(jī)優(yōu)化方法[11-17]。確定性優(yōu)化假定水庫(kù)調(diào)度期內(nèi)初末運(yùn)行水位為已知條件,而實(shí)際調(diào)度過(guò)程是無(wú)限持續(xù)進(jìn)行的,固定調(diào)度期末邊界條件的做法不能滿足實(shí)際運(yùn)行要求。隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度方法以隨機(jī)徑流樣本結(jié)果推導(dǎo)出的規(guī)則或以考慮徑流概率分布推導(dǎo)出基于期望值的運(yùn)行策略,在實(shí)際應(yīng)用中不直觀,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度決策的實(shí)際指導(dǎo)。如何考慮水庫(kù)入流的不確定性,優(yōu)化水位消落運(yùn)行方案,以實(shí)現(xiàn)水量利用與水頭利用的協(xié)調(diào)控制,是枯水期調(diào)度決策面臨的實(shí)際困難。

在枯水期調(diào)度運(yùn)行期間,從充分提高水量利用程度來(lái)看,最好的決策是來(lái)水就盡量發(fā)電以最大化利用水量；而從提高水頭而言,應(yīng)盡量蓄水以提高水頭,保持高水頭運(yùn)行。這兩種運(yùn)行方式存在矛盾,而對(duì)于水庫(kù)調(diào)節(jié)能力較差的水電站而言,由于庫(kù)容小、水頭消落變化很快,這種矛盾的表現(xiàn)更為突出。盡量多放水的運(yùn)行方式由于水頭的損失,未必能夠獲得更大的發(fā)電收益。

因此,本文以季調(diào)節(jié)及以下調(diào)節(jié)能力的水電站為研究對(duì)象,從蓄能分析的角度研究其枯水期調(diào)度規(guī)律,以高效利用水庫(kù)蓄能為目標(biāo),通過(guò)合理控制水位消落程度與消落運(yùn)行時(shí)段減少來(lái)流能損失,提出兼顧水量利用與水頭利用的最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行策略。

1 電站枯水期運(yùn)行方式分析

1.1 問(wèn)題的描述

依據(jù)水電能源學(xué)的觀點(diǎn),水庫(kù)經(jīng)電站發(fā)出的電能由兩部分組成[18]：一部分是來(lái)流能,它是由來(lái)水經(jīng)水電站直接發(fā)出的電能；另一部分是水庫(kù)中的動(dòng)用蓄能,它是由水庫(kù)中的蓄水下泄而得到的電能。一般而言,很自然的可以得到如下的結(jié)論：將來(lái)水與水庫(kù)中的蓄水全部用于發(fā)電的所發(fā)電能之和應(yīng)大于將來(lái)水維持上游水位不變下的來(lái)流能,即：

式中,等式左邊的E(Q)表示來(lái)水在發(fā)電過(guò)程中水頭不斷損失下的來(lái)流能,等式右邊的E′(Q)表示來(lái)水在維持上游水位不變下的來(lái)流能。

在實(shí)際運(yùn)行中,對(duì)于季調(diào)節(jié)及以下調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)而言,若將來(lái)水及水庫(kù)中的蓄水均用以發(fā)電,由于自身調(diào)節(jié)能力較差,水頭在發(fā)電過(guò)程中的消落損失將使得來(lái)流能E(Q)比E′(Q)小。因此,需要在動(dòng)用水庫(kù)中蓄能ΔE(V)時(shí)保證有一定的利用效率λ,即保證有λ·ΔE(V)的發(fā)電量：

通過(guò)對(duì)較差調(diào)節(jié)能力的季調(diào)節(jié)及以下調(diào)節(jié)能力水電站調(diào)度規(guī)律的深入研究,綜合考慮保證發(fā)電量與水位消落的優(yōu)化控制,能夠?qū)崿F(xiàn)以最優(yōu)的決策方式保證來(lái)流能與水庫(kù)蓄能的高效利用。

1.2 最佳運(yùn)行方式的運(yùn)行原理

水電站枯水期最佳運(yùn)行方式制定的關(guān)鍵在于如何消落水位。枯水期水位消落的一般規(guī)律是在前期逐步消落,而在枯水期末、汛期初消落至死水位。依據(jù)不同的消落程度,分為下面兩種情況討論：

1)運(yùn)行時(shí)段末的水位消落至正常蓄水位與死水位之間：這種情況下,水位的消落將伴隨著來(lái)流能的損失和水庫(kù)蓄能的動(dòng)用。

來(lái)水在維持上游水位不變下的來(lái)流能：

式中,K為水電站出力系數(shù),Qλ為天然來(lái)水徑流,為時(shí)段內(nèi)的由水庫(kù)蓄水提供的平均下泄流量,H初為時(shí)段初水頭,Δt為時(shí)段間隔長(zhǎng)。

來(lái)水在水位消落下的來(lái)流能：

式中,H 為消落過(guò)程上的平均水頭。

水位消落過(guò)程中損失的來(lái)流能：

式中,ΔH為時(shí)段內(nèi)發(fā)電的損失水頭。

水位消落過(guò)程中動(dòng)用的水庫(kù)蓄能：

式中,μ為水電站平均發(fā)電耗水率?；谏嫌嗡?庫(kù)容曲線中水位變化與庫(kù)容變化間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可計(jì)算相應(yīng)的水庫(kù)蓄能的變化,得到上游水位-水庫(kù)蓄能曲線,如圖1所示。

圖1 上游水位-水庫(kù)蓄能曲線

2)運(yùn)行時(shí)段末的水位消落至死水位：這種情況對(duì)應(yīng)于運(yùn)行時(shí)段末為枯水期末汛期初,依據(jù)最佳水位消落要求,運(yùn)行時(shí)段末可能不必消落至死水位,但由于汛期的到來(lái)運(yùn)行時(shí)段末必須消落至死水位。此種情況下的最佳水位消落方式應(yīng)該是在前期保持上游水位不變,以高水頭運(yùn)行,而在后期以較短的時(shí)間將水位拉至死水位,此時(shí)需要確定的是最佳的放水時(shí)刻。

這里將運(yùn)行時(shí)段Δt分為2部分：來(lái)水維持上游水位不變的時(shí)間段 Δt1與拉水運(yùn)行的時(shí)間段Δt2,水頭損失定義為ΔH′,則存在以下關(guān)系：

來(lái)水在消落過(guò)程中的來(lái)流能損失：

水位消落過(guò)程中動(dòng)用的水庫(kù)蓄能：

最佳的拉水運(yùn)行時(shí)刻的確定：

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本參數(shù)

本文以瀾滄江流域不完全季調(diào)節(jié)漫灣和大朝山水電站為例,進(jìn)行枯水期最佳水位消落運(yùn)行方式的計(jì)算分析。漫灣水電站的裝機(jī)容量 1 670 MW,死水位982 m,正常高水位994 m,最大引用流量對(duì)應(yīng)的下游水位為901 m,水電站出力系數(shù)取為 8.6,平均發(fā)電耗水率取為 4.6～4.9。2011年枯水期1月至5月的運(yùn)行要求是從正常高水位994 m拉水至死水位982 m。大朝山水電站的裝機(jī)容量1 350 MW,死水位882 m,正常高水位899 m,最大引用流量對(duì)應(yīng)的下游水位為817 m,水電站出力系數(shù)取為8.6,平均發(fā)電耗水率取為4.995～5.23。2011年枯水期1月至5月的運(yùn)行要求是從正常高水位899 m拉水至死水位882 m。漫灣與大朝山水電站1月至5月的入庫(kù)流量如表1所示。

表1 1月至5月漫灣與大朝山水電站入庫(kù)流量

2.2 枯水期運(yùn)行方式分析

2.2.1 水位落至死水位臨界入庫(kù)流量確定

此種情況下,水庫(kù)中的全部庫(kù)容將用以發(fā)電,而水頭消落的損失可能使得庫(kù)容本應(yīng)發(fā)出的電能由于來(lái)流能的損失而全部貶值或部分貶值。若式(2)中的水庫(kù)蓄能利用效率λ為0,意味著水庫(kù)蓄能全部貶值,而若λ在 [0,1]區(qū)間內(nèi),則意味著水庫(kù)蓄能的部分貶值。此時(shí)水頭損失ΔH、平均水頭動(dòng)用庫(kù)容ΔV均成為已知量,由式(2)可得到相應(yīng)的臨界入庫(kù)流量。

表2為對(duì)應(yīng)不同水庫(kù)蓄能利用效率,水位由正常高水位消落至死水位的臨界入庫(kù)流量。

表2 由正常高水位消落至死水位的水電站臨界入庫(kù)流量

從表2中可看到,在將水庫(kù)水位由正常高水位消落至死水位的過(guò)程中,漫灣水電站的入庫(kù)流量若大于1 559.19 m3/s,大朝山水電站的入庫(kù)流量若大于1 320.20 m3/s,則水庫(kù)蓄能將全部貶值；若漫灣水電站入庫(kù)流量小于595.80 m3/s,大朝山水電站入庫(kù)流量小于528.08 m3/s,則水庫(kù)蓄能能夠保證60%的利用效率；若漫灣水電站入庫(kù)流量小于446.85 m3/s,大朝山水電站入庫(kù)流量小于396.06 m3/s,則水庫(kù)蓄能能夠保證70%的利用效率。由表2可知,水庫(kù)庫(kù)容的全部利用并不一定意味著發(fā)電量的增加,入庫(kù)流量較大時(shí)維持高水頭運(yùn)行更有利于發(fā)揮水庫(kù)蓄能的作用。

2.2.2 月內(nèi)最佳消落水位的確定

對(duì)于漫灣與大朝山水電站,月內(nèi)最佳消落水位的確定可由式 (2)分析得到。對(duì)于1月份,漫灣水電站的入庫(kù)流量為759.4 m3/s,大于相應(yīng)表1中的臨界流量595.8 m3/s；大朝山水電站的入庫(kù)流量為808.6 m3/s,大于相應(yīng)表1中的臨界流量528.08 m3/s。若將水位消落至死水位,水庫(kù)蓄能的利用率均將低于60%。因而,水位消落應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

由圖1的水位消落可查到相應(yīng)的水庫(kù)蓄能的變化,進(jìn)而可分別求得漫灣與大朝山水電站來(lái)流能的損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能,分別如表3與表4所示。

表3 1月漫灣水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表4 1月大朝山水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

從表3與表4中可看到,隨著消落程度的加大,在動(dòng)用更多水庫(kù)蓄能獲得更大可發(fā)電量的同時(shí),來(lái)流能的損失在增加,蓄能利用效率在降低。在電網(wǎng)供電形勢(shì)緊張時(shí),可犧牲一定的蓄能利用效率,以獲得最大的實(shí)際可發(fā)電能；而在電量需求不足時(shí),則可以高效利用蓄能的同時(shí)滿足電量平衡。在此選擇將漫灣水電站水位消落1 m的運(yùn)行方案,月末拉水至993 m；選擇將大朝山水電站水位消落1 m的運(yùn)行方案,月末拉水至993 m。

同理,可分別計(jì)算2月份至4月份漫灣與大朝山水電站不同消落程度下的來(lái)流能和水庫(kù)蓄能的利用情況,并依據(jù)電量平衡需求,確定各月的水位消落方案。表5至表10分別為漫灣與大朝山水電站2月份至4月份拉水運(yùn)行過(guò)程中的來(lái)流能與水庫(kù)蓄能的利用情況。

表5 2月漫灣水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表6 2月大朝山水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表7 3月漫灣水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表8 3月大朝山水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表9 4月漫灣水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

表10 4月大朝山水電站水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與動(dòng)用的水庫(kù)蓄能

從表5至表10中可看到,2月份至4月份拉水過(guò)程中來(lái)流能損失、動(dòng)用的水庫(kù)蓄能、實(shí)際可發(fā)電能及蓄能利用效率的變化規(guī)律與1月份是一致的,合理的運(yùn)行方式應(yīng)當(dāng)是在滿足電網(wǎng)電量需求的前提下,盡量維持高水位運(yùn)行。

需要說(shuō)明的是,在水位消落方案的計(jì)算中耗水率隨運(yùn)行水頭的變化而取相應(yīng)的變化值。

2.2.3 月內(nèi)水位必須消落至死水位時(shí)最佳拉水運(yùn)行時(shí)段的確定

此種情況對(duì)應(yīng)于5月份,雖然由月內(nèi)放水規(guī)律,應(yīng)維持上游高水位運(yùn)行,但由于水庫(kù)汛期運(yùn)行的要求,枯水期末5月末水位必須消落至死水位。為了盡量減少來(lái)流能的損失,應(yīng)當(dāng)在前期維持上游水位不變,而在后期以拉水方式運(yùn)行,以獲得水量與水頭的最佳利用。表11為針對(duì)不同的水庫(kù)蓄能利用效率,由式 (10)可確定相應(yīng)的最佳拉水運(yùn)行時(shí)段。

表11 不同水庫(kù)蓄能利用效率對(duì)應(yīng)的最佳拉水運(yùn)行時(shí)段

從表11中可看到,對(duì)于不同的水庫(kù)蓄能利用效率0.6、0.65、0.7,漫灣水電站最佳拉水運(yùn)行時(shí)段分別為15.68天、13.72天、11.76天,大朝山水電站最佳拉水運(yùn)行時(shí)段分別為 12.82天、11.22天、9.61天。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮來(lái)流能與水庫(kù)蓄能的利用,提出以水庫(kù)蓄能高效利用為目標(biāo)的水電站枯水期調(diào)度運(yùn)行策略,以協(xié)調(diào)水量利用與水頭利用間的矛盾。通過(guò)對(duì)枯水期水位消落過(guò)程中來(lái)流能損失與水庫(kù)動(dòng)用蓄能的比較分析,確定水位消落深度及消落運(yùn)行時(shí)段,為基于蓄能分析的枯水期調(diào)度規(guī)律在水電站運(yùn)行決策中的應(yīng)用提供參考。

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Research on Optimal Hydropower Scheduling Principle of Quarterly and below Regulating Hydropower Station during Dry Water Period

LIU Hongling,CAI Jianzhang,CAI Huaxiang
(Yunnan Power Dispatching and Control Center,Kunming 650011,China)

During dry water period,contradiction between the utilization of water quality and control of water level is concerned for the uncertainty of reservoir inflow,which is more significant for the limited regulation ability of quarterly and below regulating hydropower stations.In this paper,to utilize inflow energy and storage energy comprehensively,the loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,optimal water level reduction plan is determined,and can provide decision reference for the coordination control on the utilization of water quality and water level.

hydropower station；dry water period；inflow energy；storage energy；discharging principle

TM73

B

1006-7345(2015)01-0102-04

國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目 (2012AA050205)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51109080)；中國(guó)南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目 (K-YN2012-482)；中國(guó)南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目 (KYN2014-033)。

2014-10-24

劉紅嶺 (1981),男,工程師,云南電力調(diào)度控制中心,從事電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度、水電能源調(diào)度運(yùn)行等方面的研究工作(e-mail)lb3799＠163.com。