基于跨流域引水的梯級水電站聯(lián)合調(diào)度

黃景光 黃靜梅 林湘寧 吳 巍 鄭欽杰

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))， 武漢 430074； 3. 國網(wǎng)江西省電力有限公司 景德鎮(zhèn)供電分公司， 江西 景德鎮(zhèn) 333000)

我國水資源總量在全球水資源中位居第一[1]，并作為占比重最大的清潔能源被大力開發(fā)利用，但是水資源在時(shí)空上分布不均造成了水資源整體利用率較低的局面[2]．華中電網(wǎng)水力發(fā)電比重遠(yuǎn)低于火電，系統(tǒng)調(diào)峰能力遠(yuǎn)低于實(shí)際所需調(diào)峰能力，充分利用水資源發(fā)揮其作為調(diào)峰電源的優(yōu)勢顯得尤為重要．跨流域調(diào)水工程是把來水豐富且有富余的地方水資源引到水資源匱乏的地方利用[3]，針對單一流域梯級水電站豐水期棄水，枯水期發(fā)電量低、調(diào)峰調(diào)頻效益差等問題實(shí)現(xiàn)水資源在不同時(shí)空上的再配置，提高水資源的利用率，也帶來能源互補(bǔ)上的發(fā)展效益．研究梯級水電站群補(bǔ)償調(diào)度，對充分利用水資源和提高水電站群整體調(diào)節(jié)能力具有重要意義．

文獻(xiàn)[4-5]對國外成功實(shí)現(xiàn)的跨流域調(diào)水工程進(jìn)行了相關(guān)介紹分析，可建立適合于我國的跨流域調(diào)水工程體系．文獻(xiàn)[6-9]通過建立年發(fā)電量最大模型，對三峽和清江梯級水庫在單獨(dú)運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行了電力補(bǔ)償分析．文獻(xiàn)[10-11]采用POA算法求解梯級水電站群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型．文獻(xiàn)[12]建立松江流域梯級水電站群跨流域聯(lián)合調(diào)度調(diào)峰效益最大模型，充分發(fā)揮跨流域引水水庫的調(diào)節(jié)與補(bǔ)償能力，提高整個(gè)梯級水電站群的發(fā)電效益．鑒于此，本文以華中電網(wǎng)直調(diào)的兩個(gè)空間位置相近的流域梯級水電站為研究對象，探討在兩種不同方式下新增長距離抽水蓄能電站構(gòu)建水量補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)兩流域直接水力聯(lián)系，建立不同來水頻率下兩梯級聯(lián)合調(diào)度年發(fā)電量最大模型．采用POA與水位廊道約束耦合求解，對比分析不同方式下引水前后梯級水電站聯(lián)合調(diào)度的補(bǔ)償效益，驗(yàn)證模型與調(diào)度策略的正確性及可行性．

1 跨流域梯級水電站中長期年發(fā)電量最大模型

坐落于湖北宜昌的兩流域梯級水電站群A、B，在華中電網(wǎng)中存在一定的電力關(guān)聯(lián)，其地理位置如圖1所示，基本參數(shù)見表1．在相同年份內(nèi)由于地理位置差異會經(jīng)歷不同的豐枯期，梯級水電站A在枯水期可起到調(diào)峰作用，但豐水期工作在基荷位置會加劇系統(tǒng)的調(diào)峰問題，同時(shí)大量棄水導(dǎo)致水資源不能物盡其用．而梯級水電站B的滾動(dòng)開發(fā)，對緩解華中電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻問題起到了突破性作用．

圖1 梯級A、B水平位置示意圖

表1 梯級水電站基本參數(shù)

規(guī)劃長距離抽水蓄能工程一般從龍頭梯級進(jìn)行引水(即從A1到B1)，該引水方式以提高龍頭水庫入庫量從而遍歷整個(gè)梯級提高發(fā)電量，同時(shí)可平衡兩流域防洪、航運(yùn)及各類用水情況，減少棄水，增強(qiáng)梯級B調(diào)峰調(diào)頻補(bǔ)償能力[13-14]．模型求解時(shí)將跨流域的五座串并聯(lián)型水電站分為兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行求解，先固定跨流域引水量將兩個(gè)子系統(tǒng)耦合，再調(diào)整引水流量確定不同時(shí)段內(nèi)各電站的調(diào)度方案[12]．

1.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)

(2)

1.2 約束條件

1)水量平衡約束

(3)

2)梯級水電水量聯(lián)系約束

(4)

3)引水流量約束

(5)

(6)

4)發(fā)電流量約束

5)出力約束

6)聯(lián)合調(diào)度中的約束處理

其他約束：水庫庫容約束、抽水蓄能電站出力約束、最大最小水頭限制約束以及各變量值不為負(fù)值等約束．

2 求解方法

2.1 逐步優(yōu)化算法(POA)

POA應(yīng)用于跨流域水電站調(diào)度時(shí)基本步驟如下：

Step1：按月份確定各時(shí)段初始值，固定各電站調(diào)度始末水位及引水量；

Step2：計(jì)算[t，t+1]與[t+1，t+2]兩階段兩梯級水電站最大發(fā)電量之和，并記錄各水電站在最大發(fā)電量在t、t+1、t+2時(shí)刻的水位，t=t+1；

Step3：重復(fù)Step2，計(jì)算本輪最大發(fā)電量，將本輪水位作為下次迭代初始值；

Step4：判斷是否滿足迭代終止條件，滿足則停止計(jì)算，輸出結(jié)果，否則轉(zhuǎn)至Step2．

2.2 跨流域梯級水電站調(diào)水策略與基本流程

水電站調(diào)度從6月開始進(jìn)行，將7月分為上、中、下3旬，總調(diào)度為12個(gè)月，14段時(shí)長．設(shè)置兩種跨流域調(diào)度引水方式：方式1只考慮A1電站在2～7時(shí)段發(fā)生棄水時(shí)引水，當(dāng)棄水量大于或等于固定引水量時(shí)，調(diào)節(jié)水量等于固定引水量，當(dāng)棄水量小于固定引水量時(shí)，調(diào)節(jié)水量等于調(diào)度時(shí)段內(nèi)的棄水量；方式2進(jìn)行全時(shí)段固定調(diào)節(jié)水量引水．求解基本流程如圖2所示，各調(diào)度時(shí)段對應(yīng)月份見表2．

圖2 跨流域調(diào)度求解流程圖

表2 調(diào)度時(shí)段

3 算例分析

根據(jù)梯級水電站A、B年平均入庫徑流繪制年徑流頻率曲線，選取來水頻率1%、50%、95%的徑流作為模型輸入．通過詳細(xì)比較2種引水方式與不同來水頻率，分析跨流域引水調(diào)度對兩梯級水電站發(fā)電運(yùn)行的影響．設(shè)置仿真迭代次數(shù)100次，水位離散系數(shù)0.2．

方式1：以來水頻率50%條件下為例，由圖3(圖中實(shí)線部分為抽水前數(shù)據(jù)，點(diǎn)線部分為抽水后數(shù)據(jù))可以看出，A1電站于汛期末開始蓄水以維持枯水期高水頭發(fā)電，A2因?yàn)槭侨照{(diào)節(jié)電站，進(jìn)行年調(diào)度時(shí)，基本保持在同一水位，同時(shí)由于抽水水量相對A1入庫徑流量很小，且此時(shí)為棄水時(shí)段抽水，梯級電站A在抽水前后調(diào)度水位基本不變．

圖3 來水頻率50%時(shí)方式1下A1、A2水位變化

由圖4分析可得，B1水庫在抽水前由于入庫流量較小，水庫維持較高水頭運(yùn)行，而在方式1的2～5時(shí)段下因?yàn)锳1水庫水量豐富，棄水引入B1水庫， B1電站增大出力，發(fā)電流量大于入庫量，整個(gè)水庫水位下降．在枯水期初入庫不足水位下降，枯水期末維持較高水位發(fā)電；B2水庫因B1電站下泄流量增加而抬高了庫水位，在枯水期屬于高水頭發(fā)電量；B3水庫屬于日調(diào)節(jié)電站，水位基本保持不變．

圖4 來水頻率50%時(shí)方式1下B1、B2、B3水位及發(fā)電量變化

方式1下，由表3可得梯級A總發(fā)電量約減少0.341億kW·h，減少部分基本由A1電站承擔(dān)．由表4可得梯級B總體發(fā)電量提高4.827 7億kW·h，B1、B2與B3電站分別提高2.244 4、2.0939與0.486 8億kW·h．

方式2：由圖5可知，來水頻率50%條件下進(jìn)行全時(shí)段抽水，A1水庫水位會略微有點(diǎn)變化，枯水期同樣維持高水頭運(yùn)行，A2水庫仍然基本保持一致．

圖5 來水頻率50%時(shí)方式2下A1、A2水位變化

由圖6可知，B1水庫在時(shí)段2由于引水，入庫量增加，水位提高，但隨著發(fā)電流量的增大，水位較抽水前降低；B2水庫水位受B1水庫泄流量影響，隨著發(fā)電流量提高，能增加B2水電站全年發(fā)電量；B3水庫維持同一水位運(yùn)行．

圖6 來水頻率50%時(shí)方式2下B1、B2、B3水位及發(fā)電量變化

方式2的引水模式對梯級A電站發(fā)電有部分影響，由表3、表4可得，全年總梯級發(fā)電量減少約3.475億kW·h，減少部分主要由A1電站承擔(dān)2.964 6億kW·h，A2電站承擔(dān)0.510 7億kW·h；但梯級B全年發(fā)電量增加約14.982 7億kW·h，B1、B2與B3電站分別提高7.859 8、5.101 1與1.788億kW·h．

類比分析在來水頻率1%條件下，無論是方式1還是方式2，在汛期豐富的引水量及入庫流量大于發(fā)電流量，B1水庫水位高于抽水前，在枯水期水位持續(xù)上升，以高水位運(yùn)行．B2水庫因B1電站下泄流量增加而抬高了庫水位，B3基本保持不變．在來水頻率95%條件下，方式1下B1電站在汛期增大發(fā)電量，水位較抽水前水位下降，枯水期入庫不足維持高水頭發(fā)電；方式2全時(shí)段抽水，在7月上旬B1電站由于引水量會提高水庫水位，但隨著電站加大出力，提高發(fā)電流量使整個(gè)調(diào)度期水位低于抽水前．

整個(gè)方式1引水調(diào)度模式下，梯級B總發(fā)電量平均增加約4.438 1億kW·h，梯級A平均減少約0.175億kW·h，A1電站棄水量平均減少約0.389 5億m3，但B1在豐水年汛期容易增加棄水，增加約0.023 76億m3．整個(gè)方式2引水調(diào)度模式下，梯級B總發(fā)電量平均增加約15.198 6億kW·h，梯級A平均減少約2.689 7億kW·h，A1電站棄水量平均減少約0.598 3億m3，B1棄水量不變．

對比方式1與方式2可知，對A1水庫進(jìn)行全時(shí)段抽水比只在棄水時(shí)段抽水更能減少棄水發(fā)生，若不考慮引水發(fā)生的水量損失，抽水發(fā)電效率在方式1、2于枯水年分別提高至86.89%、76.79%，于平水年分別提高至93.31%、81.98%，于豐水年分別提高至148.44%、110.74%．兩流域梯級總發(fā)電量，在方式1、2于枯水年分別提高1.376 5億kW·h、9.607 9億kW·h，于平水年分別提高4.486 7億kW·h、11.313 6億kW·h，于豐水年分別提高6.926億kW·h、12.824億kW·h．

表3 不同來水頻率下梯級A發(fā)電量

表4 不同來水頻率下梯級B發(fā)電量

通過以上分析可知，方式1下在對A1水庫進(jìn)行抽水比方式2更能提高抽水蓄能電站發(fā)電效率，且對梯級A發(fā)電影響極小，同時(shí)建設(shè)抽水蓄能電站以梯級A對梯級B進(jìn)行來水補(bǔ)償可以極大提高梯級B整體發(fā)電量，但方式2較方式1更能提高年發(fā)電量．因此本文跨流域調(diào)度模型及方法可以初步指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)以提高梯級B調(diào)峰效益、枯水期發(fā)電能力，減小梯級A防洪壓力等為目的的研究工作．

4 結(jié) 論

1)本文針對兩個(gè)不同流域梯級水電站構(gòu)建含引水策略的聯(lián)合發(fā)電模式，建設(shè)抽水蓄能電站引水工程，提出以聯(lián)合梯級水電站年發(fā)電量最大為目標(biāo)構(gòu)建中長期優(yōu)化調(diào)度模型及相應(yīng)求解方法，通過對比不同來水頻率下在棄水時(shí)段與全時(shí)段兩種引水方式，利用POA算法與水位廊道耦合方式進(jìn)行A1水庫水量對B1水庫的來水補(bǔ)償．

2)通過算例仿真驗(yàn)證表明，所提模型與方法能提高梯級B整體發(fā)電量，減少梯級A棄水量，對于梯級A、B跨流域引水優(yōu)化調(diào)度有一定理論研究意義．

3)若要更直觀反映跨流域引水給整個(gè)聯(lián)合梯級所帶來的發(fā)電效益，還需進(jìn)一步在峰谷分時(shí)電價(jià)下對整個(gè)調(diào)度進(jìn)行探討分析．