五強溪擴機對沅水梯級發(fā)電效益及運行方式的影響分析

肖 楊，鐘平暉，王 也

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

水庫優(yōu)化調(diào)度，是以綜合考慮并滿足防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)以及供水等多目標(biāo)調(diào)度需求為前提，實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的重要非工程措施[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水庫優(yōu)化調(diào)度展開了一系列研究，尤其是多調(diào)度對象、多目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度，并取得了良好成效，能為水庫調(diào)度工作提供科學(xué)指導(dǎo)。周研來[2]以長江上游大渡河梯級水庫群為例，采用改進(jìn)動態(tài)規(guī)劃法結(jié)合回歸分析得到聯(lián)合調(diào)度函數(shù)，并運用非線性規(guī)劃修正模擬調(diào)度過程，經(jīng)濟效益顯著。馬雅麗[3]以漢江流域梯級水庫群為研究對象，采用POA算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，取得了較好的成果。謝如昌[4]系統(tǒng)探索了梯級蓄能調(diào)度圖繪制及調(diào)度圖改進(jìn)完善方法，并在清江梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度中應(yīng)用，研究表明該方法具有一定的實用價值。肖燕[5]采用動態(tài)規(guī)劃(DP)、離散微分動態(tài)規(guī)劃(DDDP)和逐次逼近動態(tài)規(guī)劃(DPSA)混合方法，以烏江梯級水庫群為例進(jìn)行中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度研究，其成果在實踐中具有指導(dǎo)意義。

五強溪擴機是目前湖南省深度開發(fā)水力資源的優(yōu)質(zhì)項目，本文采用動態(tài)增量規(guī)劃(IDP)、動態(tài)規(guī)劃逐次逼近(DPSA)混合的輪庫迭代方法，以發(fā)電效益最大化為目標(biāo)，探索五強溪擴機機組投入運行后，對沅水梯級整體的效益以及梯級調(diào)度方式的影響，為五強溪擴機工程投產(chǎn)后沅水梯級整體運行方式提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 沅水流域梯級水庫群簡介

五凌公司主要負(fù)責(zé)沅水流域水電廠開發(fā)的規(guī)劃、建設(shè)、運營，已先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪、掛治、白市、托口等8座梯級水電廠。為了進(jìn)一步合理利用水能資源，提高電站的調(diào)峰能力及在電力系統(tǒng)中的作用，決定實施五強溪擴機工程，擴機工程不改變五強溪水庫現(xiàn)有特征水位，擬引進(jìn)兩臺立軸混流式水輪機組，機組裝機500 MW(250 MW×2)，擴機工程完工后，五強溪水電站水量利用率將從75.19%提高到89.38%。五凌公司沅水梯級電站簡介見表1。沅水流域梯級電站分布圖如圖1所示。

圖1 沅水流域梯級電站分布圖

表1 五凌公司沅水梯級電站簡介一覽表

3 徑流資料處理

為實現(xiàn)水庫群聯(lián)合調(diào)度，需要各庫長系列入庫資料。由于沅水梯級8座水庫前后相繼建設(shè)、投產(chǎn)，原始徑流資料的一致性、連續(xù)性受到一定影響，需要對原始資料進(jìn)行還現(xiàn)處理。梯級水庫群徑流資料處理包含3種情形[6]：①缺測資料的插補；②建庫前后的資料一致性處理；③上庫對下庫的影響分析處理。

根據(jù)上述3種徑流處理方法，將收集整理的徑流資料整編為八庫區(qū)間(入庫)徑流系列，選取1951～2016年共66年徑流資料作為模型徑流輸入。并以最下游凌津灘入庫年徑流量作為分組依據(jù)，將66年徑流資料分為豐水年組、平水年組和枯水年組3種不同的來水年型，其對應(yīng)的在實測資料系列中的頻率分別為：[0，33.3%]、（33.3%，66.7%]、（66.7%，100%]。

4 水庫群確定性優(yōu)化調(diào)度模型

三板溪、掛治、白市、托口、洪江、五強溪、凌津灘及碗米坡組成的梯級八庫系統(tǒng)，是一個多任務(wù)、多目標(biāo)的梯級水庫群系統(tǒng)，將梯級八庫總發(fā)電效益最大作為目標(biāo)，防洪、航運以及供水等目標(biāo)作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化計算，建立能模擬不同組合情景的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

以梯級水電站發(fā)電效益最大為目標(biāo)，具體為：

T——調(diào)度期末時序或時段數(shù)；

βit——第i電站第t時段的上網(wǎng)電價；

Nit（qit，Hit）——第i水電站第t時段的發(fā)電出力；

qit——第i水電站第t時段的發(fā)電流量；

Hit——第i水電站第t時段的發(fā)電水頭；

Δt——時段小時數(shù)；

n——沅水流域梯級電站個數(shù)。

4.2 約束條件

水庫調(diào)度的約束條件主要包括水量平衡、水位、出力和下泄流量，以符合電網(wǎng)需求和滿足水庫防洪安全、航運及生態(tài)流量等要求。

（1）水量平衡約束

Vit，Vi，t-1——第i庫第t時段末、初水庫蓄水量；

Ii，t——第i庫第t時段入庫流量；

Qi，t——第i庫第t時段出庫流量。

（2）水位約束

Zi,t——第i庫第t時刻實際水位；——第i庫第t時刻允許下限水位；——第i庫第t時刻允許上限水位。

為了使優(yōu)化結(jié)果更貼近實際運行結(jié)果，上限水位考慮將三板溪、白市、托口、五強溪正常蓄水位降低0.5 m，其他水位降低0.2 m；下限水位除五強溪設(shè)置為92 m(死水位90 m)，其他水庫均設(shè)置為死水位。

（3）出力約束

Ni，t——第i庫第t時刻實際出力；

Ni，t，min——第i庫最小出力；

Ni，t，max——第i庫最大出力；

考慮電站裝機容量、機組檢修、線路檢修以及電力通道限制等條件，如沅水上游三板溪、白市、托口3座水電站與牽動火電共用一條電力送出通道，4個電廠最大總出力限額為210萬kW。

（4）下泄流量[7]

Qi，t——第i庫第t時刻下泄流量；

Qi，t，min，Qi，t，max——分別為第i庫第t時刻最小及最大下泄流量。

4.3 優(yōu)化算法

在求解梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度過程中，由于變量與約束條件的數(shù)量會隨著水庫個數(shù)的增加而急劇增加，若采用常規(guī)的優(yōu)化算法，將會面臨“維數(shù)災(zāi)”的問題[8]。本文采用逐次逼近算法(DPSA)和增量動態(tài)規(guī)劃(IDP)結(jié)合的混合模型進(jìn)行求解。計算步驟如下：①根據(jù)約束條件及初、末條件，擬定各庫初始可行調(diào)度過程線，利用IDP算法進(jìn)行單庫優(yōu)化，得到各個水庫單庫最優(yōu)調(diào)度過程線；②以作為初始解，再利用DPSA算法進(jìn)行輪庫迭代，求解梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)調(diào)度過程線?；玖鞒虉D如2所示。

圖2 輪庫迭代求解流程圖

5 實例計算與結(jié)果分析

5.1 實例計算

本文以五凌公司沅水8座梯級電站水庫群為研究對象，應(yīng)用逐次逼近算法(DPSA)和增量動態(tài)規(guī)劃(IDP)結(jié)合的混合優(yōu)化算法分析五強溪擴機對梯級水庫群的綜合影響。計算步長為旬，調(diào)度期為1 a，8座水庫起調(diào)水位均按上限水位設(shè)置。按來水年型分組，計算沅水梯級及各電站不同來水年型多年平均發(fā)電效益及調(diào)度過程，由于除三板溪、五強溪外梯級各水庫調(diào)節(jié)庫容較小，擴機對其發(fā)電效益及調(diào)度方式影響不顯著。下文將五強溪擴機前后三板溪、五強溪、梯級不同來水年型多年平均的發(fā)電效益，以及調(diào)度過程進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果見表2，不同來水年型三板溪、五強溪調(diào)度過程見圖3～圖5。

表2 五強溪擴機前后三板溪、五強溪及梯級發(fā)電效益對比表

圖3 擴機前后豐水年三板溪、五強溪優(yōu)化調(diào)度水位過程線

圖4 擴機前后平水年三板溪、五強溪優(yōu)化調(diào)度水位過程線

圖5 擴機前后枯水年三板溪、五強溪優(yōu)化調(diào)度水位過程線

5.2 結(jié)果分析

五強溪擴機前后梯級發(fā)電效益及三板溪、五強溪優(yōu)化調(diào)度策略變化規(guī)律如下：

擴機后豐平枯來水年型梯級發(fā)電量平均增量分別為：10.66億kW·h(5.5%)、6.76億kW·h(3.96%)、3.55億kW·h(2.44%)，由表2可以看出，擴機后不同來水條件下梯級增發(fā)效益主要源自于五強溪自身增發(fā)電量，且來水越豐，擴機帶來的發(fā)電效益增量越明顯，凸顯了五強溪擴機工程的意義。

擴機前后三板溪調(diào)度水位差距主要集中在消落期。豐水年擴機后三板溪提前并加深消落，以少量水頭損失(0.61 m發(fā)電水頭和0.05億kW·h)換取五強溪水量效益及發(fā)電水頭，促使整個梯級系統(tǒng)發(fā)電效益提升；而平水年與枯水年擴機后三板溪消落水位較擴機前有一定提高，主要增發(fā)水頭效益。

擴機前后五強溪調(diào)度水位差距主要體現(xiàn)在消落期和汛前。各種年型下，擴機后優(yōu)化調(diào)度水位過程線不低于擴機前。由于擴機后，消納能力顯著提高(擴機前機組最大引流能力3 135 m3/s，擴機后最大引流能力增至4 449 m3/s)，棄水量也顯著降低，擴機后普遍保持比擴機前更高水位運行，以降低單耗，在同樣的來水條件下增加發(fā)電效益。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

水庫群調(diào)度是對相互間具有水文、水力聯(lián)系的水庫以及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，開展水庫群優(yōu)化調(diào)度能夠充分發(fā)揮水庫間的水文和水庫補償作用[9]，使梯級效益最大化。由前文分析可以看出，五強溪擴機對沅水梯級的效益及調(diào)度方式影響主要與來水豐枯相關(guān)。豐水年，相比五強溪擴機前，擴機后三板溪加深消落，以三板溪水頭效益置換五強溪水頭效益及水量效益，從而提高整個梯級的發(fā)電效益。而平水年與枯水年，擴機后三板溪、五強溪均提高運行水位，增發(fā)水頭效益，從而提高整個梯級的發(fā)電效益。

五強溪擴機后，沅水梯級效益優(yōu)化總體體現(xiàn)在三板溪、五強溪電站的水頭效益與水量效益的博弈。在實際運行中，如何在水頭效益與水量效益的博弈中實現(xiàn)效益最大化，給中長期天氣預(yù)報及徑流預(yù)報提出了更高的要求。

6.2 展望

（1）基于氣象預(yù)報的長中短期優(yōu)化調(diào)度耦合嵌套應(yīng)用研究。隨著數(shù)值氣象預(yù)報不斷發(fā)展，中短期氣象預(yù)報精度已基本滿足水庫調(diào)度需求。氣象預(yù)報的長中短期耦合嵌套優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用研究可一定程度上彌補基于確定性中長期優(yōu)化調(diào)度中未考慮水文的隨機性、不確定性和計算尺度大的不足，可為實時調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

（2）水風(fēng)光多能互補調(diào)度研究。我國風(fēng)、光、水能資源同宗同源，具有天然的互補性，大力發(fā)展風(fēng)、光、水多能互補是實現(xiàn)我國能源綠色高效發(fā)展和“碳達(dá)峰”、“碳中和”的必由之路[10]。水風(fēng)光多能互補現(xiàn)已成為當(dāng)前各流域公司發(fā)展、建設(shè)及研究熱點，研究主要集中在系統(tǒng)容量配置、系統(tǒng)運行策略和評估3個方面[11]。其中，系統(tǒng)容量配置尤為重要，將風(fēng)光接入水電站為整體作為調(diào)度對象[12]，以近期、遠(yuǎn)景送出通道為條件控制，是最為直觀且經(jīng)濟可行的規(guī)劃方式，可作為目前清水江流域水風(fēng)光多能互補規(guī)劃的思路之一。