湖南深度調(diào)峰模式下資江東坪電站發(fā)電方式尋優(yōu)

羅炳華

（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

2020 年12 月26 日，湖南省內(nèi)輔助服務(wù)市場正式運(yùn)行，現(xiàn)階段主要開展深度調(diào)峰及啟停調(diào)峰交易。由于湖南電網(wǎng)清潔能源比重大、外購電逐年增加且峰谷差日益增大，電網(wǎng)調(diào)峰壓力不斷加重，近幾年火電機(jī)組啟停、深度調(diào)峰次數(shù)大幅增加[1]。尤其是2018 年祁韶直流入湘并入湖南電網(wǎng)后，電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架形態(tài)和負(fù)荷特性將發(fā)生顯著變化，給湖南電網(wǎng)運(yùn)行帶來諸多挑戰(zhàn)[2]，不僅增加了湖南電網(wǎng)的調(diào)峰困難，同時也對水電、風(fēng)電和光伏等清潔能源的發(fā)電效益造成了較大影響。

五凌電力有限公司是湖南省最大的清潔能源發(fā)電企業(yè)，其水電、風(fēng)電和光伏裝機(jī)占比達(dá)到90%以上。自深度調(diào)峰輔助服務(wù)開啟以來，公司水電深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)較大[3]。東坪電站是五凌電力有限公司在資水干流的一座徑流式電站，位于安化縣城東坪鎮(zhèn)閔家灣村，上距柘溪電站10 km，設(shè)計裝機(jī)容量為4 臺19.9 MW 水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計年發(fā)電量為2.912 億kW·h[4]。作為徑流式電站由于其水庫不具備調(diào)節(jié)能力，在汛期一旦深度調(diào)峰市場開啟，其輔助服務(wù)分?jǐn)傎M(fèi)用明顯增加。隨著湖南電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，深度調(diào)峰市場的規(guī)模還會增大、開啟頻次還會增加，對于徑流式水電站而言，在確保電網(wǎng)安全的前提下，減少深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用和做好電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是十分有必要的。

2 湖南深度調(diào)峰交易介紹

湖南深度調(diào)峰交易是指在系統(tǒng)負(fù)備用不足或者可再生能源電力消納困難的情況下，以火電機(jī)組降低出力至有償調(diào)峰基準(zhǔn)值以下的調(diào)峰服務(wù)、抽水蓄能機(jī)組的抽水服務(wù)和儲能電站的充電服務(wù)等為交易標(biāo)的，從而提高系統(tǒng)負(fù)備用水平或者可再生能源消納能力的交易[5]。

深度調(diào)峰交易賣方為市場主體中的火電廠（機(jī)組）和抽水蓄能電站（機(jī)組）、儲能電站等。火電機(jī)組有償調(diào)峰基準(zhǔn)值為火電機(jī)組核準(zhǔn)容量的50%。火電機(jī)組在有償調(diào)峰基準(zhǔn)值及以上的調(diào)峰服務(wù)屬于其基本義務(wù)，由調(diào)控中心根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰需求無償調(diào)用。深度調(diào)峰交易買方為相應(yīng)交易周期內(nèi)產(chǎn)生上網(wǎng)電量的湖南電網(wǎng)內(nèi)市場主體和通過湖南電網(wǎng)轉(zhuǎn)送跨省跨區(qū)電量的省外市場主體[5]。深度調(diào)峰交易如圖1 所示。

圖1 深度調(diào)峰交易示意圖

2.1 深度調(diào)峰交易方式

深度調(diào)峰交易方式為“日前報價，按需調(diào)用，按序調(diào)用”。每日第一個時段為00：00~00：15，最后一個時段為23：45~24：00，全天共計96 個交易時段，以每15 min 為一個交易周期，計算深度調(diào)峰服務(wù)費(fèi)及成本分?jǐn)傎M(fèi)。

2.2 深度調(diào)峰交易費(fèi)用計算

2.2.1 深度調(diào)峰服務(wù)費(fèi)

深度調(diào)峰服務(wù)費(fèi)為調(diào)用機(jī)組深度調(diào)峰電量與中標(biāo)價格乘積的總額，由深度調(diào)峰交易時段有上網(wǎng)電量的買方按其上網(wǎng)電量占比予以分?jǐn)?。一般發(fā)電量越大，深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用也就越多。各類主體分?jǐn)傎M(fèi)計算公式如下：

式中的Ki為各類主體成本分?jǐn)傉{(diào)節(jié)系數(shù)，調(diào)節(jié)性能為不完全季調(diào)節(jié)及以上水電廠的成本分?jǐn)傁禂?shù)K取0.5；風(fēng)電分?jǐn)傉{(diào)節(jié)系數(shù)K值一般情況下取1.5；其它市場主體分?jǐn)傉{(diào)節(jié)系數(shù)K值取1。具有水庫最小生態(tài)下泄流量要求的水電廠，分?jǐn)偵疃日{(diào)峰服務(wù)費(fèi)的電量應(yīng)剔除相應(yīng)交易時段其裝機(jī)容量10%的發(fā)電量對應(yīng)的上網(wǎng)電量。

2.2.2 度電分?jǐn)偝杀?/p>

度電分?jǐn)傎M(fèi)用是指某一時間段深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用與該時間段發(fā)電量的比值。度電分?jǐn)偝杀九c深度調(diào)峰出力成正比關(guān)系，一般深度調(diào)峰出力越大，度電分?jǐn)偝杀驹礁摺Ｆ溆嬎愎饺缦拢?/p>

2.3 東坪電站深度調(diào)峰運(yùn)行情況

2021 年以來湖南深度調(diào)峰市場開啟頻繁，2022年東坪電站參與深調(diào)分?jǐn)偺鞌?shù)為258 d，2021 年為263 d。由于深度調(diào)峰市場規(guī)模的不斷增大，對應(yīng)的深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用也發(fā)生較大變化，其中2022 年東坪電站深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用449 萬元，比2021 年的260 萬元增加了72.7%；發(fā)電量方面，2022 年東坪電站發(fā)電量2.89 億kW·h，比2021 年的2.59 億kW·h增加了11.51%。從圖2 可知，深度調(diào)峰的分?jǐn)傎M(fèi)用主要集中在2~7 月，其中2021 年2~7 月深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用占比全年的97.3%，2022 年2~7 月占比全年的94.85%。由于資水流域的降水集中在4~7 月的特點及電網(wǎng)需求，每年2~3 月上游柘溪電站都處于大發(fā)降水位過程，一般在汛期來臨之前其水位會降至死水位左右，所以這兩個月深調(diào)分?jǐn)傎M(fèi)用會較多；其次是主汛期來水較大，機(jī)組長時間滿負(fù)荷運(yùn)行，參與深調(diào)分?jǐn)偟馁M(fèi)用也會較多。

圖2 東坪電站月度深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用占比圖

綜上，2022 年深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用增比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電量的增比，隨著湖南電力輔助服務(wù)市場的發(fā)展，深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用還會逐步增加，東坪電站作為徑流式水電站無調(diào)蓄能力，一旦上游柘溪電站大方式運(yùn)行，深度調(diào)峰費(fèi)用明顯增加，所以在日常的水庫調(diào)度以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，要考慮是否通過提前騰庫降低庫水位，在深調(diào)開啟時盡量少帶負(fù)荷減少分?jǐn)傎M(fèi)用。

3 深度調(diào)峰模式下東坪電站提前騰庫效益分析

東坪電站為燈泡貫流式機(jī)組，屬于低水頭徑流式電站，水位變化對于機(jī)組發(fā)電效益影響較大。為了減少深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用，需要提前將上游水位降低，待深調(diào)開啟時再帶10%額定總出力運(yùn)行，通過這種方法確實可以減少部分深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用，但在降水位過程中也有水頭損失電量，只有在減少分?jǐn)傎M(fèi)用的折算電量大于水頭損失電量時，才能達(dá)到增效的目的。

3.1 理論情況下東坪提前騰庫效益計算

在理論計算中，我們假設(shè)上游來水維持在一個穩(wěn)定的流量下，通過提前騰庫至不同水位下計算出其理論效益，求出最佳騰庫水位。由于湖南電網(wǎng)的特點，其居民、商業(yè)用電占有相當(dāng)大的比重，系統(tǒng)的峰谷差特別大[5]，尤其是00：00~08：00 電網(wǎng)調(diào)峰極其困難，因此在這個時間段深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用也是最重的，所以本文計算中只考慮減少這個時段的分?jǐn)傎M(fèi)用。深調(diào)模式下東坪電站理論騰庫模型如圖3 所示。理論情況下在22：00 開始加大出力騰庫降水位，00：00 時降至目標(biāo)水位，然后維持最低生態(tài)流量出力運(yùn)行，此時深度調(diào)峰市場開啟。08：00 后深度調(diào)峰關(guān)閉，水庫庫水位蓄至正常水位，保持高水位運(yùn)行。在00：00~08：00 這個時間段其分?jǐn)傎M(fèi)用幾乎為零，起到了減少深調(diào)分?jǐn)傎M(fèi)用的作用。

3.1.1 計算思路

計算理論情況下東坪電站騰庫效益分析，分別計算入庫流量在190 m3/s（對應(yīng)柘溪庫水位160 m，出力100 MW）、380 m3/s（對應(yīng)柘溪庫水位160 m，出力200 MW）情況下東坪提前騰庫至4 個不同水位（96 m、95.8 m、95.5 m、95 m）的效益分析。東坪電站正常蓄水位一般控制在96.2~96.5 m 之間，在接下來所有計算中，東坪電站的正常蓄水位均為96.35 m，騰庫時長均設(shè)置為2 h。

3.1.2 計算方法

已知東坪電站入庫流量Q1，正常蓄水位為A1及對應(yīng)庫容為V1，騰庫水位為A2及對應(yīng)庫容為V2，騰庫時長T1為2 h，生態(tài)出力P0為8 MW。

（1）維持正常蓄水位時的理論出力P1計算公式如下：

式中，η為水輪發(fā)電機(jī)組效率，C1可以根據(jù)東坪下游水位流量關(guān)系曲線獲得。

（2）騰庫出力P2、騰庫平均流量Q2、騰庫期間平均水頭H2計算公式如下：

式中，η為水輪發(fā)電機(jī)組的效率，Q2為騰庫平均流量，V1、V2可以根據(jù)東坪水位庫容關(guān)系曲線獲得，C1、C2可以根據(jù)東坪下游水位流量關(guān)系曲線獲得。

（3）維持生態(tài)出力流量Q0由騰庫水位漲至正常蓄水位時間為T2，其計算公式如下：

(4)總分?jǐn)傎M(fèi)用為S，為該時間段每15 min 一個點的總和，計算公式如下：

式中，W1為第一個點的發(fā)電量，R1為第一個點的平均度電分?jǐn)傎M(fèi)用，Wn為第n 個點的發(fā)電量，Rn為第n 個點的平均度電分?jǐn)傎M(fèi)用。東坪電站早班各點平均度電分?jǐn)傎M(fèi)用如圖4 所示。

圖4 東坪電站早班各點平均度電分?jǐn)傎M(fèi)用圖

圖5 深調(diào)情況下東坪騰庫至不同水位水頭損失電量變化圖

（5）某一時間內(nèi)深調(diào)減少分?jǐn)傎M(fèi)用為S0，其計算如下：

式中，S為該時間內(nèi)進(jìn)行了騰庫操作的總分?jǐn)傎M(fèi)用，S'為該時間內(nèi)未進(jìn)行騰庫操作的總分?jǐn)傎M(fèi)用。

（6）理論情況下增發(fā)電量為W，其計算如下：

式中，Wa為進(jìn)行了騰庫的發(fā)電量；Wb為減少分?jǐn)傉鬯汶娏?，即減少分?jǐn)傎M(fèi)用與上網(wǎng)電價的比值；Wc為不騰庫時的發(fā)電量。

3.1.3 計算結(jié)果

當(dāng)入庫流量為190 m3/s、380 m3/s 時，東坪騰庫至96 m、95.8 m、95.5 m、95 m 計算分析結(jié)果如表1和圖4~圖6 所示。

表1 理論情況下深度調(diào)峰開啟前時東坪提前騰庫效益分析匯總表

圖6 深調(diào)情況下東坪騰庫至不同水位深調(diào)減少分?jǐn)傎M(fèi)用變化圖

圖7 深調(diào)情況下東坪騰庫至不同水位增發(fā)電量變化圖

綜上，在同一入庫流量情況下，東坪騰庫深度越大，因騰庫造成的水頭損失電量也會越大，深調(diào)分?jǐn)倻p少的費(fèi)用也會越多；同一入庫流量下騰庫深度越大最終增發(fā)電量反而越少；騰庫至同一水位，入庫流量越大水頭損失電量越大，綜合損失電量越多。

3.2 實際情況下東坪提前騰庫效益計算

由于在實際水庫調(diào)度過程中，上游入庫流量不是維持恒定的，每次提前騰庫不一定能在規(guī)定時間內(nèi)騰庫至某一水位，也無法維持一個穩(wěn)定的負(fù)荷，所以其實際的電量計算也存在一定的偏差。通過計算從騰庫開始到帶生態(tài)流量出力P0蓄至正常水位這一時間段的發(fā)電效益，從而判斷在實際運(yùn)行過程中是否能達(dá)到增效的目的。

3.2.1 計算方法

已知東坪電站某一時間點（以15 min 為一個點）平均入庫流量Q1，實際出力為P1，對應(yīng)相同入庫流量Q1時維持正常蓄水位的理論出力為P1'（根據(jù)公式（1）、（2）可求）。

（1）從電站開始騰庫到帶生態(tài)出力蓄至正常水位期間其實際總分?jǐn)傎M(fèi)用為S，可在湖南電力輔助服務(wù)市場平臺里面查詢，計算公式如下：

式中，S1為第一個點的分?jǐn)傎M(fèi)用，S2為第二個點的分?jǐn)傎M(fèi)用，Sn為統(tǒng)計期間內(nèi)最后一個點的分?jǐn)傎M(fèi)用。

(2)從電站開始騰庫到帶生態(tài)出力蓄至正常水位期間理論總分?jǐn)傎M(fèi)用S'計算公式如下：

式中，S1'為第一個點的理論分?jǐn)傎M(fèi)用，S2'為第二個點的理論分?jǐn)傎M(fèi)用，Sn'為統(tǒng)計期間內(nèi)最后一個點的理論分?jǐn)傎M(fèi)用。

（3）某一點分?jǐn)傎M(fèi)用計算公式如下：

式中，K1為東坪電站成本分?jǐn)傉{(diào)節(jié)系數(shù)，取值為1；Ki為各類主體成本分?jǐn)傉{(diào)節(jié)系數(shù)；W1為電站該時間點實際參與分?jǐn)偟纳暇W(wǎng)電量，W1'為電站該時間點理論參與分?jǐn)偟纳暇W(wǎng)電量，Wi為市場其他主體該時間點實際參與分?jǐn)偟纳暇W(wǎng)電量；P0為東坪電站維持生態(tài)出力流量Q0時的出力。

由于W1×K1的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于∑（Wi×Ki）的值，所以W1×K1+∑（Wi×Ki）≈W1'×K1+∑（Wi×Ki），因此

由公式（16）可知某一點理論分?jǐn)傎M(fèi)用計算公式如下：

3.2.2 計算結(jié)果

通過選取深調(diào)開啟情況下有提前騰庫的情況進(jìn)行分析，通過計算其結(jié)果如表2 所示。

從表2 可知，深度調(diào)峰開啟時東坪騰庫實際增發(fā)電量均為負(fù)，表明并未達(dá)到增效的目的。入庫流量越大，騰庫至相同水位時因騰庫損失的電量越大，實際增發(fā)電量越少；同一入庫流量，騰庫深度越大，損失的電量也越大，實際增發(fā)電量越少。

3.3 東坪提前騰庫效益總結(jié)

通過對東坪電站不同入庫流量級別的理論和實際發(fā)電效益計算，單從經(jīng)濟(jì)效益而言，深度調(diào)峰開啟前提前騰庫確實減少了一部分?jǐn)傎M(fèi)用，但并沒有起到增加效益的作用，反而造成一定的發(fā)電量損失。無論在理論情況還是實際運(yùn)行情況下，在同一入庫流量情況下，深度調(diào)峰開啟情況下騰庫深度越大，水頭損失電量越多，雖然深度調(diào)峰費(fèi)用有所減少，但總體損失電量反而增大。作為徑流式水電站要以保證發(fā)電量最大化為原則，盡量保持高水位運(yùn)行，不刻意為了減少深度調(diào)峰分?jǐn)傎M(fèi)用而進(jìn)行提前降水位操作，在深度調(diào)峰市場開啟時，應(yīng)盡量保持庫水位不變、出入庫維持平衡。

4 結(jié)語

隨著湖南電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，新能源比重日益增大，深度調(diào)峰市場的規(guī)模還會增大、開啟的頻次還會增加，對徑流式水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了巨大考驗。本文通過計算深度調(diào)峰模式下東坪電站的提前騰庫效益，提出在深度調(diào)峰市場開啟時，應(yīng)盡量保持庫水位不變、出入庫維持平衡的方法，為湖南深度調(diào)峰模式下徑流式水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。