基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的水庫(kù)發(fā)電調(diào)度研究

如先古力·阿吾提

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車(chē) 844700)

水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案可提高其發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)水能的高效利用，有利于能源的可持續(xù)發(fā)展。本次以新疆阿爾塔什水庫(kù)為研究對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，建立水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，分析各年份發(fā)電量的差異性。

1 工程概況

新疆阿爾塔什水庫(kù)壩址以上控制流域面積4.64萬(wàn)km2，多年平均年徑流量64.17億m3，多年平均流量203.36m3/s。阿爾塔什水庫(kù)正常蓄水位1820.00m，相應(yīng)庫(kù)容21.29億m3；水庫(kù)總庫(kù)容22.49億m3，裝機(jī)容量755MW(其中生態(tài)電站裝機(jī)容量55MW，發(fā)電量4.08億kW·h)，多年平均年發(fā)電量21.86億kW·h。新疆阿爾塔什水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、供水等綜合利用的大(2)型水利水電樞紐工程。

2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

水庫(kù)的調(diào)度優(yōu)化受到許多因素的影響，需從全局的角度出發(fā)，對(duì)水庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提升整體利益的目的。本研究采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，建立水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化；以發(fā)電量(E)為水庫(kù)調(diào)度的目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中：Vt——庫(kù)容，m3；

Qt——來(lái)流量，m3/s；

qt——泄流量，m3/s；

N——電站出力，kW；

t——時(shí)段時(shí)長(zhǎng)。

為得出以上目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，需采用遞推方程對(duì)其結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，水庫(kù)的遞推方程如下：

Ek+1(Vk+1)={fk(Vk，Qk，qk)+Ek(Vk)}

(2)

在以上目標(biāo)函數(shù)中，應(yīng)滿(mǎn)足以下約束條件：水庫(kù)的水位應(yīng)在其最低限值水位與防洪限值水位之間，水電站的出力限值應(yīng)在其最小出力限制與最大出力限制之間，水電站的泄洪量應(yīng)在最大允許下泄洪量與最小允許下泄洪量之間。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型對(duì)水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出該水庫(kù)每月的上、下基本調(diào)度線(xiàn)(見(jiàn)表1)。

表1 水庫(kù)基本調(diào)度線(xiàn)

以發(fā)電量為水庫(kù)調(diào)度的目標(biāo)，分別分析水庫(kù)豐水年、平水年、枯水年的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。豐水年的水庫(kù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后，其年發(fā)電量可達(dá)到1997萬(wàn)kW·h(見(jiàn)表2)，其中，其發(fā)電量較大的月份主要集中于5月、6—10月，其電站發(fā)電流量均大于10m3/s；2月、3月的發(fā)電量最小，其電站發(fā)電流量?jī)H為1.7m3/s。

表2 豐水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

由平水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表3)可知，平水年的年發(fā)電量可達(dá)到1679萬(wàn)kW·h，其中，電站發(fā)電流量較大的月份集中于6月、9—11月，相較于豐水年而言，平水年的電站發(fā)電流量較小，其最大值為18.34m3/s，且電站發(fā)電流量大于10m3/s的時(shí)間小于豐水年；當(dāng)時(shí)間為3月時(shí)，該水庫(kù)的平水年電站發(fā)電流量較小，其值為2.2m3/s。

表3 平水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

由枯水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表4)可知，枯水年的年發(fā)電量遠(yuǎn)小于豐水年和平水年，其值僅為780萬(wàn)kW·h。當(dāng)時(shí)間為7月時(shí)，電站發(fā)電流量最大，其值為20.00m3/s；當(dāng)時(shí)間為1月時(shí)，電站發(fā)電流量最小，其值為1.24m3/s。

表4 枯水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析可得，水庫(kù)的天然流量與當(dāng)年的水文及氣候?qū)λ畮?kù)水電站的影響較大，其中，豐水年的發(fā)電量較大，平水年的發(fā)電量次之，枯水年的發(fā)電量最小。

為分析采用優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果，以豐水年為研究對(duì)象，將其調(diào)度結(jié)果與常規(guī)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由常規(guī)調(diào)度結(jié)果(見(jiàn)表5)可知，采用優(yōu)化調(diào)度方案的年發(fā)電量大于常規(guī)調(diào)度方案的年發(fā)電量，二者間的年發(fā)電量差值為288kW·h，說(shuō)明采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調(diào)度效果顯著。對(duì)比優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的出力情況可得，部分常規(guī)調(diào)度方案的出力量大于優(yōu)化調(diào)度方案的出力量，當(dāng)時(shí)間為8月時(shí)，常規(guī)調(diào)度方案的出力有最大值，其值為3906.1kW，此時(shí)，優(yōu)化調(diào)度方案也存在出力最大值，其值為4620kW；但是其發(fā)電量與年均出力量均小于優(yōu)化調(diào)度方案，說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的提升效果顯著，其中，優(yōu)化調(diào)度方案4—10月的出力大于常規(guī)調(diào)度方案，說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度方案在4—10月對(duì)水庫(kù)發(fā)電量提升較為顯著，在1—3月計(jì)11—12月，對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的提升效果較不明顯。

表5 常規(guī)調(diào)度結(jié)果

為進(jìn)一步分析優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果，分別對(duì)比豐水年、平水年、枯水年的年均發(fā)電量及月均發(fā)電量(見(jiàn)表6)，采用優(yōu)化調(diào)度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1486萬(wàn)kW·h，采用常規(guī)調(diào)度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1312萬(wàn)kW·h，說(shuō)明采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調(diào)度效果顯著；其中，優(yōu)化調(diào)度方案在豐水年對(duì)發(fā)電量的提升效果較為明顯，常規(guī)調(diào)度方案與優(yōu)化調(diào)度方案間的年均發(fā)電量差值為288萬(wàn)kW·h，優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)平水年的發(fā)電量提升效果次之，兩種方案間的年均發(fā)電量差值為209萬(wàn)kW·h，優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)枯水年的發(fā)電量提升較不顯著，二者間的年均發(fā)電量差值僅為23萬(wàn)kW·h；說(shuō)明在豐水年，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型得出的優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果較好，而在枯水年，采用優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)發(fā)電量的提升效果較不明顯。

表6 發(fā)電量對(duì)照

減少水頭損失可提高水庫(kù)的發(fā)電效率，為進(jìn)一步優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度方案，分析影響水頭損失的因素(見(jiàn)圖1)。由圖可知，水頭損失與流量間成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)流量小于8m3/s時(shí)，隨流量的增大，發(fā)電的水頭損失增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，當(dāng)流量大于8m3/s時(shí)，流量-水頭損失曲線(xiàn)變化趨勢(shì)較為平緩；水庫(kù)的流量主要與其尾水位有關(guān)，當(dāng)流量較大時(shí)，水頭損失增長(zhǎng)量較小，為提高發(fā)電效率，可提高尾水位高度，以達(dá)到增大流量及發(fā)電量，同時(shí)控制水頭損失的目的。

圖1 流量-水頭損失曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

本研究以新疆阿爾塔什水庫(kù)為研究對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，建立水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，分析各年份發(fā)電量的差異性，得出以下結(jié)論：豐水年的水庫(kù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后，其年發(fā)電量可達(dá)到1997萬(wàn)kW·h，其中，其發(fā)電量較大的月份主要集中于5月、6—10月，其電站發(fā)電流量均大于10m3/s；2月、3月的發(fā)電量最小，其電站發(fā)電流量?jī)H為1.7m3/s。水庫(kù)的天然流量與當(dāng)年的水文及氣候?qū)λ畮?kù)水電站的影響較大，其中，豐水年的發(fā)電量較大，平水年的發(fā)電量次之，枯水年的發(fā)電量最小。

對(duì)比優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的出力情況可得，部分常規(guī)調(diào)度方案的出力量大于優(yōu)化調(diào)度方案的出力量，當(dāng)時(shí)間為8月時(shí)，常規(guī)調(diào)度方案的出力有最大值，其值為3906.1kW，此時(shí)，優(yōu)化調(diào)度方案也存在出力最大值，其值為4620kW；但是其發(fā)電量與年均出力量小于優(yōu)化調(diào)度方案，說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的提升效果顯著，其中，優(yōu)化調(diào)度方案4—10月的出力大于常規(guī)調(diào)度方案，說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度方案在4—10月對(duì)水庫(kù)發(fā)電效果提升較為顯著，在1—3月計(jì)11—12月，對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的優(yōu)化提升效果較不明顯。