響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響分析及調(diào)控方法

陳哲昊

（安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

水庫水位波動對水電廠電力輸出具有顯著影響。當(dāng)水庫水位下降時，水電廠的發(fā)電能力會受到限制，因為水位的降低會減少可用的水能，導(dǎo)致發(fā)電機組的出力減少，這將直接導(dǎo)致電力輸出的降低。相反，當(dāng)水位上升時，發(fā)電能力會增加，因為可用的水能增多，發(fā)電機組的出力也會增加，從而提高電力輸出。因此，水庫水位的波動對水電廠的電力供應(yīng)和電力負(fù)荷平衡具有重要影響。

1 工程概況

響水澗抽水蓄能電站距離繁昌縣城約25 km，距離蕪湖市約45 km。該工程是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機容量為1 000 MW，共有4臺單機容量為250 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組。響水澗抽水蓄能電站通過兩回500 kV出線接入華東電網(wǎng)，承擔(dān)著華東電網(wǎng)的多項重要任務(wù)，包括調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及應(yīng)對事故的備用。電站樞紐建筑物分為地面建筑物和地下建筑物兩大部分，地面建筑物包括上水庫、下水庫、中控樓、繼保樓、500 kV開關(guān)站和永久設(shè)備庫等設(shè)施，而地下建筑物則包括輸水隧洞、地下主廠房、副廠房、主變洞、母線洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞以及500 kV出線洞等。

2 響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響

2.1 水位波動對發(fā)電產(chǎn)能的直接影響

2.1.1 水位降低對水電廠發(fā)電效率的影響

水位降低會對水電廠的發(fā)電效率造成直接影響。當(dāng)水位降低時，上下水庫水位之差即水頭減小，導(dǎo)致發(fā)電過程中的可用水量減少，進(jìn)而降低了水電廠的發(fā)電產(chǎn)能。此時，發(fā)電電動機的輸出功率也會隨之降低，影響電力輸出的穩(wěn)定性和可靠性。水位降低還可能導(dǎo)致水輪機的葉片出現(xiàn)空化現(xiàn)象，即水流速度過快導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生氣泡，降低了發(fā)電電動機的效率。同時，水位下降還可能導(dǎo)致發(fā)電機進(jìn)水口淤泥、雜物增多，增加了設(shè)備的維護難度，進(jìn)一步影響了發(fā)電效率和運行穩(wěn)定性[1]。

2.1.2 水位上升對水電廠發(fā)電能力的影響

首先，當(dāng)水位越限超過最高值時，可能導(dǎo)致水庫出現(xiàn)溢洪，造成水能浪費和發(fā)電量損失，并影響安全穩(wěn)定生產(chǎn)。其次，水位上升可能導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，需對其進(jìn)行調(diào)整，而發(fā)電機在特定轉(zhuǎn)速下能夠達(dá)到最佳效率，如果水位上升導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超出這個范圍，發(fā)電效率可能下降。此外，水位上升還可能導(dǎo)致水庫庫區(qū)周圍土地的淹沒，增加了環(huán)境保護和社會安全方面的壓力。針對這種情況，水電廠需要根據(jù)水位上升的速率和幅度，及時進(jìn)行發(fā)電調(diào)度，采取應(yīng)對措施，以確保發(fā)電過程的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 水位波動對發(fā)電調(diào)度的挑戰(zhàn)

2.2.1 水位波動導(dǎo)致的電力波動

水位波動對水電廠的電力輸出會產(chǎn)生不可忽視的影響，這種波動直接導(dǎo)致了電力的起伏變化，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運行質(zhì)量。當(dāng)水位發(fā)生快速上升或下降時，水電廠的發(fā)電能力會隨之迅速增減，導(dǎo)致電力輸出出現(xiàn)波動。這樣的電力波動會在電網(wǎng)中傳導(dǎo)，并可能引起電壓波動、頻率波動等問題，甚至觸發(fā)電力系統(tǒng)的保護裝置，導(dǎo)致線路的斷電或電力設(shè)備的跳閘，造成供電不穩(wěn)定的情況[2]。

電力波動對電網(wǎng)的影響可能不僅僅局限于發(fā)電廠所在地區(qū)，還可能影響到其他地區(qū)的電力供應(yīng)。當(dāng)發(fā)電廠處于峰值狀態(tài)時，電網(wǎng)可能面臨電力過剩的問題；而當(dāng)發(fā)電廠處于低谷狀態(tài)時，電網(wǎng)可能面臨電力短缺的風(fēng)險。這種電力波動會增加電網(wǎng)運行的復(fù)雜性，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提出更高要求。

2.2.2 不穩(wěn)定水位對電網(wǎng)調(diào)度的影響

在面對水位波動時，電網(wǎng)調(diào)度需要靈活應(yīng)對，根據(jù)水位變化及時調(diào)整發(fā)電計劃，合理安排發(fā)電機組的運行狀態(tài)，以保障電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定運行。同時，電網(wǎng)調(diào)度還需要考慮到不同地區(qū)的電力需求和供給狀況，以實現(xiàn)跨區(qū)域電力調(diào)度和平衡。因此，不穩(wěn)定水位對電網(wǎng)調(diào)度的影響不容忽視，需要制定相應(yīng)的應(yīng)對策略和調(diào)度方案。電力波動將對電網(wǎng)穩(wěn)定性和運行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，而不穩(wěn)定水位給電網(wǎng)調(diào)度帶來了更高的復(fù)雜性和難度。為有效解決這些挑戰(zhàn)，需要加強水電廠與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)，建立靈活的電力調(diào)度機制，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠供電。

3 響水澗水庫水位波動調(diào)控方法

3.1 水庫調(diào)度管理

3.1.1 基于水位預(yù)測的調(diào)度策略

水位預(yù)測是一種重要的水庫調(diào)度管理方法，通過利用歷史水位數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報、往期負(fù)荷計劃等信息，對未來一段時間內(nèi)的水位變化進(jìn)行預(yù)測?；谒活A(yù)測的調(diào)度策略可使水電站提前做好準(zhǔn)備，合理安排發(fā)電抽水計劃，降低水位波動對電力輸出的影響。假設(shè)預(yù)測結(jié)果顯示未來一段時間內(nèi)水位會出現(xiàn)較快速的上升趨勢，水電廠可以在此時適度增加發(fā)電量，充分利用水資源，以避免水位上升過快時的溢洪損失。相反，如果預(yù)測結(jié)果顯示未來三天內(nèi)水位將持續(xù)下降，水電廠可以適時減少發(fā)電量，留存一定的水量，以備不時之需，避免因水位下降導(dǎo)致的發(fā)電能力下降和設(shè)備損壞[3]。

3.1.2 干旱季節(jié)與雨季水庫水位調(diào)整

在干旱季節(jié)，水庫水位通常會下降，因為降雨量減少，河流和湖泊的水量也會減少，相應(yīng)地，響水澗電站水庫也存在豐枯水季。在干旱季節(jié)，應(yīng)盡量減少水庫內(nèi)水源向外滲漏的途徑，放慢水庫的排水速度：通過降低水庫的排水速度，可以讓水庫中的水更長時間地留在水庫中；增加水庫的蓄水量：可以通過購買或租賃其他水源的水來增加水庫的蓄水量。在雨季，則應(yīng)加快水庫的排水速度：通過加快水庫的排水速度，可以減少水庫中的水量，從而防止水庫溢出；控制水庫的入水量：通過限制進(jìn)入水庫的水量，可以控制水庫的水位[4]。

對水庫水位的實時調(diào)控，有助于機組在一個合理的水頭范圍內(nèi)運行，也能夠為調(diào)度安排日負(fù)荷計劃曲線提供更大的裕度，同時也有助于保護水庫周邊生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)水資源的合理分配和利用。

3.2 調(diào)速器設(shè)備的應(yīng)用

根據(jù)表1中的調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)表，響水澗水庫采用SAFR-2000H型微機調(diào)速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜來實現(xiàn)水輪機的調(diào)速控制。SAFR-2000H型微機調(diào)速器通過人工轉(zhuǎn)速死區(qū)范圍設(shè)置，可以在0%～±10%的范圍內(nèi)調(diào)整水輪機的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同負(fù)荷需求和水位波動情況。液壓操作柜采用ZFL-GE-125型，通過調(diào)節(jié)參數(shù)范圍Bp、Kp、Ki、Kd來控制水輪機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，實現(xiàn)更精細(xì)化的調(diào)節(jié)。而液壓隨動系統(tǒng)采用FC5000雙伺服比例閥冗余系統(tǒng)，額定油壓為6.3 MPa，保證了調(diào)速器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

表1 調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)表

根據(jù)表2中各水頭下的限制參數(shù)，響水澗電站針對不同水頭情況制定了開度限制策略。在不同水頭下，水輪機的空載開度、抽水開度、最小開度和最大開度有所不同，以適應(yīng)不同水位變化時水輪機的運行。同時，為保證發(fā)電安全和設(shè)備運行，對功率也進(jìn)行了限制，確保水輪機的運行在102%以內(nèi)。

表2 各水頭下的限制參數(shù)

基于以上調(diào)速器設(shè)備參數(shù)和水頭限制參數(shù)，響水澗水庫水位波動調(diào)控方法如下：

1）調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化：根據(jù)實際水位波動情況，對SAFR-2000H型微機調(diào)速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜中的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。通過合理調(diào)整Bp、Kp、Ki、Kd等參數(shù)，使得水輪機的轉(zhuǎn)速能夠快速響應(yīng)水位波動，實現(xiàn)更穩(wěn)定的電力輸出。

2）水庫水位適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整：響水澗電站根據(jù)負(fù)荷計劃以及一段時間內(nèi)的水位變化情況，制定適宜的發(fā)電抽水計劃。通過協(xié)調(diào)時期水庫水在上下庫庫盆之間的調(diào)度以及根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況，實現(xiàn)水泵水輪機的合理運行，降低水位波動的幅度。

3）靈活開度控制：根據(jù)表2中各水頭下的限制參數(shù)以及實際水位情況，靈活調(diào)整水輪機的開度，使其在合適的范圍內(nèi)運行。尤其是在水位上升或下降較快時，及時調(diào)整開度，以避免溢洪或水輪機葉片空化等問題。

綜上，響水澗水庫水位波動調(diào)控方法主要包括調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化、水庫水位適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整和靈活開度控制。通過合理運用調(diào)速器設(shè)備和聯(lián)合調(diào)度策略，響水澗水庫能夠更好地應(yīng)對水位波動，保障水電廠的穩(wěn)定運行和電力供應(yīng)。

3.3 與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)與配合

3.3.1 響水澗電站與電網(wǎng)之間的調(diào)度協(xié)調(diào)

首先，響水澗電站與所屬調(diào)度管理部門根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求和水庫的蓄水情況，由響水澗電站上報日最大發(fā)電點數(shù)，調(diào)度計劃處下發(fā)每日負(fù)荷計劃。根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度要求，水庫調(diào)整水位、水庫庫容等，以滿足電力需求和保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。特別是在電力負(fù)荷波動較大的峰谷時段，響水澗電站能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求進(jìn)行調(diào)峰填谷，提供相應(yīng)的電力支撐，平衡電網(wǎng)負(fù)荷。其次，響水澗電站積極響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)度指令。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求，及時進(jìn)行發(fā)電機組的啟停，調(diào)整發(fā)電機的運行狀態(tài)，以保持水庫的水位穩(wěn)定和電廠的平穩(wěn)發(fā)電。在電網(wǎng)調(diào)度有調(diào)頻、調(diào)相等需要時，響水澗水庫也能夠及時配合進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保障電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定。

3.3.2 增強電網(wǎng)調(diào)峰填谷能力

為了更好地響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰填谷需求，響水澗電站采取一系列措施來增強電網(wǎng)調(diào)峰填谷能力。首先，優(yōu)化水庫的調(diào)度策略。通過提前進(jìn)行水位預(yù)測，合理制定調(diào)峰填谷計劃，確保在電網(wǎng)負(fù)荷波動較大時，水庫水位能夠及時進(jìn)行調(diào)整，以滿足電網(wǎng)需求。其次，利用水庫的蓄能特性。響水澗水庫作為蓄能水電站，具有較強的調(diào)峰填谷能力。在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時，水庫可以蓄水，儲存水能；而在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時，水庫可以釋放儲存的水能，進(jìn)行發(fā)電，以平衡電網(wǎng)負(fù)荷。此外，響水澗水庫與其他水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，共同參與電網(wǎng)的調(diào)峰填谷[5]。通過與上下游水庫的協(xié)調(diào)，形成一個整體的水能調(diào)配系統(tǒng)，實現(xiàn)跨區(qū)域的電能互補和調(diào)峰填谷，提高電網(wǎng)的調(diào)峰填谷能力。

4 結(jié)束語

水庫水位波動對水電廠電力輸出具有重要影響，因此調(diào)控水庫水位是保障電力供應(yīng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文研究了響水澗水庫水位波動對電力輸出的影響，并提出了相應(yīng)的調(diào)控方法。通過加強水庫水位的調(diào)控、優(yōu)化發(fā)電機組的運行策略，以及引入可再生能源和儲能技術(shù)，可以有效應(yīng)對水庫水位波動帶來的電力供應(yīng)不穩(wěn)定問題。這些調(diào)控方法不僅可以提高電力輸出的穩(wěn)定性，還能夠推動可再生能源的發(fā)展和利用。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信水庫水位調(diào)控和電力輸出的優(yōu)化將變得更加精準(zhǔn)和可靠，為可持續(xù)能源發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。