響水澗水庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)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(kù)水位波動(dòng)對(duì)水電廠電力輸出具有顯著影響。當(dāng)水庫(kù)水位下降時(shí)，水電廠的發(fā)電能力會(huì)受到限制，因?yàn)樗坏慕档蜁?huì)減少可用的水能，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(shí)，發(fā)電能力會(huì)增加，因?yàn)榭捎玫乃茉龆?，發(fā)電機(jī)組的出力也會(huì)增加，從而提高電力輸出。因此，水庫(kù)水位的波動(dòng)對(duì)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(jī)容量為1 000 MW，共有4臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。響水澗抽水蓄能電站通過(guò)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(xiàng)重要任務(wù)，包括調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及應(yīng)對(duì)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(kù)、下水庫(kù)、中控樓、繼保樓、500 kV開關(guān)站和永久設(shè)備庫(kù)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(kù)水位波動(dòng)對(duì)水電廠電力輸出的影響

2.1 水位波動(dòng)對(duì)發(fā)電產(chǎn)能的直接影響

2.1.1 水位降低對(duì)水電廠發(fā)電效率的影響

水位降低會(huì)對(duì)水電廠的發(fā)電效率造成直接影響。當(dāng)水位降低時(shí)，上下水庫(kù)水位之差即水頭減小，導(dǎo)致發(fā)電過(guò)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(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)的輸出功率也會(huì)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(jī)的葉片出現(xiàn)空化現(xiàn)象，即水流速度過(guò)快導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生氣泡，降低了發(fā)電電動(dòng)機(jī)的效率。同時(shí)，水位下降還可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)水口淤泥、雜物增多，增加了設(shè)備的維護(hù)難度，進(jìn)一步影響了發(fā)電效率和運(yùn)行穩(wěn)定性[1]。

2.1.2 水位上升對(duì)水電廠發(fā)電能力的影響

首先，當(dāng)水位越限超過(guò)最高值時(shí)，可能導(dǎo)致水庫(kù)出現(xiàn)溢洪，造成水能浪費(fèi)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(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，而發(fā)電機(jī)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(gè)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(kù)庫(kù)區(qū)周圍土地的淹沒(méi)，增加了環(huán)境保護(hù)和社會(huì)安全方面的壓力。針對(duì)這種情況，水電廠需要根據(jù)水位上升的速率和幅度，及時(shí)進(jìn)行發(fā)電調(diào)度，采取應(yīng)對(duì)措施，以確保發(fā)電過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 水位波動(dòng)對(duì)發(fā)電調(diào)度的挑戰(zhàn)

2.2.1 水位波動(dòng)導(dǎo)致的電力波動(dòng)

水位波動(dòng)對(duì)水電廠的電力輸出會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響，這種波動(dòng)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(yùn)行質(zhì)量。當(dāng)水位發(fā)生快速上升或下降時(shí)，水電廠的發(fā)電能力會(huì)隨之迅速增減，導(dǎo)致電力輸出出現(xiàn)波動(dòng)。這樣的電力波動(dòng)會(huì)在電網(wǎng)中傳導(dǎo)，并可能引起電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)等問(wèn)題，甚至觸發(fā)電力系統(tǒng)的保護(hù)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(dòng)對(duì)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(shí)，電網(wǎng)可能面臨電力過(guò)剩的問(wèn)題；而當(dāng)發(fā)電廠處于低谷狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)可能面臨電力短缺的風(fēng)險(xiǎn)。這種電力波動(dòng)會(huì)增加電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性，對(duì)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(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響

在面對(duì)水位波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度需要靈活應(yīng)對(duì)，根據(jù)水位變化及時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，合理安排發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以保障電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)跨區(qū)域電力調(diào)度和平衡。因此，不穩(wěn)定水位對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響不容忽視，需要制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略和調(diào)度方案。電力波動(dòng)將對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和運(yùn)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(lái)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(qiáng)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(jī)制，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電。

3 響水澗水庫(kù)水位波動(dòng)調(diào)控方法

3.1 水庫(kù)調(diào)度管理

3.1.1 基于水位預(yù)測(cè)的調(diào)度策略

水位預(yù)測(cè)是一種重要的水庫(kù)調(diào)度管理方法，通過(guò)利用歷史水位數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)、往期負(fù)荷計(jì)劃等信息，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的水位變化進(jìn)行預(yù)測(cè)?；谒活A(yù)測(cè)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(jì)劃，降低水位波動(dòng)對(duì)電力輸出的影響。假設(shè)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)水位會(huì)出現(xiàn)較快速的上升趨勢(shì)，水電廠可以在此時(shí)適度增加發(fā)電量，充分利用水資源，以避免水位上升過(guò)快時(shí)的溢洪損失。相反，如果預(yù)測(cè)結(jié)果顯示未來(lái)三天內(nèi)水位將持續(xù)下降，水電廠可以適時(shí)減少發(fā)電量，留存一定的水量，以備不時(shí)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(kù)水位調(diào)整

在干旱季節(jié)，水庫(kù)水位通常會(huì)下降，因?yàn)榻涤炅繙p少，河流和湖泊的水量也會(huì)減少，相應(yīng)地，響水澗電站水庫(kù)也存在豐枯水季。在干旱季節(jié)，應(yīng)盡量減少水庫(kù)內(nèi)水源向外滲漏的途徑，放慢水庫(kù)的排水速度：通過(guò)降低水庫(kù)的排水速度，可以讓水庫(kù)中的水更長(zhǎng)時(shí)間地留在水庫(kù)中；增加水庫(kù)的蓄水量：可以通過(guò)購(gòu)買或租賃其他水源的水來(lái)增加水庫(kù)的蓄水量。在雨季，則應(yīng)加快水庫(kù)的排水速度：通過(guò)加快水庫(kù)的排水速度，可以減少水庫(kù)中的水量，從而防止水庫(kù)溢出；控制水庫(kù)的入水量：通過(guò)限制進(jìn)入水庫(kù)的水量，可以控制水庫(kù)的水位[4]。

對(duì)水庫(kù)水位的實(shí)時(shí)調(diào)控，有助于機(jī)組在一個(gè)合理的水頭范圍內(nèi)運(yùn)行，也能夠?yàn)檎{(diào)度安排日負(fù)荷計(jì)劃曲線提供更大的裕度，同時(shí)也有助于保護(hù)水庫(kù)周邊生態(tài)環(huán)境，實(shí)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(kù)采用SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜來(lái)實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的調(diào)速控制。SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速器通過(guò)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同負(fù)荷需求和水位波動(dòng)情況。液壓操作柜采用ZFL-GE-125型，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)范圍Bp、Kp、Ki、Kd來(lái)控制水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的調(diào)節(jié)。而液壓隨動(dòng)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(duì)不同水頭情況制定了開度限制策略。在不同水頭下，水輪機(jī)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(shí)水輪機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)，為保證發(fā)電安全和設(shè)備運(yùn)行，對(duì)功率也進(jìn)行了限制，確保水輪機(jī)的運(yùn)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(kù)水位波動(dòng)調(diào)控方法如下：

1）調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化：根據(jù)實(shí)際水位波動(dòng)情況，對(duì)SAFR-2000H型微機(jī)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(guò)合理調(diào)整Bp、Kp、Ki、Kd等參數(shù)，使得水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠快速響應(yīng)水位波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的電力輸出。

2）水庫(kù)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(jì)劃以及一段時(shí)間內(nèi)的水位變化情況，制定適宜的發(fā)電抽水計(jì)劃。通過(guò)協(xié)調(diào)時(shí)期水庫(kù)水在上下庫(kù)庫(kù)盆之間的調(diào)度以及根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)的合理運(yùn)行，降低水位波動(dòng)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(shí)際水位情況，靈活調(diào)整水輪機(jī)的開度，使其在合適的范圍內(nèi)運(yùn)行。尤其是在水位上升或下降較快時(shí)，及時(shí)調(diào)整開度，以避免溢洪或水輪機(jī)葉片空化等問(wèn)題。

綜上，響水澗水庫(kù)水位波動(dòng)調(diào)控方法主要包括調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化、水庫(kù)水位適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整和靈活開度控制。通過(guò)合理運(yùn)用調(diào)速器設(shè)備和聯(lián)合調(diào)度策略，響水澗水庫(kù)能夠更好地應(yīng)對(duì)水位波動(dòng)，保障水電廠的穩(wěn)定運(yùn)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(kù)的蓄水情況，由響水澗電站上報(bào)日最大發(fā)電點(diǎn)數(shù)，調(diào)度計(jì)劃處下發(fā)每日負(fù)荷計(jì)劃。根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度要求，水庫(kù)調(diào)整水位、水庫(kù)庫(kù)容等，以滿足電力需求和保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。特別是在電力負(fù)荷波動(dòng)較大的峰谷時(shí)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(shí)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的啟停，調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以保持水庫(kù)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(shí)，響水澗水庫(kù)也能夠及時(shí)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(qiáng)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(lái)增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰填谷能力。首先，優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度策略。通過(guò)提前進(jìn)行水位預(yù)測(cè)，合理制定調(diào)峰填谷計(jì)劃，確保在電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，水庫(kù)水位能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以滿足電網(wǎng)需求。其次，利用水庫(kù)的蓄能特性。響水澗水庫(kù)作為蓄能水電站，具有較強(qiáng)的調(diào)峰填谷能力。在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，水庫(kù)可以蓄水，儲(chǔ)存水能；而在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，水庫(kù)可以釋放儲(chǔ)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(kù)與其他水庫(kù)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(guò)與上下游水庫(kù)的協(xié)調(diào)，形成一個(gè)整體的水能調(diào)配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的電能互補(bǔ)和調(diào)峰填谷，提高電網(wǎng)的調(diào)峰填谷能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

水庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)水電廠電力輸出具有重要影響，因此調(diào)控水庫(kù)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(kù)水位波動(dòng)對(duì)電力輸出的影響，并提出了相應(yīng)的調(diào)控方法。通過(guò)加強(qiáng)水庫(kù)水位的調(diào)控、優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行策略，以及引入可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)，可以有效應(yīng)對(duì)水庫(kù)水位波動(dòng)帶來(lái)的電力供應(yīng)不穩(wěn)定問(wèn)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(dòng)可再生能源的發(fā)展和利用。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信水庫(kù)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)。