梯級電站發電效益補償方式探討

王干一,吳相林

(華中科技大學系統工程研究所,武漢市,430074)

0 引言

梯級電站優化運行與調度涉及電價和發電量 2個因素。上網電價由政府有關部門進行核定或進行競價上網取得。上網電價的競價模式一般有 2種: (1)按報價支付(pay as bid,PAB),(2)統一出清電價(uniform clearing pricing,UCP)。在這些方式中,或者政策限制,或者不能進行優化調度,各有弊端。在流域各梯級電站獨立報價的情況下,各電站追求自身利益的最大化,如沒有合理有效的機制對各流域電站的運行與效益進行調節補償,會導致梯級各電站無法有效協調,流域水資源不能優化利用。

流域總發電量的多少決定了流域總體發電能力,發電量大,流域總的效益明顯。發電量不僅取決于水庫來水,而且還與梯級電站的調度管理模式有關。合理的運行調度模式,通過對發電能力和調節能力強的電站進行水能與電能經濟補償,是調動各水電站發電積極性的重要手段。統一核算電能效益,建立合理有效的補償機制,減少電站利益分配之間的矛盾,使各電站不再把精力消耗在互相競爭上,而是以提高各電站的運行效率,降低運行成本為目標。本文通過對梯級各電站發電補償方式的探討,以提高水庫各電站效益為前提,摸索合理的補償辦法,充分發揮水資源的發電能力,降低發電成本,使各水庫電站在梯級統一調度的基礎上均獲得合理補償,從而實現各電站效益的最大化。

1 流域多發電主體的效用函數

以流域梯級棄水最少、發電量最大的為目標。設某流域從上游到下游共有 N個獨立的梯級發電站,在一個發電周期內,第 n個發電站發電效益最大的數學模型[1]為:

其中,

式中:Pn,t,En,t為第n個電站 t時段上網電價和上網電量;ΔZn,t是n電站可能獲得的補償值,包括該電站能得到的水能補償 ΔSn,t和電能補償 ΔDn,t;Bs,t,Bd,t為n電站的水能補償系數和電能補償系數;Δvn是n水庫的庫容變化量;Cd,t是電能補償調節系數。

式(1)表明,電站效益的最大化取決于 2個部分:發電效益和補償效益。其中發電效益由發電量和電價決定;補償效益的大小取決于減少棄水,增加可用水量,爭取多發電。

通過對流域進行統一調度,減少系統棄水,增加可發電水量,使水能得到充分利用,是提高流域總體效益的關鍵。如果通過合理選擇蓄水和發電時段,使流域總體發電效益最大化。以流域增加的發電效益為基礎,對多發效益按權重進行利益分配,各電站根據調度后對流域電能效益貢獻的權重值,計算相應的補償系數,進而使各電站獲得相應的效益補償。

2 電站補償能力權重值的計算

設n水庫對整個梯級電站進行電能補償的最大補償能力值為 ωn,各水庫經合理調度水能均被利用無棄水。為方便分析,設各梯級電站水庫的來水量由上游的水庫決定,即認為各水庫均沒有其他支流(有其他支流的情況,可以按此方法進行推算),也暫時認為各水庫沒有其他生產生活用水需求。

各電站發電能力,體現在水庫的上游來水量、可調庫容、位置、裝機容量、可用的出力時間等指標。對這些指標進行量化,可以反映出電站做功的能力。將整個流域作為一個整體時,可以表現在對系統效益的貢獻權重值上。

2.1 庫容和位置補償權重

設αn為電站n可調庫容和水庫位置在流域中權重系數。該系數值越大,表示可調庫容越大,位置越靠前,電站儲存水資源的能力越強,調節能力越大。由于各水庫的可調庫容相差懸殊,用簡單的方法建立模型,容易使權重值偏離太大,所以用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定該值。

層次分析法是對人們主觀判斷形式的表達、處理與客觀描述,通過判斷矩陣計算出相對權重后,要進行判斷矩陣的一致性檢驗,克服兩兩相比的不足。

AHP法確定權重的步驟:(1)建立層次結構模型;(2)確立主觀判斷定量化的標度;(3)構造判斷矩陣。運用兩兩比較方法,對各相關元素進行兩兩比較評分,根據中間層的若干指標,可得到若干兩兩比較判斷矩陣;(4)計算權重;(5)進行一致性檢驗。

2.2 裝機容量補償權重

2.3 補償系統

由于對系統進行庫容和發電時段調節后,調節能力差的徑流型電站和日調節能力電站的發電時數增加較多(利用時數較高),增加發電時數獲得的發電補償較少,而設備的維修運轉等財務成本相應增高,應該增加其財務費用和設備維修的費用,進行發電時數的補償。設電站原有發電時數為 tn,增加發電時數為Δtn,則電站n的發電時數補償系數:

上游具有年或不完全年調節作用的龍頭水庫電站由于沒有增加發電時數,發電時數補償值為 0。但龍頭水庫對其他電站均具有調節性能,因此設其獲得的發電時數補償系數為整個時數補償值的平均值:

則對上式進行改良,并進行歸一化處理,得到算式

用乘積法計算出該水庫電站的電能補償能力

此值越高,則電站對系統電能的補償能力越強,可以從系統增加效益中獲得的補償越高。

對補償能力進行歸一化處理,設流域總的電能補償能力為 1,則補償能力權值的歸一化算式為

3 電站獲得補償效益的計算

經上游水庫的完全蓄水調節(無棄水)之后,該電站增加的可發時長為

即該電站的發電時長得到相應的增加。增加的發電時長得到的電能效益即是該電站對流域的發電補償量。該電站得到的增加電量為

可以看出,上游水庫調節能力越強,水庫棄水量越小,水庫的發電效益增加越明顯。因此,以水庫電站新增可發電量為基準,流域增加的總發電效益為

此結果表明,流域某電站對系統的電能增加貢獻越大,得到的補償量越大,從而調動了電站的發電積極性,且電站獲得的補償取決于系統的總的電能增加,只有服從流域總的調度安排,使系統的運行最佳,系統得到的水能增加值越大,每個電站得到的效益值才為最大。

每個水庫得到的補償電量為

4 算例

以下通過對廣東某流域水電站的調度運行情況進行分析,驗證上述方案的可行性。該流域共有 4個電站,從上游到下游依次為 1、2、3、4號。電站各技術指標如表1。

建立αn的判斷矩陣,對αn進行計算:

表1 電站技術指標和權重計算Tab.1 Specifications and weight calculation of hydropower station

查表得RI=0.90,所以CR=CI/RI=0.087/0.90= 0.096＜0.10,判斷矩陣具有滿意的一致性,符合要求。

調度前后的發電量和獲得的補償效益如表 2。

表2 電站獲得的發電效益補償值計算Tab.2 Compensation calculation of power output benefits

從表 2中看出,調度后,水庫新增的發電效益為4 194萬元,各電站對新增電量按權重進行分配。庫容大,調節能力強的電站,得到的補償效益大。而小型水庫的投資小,發電成本低,對系統沒有太強的補償作用,但是,通過合理的系統調度,減少系統棄水量,小型電站對系統的電能補償增加不少,從而也得到了相應的補償。每個電站盡可能地多發電,也可以從系統中得到相應的補償,提高了各電站的發電積極性。

5 結語

流域梯級電站的多發效益是通過合理的水能調度產生的,根據電站技術參數確定梯級各電站對系統的補償權重稍有偏頗,加入了對電站發電的時數補償問題的探討,實際上也是對發電時間成本的一種認可,可以使補償方法更趨合理,梯級各發電主體對系統的貢獻都可以得到相應的合理補償。

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