基于蓄能分析的水電站蓄水調度規律研究

劉紅嶺，蔡建章，蔡華祥

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

基于蓄能分析的水電站蓄水調度規律研究

劉紅嶺，蔡建章，蔡華祥

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

從水庫蓄能分析的角度出發，提出以來流能損失表示可發水量的損失，以增加蓄能表示水頭的增加，以來流能的高效利用為目標確定水電站蓄水調度運行策略。通過來流能損失與一定水庫蓄能利用率下的動用未來水庫蓄能的比較分析，提出以蓄能利用效率和電網用電需求確定月內最佳蓄水方案的決策方法。

水電站；來流能；水庫蓄能；蓄水調度

0 前言

水電站長期最優運行是在原始數據和一定約束條件下，由初始狀態過渡到終了狀態的最優控制問題。水電站蓄水期運行方式的確定需考慮防洪安全、下游供水及發電效益等多重因素，對保障后續枯水期水電站的運行效益具有重要意義。

目前，水電站蓄水期運行方式的制定有兩類方法：一類是將蓄水期作為長期發電調度周期中的一段，在整體優化中確定蓄水期的運行方式[1-13]。這類方法能夠兼顧當前時段與未來時段間的決策關聯，獲得最佳整體效益。

本文從蓄能分析的角度研究水電站蓄水運行規律，以高效利用水庫蓄能為目標，通過合理控制水位上升過程減少來來流能的損失，提出兼顧水量利用與水頭利用的蓄水調度策略。

1 水電站蓄水調度規律

1.1 問題的描述

依據水電能源學的觀點，水電站發出的電能由兩部分組成[18]：一部分是來流能，它是由來水經水電站直接發出的電能；另一部分是水庫中的動用蓄能，它是由水庫中的蓄水下泄而得到的電能。

一般而言，蓄水期間來水的一部分蓄入水庫，表現為水庫蓄能的增加；另一部分以發電流量下泄的形式，直接轉化為發電電能的增加。來流能的使用情況如圖1所示。

圖1 來流能使用情況曲線

從蓄能利用的角度出發，將部分來水用于直接發電意味著動用了未來可用的水庫蓄能。而這種部分蓄水、部分放水發電的運行方式相比較于將來水全部蓄入水庫的運行方式而言，發電水頭有一定的損失，即意味著來流能的損失。為實現盡可能多發來流能電量的目標，需要在動用水庫蓄能時保證有一定的利用效率能，即保證有λ· ΔE(V)的實際轉化電能：

E′(Q)-E(Q)≤(1-λ)·ΔE(V) (1)

式中，等式左邊的E′(Q)表示來水全部蓄入水庫的運行方式下的來流能，E(Q)表示來水部分蓄水、部分放水發電的運行方式下的來流能；等式右邊的ΔE(V)表示放水發電部分來水所動用的未來可用水庫蓄能。

根據上述區域重磁、典型礦床地質和物探剖面異常特征，結合區域礦產和其它物化探資料，推測已出露的高山巖體和寶山巖體為同源巖體，并初步圈定了1km埋深內其隱伏巖體的分布范圍(圖1至圖4)。主要找礦區預測如下：

通過對水電站蓄水規律的深入研究，能夠確定水電站蓄水或發電的臨界最優決策方式，保證來流能在蓄水過程中的高效利用。

1.2 最佳蓄水調度策略

水庫蓄水過程中，由于來水部分用于發電放水，降低了發電水頭，從而使得水庫蓄能增加的同時，面臨著一定的來流能的損失。蓄水運行期間來水較小及來水較大情況下的蓄水過程曲線如圖2所示。

圖2 蓄水過程曲線

在蓄水過程中，由于處在汛期，汛限水位與正常高水位是運行期間的控制水位Z控制。

蓄水過程中最少蓄水的運行方式分為以下2種情況：1)若來水較小，水電站維持初始水位Z初不蓄水，以來水流量發電；2)若來水大于最大引用流量，水電站滿發，水位將自然蓄至Z滿發。

而將來水全部蓄入水庫的最大蓄水運行方式能夠實現來流能的最大利用，水電站將以高水頭運行獲得未來的最大發電量，此時水位將蓄至Z全蓄。需要說明的是，若來水全部蓄入水庫后超過相應時段的控制水位Z控制，則以控制水位控制蓄水過程，高于控制水位部分的可蓄來水轉化為必發電能。

實際蓄水過程中，由于要滿足負荷需求，部分來水將用于放水發電，水庫將蓄水至Z部蓄，部分來流能轉化為發電電能。來水由于未能全部轉化為水庫蓄能，意味著來流能以較低水頭發電，存在著來流能損失：

式中，ΔH為蓄水過程中由于來水未來全部蓄起造成的發電水頭損失。

水庫蓄水過程中動用的未來水庫蓄能：

式中，μ為水電站平均發電耗水率。水庫蓄能變化的計算可依據上游水位-庫容曲線中水位變化與庫容變化間的對應關系得到，如圖3所示。

圖3 上游水位-水庫蓄能計算曲線

2 應用實例

2.1 基本參數

以某不完全多年調節水電站與不完全季調節水電站為例，進行蓄水期最佳蓄水運行方式的計算分析。某水電站的裝機容量4 200 MW，死水位1 166 m，汛限水位1 132 m，正常高水位1 240 m，水電站出力系數取為8.7，平均發電耗水率取為1.6～2.0，最大引用流量為2 340 m3/s。2011年蓄水期6月至10月的運行要求是從死水位1 166 m蓄至正常高水位1 240 m，期間以汛限水位控制。漫灣水電站的裝機容量1 670 MW，死水位982m，汛限水位988m，正常高水位994m，水電站出力系數取為8.6，平均發電耗水率取為4.5-4.9，最大引用流量為1 970 m3/s。2011年蓄水期6月至10月的運行要求是從死水位982 m蓄至正常高水位994 m，期間以汛限水位控制。水電站6月至10月的入庫流量如表1所示。

表1 6月至10月小灣與漫灣水電站入庫流量

2.2 蓄水期調度策略分析

由于小灣與漫灣水電站調節能力差別很大，蓄水運行將對電站可發電能及蓄能利用效率產生不同影響，因而對其蓄水期運行方式分別計算分析。

2.2.1 小灣水電站蓄水期運行方式分析

表2 6月份小灣水電站蓄水過程中的來流能利用

在6月份，小灣水電站的入庫流量為1 750 m3/s，小于最大引用流量。若將來水全部蓄入水庫，水位將由1 166 m上升至1 207.52 m。由圖3的水位上升可查到相應的水庫蓄能的變化，進而可分別由式 (2)和式 (3)求得來流能的損失與動用的未來水庫蓄能。由于月內運行水位較低，耗水率取為2.0。表2為相應的小灣水電站蓄水過程中的來流能利用情況。

從表2中可看到，隨著蓄水的加大，來流能的損失在減少，獲得了更大的蓄能利用效率。但由于來水更多的轉化為水庫蓄能，水電站的實際可發電能逐漸減少。在電網供電形勢緊張時，可犧牲一定的蓄能利用效率，以獲得最大的實際可發電能；而在電量需求不足時，則可在高效利用蓄能的同時滿足電量平衡。在此選擇將水位上升14 m的蓄水方案，月末蓄水至1 180 m。

3 結束語

本文綜合考慮來流能與水庫蓄能的利用，提出以水庫蓄能高效利用為目標的水電站蓄水調度運行策略，以協調水量利用與水頭利用間的矛盾。通過對蓄水期水位上升過程中來流能損失與動用的未來水庫蓄能的比較分析，提出以蓄能利用效率作為蓄水決策的量化指標，結合電網電量需求，確定最佳蓄水決策，為基于蓄能分析的蓄水調度規律在水電站調度運行決策中的應用提供參考。

[1] Christoforidis M，Aganagic M，Awobamise B，et al.Longterm/mid-term resource optimization of a hydro-dominant power system using interior point method[J].IEEE Transactions on Power Systems，1996，11(1)：287-294.

[2] Yu Z，Sparrow F T，Bowen B H，et al.A new long-term hydro production scheduling method for maximizing the profit of hydroelectric systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，1998，13(1)：66-71.

[3] 王金文，石琦，伍永剛，等.水電系統長期發電優化調度模型及其求解 [J].電力系統自動化，2002，26(24)：22-30.

[4] 曾勇紅，姜鐵兵，張勇傳.三峽梯級水電站蓄能最大長期優化調度模型及分解算法 [J].電網技術，2004，28 (10)：5-8.

[5] 陳畢勝，李承軍.水庫長期優化調度發電效益最大模型探討 [J].水電能源科學，2004，22(3)：51-53.

[6] 許新發，梅亞東，葉琰.萬安水庫調度的蓄水風險和發電風險計算 [J].武漢大學學報 (工學版)，2005，38 (6)：35-39.

[7] 武新宇，程春田，廖勝利，等.兩階段粒子群算法在水電站群優化調度中的應用 [J].電網技術，2006，30(20)：25-28. [8] 段文輝，梅亞東，陳立華，等.金沙江干流梯級水電站水庫群長期優化調度 [J].水電自動化與大壩監測，2007，31(1)：17-20.

[9] 吳杰康，郭壯志，秦礪寒，等.基于連續線性規劃的梯級水電站優化調度 [J].電網技術，2009，33(8)：24-29.

[10] 郭壯志，吳杰康，孔繁鎳，等.梯級水電站水庫蓄能利用最大化的長期優化調度 [J].中國電機工程學報，2010，30(1)：20-26.

[11] 趙永龍，黃鷺，馬光文，等.四川電網水電中長期發電調度策略研究 [J].水力發電，2011，37(8)：77-80.

[12] 程春田，郜曉亞，武新宇，等.梯級水電站長期優化調度的細粒度并行離散微分動態規劃方法 [J].中國電機工程學報，2011，31(10)：26-32.

[13] 周婷，紀昌明，朱艷霞，等.基于支持向量機的梯級水電站群中長期調度計劃制定及評價 [J].電力系統自動化，2013，37(2)：56-60.

[14] 李紅剛.糯扎渡水電站蓄水期梯級水庫聯合優化運行[J].云南水力發電，2011，27(4)：126-128.

[15] 彭楊，李義天，張紅武.三峽水庫汛末蓄水時間與目標決策研究 [J].水科學進展，2003，14(6)：682-689.

[16] 劉心愿，郭生練，劉攀，等.考慮綜合利用要求的三峽水庫提前蓄水方案 [J].水科學進展，2009，20(6)：851-856.

[17] 閔要武，張俊，鄒紅梅.基于來水保證率的三峽水庫蓄水調度圖研究 [J].水文，2011，31(3)：27-30.

[18] 蔡建章，陳惠源.水電站水庫群補償調度放水原理 [J].云南電力技術，1993，2：19-26.

Analysis on Optimal Operation Principle of Hydropower Station during Storing Water Period based on Storage Energy Analyzation

LIU Hongling，CAI Jianzhang，CAI Huaxiang
(Yunnan Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011，China)

In this paper，from the prospect of storage energy analization，the loss of water quality is represented with the loss of inflow energy and the additon of water level is represented with the addition of storage energy.With the objective of high efficient utilization of inflow energy，a new optimal operation mode of storing water period is proposed.Through the comparison between the loss of inlfow energy and the utilized future storage energy，an optimal storing decision method is proposed based on storage energy utilization efficience and power demand.

hydropower station；inflow energy；storage energy；storing decision

TM73

B

1006-7345(2014)06-0005-03

2014-10-24

劉紅嶺 (1981)，男，工程師，從事電力系統安全經濟調度、水電能源調度運行等方面的研究工作 (e-mail)lb3799＠163.com。

國家863高技術基金項目 (2012AA050205)；國家自然科學基金項目 (51109080)；中國南方電網科技項目 (KYN2012-482)；中國南方電網科技項目 (K-YN2014-033)。