季調節水電站枯水期調度研究

劉紅嶺,蔡建章,蔡華祥

(云南電力調度控制中心,昆明 650011)

季調節水電站枯水期調度研究

劉紅嶺,蔡建章,蔡華祥

(云南電力調度控制中心,昆明 650011)

水庫入流的不確定性使得水電站在枯水期調度運行時面臨著水量利用與水頭控制間的協調矛盾,而季調節及以下調節能力的水電站由于調節能力的限制使得這種矛盾更加突出。本文從綜合利用來流能與水庫蓄能的角度出發,提出以來流能損失表示水頭的損失,以水庫蓄能的高效利用為目標確定水電站枯水期最佳調度運行方式。通過來流能損失與一定水庫蓄能利用效率下的動用蓄能的比較分析,優化確定枯水期水位控制方案,為實現枯水期水量與水頭利用的協調控制提供調度決策依據。

水電站；枯水期；來流能；水庫蓄能；調度規律

0 前言

目前,水電站枯水期運行方式的制定有兩種基本途徑：常規調度圖、水庫優化調度理論。常規調度圖是水庫調度規則函數的圖形表示,是在缺乏準確信息的情況下,依據歷史系列水文資料計算繪制而成。直觀、簡明的特點使得其在單庫調度問題中廣泛應用,但對于規模日益龐大的庫群補償調度問題,則不能滿足實際生產的要求。

以數學模型進行水庫枯水期期優化調度的方法受限于徑流預報的準確度。依據對徑流描述和處理方式的不同,水庫優化調度理論可分為：確定性優化[1-10]與隨機優化方法[11-17]。確定性優化假定水庫調度期內初末運行水位為已知條件,而實際調度過程是無限持續進行的,固定調度期末邊界條件的做法不能滿足實際運行要求。隨機優化調度方法以隨機徑流樣本結果推導出的規則或以考慮徑流概率分布推導出基于期望值的運行策略,在實際應用中不直觀,難以實現對調度決策的實際指導。如何考慮水庫入流的不確定性,優化水位消落運行方案,以實現水量利用與水頭利用的協調控制,是枯水期調度決策面臨的實際困難。

在枯水期調度運行期間,從充分提高水量利用程度來看,最好的決策是來水就盡量發電以最大化利用水量；而從提高水頭而言,應盡量蓄水以提高水頭,保持高水頭運行。這兩種運行方式存在矛盾,而對于水庫調節能力較差的水電站而言,由于庫容小、水頭消落變化很快,這種矛盾的表現更為突出。盡量多放水的運行方式由于水頭的損失,未必能夠獲得更大的發電收益。

因此,本文以季調節及以下調節能力的水電站為研究對象,從蓄能分析的角度研究其枯水期調度規律,以高效利用水庫蓄能為目標,通過合理控制水位消落程度與消落運行時段減少來流能損失,提出兼顧水量利用與水頭利用的最優調度運行策略。

1 電站枯水期運行方式分析

1.1 問題的描述

依據水電能源學的觀點,水庫經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,很自然的可以得到如下的結論：將來水與水庫中的蓄水全部用于發電的所發電能之和應大于將來水維持上游水位不變下的來流能,即：

式中,等式左邊的E(Q)表示來水在發電過程中水頭不斷損失下的來流能,等式右邊的E′(Q)表示來水在維持上游水位不變下的來流能。

在實際運行中,對于季調節及以下調節能力的水庫而言,若將來水及水庫中的蓄水均用以發電,由于自身調節能力較差,水頭在發電過程中的消落損失將使得來流能E(Q)比E′(Q)小。因此,需要在動用水庫中蓄能ΔE(V)時保證有一定的利用效率λ,即保證有λ·ΔE(V)的發電量：

通過對較差調節能力的季調節及以下調節能力水電站調度規律的深入研究,綜合考慮保證發電量與水位消落的優化控制,能夠實現以最優的決策方式保證來流能與水庫蓄能的高效利用。

1.2 最佳運行方式的運行原理

水電站枯水期最佳運行方式制定的關鍵在于如何消落水位。枯水期水位消落的一般規律是在前期逐步消落,而在枯水期末、汛期初消落至死水位。依據不同的消落程度,分為下面兩種情況討論：

1)運行時段末的水位消落至正常蓄水位與死水位之間：這種情況下,水位的消落將伴隨著來流能的損失和水庫蓄能的動用。

來水在維持上游水位不變下的來流能：

式中,K為水電站出力系數,Qλ為天然來水徑流,為時段內的由水庫蓄水提供的平均下泄流量,H初為時段初水頭,Δt為時段間隔長。

來水在水位消落下的來流能：

式中,H 為消落過程上的平均水頭。

水位消落過程中損失的來流能：

式中,ΔH為時段內發電的損失水頭。

水位消落過程中動用的水庫蓄能：

式中,μ為水電站平均發電耗水率。基于上游水位-庫容曲線中水位變化與庫容變化間的對應關系,可計算相應的水庫蓄能的變化,得到上游水位-水庫蓄能曲線,如圖1所示。

圖1 上游水位-水庫蓄能曲線

2)運行時段末的水位消落至死水位：這種情況對應于運行時段末為枯水期末汛期初,依據最佳水位消落要求,運行時段末可能不必消落至死水位,但由于汛期的到來運行時段末必須消落至死水位。此種情況下的最佳水位消落方式應該是在前期保持上游水位不變,以高水頭運行,而在后期以較短的時間將水位拉至死水位,此時需要確定的是最佳的放水時刻。

這里將運行時段Δt分為2部分：來水維持上游水位不變的時間段 Δt1與拉水運行的時間段Δt2,水頭損失定義為ΔH′,則存在以下關系：

來水在消落過程中的來流能損失：

水位消落過程中動用的水庫蓄能：

最佳的拉水運行時刻的確定：

2 應用實例

2.1 基本參數

本文以瀾滄江流域不完全季調節漫灣和大朝山水電站為例,進行枯水期最佳水位消落運行方式的計算分析。漫灣水電站的裝機容量 1 670 MW,死水位982 m,正常高水位994 m,最大引用流量對應的下游水位為901 m,水電站出力系數取為 8.6,平均發電耗水率取為 4.6～4.9。2011年枯水期1月至5月的運行要求是從正常高水位994 m拉水至死水位982 m。大朝山水電站的裝機容量1 350 MW,死水位882 m,正常高水位899 m,最大引用流量對應的下游水位為817 m,水電站出力系數取為8.6,平均發電耗水率取為4.995～5.23。2011年枯水期1月至5月的運行要求是從正常高水位899 m拉水至死水位882 m。漫灣與大朝山水電站1月至5月的入庫流量如表1所示。

表1 1月至5月漫灣與大朝山水電站入庫流量

2.2 枯水期運行方式分析

2.2.1 水位落至死水位臨界入庫流量確定

此種情況下,水庫中的全部庫容將用以發電,而水頭消落的損失可能使得庫容本應發出的電能由于來流能的損失而全部貶值或部分貶值。若式(2)中的水庫蓄能利用效率λ為0,意味著水庫蓄能全部貶值,而若λ在 [0,1]區間內,則意味著水庫蓄能的部分貶值。此時水頭損失ΔH、平均水頭動用庫容ΔV均成為已知量,由式(2)可得到相應的臨界入庫流量。

表2為對應不同水庫蓄能利用效率,水位由正常高水位消落至死水位的臨界入庫流量。

表2 由正常高水位消落至死水位的水電站臨界入庫流量

從表2中可看到,在將水庫水位由正常高水位消落至死水位的過程中,漫灣水電站的入庫流量若大于1 559.19 m3/s,大朝山水電站的入庫流量若大于1 320.20 m3/s,則水庫蓄能將全部貶值；若漫灣水電站入庫流量小于595.80 m3/s,大朝山水電站入庫流量小于528.08 m3/s,則水庫蓄能能夠保證60%的利用效率；若漫灣水電站入庫流量小于446.85 m3/s,大朝山水電站入庫流量小于396.06 m3/s,則水庫蓄能能夠保證70%的利用效率。由表2可知,水庫庫容的全部利用并不一定意味著發電量的增加,入庫流量較大時維持高水頭運行更有利于發揮水庫蓄能的作用。

2.2.2 月內最佳消落水位的確定

對于漫灣與大朝山水電站,月內最佳消落水位的確定可由式 (2)分析得到。對于1月份,漫灣水電站的入庫流量為759.4 m3/s,大于相應表1中的臨界流量595.8 m3/s；大朝山水電站的入庫流量為808.6 m3/s,大于相應表1中的臨界流量528.08 m3/s。若將水位消落至死水位,水庫蓄能的利用率均將低于60%。因而,水位消落應當控制在一個合理范圍內。

由圖1的水位消落可查到相應的水庫蓄能的變化,進而可分別求得漫灣與大朝山水電站來流能的損失與動用的水庫蓄能,分別如表3與表4所示。

表3 1月漫灣水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表4 1月大朝山水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

從表3與表4中可看到,隨著消落程度的加大,在動用更多水庫蓄能獲得更大可發電量的同時,來流能的損失在增加,蓄能利用效率在降低。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,則可以高效利用蓄能的同時滿足電量平衡。在此選擇將漫灣水電站水位消落1 m的運行方案,月末拉水至993 m；選擇將大朝山水電站水位消落1 m的運行方案,月末拉水至993 m。

同理,可分別計算2月份至4月份漫灣與大朝山水電站不同消落程度下的來流能和水庫蓄能的利用情況,并依據電量平衡需求,確定各月的水位消落方案。表5至表10分別為漫灣與大朝山水電站2月份至4月份拉水運行過程中的來流能與水庫蓄能的利用情況。

表5 2月漫灣水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表6 2月大朝山水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表7 3月漫灣水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表8 3月大朝山水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表9 4月漫灣水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

表10 4月大朝山水電站水位消落過程中來流能損失與動用的水庫蓄能

從表5至表10中可看到,2月份至4月份拉水過程中來流能損失、動用的水庫蓄能、實際可發電能及蓄能利用效率的變化規律與1月份是一致的,合理的運行方式應當是在滿足電網電量需求的前提下,盡量維持高水位運行。

需要說明的是,在水位消落方案的計算中耗水率隨運行水頭的變化而取相應的變化值。

2.2.3 月內水位必須消落至死水位時最佳拉水運行時段的確定

此種情況對應于5月份,雖然由月內放水規律,應維持上游高水位運行,但由于水庫汛期運行的要求,枯水期末5月末水位必須消落至死水位。為了盡量減少來流能的損失,應當在前期維持上游水位不變,而在后期以拉水方式運行,以獲得水量與水頭的最佳利用。表11為針對不同的水庫蓄能利用效率,由式 (10)可確定相應的最佳拉水運行時段。

表11 不同水庫蓄能利用效率對應的最佳拉水運行時段

從表11中可看到,對于不同的水庫蓄能利用效率0.6、0.65、0.7,漫灣水電站最佳拉水運行時段分別為15.68天、13.72天、11.76天,大朝山水電站最佳拉水運行時段分別為 12.82天、11.22天、9.61天。

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枯水期調度運行策略,以協調水量利用與水頭利用間的矛盾。通過對枯水期水位消落過程中來流能損失與水庫動用蓄能的比較分析,確定水位消落深度及消落運行時段,為基于蓄能分析的枯水期調度規律在水電站運行決策中的應用提供參考。

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Research on Optimal Hydropower Scheduling Principle of Quarterly and below Regulating Hydropower Station during Dry Water Period

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

During dry water period,contradiction between the utilization of water quality and control of water level is concerned for the uncertainty of reservoir inflow,which is more significant for the limited regulation ability of quarterly and below regulating hydropower stations.In this paper,to utilize inflow energy and storage energy comprehensively,the loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,optimal water level reduction plan is determined,and can provide decision reference for the coordination control on the utilization of water quality and water level.

hydropower station；dry water period；inflow energy；storage energy；discharging principle

TM73

B

1006-7345(2015)01-0102-04

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 (K-YN2012-482)；中國南方電網科技項目 (KYN2014-033)。

2014-10-24

劉紅嶺 (1981),男,工程師,云南電力調度控制中心,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。