漢江流域梯級水電站聯合調峰運行方式研究

張 睿，張利升，王學敏，楊海從

(1.長江勘測規劃設計研究院，湖北武漢430010；2.漢江水利水電(集團)有限責任公司，湖北武漢430048)

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漢江流域梯級水電站聯合調峰運行方式研究

張 睿1，張利升1，王學敏1，楊海從2

(1.長江勘測規劃設計研究院，湖北武漢430010；2.漢江水利水電(集團)有限責任公司，湖北武漢430048)

為探索漢江流域梯級水電站聯合調峰運行方式，在充分分析受電電網負荷特性的基礎上，擬定了潘口、小漩梯級水電站聯合調峰模式，從堵河流域規劃和電站運行2個方面擬定聯合調峰運行方案。對梯級水電站聯合調峰方案進行求解，提出了基于廠內經濟運行的潘口、小漩梯級水電站聯合調峰能力和調峰運行方式。分析結果表明，依據電力系統負荷需求合理控制梯級水電站調峰幅度，能夠有效提高水資源利用率和電站運行水平，實現電調與水調的雙贏。

梯級水電站；聯合調度；調峰運行；漢江流域

0 引 言

充足的調峰能力是保證電網安全、穩定運行的重要條件[1]。堵河是漢江中上游南岸一級支流，在丹江口水利樞紐壩址上游約127.2 km處匯入漢江，是漢江第三大支流。根據《湖北堵河河流規劃報告》[2]，堵河流域中下游開發方案為“潘口(355 m)+小漩(264 m)+黃龍灘(247 m)”方案。目前，3個梯級水電站均已建成投產，并產生了巨大的社會經濟效益。

潘口水電站位于湖北省竹山縣境內，下距黃龍灘水電站約107.7 km，是堵河干流開發的控制性工程，在系統中主要承擔調峰、調頻和事故備用。小漩水電站位于潘口水電站下游約10 km，為徑流式電站，以發電為主，兼顧改善庫區航運，并對潘口水電站進行反調節，有效提高了潘口水電站的調峰作用。潘口、小漩梯級水電站總發電裝機達550 MW。2個電站工程特性見表1。

針對梯級水電站聯合調峰調度問題，已有的研究多集中在長江[3]、黃河[4]、清江[5]等流域梯級水電站中，漢江流域干支流梯級水電站聯合調峰研究鮮有報道。隨著漢江堵河流域潘口、小漩梯級水電站的投入運行，統一的開發運營主體使潘口、小漩梯級聯合調峰運行成為可能。潘口水電站規模較大，需要承擔更多的電網調度調峰任務，其運行方式對十堰乃至湖北區域電力系統影響較大。工程轉入正常運行后，梯級防洪與興利、調峰與水資源高效利用之間的矛盾愈發突出。科學、合理、經濟地進行水庫調度，可充分發揮潘口、小漩梯級水電站的綜合利用效益。因此，開展對潘口、小漩水電站聯合調峰運行方式的研究工作十分必要。

表1 潘口、小漩水電站工程特性

水電站控制流域面積/km2正常蓄水位/m汛限水位/m死水位/m總庫容/億m3裝機容量/MW機組臺數/臺多年平均發電量/億kW·h調節性能潘口8950355347.633023.4500210.5年調節小漩9040264264261.30.45031.5日調節

本文以潘口、小漩梯級水電站為研究對象，分析受電電網負荷特性，提出梯級水電站聯合調峰模式。從堵河流域規劃和電站實際運行2個方面擬定聯合調峰運行方案，通過聯合調峰方案模擬計算，分析梯級水電站聯合調峰能力和效益規律，為潘口、小漩梯級水電站的聯合運行提供借鑒。

1 梯級水電站聯合調峰模式

1.1 湖北電網負荷特性

湖北電網地理位置特殊，是三峽外送的起點、西電東送的通道、南北互供的樞紐、全國聯網的中心[6]。截至2014年年底，湖北省全口徑裝機容量為58 961.1 MW，網內統調總裝機容量為54 772.3 MW。其中，水電32 646 MW。2014年，湖北統調電廠完成發電量1 168.51億kW·h。其中，統調水電廠完成發電量307.21億kW·h[7]。

湖北電網日負荷特性參數在季節分布上的特點是夏季大、冬季小；日負荷曲線形狀的特點是早晚雙高峰，一般情況下晚高峰為日最大負荷，夏季日最大負荷從晚高峰向午高峰轉移的趨勢明顯。預計未來日負荷曲線的這些特點將繼續保持。根據湖北電網2014年實測負荷及《湖北電網“十二五”發展規劃》[8]，湖北電網最大負荷日典型負荷見圖1。其日負荷呈現以下特性：

(1)不同時期負荷曲線形狀基本呈現雙峰形狀。

(2)電網的晚高峰比早高峰略高，早高峰持續時間稍長，圖形上略顯圓潤。

(3)早高峰出現時間大約在11∶30左右，晚高峰出現時間大約在21∶00～22∶00之間，且持續時間較短。

圖1 湖北電網最大負荷日典型負荷

1.2 調峰模式

潘口水電站為湖北電網統調水電廠，通過1回500 kV線路接入500 kV十堰變電站，電力通過十堰與襄陽的輸電通道將電力輸送至湖北電網。根據潘口水電站電網接入方式，潘口水電站電能主要在湖北電網進行電能消納。根據湖北電網日典型負荷特性，對不同出力段運行時間稍作調整，即8∶00～12∶00為早峰時段；18∶00～22∶00為晚峰時段；負荷低谷出現在23∶00～次日7∶00；其他時段為腰荷時段(平段)，峰谷腰負荷時間各占1/3。以下稱這種調峰模式為“湖北調峰模式”。

2 梯級水電站聯合調峰方案

綜合分析潘口、小漩梯級水電站實際運行需求，擬定其聯合調峰運行原則，提出基于廠內經濟運行的潘口、小漩梯級水電站聯合調峰運行方案。

2.1 調峰原則

2.1.1 滿足下游用水要求

根據堵河流域規劃，潘口水電站下游用水要求分為生產、生活用水和生態用水。生產、生活用水部門主要是下游竹山縣城，折算成取水流量分別為0.19 m3/s和0.3 m3/s。潘口水電站壩址下游只需考慮該河段內生態最小需水量要求，計算求得壩址下游應維持的生態用水流量為16.4 m3/s。綜合上述因素，潘口水電站下游生產、生活及河道環境生態用水流量為16.7 m3/s。因此，潘口、小漩梯級水電站聯合調峰運行時小漩下泄流量不應低于16.7 m3/s。

2.1.2 電站安全、經濟運行

需要考慮機組特性對調峰的影響。水輪發電機組存在不穩定運行區，在運行中應盡量避開，增減負荷過程中應盡快越過不穩定區，以保證安全運行。同時，為提高梯級水電站的調峰運行經濟性，實現負荷任務下達后快速制定電廠調峰運行方案，本文以發電耗水量最小為目標，建立廠內經濟運行模型，通過動態規劃法對模型進行求解，預先計算出所有機組開機情形下最優負荷分配表，即最優動力特性表，以此計算任意機組組合情形下的最優負荷分配。

2.1.3 避免棄水調峰

一般情況下，電站不進行棄水調峰。本文研究的目的就是在滿足生態用水要求的前提下，確定潘口水電站合理的調峰幅度以及小漩水電站反調節運行方式，充分發揮潘口水電站巨大的經濟效益。同時，當潘口水電站調峰運行時，原則上不應導致反調節方式運行的小漩水電站棄水。

表2 湖北調峰模式下潘口水電站調峰幅度

水庫水位/m不同發電流量(m3/s)下的建議調峰幅度/萬kW不同發電流量(m3/s)下的最大調峰幅度/萬kW1002003004005006001002003004005006003307.6022.8036.0035.850.000.007.6022.8036.0035.8527.0514.633358.6024.6039.4239.340.000.008.6024.6039.4239.3425.1212.103409.6026.6042.8032.200.000.009.6026.6042.8041.6124.659.8734510.4028.6045.8034.000.000.0010.4028.6045.8042.9025.148.6335011.4030.2048.6036.600.000.0011.4030.2048.6041.3322.735.6035512.2032.0050.9137.770.000.0012.2032.0050.9137.7718.130.00

2.2 聯合調峰方案擬定

鑒于以上認識，本次梯級水電站聯合調峰運行研究將調峰方案擬定如下：在保障梯級下游用水安全的前提下，當發電流量較小時，潘口水電站盡其可能承擔調峰任務；發電流量較大時，應避免調峰造成棄水，適當承擔調峰任務；當發電流量適中時，應慎重選擇調峰方案，避免采用激進調峰方案，并兼顧方案間的過渡和銜接。同時，小漩水電站反調節運行方式以簡單可靠、易于操作、對供水影響相對確定為主要原則，維持與潘口水電站同步運行。基于廠內經濟運行的潘口、小漩梯級水電站聯合調峰運行方案計算流程見圖2。

圖2 梯級水電站聯合調峰運行方案計算流程

3 調峰方案結果及分析

要使小漩水電站反調節運行均勻下泄且盡量避免棄水，就必須對潘口水電站的調峰幅度進行限制，由此可以擬定潘口水電站日調節發電流量過程。由于本次研究為不棄水調峰，潘口水電站發電流量上限取機組滿發流量680 m3/s。一般情況下，小漩水電站最小下泄流量按不小于16.7 m3/s控制。考慮到未來趨勢和一定安全裕度，以20 m3/s作為潘口水電站最小發電流量。調峰計算中，入庫徑流采用潘口水電站多年平均入庫流量；為盡可能提高潘口水電站調峰幅度，小漩水電站從死水位開始起調。

根據上述調峰方案和計算條件，分別計算潘口、小漩梯級水電站在湖北調峰模式下的建議調峰幅度和最大調峰幅度。潘口水電站不同水位及發電引用流量對應的不棄水調峰幅度見表2。

3.1 潘口水電站

各調峰方案計算成果表明，潘口水電站調峰幅度主要受到小漩水電站棄水和潘口水電站機組穩定運行2個方面制約：

(1)日均發電流量大于500 m3/s調峰運行時，下泄水量超過小漩水電站調節能力，將造成小漩水電站棄水。因此，當發電引用流量大于500 m3/s時，建議潘口水電站不參與調峰運行。

(2)日均發電流量在300～500 m3/s調峰運行時，應控制潘口水電站調峰幅度在建議調峰范圍內；當潘口水電站調峰幅度大于建議調峰幅度時，將超出小漩水電站庫容調節能力，造成棄水。

(3)日均發電流量在70～300 m3/s調峰運行時，小漩水電站可完全實現對潘口水電站的反調節運行。此時，潘口水電站可在滿足機組穩定運行要求的條件下，充分參與電網調峰運行。

(5)日均發電流量小于70 m3/s調峰運行時，機組將會長期處于禁止運行區，可能出現機組振動加劇的情況。因此，當發電引用流量小于70 m3/s時，不應參與調峰運行。在增減負荷過程中，應盡快越過不穩定區，以保證機組安全運行。

3.2 小漩水電站

在潘口水電站調峰運行過程中，小漩水電站可采取的運行方式有同步調峰、不調峰和適度調峰3種。同步調峰為前述潘口水電站調峰方案中小漩水電站相應采用的運行方式，即小漩水電站日均發電流量與潘口水電站同步，即發電流量同時增減。由于小漩水電站僅有日調節能力，對潘口水電站進行反調節，因此在潘口水電站進行調峰運行時，維持小漩水電站下泄流量始終與潘口水電站下泄流量基本相等的反調節運行方式簡單可靠、易于操作，同時也能充分發揮潘口水電站的調峰能力。因此，本次研究推薦小漩水電站同步調峰的運行方式。

4 結 語

本文通過對漢江堵河流域潘口、小漩梯級水電站聯合調峰運行的受電端和發電端進行分析，提出了梯級水電站聯合調峰運行模式和控制方式。結果表明，潘口水電站調峰幅度主要受到小漩水電站棄水和潘口水電站機組穩定運行2個方面制約；當潘口水電站日均發電流量較大時，建議梯級水電站不參與調峰運行；當潘口水電站日均發電流量小于小漩水電站滿發流量時，應控制潘口水電站調峰幅度在建議調峰范圍內，避免小漩水電站棄水；當潘口水電站日均發電流量較小時，此時潘口水電站可在滿足機組穩定運行要求的條件下，充分參與電網調峰運行，并避免機組處于禁止運行區，保證機組安全運行。

[1]唐新華， 周建軍. 梯級水電群聯合調峰調能研究[J]. 水力發電學報， 2013， 32(4)： 260- 266．

[2]水利電力部中南勘測設計院. 湖北堵河河流規劃報告[R]. 長沙： 水利電力部中南勘測設計院， 1983．

[3]李學貴， 張繼順， 劉志武. 三峽電站初期運行期調峰能力分析[J]. 水電自動化與大壩監測， 2007， 31(1)： 9- 12．

[4]白濤， 暢建霞， 方建熙， 等. 小浪底、西霞院梯級水電站短期調峰調度研究[J]. 水力發電學報， 2012， 31(4)： 83- 88．

[5]溫巖. 清江流域水電站在湖北電網中的調峰調頻作用[J]. 水力發電， 2005， 31(1)： 5- 7．

[6]余保東， 熊偉， 孫建波， 等. 湖北電網線路檢修在線分析系統的開發和應用[J]. 電網技術， 2002， 26(7)： 74- 76， 80．

[7]國網湖北省電力公司. 湖北電網2015年度運行方式[R]. 武漢： 國網湖北省電力公司， 2015．

[8]國網湖北省電力公司. 湖北電網“十二五”發展規劃[R]. 武漢： 國網湖北省電力公司， 2010．

(責任編輯 楊 健)

Peak-load Regulations of Cascaded Hydropower Stations Based on Economic Operation in Hanjiang River Basin

ZHANG Rui1, ZHANG Lisheng1, WANG Xuemin1, YANG Haicong2

(1. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, Hubei, China;2. Hanjiang Water Conservancy and Hydropower (Group) Co., Ltd., Wuhan 430048, Hubei, China)

In order to explore peak-load regulation of cascaded hydropower stations in Hanjiang River Basin, the peak-load regulation mode of Pankou and Xiaoxuan cascade hydropower stations is developed based on the full analyses of load characteristics of electric power grid, and the peak-load operation scheme is also proposed. The peak-load operation scheme of two cascade hydropower stations is solved and the peaking capacity and peak-load operation modes of Pankou and Xiaoxuan hydropower stations are presented respectively based on the principles of plant economic operation. The analysis results show that, if the peak regulation margin is limited in a reasonable arrange according to power system load demand, the water resources utilization rate and the operation level of power stations can be effectively improved and achieve a win-win between power dispatching and water resources dispatching．

cascade hydropower station; combined dispatching; peak-load regulation; Hanjiang River Basin

2016- 01- 03

湖北省自然科學基金面上項目(2015CFB515)；國家自然科學基金青年科學基金項目(51409008)

張睿(1987—)，男，湖北武漢人，工程師，博士，主要從事水庫群優化運行研究．

TV697.12(263)

A

0559- 9342(2016)06- 0066- 04