基于棄水邊界條件下的葛洲壩電站日發(fā)電計劃制作策略研究

李天成，鮑正風，王 祥，黃鈺凱，劉 園，龐樹森

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133)

0 引 言

三峽水利樞紐是長江干流河道控制性骨干工程，有巨大的調蓄能力，承擔著防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)和補水等綜合利用任務。葛洲壩水利樞紐位于其下游，二者相距僅38 km，具有緊密的水力、電力聯系。葛洲壩水庫承擔著三峽水庫日常運行的反調節(jié)工作，徑流式無調節(jié)能力的特性制約了三峽水庫出庫流量和調峰量的變化幅度，同時葛洲壩電站機組運行工況對發(fā)電水頭的敏感性也深受三峽水庫出庫流量變化的影響。因此，對于葛洲壩水庫的優(yōu)化調度，尤其是短期優(yōu)化調度，三峽水庫的運行方式對其會產生很大的影響。

在短期優(yōu)化調度中，日發(fā)電計劃對保障電力系統和電站實時安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用，也是水庫短期優(yōu)化調度的重點和難點。在實際工作中，許多約束因素大大地增加了三峽-葛洲壩梯級水電站日發(fā)電計劃制作的難度，尤其是葛洲壩發(fā)電計劃。葛洲壩日發(fā)電計劃制作出現偏差，通常需要在計劃執(zhí)行的過程中與電網溝通進行實時修改，然而頻繁修改計劃對電網安全運行，下游航道安全、穩(wěn)定、高效運行均會產生不利影響[1-2]。此外，從水資源最大化利用角度出發(fā)，水電站在運行過程中，通常會盡量避免發(fā)生棄水，因此，對葛洲壩處于棄水邊緣條件下的日發(fā)電計劃制作策略研究尤為重要。姚躍庭等[3]根據多年實際調度經驗，闡述了葛洲壩電站機組出力影響因素，并分別對葛洲壩棄水期、非棄水期和三峽調峰要求提出了葛洲壩電站日發(fā)電計劃大體制作思路；蔡治國等[4]采用混合遺傳算法建立了廠內經濟優(yōu)化調度模型，并應用于葛洲壩電站非汛期日發(fā)電計劃編制中。從已有研究來看，少有文獻對葛洲壩棄水邊界條件下的日發(fā)電計劃制作進行研究，基于此，本文以三峽出庫流量處于葛洲壩水庫棄水邊界條件為基礎，并結合考慮三峽電站的單峰、雙峰不同調峰模式[5- 6]，對葛洲壩日發(fā)電計劃制作策略展開研究。

1 模型建立

根據電網運行要求，電站日發(fā)電計劃編制方式按日內96點編制，即將一日分為96個時段，一個時段為15 min，每個時段分別對應一個電站時段平均出力。因此，本文在模型建立中，以日為調度期，15 min為時段長。模型以葛洲壩電站棄水量最小為目標函數

(1)

式中，i為調度期內的第i個時段；N為調度期內的時段總數，N=96；q棄i為調度期內第i時段葛洲壩水庫棄水量，m3。

模型在求解過程中的各類約束包括水量平衡約束、葛洲壩期初水位約束、葛洲壩庫水位變幅約束、葛洲壩水位上限、下限約束，求解方法采用離散微分動態(tài)規(guī)劃法(DDDP)。約束考慮了水量平衡約束、期初水位約束、水位變幅約束、水位上下限約束等。

2 情景方案及案例分析

2.1 情景方案

根據上文分析，葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站運行方式如表1所示。

表1 葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站運行方式

2.2 案例分析

三峽電站在調峰模式和日均出庫流量一定的情況下，其日調峰量也是一個變化的值，然而，實際上葛洲壩水庫的棄水風險是隨著三峽日調峰量的增加而逐步增加的，因此，在本文研究中，只需對三峽電站日調峰量最大情況下的葛洲壩日發(fā)電計劃制作策略進行研究即可。

2.2.1三峽日均出庫18500m3/s

2.2.1.1 三峽單峰

三峽日內平均出庫為18 500 m3/s，日均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時間長19 h，調峰量500萬kW。三峽日發(fā)電計劃如圖1所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖2，葛洲壩日發(fā)電計劃如圖3所示。

圖1 三峽日發(fā)電計劃

圖2 葛洲壩庫水位變化過程

圖3 葛洲壩日發(fā)電計劃

由圖1可以看出，三峽單峰，日內平均出庫為18 500 m3/s(出力約為1 400萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時，調峰量500萬kW幾乎是三峽電站調峰量的極大值，此時，三峽電站出力從起調時間開始，出力逐步提高。由圖2可以看出，葛洲壩水庫水位過程前期偏向于維持低水位63.5 m運行，在三峽調減負荷時，葛洲壩水庫運行水位逐步抬升至水位上限，調度期內葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。由圖3可以看出，穩(wěn)定之后葛洲壩電站出力約為267萬kW。

根據圖1可知，若三峽電站調峰量需繼續(xù)增加，則高峰出力必須相應增加，則三峽高峰出力將大于1 500萬kW，出庫流量將大于19 800 m3/s。但是，三峽高峰出力大于1 500萬kW時，葛洲壩是否能繼續(xù)保持不棄水需要進一步探討。因此給定如下情景：三峽日內平均出庫為18 500 m3/s，平均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 525萬kW，高峰持續(xù)時間長17.75 h，調峰量500萬kW。由圖4可以看出，此時葛洲壩水庫發(fā)生棄水。綜上分析可知：①葛洲壩棄水邊界條件下的三峽高峰出力極限值約為1 500萬kW，當三峽高峰出力超過該值時，葛洲壩存在很大的棄水風險。因此，在文后續(xù)研究中，三峽高峰出力以1 500萬kW為上限。②三峽日均出力在1 400萬kW(日均出庫18 500 m3/s)時，葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站日調峰量極限值約為500萬kW，當三峽日調峰量超過該值時，葛洲壩存在很大的棄水風險。

圖4 葛洲壩水庫棄水流量

2.2.1.2 三峽雙峰

三峽日內平均出庫為18 500 m3/s，平均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時間長12 h，調峰量450萬kW，腰荷出力1 450萬kW。三峽日發(fā)電計劃如圖5所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖6。

圖5 三峽日發(fā)電計劃

圖6 葛洲壩庫水位變化過程

由圖5可以看出，三峽雙峰，日內平均出庫為18 500 m3/s(出力約為1400萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時，腰荷出力為1 450萬kW，調峰量450萬kW，幾乎是三峽電站調峰量的極大值，此時，三峽電站出力從起調時間開始，出力逐步提高。由圖6可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于水位下限63.5 m運行，隨著三峽出力進入腰荷時，葛洲壩水庫水位逐步抬升至64 m附近，三峽腰荷期間，葛洲壩水庫維持該水位穩(wěn)定運行；腰荷過后進入晚高峰，葛洲壩水庫水位逐步降至水位下限63.5 m運行；隨著晚高峰結束，三峽出力逐步下降，葛洲壩水庫水位逐步抬升至水位上限運行。調度期內葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應日發(fā)電計劃如圖7所示。

圖7 葛洲壩日發(fā)電計劃

2.2.2三峽日均出庫19000m3/s

2.2.2.1 三峽單峰

三峽日內平均出庫為19 000m3/s，平均出力約為1 440萬kW，高峰出力為1500萬kW，高峰持續(xù)時間長19.5 h，調峰量400萬kW。三峽日發(fā)電計劃如圖8所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖9。

由圖8可以看出，三峽單峰，日內平均出庫為19 000 m3/s(出力約為1 440萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時，調峰量400萬kW幾乎是三峽電站調峰量的極大值。由圖9可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于水位下限63.5 m運行，后續(xù)庫水位維持該水位運行，在三峽調減負荷時，葛洲壩水庫運行水位逐步抬升至65.7 m左右，調度期內葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應日發(fā)電計劃如圖10所示。

圖8 三峽日發(fā)電計劃

圖9 葛洲壩庫水位變化過程

圖10 葛洲壩日發(fā)電計劃

2.2.2.2 三峽雙峰

三峽日均出庫為19 000m3/s，平均出力約為1 440萬kW，高峰出力上限為1 500萬kW。從上述三峽日均出力和高峰出力上限可知，該種情景三峽電站無法進行雙峰模式。若在三峽電站日均出庫為19 000 m3/s的情況下，三峽電站需要采用雙峰模式，必須提高三峽電站高峰出力，則三峽電站高峰出力將大于1 500萬kW，此時，葛洲壩水庫面臨極大棄水風險，且風險隨著三峽日均出庫增加而增加。

由上述分析可知，三峽日均出庫在19 000 m3/s及以上情況，為減小葛洲壩棄水風險，不建議三峽電站日出力計劃采取雙峰模式。若采取雙峰模式，則葛洲壩水庫面臨很大棄水風險，此時，葛洲壩電站日出力計劃制作策略可轉為梯級電站發(fā)電量最大等其余目標，兼顧棄水風險。因此，在本文后續(xù)研究中，不再對三峽電站雙峰模式進行分析。

2.2.3三峽日均出庫19500m3/s

2.2.3.1 三峽單峰

三峽日內平均出庫為19 500 m3/s，平均出力約為1 480萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時間長20.25 h，調峰量300萬kW，三峽日發(fā)電計劃如圖11所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖12。

圖11 三峽日發(fā)電計劃

圖12 葛洲壩庫水位變化過程

由圖11可以看出，三峽單峰，日內平均出庫為19 500 m3/s(出力約為1 480萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時，調峰量300萬kW幾乎是三峽電站調峰量的極大值。由圖12可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于最低水位63.5 m運行，后續(xù)庫水位維持該水位運行，在三峽調減負荷時，葛洲壩水庫運行水位逐步抬升至65.3 m左右，調度期內洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應日發(fā)電計劃如圖13所示。

圖13 葛洲壩日發(fā)電計劃

2.2.4三峽日均出庫20000m3/s

三峽日均出庫維持在20 000 m3/s左右，對應出力約為1 515萬kW，已超過前文分析的葛洲壩棄水邊界條件下的三峽高峰出力極限值(1 500萬kW)，此時葛洲壩存在很大的棄水風險。因此，當三峽日均出庫在20 000 m3/s及以上時，建議葛洲壩日出力計劃制作策略轉為梯級發(fā)電量最大等其余目標，兼顧棄水風險。

3 結 論

本文以三峽水庫日均出庫流量、三峽電站日調峰量構建多情景計算方案；以葛洲壩棄水量最小為目標，探究了葛洲壩電站棄水邊界下，在上述不同計算情景下的日發(fā)電計劃制作策略，得出：

(1)當三峽日均出庫在20 000 m3/s(出力約為1 515萬kW)及以上時，葛洲壩水庫存在較大棄水風險，此時，建議葛洲壩日出力計劃制作策略轉為梯級發(fā)電量最大等其余目標，兼顧棄水風險。

(2)三峽電站高峰時段出力超出1 500萬kW時，葛洲壩水庫存在較大棄水風險，此時，建議葛洲壩日出力計劃制作策略轉為梯級發(fā)電量最大等其余目標，兼顧棄水風險。

(3)當三峽日均出庫在19 000 m3/s(日均出力約為1 440萬kW)時，為減小葛洲壩棄水風險，不建議三峽電站日發(fā)電計劃采取雙峰模式，若三峽電站必須采取雙峰模式，則必須增加三峽電站高峰時段出力，葛洲壩水庫將存在較大棄水風險，此時，建議葛洲壩日出力計劃制作策略轉為梯級發(fā)電量最大等其余目標，兼顧棄水風險。