沙坪二級(jí)水電站負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)對(duì)水位控制的作用分析

王孝群，汪文元，龍巖，王利英，張佳杰，何滔

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；3.國(guó)能大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 成都 610000）

1 研究背景

沙坪二級(jí)水電站是大渡河規(guī)劃的22個(gè)梯級(jí)水電站中的第20個(gè)梯級(jí)，電站水庫(kù)總庫(kù)容為2 084萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容585萬(wàn)m3，死水位550 m，正常蓄水位554.0 m。河床式廠房裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為58 MW的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組。泄水建筑物為帶胸墻式的5孔泄洪閘，孔口尺寸為13.0 m×16.0 m（寬×高），溢流堰采用平底寬頂堰型式，堰頂高程528.0 m，閘頂高程557.0 m。電站僅有4 m的水位運(yùn)行區(qū)間，其水位控制是一個(gè)重要問(wèn)題。在汛期，為了保證發(fā)電效益必須高水位運(yùn)行，同時(shí)兼顧運(yùn)行安全，不得不頻繁調(diào)整泄洪閘門(mén)開(kāi)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年沙坪二級(jí)電站共操作閘門(mén)6 612次，高于大渡河流域其他全部電站同期總和（4 876次）。電站對(duì)于自身的出力沒(méi)有自主決策能力，易發(fā)生水位超限的問(wèn)題。

為保證大壩安全及充分利用來(lái)水量，控制水庫(kù)水位成為電站最基本的要求[1]，在制定短期調(diào)度計(jì)劃時(shí)，梯級(jí)調(diào)度中心將結(jié)合預(yù)測(cè)來(lái)水和流域水量調(diào)度需求，通過(guò)以水定電的方式評(píng)估調(diào)度期梯級(jí)電站的發(fā)電水平，以此作為與電網(wǎng)溝通和制定電力調(diào)度計(jì)劃的基礎(chǔ)[2]。梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，主要由常規(guī)方法、到模擬方法、再到優(yōu)化方法、最后到模擬優(yōu)化方法相結(jié)合的發(fā)展過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，水電站優(yōu)化調(diào)度程序一般是采用以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理為中心的面向過(guò)程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的[3]。以往對(duì)于水電站水位控制，大多基于數(shù)學(xué)模型，采用PID控制系統(tǒng)，以水輪發(fā)電機(jī)組為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用閉環(huán)控制方式，通過(guò)調(diào)整機(jī)組出力達(dá)到控制水位的目的[4-5]。

然而，對(duì)于梯級(jí)徑流式電站，其主要控制水位的方式為改變機(jī)組的功率及啟閉閘門(mén)。分析表明，沙坪電站水位控制難及閘門(mén)操作頻繁的原因除了自身水位對(duì)入庫(kù)流量變化敏感外，還與電站受電網(wǎng)固定負(fù)荷指令有關(guān)，因此更靈活的負(fù)荷調(diào)整方式是實(shí)現(xiàn)沙坪機(jī)組出力與水位控制相協(xié)調(diào)、解決閘門(mén)操作次數(shù)異常的有效途徑。本文假定沙坪電站在電網(wǎng)負(fù)荷指令的基礎(chǔ)上擁有一定容量的負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)，定性分析了不同容量自由調(diào)整權(quán)對(duì)沙坪電站水位控制的效果。

2 水位過(guò)程計(jì)算方法

水庫(kù)水位的變化過(guò)程實(shí)際上是庫(kù)容的變化過(guò)程，庫(kù)容變化由出入庫(kù)流量差決定，可表述為下述水量平衡式：

式中：Zt+1為t+1時(shí)刻的水位（m）；Vt+1為t+1時(shí)刻的庫(kù)容（萬(wàn)m3）；f(·)是水位庫(kù)容關(guān)系函數(shù)，根據(jù)當(dāng)前庫(kù)容計(jì)算當(dāng)前水位；g(·)是f(·)的反函數(shù)，根據(jù)當(dāng)前水位計(jì)算對(duì)應(yīng)的庫(kù)容；ΔVt表示t—t+1時(shí)段的庫(kù)容變化量（萬(wàn)m3），計(jì)算公式為ΔVt=(Qint-Qoutt)Δt，其中Δt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，Qint和Qoutt分別表示t—t+1時(shí)段內(nèi)的平均入庫(kù)流量和出庫(kù)流量（m3/s）。沙坪二級(jí)電站未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的入庫(kù)流量等于上游梯級(jí)的出庫(kù)流量，可直接獲取；出庫(kù)流量包括泄洪流量Qt1和發(fā)電流量Qt2，若要計(jì)算t—t+1時(shí)段內(nèi)的平均值，可認(rèn)為流量在時(shí)段內(nèi)線性變化，則Qt1=0.5(Q1,t+Q1,t+1)，=0.5(Q2,t+Q2,t+1)，t+1時(shí)刻的泄洪流量可根據(jù)水位-閘門(mén)開(kāi)度-流量關(guān)系曲線計(jì)算，發(fā)電流量可根據(jù)機(jī)組N-H-Q特性曲線計(jì)算，然而他們均與t+1時(shí)刻的待求變量水位Zt+1有關(guān)，需要迭代求解t+1時(shí)刻的泄洪流量與t+1時(shí)刻的庫(kù)水位Zt+1。

3 沙坪二級(jí)庫(kù)水位對(duì)負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)的敏感性分析

3.1 負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)的定義與可操作性

一般而言，電網(wǎng)給電站下達(dá)負(fù)荷指令后，由于電站自身控制系統(tǒng)的誤差，不可能?chē)?yán)格按照負(fù)荷指令來(lái)發(fā)電，電網(wǎng)通常允許電站的實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷在其負(fù)荷指令的基礎(chǔ)上有一定的誤差。以沙坪二級(jí)電站為例，某一時(shí)刻電網(wǎng)的負(fù)荷指令為200 MW，電網(wǎng)允許實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷誤差為±2%，即只要沙坪二級(jí)電站的實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷為196～204 MW，電網(wǎng)都認(rèn)為沙坪電站執(zhí)行了負(fù)荷指令；若實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷超出誤差，則將相應(yīng)時(shí)段的發(fā)電量視為不合格電量。

雖然電網(wǎng)為了自身的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)電站出力有一定的限制，但也容許有一定的誤差。但類(lèi)似沙坪二級(jí)這種徑流式電站，裝機(jī)容量一般不大，即使適當(dāng)放寬誤差限制，實(shí)際上對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也十分有限。例如，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷指令為300 MW時(shí)，允許沙坪電站的實(shí)際出力為300±50 MW，均認(rèn)為負(fù)荷指令被執(zhí)行。50 MW的出力對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)可能影響很小，但對(duì)于沙坪二級(jí)這類(lèi)小庫(kù)容、徑流式開(kāi)發(fā)的電站卻能起到關(guān)鍵作用。此外，近年來(lái)電能存儲(chǔ)技術(shù)[6]、可再生能源制氫技術(shù)[7]發(fā)展迅速，這些技術(shù)若能與沙坪二級(jí)電站水力發(fā)電系統(tǒng)配合使用，則電站仍可按照電網(wǎng)負(fù)荷指令執(zhí)行上網(wǎng)負(fù)荷，而電站實(shí)際負(fù)荷與上網(wǎng)負(fù)荷之間的差異可由電站廠內(nèi)用電、水電制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)控來(lái)消納。

總之，本文定義負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)為電站可以在電網(wǎng)負(fù)荷指令的基礎(chǔ)上，自主地決定按照一定容量的偏差進(jìn)行出力的權(quán)利。無(wú)論是從電網(wǎng)穩(wěn)定性還是從電站未來(lái)配置電能消納系統(tǒng)的角度，負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)的研究都有一定的意義和可操作性。

3.2 庫(kù)水位對(duì)負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)的敏感性分析

首先考慮入庫(kù)流量在未來(lái)3 h內(nèi)平穩(wěn)的情況，不同負(fù)荷調(diào)整余量下的水位控制效果：假定當(dāng)前初始?jí)吻八粸?52 m，電站被要求帶210 MW負(fù)荷（6臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)35 MW），且?guī)Ч潭ㄘ?fù)荷，即未來(lái)3 h負(fù)荷指令不變，同時(shí)假定當(dāng)前出入庫(kù)流量為理想情況，即入庫(kù)流量=出庫(kù)流量=1 498 m3/s，且未來(lái)3 h入庫(kù)流量不變。

對(duì)于只有機(jī)組參與的水位調(diào)控，水位控制的過(guò)程是一個(gè)正反饋機(jī)制，前一個(gè)時(shí)段末的水位控制對(duì)于未來(lái)的水位有正向累積作用。而在電站實(shí)際運(yùn)行中，即使入庫(kù)流量是平穩(wěn)的，可能也需要通過(guò)一定時(shí)間段的負(fù)荷調(diào)整來(lái)使時(shí)段末的水位控制在理想水位附近。因此，假定一個(gè)電站的負(fù)荷調(diào)整余量為±N，為了排除總發(fā)電量的影響，在調(diào)控的前1.5 h可按照負(fù)荷指令-N來(lái)調(diào)整出力，后1.5 h可按照負(fù)荷指令+N來(lái)調(diào)整出力，保證總發(fā)電量不變，對(duì)比不同負(fù)荷調(diào)整余量的升水位控制效果。顯然，不同的負(fù)荷調(diào)整余量對(duì)于電站的水位控制效果不同，下面將考慮負(fù)荷調(diào)整余量為±10～±50 MW的不同情況。

不影響總發(fā)電量情況下的升水位控制過(guò)程，如圖1（a）所示。由此可見(jiàn)，若電站沒(méi)有可自主調(diào)節(jié)的負(fù)荷調(diào)整余量，則未來(lái)3 h內(nèi)水位無(wú)變化。若電站擁有一定的負(fù)荷調(diào)整余量，則在3 h內(nèi)，通過(guò)前1.5 h主動(dòng)降負(fù)荷、后1.5 h主動(dòng)升負(fù)荷，時(shí)段末的庫(kù)水位均有所抬升，且負(fù)荷調(diào)整余量越大，水位抬升的效果越好。這表明在不影響發(fā)電總量的前提下，通過(guò)主動(dòng)的負(fù)荷調(diào)整，可明顯減少發(fā)電用水量，提高電站的發(fā)電效率，增加電站蓄能。

圖1 負(fù)荷調(diào)整余量水位控制過(guò)程

相反，在某些情況下，水庫(kù)水位可能過(guò)高，或由于上游來(lái)流量突然增大，電站需要增大出庫(kù)流量等情況，需要降低水位，仍以入庫(kù)流量平穩(wěn)為例，考慮不影響總發(fā)電量，采用先降負(fù)荷再升負(fù)荷的控制方式。為方便分析，將初始水位設(shè)置為553 m，電網(wǎng)負(fù)荷指令仍設(shè)置為210 MW，對(duì)應(yīng)的入庫(kù)流量=出庫(kù)流量=1 388 m3/s。計(jì)算結(jié)果，如圖1（b）所示。顯然，若電站擁有一定的負(fù)荷調(diào)整余量，通過(guò)先降負(fù)荷再升負(fù)荷的操作，在不影響總發(fā)電量的情況下，即可實(shí)現(xiàn)降低水位的需求，且負(fù)荷調(diào)整余量越大調(diào)控能力越強(qiáng)。

圖2（a）對(duì)比了不同負(fù)荷調(diào)整余量下的庫(kù)容收益，以不影響時(shí)段總發(fā)電量為前提，水庫(kù)在時(shí)段內(nèi)的庫(kù)容收益隨著負(fù)荷調(diào)整余量的增大而增大。對(duì)于±50 MW的調(diào)整余量，庫(kù)容收益達(dá)120萬(wàn)m3，接近整個(gè)水庫(kù)可調(diào)庫(kù)容的1/4。圖2（b）對(duì)比了不同調(diào)整余量情況下的水庫(kù)增加的泄量，以不影響時(shí)段總發(fā)電量為前提，水庫(kù)在時(shí)段內(nèi)的機(jī)組過(guò)流能力得到了顯著提高。對(duì)于±50 MW的調(diào)整余量，出庫(kù)水量增加了180萬(wàn)m3，這有助于電站在汛期上游來(lái)流突然增大情況下實(shí)現(xiàn)水位控制，同時(shí)也對(duì)減少閘門(mén)動(dòng)作有重要意義。

圖2 不同負(fù)荷調(diào)整余量水位控制的庫(kù)容收益

4 負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)的水位控制效果

4.1 入庫(kù)流量變化下的水位控制極限

沙坪電站由于庫(kù)容較小，對(duì)于入庫(kù)流量變化十分敏感。考慮不同量級(jí)的入庫(kù)流量變化情況，通過(guò)負(fù)荷余量調(diào)整來(lái)控制水位的極限。假設(shè)當(dāng)前初始?jí)吻八粸?52 m，電站當(dāng)前被要求帶210 MW負(fù)荷（6臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)35 MW），且未來(lái)3 h負(fù)荷指令不變，初始時(shí)刻入庫(kù)流量=出庫(kù)流量=1 498 m3/s。

4.1.1 入庫(kù)流量減小時(shí)負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制效果

當(dāng)入庫(kù)流量突然減小且維持3 h，若電站仍維持原出力，顯然將導(dǎo)致水位降低。如圖3所示，當(dāng)入庫(kù)流量突降200 m3/s時(shí)，若保持原出力，顯然在150 min左右，水位將降低至死水位以下，而電站若有負(fù)荷調(diào)整余量，則可以通過(guò)適當(dāng)降低負(fù)荷保證水位不降至死水位以下，甚至抬高水位（圖中為極限情況的計(jì)算），即整個(gè)3 h內(nèi)，電站都在負(fù)荷指令基礎(chǔ)上減去相應(yīng)負(fù)荷調(diào)整余量來(lái)發(fā)電。此外，不同流量突降量級(jí)下的水位控制效果也不同，當(dāng)入庫(kù)流量突降400 m3/s，則至少需要30 MW的負(fù)荷調(diào)整余量去保證水位的基本穩(wěn)定，此時(shí)40、50 MW負(fù)荷調(diào)整余量均滿足要求；而當(dāng)入庫(kù)流量突降600 m3/s，上游水位下降較快，此時(shí)雖然50 MW的負(fù)荷調(diào)整余量下水位會(huì)在3 h末降至死水位，但相比于維持原負(fù)荷，能提供約2 h的安全運(yùn)行時(shí)間，相比于40 MW調(diào)整余量，能多提供約1 h的安全運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)沙坪電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，上游枕頭壩的出庫(kù)流量變化通常高于500 m3/s，因此40、50 MW負(fù)荷調(diào)整余量對(duì)于沙坪電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

圖3 不同流量變化量級(jí)下負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制極限

4.1.2 入庫(kù)流量增大時(shí)負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制效果

當(dāng)入庫(kù)流量突然增大且維持3 h，若電站仍維持原出力，顯然將導(dǎo)致水位升高。若電站有負(fù)荷調(diào)整余量，可通過(guò)增加出力來(lái)緩解水位上升壓力，甚至降低水位。如圖4所示，流量突增的結(jié)論和流量突降的情況是類(lèi)似的。當(dāng)入庫(kù)流量突增600 m3/s，上游水位上升較快，此時(shí)雖然50 MW的負(fù)荷調(diào)整余量下水位會(huì)在3 h末上升至正常蓄水位，但相比于維持原負(fù)荷，能提供約2 h的安全運(yùn)行時(shí)間，相比于40 MW調(diào)整余量，能多提供約1 h的安全運(yùn)行時(shí)間。同樣，根據(jù)沙坪電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，40、50 MW負(fù)荷調(diào)整余量對(duì)于沙坪電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

圖4 不同流量變化量級(jí)下負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制極限

4.1.3 加入閘門(mén)泄洪后負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制效果

當(dāng)同時(shí)存在泄洪流量和發(fā)電流量時(shí)，情況變得稍微復(fù)雜。因?yàn)樵谔囟ㄩl門(mén)開(kāi)度下，泄洪流量與水位正相關(guān)，水位越高流量越大，而特定出力下，發(fā)電流量與水位則呈負(fù)相關(guān)。負(fù)荷調(diào)整余量對(duì)于水位的控制效果會(huì)在一定程度上受到泄洪的影響。

假設(shè)當(dāng)前初始?jí)吻八粸?52 m，電站當(dāng)前被要求帶210 MW負(fù)荷（6臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)35 MW），且未來(lái)3 h負(fù)荷指令不變，初始時(shí)刻入庫(kù)流量=發(fā)電流量+泄洪流量=1 770+1 036=2 806（m3/s）。如圖5所示，實(shí)際上，加入閘門(mén)泄洪后得到的結(jié)論也是類(lèi)似的，40、50 MW負(fù)荷調(diào)整余量基本可以消納600 m3/s的入庫(kù)流量變化。對(duì)于800 m3/s的入庫(kù)流量變化，50 MW的負(fù)荷調(diào)整余量相比于無(wú)負(fù)荷調(diào)整余量能多提供約1.5 h的安全運(yùn)行時(shí)間，相比于40 MW調(diào)整余量能提供40 min的安全運(yùn)行時(shí)間。

圖5 不同流量變化量級(jí)下負(fù)荷調(diào)整余量的水位控制極限

4.2 負(fù)荷提前調(diào)整下的水位控制效果

由上述分析可知，當(dāng)入庫(kù)流量穩(wěn)定時(shí)，可利用負(fù)荷調(diào)整余量進(jìn)行水位控制；而當(dāng)入庫(kù)流量變化時(shí)，同樣可利用負(fù)荷調(diào)整余量增加水位的安全運(yùn)行時(shí)間，從而提高沙坪電站對(duì)入庫(kù)流量變化的消納能力。結(jié)合這兩方面的研究成果，實(shí)際運(yùn)行中，枕頭壩出庫(kù)流量到達(dá)沙坪水庫(kù)所需的時(shí)間約80 min，完全可以在入庫(kù)流量變化前1 h提前進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，利用這1 h內(nèi)的收益進(jìn)一步緩解水位控制的壓力，這無(wú)疑將進(jìn)一步增大沙坪電站對(duì)流量變化的響應(yīng)能力。

流量增大800、1 000和1 200 m3/s情況下，利用負(fù)荷調(diào)整余量提前1 h動(dòng)作，經(jīng)計(jì)算得到的水位變化過(guò)程如圖6所示。利用1 h提前操作的方式，由于提前降低水位騰庫(kù)容，即使入庫(kù)流量變化達(dá)到1 200 m3/s，時(shí)段末的庫(kù)水位也不會(huì)超過(guò)正常蓄水位。尤其對(duì)于40、50 MW負(fù)荷調(diào)整余量，其控制效果十分明顯。

圖6 負(fù)荷提前1 h調(diào)整對(duì)水位控制的影響

5 實(shí)例分析

為了說(shuō)明負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)對(duì)于水位控制的效果，基于電站2019年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析，選取2019年7月7日8：00—8日8∶00全天數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。由于缺乏計(jì)劃出力數(shù)據(jù)，假定實(shí)際出力即為計(jì)劃出力，并假定電站可在計(jì)劃出力的基礎(chǔ)上有±50 MW的負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電站負(fù)荷調(diào)度，計(jì)算得到水位變化過(guò)程、出力過(guò)程與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程對(duì)比如圖7所示。

圖7 實(shí)例分析結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

圖中方點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻表示實(shí)際運(yùn)行中執(zhí)行了閘門(mén)開(kāi)啟動(dòng)作，圓點(diǎn)表示閘門(mén)關(guān)閉動(dòng)作。從圖7可以看到，通過(guò)50 MW的負(fù)荷自主調(diào)整權(quán)，沙坪電站可以通過(guò)自身調(diào)控，很好控制水位變化，極大降低水位波動(dòng)，且提高了對(duì)于上游來(lái)水的消納能力，在減少當(dāng)天閘門(mén)動(dòng)作20余次的同時(shí)還增加了發(fā)電效益。

6 結(jié)論

本文主要研究了在假定理想的出入庫(kù)流量變化的過(guò)程中，不同的負(fù)荷調(diào)整余量對(duì)于沙坪電站水位控制及安全運(yùn)行的效果，結(jié)果表明：

（1）在入庫(kù)流量穩(wěn)定時(shí)，±50 MW的負(fù)荷余量可為電站提供約120萬(wàn)m3的庫(kù)容收益或增大約200萬(wàn)m3的庫(kù)容泄量。

（2）在入庫(kù)流量變化時(shí)，±50 MW的負(fù)荷余量可極大延緩水位越限的時(shí)間，增長(zhǎng)水庫(kù)安全運(yùn)行時(shí)限。

（3）結(jié)合沙坪與其上游枕頭壩電站之間的水力聯(lián)系，提前調(diào)整負(fù)荷，可進(jìn)一步緩解水位控制壓力，進(jìn)一步增大沙坪電站對(duì)流量變化的響應(yīng)能力。

（4）結(jié)合沙坪電站2019年7月7日8∶00—8日8∶00的運(yùn)行實(shí)例，利用負(fù)荷自由調(diào)整容量來(lái)進(jìn)行電站負(fù)荷調(diào)度，證明了其在沙坪二級(jí)電站水位控制中的重要性和有效性。

綜上，適當(dāng)容量的負(fù)荷自由調(diào)整權(quán)對(duì)于沙坪二級(jí)水電站而言，可提高其對(duì)入庫(kù)流量變化的消納能力，為庫(kù)水位控制提供有效的方法及安全保障，對(duì)電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用及意義。