喀什河流域梯級電站EDC研究及應用

魏 苗，朱麗曉，孫永紅，鄭慶明，劉 佳，申 勇

(1. 國家能源集團新疆吉林臺水電開發有限公司，新疆 伊犁 835100；2. 國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210098)

在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，碳中和被高亮提及。中國作為世界人口大國和經濟大國，也應該從氣象、能源、經濟等多個維度出發，最終走向“中和”。水電作為清潔、可再生能源，在實現這個目標的過程中不可或缺。在梯級電站進行經濟調度控制(EDC)，具有重要的意義。

喀什河流域梯級現有6座水電站，從上游到下游分別是：薩里克特、塔勒德薩依、吉林臺一級、吉林臺二級、尼勒克、溫泉。其中吉林臺二級為日調節電站，位于吉林臺一級與尼勒克水電站之間，隸屬于伊犁河流域開發建設管理局，其他5座水電站隸屬于吉林臺公司，共裝有20臺水輪發電機，總裝機1 080 MW。

1)塔薩兩站概況。薩里克特和塔勒德薩依水電站均為引水式電站，引水渠分別長為8.8 km、7.5 km，發電水量經樞紐進水閘由引水渠引入壓力前池發電，前池無調節能力，發電水量受來水變化影響極大，導致前池水位變化和負荷需要頻繁調整，實現高水位高效運行存在極大的困難；同時，由于2座水電站均隸屬于伊犁電網調管水電站，其發電負荷受限于新疆電網，汛期部分時段限電嚴重，棄水較多。

2)吉尼溫三站概況。吉林臺一級、尼勒克、溫泉3座電站為混合式梯級電站，其中，尼勒克水電站為徑流引水式電站，前池無調節能力，引水渠道全長31 km，水流滯時為4～6 h；由于吉林臺一級水電站承擔流域中下游防洪、灌溉任務，同時承擔新疆電網主要調峰調頻任務，發電負荷變化幅度大，對尼勒克水電站發電運行產生極大影響；溫泉水電站為季調節電站，有一定的調蓄能力；3站均隸屬于新疆電網調管電站，與新疆電網220 kV系統相連，3站送出負荷潮流多變。

3)吉林臺一級、尼勒克及溫泉水電站3站送出線路如圖1所示。

圖1 吉林臺一級、尼勒克及溫泉水電站送出線路圖

從圖1看出，吉林臺一級水電站出線有兩路，分別為：皇林一線、皇林二線、林尼線，通過對歷年電網運行方式分析，皇林一線、皇林二線經常通過林尼線送至750 kV伊犁變。

吉林臺一級水電站運行中，易擠占尼勒克水電站送出線路伊尼線通道。按照新疆電網調度管理中心運行要求，伊尼線夏季送出不得超240 MW，冬季不得超280 MW，尼勒克水電站總裝機240 MW，設計水頭185.5 m，滿負荷設計發電流量146.4 m3/s，上游調節性電站發電運行影響滿負荷率多達60%以上，尼勒克水電站極易產生限電棄水，當伊犁地區送出受限時，3站均會明顯相互擠占。

由于以上存在的種種問題，將5個電站作為一個整體，統籌考慮，統一進行經濟調度控制，是迫在眉睫的事，這樣充分利用吉林臺一級和溫泉的水庫調蓄作用，確保梯級整體不發生棄水，使喀什河流域水資源發揮出最大效益，對提升梯級電站整體經濟效益有非常積極的作用。

1 EDC模型簡介

水電站經濟調度控制(Economic Dispatch Control簡稱EDC)是在滿足電網安全和機組安全的條件下，以梯級蓄能量最大等原則，對梯級負荷進行優化調度，動態控制梯級水位，實現梯級電站經濟效益的最大化[1-2]。

EDC模型主要有以下幾種：

1)蓄能量最大模型。

目標函數[3]：

(1)

QIi,t=QOi-1,t-τ+qi,t

(2)

(3)

式中：E表示調度期末蓄能增量；T表示調度時段總數；n表示電站數；ki表示第i個電站的出力系數；Hi,j表示第i個電站第t時段的水頭大??；QIi,t表示對應時段的入庫流量；QOi,t表示對應時段的出庫流量；qi,t表示對應時段的區間流量；τ表示上游電站水量到達下游電站壩前的水流滯時。

2)水位異?？刂颇Ｐ?。在死水位Zi,s和正常蓄水位Zi,n之間設置一個水位控制范圍Zi,down～Zi,up。如果實時水位Zi,t滿足Zi,up≤Zi,t≤Zi,n，則認為進入了高水位運行區；如果實時水位Zi,t滿足Zi,s≤Zi,t≤Zi,down，則認為進入了死水位運行區；如果實時水位Zi,t滿足Zi,down≤Zi,t≤Zi,up，則認為在水位正常運行區。其中，Zi,s、Zi,n、Zi,down、Zi,up、Zi,t分別表示i電站死水位、正常蓄水位、低水位線、高水位線、t時段水位。

對于異常高的水位，采用優先發電策略，直至水位到達正常范圍內。

對于異常低的水位，采用不發電或不優先發電策略，將負荷優先分配給其上級電站；如果其上級電站水位在正常水位附近，則將負荷分配給更上一級電站，其上級電站作為過流電站；并在此基礎上，逐時段計算下游受影響電站，將上游電站水位影響因素逐級減輕，直至水位到達正常范圍內。

3)水位平穩控制模型。當水庫水位處于正常范圍內，或者水庫水位雖然在高水位運行區但入庫流量小于出庫流量，或水位在低水位運行區但入庫流量大于出庫流量時，在滿足各項安全約束的前提下，以某一個或幾個水庫水位變化最小為控制目標[4]，按流量平衡進行廠間負荷分配，從而實現負荷與流量上的匹配，達到水位盡可能平穩的目的。

目標函數：

S=Min{Max{δ1，δ2，δ3，δ4，δ5}}

(4)

式中，δi是第i電站水位變化幅度。

4)少調負荷控制模型。針對某個調節對象，計算負荷變化次數和變化幅度，分別加入懲罰因子，以最終懲罰量綜合最小為最優。

目標函數：

Pchange=Min{Max{p1，p2，p3，p4，p5}}

(5)

pi=fi(wavc,time)

(6)

式中：pi是第i電站負荷調整函數，和負荷調整次數和調整幅度有關，i=1,2,…,5；wave是負荷變化幅度；time是負荷變化次數。

5)小負荷分配模型。當梯級總發電負荷指令值相對于當前總實發出力波動較小時，為了減少電站調節次數，可采用小負荷分配策略，將小負荷差額由一個電站來負擔，并計算由此引起的對各電站的影響，選擇對各電站影響最小的分配策略。

Pchange=Min{p1，p2，p3，p4，p5}

(7)

pi=fi(wavc,time)

(8)

式中：pi是第i電站負荷調整函數，和負荷調整次數和調整幅度有關，i=1,2,...,5；wave是負荷變化幅度；time是負荷變化次數。

6)模型約束條件。以上模型遵循的約束條件如下[5]。

水量平衡約束：

Vi,t=Vi,t-1+(QIi,t-QOi,t)·Δt

(9)

水位約束：

Zi,min≤Zi,t≤Zi,max

(10)

水位變幅約束：

Zi,t-Zi,t-1=ZRCi

(11)

梯級電站總負荷平衡約束：

(12)

機組檢修約束：

NumEni,t=NumMaxi,t

(13)

出力約束：

Pi,min≤Pi,t≤Pi,max

(14)

出力變幅約束：

Pi,t-Pi,t-1=PRCi

(15)

流量變幅約束：

Qi,t-Qi,t-1=QRCi

(16)

出庫流量約束：

Qi,min≤Qi,t≤Qi,max

(17)

式中：Vi,t是t時段末水庫i的庫容大小；Zi,t是i水庫t時段末水位；Zi,min和Zi,max分別表示i電站t時段最低水位和最高水位；ZRCi為i電站允許的時段庫水位最大變幅；PCt是t時段梯級總負荷；Pi,t表t時段電站i的負荷；NumEni,t為i電站t時段可用機組臺數；NumMaxi,t為i電站考慮檢修計劃后t時段的最大可用機組臺數；Pi,min和Pi,max分別表示i電站t時段最小出力和最大出力；PRCi為i電站當前時段出力的最大變幅；Qi,min和Qi,max分別表示i電站時段最小和最大下泄流量；QRCi為i電站允許的時段最大出庫流量變幅。

2 EDC模型適用性分析

1)梯級蓄能最大模型。梯級蓄能最大模型也是國內梯級水電優化調度研究較多的模型之一，該模型的調度原則是優先使用下游電站的水量，盡量將水量蓄至上游水庫，其缺點是可能會導致末級水庫放空。

喀什河流域末級水庫溫泉水庫具有季調節能力，是僅有的兩個有調蓄能力的水庫之一，調洪庫容：0.306億m3，汛期電站最大發電流量約242.4 m3/s，發電水量為0.16億m3，放空概率很小，本模型可以適用。

2)水位異?？刂颇Ｐ?。對于薩里克特、塔勒德薩依這樣的上游沒有調節水庫的攔河引水式水電站，入庫流量全靠天然來水，容易產生棄水或水庫拉空現象，采用本模型控制水位顯得尤其重要。

3)水位平穩控制模型。本模型主要是為了達到水位盡可能平穩的目的。在滿足各項安全約束的前提下，以某一個或幾個水庫水位變化最小為控制目標，按流量平衡進行廠間負荷分配，從而實現負荷與流量上的匹配，是正常情況可以適用的模型。

4)少調負荷控制模型。本模型以梯級電站分配負荷相對于當前實發出力的變化量最小為控制目標，進行負荷的站間分配，達到部分電站多調負荷、部分電站少調負荷的目的，可有效避免機組在振動區運行，減少機組損耗，降低運行維護工作量，應當采用。

5)小負荷分配模型。本模型主要針對梯級總負荷設定值相對于總出力變幅較小時的情況。為了避免電站負荷頻繁調節和解決小負荷調整響應速度慢的問題，本模型先依據梯級各水電站優先級和對應機組的調節裕量排序，提高負荷調整響應速度，提高機組運行效率，應當采用。

3 模型應用

在考慮調度目標選取、各電站水力聯系、多年調節水庫運行特點、區域電網運行特點的基礎上，建立了喀什河流域梯級電站優化調度的多模型自適應系統，將梯級蓄能量最大模型、水位異常控制模型、水位平穩控制模型、少調負荷控制模型、小負荷分配模型等進行優化組合，根據不同的邊界條件進行自適應選擇。

3.1 模型自適應選擇流程

系統針對梯級水電站不同的邊界條件進行自動識別，自適應選用模型進行計算，模型選擇流程示意圖如圖2。

3.2 水位異?？刂颇Ｐ?/h3>

薩里克特、塔勒德薩依和尼勒克3個徑流式電站，根據其正常水位范圍制定水位異?？刂颇Ｐ?，如圖3、圖4、圖5。

圖2 EDC模型選擇流程示意圖

圖3 薩里克特水位異?？刂颇Ｐ褪疽鈭D

圖4 塔勒德薩依水位異常控制模型示意圖

圖5 尼勒克水位異?？刂颇Ｐ褪疽鈭D

3.3 最大蓄能模型

吉林臺和溫泉采用蓄能最大模型和POA求解算法[6]，求解流程如圖6。

圖6 POA求解流程示意圖

3.4 計算成果分析

假設時段長為1 h，按1 d計算，計算成果如表1。

由計算成果可以看出，與原先人工經驗控制相比，徑流式引水式電站運行水位基本平穩，無棄水，吉林臺一級和溫泉運行水位分別提高0.4、0.2 m，水耗減少率分別為0.70%，0.46%，塔薩2站綜合水耗減少率為0.57%；以尼勒克水電站為例，其上游吉林臺一級水庫水位1 405.68 m對應的庫容是1 758.82 m3，水位1 405.64 m對應的庫容是1 757.18 m3，庫容差164萬m3，其下游溫泉水庫水位949.43 m對應的庫容是131.303 m3，949.45 m對應的庫容是131.625 m3，庫容差14.2萬m3；考慮各級區間來水，尼勒克借用上下2庫庫容，以占用下游庫容10%計算，可至少減少棄水1.42萬m3，以平均耗水率2.59計算，每天多發0.054 8萬kWh，這樣每年減少棄水約500萬m3，增加發電量20萬kWh。

以各級電站區間來水大致相等考慮，塔薩兩級電站借用吉林臺一級庫容，減少棄水和增加發電量和尼勒克電站相當；尼勒克處于各級電站中游，其棄水所具有的蓄能也處于均值水平，以此計算，梯級五級電站平均每年一共可增加發電量約100萬kWh。

3.5 模型應用中的關鍵點

1)EDC系統充分考慮薩里克特及塔勒德薩依水電站，按照設定的水位上下限運行區間運行，監控系統在設定時間內反饋前池水位變化情況，當超過設定上限時，按照異常水位控制模型調整負荷，使水位逐步恢復至設定運行區間。

表1 梯級電站蓄能最大模型計算成果表

2)在汛期，主要考慮以滿足下游灌溉用水為基礎的情況下，按照3站流量關系匹配最優經濟負荷分配，優先選用高水頭低水耗徑流式尼勒克水電站，并結合異常水位控制模型和水位平穩模型進行調整，其余負荷按照蓄能最大模型約束條件分配其余2站間負荷。

3)限電期間，充分利用吉林臺一級和溫泉的調節性能，將吉林臺一級及溫泉水電站負荷至優先轉移到尼勒克水電站，減少尼勒克水電站限電棄水。

4 結 語

喀什河流域梯級水電站中，由于5座水電站中有3座是徑流式水電站，基本無調蓄能力，洪水預報的準確性對能否完全避免棄水至關重要，因此，隨著洪水預報精度的進一步提高，經濟調度可望進一步得到優化。

目前喀什河流域梯級電站EDC系統處于研究和試運行階段，通過仿真計算，喀什河流域梯級電站EDC調度的實施，避免大機組小負荷運行振動效應，提高機組運行效率，提高各電站單機出力和機組負荷率，優化機組運行工況，延長機組使用壽命，可為流域梯級綜合效益帶來大幅度的提升，對混合式梯級水電站的經濟運行具有普遍的參考意義。