三峽電站大規模機組群廠內經濟運行應用

杜康華，張曉宇，楊 鵬，張敬革，龍哲君

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水電站廠內發電機組的經濟運行主要運用于短期發電計劃（一般為日發電計劃）的機組運行和運行機組間的有功功率分配，是通過給定入庫流量過程、機組計劃負荷曲線，考慮機組有功平衡、出入庫流量平衡、機組運行水頭平衡、發電機機組的特有運行曲線特性等各種約束，合理制定日發電計劃，優化機組開停機次數，組合不同運行參數類型的機組，優化分配運行機組的有功功率，實現電站的最優化經濟運行。進行水電站廠內發電機組的經濟運行研究，以獲得盡可能大的經濟效益，也有助于實現電力系統的經濟調度運行，節約自然資源。

自2003 年蓄水發電以來，三峽水電站強大的清潔水電能源，大大緩解了華中、華東和南方片區電力緊缺的局勢。近年，受氣候變化及人類活動影響，長江上游流域年徑流總量呈減少的趨勢，面對三峽水電站調節能力有限（季調節），來水又日趨減少的局面，從水資源優化調度的角度，開展廠內經濟運行，不僅可提高三峽水電站的水能利用率，取得更多的經濟利益，還可為我國2030 年前碳達峰目標作出更大的貢獻。

為實現三峽水電站廠內經濟運行，需考慮年內不同調度期來水特性的不同、調度邊界約束的不同以及其在電網中的短期運行方式承擔的任務不同等。每年汛期，長江流域因降雨導致入庫流量較大，此時三峽水電站為有效利用水資源，其承擔系統中的基荷和腰荷部分，一般情況下為減少機組的啟停次數，電站機組后一時段的發電計劃可參照前一時段的發電計劃；在枯水期，上游水庫入庫流量低，為保障航運安全，兼顧發電，三峽水電站利用其機組多、容量大的特點要承擔系統中更多的調峰、調頻任務，每日負荷曲線會有較大波動，這時需考慮實際上下游水位、入庫來水流量及其他調度規定約束，最大限度減少頻繁開停機，避免機組頻繁在振動區運行。

本文將通過計算相同日發電計劃下，選取不同的負荷分配，不同類型機組臺數搭配組合下，不同的總發電耗水量，建立相關模型，選取最優方式，來實現自然水資源的優化利用。

1 模型的建立

1.1 三峽水電站廠內經濟運行的數學模型

三峽水電站廠內經濟運行中最優負荷分配的目的是在總負荷一定的情況下，通過合理分配機組負荷，使得全廠發電耗水量最小。廠內經濟運行中負荷優化分配模型目標函數為：

1.2 約束條件

表1 機組運行方式

2 改進二進制粒子群優化算法

三峽水電站是目前世界水電站中規模最大的水電站，總裝機容量世界第一，總共有32 臺700 MW 的大型水電機組，2 臺50 MW 的小機組，其中32 臺700 MW大機組參與電網調峰、調頻。因其單機容量大、機組臺數多、機組類型多，采用常規方法面臨巨大困難。

為有效解決高維、離散、非線性、非凸等難點，提出了一種基于改進二進制粒子群的優化算法。該方法改進了粒子位置更新方式和概率變換，使其具有更強的全局尋優能力和更快的收斂速度，同時引入啟發式機組最短開停機時間修補策略和基于機組啟停優先順序表的系統備用容量修補技術，有效解決了多約束耦合問題，提高了算法的收斂速度和尋優能力。

2.1 構建粒子編碼方式

隨機初始化種群中所有粒子，每個粒子對應水電站所有N臺機組在T個時段內的啟/停狀態（用0/1 表示），表達如下

2.2 速度與位置更新

3 應用實例

3.1 典型算例

為較好地驗證實用化方法在不同機組啟閉情況下三峽水電站發電耗水量，在選擇典型算例時，以三峽水電站實際運行資料為基礎進行驗證，選取調峰量較大、切機頻繁的2019 年5 月14 日（當日調峰量達5 350 MW）進行計算。

數據分析顯示，三峽水電站如采用廠內經濟運行5 月14 日可節水743 萬m3，按當日耗水率進行折算則節能165 萬kW·h，約節省16.5 萬元。數據對比表明執行水電站經濟運行手段可以提高水力資源的利用，從而獲取更大的經濟效益。

圖1 三峽日負荷任務曲線

表2 2019-5-14 日逐時段出力分配計算

表3 效益分析比較

3.2 全廠綜合特性曲線制作

為方便快速查詢，通過將出力節點、水頭節點以及發電流量節點以一定步長進行離散，得到反映了電站全廠在不同水頭下的最優能耗關系的三峽水電站全廠綜合耗水曲線，即全廠的“出力-水-發-流量-綜合關系曲線，見圖2。

圖2 全廠綜合耗水曲線

4 總結與展望

三峽水電站憑借在電網中的重要節點位置、總裝機容量和水電機組靈活的特有屬性，承擔了電力系統中的調峰、調頻、事故備用等任務，本文通過真實數據和事例表明三峽水電站廠內經濟運行具有潛力可挖。文中所提出的廠內經濟運行模型求解算法是實用的，可實現負荷更優分配的同時計算快速，并達到了較為滿意的優化效果。

本文主要從以電定水角度進行探討，后期還可結合以水定電，研究將三峽水電站發電計劃編制與廠內經濟運行耦合關系作為切入點，將短期發電計劃（日發電計劃）作為廠內機組負荷最優分配模型的輸入，再以經廠內機組負荷最優分配模擬計算的結果對水電站初始發電計劃進行循環迭代和軌跡嵌套修正，將提高水電站的水力資源利用率，為國家和社會提供更多的清潔能源。