湖南深度調峰模式下資江東坪電站發電方式尋優

羅炳華

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心,湖南 長沙 410004）

1 引言

2020 年12 月26 日，湖南省內輔助服務市場正式運行，現階段主要開展深度調峰及啟停調峰交易。由于湖南電網清潔能源比重大、外購電逐年增加且峰谷差日益增大，電網調峰壓力不斷加重，近幾年火電機組啟停、深度調峰次數大幅增加[1]。尤其是2018 年祁韶直流入湘并入湖南電網后，電源結構、網架形態和負荷特性將發生顯著變化，給湖南電網運行帶來諸多挑戰[2]，不僅增加了湖南電網的調峰困難，同時也對水電、風電和光伏等清潔能源的發電效益造成了較大影響。

五凌電力有限公司是湖南省最大的清潔能源發電企業，其水電、風電和光伏裝機占比達到90%以上。自深度調峰輔助服務開啟以來，公司水電深度調峰分攤費較大[3]。東坪電站是五凌電力有限公司在資水干流的一座徑流式電站，位于安化縣城東坪鎮閔家灣村，上距柘溪電站10 km，設計裝機容量為4 臺19.9 MW 水輪發電機組，設計年發電量為2.912 億kW·h[4]。作為徑流式電站由于其水庫不具備調節能力，在汛期一旦深度調峰市場開啟，其輔助服務分攤費用明顯增加。隨著湖南電網發展的趨勢，深度調峰市場的規模還會增大、開啟頻次還會增加，對于徑流式水電站而言，在確保電網安全的前提下，減少深度調峰分攤費用和做好電站經濟運行是十分有必要的。

2 湖南深度調峰交易介紹

湖南深度調峰交易是指在系統負備用不足或者可再生能源電力消納困難的情況下，以火電機組降低出力至有償調峰基準值以下的調峰服務、抽水蓄能機組的抽水服務和儲能電站的充電服務等為交易標的，從而提高系統負備用水平或者可再生能源消納能力的交易[5]。

深度調峰交易賣方為市場主體中的火電廠（機組）和抽水蓄能電站（機組）、儲能電站等。火電機組有償調峰基準值為火電機組核準容量的50%。火電機組在有償調峰基準值及以上的調峰服務屬于其基本義務，由調控中心根據電網調峰需求無償調用。深度調峰交易買方為相應交易周期內產生上網電量的湖南電網內市場主體和通過湖南電網轉送跨省跨區電量的省外市場主體[5]。深度調峰交易如圖1 所示。

圖1 深度調峰交易示意圖

2.1 深度調峰交易方式

深度調峰交易方式為“日前報價，按需調用，按序調用”。每日第一個時段為00：00~00：15，最后一個時段為23：45~24：00，全天共計96 個交易時段，以每15 min 為一個交易周期，計算深度調峰服務費及成本分攤費。

2.2 深度調峰交易費用計算

2.2.1 深度調峰服務費

深度調峰服務費為調用機組深度調峰電量與中標價格乘積的總額，由深度調峰交易時段有上網電量的買方按其上網電量占比予以分攤。一般發電量越大，深度調峰分攤費用也就越多。各類主體分攤費計算公式如下：

式中的Ki為各類主體成本分攤調節系數，調節性能為不完全季調節及以上水電廠的成本分攤系數K取0.5；風電分攤調節系數K值一般情況下取1.5；其它市場主體分攤調節系數K值取1。具有水庫最小生態下泄流量要求的水電廠，分攤深度調峰服務費的電量應剔除相應交易時段其裝機容量10%的發電量對應的上網電量。

2.2.2 度電分攤成本

度電分攤費用是指某一時間段深度調峰分攤費用與該時間段發電量的比值。度電分攤成本與深度調峰出力成正比關系，一般深度調峰出力越大，度電分攤成本越高。其計算公式如下：

2.3 東坪電站深度調峰運行情況

2021 年以來湖南深度調峰市場開啟頻繁，2022年東坪電站參與深調分攤天數為258 d，2021 年為263 d。由于深度調峰市場規模的不斷增大，對應的深度調峰分攤費用也發生較大變化，其中2022 年東坪電站深度調峰分攤費用449 萬元，比2021 年的260 萬元增加了72.7%；發電量方面，2022 年東坪電站發電量2.89 億kW·h，比2021 年的2.59 億kW·h增加了11.51%。從圖2 可知，深度調峰的分攤費用主要集中在2~7 月，其中2021 年2~7 月深度調峰分攤費用占比全年的97.3%，2022 年2~7 月占比全年的94.85%。由于資水流域的降水集中在4~7 月的特點及電網需求，每年2~3 月上游柘溪電站都處于大發降水位過程，一般在汛期來臨之前其水位會降至死水位左右，所以這兩個月深調分攤費用會較多；其次是主汛期來水較大，機組長時間滿負荷運行，參與深調分攤的費用也會較多。

圖2 東坪電站月度深度調峰分攤費用占比圖

綜上，2022 年深度調峰分攤費用增比遠遠大于發電量的增比，隨著湖南電力輔助服務市場的發展，深度調峰分攤費用還會逐步增加，東坪電站作為徑流式水電站無調蓄能力，一旦上游柘溪電站大方式運行，深度調峰費用明顯增加，所以在日常的水庫調度以及經濟運行中，要考慮是否通過提前騰庫降低庫水位，在深調開啟時盡量少帶負荷減少分攤費用。

3 深度調峰模式下東坪電站提前騰庫效益分析

東坪電站為燈泡貫流式機組，屬于低水頭徑流式電站，水位變化對于機組發電效益影響較大。為了減少深度調峰分攤費用，需要提前將上游水位降低，待深調開啟時再帶10%額定總出力運行，通過這種方法確實可以減少部分深度調峰分攤費用，但在降水位過程中也有水頭損失電量，只有在減少分攤費用的折算電量大于水頭損失電量時，才能達到增效的目的。

3.1 理論情況下東坪提前騰庫效益計算

在理論計算中，我們假設上游來水維持在一個穩定的流量下，通過提前騰庫至不同水位下計算出其理論效益，求出最佳騰庫水位。由于湖南電網的特點，其居民、商業用電占有相當大的比重，系統的峰谷差特別大[5]，尤其是00：00~08：00 電網調峰極其困難，因此在這個時間段深度調峰分攤費用也是最重的，所以本文計算中只考慮減少這個時段的分攤費用。深調模式下東坪電站理論騰庫模型如圖3 所示。理論情況下在22：00 開始加大出力騰庫降水位，00：00 時降至目標水位，然后維持最低生態流量出力運行，此時深度調峰市場開啟。08：00 后深度調峰關閉，水庫庫水位蓄至正常水位，保持高水位運行。在00：00~08：00 這個時間段其分攤費用幾乎為零，起到了減少深調分攤費用的作用。

3.1.1 計算思路

計算理論情況下東坪電站騰庫效益分析，分別計算入庫流量在190 m3/s（對應柘溪庫水位160 m，出力100 MW）、380 m3/s（對應柘溪庫水位160 m，出力200 MW）情況下東坪提前騰庫至4 個不同水位（96 m、95.8 m、95.5 m、95 m）的效益分析。東坪電站正常蓄水位一般控制在96.2~96.5 m 之間，在接下來所有計算中，東坪電站的正常蓄水位均為96.35 m，騰庫時長均設置為2 h。

3.1.2 計算方法

已知東坪電站入庫流量Q1，正常蓄水位為A1及對應庫容為V1，騰庫水位為A2及對應庫容為V2，騰庫時長T1為2 h，生態出力P0為8 MW。

（1）維持正常蓄水位時的理論出力P1計算公式如下：

式中，η為水輪發電機組效率，C1可以根據東坪下游水位流量關系曲線獲得。

（2）騰庫出力P2、騰庫平均流量Q2、騰庫期間平均水頭H2計算公式如下：

式中，η為水輪發電機組的效率，Q2為騰庫平均流量，V1、V2可以根據東坪水位庫容關系曲線獲得，C1、C2可以根據東坪下游水位流量關系曲線獲得。

（3）維持生態出力流量Q0由騰庫水位漲至正常蓄水位時間為T2，其計算公式如下：

(4)總分攤費用為S，為該時間段每15 min 一個點的總和，計算公式如下：

式中，W1為第一個點的發電量，R1為第一個點的平均度電分攤費用，Wn為第n 個點的發電量，Rn為第n 個點的平均度電分攤費用。東坪電站早班各點平均度電分攤費用如圖4 所示。

圖4 東坪電站早班各點平均度電分攤費用圖

圖5 深調情況下東坪騰庫至不同水位水頭損失電量變化圖

（5）某一時間內深調減少分攤費用為S0，其計算如下：

式中，S為該時間內進行了騰庫操作的總分攤費用，S'為該時間內未進行騰庫操作的總分攤費用。

（6）理論情況下增發電量為W，其計算如下：

式中，Wa為進行了騰庫的發電量；Wb為減少分攤折算電量，即減少分攤費用與上網電價的比值；Wc為不騰庫時的發電量。

3.1.3 計算結果

當入庫流量為190 m3/s、380 m3/s 時，東坪騰庫至96 m、95.8 m、95.5 m、95 m 計算分析結果如表1和圖4~圖6 所示。

表1 理論情況下深度調峰開啟前時東坪提前騰庫效益分析匯總表

圖6 深調情況下東坪騰庫至不同水位深調減少分攤費用變化圖

圖7 深調情況下東坪騰庫至不同水位增發電量變化圖

綜上，在同一入庫流量情況下，東坪騰庫深度越大，因騰庫造成的水頭損失電量也會越大，深調分攤減少的費用也會越多；同一入庫流量下騰庫深度越大最終增發電量反而越少；騰庫至同一水位，入庫流量越大水頭損失電量越大，綜合損失電量越多。

3.2 實際情況下東坪提前騰庫效益計算

由于在實際水庫調度過程中，上游入庫流量不是維持恒定的，每次提前騰庫不一定能在規定時間內騰庫至某一水位，也無法維持一個穩定的負荷，所以其實際的電量計算也存在一定的偏差。通過計算從騰庫開始到帶生態流量出力P0蓄至正常水位這一時間段的發電效益，從而判斷在實際運行過程中是否能達到增效的目的。

3.2.1 計算方法

已知東坪電站某一時間點（以15 min 為一個點）平均入庫流量Q1，實際出力為P1，對應相同入庫流量Q1時維持正常蓄水位的理論出力為P1'（根據公式（1）、（2）可求）。

（1）從電站開始騰庫到帶生態出力蓄至正常水位期間其實際總分攤費用為S，可在湖南電力輔助服務市場平臺里面查詢，計算公式如下：

式中，S1為第一個點的分攤費用，S2為第二個點的分攤費用，Sn為統計期間內最后一個點的分攤費用。

(2)從電站開始騰庫到帶生態出力蓄至正常水位期間理論總分攤費用S'計算公式如下：

式中，S1'為第一個點的理論分攤費用，S2'為第二個點的理論分攤費用，Sn'為統計期間內最后一個點的理論分攤費用。

（3）某一點分攤費用計算公式如下：

式中，K1為東坪電站成本分攤調節系數，取值為1；Ki為各類主體成本分攤調節系數；W1為電站該時間點實際參與分攤的上網電量，W1'為電站該時間點理論參與分攤的上網電量，Wi為市場其他主體該時間點實際參與分攤的上網電量；P0為東坪電站維持生態出力流量Q0時的出力。

由于W1×K1的值遠遠小于∑（Wi×Ki）的值，所以W1×K1+∑（Wi×Ki）≈W1'×K1+∑（Wi×Ki），因此

由公式（16）可知某一點理論分攤費用計算公式如下：

3.2.2 計算結果

通過選取深調開啟情況下有提前騰庫的情況進行分析，通過計算其結果如表2 所示。

從表2 可知，深度調峰開啟時東坪騰庫實際增發電量均為負，表明并未達到增效的目的。入庫流量越大，騰庫至相同水位時因騰庫損失的電量越大，實際增發電量越少；同一入庫流量，騰庫深度越大，損失的電量也越大，實際增發電量越少。

3.3 東坪提前騰庫效益總結

通過對東坪電站不同入庫流量級別的理論和實際發電效益計算，單從經濟效益而言，深度調峰開啟前提前騰庫確實減少了一部分攤費用，但并沒有起到增加效益的作用，反而造成一定的發電量損失。無論在理論情況還是實際運行情況下，在同一入庫流量情況下，深度調峰開啟情況下騰庫深度越大，水頭損失電量越多，雖然深度調峰費用有所減少，但總體損失電量反而增大。作為徑流式水電站要以保證發電量最大化為原則，盡量保持高水位運行，不刻意為了減少深度調峰分攤費用而進行提前降水位操作，在深度調峰市場開啟時，應盡量保持庫水位不變、出入庫維持平衡。

4 結語

隨著湖南電網發展的趨勢，新能源比重日益增大，深度調峰市場的規模還會增大、開啟的頻次還會增加，對徑流式水電站的經濟運行帶來了巨大考驗。本文通過計算深度調峰模式下東坪電站的提前騰庫效益，提出在深度調峰市場開啟時，應盡量保持庫水位不變、出入庫維持平衡的方法，為湖南深度調峰模式下徑流式水電站的經濟運行提供參考。