王干一,吳相林

(華中科技大學系統(tǒng)工程研究所,武漢市,430074)

0 引言

梯級電站優(yōu)化運行與調(diào)度涉及電價和發(fā)電量 2個因素。上網(wǎng)電價由政府有關(guān)部門進行核定或進行競價上網(wǎng)取得。上網(wǎng)電價的競價模式一般有 2種: (1)按報價支付(pay as bid,PAB),(2)統(tǒng)一出清電價(uniform clearing pricing,UCP)。在這些方式中,或者政策限制,或者不能進行優(yōu)化調(diào)度,各有弊端。在流域各梯級電站獨立報價的情況下,各電站追求自身利益的最大化,如沒有合理有效的機制對各流域電站的運行與效益進行調(diào)節(jié)補償,會導致梯級各電站無法有效協(xié)調(diào),流域水資源不能優(yōu)化利用。

流域總發(fā)電量的多少決定了流域總體發(fā)電能力,發(fā)電量大,流域總的效益明顯。發(fā)電量不僅取決于水庫來水,而且還與梯級電站的調(diào)度管理模式有關(guān)。合理的運行調(diào)度模式,通過對發(fā)電能力和調(diào)節(jié)能力強的電站進行水能與電能經(jīng)濟補償,是調(diào)動各水電站發(fā)電積極性的重要手段。統(tǒng)一核算電能效益,建立合理有效的補償機制,減少電站利益分配之間的矛盾,使各電站不再把精力消耗在互相競爭上,而是以提高各電站的運行效率,降低運行成本為目標。本文通過對梯級各電站發(fā)電補償方式的探討,以提高水庫各電站效益為前提,摸索合理的補償辦法,充分發(fā)揮水資源的發(fā)電能力,降低發(fā)電成本,使各水庫電站在梯級統(tǒng)一調(diào)度的基礎(chǔ)上均獲得合理補償,從而實現(xiàn)各電站效益的最大化。

1 流域多發(fā)電主體的效用函數(shù)

以流域梯級棄水最少、發(fā)電量最大的為目標。設(shè)某流域從上游到下游共有 N個獨立的梯級發(fā)電站,在一個發(fā)電周期內(nèi),第 n個發(fā)電站發(fā)電效益最大的數(shù)學模型[1]為:

其中,

式中:Pn,t,En,t為第n個電站 t時段上網(wǎng)電價和上網(wǎng)電量;ΔZn,t是n電站可能獲得的補償值,包括該電站能得到的水能補償 ΔSn,t和電能補償 ΔDn,t;Bs,t,Bd,t為n電站的水能補償系數(shù)和電能補償系數(shù);Δvn是n水庫的庫容變化量;Cd,t是電能補償調(diào)節(jié)系數(shù)。

式(1)表明,電站效益的最大化取決于 2個部分:發(fā)電效益和補償效益。其中發(fā)電效益由發(fā)電量和電價決定;補償效益的大小取決于減少棄水,增加可用水量,爭取多發(fā)電。

通過對流域進行統(tǒng)一調(diào)度,減少系統(tǒng)棄水,增加可發(fā)電水量,使水能得到充分利用,是提高流域總體效益的關(guān)鍵。如果通過合理選擇蓄水和發(fā)電時段,使流域總體發(fā)電效益最大化。以流域增加的發(fā)電效益為基礎(chǔ),對多發(fā)效益按權(quán)重進行利益分配,各電站根據(jù)調(diào)度后對流域電能效益貢獻的權(quán)重值,計算相應(yīng)的補償系數(shù),進而使各電站獲得相應(yīng)的效益補償。

2 電站補償能力權(quán)重值的計算

設(shè)n水庫對整個梯級電站進行電能補償?shù)淖畲笱a償能力值為 ωn,各水庫經(jīng)合理調(diào)度水能均被利用無棄水。為方便分析,設(shè)各梯級電站水庫的來水量由上游的水庫決定,即認為各水庫均沒有其他支流(有其他支流的情況,可以按此方法進行推算),也暫時認為各水庫沒有其他生產(chǎn)生活用水需求。

各電站發(fā)電能力,體現(xiàn)在水庫的上游來水量、可調(diào)庫容、位置、裝機容量、可用的出力時間等指標。對這些指標進行量化,可以反映出電站做功的能力。將整個流域作為一個整體時,可以表現(xiàn)在對系統(tǒng)效益的貢獻權(quán)重值上。

2.1 庫容和位置補償權(quán)重

設(shè)αn為電站n可調(diào)庫容和水庫位置在流域中權(quán)重系數(shù)。該系數(shù)值越大,表示可調(diào)庫容越大,位置越靠前,電站儲存水資源的能力越強,調(diào)節(jié)能力越大。由于各水庫的可調(diào)庫容相差懸殊,用簡單的方法建立模型,容易使權(quán)重值偏離太大,所以用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定該值。

層次分析法是對人們主觀判斷形式的表達、處理與客觀描述,通過判斷矩陣計算出相對權(quán)重后,要進行判斷矩陣的一致性檢驗,克服兩兩相比的不足。

AHP法確定權(quán)重的步驟:(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型;(2)確立主觀判斷定量化的標度;(3)構(gòu)造判斷矩陣。運用兩兩比較方法,對各相關(guān)元素進行兩兩比較評分,根據(jù)中間層的若干指標,可得到若干兩兩比較判斷矩陣;(4)計算權(quán)重;(5)進行一致性檢驗。

2.2 裝機容量補償權(quán)重

2.3 補償系統(tǒng)

由于對系統(tǒng)進行庫容和發(fā)電時段調(diào)節(jié)后,調(diào)節(jié)能力差的徑流型電站和日調(diào)節(jié)能力電站的發(fā)電時數(shù)增加較多(利用時數(shù)較高),增加發(fā)電時數(shù)獲得的發(fā)電補償較少,而設(shè)備的維修運轉(zhuǎn)等財務(wù)成本相應(yīng)增高,應(yīng)該增加其財務(wù)費用和設(shè)備維修的費用,進行發(fā)電時數(shù)的補償。設(shè)電站原有發(fā)電時數(shù)為 tn,增加發(fā)電時數(shù)為Δtn,則電站n的發(fā)電時數(shù)補償系數(shù):

上游具有年或不完全年調(diào)節(jié)作用的龍頭水庫電站由于沒有增加發(fā)電時數(shù),發(fā)電時數(shù)補償值為 0。但龍頭水庫對其他電站均具有調(diào)節(jié)性能,因此設(shè)其獲得的發(fā)電時數(shù)補償系數(shù)為整個時數(shù)補償值的平均值:

則對上式進行改良,并進行歸一化處理,得到算式

用乘積法計算出該水庫電站的電能補償能力

此值越高,則電站對系統(tǒng)電能的補償能力越強,可以從系統(tǒng)增加效益中獲得的補償越高。

對補償能力進行歸一化處理,設(shè)流域總的電能補償能力為 1,則補償能力權(quán)值的歸一化算式為

3 電站獲得補償效益的計算

經(jīng)上游水庫的完全蓄水調(diào)節(jié)(無棄水)之后,該電站增加的可發(fā)時長為

即該電站的發(fā)電時長得到相應(yīng)的增加。增加的發(fā)電時長得到的電能效益即是該電站對流域的發(fā)電補償量。該電站得到的增加電量為

可以看出,上游水庫調(diào)節(jié)能力越強,水庫棄水量越小,水庫的發(fā)電效益增加越明顯。因此,以水庫電站新增可發(fā)電量為基準,流域增加的總發(fā)電效益為

此結(jié)果表明,流域某電站對系統(tǒng)的電能增加貢獻越大,得到的補償量越大,從而調(diào)動了電站的發(fā)電積極性,且電站獲得的補償取決于系統(tǒng)的總的電能增加,只有服從流域總的調(diào)度安排,使系統(tǒng)的運行最佳,系統(tǒng)得到的水能增加值越大,每個電站得到的效益值才為最大。

每個水庫得到的補償電量為

4 算例

以下通過對廣東某流域水電站的調(diào)度運行情況進行分析,驗證上述方案的可行性。該流域共有 4個電站,從上游到下游依次為 1、2、3、4號。電站各技術(shù)指標如表1。

建立αn的判斷矩陣,對αn進行計算:

表1 電站技術(shù)指標和權(quán)重計算Tab.1 Specifications and weight calculation of hydropower station

查表得RI=0.90,所以CR=CI/RI=0.087/0.90= 0.096＜0.10,判斷矩陣具有滿意的一致性,符合要求。

調(diào)度前后的發(fā)電量和獲得的補償效益如表 2。

表2 電站獲得的發(fā)電效益補償值計算Tab.2 Compensation calculation of power output benefits

從表 2中看出,調(diào)度后,水庫新增的發(fā)電效益為4 194萬元,各電站對新增電量按權(quán)重進行分配。庫容大,調(diào)節(jié)能力強的電站,得到的補償效益大。而小型水庫的投資小,發(fā)電成本低,對系統(tǒng)沒有太強的補償作用,但是,通過合理的系統(tǒng)調(diào)度,減少系統(tǒng)棄水量,小型電站對系統(tǒng)的電能補償增加不少,從而也得到了相應(yīng)的補償。每個電站盡可能地多發(fā)電,也可以從系統(tǒng)中得到相應(yīng)的補償,提高了各電站的發(fā)電積極性。

5 結(jié)語

流域梯級電站的多發(fā)效益是通過合理的水能調(diào)度產(chǎn)生的,根據(jù)電站技術(shù)參數(shù)確定梯級各電站對系統(tǒng)的補償權(quán)重稍有偏頗,加入了對電站發(fā)電的時數(shù)補償問題的探討,實際上也是對發(fā)電時間成本的一種認可,可以使補償方法更趨合理,梯級各發(fā)電主體對系統(tǒng)的貢獻都可以得到相應(yīng)的合理補償。

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