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        長江上游大型水庫群聯合優(yōu)化調度研究

        2013-10-21 02:01:06梅亞東唐海華
        水力發(fā)電 2013年11期
        關鍵詞:梯級出力三峽

        胡 挺,梅亞東,汪 蕓,王 海,唐海華

        (1.中國長江三峽集團公司,湖北 宜昌 443133;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072;3.國網電力科學研究院,江蘇 南京 210003)

        根據長江流域水電開發(fā)規(guī)劃,到2020年三峽及其以上干支流控制性水庫將陸續(xù)建成并發(fā)揮效益,我國長江上游地區(qū)將形成超大型水庫水電站群格局。屆時流域水電能源分布將呈現水文特性異步與地理位置分散的時、空差異,為大型水庫群的聯合調度提供了互補條件。實施全流域水庫群的聯合調度將對長江防洪安全、水資源優(yōu)化配置和水電能源高效利用具有重大意義,也是今后長江流域水利發(fā)展和流域綜合管理的必然趨勢。

        近年來,水庫群聯合優(yōu)化調度多限于串聯或規(guī)模較小的混聯庫群[1-2],對于長江上游水電開發(fā)形成的大型混聯水庫群聯合調度這種高維優(yōu)化問題以往研究較少涉及,探討分析居多[3]。綜合考慮水庫調節(jié)性能、電站裝機大小等因素,本文選取長江上游已正式投運的36座水庫為研究對象,對其進行聯合優(yōu)化調度,提出該類問題的一種求解思路和方法,并分析長江上游水電站群的聯合發(fā)電效益及各電站、梯級間的電量電力補償規(guī)律。

        1 優(yōu)化調度模型建立

        1.1 問題概化

        本文研究的水庫群分布如圖1。

        圖1 長江上游水庫群示意

        對于圖1所示的水庫水電站群系統(tǒng),其涉及數量多、分布范圍廣,且分別隸屬于不同電網,本文是在已知調度期內各水庫初、末水位及徑流過程的情況下,考慮各種約束條件,尋求水庫群的調度過程,使流域電站群的總發(fā)電量最大。結合圖1中各水庫所處位置及調節(jié)性能差異大 (各河流龍頭水庫具有季以上調節(jié)性能,其他為日或無調節(jié))的特點,按照 “龍頭調節(jié)能力好的水庫帶一串調節(jié)能力差的水庫”的模式將全流域水庫群劃分為10個梯級,分兩步求解流域電站群的最大發(fā)電量:①建立各梯級獨立聯合調度模型,從上游到下游進行逐級局部優(yōu)化,得到一可行解;②建立全流域的聯合調度模型,以可行解作為初始解和對比參考對象,對全流域電站群進行全局優(yōu)化,得到更優(yōu)解。

        本文計算時段為月屬長期調度,故對于日或無調節(jié)能力的水庫不考慮調蓄作用,只考慮利用其水頭發(fā)電,即假定各時刻其水位固定不變,汛期為汛限水位,非汛期為死庫容到正常庫容2/3處對應水位。各梯級龍頭水庫水電站技術參數如表1。

        1.2 模型建立

        全流域與各梯級水庫群聯合優(yōu)化調度模型的目標函數與約束條件一致,只是考慮電站數目不同。目標函數

        式中,E為調度期內流域或梯級電站群最大發(fā)電量;T為時段總數,t∈[1,T]為時段變量,對應時刻范圍為[0,T];n為電站總數,i∈[1,n]為電站編號;Δt為計算時段長;fH、fZ為水頭、水位耗水率關系曲線函數;、Ki表示i電站恒定耗水率、出力系數;Ni,t、Wi,t、Hi,t、Zi,t、分別表示i電站t時段有效出力、發(fā)電水量、發(fā)電凈水頭、上游平均水位、發(fā)電流量。其中出力依電站特性及資料情況有4種計算方式,當時段出力小于保證出力設計保證率得不到滿足時,系統(tǒng)供電可靠性將遭到破壞,此時可在式(1)中引入“罰函數”加以懲罰[4]。

        約束條件,主要包括:

        水庫水量平衡約束

        式中,Vi,t-1、Vi,t、分別為i水庫t時段初庫容、末庫容、平均入庫和出庫流量。

        表1 各梯級龍頭水庫水電站技術參數

        水庫間水量聯系

        水庫水位約束

        式中,Zi,t、分別為i水庫t時段末水位和允許的最低、最高水位,一般為死水位,在非汛 期 為正常蓄水位,汛期為汛限水位。電站出力約束

        水庫出庫流量約束

        邊界條件

        式中,Zci、Zei分別表示i水庫調度期初、末水位,一般給定,本文中多年調節(jié)的冶勒水庫為死水位到正常蓄水位2/3處,其他龍頭水庫為死水位。

        其他約束。負荷率方面,三峽—葛洲壩梯級為1.0,重慶電網 (彭水、銀盤、江口電站)為0.8,四川電網 (其他電站)為0.9;出力保證率方面,三峽不低于99%,其余可調節(jié)電站不低于95%。另外各變量必須為非負值。

        2 算法求解主要思想及實現

        2.1 求解主要思想

        水庫群優(yōu)化調度是與時間過程有關的多階段決策問題,因水庫間復雜的水力、電力聯系而呈現高度非線性。目前比較典型的求解方法主要有動態(tài)規(guī)劃 (DP)及其改進等確定性算法和遺傳、粒子群等仿生算法[5,6]。對于確定性方法,突出問題主要是時段和電站數目的增多導致 “維數災”,使求解時間過長或離散點偏少精度差[7];仿生算法對于時段數少的尋優(yōu)快捷有效,但對于需分析調度規(guī)律的多時段尋優(yōu)因變量過多而難以收斂。

        本文10個梯級各只有一個可調水庫,可直接采用DP法求解。對于流域全局優(yōu)化這一特大型多維問題,時段、水庫均較多,水力電力聯系極其復雜,對此本文綜合逐步優(yōu)化算法 (POA)、離散微分動態(tài)規(guī)劃法 (DDDP)及逐次漸近法 (DPSA)3種算法的 “降維”措施,提出從減少階段數、狀態(tài)離散點數和水庫數三方面降低計算量的 “混合優(yōu)化法”。其總體思路是:從一條決策過程線出發(fā),將多階段決策問題分解成一系列兩階段問題;在某一水庫某兩階段的中間時刻決策變量周圍劃分搜索 “廊道”,固定其余時刻決策,在 “廊道”內只對該決策變量尋優(yōu);當所有水庫各時刻決策變量尋優(yōu)完畢且滿足允許誤差后,減小 “廊道”離散步長重復上述過程,直到滿足收斂條件為止。尋優(yōu)過程如圖2。

        圖2 尋優(yōu)示意

        2.2 算法實現步驟

        調度期水庫初、末水位固定,優(yōu)化時只需對各可調水庫1到T-1時刻水位尋優(yōu),“混合優(yōu)化算法”具體實現步驟如下:

        (1)確定各可調水庫初始軌跡Zi,0,Zi,1,…,Zi,T-1,Zi,T(i水庫0~T時刻水位),選擇適當離散步長ΔZ,給定允許精度ε1、ε2。確定初始軌跡的方法有多種[8],本文以圖1中10個梯級優(yōu)化的結果為初始解,同時為防止陷入局部最優(yōu)解,初始步長ΔZ取3 m。

        (2)尋優(yōu)第1時刻水庫1的水位,具體為固定水庫1除第1時刻外的水位及其余水庫各時刻水位不變,在水庫1第1時刻水位點上下 (可行范圍內)取適當離散個數M,一般以3、5基數為宜 (本文取為 3),形成 [Z1,1-ΔZ·M,Z1,1+ΔZ·M] 的搜索 “廊道”。在 “廊道”范圍內尋優(yōu)水位,使電站1及其下泄經過的電站在1、2兩階段的發(fā)電量之和最大,記下該優(yōu)化水位 Z′1,1。

        (3)按從上游到下游的順序,同 (2)尋優(yōu)第1時刻其余水庫水位,此時得到第1時刻各水庫優(yōu)化水位 Z′i,1及 1、2 兩階段的電站群發(fā)電量。

        (4)重復 (2)~ (3),直到兩次迭代求得的1、2兩階段電站群發(fā)電量增量小于預先給定允許誤差ε1(0.0001 TW·h)。

        (5) 按步驟(2)~(4),尋優(yōu)第T-1 時刻各水庫水位,得到各水庫各時刻優(yōu)化水位過程Zi,0,Z′i,1,…,Z′i,T-1,Zi,T及調度期內流域電站群的總發(fā)電量。

        (6)將優(yōu)化水位過程作為新的初始軌跡,重復(2)~(5),直到兩次迭代求得的調度期內電站群總發(fā)電量增量小于允許誤差 ε1(0.0001 TW·h)。

        (7)減小離散步長△Z,若其小于給定允許誤差ε2(0.001 m),尋優(yōu)結束,否則回到(2)。

        3 優(yōu)化結果及分析

        3.1 流域發(fā)電效益分析

        根據上述優(yōu)化模型及算法,本文以水庫群最早的同步汛期7月為計算起點,采用相關網、省調提供的各電站1960年7月~2009年6月共49年588個月 (時段)的實測徑流資料進行優(yōu)化計算,梯級、流域兩種優(yōu)化方式下的結果見表2。

        從全流域電站群的優(yōu)化結果分析:①年均發(fā)電量方面,梯級優(yōu)化值較設計值增加了15.40 TW·h,增幅8.7%;流域優(yōu)化比設計值和梯級優(yōu)化值分別增加了 17.03、1.63 TW·h,增幅達到 9.6%和 0.8%。②出力方面,將各電站時段出力疊加并排頻,95%頻率下的梯級優(yōu)化值較設計保證出力增加了1834.1 MW,增幅17.7%;流域優(yōu)化比設計保證出力和梯級優(yōu)化值分別增加了2182.5、348.4 MW,增幅達到21.1%和2.9%。較梯級優(yōu)化,流域優(yōu)化的電量補償效益相對不大,但電力補償效益突出??傮w而言,無論梯級還是流域優(yōu)化調度,電站群的電量、電力補償效益均十分顯著。

        從各梯級電站群的結果分析:各梯級獨立優(yōu)化時,多數梯級的發(fā)電量是優(yōu)于設計值的,但雅礱江、田灣河和白—嘉江偏低,與優(yōu)化理論相悖。分析因為:雅礱江二灘是受負荷率限制,汛期水量未充分利用;田灣河與白—嘉江則是徑流的不一致造成,兩梯級龍頭水庫設計年徑流分別為26.2、333 m3/s,而實測年均徑流只有9.8、282 m3/s,比設計值分別低了63%和15%。這三個梯級偏小電量在0.12~0.66 TW·h之間,對流域發(fā)電量影響不大。

        徑流經梯級多個電站會產生重復棄水,梯級、流域兩種優(yōu)化方式下,年均重復棄水最多的是三峽梯級,分別為446和381億m3,其次大渡河、寶—青江都超過了170億m3。進一步分析各電站棄水(因篇幅有限未列出),水量利用率相對來水不高的多為調節(jié)性能較差的電站,多集中在70%~88%之間,這些電站還有進一步增容改造的可能。從表3可以看出,梯級上電站越多,水量被重復利用就越多,如寶-青江梯級水量重復利用率達600%以上,全流域也達到300%以上。隨著上游干支流電站的不斷建成運行,這一比例還將提高,將會有更多的水能轉換為電能。

        3.2 電量電力補償規(guī)律分析

        各梯級單獨優(yōu)化時,梯級內上下游電站間有水量和電量的雙重聯系,梯級間則僅有水量聯系。流域全局優(yōu)化時,所有電站、梯級間均有緊密的水量電量聯系。經分析:

        (1)電量補償方面。梯級優(yōu)化時,除雅礱江、田灣河、白—嘉江因負荷、徑流原因外,其余梯級發(fā)電量均優(yōu)于設計值,這主要體現了各梯級龍頭電站對自身下游電站的補償作用,而且因水量聯系還可為最下游的三峽梯級提供水文及庫容補償。流域優(yōu)化時,雅礱江、大渡河、白—嘉江、烏江、芙蓉江5個梯級電量相比梯級優(yōu)化有少量減小,然而對岷江、三峽梯級尤其后者提供了顯著的電量補償,未有明顯變化的田灣河、南椏河、寶-青江梯級則具有相對獨立的水文特性,龍頭水庫調節(jié)庫容也有限,表現出與其他梯級非明顯的補償關系。

        表2 水庫群聯合優(yōu)化調度結果

        (2)電力補償方面,各電站同頻率下的出力所處時段不同,會出現 “互補”效應,故一定頻率下的電站群出力將大于各電站出力之和。從表2可以看出:梯級優(yōu)化時,雖各梯級是以發(fā)電量最大為目標函數,但除田灣河、南椏河外其余梯級95%頻率的出力都是大于設計保證出力的,梯級內部電站間電力互補效益明顯。流域優(yōu)化時,雖大渡河、烏江、三峽等梯級95%頻率出力較梯級優(yōu)化值明顯降低了,但流域整體出力卻是增加的,這種 “梯級降低、整體提高”的現象便體現了聯合調度時各梯級間顯著的電力互補效應。

        (3)梯級、流域兩種優(yōu)化方式下,三峽梯級的年均電量分別比設計值增加13.61、15.54 TW·h,占到全流域電站群增量的88.3%和91.2%,同時95%頻率的出力較設計保證出力的增量也占到電站群出力增量的60.7%和47.8%。說明長江上游電站群聯合優(yōu)化的電量電力補償效益主要體現在其他各梯級對三峽梯級的補償,這與三峽較大的庫容裝機以及電站良好的運行性能是密切相關的。

        3.3 三峽電站發(fā)電能力分析

        作為長江干流核心控制性工程,三峽樞紐舉足輕重,其水庫庫容大、調節(jié)性能強、總裝機世界第一,具有極強的發(fā)電能力。從其設計、梯級及流域調度的優(yōu)化結果 (見表3)分析:發(fā)電量方面,三峽電站經梯級或流域優(yōu)化后比設計值提高較多,分別增幅10.5%、12.3%,占電站群發(fā)電量的比重超過一半;出力保證率方面,作為超大型水電站,電網對三峽供電可靠性要求極高,經梯級、流域優(yōu)化后其發(fā)電保證率達到99%以上,尤其流域優(yōu)化達到100%,供電可靠性得到很好滿足;出力方面,三峽經梯級、流域優(yōu)化后95%保證率下的出力較設計保證出力提高610 MW以上,流域優(yōu)化值較梯級優(yōu)化略小7.3 MW,在電站群保證出力中的比重也有所降低,這是以電量效益為主要目標而電力效益相對減少所致。

        表3 三峽水電站發(fā)電統(tǒng)計

        4 結 語

        本文以長江上游已建的36座水庫為研究對象,從模型建立、求解方法和補償規(guī)律上對其進行了聯合優(yōu)化調度的相關研究,結果表明:①提出的求解思路和 “混合優(yōu)化算法”對大型水庫群的流域全局優(yōu)化是有效可行的;②長江上游各電站、梯級間的水文和庫容補償能力強,在不增加工程規(guī)模的條件下聯合優(yōu)化的電量電力補償效益十分顯著;③無論梯級局部還是流域全局優(yōu)化,三峽電站被補償突出,其發(fā)電能力以及在長江流域電力系統(tǒng)中至關重要的供電地位進一步提高。

        從技術方面開展長江流域水庫群的聯合優(yōu)化調度是有效可行的,但目前因長江上游各梯級電站利益主體眾多,博弈關系復雜,實現統(tǒng)一聯合調度還較困難。各級電力調度部門應積極聯合相關業(yè)主單位與政府職能部門,綜合考慮防洪、抗旱、航運、灌溉、生態(tài)環(huán)境等要求,統(tǒng)一會商權衡,研究制定科學合理的激勵措施與利益分配機制,促進各電站、梯級間形成良性互動,實現利益共贏,進而推進長江流域以三峽梯級為核心、其他梯級為支撐的整體聯合調度運行與水電資源優(yōu)化配置格局。

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