劉紅嶺，蔡建章，蔡華祥

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

基于蓄能分析的水電站蓄水調(diào)度規(guī)律研究

劉紅嶺，蔡建章，蔡華祥

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

從水庫蓄能分析的角度出發(fā)，提出以來流能損失表示可發(fā)水量的損失，以增加蓄能表示水頭的增加，以來流能的高效利用為目標(biāo)確定水電站蓄水調(diào)度運(yùn)行策略。通過來流能損失與一定水庫蓄能利用率下的動(dòng)用未來水庫蓄能的比較分析，提出以蓄能利用效率和電網(wǎng)用電需求確定月內(nèi)最佳蓄水方案的決策方法。

水電站；來流能；水庫蓄能；蓄水調(diào)度

0 前言

水電站長期最優(yōu)運(yùn)行是在原始數(shù)據(jù)和一定約束條件下，由初始狀態(tài)過渡到終了狀態(tài)的最優(yōu)控制問題。水電站蓄水期運(yùn)行方式的確定需考慮防洪安全、下游供水及發(fā)電效益等多重因素，對(duì)保障后續(xù)枯水期水電站的運(yùn)行效益具有重要意義。

目前，水電站蓄水期運(yùn)行方式的制定有兩類方法：一類是將蓄水期作為長期發(fā)電調(diào)度周期中的一段，在整體優(yōu)化中確定蓄水期的運(yùn)行方式[1-13]。這類方法能夠兼顧當(dāng)前時(shí)段與未來時(shí)段間的決策關(guān)聯(lián)，獲得最佳整體效益。

本文從蓄能分析的角度研究水電站蓄水運(yùn)行規(guī)律，以高效利用水庫蓄能為目標(biāo)，通過合理控制水位上升過程減少來來流能的損失，提出兼顧水量利用與水頭利用的蓄水調(diào)度策略。

1 水電站蓄水調(diào)度規(guī)律

1.1 問題的描述

依據(jù)水電能源學(xué)的觀點(diǎn)，水電站發(fā)出的電能由兩部分組成[18]：一部分是來流能，它是由來水經(jīng)水電站直接發(fā)出的電能；另一部分是水庫中的動(dòng)用蓄能，它是由水庫中的蓄水下泄而得到的電能。

一般而言，蓄水期間來水的一部分蓄入水庫，表現(xiàn)為水庫蓄能的增加；另一部分以發(fā)電流量下泄的形式，直接轉(zhuǎn)化為發(fā)電電能的增加。來流能的使用情況如圖1所示。

圖1 來流能使用情況曲線

從蓄能利用的角度出發(fā)，將部分來水用于直接發(fā)電意味著動(dòng)用了未來可用的水庫蓄能。而這種部分蓄水、部分放水發(fā)電的運(yùn)行方式相比較于將來水全部蓄入水庫的運(yùn)行方式而言，發(fā)電水頭有一定的損失，即意味著來流能的損失。為實(shí)現(xiàn)盡可能多發(fā)來流能電量的目標(biāo)，需要在動(dòng)用水庫蓄能時(shí)保證有一定的利用效率能，即保證有λ· ΔE(V)的實(shí)際轉(zhuǎn)化電能：

E′(Q)-E(Q)≤(1-λ)·ΔE(V) (1)

式中，等式左邊的E′(Q)表示來水全部蓄入水庫的運(yùn)行方式下的來流能，E(Q)表示來水部分蓄水、部分放水發(fā)電的運(yùn)行方式下的來流能；等式右邊的ΔE(V)表示放水發(fā)電部分來水所動(dòng)用的未來可用水庫蓄能。

根據(jù)上述區(qū)域重磁、典型礦床地質(zhì)和物探剖面異常特征，結(jié)合區(qū)域礦產(chǎn)和其它物化探資料，推測已出露的高山巖體和寶山巖體為同源巖體，并初步圈定了1km埋深內(nèi)其隱伏巖體的分布范圍(圖1至圖4)。主要找礦區(qū)預(yù)測如下：

通過對(duì)水電站蓄水規(guī)律的深入研究，能夠確定水電站蓄水或發(fā)電的臨界最優(yōu)決策方式，保證來流能在蓄水過程中的高效利用。

1.2 最佳蓄水調(diào)度策略

水庫蓄水過程中，由于來水部分用于發(fā)電放水，降低了發(fā)電水頭，從而使得水庫蓄能增加的同時(shí)，面臨著一定的來流能的損失。蓄水運(yùn)行期間來水較小及來水較大情況下的蓄水過程曲線如圖2所示。

圖2 蓄水過程曲線

在蓄水過程中，由于處在汛期，汛限水位與正常高水位是運(yùn)行期間的控制水位Z控制。

蓄水過程中最少蓄水的運(yùn)行方式分為以下2種情況：1)若來水較小，水電站維持初始水位Z初不蓄水，以來水流量發(fā)電；2)若來水大于最大引用流量，水電站滿發(fā)，水位將自然蓄至Z滿發(fā)。

而將來水全部蓄入水庫的最大蓄水運(yùn)行方式能夠?qū)崿F(xiàn)來流能的最大利用，水電站將以高水頭運(yùn)行獲得未來的最大發(fā)電量，此時(shí)水位將蓄至Z全蓄。需要說明的是，若來水全部蓄入水庫后超過相應(yīng)時(shí)段的控制水位Z控制，則以控制水位控制蓄水過程，高于控制水位部分的可蓄來水轉(zhuǎn)化為必發(fā)電能。

實(shí)際蓄水過程中，由于要滿足負(fù)荷需求，部分來水將用于放水發(fā)電，水庫將蓄水至Z部蓄，部分來流能轉(zhuǎn)化為發(fā)電電能。來水由于未能全部轉(zhuǎn)化為水庫蓄能，意味著來流能以較低水頭發(fā)電，存在著來流能損失：

式中，ΔH為蓄水過程中由于來水未來全部蓄起造成的發(fā)電水頭損失。

水庫蓄水過程中動(dòng)用的未來水庫蓄能：

式中，μ為水電站平均發(fā)電耗水率。水庫蓄能變化的計(jì)算可依據(jù)上游水位-庫容曲線中水位變化與庫容變化間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到，如圖3所示。

圖3 上游水位-水庫蓄能計(jì)算曲線

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本參數(shù)

以某不完全多年調(diào)節(jié)水電站與不完全季調(diào)節(jié)水電站為例，進(jìn)行蓄水期最佳蓄水運(yùn)行方式的計(jì)算分析。某水電站的裝機(jī)容量4 200 MW，死水位1 166 m，汛限水位1 132 m，正常高水位1 240 m，水電站出力系數(shù)取為8.7，平均發(fā)電耗水率取為1.6～2.0，最大引用流量為2 340 m3/s。2011年蓄水期6月至10月的運(yùn)行要求是從死水位1 166 m蓄至正常高水位1 240 m，期間以汛限水位控制。漫灣水電站的裝機(jī)容量1 670 MW，死水位982m，汛限水位988m，正常高水位994m，水電站出力系數(shù)取為8.6，平均發(fā)電耗水率取為4.5-4.9，最大引用流量為1 970 m3/s。2011年蓄水期6月至10月的運(yùn)行要求是從死水位982 m蓄至正常高水位994 m，期間以汛限水位控制。水電站6月至10月的入庫流量如表1所示。

表1 6月至10月小灣與漫灣水電站入庫流量

2.2 蓄水期調(diào)度策略分析

由于小灣與漫灣水電站調(diào)節(jié)能力差別很大，蓄水運(yùn)行將對(duì)電站可發(fā)電能及蓄能利用效率產(chǎn)生不同影響，因而對(duì)其蓄水期運(yùn)行方式分別計(jì)算分析。

2.2.1 小灣水電站蓄水期運(yùn)行方式分析

表2 6月份小灣水電站蓄水過程中的來流能利用

在6月份，小灣水電站的入庫流量為1 750 m3/s，小于最大引用流量。若將來水全部蓄入水庫，水位將由1 166 m上升至1 207.52 m。由圖3的水位上升可查到相應(yīng)的水庫蓄能的變化，進(jìn)而可分別由式 (2)和式 (3)求得來流能的損失與動(dòng)用的未來水庫蓄能。由于月內(nèi)運(yùn)行水位較低，耗水率取為2.0。表2為相應(yīng)的小灣水電站蓄水過程中的來流能利用情況。

從表2中可看到，隨著蓄水的加大，來流能的損失在減少，獲得了更大的蓄能利用效率。但由于來水更多的轉(zhuǎn)化為水庫蓄能，水電站的實(shí)際可發(fā)電能逐漸減少。在電網(wǎng)供電形勢(shì)緊張時(shí)，可犧牲一定的蓄能利用效率，以獲得最大的實(shí)際可發(fā)電能；而在電量需求不足時(shí)，則可在高效利用蓄能的同時(shí)滿足電量平衡。在此選擇將水位上升14 m的蓄水方案，月末蓄水至1 180 m。

3 結(jié)束語

本文綜合考慮來流能與水庫蓄能的利用，提出以水庫蓄能高效利用為目標(biāo)的水電站蓄水調(diào)度運(yùn)行策略，以協(xié)調(diào)水量利用與水頭利用間的矛盾。通過對(duì)蓄水期水位上升過程中來流能損失與動(dòng)用的未來水庫蓄能的比較分析，提出以蓄能利用效率作為蓄水決策的量化指標(biāo)，結(jié)合電網(wǎng)電量需求，確定最佳蓄水決策，為基于蓄能分析的蓄水調(diào)度規(guī)律在水電站調(diào)度運(yùn)行決策中的應(yīng)用提供參考。

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Analysis on Optimal Operation Principle of Hydropower Station during Storing Water Period based on Storage Energy Analyzation

LIU Hongling，CAI Jianzhang，CAI Huaxiang
(Yunnan Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011，China)

In this paper，from the prospect of storage energy analization，the loss of water quality is represented with the loss of inflow energy and the additon of water level is represented with the addition of storage energy.With the objective of high efficient utilization of inflow energy，a new optimal operation mode of storing water period is proposed.Through the comparison between the loss of inlfow energy and the utilized future storage energy，an optimal storing decision method is proposed based on storage energy utilization efficience and power demand.

hydropower station；inflow energy；storage energy；storing decision

TM73

B

1006-7345(2014)06-0005-03

2014-10-24

劉紅嶺 (1981)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度、水電能源調(diào)度運(yùn)行等方面的研究工作 (e-mail)lb3799＠163.com。

國家863高技術(shù)基金項(xiàng)目 (2012AA050205)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51109080)；中國南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目 (KYN2012-482)；中國南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目 (K-YN2014-033)。