黃 馗

(廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 南寧 530023)

0 引 言

源-網(wǎng)-荷互動的突出表現(xiàn)是在多元化的能源系統(tǒng)空間中實(shí)現(xiàn)各類資源的優(yōu)化配置[1]。電力系統(tǒng)中的電源和負(fù)荷作為源-網(wǎng)-荷互動框架體系的重要組成部分，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性，通過優(yōu)化各類電源發(fā)電，可以提高發(fā)用電資源的合理利用，提升經(jīng)濟(jì)效益。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電等新能源的大幅增加，開展了基于水、火、風(fēng)等不同電源組合與電網(wǎng)負(fù)荷之間不同尺度周期下的優(yōu)化調(diào)度[2,3]、源荷互動決策[4]、源荷儲系統(tǒng)優(yōu)化策略[5]、適應(yīng)源荷不確定性的優(yōu)化[6]等方面的研究。但是，在源荷互動關(guān)系研究中，對大規(guī)模日調(diào)節(jié)水電群占比高、火電核電風(fēng)電等電源并存運(yùn)行下的水電優(yōu)化調(diào)度研究較少。

目前，廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電站中日調(diào)節(jié)、低水頭數(shù)量占比最多[7]，廣西電網(wǎng)水電站拓?fù)鋱D如圖1所示。2011年前，廣西電源只有水電、火電并存，水火電間的優(yōu)化調(diào)度是被研究的主要內(nèi)容[8,9]，隨著風(fēng)電、核電、光伏等各類電源快速增加，打破了水火二元并存的電源結(jié)構(gòu)，廣西電網(wǎng)成為水、火、核、風(fēng)、光等多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜大電網(wǎng)。通過不同電源間優(yōu)化調(diào)度，提高發(fā)電效益是電力調(diào)度考慮的主要目標(biāo)之一[10,11]。鑒于當(dāng)前廣西出現(xiàn)的多種電源并存的新局面，通過對水電和電網(wǎng)特性分析，開展其與非水電源間的差異互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度研究，成為新的研究方向之一。針對以上問題，以廣西水電為主要研究對象，開展水電和負(fù)荷特性分析，提出在不同的非水電源或電網(wǎng)負(fù)荷變化下，水電站或水電站群在不同運(yùn)行條件下非補(bǔ)償性和補(bǔ)償性的水庫優(yōu)化調(diào)度策略。

1 水電特性分析

1.1 水庫調(diào)節(jié)能力弱

廣西電網(wǎng)直接調(diào)度的32個水電站整體調(diào)節(jié)能力差。32個水電站中除了右江具有年調(diào)節(jié)能力、西津和巖灘具有季調(diào)節(jié)能力外，其他電站的調(diào)節(jié)能力均為日調(diào)節(jié)及以下。在汛期由于巖灘汛限水位的限制和機(jī)組擴(kuò)建后對運(yùn)行水位的要求、西津入庫流量遠(yuǎn)超電站滿發(fā)流量且上游右江調(diào)蓄能力有限，因此在汛期，西津和巖灘的調(diào)節(jié)能力下降到周調(diào)節(jié)及以下。

從32個水電站總的調(diào)節(jié)庫容來看，水電站總的調(diào)節(jié)庫容是59 億m3，僅相當(dāng)于天生橋一級水電站(簡稱天一)調(diào)節(jié)庫容、龍灘電站調(diào)節(jié)庫容的53%。在汛期，32個水電站調(diào)節(jié)庫容累計僅有28 億m3，僅占天一可調(diào)庫容的60%、龍灘可調(diào)庫容的35%。

1.2 低水頭電站占比多

32個水電站中，有28個水電站屬于低水頭水電站，有4個為中水頭水電站，沒有高水頭水電站。

在28個低水頭水電站中，設(shè)計水頭低于20 m的有25個電站。由于大多數(shù)水電站發(fā)電水頭低、庫區(qū)產(chǎn)匯流時間短，所以在汛期低水頭水電站的發(fā)電能力更容易受強(qiáng)降雨影響而劇烈變化。低水頭水電站數(shù)量多導(dǎo)致汛期發(fā)電預(yù)測難度大、準(zhǔn)確預(yù)測編制96點(diǎn)計劃曲線更加復(fù)雜困難。低水頭水電站或水電站群的調(diào)度對水情數(shù)據(jù)的及時性、徑流預(yù)測的準(zhǔn)確性、水庫調(diào)度的實(shí)時性要求更高。

1.3 氣候影響因子復(fù)雜

廣西地處低緯度地區(qū)且北回歸線橫穿中部，冬季受東北季風(fēng)影響，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響。引起廣西大范圍暴雨的天氣系統(tǒng)主要有鋒面、氣旋、切變線、低渦、槽、臺風(fēng)、副熱帶高壓和熱帶輻合帶等。

以上氣候特點(diǎn)使得廣西水電發(fā)電能力在豐枯季節(jié)變化明顯，同時在汛期水電發(fā)電能力受強(qiáng)降雨過程影響劇烈。無調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)能力有限的水電站，其發(fā)電能力受強(qiáng)降雨影響明顯。電網(wǎng)負(fù)荷在夏季易受暴雨、高溫反復(fù)影響而劇烈變化，在冬季受冰凍、寒潮影響而導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷豐谷差拉大。

1.4 流域入汛跨度長

根據(jù)五大流域電站運(yùn)行以來的天然徑流分析，并結(jié)合氣象學(xué)意義上的入汛時間，各流域入汛時間大致如下：桂江流域3至4月入汛，柳江流域4至5月入汛，西江、紅水河、郁江流域5至6月入汛。

從以上各流域入汛時間看出，廣西五大流域，廣西桂江流域從3月開始最先入汛，其次是柳江、西江流域入汛，最后是紅水河、郁江流域入汛，總體呈現(xiàn)自東北向西南依次先后入汛。另外，五大流域入汛時間跨度長，從桂江流域入汛到郁江流域入汛，跨度時間長達(dá)3個月。

1.5 豐枯徑流變化大

盡管不同的氣候條件影響各流域的入汛時間和汛期結(jié)束時間，但各流域汛期的時間跨度基本一致，約6個月。下面分別以紅水河流域的巖灘電站、郁江流域的西津電站、柳江流域的紅花電站、西江流域的長洲電站、桂江流域的金牛坪電站為各流域代表站，根據(jù)各水電站的逐月入庫流量的設(shè)計值，計算各代表站汛期和枯水期的徑流總量以及豐水期徑流總量占比，如圖2所示。

圖2表明，五大流域汛期降雨量占比均在75%以上。各流域水電代表站在豐水期和枯水期的徑流量差別明顯，汛期徑流量占全年徑流量的比例高，且都在80%以上。流域代表站汛期徑流量比例與流域汛期降雨量比例基本成正相關(guān)。

2 水電調(diào)度分析

2.1 發(fā)電預(yù)測難度大

在南方電網(wǎng)區(qū)域，廣西是受各類天氣系統(tǒng)和氣候因子影響最復(fù)雜的一個省區(qū)，廣西氣象預(yù)測準(zhǔn)確率的高低在很大程度上影響水電徑流預(yù)測和發(fā)電預(yù)測。由于廣西電網(wǎng)調(diào)度的水電站調(diào)節(jié)能力差、低水頭電站多、庫區(qū)產(chǎn)匯流時間快、洪水預(yù)見期短，這也增加了發(fā)電預(yù)測和96點(diǎn)計劃曲線編制的難度。

因此，對于日調(diào)節(jié)且屬于低水頭的水電站，對氣象、徑流、發(fā)電預(yù)測的精準(zhǔn)度要求更高。如果水電站的發(fā)電預(yù)測準(zhǔn)確性不高，由于水電站的疊加效應(yīng)，就會造成水電群的實(shí)際出力與預(yù)測出力偏差較大。

2.2 電網(wǎng)電源多樣和負(fù)荷多變

2011年前，廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)電源只有水電和火電構(gòu)成，其中水電比重47%。2011年開始，隨著風(fēng)電、核電、光伏、燃?xì)?、生物質(zhì)等電源的逐步投產(chǎn)運(yùn)行，清潔能源(未含水電)電源裝機(jī)容量大幅增加，2018年底，風(fēng)電裝機(jī)容量是208 萬kW，比2011年增加42倍，年均增長1.8倍；清潔能源(未含水電)裝機(jī)容量是574 萬kW，比2011年增加116倍，年均增長2.2倍。廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)各類電源變化見圖3。

由于風(fēng)電、核電、光伏在日內(nèi)調(diào)度時沒有調(diào)節(jié)能力，風(fēng)速或光照影響下的風(fēng)電、光伏出力偏差，在短時間內(nèi)只能由水電補(bǔ)償調(diào)度[12]。同時，由于廣西電網(wǎng)負(fù)荷尤其是汛期受氣象條件變化影響劇烈，風(fēng)電和光伏的出力也會隨著風(fēng)力或光照變化而變化，電網(wǎng)負(fù)荷或電源出力的偏差值在短時間內(nèi)多數(shù)通過調(diào)整水電補(bǔ)償。

2.3 調(diào)度關(guān)系復(fù)雜

廣西電網(wǎng)依托南方電網(wǎng)西電東送大通道，形成了交直流混合運(yùn)行、超高壓、大容量，水、火、核、風(fēng)、光等多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜大電網(wǎng)。廣西電網(wǎng)水電調(diào)度涉及南方電網(wǎng)3個省區(qū)、四級調(diào)度；南方電網(wǎng)區(qū)域三大水電基地之一的紅水河流域梯級水電站群分屬不同調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)度，在紅水河梯級9個電站中，南方電網(wǎng)直接調(diào)度3個、廣西電網(wǎng)直接調(diào)度6個；同一個水電站的發(fā)電涉及兩個省區(qū)的電力電量平衡，天一、天二、龍灘的電力電量分別按不同比例送桂送粵。此外，云電送粵、云電送桂、桂電送粵、貴電送桂在南方電網(wǎng)西電東送的廣西腹地相互交織。

2.4 綜合用水矛盾突出

年調(diào)節(jié)以上的水電站，一般在汛前完成水庫水位消落以騰空庫容；進(jìn)入汛期，需要統(tǒng)籌發(fā)電與防洪的關(guān)系，在汛限水位以下開展水電調(diào)度；由于大型水庫汛末蓄滿率高低直接影響西江干流在枯水期的通航[13]以及珠江澳門和珠海的供水安全，因此在汛末需要統(tǒng)籌考慮大型水庫的綜合蓄水情況。

日調(diào)節(jié)及以下水電站也要考慮綜合用水需求。在枯水期，發(fā)電調(diào)度需要兼顧右江流域的生態(tài)補(bǔ)水、右江和紅水河流域下游火電站取水，以及電網(wǎng)線路檢修、突發(fā)水環(huán)境應(yīng)急事件等。在汛期，發(fā)電調(diào)度主要考慮防洪、電網(wǎng)潮流、斷面控制等因素。水電調(diào)度需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電與防洪、通航等綜合用水之間的關(guān)系，還要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電與檢修、應(yīng)急等之間的關(guān)系。

3 優(yōu)化調(diào)度策略建議

根據(jù)廣西水電站調(diào)節(jié)能力的不同，結(jié)合水電調(diào)度的特性規(guī)律及其影響因素，分別從水電調(diào)度周期的不同來分析水電優(yōu)化調(diào)度策略[14-16]。水電優(yōu)化調(diào)度策略分為兩種，一是非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度，以水電為主；二是基于補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度，統(tǒng)籌電網(wǎng)和電源負(fù)荷變化，水火核風(fēng)光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

3.1 實(shí)時調(diào)度

實(shí)時調(diào)度是基于96點(diǎn)計劃曲線的基礎(chǔ)上開展的，電網(wǎng)負(fù)荷、各類電源出力的曲線更接近真實(shí)情況，只有在電網(wǎng)預(yù)測負(fù)荷或電源預(yù)測出力出現(xiàn)偏差時才進(jìn)行調(diào)整。

非補(bǔ)償下的水電實(shí)時優(yōu)化調(diào)度，即只有水電實(shí)際與預(yù)測有偏差時，以有調(diào)節(jié)能力水電群補(bǔ)償無調(diào)節(jié)能力水電群，實(shí)現(xiàn)總體供需平衡，水電群電量最大。日調(diào)節(jié)電站實(shí)時調(diào)度應(yīng)用在電站開閘后水電出力受阻快速變化下的單庫實(shí)時調(diào)度，洪水前后且水電站沒有開閘、電網(wǎng)負(fù)荷偏差、梯級發(fā)電流量不匹配、降雨實(shí)況變化等情況下的梯級水庫群實(shí)時調(diào)度。當(dāng)以上梯級電站出力調(diào)整后無法滿足供需平衡時，調(diào)整有調(diào)節(jié)能力的梯級水電群。

下達(dá)的96點(diǎn)計劃曲線中，因基于安全考慮下核電和部分火電機(jī)組的執(zhí)行剛性、風(fēng)電或光伏的不可儲存性，導(dǎo)致其不能補(bǔ)償負(fù)荷或電源出力偏差，此時只能由水電群參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)。由于廣西電網(wǎng)紅水河梯級6個電站的比重達(dá)到60%，因此其他26個水電站多以計劃為主，一般通過調(diào)整紅水河梯級出力補(bǔ)償偏差。對于周調(diào)節(jié)及以上的電站來說，是在電網(wǎng)負(fù)荷變化、斷面控制要求、梯級用水匹配等情況下開展實(shí)時優(yōu)化調(diào)度。

3.2 短期調(diào)度

由于廣西電網(wǎng)的負(fù)荷受短期氣象因素變化較大、風(fēng)電和光伏出力的不確定性較大，所以廣西電網(wǎng)水電優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)是短期調(diào)度，水電群的短期優(yōu)化調(diào)度是在補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷和風(fēng)電光伏偏差的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水電群發(fā)電量最大化。

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電光伏出力變化處于平穩(wěn)期內(nèi)，并且以降雨影響為主時，適合開展以水電為主的非補(bǔ)償下的優(yōu)化調(diào)度。因此，基于降雨實(shí)況或預(yù)報的短期優(yōu)化調(diào)度適用于廣西日調(diào)節(jié)水電站，短期優(yōu)化調(diào)度主要是開展洪前預(yù)泄優(yōu)化調(diào)度。在洪水消退過程中，一是開展攔蓄洪尾，根據(jù)徑流預(yù)報結(jié)果，當(dāng)入庫流量接近機(jī)組滿發(fā)最大引用流量時，提前減少閘門開度、及時利用可調(diào)庫容回蓄至正常水位運(yùn)行；二是基于梯級水電站上下游用水不匹配，利用不開閘泄洪的水電站可調(diào)庫容開展梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度。三是由于不同流域水文條件的差異、降雨時間不同、產(chǎn)匯流時間不同，短期內(nèi)利用不同流域水電群的可調(diào)庫容開展跨流域優(yōu)化調(diào)度。

在電網(wǎng)負(fù)荷或風(fēng)電光伏出力受短期氣溫或風(fēng)力、光照等因素影響，出現(xiàn)大幅變化時，開展基于補(bǔ)償?shù)乃妰?yōu)化調(diào)度，水火核風(fēng)光等電源有不同組合的優(yōu)化調(diào)度模型。一是短期內(nèi)受降溫或升溫、臺風(fēng)或寒潮等影響，電網(wǎng)負(fù)荷變化下的水火核短期優(yōu)化調(diào)度以滿足電網(wǎng)需求，在火電機(jī)組啟?；蛏疃日{(diào)峰、核電機(jī)組調(diào)峰后優(yōu)化水電站梯級出力，有調(diào)節(jié)能力的日調(diào)節(jié)電站的發(fā)電計劃曲線匹配電網(wǎng)負(fù)荷變化曲線，以有周調(diào)節(jié)能力及以上的電站為主開展流域梯級水電群優(yōu)化調(diào)度以匹配電網(wǎng)負(fù)荷變化。二是短期內(nèi)由于風(fēng)力或光照等氣象發(fā)生變化導(dǎo)致風(fēng)電或光伏出力大幅變化，通過水火風(fēng)光優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)新能源的最大化消納。

3.3 中長期調(diào)度

由于廣西電網(wǎng)直接調(diào)度的年調(diào)節(jié)水電站只有右江，對于月度以上的中長期調(diào)度，右江的優(yōu)化調(diào)度主要是滿足生態(tài)、航運(yùn)、供水等，以及右江下游梯級水電站檢修后的發(fā)電用水匹配等約束，在汛前發(fā)電優(yōu)化調(diào)度主要是完成年度消落計劃、汛末科學(xué)蓄水以確?？菟诘碾娏?yīng)和綜合用水，實(shí)現(xiàn)梯級流域發(fā)電量最大。

由于廣西五大流域中紅水河流域和郁江流域總裝機(jī)容量和發(fā)電量占廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電裝機(jī)和發(fā)電量的2/3，同時紅水河流域、郁江流域上游均有年調(diào)節(jié)龍頭電站，兩個流域豐枯不同步且相差一個月左右，這些有利條件為汛期兩個梯級流域的庫容補(bǔ)償、水文補(bǔ)償調(diào)度創(chuàng)造了條件，兩個流域在汛期可更好開展跨流域補(bǔ)償調(diào)度。同時可以借助南方電網(wǎng)大平臺開展跨省區(qū)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

4 結(jié) 論

基于對廣西電網(wǎng)源荷特性的分析，日調(diào)節(jié)電站為主的廣西電網(wǎng)在開展水電調(diào)度時，以實(shí)時調(diào)度和短期調(diào)度為主，分為非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度和補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度。

在只有水情或來水變化時，非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度以水電群為主，日內(nèi)實(shí)時調(diào)度是基于實(shí)際發(fā)電與預(yù)測的96點(diǎn)發(fā)電計劃曲線偏差下的調(diào)整，單庫的短期調(diào)度以預(yù)泄騰庫和攔蓄洪尾為主、水庫群的以梯級優(yōu)化和跨流域補(bǔ)償調(diào)度為主。

在電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電、光伏等任一條件發(fā)生變化時，開展基于水電補(bǔ)償下的水火核風(fēng)光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。日內(nèi)實(shí)時調(diào)度以主力梯級紅水河流域?yàn)橹鏖_展補(bǔ)償調(diào)度。短期調(diào)度是以水電、火電、核電的優(yōu)先順序，補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電或光伏出力變化下的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

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