如先古力·阿吾提

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車 844700)

水庫優(yōu)化調度方案可提高其發(fā)電效率，實現水能的高效利用，有利于能源的可持續(xù)發(fā)展。本次以新疆阿爾塔什水庫為研究對象，采用動態(tài)規(guī)劃法，建立水庫優(yōu)化調度動態(tài)規(guī)劃模型，對水庫調度進行優(yōu)化，分析各年份發(fā)電量的差異性。

1 工程概況

新疆阿爾塔什水庫壩址以上控制流域面積4.64萬km2，多年平均年徑流量64.17億m3，多年平均流量203.36m3/s。阿爾塔什水庫正常蓄水位1820.00m，相應庫容21.29億m3；水庫總庫容22.49億m3，裝機容量755MW(其中生態(tài)電站裝機容量55MW，發(fā)電量4.08億kW·h)，多年平均年發(fā)電量21.86億kW·h。新疆阿爾塔什水庫是一座以防洪、灌溉為主，結合發(fā)電、供水等綜合利用的大(2)型水利水電樞紐工程。

2 動態(tài)規(guī)劃模型

水庫的調度優(yōu)化受到許多因素的影響，需從全局的角度出發(fā)，對水庫系統(tǒng)進行優(yōu)化，以達到提升整體利益的目的。本研究采用動態(tài)規(guī)劃法，建立水庫優(yōu)化調度動態(tài)規(guī)劃模型，對水庫調度進行優(yōu)化；以發(fā)電量(E)為水庫調度的目標，其目標函數如下：

(1)

式中：Vt——庫容，m3；

Qt——來流量，m3/s；

qt——泄流量，m3/s；

N——電站出力，kW；

t——時段時長。

為得出以上目標函數的最優(yōu)解，需采用遞推方程對其結果進行優(yōu)化，水庫的遞推方程如下：

Ek+1(Vk+1)={fk(Vk，Qk，qk)+Ek(Vk)}

(2)

在以上目標函數中，應滿足以下約束條件：水庫的水位應在其最低限值水位與防洪限值水位之間，水電站的出力限值應在其最小出力限制與最大出力限制之間，水電站的泄洪量應在最大允許下泄洪量與最小允許下泄洪量之間。

3 結果分析

根據上述動態(tài)規(guī)劃模型對水庫進行優(yōu)化計算，得出該水庫每月的上、下基本調度線(見表1)。

表1 水庫基本調度線

以發(fā)電量為水庫調度的目標，分別分析水庫豐水年、平水年、枯水年的優(yōu)化調度結果。豐水年的水庫經過優(yōu)化調度后，其年發(fā)電量可達到1997萬kW·h(見表2)，其中，其發(fā)電量較大的月份主要集中于5月、6—10月，其電站發(fā)電流量均大于10m3/s；2月、3月的發(fā)電量最小，其電站發(fā)電流量僅為1.7m3/s。

表2 豐水年的優(yōu)化計算結果

由平水年的優(yōu)化計算結果(見表3)可知，平水年的年發(fā)電量可達到1679萬kW·h，其中，電站發(fā)電流量較大的月份集中于6月、9—11月，相較于豐水年而言，平水年的電站發(fā)電流量較小，其最大值為18.34m3/s，且電站發(fā)電流量大于10m3/s的時間小于豐水年；當時間為3月時，該水庫的平水年電站發(fā)電流量較小，其值為2.2m3/s。

表3 平水年的優(yōu)化計算結果

由枯水年的優(yōu)化計算結果(見表4)可知，枯水年的年發(fā)電量遠小于豐水年和平水年，其值僅為780萬kW·h。當時間為7月時，電站發(fā)電流量最大，其值為20.00m3/s；當時間為1月時，電站發(fā)電流量最小，其值為1.24m3/s。

表4 枯水年的優(yōu)化計算結果

綜合以上分析可得，水庫的天然流量與當年的水文及氣候對水庫水電站的影響較大，其中，豐水年的發(fā)電量較大，平水年的發(fā)電量次之，枯水年的發(fā)電量最小。

為分析采用優(yōu)化調度方案的實施效果，以豐水年為研究對象，將其調度結果與常規(guī)調度結果進行對比，由常規(guī)調度結果(見表5)可知，采用優(yōu)化調度方案的年發(fā)電量大于常規(guī)調度方案的年發(fā)電量，二者間的年發(fā)電量差值為288kW·h，說明采用動態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調度效果顯著。對比優(yōu)化調度方案與常規(guī)調度方案的出力情況可得，部分常規(guī)調度方案的出力量大于優(yōu)化調度方案的出力量，當時間為8月時，常規(guī)調度方案的出力有最大值，其值為3906.1kW，此時，優(yōu)化調度方案也存在出力最大值，其值為4620kW；但是其發(fā)電量與年均出力量均小于優(yōu)化調度方案，說明優(yōu)化調度方案對水庫發(fā)電量的提升效果顯著，其中，優(yōu)化調度方案4—10月的出力大于常規(guī)調度方案，說明優(yōu)化調度方案在4—10月對水庫發(fā)電量提升較為顯著，在1—3月計11—12月，對水庫發(fā)電量的提升效果較不明顯。

表5 常規(guī)調度結果

為進一步分析優(yōu)化調度方案的實施效果，分別對比豐水年、平水年、枯水年的年均發(fā)電量及月均發(fā)電量(見表6)，采用優(yōu)化調度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1486萬kW·h，采用常規(guī)調度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1312萬kW·h，說明采用動態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調度效果顯著；其中，優(yōu)化調度方案在豐水年對發(fā)電量的提升效果較為明顯，常規(guī)調度方案與優(yōu)化調度方案間的年均發(fā)電量差值為288萬kW·h，優(yōu)化調度方案對平水年的發(fā)電量提升效果次之，兩種方案間的年均發(fā)電量差值為209萬kW·h，優(yōu)化調度方案對枯水年的發(fā)電量提升較不顯著，二者間的年均發(fā)電量差值僅為23萬kW·h；說明在豐水年，采用動態(tài)規(guī)劃模型得出的優(yōu)化調度方案的實施效果較好，而在枯水年，采用優(yōu)化調度方案對發(fā)電量的提升效果較不明顯。

表6 發(fā)電量對照

減少水頭損失可提高水庫的發(fā)電效率，為進一步優(yōu)化水庫的調度方案，分析影響水頭損失的因素(見圖1)。由圖可知，水頭損失與流量間成正相關關系，當流量小于8m3/s時，隨流量的增大，發(fā)電的水頭損失增長趨勢顯著，當流量大于8m3/s時，流量-水頭損失曲線變化趨勢較為平緩；水庫的流量主要與其尾水位有關，當流量較大時，水頭損失增長量較小，為提高發(fā)電效率，可提高尾水位高度，以達到增大流量及發(fā)電量，同時控制水頭損失的目的。

圖1 流量-水頭損失曲線

4 結 論

本研究以新疆阿爾塔什水庫為研究對象，采用動態(tài)規(guī)劃法，建立水庫優(yōu)化調度動態(tài)規(guī)劃模型，對水庫調度進行優(yōu)化，分析各年份發(fā)電量的差異性，得出以下結論：豐水年的水庫經過優(yōu)化調度后，其年發(fā)電量可達到1997萬kW·h，其中，其發(fā)電量較大的月份主要集中于5月、6—10月，其電站發(fā)電流量均大于10m3/s；2月、3月的發(fā)電量最小，其電站發(fā)電流量僅為1.7m3/s。水庫的天然流量與當年的水文及氣候對水庫水電站的影響較大，其中，豐水年的發(fā)電量較大，平水年的發(fā)電量次之，枯水年的發(fā)電量最小。

對比優(yōu)化調度方案與常規(guī)調度方案的出力情況可得，部分常規(guī)調度方案的出力量大于優(yōu)化調度方案的出力量，當時間為8月時，常規(guī)調度方案的出力有最大值，其值為3906.1kW，此時，優(yōu)化調度方案也存在出力最大值，其值為4620kW；但是其發(fā)電量與年均出力量小于優(yōu)化調度方案，說明優(yōu)化調度方案對水庫發(fā)電量的提升效果顯著，其中，優(yōu)化調度方案4—10月的出力大于常規(guī)調度方案，說明優(yōu)化調度方案在4—10月對水庫發(fā)電效果提升較為顯著，在1—3月計11—12月，對水庫發(fā)電量的優(yōu)化提升效果較不明顯。