楊丹陽(yáng),黃亞濱,鄔述飛

(恩施州水文水資源勘測(cè)局,湖北 恩施 445000)

0 引 言

水庫(kù)及水電站的優(yōu)化調(diào)度方案可提高其發(fā)電效率,實(shí)現(xiàn)水能的高效利用,有利于能源的可持續(xù)發(fā)展。為此,許多學(xué)者針對(duì)水庫(kù)及水電站的優(yōu)化調(diào)度方案開(kāi)展了相關(guān)研究。趙睿等[1]基于遺傳算法,對(duì)某水電站的調(diào)度方案進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,該方法的時(shí)效性及可行性較高,適用于實(shí)際工程中。徐茂林等[2]以某水電站為研究對(duì)象,采用半方差風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量模型,對(duì)其發(fā)電方案進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,優(yōu)化方案可顯著提高水電站的發(fā)電效率。梁藝?yán)_等[3]基于適應(yīng)度函數(shù),對(duì)某水電站的調(diào)度方案進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,與常規(guī)方案相比,優(yōu)化調(diào)度方案可顯著提高其發(fā)電效率。蔣燕等[4]以小水電站為研究對(duì)象,采用多要素梯級(jí)調(diào)度圖,分析了影響水電站發(fā)電效率的因素。結(jié)果表明,流量會(huì)影響水電站的發(fā)電量。胡秀成等[5]提出了水電站優(yōu)化調(diào)度方案,并將該方案應(yīng)用于實(shí)際工程中。結(jié)果表明,該方案的優(yōu)化成效明顯,在保證發(fā)電效率的同時(shí),還有利于安全防洪。

本文以某地區(qū)水庫(kù)為研究對(duì)象,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法,建立水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,并分析各年份發(fā)電量的差異性。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)水庫(kù)為研究對(duì)象,該水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、供水等綜合利用的大(II)型水利水電樞紐工程。水庫(kù)規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)、5 000年一遇洪水校核,設(shè)計(jì)洪水位680.0m,校核洪水位681.75m,汛后正常高水位679.5m,死水位666m,相應(yīng)總庫(kù)容4.91×108m3,調(diào)洪庫(kù)容1.56×108m3,興利庫(kù)容2.71×108m3。水庫(kù)平均每年洪峰超過(guò)500m3/s的洪水近4次,全流域多年平均入庫(kù)流量49.6m3/s,多年平均徑流量15.64×108m3;最大年降雨量2 613.3mm,最大日降雨量265.2mm,年最小降雨量896.5mm;年最大來(lái)水量214 487×104m3,年最小來(lái)水量42 392×104m3,最大入庫(kù)流量12 254m3/s。

2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

水庫(kù)的調(diào)度優(yōu)化受到許多因素的影響,需從全局的角度出發(fā),對(duì)水庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到提升整體利益的目的。本研究采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法,建立水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。以發(fā)電量(E)為水庫(kù)調(diào)度的目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:Vt為庫(kù)容,m3;Qt為來(lái)流量,m3/s;qt為泄流量,m3/s;N為電站出力,kW;t為時(shí)段時(shí)長(zhǎng)。

為了得出以上目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解,需采用遞推方程對(duì)其結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。水庫(kù)的遞推方程如下:

Ek+1(Vk+1)={fk(Vk,Qk,qk)+Ek(Vk)}

(2)

在目標(biāo)函數(shù)中,應(yīng)滿足以下約束條件:水庫(kù)水位應(yīng)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(yīng)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(yīng)在最大允許下泄洪量與最小允許下泄洪量之間。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型對(duì)水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,得出該水庫(kù)每月的上下基本調(diào)度線,見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)基本調(diào)度線

以發(fā)電量為水庫(kù)調(diào)度目標(biāo),分析水庫(kù)豐水年、平水年、枯水年的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。豐水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,豐水年的水庫(kù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后,其年發(fā)電量為1 997×104kW·h。其中,發(fā)電量較大的月份主要集中于5和6-10月份,電站發(fā)電流量均大于10m3/s;2、3月份的發(fā)電量最小,電站發(fā)電流量?jī)H為1.7m3/s。

表2 豐水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

平水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,平水年的年發(fā)電量為1 679萬(wàn)×04kW·h。其中,電站發(fā)電流量較大的月份集中于6和9-11月份,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10 m3/s的時(shí)間小于豐水年;當(dāng)時(shí)間為3月份時(shí),該水庫(kù)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(jì)算結(jié)果

枯水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,枯水年的年發(fā)電量遠(yuǎn)小于豐水年和平水年,其值僅為780×104kW·h。當(dāng)時(shí)間為7月份時(shí),電站發(fā)電流量最大,為20.00m3/s;當(dāng)時(shí)間為1月份時(shí),電站發(fā)電流量最小,為1.24m3/s。綜合以上分析可知,水庫(kù)的天然流量與當(dāng)年的水文及氣候?qū)λ畮?kù)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。

表4 枯水年的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

為了分析采用優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果,以豐水年為研究對(duì)象,將其調(diào)度結(jié)果與常規(guī)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,常規(guī)調(diào)度結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,采用優(yōu)化調(diào)度方案的年發(fā)電量大于常規(guī)調(diào)度方案的年發(fā)電量,二者間的年發(fā)電量差值為288×104kW·h,表明采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調(diào)度效果顯著。對(duì)比優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的出力情況可知,部分常規(guī)調(diào)度方案的出力量大于優(yōu)化調(diào)度方案的出力量,當(dāng)時(shí)間為8月份時(shí),常規(guī)調(diào)度方案的出力有最大值,為3 906.1kW,此時(shí)優(yōu)化調(diào)度方案也存在出力最大值,為4 620kW。但其發(fā)電量與年均出力量小于優(yōu)化調(diào)度方案,表明優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的提升效果顯著。其中,優(yōu)化調(diào)度方案4-10月份的出力大于常規(guī)調(diào)度方案,表明優(yōu)化調(diào)度方案在4-10月份對(duì)水庫(kù)發(fā)電效果提升較為顯著,在1-3及11-12月份對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的優(yōu)化提升效果較不明顯。

表5 常規(guī)調(diào)度結(jié)果

為了進(jìn)一步分析優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果,分別對(duì)比豐水年、平水年、枯水年的年均發(fā)電量及月均發(fā)電量,其發(fā)電量對(duì)照表見(jiàn)表6。由表6可知,采用優(yōu)化調(diào)度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1 486×104kW·h,采用常規(guī)調(diào)度方案得出的各年份年均發(fā)電量為1 312×104kW·h,表明采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的優(yōu)化調(diào)度效果顯著。其中,優(yōu)化調(diào)度方案在豐水年對(duì)發(fā)電量的提升效果較為明顯,常規(guī)調(diào)度方案與優(yōu)化調(diào)度方案間的年均發(fā)電量差值為288×104kW·h;優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)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209×104kW·h;優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)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23×104kW·h。研究表明,在豐水年,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型得出的優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)施效果較好;而在枯水年,采用優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)發(fā)電量的提升效果較不明顯。

表6 發(fā)電量對(duì)照表

減少水頭損失可提高水庫(kù)的發(fā)電效率,為了進(jìn)一步優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度方案,分析影響水頭損失的因素,其流量-水頭損失曲線見(jiàn)圖1。由圖1可知,水頭損失與流量間呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)流量小于8m3/s時(shí),隨著流量的增大,發(fā)電的水頭損失增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著;當(dāng)流量大于8m3/s時(shí),流量-水頭損失曲線變化趨勢(shì)較為平緩。水庫(kù)的流量主要與其尾水位有關(guān),當(dāng)流量較大時(shí),水頭損失增長(zhǎng)量較小。為了提高發(fā)電效率,可提高尾水位高度,以達(dá)到增大流量及發(fā)電量同時(shí)控制水頭損失的目的。

圖1 流量-水頭損失曲線

4 結(jié) 論

本文以某地區(qū)水庫(kù)為研究對(duì)象,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法,建立了水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,并對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,分析各年份發(fā)電量的差異性。結(jié)論如下:

1)豐水年的水庫(kù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后,年發(fā)電量為1 997×104kW·h,其中發(fā)電量較大的月份主要集中5和6-10月份,電站發(fā)電流量均大于10m3/s;2、3月份發(fā)電量最小,電站發(fā)電流量?jī)H為1.7m3/s。水庫(kù)的天然流量與當(dāng)年的水文及氣候?qū)λ畮?kù)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。

2)對(duì)比優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案的出力情況可知,部分常規(guī)調(diào)度方案的出力量大于優(yōu)化調(diào)度方案的出力量。當(dāng)時(shí)間為8月份時(shí),常規(guī)調(diào)度方案的出力有最大值,為3 906.1kW;此時(shí)優(yōu)化調(diào)度方案也存在出力最大值,為4 620kW。但其發(fā)電量與年均出力量小于優(yōu)化調(diào)度方案,表明優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的提升效果顯著。其中,優(yōu)化調(diào)度方案4-10月份的出力大于常規(guī)調(diào)度方案,表明優(yōu)化調(diào)度方案在4-10月份對(duì)水庫(kù)發(fā)電效果提升較為顯著,在1-3月份及11-12月份對(duì)水庫(kù)發(fā)電量的優(yōu)化提升效果較不明顯。