季调节水电站枯水期调度研究

刘红岭,蔡建章,蔡华祥

(云南电力调度控制中心,昆明 650011)

季调节水电站枯水期调度研究

刘红岭,蔡建章,蔡华祥

(云南电力调度控制中心,昆明 650011)

水库入流的不确定性使得水电站在枯水期调度运行时面临着水量利用与水头控制间的协调矛盾,而季调节及以下调节能力的水电站由于调节能力的限制使得这种矛盾更加突出。本文从综合利用来流能与水库蓄能的角度出发,提出以来流能损失表示水头的损失,以水库蓄能的高效利用为目标确定水电站枯水期最佳调度运行方式。通过来流能损失与一定水库蓄能利用效率下的动用蓄能的比较分析,优化确定枯水期水位控制方案,为实现枯水期水量与水头利用的协调控制提供调度决策依据。

水电站；枯水期；来流能；水库蓄能；调度规律

0 前言

目前,水电站枯水期运行方式的制定有两种基本途径：常规调度图、水库优化调度理论。常规调度图是水库调度规则函数的图形表示,是在缺乏准确信息的情况下,依据历史系列水文资料计算绘制而成。直观、简明的特点使得其在单库调度问题中广泛应用,但对于规模日益庞大的库群补偿调度问题,则不能满足实际生产的要求。

以数学模型进行水库枯水期期优化调度的方法受限于径流预报的准确度。依据对径流描述和处理方式的不同,水库优化调度理论可分为：确定性优化[1-10]与随机优化方法[11-17]。确定性优化假定水库调度期内初末运行水位为已知条件,而实际调度过程是无限持续进行的,固定调度期末边界条件的做法不能满足实际运行要求。随机优化调度方法以随机径流样本结果推导出的规则或以考虑径流概率分布推导出基于期望值的运行策略,在实际应用中不直观,难以实现对调度决策的实际指导。如何考虑水库入流的不确定性,优化水位消落运行方案,以实现水量利用与水头利用的协调控制,是枯水期调度决策面临的实际困难。

在枯水期调度运行期间,从充分提高水量利用程度来看,最好的决策是来水就尽量发电以最大化利用水量；而从提高水头而言,应尽量蓄水以提高水头,保持高水头运行。这两种运行方式存在矛盾,而对于水库调节能力较差的水电站而言,由于库容小、水头消落变化很快,这种矛盾的表现更为突出。尽量多放水的运行方式由于水头的损失,未必能够获得更大的发电收益。

因此,本文以季调节及以下调节能力的水电站为研究对象,从蓄能分析的角度研究其枯水期调度规律,以高效利用水库蓄能为目标,通过合理控制水位消落程度与消落运行时段减少来流能损失,提出兼顾水量利用与水头利用的最优调度运行策略。

1 电站枯水期运行方式分析

1.1 问题的描述

依据水电能源学的观点,水库经电站发出的电能由两部分组成[18]：一部分是来流能,它是由来水经水电站直接发出的电能；另一部分是水库中的动用蓄能,它是由水库中的蓄水下泄而得到的电能。一般而言,很自然的可以得到如下的结论：将来水与水库中的蓄水全部用于发电的所发电能之和应大于将来水维持上游水位不变下的来流能,即：

式中,等式左边的E(Q)表示来水在发电过程中水头不断损失下的来流能,等式右边的E′(Q)表示来水在维持上游水位不变下的来流能。

在实际运行中,对于季调节及以下调节能力的水库而言,若将来水及水库中的蓄水均用以发电,由于自身调节能力较差,水头在发电过程中的消落损失将使得来流能E(Q)比E′(Q)小。因此,需要在动用水库中蓄能ΔE(V)时保证有一定的利用效率λ,即保证有λ·ΔE(V)的发电量：

通过对较差调节能力的季调节及以下调节能力水电站调度规律的深入研究,综合考虑保证发电量与水位消落的优化控制,能够实现以最优的决策方式保证来流能与水库蓄能的高效利用。

1.2 最佳运行方式的运行原理

水电站枯水期最佳运行方式制定的关键在于如何消落水位。枯水期水位消落的一般规律是在前期逐步消落,而在枯水期末、汛期初消落至死水位。依据不同的消落程度,分为下面两种情况讨论：

1)运行时段末的水位消落至正常蓄水位与死水位之间：这种情况下,水位的消落将伴随着来流能的损失和水库蓄能的动用。

来水在维持上游水位不变下的来流能：

式中,K为水电站出力系数,Qλ为天然来水径流,为时段内的由水库蓄水提供的平均下泄流量,H初为时段初水头,Δt为时段间隔长。

来水在水位消落下的来流能：

式中,H 为消落过程上的平均水头。

水位消落过程中损失的来流能：

式中,ΔH为时段内发电的损失水头。

水位消落过程中动用的水库蓄能：

式中,μ为水电站平均发电耗水率。基于上游水位-库容曲线中水位变化与库容变化间的对应关系,可计算相应的水库蓄能的变化,得到上游水位-水库蓄能曲线,如图1所示。

图1 上游水位-水库蓄能曲线

2)运行时段末的水位消落至死水位：这种情况对应于运行时段末为枯水期末汛期初,依据最佳水位消落要求,运行时段末可能不必消落至死水位,但由于汛期的到来运行时段末必须消落至死水位。此种情况下的最佳水位消落方式应该是在前期保持上游水位不变,以高水头运行,而在后期以较短的时间将水位拉至死水位,此时需要确定的是最佳的放水时刻。

这里将运行时段Δt分为2部分：来水维持上游水位不变的时间段 Δt1与拉水运行的时间段Δt2,水头损失定义为ΔH′,则存在以下关系：

来水在消落过程中的来流能损失：

水位消落过程中动用的水库蓄能：

最佳的拉水运行时刻的确定：

2 应用实例

2.1 基本参数

本文以澜沧江流域不完全季调节漫湾和大朝山水电站为例,进行枯水期最佳水位消落运行方式的计算分析。漫湾水电站的装机容量 1 670 MW,死水位982 m,正常高水位994 m,最大引用流量对应的下游水位为901 m,水电站出力系数取为 8.6,平均发电耗水率取为 4.6～4.9。2011年枯水期1月至5月的运行要求是从正常高水位994 m拉水至死水位982 m。大朝山水电站的装机容量1 350 MW,死水位882 m,正常高水位899 m,最大引用流量对应的下游水位为817 m,水电站出力系数取为8.6,平均发电耗水率取为4.995～5.23。2011年枯水期1月至5月的运行要求是从正常高水位899 m拉水至死水位882 m。漫湾与大朝山水电站1月至5月的入库流量如表1所示。

表1 1月至5月漫湾与大朝山水电站入库流量

2.2 枯水期运行方式分析

2.2.1 水位落至死水位临界入库流量确定

此种情况下,水库中的全部库容将用以发电,而水头消落的损失可能使得库容本应发出的电能由于来流能的损失而全部贬值或部分贬值。若式(2)中的水库蓄能利用效率λ为0,意味着水库蓄能全部贬值,而若λ在 [0,1]区间内,则意味着水库蓄能的部分贬值。此时水头损失ΔH、平均水头动用库容ΔV均成为已知量,由式(2)可得到相应的临界入库流量。

表2为对应不同水库蓄能利用效率,水位由正常高水位消落至死水位的临界入库流量。

表2 由正常高水位消落至死水位的水电站临界入库流量

从表2中可看到,在将水库水位由正常高水位消落至死水位的过程中,漫湾水电站的入库流量若大于1 559.19 m3/s,大朝山水电站的入库流量若大于1 320.20 m3/s,则水库蓄能将全部贬值；若漫湾水电站入库流量小于595.80 m3/s,大朝山水电站入库流量小于528.08 m3/s,则水库蓄能能够保证60%的利用效率；若漫湾水电站入库流量小于446.85 m3/s,大朝山水电站入库流量小于396.06 m3/s,则水库蓄能能够保证70%的利用效率。由表2可知,水库库容的全部利用并不一定意味着发电量的增加,入库流量较大时维持高水头运行更有利于发挥水库蓄能的作用。

2.2.2 月内最佳消落水位的确定

对于漫湾与大朝山水电站,月内最佳消落水位的确定可由式 (2)分析得到。对于1月份,漫湾水电站的入库流量为759.4 m3/s,大于相应表1中的临界流量595.8 m3/s；大朝山水电站的入库流量为808.6 m3/s,大于相应表1中的临界流量528.08 m3/s。若将水位消落至死水位,水库蓄能的利用率均将低于60%。因而,水位消落应当控制在一个合理范围内。

由图1的水位消落可查到相应的水库蓄能的变化,进而可分别求得漫湾与大朝山水电站来流能的损失与动用的水库蓄能,分别如表3与表4所示。

表3 1月漫湾水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表4 1月大朝山水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

从表3与表4中可看到,随着消落程度的加大,在动用更多水库蓄能获得更大可发电量的同时,来流能的损失在增加,蓄能利用效率在降低。在电网供电形势紧张时,可牺牲一定的蓄能利用效率,以获得最大的实际可发电能；而在电量需求不足时,则可以高效利用蓄能的同时满足电量平衡。在此选择将漫湾水电站水位消落1 m的运行方案,月末拉水至993 m；选择将大朝山水电站水位消落1 m的运行方案,月末拉水至993 m。

同理,可分别计算2月份至4月份漫湾与大朝山水电站不同消落程度下的来流能和水库蓄能的利用情况,并依据电量平衡需求,确定各月的水位消落方案。表5至表10分别为漫湾与大朝山水电站2月份至4月份拉水运行过程中的来流能与水库蓄能的利用情况。

表5 2月漫湾水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表6 2月大朝山水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表7 3月漫湾水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表8 3月大朝山水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表9 4月漫湾水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

表10 4月大朝山水电站水位消落过程中来流能损失与动用的水库蓄能

从表5至表10中可看到,2月份至4月份拉水过程中来流能损失、动用的水库蓄能、实际可发电能及蓄能利用效率的变化规律与1月份是一致的,合理的运行方式应当是在满足电网电量需求的前提下,尽量维持高水位运行。

需要说明的是,在水位消落方案的计算中耗水率随运行水头的变化而取相应的变化值。

2.2.3 月内水位必须消落至死水位时最佳拉水运行时段的确定

此种情况对应于5月份,虽然由月内放水规律,应维持上游高水位运行,但由于水库汛期运行的要求,枯水期末5月末水位必须消落至死水位。为了尽量减少来流能的损失,应当在前期维持上游水位不变,而在后期以拉水方式运行,以获得水量与水头的最佳利用。表11为针对不同的水库蓄能利用效率,由式 (10)可确定相应的最佳拉水运行时段。

表11 不同水库蓄能利用效率对应的最佳拉水运行时段

从表11中可看到,对于不同的水库蓄能利用效率0.6、0.65、0.7,漫湾水电站最佳拉水运行时段分别为15.68天、13.72天、11.76天,大朝山水电站最佳拉水运行时段分别为 12.82天、11.22天、9.61天。

3 结束语

本文综合考虑来流能与水库蓄能的利用,提出以水库蓄能高效利用为目标的水电站枯水期调度运行策略,以协调水量利用与水头利用间的矛盾。通过对枯水期水位消落过程中来流能损失与水库动用蓄能的比较分析,确定水位消落深度及消落运行时段,为基于蓄能分析的枯水期调度规律在水电站运行决策中的应用提供参考。

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Research on Optimal Hydropower Scheduling Principle of Quarterly and below Regulating Hydropower Station during Dry Water Period

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

During dry water period,contradiction between the utilization of water quality and control of water level is concerned for the uncertainty of reservoir inflow,which is more significant for the limited regulation ability of quarterly and below regulating hydropower stations.In this paper,to utilize inflow energy and storage energy comprehensively,the loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,loss of water level is represented with the loss of inflow energy and the objective of high efficient utilization is constructed,and a new optimal operation mode of hydropower station during dry water period is proposed.Through the comparison between loss of inflow energy and utilization of storage energy,optimal water level reduction plan is determined,and can provide decision reference for the coordination control on the utilization of water quality and water level.

hydropower station；dry water period；inflow energy；storage energy；discharging principle

TM73

B

1006-7345(2015)01-0102-04

国家863高技术基金项目 (2012AA050205)；国家自然科学基金项目 (51109080)；中国南方电网科技项目 (K-YN2012-482)；中国南方电网科技项目 (KYN2014-033)。

2014-10-24

刘红岭 (1981),男,工程师,云南电力调度控制中心,从事电力系统安全经济调度、水电能源调度运行等方面的研究工作(e-mail)lb3799＠163.com。