汉江流域梯级水电站联合调峰运行方式研究

张 睿，张利升，王学敏，杨海从

(1.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010；2.汉江水利水电(集团)有限责任公司，湖北武汉430048)



汉江流域梯级水电站联合调峰运行方式研究

张 睿1，张利升1，王学敏1，杨海从2

(1.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010；2.汉江水利水电(集团)有限责任公司，湖北武汉430048)

为探索汉江流域梯级水电站联合调峰运行方式，在充分分析受电电网负荷特性的基础上，拟定了潘口、小漩梯级水电站联合调峰模式，从堵河流域规划和电站运行2个方面拟定联合调峰运行方案。对梯级水电站联合调峰方案进行求解，提出了基于厂内经济运行的潘口、小漩梯级水电站联合调峰能力和调峰运行方式。分析结果表明，依据电力系统负荷需求合理控制梯级水电站调峰幅度，能够有效提高水资源利用率和电站运行水平，实现电调与水调的双赢。

梯级水电站；联合调度；调峰运行；汉江流域

0 引 言

充足的调峰能力是保证电网安全、稳定运行的重要条件[1]。堵河是汉江中上游南岸一级支流，在丹江口水利枢纽坝址上游约127.2 km处汇入汉江，是汉江第三大支流。根据《湖北堵河河流规划报告》[2]，堵河流域中下游开发方案为“潘口(355 m)+小漩(264 m)+黄龙滩(247 m)”方案。目前，3个梯级水电站均已建成投产，并产生了巨大的社会经济效益。

潘口水电站位于湖北省竹山县境内，下距黄龙滩水电站约107.7 km，是堵河干流开发的控制性工程，在系统中主要承担调峰、调频和事故备用。小漩水电站位于潘口水电站下游约10 km，为径流式电站，以发电为主，兼顾改善库区航运，并对潘口水电站进行反调节，有效提高了潘口水电站的调峰作用。潘口、小漩梯级水电站总发电装机达550 MW。2个电站工程特性见表1。

针对梯级水电站联合调峰调度问题，已有的研究多集中在长江[3]、黄河[4]、清江[5]等流域梯级水电站中，汉江流域干支流梯级水电站联合调峰研究鲜有报道。随着汉江堵河流域潘口、小漩梯级水电站的投入运行，统一的开发运营主体使潘口、小漩梯级联合调峰运行成为可能。潘口水电站规模较大，需要承担更多的电网调度调峰任务，其运行方式对十堰乃至湖北区域电力系统影响较大。工程转入正常运行后，梯级防洪与兴利、调峰与水资源高效利用之间的矛盾愈发突出。科学、合理、经济地进行水库调度，可充分发挥潘口、小漩梯级水电站的综合利用效益。因此，开展对潘口、小漩水电站联合调峰运行方式的研究工作十分必要。

表1 潘口、小漩水电站工程特性

水电站控制流域面积/km2正常蓄水位/m汛限水位/m死水位/m总库容/亿m3装机容量/MW机组台数/台多年平均发电量/亿kW·h调节性能潘口8950355347.633023.4500210.5年调节小漩9040264264261.30.45031.5日调节

本文以潘口、小漩梯级水电站为研究对象，分析受电电网负荷特性，提出梯级水电站联合调峰模式。从堵河流域规划和电站实际运行2个方面拟定联合调峰运行方案，通过联合调峰方案模拟计算，分析梯级水电站联合调峰能力和效益规律，为潘口、小漩梯级水电站的联合运行提供借鉴。

1 梯级水电站联合调峰模式

1.1 湖北电网负荷特性

湖北电网地理位置特殊，是三峡外送的起点、西电东送的通道、南北互供的枢纽、全国联网的中心[6]。截至2014年年底，湖北省全口径装机容量为58 961.1 MW，网内统调总装机容量为54 772.3 MW。其中，水电32 646 MW。2014年，湖北统调电厂完成发电量1 168.51亿kW·h。其中，统调水电厂完成发电量307.21亿kW·h[7]。

湖北电网日负荷特性参数在季节分布上的特点是夏季大、冬季小；日负荷曲线形状的特点是早晚双高峰，一般情况下晚高峰为日最大负荷，夏季日最大负荷从晚高峰向午高峰转移的趋势明显。预计未来日负荷曲线的这些特点将继续保持。根据湖北电网2014年实测负荷及《湖北电网“十二五”发展规划》[8]，湖北电网最大负荷日典型负荷见图1。其日负荷呈现以下特性：

(1)不同时期负荷曲线形状基本呈现双峰形状。

(2)电网的晚高峰比早高峰略高，早高峰持续时间稍长，图形上略显圆润。

(3)早高峰出现时间大约在11∶30左右，晚高峰出现时间大约在21∶00～22∶00之间，且持续时间较短。

图1 湖北电网最大负荷日典型负荷

1.2 调峰模式

潘口水电站为湖北电网统调水电厂，通过1回500 kV线路接入500 kV十堰变电站，电力通过十堰与襄阳的输电通道将电力输送至湖北电网。根据潘口水电站电网接入方式，潘口水电站电能主要在湖北电网进行电能消纳。根据湖北电网日典型负荷特性，对不同出力段运行时间稍作调整，即8∶00～12∶00为早峰时段；18∶00～22∶00为晚峰时段；负荷低谷出现在23∶00～次日7∶00；其他时段为腰荷时段(平段)，峰谷腰负荷时间各占1/3。以下称这种调峰模式为“湖北调峰模式”。

2 梯级水电站联合调峰方案

综合分析潘口、小漩梯级水电站实际运行需求，拟定其联合调峰运行原则，提出基于厂内经济运行的潘口、小漩梯级水电站联合调峰运行方案。

2.1 调峰原则

2.1.1 满足下游用水要求

根据堵河流域规划，潘口水电站下游用水要求分为生产、生活用水和生态用水。生产、生活用水部门主要是下游竹山县城，折算成取水流量分别为0.19 m3/s和0.3 m3/s。潘口水电站坝址下游只需考虑该河段内生态最小需水量要求，计算求得坝址下游应维持的生态用水流量为16.4 m3/s。综合上述因素，潘口水电站下游生产、生活及河道环境生态用水流量为16.7 m3/s。因此，潘口、小漩梯级水电站联合调峰运行时小漩下泄流量不应低于16.7 m3/s。

2.1.2 电站安全、经济运行

需要考虑机组特性对调峰的影响。水轮发电机组存在不稳定运行区，在运行中应尽量避开，增减负荷过程中应尽快越过不稳定区，以保证安全运行。同时，为提高梯级水电站的调峰运行经济性，实现负荷任务下达后快速制定电厂调峰运行方案，本文以发电耗水量最小为目标，建立厂内经济运行模型，通过动态规划法对模型进行求解，预先计算出所有机组开机情形下最优负荷分配表，即最优动力特性表，以此计算任意机组组合情形下的最优负荷分配。

2.1.3 避免弃水调峰

一般情况下，电站不进行弃水调峰。本文研究的目的就是在满足生态用水要求的前提下，确定潘口水电站合理的调峰幅度以及小漩水电站反调节运行方式，充分发挥潘口水电站巨大的经济效益。同时，当潘口水电站调峰运行时，原则上不应导致反调节方式运行的小漩水电站弃水。

表2 湖北调峰模式下潘口水电站调峰幅度

水库水位/m不同发电流量(m3/s)下的建议调峰幅度/万kW不同发电流量(m3/s)下的最大调峰幅度/万kW1002003004005006001002003004005006003307.6022.8036.0035.850.000.007.6022.8036.0035.8527.0514.633358.6024.6039.4239.340.000.008.6024.6039.4239.3425.1212.103409.6026.6042.8032.200.000.009.6026.6042.8041.6124.659.8734510.4028.6045.8034.000.000.0010.4028.6045.8042.9025.148.6335011.4030.2048.6036.600.000.0011.4030.2048.6041.3322.735.6035512.2032.0050.9137.770.000.0012.2032.0050.9137.7718.130.00

2.2 联合调峰方案拟定

鉴于以上认识，本次梯级水电站联合调峰运行研究将调峰方案拟定如下：在保障梯级下游用水安全的前提下，当发电流量较小时，潘口水电站尽其可能承担调峰任务；发电流量较大时，应避免调峰造成弃水，适当承担调峰任务；当发电流量适中时，应慎重选择调峰方案，避免采用激进调峰方案，并兼顾方案间的过渡和衔接。同时，小漩水电站反调节运行方式以简单可靠、易于操作、对供水影响相对确定为主要原则，维持与潘口水电站同步运行。基于厂内经济运行的潘口、小漩梯级水电站联合调峰运行方案计算流程见图2。

图2 梯级水电站联合调峰运行方案计算流程

3 调峰方案结果及分析

要使小漩水电站反调节运行均匀下泄且尽量避免弃水，就必须对潘口水电站的调峰幅度进行限制，由此可以拟定潘口水电站日调节发电流量过程。由于本次研究为不弃水调峰，潘口水电站发电流量上限取机组满发流量680 m3/s。一般情况下，小漩水电站最小下泄流量按不小于16.7 m3/s控制。考虑到未来趋势和一定安全裕度，以20 m3/s作为潘口水电站最小发电流量。调峰计算中，入库径流采用潘口水电站多年平均入库流量；为尽可能提高潘口水电站调峰幅度，小漩水电站从死水位开始起调。

根据上述调峰方案和计算条件，分别计算潘口、小漩梯级水电站在湖北调峰模式下的建议调峰幅度和最大调峰幅度。潘口水电站不同水位及发电引用流量对应的不弃水调峰幅度见表2。

3.1 潘口水电站

各调峰方案计算成果表明，潘口水电站调峰幅度主要受到小漩水电站弃水和潘口水电站机组稳定运行2个方面制约：

(1)日均发电流量大于500 m3/s调峰运行时，下泄水量超过小漩水电站调节能力，将造成小漩水电站弃水。因此，当发电引用流量大于500 m3/s时，建议潘口水电站不参与调峰运行。

(2)日均发电流量在300～500 m3/s调峰运行时，应控制潘口水电站调峰幅度在建议调峰范围内；当潘口水电站调峰幅度大于建议调峰幅度时，将超出小漩水电站库容调节能力，造成弃水。

(3)日均发电流量在70～300 m3/s调峰运行时，小漩水电站可完全实现对潘口水电站的反调节运行。此时，潘口水电站可在满足机组稳定运行要求的条件下，充分参与电网调峰运行。

(5)日均发电流量小于70 m3/s调峰运行时，机组将会长期处于禁止运行区，可能出现机组振动加剧的情况。因此，当发电引用流量小于70 m3/s时，不应参与调峰运行。在增减负荷过程中，应尽快越过不稳定区，以保证机组安全运行。

3.2 小漩水电站

在潘口水电站调峰运行过程中，小漩水电站可采取的运行方式有同步调峰、不调峰和适度调峰3种。同步调峰为前述潘口水电站调峰方案中小漩水电站相应采用的运行方式，即小漩水电站日均发电流量与潘口水电站同步，即发电流量同时增减。由于小漩水电站仅有日调节能力，对潘口水电站进行反调节，因此在潘口水电站进行调峰运行时，维持小漩水电站下泄流量始终与潘口水电站下泄流量基本相等的反调节运行方式简单可靠、易于操作，同时也能充分发挥潘口水电站的调峰能力。因此，本次研究推荐小漩水电站同步调峰的运行方式。

4 结 语

本文通过对汉江堵河流域潘口、小漩梯级水电站联合调峰运行的受电端和发电端进行分析，提出了梯级水电站联合调峰运行模式和控制方式。结果表明，潘口水电站调峰幅度主要受到小漩水电站弃水和潘口水电站机组稳定运行2个方面制约；当潘口水电站日均发电流量较大时，建议梯级水电站不参与调峰运行；当潘口水电站日均发电流量小于小漩水电站满发流量时，应控制潘口水电站调峰幅度在建议调峰范围内，避免小漩水电站弃水；当潘口水电站日均发电流量较小时，此时潘口水电站可在满足机组稳定运行要求的条件下，充分参与电网调峰运行，并避免机组处于禁止运行区，保证机组安全运行。

[1]唐新华， 周建军. 梯级水电群联合调峰调能研究[J]. 水力发电学报， 2013， 32(4)： 260- 266．

[2]水利电力部中南勘测设计院. 湖北堵河河流规划报告[R]. 长沙： 水利电力部中南勘测设计院， 1983．

[3]李学贵， 张继顺， 刘志武. 三峡电站初期运行期调峰能力分析[J]. 水电自动化与大坝监测， 2007， 31(1)： 9- 12．

[4]白涛， 畅建霞， 方建熙， 等. 小浪底、西霞院梯级水电站短期调峰调度研究[J]. 水力发电学报， 2012， 31(4)： 83- 88．

[5]温岩. 清江流域水电站在湖北电网中的调峰调频作用[J]. 水力发电， 2005， 31(1)： 5- 7．

[6]余保东， 熊伟， 孙建波， 等. 湖北电网线路检修在线分析系统的开发和应用[J]. 电网技术， 2002， 26(7)： 74- 76， 80．

[7]国网湖北省电力公司. 湖北电网2015年度运行方式[R]. 武汉： 国网湖北省电力公司， 2015．

[8]国网湖北省电力公司. 湖北电网“十二五”发展规划[R]. 武汉： 国网湖北省电力公司， 2010．

(责任编辑 杨 健)

Peak-load Regulations of Cascaded Hydropower Stations Based on Economic Operation in Hanjiang River Basin

ZHANG Rui1, ZHANG Lisheng1, WANG Xuemin1, YANG Haicong2

(1. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, Hubei, China;2. Hanjiang Water Conservancy and Hydropower (Group) Co., Ltd., Wuhan 430048, Hubei, China)

In order to explore peak-load regulation of cascaded hydropower stations in Hanjiang River Basin, the peak-load regulation mode of Pankou and Xiaoxuan cascade hydropower stations is developed based on the full analyses of load characteristics of electric power grid, and the peak-load operation scheme is also proposed. The peak-load operation scheme of two cascade hydropower stations is solved and the peaking capacity and peak-load operation modes of Pankou and Xiaoxuan hydropower stations are presented respectively based on the principles of plant economic operation. The analysis results show that, if the peak regulation margin is limited in a reasonable arrange according to power system load demand, the water resources utilization rate and the operation level of power stations can be effectively improved and achieve a win-win between power dispatching and water resources dispatching．

cascade hydropower station; combined dispatching; peak-load regulation; Hanjiang River Basin

2016- 01- 03

湖北省自然科学基金面上项目(2015CFB515)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51409008)

张睿(1987—)，男，湖北武汉人，工程师，博士，主要从事水库群优化运行研究．

TV697.12(263)

A

0559- 9342(2016)06- 0066- 04