弃水电量及调峰弃水电量计算方法研究

黄馗 张政 武新宇

摘要：为准确计算水电站的弃水电量和调峰弃水电量，保证在弃水期间编制的水电站发电计划合理、公平，分析了弃水电量产生的原因和弃水电量的构成。提出了因出力受阻而产生的虚拟电量不属于弃水电量;同时，按照弃水的类别给出了计算不同类型弃水电量的新方法，并采用“总-分”模式计算了调峰弃水电量;最后，选取了日调节和年调节水电站进行实例验证。结果表明：由于避免了受阻弃水电量的统计和不同类别弃水电量的嵌套，弃水电量和调峰弃水电量的新计算方法更加符合实际，所得结果相比传统方法更为准确;该方法的计算公式形式统一，能够适应不同调节性能的水电站，进一步简化了计算过程。

关 键 词：

弃水电量; 调峰弃水电量; 预想出力; 受阻出力

中图法分类号： TV72

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.034

1 研究背景

2017年国家能源局颁布的《水能利用率计算导则》[1]指出：弃水电量为电站可发电量与实际发电量的差值。弃水电量产生的原因有电力供需、电源建设与送出、发电与用电特性、局部与整体之间优化的不平衡、机组或线路检修、综合用水等[2-5]。在水电弃水期间，由于调峰弃水电量是弃水电量的主要部分，因此在水电生产运行中，能否合理判断、准确计算弃水电量和调峰弃水电量影响水电发电计划安排，也影响电网运行方式[6-8]，因此准确计算弃水电量和调峰弃水电量非常重要。

国内对弃水电量的计算已有一定研究，如蔡建章等[9]把弃水电量分为出力受阻弃水电量、安全约束弃水电量、调峰弃水电量、检修弃水电量，并给出调节性能差（不完全季调节以下）的水电站各类弃水电量的计算方法。国家电力公司出台了《水电厂调峰弃水损失电量计算方法》[10]，调峰弃水损失电量是在按最大出力和按弃水水量计算的调峰弃水电量中取最小值。王金龙等[11]提出输电通道断面受阻弃水电量和理论弃水电量计算方法。吴东平等[12]提出弃水电量的分类原则，针对水电站不同调节能力制定了相应的弃水电量计算方法。

弃水电量为电站实际出力低于当前工况下的预想出力或最大发电能力时产生的损失电量，而预想出力在数值上可能等于装机容量、也可能小于装机容量。当水电站的运行水頭达到设计值，预想出力在数值上等于装机容量，非受阻情况下水电站电量构成如图1所示，A区为实发电量区，B区为弃水电量区，没有出力受阻区;当水电站的运行水头低于设计值，预想出力小于装机容量，而用装机容量与预想出力差值计算的电量则不属于可发电量，这一部分损失电量是电站在弃水且运行水头下降、预想出力达不到按照装机容量满发造成的，受阻情况下水电站电量构成如图2所示，A区为实发电量区，B区为弃水电量区，C区为出力受阻区。

当前，现有的弃水电量和调峰弃水电量计算方法对可发电量划分不精细，导致可发电量计算偏大。一方面，因为电站弃水且运行水头下降、使预想出力达不到按照装机容量满发造成的损失电量（装机容量与预想出力差值）不属于可发电量，因此需要在弃水电量计算时扣除这部分电量，但已有文献在计算弃水电量时没有扣除这部分电量[9-11]。另一方面，在计算可发电量时没有对因安全约束弃水、检修弃水、其他原因弃水等进行扣除，且针对水电站不同调节能力尚未形成统一、有效的弃水电量计算方法[12]。在计算调峰弃水电量时，不同类别的弃水电量相互嵌套[9]，水电站弃水电量比例高且全天带基荷时计算的调峰弃水电量为零，与实际不符[10]。因此，本文根据弃水电量产生的原因将弃水电量分为：调峰弃水电量、检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量，并提出了统一的计算方法，以适用各类调节性能水电站不同类别弃水电量的计算。

2 弃水电量分类

受阻出力是在水电站入库流量大于满发流量且可调库容已蓄满的情况下，由于弃水流量不断增加、运行水头不断下降，造成电站当前预想出力不能按照装机容量满发，电站按装机容量满发出力与当前预想出力的差值即为受阻出力。由于水电站受阻而形成的电量为受阻电量，受阻电量在实际中是不存在的，也称为虚拟电量，受阻电量不属于可发电量。

根据弃水电量产生的原因将弃水电量分为：调峰弃水电量、检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量。调峰弃水出力指当电力系统供给侧大于需求侧时水电站参与系统调峰而造成的弃水出力，因供给侧大于需求侧而调峰造成的弃水电量称为调峰弃水电量。检修弃水出力指水电站由于检修机组而造成的弃水出力，因检修而造成的弃水电量称为检修弃水电量。受限弃水出力指水电站由于电网断面控制约束或送出受限而造成的弃水出力，因电网断面控制约束或送出受限而造成的弃水电量称为出力受限弃水电量。其他弃水电量指的是因综合用水等产生的电量损失。

3 弃水电量计算

对于径流式、日调节、季调节、年调节等不同调节能力的水电站来说，在电网优先保障清洁能源消纳的原则下，当火电等机组按照电网安全稳定运行、最低技术出力、最低供热等前提下，因电量供给大于需求仍存在水电富余的情况下，水电站会存在弃水电量。

由于水电站可发电量与实际电量的差值即为弃水电量，因此计算弃水电量需要计算出水电站可发电量。弃水电量与可发电量的比值即为水电站的弃水率。

3.1 可发电量

可发电量的计算可采取两种方法，如公式（1）或公式（2）所示。水电站净水头计算如公式（3）[13]所示。

Ekf=Tt=1KQfdtHtΔTt（1）

Ekf=Tt=1PyxtΔTtPyxt=fyxclHt（2）

Ht=Zsyt-Zxyt-ΔHtΔHt=fΔHQfdt （3）

式中：Ekf为T时段内可发电量，kW·h;K为水电站出力系数;Qfdt为t时段水电站发电流量，m3/s;Ht为t时段水电站水头，m;ΔTt表示t时段以小时为单位的时段长，h;Pyx（t）为t时段水电站预想出力，kW;fyxcl为t时段水电站水头预想出力函数;Zsyt为t时段水电站上游平均水位，m;Zxyt为t时段水电站下游平均水位，m;ΔHt为t时段水电站水头损失，m;fΔH（）为水电站的水头损失函数。

3.2 弃水电量

弃水电量采用式（4）计算。

Eqs=Tt=1Ekf（t）-Esf（t）（4）

式中：Eqs为水电站弃水电量，kW·h;Esf（t）为水电站实发电量，kW·h。

4 调峰弃水电量计算

在弃水电量的组成成分中，由于检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量存在的时段多数是局部的、时段的起止时刻是明确的，因此在计算调峰弃水电量中，采用“总-分”模式计算调峰弃水电量，即调峰弃水电量等于弃水电量扣除其他类别的弃水电量中的最大值。

4.1 检修弃水电量

在水电站产生弃水电量期间，因电站机组或主变检修产生的弃水电量即为检修弃水电量。检修弃水电量计算公式如式（5）所示。

Ejx=Tt=1PyxtNjxtNzjtΔTt（5）

式中：Ejx为检修弃水电量，kW·h;Njxt为检修期间t时段水电站不可用机组容量，kW;Nzjt为t时段水电站装机容量，kW。

4.2 出力受限弃水电量

在水电站产生弃水电量期间，因线路送出有限或断面送出受限产生的弃水电量即为出力受限弃水电量。出力受限弃水电量计算公式如下：

Esx=Tt=1Psct-PsjtΔTt（6）

式中：Esx為出力受限弃水电量，kW·h;Psct为t时段水电站可送出的最大出力，kW;Psjt为t时段水电站的实际出力，kW。

在水电站因线路送出有限或断面送出受限期间，如果水电站可送出的最大出力小于当时预想出力，则出力受限弃水电量为0。

4.3 其他弃水电量

在水电站产生弃水电量期间，可与发电相结合的通航、水环境等综合用水，在电站实际运行中未完全与发电结合而产生的弃水电量为其他弃水电量。其他弃水电量计算公式如式（7）所示。

Eqt=0Qzh（t）≤Qfd（t）Tt=1Qzh（t）-Qfd（t）ε（t）ΔTtQfd（t）

式中：Eqt为其他弃水电量，kW·h;Qzht为t时段水电站因通航、水环境等综合用水流量，m3/s;Qmft为t时段水电站满发流量，m3/s;εt为t时段水电站的耗水率，m3/（kW·h）。

4.4 调峰弃水电量

调峰弃水电量为弃水电量扣除检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量后的弃水电量。

Etf=Tt=1Eqs-maxEjx（t），Esx（t），Eqt（t）（8）

式中：Etf为调峰弃水电量，kW·h;

5 实例分析

选取2个调节能力不一样的水电站，分别为有日调节能力的广西贵港市仙衣滩水电站和有年调节能力的广西百色市右江水电站，计算2个水电站的弃水电量和调峰弃水电量。同时，为了进一步验证本文提出的计算方法（简称方法一）的合理性，还采用了理论电量法[9]（简称方法二）、实际最大出力和弃水计算法[10]（简称方法三，仅计算调峰弃水电量）、装机容量和弃水对比计算法[11]（简称方法四，仅计算弃水电量），恒定极限出力受阻弃水电量和调峰变动出力受限弃水电量方法[12]分别计算弃水电量和调峰弃水电量，以进行对比验证。

仙衣滩水电站的装机容量为120 MW（4×30 MW），正常水位43.1 m，死水位42.6 m，设计水头为8.5 m，最大引用发电流量为1 600 m3/s，该电站2017年7月6日开始产生弃水电量。选取2017年仙衣滩水电站产生弃水电量且出力受阻的8月15日进行分析计算。弃水电量按小时计算。当日，仙衣滩水电站有一台机组检修，受断面控制影响，其最大送出能力只有100 MW，出现弃水电量主要是由于供给大于需求。仙衣滩水电站当日各时段水情数据如表1所列。

先根据各时段的水情数据，应用公式（3）计算各时段水电站净水头，应用公式（2）分别计算各时段的预想出力、可发电量。然后根据公式（4）计算各时段弃水电量，根据公式（5）和公式（6）分别计算各时段的检修弃水电量、出力受限弃水电量，当日的其他弃水电量为0。最后用公式（8）计算调峰弃水电量。计算过程如表2所列。根据计算结果得出，仙衣滩水电站当日可发电量为2 745×103 kW·h，弃水电量为1 847×103 kW·h，调峰弃水电量为814×103 kW·h，弃水率达到67 %。不同方法下仙衣滩计算结果对比如表3所列。

本文计算方法相比于其他方法，受阻弃水电量没有计入弃水电量，并且在计算可发电量前将受阻部分扣除;其他计算方法在计算弃水损失电量时，没有考虑到水电站因水头低、出力受阻的情形，所以方法二、四、五计算的弃水电量偏大。本文在计算调峰弃水电量时，首先将弃水电量进行分类，将检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量的计算完全独立，避免了不同类别弃水电量计算公式之间的嵌套，并按照先总后分的原则计算调峰弃水电量，条理更加清晰。从其他方法计算的调峰弃水电量来看，方法二结果偏大，方法三结果偏小。主要是因为方法二的计算公式中存在重复计算的可能。方法三在计算时由于是按照实际最大出力计算的，当水电站弃水比例较大、实际最大出力比预想出力偏小较多时，此时计算的结果偏小。因此，该方法在计算日调节及以下水电站的弃水电量和调峰弃水电量时，更加合理和准确。

右江水电站的装机容量为540 MW，正常水位228 m，死水位195 m，设计水头为88 m，最大引用发电流量为692 m3/s，该电站2017年7月11日开始产生弃水电量，该电站产生弃水电量的日期比仙衣滩水电站晚5 d，主要是电网安排水电站计划电量是依据弃水期间所有水电站同样的计划弃水率，但由于7月6～10日右江水电站尚未蓄满，原预计的弃水电量利用可调库容存蓄，所以右江与其他电站的弃水时间不同步。2017年8月15日右江水电站产生弃水电量但出力不受阻，对其进行分析计算。弃水电量按小时计算。当日，右江水电站没有机组检修、送出没有限制，出现弃水电量主要是由于供给大于需求。

运用计算仙衣滩水电站弃水电量和调峰弃水电量的公式，计算右江水电站。根据方法一计算得出，右江水电站当日可发电量为10 978×103 kW·h，弃水电量为6 409×103 kW·h，调峰弃水电量为6 409×103 kW·h，弃水率达到58%。由于方法二中没有说明季调节以上水电站的计算方法，因此只采用了方法三、四、五进行对比。不同方法下右江计算结果对比如表4所列。

从表4弃水电量的计算结果可以看出，方法四和五计算的弃水电量都是8 391 MW·h，主要是因为右江水电站2017年8月15日的出力不受阻且右江的入库流量大于最大引用发电流量，所以计算可发电量时按照装机容量计算。但是方法四和五在以日为单位计算时未能考虑到右江电站2017年8月15日19～24时没有弃水流量，该时段入库流量大于发电流量部分被存蓄在水库中，方法四和五计算偏多的1 982 MW·h弃水电量正是存蓄在水库中的折算电量，由于计算时没有扣除才造成结果偏大。在计算调峰弃水电量时，方法三和五计算结果分别是2 631，7 524 MW·h。计算结果表明：方法三计算结果偏小，主要是因为计算时仍然采用按照实际最大出力计算导致的;方法五结果偏大，主要是因为在计算时是以日为计算时段，而右江电站当日19：00～24：00沒有弃水流量且右江出力不受阻，因此方法五只适用于日内有恒定连续弃水情况，不适用于日内有间断弃水情况。结果表明：方法一也适用于年调节电站的计算。与方法五相比，方法一的公式不仅适用日调节电站，同样也适用于年调节电站的计算，同时避免了计算弃水电量概念的引入和计算，方法一的计算更加简单。由于方法一以小时为计算时段，所以计算的结果更加准确，并有助于弃水期间对所有水电站的公平调度和发电计划安排。

以上两个算例计算结果表明：由于预测和执行存在偏差，电站实际的日弃水率不一定相等，因此需要在整个弃水期间统筹考虑，确保在弃水期结束，不同水电站的累积弃水率基本一致。

6 结 论

（1） 当水电站出力受阻时，水电站的预想出力在数值上小于装机容量，此时不能在数值上用装机容量代替预想出力计算弃水电量。水电站由于当前运行水头无法达到设计水头而出现的受阻电量损失不应计入弃水电量。

（2） 由于检修、出力受限、其他弃水电量存在重合的可能，因此调峰弃水电量为该时段的弃水电量减去相应时段检修弃水电量、出力受限弃水电量、其他弃水电量的最大值。

（3） 在水电站弃水期间，通过统一的计算方法在两个不同调节性能水电站的应用，表明弃水电量和调峰弃水电量的计算公式适用于不同调节能力的水电站;为确保整个弃水期间各水电站累积弃水率一致，需对后续的日弃水率进行差别化的动态调整。

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[13] 陈森林.水电站水库运行与调度[M].北京：中国电力出版社，2008.

（编辑：江 文）

Calculation method of abandoned water power and peak shaving abandoned water power

HUANG Kui1，ZHANG Zheng2，WU Xinyu2

（1.Power Dispatching and Control Center，Guangxi Power Grid Co.，Ltd，Nanning 530023，China; 2.Institute of Hydropower & Hydroinformatics，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China）

Abstract：

In order to accurately calculate the abandoned water power and peak shaving abandoned water power of hydropower stations，and ensure that the hydropower station power generation plan made during period of abandoning water is reasonable and fair，the causes and composition of abandoned water power were analyzed.We proposed that the virtual electricity generated by the blocked output did not belong to the abandoned water power.According to the category of abandoned water，a new method for calculating different types of abandoned water power was proposed，and the peak shaving abandoned water power was calculated by using the “integration-separation” mode.The daily regulation and annual regulation hydropower stations were selected to carry out results verification.The results showed that due to avoiding the statistics of hindered abandoned water power and the nesting of different types of abandoned water power，the new calculation method on abandoned water power and peak shaving abandoned water power were more in line with the reality，and the results were more accurate than the traditional method;the calculation formula had unified form，which could adapt to the hydropower stations with different regulation performance，and further simplified the calculation process.

Key words：

abandoned water power;peak shaving abandoned water power;expected output;blocked output