湖南深度调峰模式下资江东坪电站发电方式寻优

罗炳华

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心,湖南 长沙 410004）

1 引言

2020 年12 月26 日，湖南省内辅助服务市场正式运行，现阶段主要开展深度调峰及启停调峰交易。由于湖南电网清洁能源比重大、外购电逐年增加且峰谷差日益增大，电网调峰压力不断加重，近几年火电机组启停、深度调峰次数大幅增加[1]。尤其是2018 年祁韶直流入湘并入湖南电网后，电源结构、网架形态和负荷特性将发生显著变化，给湖南电网运行带来诸多挑战[2]，不仅增加了湖南电网的调峰困难，同时也对水电、风电和光伏等清洁能源的发电效益造成了较大影响。

五凌电力有限公司是湖南省最大的清洁能源发电企业，其水电、风电和光伏装机占比达到90%以上。自深度调峰辅助服务开启以来，公司水电深度调峰分摊费较大[3]。东坪电站是五凌电力有限公司在资水干流的一座径流式电站，位于安化县城东坪镇闵家湾村，上距柘溪电站10 km，设计装机容量为4 台19.9 MW 水轮发电机组，设计年发电量为2.912 亿kW·h[4]。作为径流式电站由于其水库不具备调节能力，在汛期一旦深度调峰市场开启，其辅助服务分摊费用明显增加。随着湖南电网发展的趋势，深度调峰市场的规模还会增大、开启频次还会增加，对于径流式水电站而言，在确保电网安全的前提下，减少深度调峰分摊费用和做好电站经济运行是十分有必要的。

2 湖南深度调峰交易介绍

湖南深度调峰交易是指在系统负备用不足或者可再生能源电力消纳困难的情况下，以火电机组降低出力至有偿调峰基准值以下的调峰服务、抽水蓄能机组的抽水服务和储能电站的充电服务等为交易标的，从而提高系统负备用水平或者可再生能源消纳能力的交易[5]。

深度调峰交易卖方为市场主体中的火电厂（机组）和抽水蓄能电站（机组）、储能电站等。火电机组有偿调峰基准值为火电机组核准容量的50%。火电机组在有偿调峰基准值及以上的调峰服务属于其基本义务，由调控中心根据电网调峰需求无偿调用。深度调峰交易买方为相应交易周期内产生上网电量的湖南电网内市场主体和通过湖南电网转送跨省跨区电量的省外市场主体[5]。深度调峰交易如图1 所示。

图1 深度调峰交易示意图

2.1 深度调峰交易方式

深度调峰交易方式为“日前报价，按需调用，按序调用”。每日第一个时段为00：00~00：15，最后一个时段为23：45~24：00，全天共计96 个交易时段，以每15 min 为一个交易周期，计算深度调峰服务费及成本分摊费。

2.2 深度调峰交易费用计算

2.2.1 深度调峰服务费

深度调峰服务费为调用机组深度调峰电量与中标价格乘积的总额，由深度调峰交易时段有上网电量的买方按其上网电量占比予以分摊。一般发电量越大，深度调峰分摊费用也就越多。各类主体分摊费计算公式如下：

式中的Ki为各类主体成本分摊调节系数，调节性能为不完全季调节及以上水电厂的成本分摊系数K取0.5；风电分摊调节系数K值一般情况下取1.5；其它市场主体分摊调节系数K值取1。具有水库最小生态下泄流量要求的水电厂，分摊深度调峰服务费的电量应剔除相应交易时段其装机容量10%的发电量对应的上网电量。

2.2.2 度电分摊成本

度电分摊费用是指某一时间段深度调峰分摊费用与该时间段发电量的比值。度电分摊成本与深度调峰出力成正比关系，一般深度调峰出力越大，度电分摊成本越高。其计算公式如下：

2.3 东坪电站深度调峰运行情况

2021 年以来湖南深度调峰市场开启频繁，2022年东坪电站参与深调分摊天数为258 d，2021 年为263 d。由于深度调峰市场规模的不断增大，对应的深度调峰分摊费用也发生较大变化，其中2022 年东坪电站深度调峰分摊费用449 万元，比2021 年的260 万元增加了72.7%；发电量方面，2022 年东坪电站发电量2.89 亿kW·h，比2021 年的2.59 亿kW·h增加了11.51%。从图2 可知，深度调峰的分摊费用主要集中在2~7 月，其中2021 年2~7 月深度调峰分摊费用占比全年的97.3%，2022 年2~7 月占比全年的94.85%。由于资水流域的降水集中在4~7 月的特点及电网需求，每年2~3 月上游柘溪电站都处于大发降水位过程，一般在汛期来临之前其水位会降至死水位左右，所以这两个月深调分摊费用会较多；其次是主汛期来水较大，机组长时间满负荷运行，参与深调分摊的费用也会较多。

图2 东坪电站月度深度调峰分摊费用占比图

综上，2022 年深度调峰分摊费用增比远远大于发电量的增比，随着湖南电力辅助服务市场的发展，深度调峰分摊费用还会逐步增加，东坪电站作为径流式水电站无调蓄能力，一旦上游柘溪电站大方式运行，深度调峰费用明显增加，所以在日常的水库调度以及经济运行中，要考虑是否通过提前腾库降低库水位，在深调开启时尽量少带负荷减少分摊费用。

3 深度调峰模式下东坪电站提前腾库效益分析

东坪电站为灯泡贯流式机组，属于低水头径流式电站，水位变化对于机组发电效益影响较大。为了减少深度调峰分摊费用，需要提前将上游水位降低，待深调开启时再带10%额定总出力运行，通过这种方法确实可以减少部分深度调峰分摊费用，但在降水位过程中也有水头损失电量，只有在减少分摊费用的折算电量大于水头损失电量时，才能达到增效的目的。

3.1 理论情况下东坪提前腾库效益计算

在理论计算中，我们假设上游来水维持在一个稳定的流量下，通过提前腾库至不同水位下计算出其理论效益，求出最佳腾库水位。由于湖南电网的特点，其居民、商业用电占有相当大的比重，系统的峰谷差特别大[5]，尤其是00：00~08：00 电网调峰极其困难，因此在这个时间段深度调峰分摊费用也是最重的，所以本文计算中只考虑减少这个时段的分摊费用。深调模式下东坪电站理论腾库模型如图3 所示。理论情况下在22：00 开始加大出力腾库降水位，00：00 时降至目标水位，然后维持最低生态流量出力运行，此时深度调峰市场开启。08：00 后深度调峰关闭，水库库水位蓄至正常水位，保持高水位运行。在00：00~08：00 这个时间段其分摊费用几乎为零，起到了减少深调分摊费用的作用。

3.1.1 计算思路

计算理论情况下东坪电站腾库效益分析，分别计算入库流量在190 m3/s（对应柘溪库水位160 m，出力100 MW）、380 m3/s（对应柘溪库水位160 m，出力200 MW）情况下东坪提前腾库至4 个不同水位（96 m、95.8 m、95.5 m、95 m）的效益分析。东坪电站正常蓄水位一般控制在96.2~96.5 m 之间，在接下来所有计算中，东坪电站的正常蓄水位均为96.35 m，腾库时长均设置为2 h。

3.1.2 计算方法

已知东坪电站入库流量Q1，正常蓄水位为A1及对应库容为V1，腾库水位为A2及对应库容为V2，腾库时长T1为2 h，生态出力P0为8 MW。

（1）维持正常蓄水位时的理论出力P1计算公式如下：

式中，η为水轮发电机组效率，C1可以根据东坪下游水位流量关系曲线获得。

（2）腾库出力P2、腾库平均流量Q2、腾库期间平均水头H2计算公式如下：

式中，η为水轮发电机组的效率，Q2为腾库平均流量，V1、V2可以根据东坪水位库容关系曲线获得，C1、C2可以根据东坪下游水位流量关系曲线获得。

（3）维持生态出力流量Q0由腾库水位涨至正常蓄水位时间为T2，其计算公式如下：

(4)总分摊费用为S，为该时间段每15 min 一个点的总和，计算公式如下：

式中，W1为第一个点的发电量，R1为第一个点的平均度电分摊费用，Wn为第n 个点的发电量，Rn为第n 个点的平均度电分摊费用。东坪电站早班各点平均度电分摊费用如图4 所示。

图4 东坪电站早班各点平均度电分摊费用图

图5 深调情况下东坪腾库至不同水位水头损失电量变化图

（5）某一时间内深调减少分摊费用为S0，其计算如下：

式中，S为该时间内进行了腾库操作的总分摊费用，S'为该时间内未进行腾库操作的总分摊费用。

（6）理论情况下增发电量为W，其计算如下：

式中，Wa为进行了腾库的发电量；Wb为减少分摊折算电量，即减少分摊费用与上网电价的比值；Wc为不腾库时的发电量。

3.1.3 计算结果

当入库流量为190 m3/s、380 m3/s 时，东坪腾库至96 m、95.8 m、95.5 m、95 m 计算分析结果如表1和图4~图6 所示。

表1 理论情况下深度调峰开启前时东坪提前腾库效益分析汇总表

图6 深调情况下东坪腾库至不同水位深调减少分摊费用变化图

图7 深调情况下东坪腾库至不同水位增发电量变化图

综上，在同一入库流量情况下，东坪腾库深度越大，因腾库造成的水头损失电量也会越大，深调分摊减少的费用也会越多；同一入库流量下腾库深度越大最终增发电量反而越少；腾库至同一水位，入库流量越大水头损失电量越大，综合损失电量越多。

3.2 实际情况下东坪提前腾库效益计算

由于在实际水库调度过程中，上游入库流量不是维持恒定的，每次提前腾库不一定能在规定时间内腾库至某一水位，也无法维持一个稳定的负荷，所以其实际的电量计算也存在一定的偏差。通过计算从腾库开始到带生态流量出力P0蓄至正常水位这一时间段的发电效益，从而判断在实际运行过程中是否能达到增效的目的。

3.2.1 计算方法

已知东坪电站某一时间点（以15 min 为一个点）平均入库流量Q1，实际出力为P1，对应相同入库流量Q1时维持正常蓄水位的理论出力为P1'（根据公式（1）、（2）可求）。

（1）从电站开始腾库到带生态出力蓄至正常水位期间其实际总分摊费用为S，可在湖南电力辅助服务市场平台里面查询，计算公式如下：

式中，S1为第一个点的分摊费用，S2为第二个点的分摊费用，Sn为统计期间内最后一个点的分摊费用。

(2)从电站开始腾库到带生态出力蓄至正常水位期间理论总分摊费用S'计算公式如下：

式中，S1'为第一个点的理论分摊费用，S2'为第二个点的理论分摊费用，Sn'为统计期间内最后一个点的理论分摊费用。

（3）某一点分摊费用计算公式如下：

式中，K1为东坪电站成本分摊调节系数，取值为1；Ki为各类主体成本分摊调节系数；W1为电站该时间点实际参与分摊的上网电量，W1'为电站该时间点理论参与分摊的上网电量，Wi为市场其他主体该时间点实际参与分摊的上网电量；P0为东坪电站维持生态出力流量Q0时的出力。

由于W1×K1的值远远小于∑（Wi×Ki）的值，所以W1×K1+∑（Wi×Ki）≈W1'×K1+∑（Wi×Ki），因此

由公式（16）可知某一点理论分摊费用计算公式如下：

3.2.2 计算结果

通过选取深调开启情况下有提前腾库的情况进行分析，通过计算其结果如表2 所示。

从表2 可知，深度调峰开启时东坪腾库实际增发电量均为负，表明并未达到增效的目的。入库流量越大，腾库至相同水位时因腾库损失的电量越大，实际增发电量越少；同一入库流量，腾库深度越大，损失的电量也越大，实际增发电量越少。

3.3 东坪提前腾库效益总结

通过对东坪电站不同入库流量级别的理论和实际发电效益计算，单从经济效益而言，深度调峰开启前提前腾库确实减少了一部分摊费用，但并没有起到增加效益的作用，反而造成一定的发电量损失。无论在理论情况还是实际运行情况下，在同一入库流量情况下，深度调峰开启情况下腾库深度越大，水头损失电量越多，虽然深度调峰费用有所减少，但总体损失电量反而增大。作为径流式水电站要以保证发电量最大化为原则，尽量保持高水位运行，不刻意为了减少深度调峰分摊费用而进行提前降水位操作，在深度调峰市场开启时，应尽量保持库水位不变、出入库维持平衡。

4 结语

随着湖南电网发展的趋势，新能源比重日益增大，深度调峰市场的规模还会增大、开启的频次还会增加，对径流式水电站的经济运行带来了巨大考验。本文通过计算深度调峰模式下东坪电站的提前腾库效益，提出在深度调峰市场开启时，应尽量保持库水位不变、出入库维持平衡的方法，为湖南深度调峰模式下径流式水电站的经济运行提供参考。