基于动态规划法的水库发电调度研究

如先古力·阿吾提

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎车 844700)

水库优化调度方案可提高其发电效率，实现水能的高效利用，有利于能源的可持续发展。本次以新疆阿尔塔什水库为研究对象，采用动态规划法，建立水库优化调度动态规划模型，对水库调度进行优化，分析各年份发电量的差异性。

1 工程概况

新疆阿尔塔什水库坝址以上控制流域面积4.64万km2，多年平均年径流量64.17亿m3，多年平均流量203.36m3/s。阿尔塔什水库正常蓄水位1820.00m，相应库容21.29亿m3；水库总库容22.49亿m3，装机容量755MW(其中生态电站装机容量55MW，发电量4.08亿kW·h)，多年平均年发电量21.86亿kW·h。新疆阿尔塔什水库是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、供水等综合利用的大(2)型水利水电枢纽工程。

2 动态规划模型

水库的调度优化受到许多因素的影响，需从全局的角度出发，对水库系统进行优化，以达到提升整体利益的目的。本研究采用动态规划法，建立水库优化调度动态规划模型，对水库调度进行优化；以发电量(E)为水库调度的目标，其目标函数如下：

(1)

式中：Vt——库容，m3；

Qt——来流量，m3/s；

qt——泄流量，m3/s；

N——电站出力，kW；

t——时段时长。

为得出以上目标函数的最优解，需采用递推方程对其结果进行优化，水库的递推方程如下：

Ek+1(Vk+1)={fk(Vk，Qk，qk)+Ek(Vk)}

(2)

在以上目标函数中，应满足以下约束条件：水库的水位应在其最低限值水位与防洪限值水位之间，水电站的出力限值应在其最小出力限制与最大出力限制之间，水电站的泄洪量应在最大允许下泄洪量与最小允许下泄洪量之间。

3 结果分析

根据上述动态规划模型对水库进行优化计算，得出该水库每月的上、下基本调度线(见表1)。

表1 水库基本调度线

以发电量为水库调度的目标，分别分析水库丰水年、平水年、枯水年的优化调度结果。丰水年的水库经过优化调度后，其年发电量可达到1997万kW·h(见表2)，其中，其发电量较大的月份主要集中于5月、6—10月，其电站发电流量均大于10m3/s；2月、3月的发电量最小，其电站发电流量仅为1.7m3/s。

表2 丰水年的优化计算结果

由平水年的优化计算结果(见表3)可知，平水年的年发电量可达到1679万kW·h，其中，电站发电流量较大的月份集中于6月、9—11月，相较于丰水年而言，平水年的电站发电流量较小，其最大值为18.34m3/s，且电站发电流量大于10m3/s的时间小于丰水年；当时间为3月时，该水库的平水年电站发电流量较小，其值为2.2m3/s。

表3 平水年的优化计算结果

由枯水年的优化计算结果(见表4)可知，枯水年的年发电量远小于丰水年和平水年，其值仅为780万kW·h。当时间为7月时，电站发电流量最大，其值为20.00m3/s；当时间为1月时，电站发电流量最小，其值为1.24m3/s。

表4 枯水年的优化计算结果

综合以上分析可得，水库的天然流量与当年的水文及气候对水库水电站的影响较大，其中，丰水年的发电量较大，平水年的发电量次之，枯水年的发电量最小。

为分析采用优化调度方案的实施效果，以丰水年为研究对象，将其调度结果与常规调度结果进行对比，由常规调度结果(见表5)可知，采用优化调度方案的年发电量大于常规调度方案的年发电量，二者间的年发电量差值为288kW·h，说明采用动态规划模型的优化调度效果显著。对比优化调度方案与常规调度方案的出力情况可得，部分常规调度方案的出力量大于优化调度方案的出力量，当时间为8月时，常规调度方案的出力有最大值，其值为3906.1kW，此时，优化调度方案也存在出力最大值，其值为4620kW；但是其发电量与年均出力量均小于优化调度方案，说明优化调度方案对水库发电量的提升效果显著，其中，优化调度方案4—10月的出力大于常规调度方案，说明优化调度方案在4—10月对水库发电量提升较为显著，在1—3月计11—12月，对水库发电量的提升效果较不明显。

表5 常规调度结果

为进一步分析优化调度方案的实施效果，分别对比丰水年、平水年、枯水年的年均发电量及月均发电量(见表6)，采用优化调度方案得出的各年份年均发电量为1486万kW·h，采用常规调度方案得出的各年份年均发电量为1312万kW·h，说明采用动态规划模型的优化调度效果显著；其中，优化调度方案在丰水年对发电量的提升效果较为明显，常规调度方案与优化调度方案间的年均发电量差值为288万kW·h，优化调度方案对平水年的发电量提升效果次之，两种方案间的年均发电量差值为209万kW·h，优化调度方案对枯水年的发电量提升较不显著，二者间的年均发电量差值仅为23万kW·h；说明在丰水年，采用动态规划模型得出的优化调度方案的实施效果较好，而在枯水年，采用优化调度方案对发电量的提升效果较不明显。

表6 发电量对照

减少水头损失可提高水库的发电效率，为进一步优化水库的调度方案，分析影响水头损失的因素(见图1)。由图可知，水头损失与流量间成正相关关系，当流量小于8m3/s时，随流量的增大，发电的水头损失增长趋势显著，当流量大于8m3/s时，流量-水头损失曲线变化趋势较为平缓；水库的流量主要与其尾水位有关，当流量较大时，水头损失增长量较小，为提高发电效率，可提高尾水位高度，以达到增大流量及发电量，同时控制水头损失的目的。

图1 流量-水头损失曲线

4 结 论

本研究以新疆阿尔塔什水库为研究对象，采用动态规划法，建立水库优化调度动态规划模型，对水库调度进行优化，分析各年份发电量的差异性，得出以下结论：丰水年的水库经过优化调度后，其年发电量可达到1997万kW·h，其中，其发电量较大的月份主要集中于5月、6—10月，其电站发电流量均大于10m3/s；2月、3月的发电量最小，其电站发电流量仅为1.7m3/s。水库的天然流量与当年的水文及气候对水库水电站的影响较大，其中，丰水年的发电量较大，平水年的发电量次之，枯水年的发电量最小。

对比优化调度方案与常规调度方案的出力情况可得，部分常规调度方案的出力量大于优化调度方案的出力量，当时间为8月时，常规调度方案的出力有最大值，其值为3906.1kW，此时，优化调度方案也存在出力最大值，其值为4620kW；但是其发电量与年均出力量小于优化调度方案，说明优化调度方案对水库发电量的提升效果显著，其中，优化调度方案4—10月的出力大于常规调度方案，说明优化调度方案在4—10月对水库发电效果提升较为显著，在1—3月计11—12月，对水库发电量的优化提升效果较不明显。