基于厂内经济运行的水电站发电日计划编制研究

2018-09-08，，，，

四川水利 2018年4期

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(1.四川省都江堰东风渠管理处，成都，610081；2.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 引言

水电站每日的正常运行离不开日发电计划的编制。目前对于水电站的短期调度运行多基于优化算法，以日发电收益最大、日发电量最大等为目标，采用POA、遗传算法等进行优化；但优化算法往往会出现收敛于局部最优解、计算结果不稳定、负荷过程不够平稳甚至突变等现象，从而影响其指导水电站运行的实用价值。对于需要承担调峰任务的电站，其日发电计划编制的依据是预报的入库流量以及电网的调峰要求，该发电计划需满足电站出力、水位、下泄流量等约束条件，且出力过程要尽量平稳，以满足电网的要求且最大限度减少机组负荷起伏变化[1]；水位过程要随着出力的变化而变化，无突变现象的发生。此外在枯水季节，仍需实行负荷厂内经济运行，以耗水率最小为目标编制日发电计划，以期用最少的水来完成电网的调峰任务，达到节约水资源、提高水资源利用率、增加电站收益的目的[2-3]。鉴于上述考虑，本文立足于实际，从水电站实际运行出发，建立了一种厂内经济运行与日发电计划编制相耦合的模型，并将该模型应用于锦屏一级水电站以检验效果。

2 研究方法

2.1 约束条件

(1)水量平衡约束

Vt+1=Vt+(qt-Qt-St)△t▽tT

(1)

式中：Vt+1——电站第t时段末水库蓄水量(m3/s)；

Vt——第t时段初水库蓄水量(m3/s)；

qt——第t时段电站入库流量(m3/s)；

Qt——第t时段电站发电流量(m3/s)；

St——电站第t时段弃水流量(m3/s)；

△t——计算时段长度(s)。

(2)水库蓄水量约束

Vt，min≤Qt≤Qt，max▽tT

(2)

式中：Vt，min——电站第t时段水库的最小蓄水容量(m3)；

Vt——电站第t时段的水库蓄水量(m3)；

Vt，max——电站第t时段水库的最大蓄水容量(m3)。

(3)水库下泄流量约束

Qt，min≤Qt≤Qt，max▽tT

(3)

St≥0 ▽tT

(4)

式中：Qt，min——电站第t时段应保证的最小下泄流量(m3/s)；

Qt，max——电站第t时段最大允许发电流量(m3/s)。

(4)电站出力约束

Nmin≤Nt≤Nmax▽tT

(5)

式中：Nmin——电站应保证的最小出力(MW)；

Nmax——电站各时段的最大出力(MW)。

(5)电网调峰约束

Nf-Ng≥TNt▽tT

式中：Nf——电站每日峰段的出力(MW)；

Ng——电站每日谷段的出力(MW)；

TNt——电网的调峰容量(MW)。

2.2 发电计划编制

承担电网调峰任务的电站，需要编制一天内峰、平、谷三段96点的发电计划。此时，日发电计划的编制策略[4-5]如下：

Step1：在确定日末水位Zend的基础上，根据电网的调峰容量TNt(t=0，1，…，95)，假定每日谷段出力Ng，则各个时段的出力Nt为Ng+TNt；

Step2：根据发电机组的出力-水头-流量曲线插值计算得到每个时段的出力所需的发电流量Qt，并与入库流量Q比较，确定蓄放水，Q>Qt时水库蓄水，水库水位上升；Q=Qt水库不蓄不放，水库水位不变；Q

Step3：遍历96时段后得到谷段出力Ng下日末水位Nnend；

Step4：采用二分法查找Ng，直到Znend与Zend误差小于某一个值。

2.3 厂内经济运行

(1)目标函数

厂内经济运行是将给定的水电厂负荷过程，以全厂日发电耗水率最小为准则，分解到各台机组，得到每台机组的日发电计划。其目标函数如下：

(6)

式中：η——电站日发电耗水率；

Qt——(t=0，1，…，95)各个时段的发电流量；

Nt——(t=0，1，…，95)各个时段的出力；

△t——时段间隔，每15min为一个时段。

(2)模型求解

在2.2节Step2中，首先应以耗水率最小为目标实行负荷在机组间的最优分配，然后再根据发电机组的出力-水头-流量曲线插值计算每个时段出力所需的发电流量Qt。厂内经济运行模型求解策略如下：

Step1：确定时段负荷Nt(t=0，1，…，95)所需的最少开机台数M(为便于下述描述，此处M取3)，以预想出力曲线为依据确定当前水头下机组的最大出力；

Step2：采用递推算法，首先给第一台机组分配当前水头下的最大负荷P1，则剩余2台机组待分配的负荷为Nt-P1；之后再给第二台机组分配其当前水头下的最大负荷P2，则最后一台机组待分配的负荷为Nt-P1-P2；

Step3：利用机组出力-水头-流量曲线可以插值得到该时段Step2负荷分配结果下全厂的发电流量；

Step4：保持第一台机组负荷不变，改变第二、第三台机组间的负荷分配，插值负荷重新分配下全厂的发电流量，并与Step3中的发电流量比较，记录较小的一个值；此时得到了第一台机组在负荷P1下全厂的最小发电流量；

Step5：逐步缩小第一台机组的负荷P1，重复Step4，直到寻找到全厂该时段出力Nt下的最小发电流量。

上述策略同样适用于多台机组(M>3)间的负荷分配问题。

3 实例计算

以雅砻江锦屏一级电站为例进行基于厂内经济运行的日发电计划的编制。按电网调度96点划分一天内的计算时段，每15min为一时段，0∶00-7∶00以及23∶00-0∶00为低谷段，7∶00-11∶00为早高峰时段，11∶00-19∶00为平段，19∶00-23∶00为晚高峰时段。在此假设某日锦屏一级入库流量600m3/s，日初水位1840m，日末水位1839.7m，早、晚负荷高峰段调峰容量为500MW，平段为300MW。

根据上述条件编制锦屏一级日发电计划，并与不考虑厂内经济运行(在2.2节Step2中采用水能计算基本公式综合出力系数法计算时段出力Nt所需的发电流量Qt)的编制结果相对比，关键节点水位、出力、发电流量结果见表1所示，日内水位出力过程见图1所示，耗水率统计见表2。

表1锦屏一级日内96点关键节点水位、出力、发电流量

表2厂内经济运行与基本运行对比

图1 锦屏一级日内出力-水位过程

由以上计算结果可以看出，锦屏一级电站在日内负荷高峰时段加大出力，低谷时段减少出力，水位随出力变化而变化，高峰时段水位下降较快；在同样的日出力过程下，不实行厂内经济运行时锦屏一级日末水位消落至1839.626m，而在实行厂内经济运行下日末水位消落至1839.7m，提高了0.07m，耗水率从2.07m3/kW·h减少到1.93m3/kW·h，提高了近6.76%，节水效果显著。