基于跨流域引水的梯级水电站联合调度

2020-11-23黄景光黄静梅林湘宁郑钦杰

三峡大学学报(自然科学版) 2020年6期

黄景光黄静梅林湘宁吴巍郑钦杰

(1. 三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002； 2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉 430074； 3. 国网江西省电力有限公司景德镇供电分公司，江西景德镇 333000)

我国水资源总量在全球水资源中位居第一[1]，并作为占比重最大的清洁能源被大力开发利用，但是水资源在时空上分布不均造成了水资源整体利用率较低的局面[2]．华中电网水力发电比重远低于火电，系统调峰能力远低于实际所需调峰能力，充分利用水资源发挥其作为调峰电源的优势显得尤为重要．跨流域调水工程是把来水丰富且有富余的地方水资源引到水资源匮乏的地方利用[3]，针对单一流域梯级水电站丰水期弃水，枯水期发电量低、调峰调频效益差等问题实现水资源在不同时空上的再配置，提高水资源的利用率，也带来能源互补上的发展效益．研究梯级水电站群补偿调度，对充分利用水资源和提高水电站群整体调节能力具有重要意义．

文献[4-5]对国外成功实现的跨流域调水工程进行了相关介绍分析，可建立适合于我国的跨流域调水工程体系．文献[6-9]通过建立年发电量最大模型，对三峡和清江梯级水库在单独运行和联合运行进行了电力补偿分析．文献[10-11]采用POA算法求解梯级水电站群的联合优化调度模型．文献[12]建立松江流域梯级水电站群跨流域联合调度调峰效益最大模型，充分发挥跨流域引水水库的调节与补偿能力，提高整个梯级水电站群的发电效益．鉴于此，本文以华中电网直调的两个空间位置相近的流域梯级水电站为研究对象，探讨在两种不同方式下新增长距离抽水蓄能电站构建水量补偿策略，实现两流域直接水力联系，建立不同来水频率下两梯级联合调度年发电量最大模型．采用POA与水位廊道约束耦合求解，对比分析不同方式下引水前后梯级水电站联合调度的补偿效益，验证模型与调度策略的正确性及可行性．

1 跨流域梯级水电站中长期年发电量最大模型

坐落于湖北宜昌的两流域梯级水电站群A、B，在华中电网中存在一定的电力关联，其地理位置如图1所示，基本参数见表1．在相同年份内由于地理位置差异会经历不同的丰枯期，梯级水电站A在枯水期可起到调峰作用，但丰水期工作在基荷位置会加剧系统的调峰问题，同时大量弃水导致水资源不能物尽其用．而梯级水电站B的滚动开发，对缓解华中电网调峰调频问题起到了突破性作用．

图1 梯级A、B水平位置示意图

表1 梯级水电站基本参数

规划长距离抽水蓄能工程一般从龙头梯级进行引水(即从A1到B1)，该引水方式以提高龙头水库入库量从而遍历整个梯级提高发电量，同时可平衡两流域防洪、航运及各类用水情况，减少弃水，增强梯级B调峰调频补偿能力[13-14]．模型求解时将跨流域的五座串并联型水电站分为两个子系统进行求解，先固定跨流域引水量将两个子系统耦合，再调整引水流量确定不同时段内各电站的调度方案[12]．

1.1 目标函数

(1)

(2)

1.2 约束条件

1)水量平衡约束

(3)

2)梯级水电水量联系约束

(4)

3)引水流量约束

(5)

(6)

4)发电流量约束

5)出力约束

6)联合调度中的约束处理

其他约束：水库库容约束、抽水蓄能电站出力约束、最大最小水头限制约束以及各变量值不为负值等约束．

2 求解方法

2.1 逐步优化算法(POA)

POA应用于跨流域水电站调度时基本步骤如下：

Step1：按月份确定各时段初始值，固定各电站调度始末水位及引水量；

Step2：计算[t，t+1]与[t+1，t+2]两阶段两梯级水电站最大发电量之和，并记录各水电站在最大发电量在t、t+1、t+2时刻的水位，t=t+1；

Step3：重复Step2，计算本轮最大发电量，将本轮水位作为下次迭代初始值；

Step4：判断是否满足迭代终止条件，满足则停止计算，输出结果，否则转至Step2．

2.2 跨流域梯级水电站调水策略与基本流程

水电站调度从6月开始进行，将7月分为上、中、下3旬，总调度为12个月，14段时长．设置两种跨流域调度引水方式：方式1只考虑A1电站在2～7时段发生弃水时引水，当弃水量大于或等于固定引水量时，调节水量等于固定引水量，当弃水量小于固定引水量时，调节水量等于调度时段内的弃水量；方式2进行全时段固定调节水量引水．求解基本流程如图2所示，各调度时段对应月份见表2．

图2 跨流域调度求解流程图

表2 调度时段

3 算例分析

根据梯级水电站A、B年平均入库径流绘制年径流频率曲线，选取来水频率1%、50%、95%的径流作为模型输入．通过详细比较2种引水方式与不同来水频率，分析跨流域引水调度对两梯级水电站发电运行的影响．设置仿真迭代次数100次，水位离散系数0.2．

方式1：以来水频率50%条件下为例，由图3(图中实线部分为抽水前数据，点线部分为抽水后数据)可以看出，A1电站于汛期末开始蓄水以维持枯水期高水头发电，A2因为是日调节电站，进行年调度时，基本保持在同一水位，同时由于抽水水量相对A1入库径流量很小，且此时为弃水时段抽水，梯级电站A在抽水前后调度水位基本不变．

图3 来水频率50%时方式1下A1、A2水位变化

由图4分析可得，B1水库在抽水前由于入库流量较小，水库维持较高水头运行，而在方式1的2～5时段下因为A1水库水量丰富，弃水引入B1水库， B1电站增大出力，发电流量大于入库量，整个水库水位下降．在枯水期初入库不足水位下降，枯水期末维持较高水位发电；B2水库因B1电站下泄流量增加而抬高了库水位，在枯水期属于高水头发电量；B3水库属于日调节电站，水位基本保持不变．

图4 来水频率50%时方式1下B1、B2、B3水位及发电量变化

方式1下，由表3可得梯级A总发电量约减少0.341亿kW·h，减少部分基本由A1电站承担．由表4可得梯级B总体发电量提高4.827 7亿kW·h，B1、B2与B3电站分别提高2.244 4、2.0939与0.486 8亿kW·h．

方式2：由图5可知，来水频率50%条件下进行全时段抽水，A1水库水位会略微有点变化，枯水期同样维持高水头运行，A2水库仍然基本保持一致．

图5 来水频率50%时方式2下A1、A2水位变化

由图6可知，B1水库在时段2由于引水，入库量增加，水位提高，但随着发电流量的增大，水位较抽水前降低；B2水库水位受B1水库泄流量影响，随着发电流量提高，能增加B2水电站全年发电量；B3水库维持同一水位运行．

图6 来水频率50%时方式2下B1、B2、B3水位及发电量变化

方式2的引水模式对梯级A电站发电有部分影响，由表3、表4可得，全年总梯级发电量减少约3.475亿kW·h，减少部分主要由A1电站承担2.964 6亿kW·h，A2电站承担0.510 7亿kW·h；但梯级B全年发电量增加约14.982 7亿kW·h，B1、B2与B3电站分别提高7.859 8、5.101 1与1.788亿kW·h．

类比分析在来水频率1%条件下，无论是方式1还是方式2，在汛期丰富的引水量及入库流量大于发电流量，B1水库水位高于抽水前，在枯水期水位持续上升，以高水位运行．B2水库因B1电站下泄流量增加而抬高了库水位，B3基本保持不变．在来水频率95%条件下，方式1下B1电站在汛期增大发电量，水位较抽水前水位下降，枯水期入库不足维持高水头发电；方式2全时段抽水，在7月上旬B1电站由于引水量会提高水库水位，但随着电站加大出力，提高发电流量使整个调度期水位低于抽水前．

整个方式1引水调度模式下，梯级B总发电量平均增加约4.438 1亿kW·h，梯级A平均减少约0.175亿kW·h，A1电站弃水量平均减少约0.389 5亿m3，但B1在丰水年汛期容易增加弃水，增加约0.023 76亿m3．整个方式2引水调度模式下，梯级B总发电量平均增加约15.198 6亿kW·h，梯级A平均减少约2.689 7亿kW·h，A1电站弃水量平均减少约0.598 3亿m3，B1弃水量不变．

对比方式1与方式2可知，对A1水库进行全时段抽水比只在弃水时段抽水更能减少弃水发生，若不考虑引水发生的水量损失，抽水发电效率在方式1、2于枯水年分别提高至86.89%、76.79%，于平水年分别提高至93.31%、81.98%，于丰水年分别提高至148.44%、110.74%．两流域梯级总发电量，在方式1、2于枯水年分别提高1.376 5亿kW·h、9.607 9亿kW·h，于平水年分别提高4.486 7亿kW·h、11.313 6亿kW·h，于丰水年分别提高6.926亿kW·h、12.824亿kW·h．

表3 不同来水频率下梯级A发电量

表4 不同来水频率下梯级B发电量

通过以上分析可知，方式1下在对A1水库进行抽水比方式2更能提高抽水蓄能电站发电效率，且对梯级A发电影响极小，同时建设抽水蓄能电站以梯级A对梯级B进行来水补偿可以极大提高梯级B整体发电量，但方式2较方式1更能提高年发电量．因此本文跨流域调度模型及方法可以初步指导实现以提高梯级B调峰效益、枯水期发电能力，减小梯级A防洪压力等为目的的研究工作．