三峡电站大规模机组群厂内经济运行应用

杜康华，张晓宇，杨 鹏，张敬革，龙哲君

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水电站厂内发电机组的经济运行主要运用于短期发电计划（一般为日发电计划）的机组运行和运行机组间的有功功率分配，是通过给定入库流量过程、机组计划负荷曲线，考虑机组有功平衡、出入库流量平衡、机组运行水头平衡、发电机机组的特有运行曲线特性等各种约束，合理制定日发电计划，优化机组开停机次数，组合不同运行参数类型的机组，优化分配运行机组的有功功率，实现电站的最优化经济运行。进行水电站厂内发电机组的经济运行研究，以获得尽可能大的经济效益，也有助于实现电力系统的经济调度运行，节约自然资源。

自2003 年蓄水发电以来，三峡水电站强大的清洁水电能源，大大缓解了华中、华东和南方片区电力紧缺的局势。近年，受气候变化及人类活动影响，长江上游流域年径流总量呈减少的趋势，面对三峡水电站调节能力有限（季调节），来水又日趋减少的局面，从水资源优化调度的角度，开展厂内经济运行，不仅可提高三峡水电站的水能利用率，取得更多的经济利益，还可为我国2030 年前碳达峰目标作出更大的贡献。

为实现三峡水电站厂内经济运行，需考虑年内不同调度期来水特性的不同、调度边界约束的不同以及其在电网中的短期运行方式承担的任务不同等。每年汛期，长江流域因降雨导致入库流量较大，此时三峡水电站为有效利用水资源，其承担系统中的基荷和腰荷部分，一般情况下为减少机组的启停次数，电站机组后一时段的发电计划可参照前一时段的发电计划；在枯水期，上游水库入库流量低，为保障航运安全，兼顾发电，三峡水电站利用其机组多、容量大的特点要承担系统中更多的调峰、调频任务，每日负荷曲线会有较大波动，这时需考虑实际上下游水位、入库来水流量及其他调度规定约束，最大限度减少频繁开停机，避免机组频繁在振动区运行。

本文将通过计算相同日发电计划下，选取不同的负荷分配，不同类型机组台数搭配组合下，不同的总发电耗水量，建立相关模型，选取最优方式，来实现自然水资源的优化利用。

1 模型的建立

1.1 三峡水电站厂内经济运行的数学模型

三峡水电站厂内经济运行中最优负荷分配的目的是在总负荷一定的情况下，通过合理分配机组负荷，使得全厂发电耗水量最小。厂内经济运行中负荷优化分配模型目标函数为：

1.2 约束条件

表1 机组运行方式

2 改进二进制粒子群优化算法

三峡水电站是目前世界水电站中规模最大的水电站，总装机容量世界第一，总共有32 台700 MW 的大型水电机组，2 台50 MW 的小机组，其中32 台700 MW大机组参与电网调峰、调频。因其单机容量大、机组台数多、机组类型多，采用常规方法面临巨大困难。

为有效解决高维、离散、非线性、非凸等难点，提出了一种基于改进二进制粒子群的优化算法。该方法改进了粒子位置更新方式和概率变换，使其具有更强的全局寻优能力和更快的收敛速度，同时引入启发式机组最短开停机时间修补策略和基于机组启停优先顺序表的系统备用容量修补技术，有效解决了多约束耦合问题，提高了算法的收敛速度和寻优能力。

2.1 构建粒子编码方式

随机初始化种群中所有粒子，每个粒子对应水电站所有N台机组在T个时段内的启/停状态（用0/1 表示），表达如下

2.2 速度与位置更新

3 应用实例

3.1 典型算例

为较好地验证实用化方法在不同机组启闭情况下三峡水电站发电耗水量，在选择典型算例时，以三峡水电站实际运行资料为基础进行验证，选取调峰量较大、切机频繁的2019 年5 月14 日（当日调峰量达5 350 MW）进行计算。

数据分析显示，三峡水电站如采用厂内经济运行5 月14 日可节水743 万m3，按当日耗水率进行折算则节能165 万kW·h，约节省16.5 万元。数据对比表明执行水电站经济运行手段可以提高水力资源的利用，从而获取更大的经济效益。

图1 三峡日负荷任务曲线

表2 2019-5-14 日逐时段出力分配计算

表3 效益分析比较

3.2 全厂综合特性曲线制作

为方便快速查询，通过将出力节点、水头节点以及发电流量节点以一定步长进行离散，得到反映了电站全厂在不同水头下的最优能耗关系的三峡水电站全厂综合耗水曲线，即全厂的“出力-水-发-流量-综合关系曲线，见图2。

图2 全厂综合耗水曲线

4 总结与展望

三峡水电站凭借在电网中的重要节点位置、总装机容量和水电机组灵活的特有属性，承担了电力系统中的调峰、调频、事故备用等任务，本文通过真实数据和事例表明三峡水电站厂内经济运行具有潜力可挖。文中所提出的厂内经济运行模型求解算法是实用的，可实现负荷更优分配的同时计算快速，并达到了较为满意的优化效果。

本文主要从以电定水角度进行探讨，后期还可结合以水定电，研究将三峡水电站发电计划编制与厂内经济运行耦合关系作为切入点，将短期发电计划（日发电计划）作为厂内机组负荷最优分配模型的输入，再以经厂内机组负荷最优分配模拟计算的结果对水电站初始发电计划进行循环迭代和轨迹嵌套修正，将提高水电站的水力资源利用率，为国家和社会提供更多的清洁能源。