黄藏寺水库水光互补日内优化调度研究

陈子豪 李莹莹 董国涛

：黄藏寺水库是黑河上游首座综合利用型水库，在青海省新能源政策支持下，配套建设光伏电站，形成水电、光电复杂互补系统。采用ＰＶｓｙｓｔ 软件完成１００ ＭＷ 光伏电站设计，提出以出力曲线波动次数、最大出力变幅和出力占比为指标的日出力聚类方法。以提高水光互补系统出力稳定和梯级水电站发电效益为目标，建立黄藏寺水库日内优化调度模型，采用ＮＳＧＡ－Ⅱ算法求解。结果表明，多云天气、梯级水电站调峰发电、黄藏寺水库装机容量和调度水量限制是影响水光互补系统出力稳定的主要因素；黄藏寺水库补偿光电出力时下泄流量产生小幅波动，补偿梯级水电站调峰发电时产生大流量来水过程，宝瓶河和龙首二级电站分别承担小幅波动稳流和莺落峡断面全天候平稳过流要求；水光互补模式对黄藏寺水库水电效益影响很小，稳定光电出力波动作用显著，但应进一步优化光伏电站容量配置。

关键词：黄藏寺水库；水电；光伏发电；互补；优化调度

中图分类号：ＴＭ６１２；ＴＭ６１５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２８

引用格式：陈子豪，李莹莹，董国涛．黄藏寺水库水光互补日内优化调度研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１５１－１５７．

黑河是我国第二大内陆河，發源于祁连山中段，由南向北流经青海、甘肃、内蒙古３ 省（区），全长９２８ ｋｍ。黑河干流上游黄藏寺水库于２０１６ 年开工建设，坝址距青海省祁连县城约１９ ｋｍ，计划２０２３ 年９ 月下闸蓄水，其投入运行后将控制黑河上游来水总量近８０％，可有效改善黑河上游来水过程，缓解中游农业灌溉与下游绿洲生态用水矛盾。黄藏寺水库水资源调度主要措施为，代替中游平原水库发挥灌溉调节功能，利用农业灌溉用水间隙加大向下游生态调度水量，减少输水损失和对农业灌溉用水的影响。

２０２１ 年１ 月青海省发展改革委等４ 部门联合发布《关于印发支持储能产业发展若干措施（试行）的通知》（青发改能源〔２０２１〕２６ 号），鼓励新建水电站同步配置光伏项目，水电与光伏容量配比达到１ ∶ ２。光伏电站的运行可有效缓解黄藏寺水库日间发电压力，提升水库调峰发电空间，以黄藏寺水库为核心的水光互补概念应运而生。贾一飞等［１］ 建立了光伏发电出力预测和水光互补优化调度模型，为龙羊峡水库短期调度提供了参考；张娉等［２］ 提出了水光互补运行机制，为多能源互补研究提供了理论基础；庞秀岚等［３］ 将龙羊峡光伏电站视作虚拟水电，通过水轮发电机组快速调节，确保组合出力平稳输出；钱梓锋等［４］ 构建了水光互补日间调度模型，以提高龙羊峡水库调峰发电能力；陈述等［５］ 运用增益分析法评价水光互补项目，论证了项目的可行性。上述成果为黄藏寺水光互补研究提供了参考，但与龙羊峡水库不同，黄藏寺水库是黑河上游唯一一座综合利用型水库，将肩负水资源调度、梯级水电站调峰发电和光伏出力补偿等任务，必须统筹考虑以实现水资源综合利用效益最大化。

黄藏寺水库调度现有研究成果主要集中于水库电站群联合运行［６－８］ ，未考虑水光互补模式。因此，本文针对水电、光电两种能源的互补系统，重点研究了黄藏寺水库日内优化运行策略。首先，根据水库综合利用要求构建多元调度系统；其次，根据拟定的水库调度运行方式、配套光伏电站模拟仿真结果，确定水光互补典型出力场景；然后，以水光互补并网系统波动出力比最小、梯级水电站并网系统发电效益最大为目标，建立日内优化调度模型；最后，根据模拟运行结果对水光互补系统进行典型分析，以期为光伏电站决策立项和水库日内优化调度规程制定提供参考。

１ 联合调控框架

１．１ 流域概况

黑河干流以莺落峡、正义峡为界分上、中、下游，将黄藏寺水库供水范围分为梯级电站、农业灌溉和绿洲生态３ 个供水单元。上游为产流区，黄藏寺水库坝址和莺落峡断面多年平均径流量分别为１２．４５ 亿、１６．９０亿ｍ３，区间为峡谷河段，受水范围包括７ 座梯级水电站，自上而下基本情况见表１。河道区间补水主要集中于小孤山至龙首二级电站之间［７］ ；中游为径流消耗区，是黑河流域农业灌溉主要用水区域和人口聚集区，受水范围包括张掖市３ 个县（区）１２ 个灌区；下游为径流散失区，主要是沙漠戈壁，尾闾有胡杨、红柳等沙漠植物，受水范围包括金塔县鼎新灌区、东风场区和额济纳绿洲。

黄藏寺水库为碾压混凝土重力坝，汛限水位与正常蓄水位均为２ ６２８ ｍ，死水位为２ ５８０ ｍ，兴利库容为３．３４ 亿ｍ３；坝后电站装机容量４９ ＭＷ，额定流量６５．９３ｍ３ ／ ｓ，电站出力系数８．７７，水头损失０．９１ ｍ；黄藏寺水库并青海省海北州电网，当地以农牧业为主，用电负荷小，水库担任基荷运行。７ 座梯级水电站供电范围为甘肃省河西电网，系统离负荷中心近，担任该地区调峰任务；甘肃省电调中心对梯级水电站总体要求为，白天光伏大发期低负荷运行，早晚用电高峰期高负荷运行［９］ ，电力市场现货交易出清参考价见图１。黄藏寺水库建成生效前，宝瓶河和龙首二级电站承担预发、预泄和预蓄，实现调峰发电运行，水库建成后代替宝瓶河电站进行水量调节，龙首二级电站承担反调节作用。

１．２ 调度系统建立

黄藏寺水库调度系统由水调、电调两部分组成。根据黑河上游“电调服从水调”的原则，水库优先保证农业灌溉和绿洲生态供水单元用水，满足生态基流下泄要求，其次考虑发电利用。按照职能划分，黑河流域年度水量调度工作（时间１２ 月—次年１１ 月）开始前，流域机构根据黑河上游中长期径流预报分析结果确定莺落峡断面综合需水过程，水库由此确定全年调度方式，龙首一级电站下泄流量应符合莺落峡断面过流标准。

电调包括水光互补系统和梯级水电站系统。水光互补系统由黄藏寺水库和配套光伏电站组成，建设有１ 座１１０ ｋＶ 升压站和架空线路，其中ＧＩＳ 设备共有２个出线间隔，１ 个间隔送出至青海省海北州八宝３３０ｋＶ 变电站、１ 个间隔备用。光伏电站为黄藏寺水库虚拟水电，接入水库电站备用间隔，把２ 个电源组合后的电力电量送入电网。光伏电站接入后，黄藏寺水库整体发电能力将大幅提升，但水库承担区域供水任务和梯级水电站调峰发电任务的功能不变，因此水光互补系统仍担负海北州电网基荷运行。

梯级水电站系统由上述７ 座梯级水电站组成，担负甘肃省河西电网光伏低发期调峰任务。系统要求黄藏寺水库按计划完成日调度水量的同时，优化下泄流量过程，提高系统整体发电效益，再由具有日调节能力的龙首二级电站进行反调节，满足黑河中下游地区过流平稳要求。

２ 数据分析及特征研究

２．１ 水库调度过程和光伏电站设计

由于黄藏寺水库尚未建成投运，缺少实测数据，而且不同时期的上游来水过程、水库供水方式和蓄水位变化也有差异，对水光互补的影响各不相同，因此本文采用黄藏寺水库水资源精细化调度研究成果［８］ ，以坝址来水频率２５％、５０％、７５％ 选取代表年（１９９６ 年、１９９０ 年、２０００ 年）拟定黄藏寺水库、莺落峡断面下泄流量标准（见图２），代表年黄藏寺水库蓄水位变化情况见图３。

本文借助瑞士日内瓦大学开发的ＰＶｓｙｓｔ 软件完成水库配套光伏电站设计和模拟仿真。光伏电站位于黄藏寺水库库区右岸，气象数据采用Ｍｅｔｅｏｎｏｒｍ ８．０，水平面年总辐射量１ ７０６．４（ｋＷ·ｈ） ／ ｍ２；光伏阵列共１９７ １９０块６００ Ｗｐ 单晶双面双玻组件，总标称功率１１８．３ ＭＷｐ，组件采用固定支架横向３ 排布置，阵列倾角３８°、方位角０°、阵列间距９．７ ｍ；共３１３ 台３２０ ｋＷ组串式逆变器，总标称功率１００．２ ＭＷ，容配比为１．１８。光伏电站逐日发电功率变化曲线见图４，年并网电量

２．２０ 亿ｋＷ·ｈ。

由图５ 可知，影响水光互补系统出力稳定的主要因素：首先为多云天气，阴晴交替将产生大幅波动；其次为梯级水电站调峰发电过程（时段６：００—９：００、１９：００—２２：００），期间黄藏寺水库满发运行，迅速抬高水光互补系统出力，与相邻时段形成出力差；最后为黄藏寺水库装机容量和可调度水量限制，一是即使将日调度水量指标全部用于提高时段６：００—２２：００ 整体出力，在多云、阴雨天气下水光互补系统也很难达到晴天的出力水平；二是除阴雨天气外，黄藏寺水库基本无法实现全过程平稳出力。

４．２ 梯级水电站并网系统

黄藏寺水库通过发电流量变化将光伏出力波动传递给宝瓶河电站。宝瓶河电站正常蓄水位２ ５２１ ｍ，最低运行水位２ ５１９ ｍ，调节库容１３２ 万ｍ３，库容—水位关系为ｙ ＝０．０１５ ２ｘ＋２ ５１９（ｘ 为调节库容，万ｍ３；ｙ 为蓄水位，ｍ）；龙首二级电站最高运行水位１ ９２３ ｍ，最低运行水位１ ９０８ ｍ。典型出力场景下宝瓶河和龙首二级电站蓄水位变化范围见图６、图７。由图６、图７ 可知，宝瓶河电站为下游梯级水电站承受了光伏发电期上游来水波动，龙首二级电站承受了调峰发电对中下游灌区平稳供水的影响，两电站共同作用下蓄水位变化幅度较小。

在黄藏寺水库和宝瓶河电站调节作用下，宝瓶河至小孤山梯级水电站均可获得良好的调峰发电环境，为电网提供稳定电源，除生态基流外基本不产生发电弃水，下泄流量过程见图８。龙首二级和龙首一级电站下泄流量与莺落峡断面过流标准一致，最大流量为１０２．４ ｍ３ ／ ｓ，在宝瓶河电站预调节作用下，龙首二级电站应对区间来水变化的能力得到进一步提升，龙首二级和龙首一级电站可为电网提供全天候稳定电源，期间不产生发电弃水。

４．３ 优化调度前后对比分析

黄藏寺水库不同运用方式并网情况见表３，出力变化比计算时段为６：００—２２：００。黄藏寺水库单独运行时，时段６：００—９：００、１９：００—２２：００ 黄藏寺水库满发运行并伴有弃水过程，以解决宝瓶河电站库尾泥沙淤积，壅水影响黄藏寺尾水、无法继续承担调峰发电的问题；时段９：００—１９：００ 黄藏寺水库平稳泄流，多发电填补海北州电网日间电力供应缺口，期间不产生发电弃水。

与水电单独运行相比，水光互补使水库产生蓄水位波动，但受可调度水量和水电装机容量限制，波动幅度较小，对水电发电量影响很小。光伏电站装机是水电的２．０４ 倍，但受多云、阴雨天气影响，年并网电量２．２０亿ｋＷ·ｈ，仅为黄藏寺水库多年平均发电量的１．０８倍。水光互补模式下水电降低光伏出力波动作用显著，丰水年晴天、多云、阴雨天气典型日出力变化比同比下降７１． ３％、９２． ８％、８２． ４％，平水年同比下降８０．６％、９５．１％、９０．７％，枯水年同比下降６４．６％、７１．８％、７５．３％。水电单独运行时出力波动源于调峰发电过程，枯水年日调节水量有限时波动幅度较大，光伏电站晴天、阴雨天气典型日出力相对稳定，水光互补模式下可有效填补日间水电出力缺口。综上所述，黄藏寺水库配套光伏电站可进一步提升水库综合利用价值，但应结合当地电力送出要求，进一步论证降低光伏电站装机容量。

５ 结论

本文以黑河上游水电、光电复杂互补系统设计分析为基础，开展了黄藏寺水光互补日内优化调度研究，主要结论如下：

１）黄藏寺光伏电站设计仿真采用ＰＶｓｙｓｔ 软件完成，对于缺少实测气象数据的地区而言，光伏出力曲线波动次数、最大出力变幅和出力占比是划分晴天、多云和阴雨典型出力场景的有效方法。

２）提出了水光互补系统出力变化比概念，通过建立目标函数实现稳定系统出力过程、提高系统发电效益双目标，减少了模型目标函数个数，有利于直观反映水光互补并网系统和梯级水电站并网系统间的竞争关系，实现快速决策。

３）代表年典型出力场景模拟运行结果表明，影响黄藏寺水光互补系统出力稳定的因素包括天气、梯级水电站调峰发电过程、黄藏寺水库装机容量和可调度水量限制。

４）黄藏寺水库补偿光电出力时下泄流量产生小幅波动、补偿梯级水电站调峰发电时产生大流量来水过程，宝瓶河和龙首二级电站分别承担小幅波动稳流和莺落峡断面全天候平稳过流要求，利用这两个电站调节库容可消纳上游来水波动。

５）水光互补模式对黄藏寺水库水电发电总量影响很小，稳定光电出力波动作用显著，但应进一步考虑降低光伏电站容量配置，减轻水电补偿光电压力，利用光电日间出力优势，填补水电出力空缺，实现优化互补共赢。

本研究未将宝瓶河电站稳流过程纳入调度模型，主要原因是该过程基本不影响梯级水电站并网系统发电总量計算结果，只会影响龙首二级电站蓄水位变化，但该影响更有利于降低蓄水位变化幅度，反而削弱了区间支流来水波动性影响检验。

参考文献：

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［１０］ ＹＥ Ｔ，ＲＡＮ Ｃ，ＺＨＡＮＧ Ｘ，ｅｔ ａｌ．ＰｌａｔＥＭＯ：Ａ ＭＡＴＬＡＢ Ｐｌａｔ?ｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｍｕｌｔｉ?Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ［ Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ，２０１７，１２（４）：７３－８７．

【责任编辑 简 群】