基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的水電站發(fā)電日計(jì)劃編制研究

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(1.四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，成都，610081；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 引言

水電站每日的正常運(yùn)行離不開日發(fā)電計(jì)劃的編制。目前對(duì)于水電站的短期調(diào)度運(yùn)行多基于優(yōu)化算法，以日發(fā)電收益最大、日發(fā)電量最大等為目標(biāo)，采用POA、遺傳算法等進(jìn)行優(yōu)化；但優(yōu)化算法往往會(huì)出現(xiàn)收斂于局部最優(yōu)解、計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定、負(fù)荷過程不夠平穩(wěn)甚至突變等現(xiàn)象，從而影響其指導(dǎo)水電站運(yùn)行的實(shí)用價(jià)值。對(duì)于需要承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的電站，其日發(fā)電計(jì)劃編制的依據(jù)是預(yù)報(bào)的入庫流量以及電網(wǎng)的調(diào)峰要求，該發(fā)電計(jì)劃需滿足電站出力、水位、下泄流量等約束條件，且出力過程要盡量平穩(wěn)，以滿足電網(wǎng)的要求且最大限度減少機(jī)組負(fù)荷起伏變化[1]；水位過程要隨著出力的變化而變化，無突變現(xiàn)象的發(fā)生。此外在枯水季節(jié)，仍需實(shí)行負(fù)荷廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以耗水率最小為目標(biāo)編制日發(fā)電計(jì)劃，以期用最少的水來完成電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，達(dá)到節(jié)約水資源、提高水資源利用率、增加電站收益的目的[2-3]。鑒于上述考慮，本文立足于實(shí)際，從水電站實(shí)際運(yùn)行出發(fā)，建立了一種廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與日發(fā)電計(jì)劃編制相耦合的模型，并將該模型應(yīng)用于錦屏一級(jí)水電站以檢驗(yàn)效果。

2 研究方法

2.1 約束條件

(1)水量平衡約束

Vt+1=Vt+(qt-Qt-St)△t▽tT

(1)

式中：Vt+1——電站第t時(shí)段末水庫蓄水量(m3/s)；

Vt——第t時(shí)段初水庫蓄水量(m3/s)；

qt——第t時(shí)段電站入庫流量(m3/s)；

Qt——第t時(shí)段電站發(fā)電流量(m3/s)；

St——電站第t時(shí)段棄水流量(m3/s)；

△t——計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度(s)。

(2)水庫蓄水量約束

Vt，min≤Qt≤Qt，max▽tT

(2)

式中：Vt，min——電站第t時(shí)段水庫的最小蓄水容量(m3)；

Vt——電站第t時(shí)段的水庫蓄水量(m3)；

Vt，max——電站第t時(shí)段水庫的最大蓄水容量(m3)。

(3)水庫下泄流量約束

Qt，min≤Qt≤Qt，max▽tT

(3)

St≥0 ▽tT

(4)

式中：Qt，min——電站第t時(shí)段應(yīng)保證的最小下泄流量(m3/s)；

Qt，max——電站第t時(shí)段最大允許發(fā)電流量(m3/s)。

(4)電站出力約束

Nmin≤Nt≤Nmax▽tT

(5)

式中：Nmin——電站應(yīng)保證的最小出力(MW)；

Nmax——電站各時(shí)段的最大出力(MW)。

(5)電網(wǎng)調(diào)峰約束

Nf-Ng≥TNt▽tT

式中：Nf——電站每日峰段的出力(MW)；

Ng——電站每日谷段的出力(MW)；

TNt——電網(wǎng)的調(diào)峰容量(MW)。

2.2 發(fā)電計(jì)劃編制

承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)的電站，需要編制一天內(nèi)峰、平、谷三段96點(diǎn)的發(fā)電計(jì)劃。此時(shí)，日發(fā)電計(jì)劃的編制策略[4-5]如下：

Step1：在確定日末水位Zend的基礎(chǔ)上，根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)峰容量TNt(t=0，1，…，95)，假定每日谷段出力Ng，則各個(gè)時(shí)段的出力Nt為Ng+TNt；

Step2：根據(jù)發(fā)電機(jī)組的出力-水頭-流量曲線插值計(jì)算得到每個(gè)時(shí)段的出力所需的發(fā)電流量Qt，并與入庫流量Q比較，確定蓄放水，Q>Qt時(shí)水庫蓄水，水庫水位上升；Q=Qt水庫不蓄不放，水庫水位不變；Q

Step3：遍歷96時(shí)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與Zend誤差小于某一個(gè)值。

2.3 廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

(1)目標(biāo)函數(shù)

廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是將給定的水電廠負(fù)荷過程，以全廠日發(fā)電耗水率最小為準(zhǔn)則，分解到各臺(tái)機(jī)組，得到每臺(tái)機(jī)組的日發(fā)電計(jì)劃。其目標(biāo)函數(shù)如下：

(6)

式中：η——電站日發(fā)電耗水率；

Qt——(t=0，1，…，95)各個(gè)時(shí)段的發(fā)電流量；

Nt——(t=0，1，…，95)各個(gè)時(shí)段的出力；

△t——時(shí)段間隔，每15min為一個(gè)時(shí)段。

(2)模型求解

在2.2節(jié)Step2中，首先應(yīng)以耗水率最小為目標(biāo)實(shí)行負(fù)荷在機(jī)組間的最優(yōu)分配，然后再根據(jù)發(fā)電機(jī)組的出力-水頭-流量曲線插值計(jì)算每個(gè)時(shí)段出力所需的發(fā)電流量Qt。廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型求解策略如下：

Step1：確定時(shí)段負(fù)荷Nt(t=0，1，…，95)所需的最少開機(jī)臺(tái)數(shù)M(為便于下述描述，此處M取3)，以預(yù)想出力曲線為依據(jù)確定當(dāng)前水頭下機(jī)組的最大出力；

Step2：采用遞推算法，首先給第一臺(tái)機(jī)組分配當(dāng)前水頭下的最大負(fù)荷P1，則剩余2臺(tái)機(jī)組待分配的負(fù)荷為Nt-P1；之后再給第二臺(tái)機(jī)組分配其當(dāng)前水頭下的最大負(fù)荷P2，則最后一臺(tái)機(jī)組待分配的負(fù)荷為Nt-P1-P2；

Step3：利用機(jī)組出力-水頭-流量曲線可以插值得到該時(shí)段Step2負(fù)荷分配結(jié)果下全廠的發(fā)電流量；

Step4：保持第一臺(tái)機(jī)組負(fù)荷不變，改變第二、第三臺(tái)機(jī)組間的負(fù)荷分配，插值負(fù)荷重新分配下全廠的發(fā)電流量，并與Step3中的發(fā)電流量比較，記錄較小的一個(gè)值；此時(shí)得到了第一臺(tái)機(jī)組在負(fù)荷P1下全廠的最小發(fā)電流量；

Step5：逐步縮小第一臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷P1，重復(fù)Step4，直到尋找到全廠該時(shí)段出力Nt下的最小發(fā)電流量。

上述策略同樣適用于多臺(tái)機(jī)組(M>3)間的負(fù)荷分配問題。

3 實(shí)例計(jì)算

以雅礱江錦屏一級(jí)電站為例進(jìn)行基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的日發(fā)電計(jì)劃的編制。按電網(wǎng)調(diào)度96點(diǎn)劃分一天內(nèi)的計(jì)算時(shí)段，每15min為一時(shí)段，0∶00-7∶00以及23∶00-0∶00為低谷段，7∶00-11∶00為早高峰時(shí)段，11∶00-19∶00為平段，19∶00-23∶00為晚高峰時(shí)段。在此假設(shè)某日錦屏一級(jí)入庫流量600m3/s，日初水位1840m，日末水位1839.7m，早、晚負(fù)荷高峰段調(diào)峰容量為500MW，平段為300MW。

根據(jù)上述條件編制錦屏一級(jí)日發(fā)電計(jì)劃，并與不考慮廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行(在2.2節(jié)Step2中采用水能計(jì)算基本公式綜合出力系數(shù)法計(jì)算時(shí)段出力Nt所需的發(fā)電流量Qt)的編制結(jié)果相對(duì)比，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水位、出力、發(fā)電流量結(jié)果見表1所示，日內(nèi)水位出力過程見圖1所示，耗水率統(tǒng)計(jì)見表2。

表1錦屏一級(jí)日內(nèi)96點(diǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水位、出力、發(fā)電流量

表2廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與基本運(yùn)行對(duì)比

圖1 錦屏一級(jí)日內(nèi)出力-水位過程

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，錦屏一級(jí)電站在日內(nèi)負(fù)荷高峰時(shí)段加大出力，低谷時(shí)段減少出力，水位隨出力變化而變化，高峰時(shí)段水位下降較快；在同樣的日出力過程下，不實(shí)行廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)錦屏一級(jí)日末水位消落至1839.626m，而在實(shí)行廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行下日末水位消落至1839.7m，提高了0.07m，耗水率從2.07m3/kW·h減少到1.93m3/kW·h，提高了近6.76%，節(jié)水效果顯著。

4 結(jié)語

(1)本文闡述了水庫電站基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的日發(fā)電計(jì)劃編制策略，以錦屏一級(jí)電站為例進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析；

(2)按照本文編制策略編制的水庫電站日發(fā)電計(jì)劃，能夠充分考慮電站約束條件，完成電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，電站日負(fù)荷、水位過程變化平穩(wěn)，無突變等不合理現(xiàn)象的產(chǎn)生；且相較于不實(shí)行廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的日發(fā)電計(jì)劃，電站發(fā)電耗水率明顯減小，提高了水資源利用率以及電站效益；

(3)實(shí)例結(jié)果表明，基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的日發(fā)電計(jì)劃編制策略合理可行，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可為電站的實(shí)際運(yùn)行提供一定的參考。