流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度方案優(yōu)化分析

王 濤

(烏魯瓦提水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000)

1 工程概況

某河自源頭至河口總長(zhǎng)約140 km，落差約1 640 m，整個(gè)流域地勢(shì)東南高西北低，流域面積約2 800 km2，多年平均徑流量約44 m3/s，水能資源蘊(yùn)藏豐富，理論可用蓄能為22.8億kWh。該區(qū)域共修建了四座水庫(kù)和水電站，第一級(jí)水庫(kù)位于該流域的相鄰流域的上游，通過(guò)第一級(jí)水庫(kù)將攔蓄的水經(jīng)跨流域的引水隧洞引至某河(后文中均稱(chēng)為本河)流域，并在本河干流上修建了三座水電站，分別為第一級(jí)水庫(kù)、第二級(jí)水電站、第三級(jí)水電站和第四級(jí)水電站。前三級(jí)采用混凝土面板堆石壩型式，最后一級(jí)采用混凝土重力壩型式，第一級(jí)水庫(kù)主要以引水為主，設(shè)有引水隧洞，第二、三、四級(jí)水電站以發(fā)電為主，設(shè)有引水式發(fā)電廠房，裝機(jī)容量分別為160 MW、280 MW、70 MW。第一級(jí)水庫(kù)位于相鄰流域的上游，總庫(kù)容1.4億m3，有效庫(kù)容1.1億m3；第二級(jí)水電站位于本河道上游，總庫(kù)容1.08億m3，有效庫(kù)容0.54億m3；第三級(jí)水電站位于第二級(jí)水電站下游13 km處，總庫(kù)容3.9億m3，有效庫(kù)容1.46億m3；第四級(jí)水電站位于第三級(jí)水電站下游5.5 km處，總庫(kù)容0.4億m3，有效庫(kù)容0.02億m3。

2 調(diào)度方案優(yōu)化

2.1 模型函數(shù)及約束條件

2.1.1 模型函數(shù)

以本梯級(jí)水電站多年平均發(fā)電量來(lái)評(píng)價(jià)梯級(jí)水電站的效益[1-6]，模型的函數(shù)需要首先確定各級(jí)水電站的入庫(kù)徑流量，然后滿足運(yùn)行約束條件[7-9]，在整個(gè)調(diào)度期內(nèi)讓本梯級(jí)水電站總體發(fā)電量達(dá)到最大值，具體如下式：

(1)

2.1.2 約束條件

水庫(kù)庫(kù)容、蓄水位、發(fā)電出力和下泄流量按下式進(jìn)行約束：

式中Vi,t為i級(jí)水電站在t時(shí)段的初期庫(kù)容(m3)；Vi min為i級(jí)水電站的死庫(kù)容(m3)；Vi max為i級(jí)水電站的正常蓄水庫(kù)容(m3)；Zi,t為i級(jí)水電站在t時(shí)段的運(yùn)行水位(m)；Zi min為i級(jí)水電站的死水位(m)；Zi max為i級(jí)水電站的正常蓄水位(m)；Ni,t為i級(jí)水電站在t時(shí)段的實(shí)際出力(MW)；Ni min為i級(jí)水電站的保證出力(MW)；Ni max為i級(jí)水電站的裝機(jī)容量(MW)；Si,t為i級(jí)水電站在t時(shí)段的下泄流量(m3/s)；Si,t min為i級(jí)水電站在t時(shí)段的最小下泄流量(m3/s)；Si,tmax為i級(jí)水電站在t時(shí)段的最大下泄流量(m3/s)；qi,t為i級(jí)水電站在t時(shí)段發(fā)電流量(m3/s)；qi,tmax為i級(jí)水電站在t時(shí)段發(fā)電機(jī)組的最大過(guò)流能力(m3/s)。

2.2 模型參數(shù)

本梯級(jí)水電站主要任務(wù)是發(fā)電，徑流調(diào)節(jié)是為了增加梯級(jí)水電站的總保證出力和發(fā)電量，第一級(jí)水庫(kù)和第二級(jí)水電站屬并聯(lián)水庫(kù)，第二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)水電站屬串聯(lián)水庫(kù)，流域的水文特性和徑流基本同步，計(jì)算時(shí)采用流域多年平均徑流資料，根據(jù)梯級(jí)水電站的設(shè)計(jì)保證率為90%，各水電站參數(shù)如表1所示。

表1 梯級(jí)水電站各級(jí)水電站參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)本梯級(jí)水電站的實(shí)際情況，按照水利年將調(diào)度周期按月劃分。水利年按如下規(guī)定：4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、11月、12月、次年1月、次年2月、次年3月。為了方便模型函數(shù)求解，取每月30.4d，對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)2626560s進(jìn)行計(jì)算。以水庫(kù)蓄水初期4月初作為開(kāi)始時(shí)段，將水庫(kù)死庫(kù)容作為初始狀態(tài)，應(yīng)用“發(fā)電量最大”的模型，第二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)水電站均按照動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)度規(guī)則進(jìn)行管理，第四級(jí)水電站運(yùn)行方式為日調(diào)節(jié)，各級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對(duì)比分析如圖1、圖2和表2所示。

由圖1、圖2和表2可以看出：經(jīng)優(yōu)化后(動(dòng)態(tài)規(guī)劃后)，各級(jí)水電站的保證出力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行時(shí)的保證出力，第二級(jí)和第三級(jí)水電站優(yōu)化后的保證出力達(dá)到或接近設(shè)計(jì)保證出力，而第四級(jí)水電站優(yōu)化后的保證出力大于設(shè)計(jì)保證出力；經(jīng)優(yōu)化后(動(dòng)態(tài)規(guī)劃后)，各級(jí)水電站的發(fā)電量與實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)電量基本相同，且均高于設(shè)計(jì)發(fā)電量。

圖2 發(fā)電量結(jié)果對(duì)比

各級(jí)水電站保證出力和發(fā)電量變化具體如下：第二級(jí)水電站優(yōu)化后的保證出力19.28 MW，較實(shí)際增加102.9%，年發(fā)電量達(dá)到了3.311億kWh；第三級(jí)水電站優(yōu)化后的保證出力30.96 MW，較實(shí)際增加77.93%，年發(fā)電量達(dá)到了4.830億kWh；第四級(jí)水電站優(yōu)化后為10.40 MW，較實(shí)際增加82.46%，年發(fā)電量達(dá)到了1.540億kWh。

綜上所述，本梯級(jí)水電站經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后的總保證出力為60.64 MW，較實(shí)際運(yùn)行時(shí)的總保證出力增加了86.01%，梯級(jí)水電站年總發(fā)電量達(dá)到了9.68億kWh，較實(shí)際運(yùn)行時(shí)的年總發(fā)電量提高了1.12%。

表2 各級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對(duì)比分析

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本梯級(jí)水電站的實(shí)際情況，采用“發(fā)電量最大”的模型函數(shù)，按照水利年將調(diào)度周期按月劃分，每月30.4d對(duì)本梯級(jí)水電站進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度計(jì)算，第二級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度后的保證出力較實(shí)際運(yùn)行時(shí)增加一倍多，第三級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度后的保證出力較實(shí)際運(yùn)行時(shí)增加77.93%，第四級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度后的保證出力較實(shí)際運(yùn)行時(shí)增加82.46%。綜上，本梯級(jí)水電站經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后的總保證出力為60.64 MW，梯級(jí)水電站年總發(fā)電量較實(shí)際運(yùn)行時(shí)的年總發(fā)電量提高了1.12%。