廣西電網(wǎng)源荷特性分析及水電優(yōu)化調(diào)度建議

黃 馗

(廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 南寧 530023)

0 引 言

源-網(wǎng)-荷互動(dòng)的突出表現(xiàn)是在多元化的能源系統(tǒng)空間中實(shí)現(xiàn)各類(lèi)資源的優(yōu)化配置[1]。電力系統(tǒng)中的電源和負(fù)荷作為源-網(wǎng)-荷互動(dòng)框架體系的重要組成部分，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性，通過(guò)優(yōu)化各類(lèi)電源發(fā)電，可以提高發(fā)用電資源的合理利用，提升經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電等新能源的大幅增加，開(kāi)展了基于水、火、風(fēng)等不同電源組合與電網(wǎng)負(fù)荷之間不同尺度周期下的優(yōu)化調(diào)度[2,3]、源荷互動(dòng)決策[4]、源荷儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化策略[5]、適應(yīng)源荷不確定性的優(yōu)化[6]等方面的研究。但是，在源荷互動(dòng)關(guān)系研究中，對(duì)大規(guī)模日調(diào)節(jié)水電群占比高、火電核電風(fēng)電等電源并存運(yùn)行下的水電優(yōu)化調(diào)度研究較少。

目前，廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電站中日調(diào)節(jié)、低水頭數(shù)量占比最多[7]，廣西電網(wǎng)水電站拓?fù)鋱D如圖1所示。2011年前，廣西電源只有水電、火電并存，水火電間的優(yōu)化調(diào)度是被研究的主要內(nèi)容[8,9]，隨著風(fēng)電、核電、光伏等各類(lèi)電源快速增加，打破了水火二元并存的電源結(jié)構(gòu)，廣西電網(wǎng)成為水、火、核、風(fēng)、光等多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜大電網(wǎng)。通過(guò)不同電源間優(yōu)化調(diào)度，提高發(fā)電效益是電力調(diào)度考慮的主要目標(biāo)之一[10,11]。鑒于當(dāng)前廣西出現(xiàn)的多種電源并存的新局面，通過(guò)對(duì)水電和電網(wǎng)特性分析，開(kāi)展其與非水電源間的差異互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度研究，成為新的研究方向之一。針對(duì)以上問(wèn)題，以廣西水電為主要研究對(duì)象，開(kāi)展水電和負(fù)荷特性分析，提出在不同的非水電源或電網(wǎng)負(fù)荷變化下，水電站或水電站群在不同運(yùn)行條件下非補(bǔ)償性和補(bǔ)償性的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度策略。

1 水電特性分析

1.1 水庫(kù)調(diào)節(jié)能力弱

廣西電網(wǎng)直接調(diào)度的32個(gè)水電站整體調(diào)節(jié)能力差。32個(gè)水電站中除了右江具有年調(diào)節(jié)能力、西津和巖灘具有季調(diào)節(jié)能力外，其他電站的調(diào)節(jié)能力均為日調(diào)節(jié)及以下。在汛期由于巖灘汛限水位的限制和機(jī)組擴(kuò)建后對(duì)運(yùn)行水位的要求、西津入庫(kù)流量遠(yuǎn)超電站滿發(fā)流量且上游右江調(diào)蓄能力有限，因此在汛期，西津和巖灘的調(diào)節(jié)能力下降到周調(diào)節(jié)及以下。

從32個(gè)水電站總的調(diào)節(jié)庫(kù)容來(lái)看，水電站總的調(diào)節(jié)庫(kù)容是59 億m3，僅相當(dāng)于天生橋一級(jí)水電站(簡(jiǎn)稱天一)調(diào)節(jié)庫(kù)容、龍灘電站調(diào)節(jié)庫(kù)容的53%。在汛期，32個(gè)水電站調(diào)節(jié)庫(kù)容累計(jì)僅有28 億m3，僅占天一可調(diào)庫(kù)容的60%、龍灘可調(diào)庫(kù)容的35%。

1.2 低水頭電站占比多

32個(gè)水電站中，有28個(gè)水電站屬于低水頭水電站，有4個(gè)為中水頭水電站，沒(méi)有高水頭水電站。

在28個(gè)低水頭水電站中，設(shè)計(jì)水頭低于20 m的有25個(gè)電站。由于大多數(shù)水電站發(fā)電水頭低、庫(kù)區(qū)產(chǎn)匯流時(shí)間短，所以在汛期低水頭水電站的發(fā)電能力更容易受強(qiáng)降雨影響而劇烈變化。低水頭水電站數(shù)量多導(dǎo)致汛期發(fā)電預(yù)測(cè)難度大、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)編制96點(diǎn)計(jì)劃曲線更加復(fù)雜困難。低水頭水電站或水電站群的調(diào)度對(duì)水情數(shù)據(jù)的及時(shí)性、徑流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、水庫(kù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性要求更高。

1.3 氣候影響因子復(fù)雜

廣西地處低緯度地區(qū)且北回歸線橫穿中部，冬季受東北季風(fēng)影響，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響。引起廣西大范圍暴雨的天氣系統(tǒng)主要有鋒面、氣旋、切變線、低渦、槽、臺(tái)風(fēng)、副熱帶高壓和熱帶輻合帶等。

以上氣候特點(diǎn)使得廣西水電發(fā)電能力在豐枯季節(jié)變化明顯，同時(shí)在汛期水電發(fā)電能力受強(qiáng)降雨過(guò)程影響劇烈。無(wú)調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)能力有限的水電站，其發(fā)電能力受強(qiáng)降雨影響明顯。電網(wǎng)負(fù)荷在夏季易受暴雨、高溫反復(fù)影響而劇烈變化，在冬季受冰凍、寒潮影響而導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷豐谷差拉大。

1.4 流域入汛跨度長(zhǎng)

根據(jù)五大流域電站運(yùn)行以來(lái)的天然徑流分析，并結(jié)合氣象學(xué)意義上的入汛時(shí)間，各流域入汛時(shí)間大致如下：桂江流域3至4月入汛，柳江流域4至5月入汛，西江、紅水河、郁江流域5至6月入汛。

從以上各流域入汛時(shí)間看出，廣西五大流域，廣西桂江流域從3月開(kāi)始最先入汛，其次是柳江、西江流域入汛，最后是紅水河、郁江流域入汛，總體呈現(xiàn)自東北向西南依次先后入汛。另外，五大流域入汛時(shí)間跨度長(zhǎng)，從桂江流域入汛到郁江流域入汛，跨度時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月。

1.5 豐枯徑流變化大

盡管不同的氣候條件影響各流域的入汛時(shí)間和汛期結(jié)束時(shí)間，但各流域汛期的時(shí)間跨度基本一致，約6個(gè)月。下面分別以紅水河流域的巖灘電站、郁江流域的西津電站、柳江流域的紅花電站、西江流域的長(zhǎng)洲電站、桂江流域的金牛坪電站為各流域代表站，根據(jù)各水電站的逐月入庫(kù)流量的設(shè)計(jì)值，計(jì)算各代表站汛期和枯水期的徑流總量以及豐水期徑流總量占比，如圖2所示。

圖2表明，五大流域汛期降雨量占比均在75%以上。各流域水電代表站在豐水期和枯水期的徑流量差別明顯，汛期徑流量占全年徑流量的比例高，且都在80%以上。流域代表站汛期徑流量比例與流域汛期降雨量比例基本成正相關(guān)。

2 水電調(diào)度分析

2.1 發(fā)電預(yù)測(cè)難度大

在南方電網(wǎng)區(qū)域，廣西是受各類(lèi)天氣系統(tǒng)和氣候因子影響最復(fù)雜的一個(gè)省區(qū)，廣西氣象預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的高低在很大程度上影響水電徑流預(yù)測(cè)和發(fā)電預(yù)測(cè)。由于廣西電網(wǎng)調(diào)度的水電站調(diào)節(jié)能力差、低水頭電站多、庫(kù)區(qū)產(chǎn)匯流時(shí)間快、洪水預(yù)見(jiàn)期短，這也增加了發(fā)電預(yù)測(cè)和96點(diǎn)計(jì)劃曲線編制的難度。

因此，對(duì)于日調(diào)節(jié)且屬于低水頭的水電站，對(duì)氣象、徑流、發(fā)電預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度要求更高。如果水電站的發(fā)電預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不高，由于水電站的疊加效應(yīng)，就會(huì)造成水電群的實(shí)際出力與預(yù)測(cè)出力偏差較大。

2.2 電網(wǎng)電源多樣和負(fù)荷多變

2011年前，廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)電源只有水電和火電構(gòu)成，其中水電比重47%。2011年開(kāi)始，隨著風(fēng)電、核電、光伏、燃?xì)?、生物質(zhì)等電源的逐步投產(chǎn)運(yùn)行，清潔能源(未含水電)電源裝機(jī)容量大幅增加，2018年底，風(fēng)電裝機(jī)容量是208 萬(wàn)kW，比2011年增加42倍，年均增長(zhǎng)1.8倍；清潔能源(未含水電)裝機(jī)容量是574 萬(wàn)kW，比2011年增加116倍，年均增長(zhǎng)2.2倍。廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)各類(lèi)電源變化見(jiàn)圖3。

由于風(fēng)電、核電、光伏在日內(nèi)調(diào)度時(shí)沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，風(fēng)速或光照影響下的風(fēng)電、光伏出力偏差，在短時(shí)間內(nèi)只能由水電補(bǔ)償調(diào)度[12]。同時(shí)，由于廣西電網(wǎng)負(fù)荷尤其是汛期受氣象條件變化影響劇烈，風(fēng)電和光伏的出力也會(huì)隨著風(fēng)力或光照變化而變化，電網(wǎng)負(fù)荷或電源出力的偏差值在短時(shí)間內(nèi)多數(shù)通過(guò)調(diào)整水電補(bǔ)償。

2.3 調(diào)度關(guān)系復(fù)雜

廣西電網(wǎng)依托南方電網(wǎng)西電東送大通道，形成了交直流混合運(yùn)行、超高壓、大容量，水、火、核、風(fēng)、光等多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜大電網(wǎng)。廣西電網(wǎng)水電調(diào)度涉及南方電網(wǎng)3個(gè)省區(qū)、四級(jí)調(diào)度；南方電網(wǎng)區(qū)域三大水電基地之一的紅水河流域梯級(jí)水電站群分屬不同調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)度，在紅水河梯級(jí)9個(gè)電站中，南方電網(wǎng)直接調(diào)度3個(gè)、廣西電網(wǎng)直接調(diào)度6個(gè)；同一個(gè)水電站的發(fā)電涉及兩個(gè)省區(qū)的電力電量平衡，天一、天二、龍灘的電力電量分別按不同比例送桂送粵。此外，云電送粵、云電送桂、桂電送粵、貴電送桂在南方電網(wǎng)西電東送的廣西腹地相互交織。

2.4 綜合用水矛盾突出

年調(diào)節(jié)以上的水電站，一般在汛前完成水庫(kù)水位消落以騰空庫(kù)容；進(jìn)入汛期，需要統(tǒng)籌發(fā)電與防洪的關(guān)系，在汛限水位以下開(kāi)展水電調(diào)度；由于大型水庫(kù)汛末蓄滿率高低直接影響西江干流在枯水期的通航[13]以及珠江澳門(mén)和珠海的供水安全，因此在汛末需要統(tǒng)籌考慮大型水庫(kù)的綜合蓄水情況。

日調(diào)節(jié)及以下水電站也要考慮綜合用水需求。在枯水期，發(fā)電調(diào)度需要兼顧右江流域的生態(tài)補(bǔ)水、右江和紅水河流域下游火電站取水，以及電網(wǎng)線路檢修、突發(fā)水環(huán)境應(yīng)急事件等。在汛期，發(fā)電調(diào)度主要考慮防洪、電網(wǎng)潮流、斷面控制等因素。水電調(diào)度需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電與防洪、通航等綜合用水之間的關(guān)系，還要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電與檢修、應(yīng)急等之間的關(guān)系。

3 優(yōu)化調(diào)度策略建議

根據(jù)廣西水電站調(diào)節(jié)能力的不同，結(jié)合水電調(diào)度的特性規(guī)律及其影響因素，分別從水電調(diào)度周期的不同來(lái)分析水電優(yōu)化調(diào)度策略[14-16]。水電優(yōu)化調(diào)度策略分為兩種，一是非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度，以水電為主；二是基于補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度，統(tǒng)籌電網(wǎng)和電源負(fù)荷變化，水火核風(fēng)光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

3.1 實(shí)時(shí)調(diào)度

實(shí)時(shí)調(diào)度是基于96點(diǎn)計(jì)劃曲線的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，電網(wǎng)負(fù)荷、各類(lèi)電源出力的曲線更接近真實(shí)情況，只有在電網(wǎng)預(yù)測(cè)負(fù)荷或電源預(yù)測(cè)出力出現(xiàn)偏差時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。

非補(bǔ)償下的水電實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度，即只有水電實(shí)際與預(yù)測(cè)有偏差時(shí)，以有調(diào)節(jié)能力水電群補(bǔ)償無(wú)調(diào)節(jié)能力水電群，實(shí)現(xiàn)總體供需平衡，水電群電量最大。日調(diào)節(jié)電站實(shí)時(shí)調(diào)度應(yīng)用在電站開(kāi)閘后水電出力受阻快速變化下的單庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度，洪水前后且水電站沒(méi)有開(kāi)閘、電網(wǎng)負(fù)荷偏差、梯級(jí)發(fā)電流量不匹配、降雨實(shí)況變化等情況下的梯級(jí)水庫(kù)群實(shí)時(shí)調(diào)度。當(dāng)以上梯級(jí)電站出力調(diào)整后無(wú)法滿足供需平衡時(shí)，調(diào)整有調(diào)節(jié)能力的梯級(jí)水電群。

下達(dá)的96點(diǎn)計(jì)劃曲線中，因基于安全考慮下核電和部分火電機(jī)組的執(zhí)行剛性、風(fēng)電或光伏的不可儲(chǔ)存性，導(dǎo)致其不能補(bǔ)償負(fù)荷或電源出力偏差，此時(shí)只能由水電群參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)。由于廣西電網(wǎng)紅水河梯級(jí)6個(gè)電站的比重達(dá)到60%，因此其他26個(gè)水電站多以計(jì)劃為主，一般通過(guò)調(diào)整紅水河梯級(jí)出力補(bǔ)償偏差。對(duì)于周調(diào)節(jié)及以上的電站來(lái)說(shuō)，是在電網(wǎng)負(fù)荷變化、斷面控制要求、梯級(jí)用水匹配等情況下開(kāi)展實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度。

3.2 短期調(diào)度

由于廣西電網(wǎng)的負(fù)荷受短期氣象因素變化較大、風(fēng)電和光伏出力的不確定性較大，所以廣西電網(wǎng)水電優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)是短期調(diào)度，水電群的短期優(yōu)化調(diào)度是在補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷和風(fēng)電光伏偏差的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水電群發(fā)電量最大化。

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電光伏出力變化處于平穩(wěn)期內(nèi)，并且以降雨影響為主時(shí)，適合開(kāi)展以水電為主的非補(bǔ)償下的優(yōu)化調(diào)度。因此，基于降雨實(shí)況或預(yù)報(bào)的短期優(yōu)化調(diào)度適用于廣西日調(diào)節(jié)水電站，短期優(yōu)化調(diào)度主要是開(kāi)展洪前預(yù)泄優(yōu)化調(diào)度。在洪水消退過(guò)程中，一是開(kāi)展攔蓄洪尾，根據(jù)徑流預(yù)報(bào)結(jié)果，當(dāng)入庫(kù)流量接近機(jī)組滿發(fā)最大引用流量時(shí)，提前減少閘門(mén)開(kāi)度、及時(shí)利用可調(diào)庫(kù)容回蓄至正常水位運(yùn)行；二是基于梯級(jí)水電站上下游用水不匹配，利用不開(kāi)閘泄洪的水電站可調(diào)庫(kù)容開(kāi)展梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度。三是由于不同流域水文條件的差異、降雨時(shí)間不同、產(chǎn)匯流時(shí)間不同，短期內(nèi)利用不同流域水電群的可調(diào)庫(kù)容開(kāi)展跨流域優(yōu)化調(diào)度。

在電網(wǎng)負(fù)荷或風(fēng)電光伏出力受短期氣溫或風(fēng)力、光照等因素影響，出現(xiàn)大幅變化時(shí)，開(kāi)展基于補(bǔ)償?shù)乃妰?yōu)化調(diào)度，水火核風(fēng)光等電源有不同組合的優(yōu)化調(diào)度模型。一是短期內(nèi)受降溫或升溫、臺(tái)風(fēng)或寒潮等影響，電網(wǎng)負(fù)荷變化下的水火核短期優(yōu)化調(diào)度以滿足電網(wǎng)需求，在火電機(jī)組啟?；蛏疃日{(diào)峰、核電機(jī)組調(diào)峰后優(yōu)化水電站梯級(jí)出力，有調(diào)節(jié)能力的日調(diào)節(jié)電站的發(fā)電計(jì)劃曲線匹配電網(wǎng)負(fù)荷變化曲線，以有周調(diào)節(jié)能力及以上的電站為主開(kāi)展流域梯級(jí)水電群優(yōu)化調(diào)度以匹配電網(wǎng)負(fù)荷變化。二是短期內(nèi)由于風(fēng)力或光照等氣象發(fā)生變化導(dǎo)致風(fēng)電或光伏出力大幅變化，通過(guò)水火風(fēng)光優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)新能源的最大化消納。

3.3 中長(zhǎng)期調(diào)度

由于廣西電網(wǎng)直接調(diào)度的年調(diào)節(jié)水電站只有右江，對(duì)于月度以上的中長(zhǎng)期調(diào)度，右江的優(yōu)化調(diào)度主要是滿足生態(tài)、航運(yùn)、供水等，以及右江下游梯級(jí)水電站檢修后的發(fā)電用水匹配等約束，在汛前發(fā)電優(yōu)化調(diào)度主要是完成年度消落計(jì)劃、汛末科學(xué)蓄水以確保枯水期的電力供應(yīng)和綜合用水，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)流域發(fā)電量最大。

由于廣西五大流域中紅水河流域和郁江流域總裝機(jī)容量和發(fā)電量占廣西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電裝機(jī)和發(fā)電量的2/3，同時(shí)紅水河流域、郁江流域上游均有年調(diào)節(jié)龍頭電站，兩個(gè)流域豐枯不同步且相差一個(gè)月左右，這些有利條件為汛期兩個(gè)梯級(jí)流域的庫(kù)容補(bǔ)償、水文補(bǔ)償調(diào)度創(chuàng)造了條件，兩個(gè)流域在汛期可更好開(kāi)展跨流域補(bǔ)償調(diào)度。同時(shí)可以借助南方電網(wǎng)大平臺(tái)開(kāi)展跨省區(qū)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

4 結(jié) 論

基于對(duì)廣西電網(wǎng)源荷特性的分析，日調(diào)節(jié)電站為主的廣西電網(wǎng)在開(kāi)展水電調(diào)度時(shí)，以實(shí)時(shí)調(diào)度和短期調(diào)度為主，分為非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度和補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度。

在只有水情或來(lái)水變化時(shí)，非補(bǔ)償性的水電優(yōu)化調(diào)度以水電群為主，日內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)度是基于實(shí)際發(fā)電與預(yù)測(cè)的96點(diǎn)發(fā)電計(jì)劃曲線偏差下的調(diào)整，單庫(kù)的短期調(diào)度以預(yù)泄騰庫(kù)和攔蓄洪尾為主、水庫(kù)群的以梯級(jí)優(yōu)化和跨流域補(bǔ)償調(diào)度為主。

在電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電、光伏等任一條件發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)展基于水電補(bǔ)償下的水火核風(fēng)光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。日內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)度以主力梯級(jí)紅水河流域?yàn)橹鏖_(kāi)展補(bǔ)償調(diào)度。短期調(diào)度是以水電、火電、核電的優(yōu)先順序，補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷、風(fēng)電或光伏出力變化下的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。

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