黃藏寺水庫水光互補(bǔ)日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度研究

陳子豪 李瑩瑩 董國(guó)濤

：黃藏寺水庫是黑河上游首座綜合利用型水庫，在青海省新能源政策支持下，配套建設(shè)光伏電站，形成水電、光電復(fù)雜互補(bǔ)系統(tǒng)。采用ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成１００ ＭＷ 光伏電站設(shè)計(jì)，提出以出力曲線波動(dòng)次數(shù)、最大出力變幅和出力占比為指標(biāo)的日出力聚類方法。以提高水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力穩(wěn)定和梯級(jí)水電站發(fā)電效益為目標(biāo)，建立黃藏寺水庫日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型，采用ＮＳＧＡ－Ⅱ算法求解。結(jié)果表明，多云天氣、梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電、黃藏寺水庫裝機(jī)容量和調(diào)度水量限制是影響水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力穩(wěn)定的主要因素；黃藏寺水庫補(bǔ)償光電出力時(shí)下泄流量產(chǎn)生小幅波動(dòng)，補(bǔ)償梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電時(shí)產(chǎn)生大流量來水過程，寶瓶河和龍首二級(jí)電站分別承擔(dān)小幅波動(dòng)穩(wěn)流和鶯落峽斷面全天候平穩(wěn)過流要求；水光互補(bǔ)模式對(duì)黃藏寺水庫水電效益影響很小，穩(wěn)定光電出力波動(dòng)作用顯著，但應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化光伏電站容量配置。

關(guān)鍵詞：黃藏寺水庫；水電；光伏發(fā)電；互補(bǔ)；優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號(hào)：ＴＭ６１２；ＴＭ６１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２８

引用格式：陳子豪，李瑩瑩，董國(guó)濤．黃藏寺水庫水光互補(bǔ)日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１５１－１５７．

黑河是我國(guó)第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山中段，由南向北流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古３ ?。▍^(qū)），全長(zhǎng)９２８ ｋｍ。黑河干流上游黃藏寺水庫于２０１６ 年開工建設(shè)，壩址距青海省祁連縣城約１９ ｋｍ，計(jì)劃２０２３ 年９ 月下閘蓄水，其投入運(yùn)行后將控制黑河上游來水總量近８０％，可有效改善黑河上游來水過程，緩解中游農(nóng)業(yè)灌溉與下游綠洲生態(tài)用水矛盾。黃藏寺水庫水資源調(diào)度主要措施為，代替中游平原水庫發(fā)揮灌溉調(diào)節(jié)功能，利用農(nóng)業(yè)灌溉用水間隙加大向下游生態(tài)調(diào)度水量，減少輸水損失和對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的影響。

２０２１ 年１ 月青海省發(fā)展改革委等４ 部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)支持儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干措施（試行）的通知》（青發(fā)改能源〔２０２１〕２６ 號(hào)），鼓勵(lì)新建水電站同步配置光伏項(xiàng)目，水電與光伏容量配比達(dá)到１ ∶ ２。光伏電站的運(yùn)行可有效緩解黃藏寺水庫日間發(fā)電壓力，提升水庫調(diào)峰發(fā)電空間，以黃藏寺水庫為核心的水光互補(bǔ)概念應(yīng)運(yùn)而生。賈一飛等［１］ 建立了光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)和水光互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度模型，為龍羊峽水庫短期調(diào)度提供了參考；張娉等［２］ 提出了水光互補(bǔ)運(yùn)行機(jī)制，為多能源互補(bǔ)研究提供了理論基礎(chǔ)；龐秀嵐等［３］ 將龍羊峽光伏電站視作虛擬水電，通過水輪發(fā)電機(jī)組快速調(diào)節(jié)，確保組合出力平穩(wěn)輸出；錢梓鋒等［４］ 構(gòu)建了水光互補(bǔ)日間調(diào)度模型，以提高龍羊峽水庫調(diào)峰發(fā)電能力；陳述等［５］ 運(yùn)用增益分析法評(píng)價(jià)水光互補(bǔ)項(xiàng)目，論證了項(xiàng)目的可行性。上述成果為黃藏寺水光互補(bǔ)研究提供了參考，但與龍羊峽水庫不同，黃藏寺水庫是黑河上游唯一一座綜合利用型水庫，將肩負(fù)水資源調(diào)度、梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電和光伏出力補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)，必須統(tǒng)籌考慮以實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用效益最大化。

黃藏寺水庫調(diào)度現(xiàn)有研究成果主要集中于水庫電站群聯(lián)合運(yùn)行［６－８］ ，未考慮水光互補(bǔ)模式。因此，本文針對(duì)水電、光電兩種能源的互補(bǔ)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了黃藏寺水庫日內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行策略。首先，根據(jù)水庫綜合利用要求構(gòu)建多元調(diào)度系統(tǒng)；其次，根據(jù)擬定的水庫調(diào)度運(yùn)行方式、配套光伏電站模擬仿真結(jié)果，確定水光互補(bǔ)典型出力場(chǎng)景；然后，以水光互補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)出力比最小、梯級(jí)水電站并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電效益最大為目標(biāo)，建立日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型；最后，根據(jù)模擬運(yùn)行結(jié)果對(duì)水光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行典型分析，以期為光伏電站決策立項(xiàng)和水庫日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度規(guī)程制定提供參考。

１ 聯(lián)合調(diào)控框架

１．１ 流域概況

黑河干流以鶯落峽、正義峽為界分上、中、下游，將黃藏寺水庫供水范圍分為梯級(jí)電站、農(nóng)業(yè)灌溉和綠洲生態(tài)３ 個(gè)供水單元。上游為產(chǎn)流區(qū)，黃藏寺水庫壩址和鶯落峽斷面多年平均徑流量分別為１２．４５ 億、１６．９０億ｍ３，區(qū)間為峽谷河段，受水范圍包括７ 座梯級(jí)水電站，自上而下基本情況見表１。河道區(qū)間補(bǔ)水主要集中于小孤山至龍首二級(jí)電站之間［７］ ；中游為徑流消耗區(qū)，是黑河流域農(nóng)業(yè)灌溉主要用水區(qū)域和人口聚集區(qū)，受水范圍包括張掖市３ 個(gè)縣（區(qū)）１２ 個(gè)灌區(qū)；下游為徑流散失區(qū)，主要是沙漠戈壁，尾閭有胡楊、紅柳等沙漠植物，受水范圍包括金塔縣鼎新灌區(qū)、東風(fēng)場(chǎng)區(qū)和額濟(jì)納綠洲。

黃藏寺水庫為碾壓混凝土重力壩，汛限水位與正常蓄水位均為２ ６２８ ｍ，死水位為２ ５８０ ｍ，興利庫容為３．３４ 億ｍ３；壩后電站裝機(jī)容量４９ ＭＷ，額定流量６５．９３ｍ３ ／ ｓ，電站出力系數(shù)８．７７，水頭損失０．９１ ｍ；黃藏寺水庫并青海省海北州電網(wǎng)，當(dāng)?shù)匾赞r(nóng)牧業(yè)為主，用電負(fù)荷小，水庫擔(dān)任基荷運(yùn)行。７ 座梯級(jí)水電站供電范圍為甘肅省河西電網(wǎng)，系統(tǒng)離負(fù)荷中心近，擔(dān)任該地區(qū)調(diào)峰任務(wù)；甘肅省電調(diào)中心對(duì)梯級(jí)水電站總體要求為，白天光伏大發(fā)期低負(fù)荷運(yùn)行，早晚用電高峰期高負(fù)荷運(yùn)行［９］ ，電力市場(chǎng)現(xiàn)貨交易出清參考價(jià)見圖１。黃藏寺水庫建成生效前，寶瓶河和龍首二級(jí)電站承擔(dān)預(yù)發(fā)、預(yù)泄和預(yù)蓄，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰發(fā)電運(yùn)行，水庫建成后代替寶瓶河電站進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，龍首二級(jí)電站承擔(dān)反調(diào)節(jié)作用。

１．２ 調(diào)度系統(tǒng)建立

黃藏寺水庫調(diào)度系統(tǒng)由水調(diào)、電調(diào)兩部分組成。根據(jù)黑河上游“電調(diào)服從水調(diào)”的原則，水庫優(yōu)先保證農(nóng)業(yè)灌溉和綠洲生態(tài)供水單元用水，滿足生態(tài)基流下泄要求，其次考慮發(fā)電利用。按照職能劃分，黑河流域年度水量調(diào)度工作（時(shí)間１２ 月—次年１１ 月）開始前，流域機(jī)構(gòu)根據(jù)黑河上游中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)分析結(jié)果確定鶯落峽斷面綜合需水過程，水庫由此確定全年調(diào)度方式，龍首一級(jí)電站下泄流量應(yīng)符合鶯落峽斷面過流標(biāo)準(zhǔn)。

電調(diào)包括水光互補(bǔ)系統(tǒng)和梯級(jí)水電站系統(tǒng)。水光互補(bǔ)系統(tǒng)由黃藏寺水庫和配套光伏電站組成，建設(shè)有１ 座１１０ ｋＶ 升壓站和架空線路，其中ＧＩＳ 設(shè)備共有２個(gè)出線間隔，１ 個(gè)間隔送出至青海省海北州八寶３３０ｋＶ 變電站、１ 個(gè)間隔備用。光伏電站為黃藏寺水庫虛擬水電，接入水庫電站備用間隔，把２ 個(gè)電源組合后的電力電量送入電網(wǎng)。光伏電站接入后，黃藏寺水庫整體發(fā)電能力將大幅提升，但水庫承擔(dān)區(qū)域供水任務(wù)和梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電任務(wù)的功能不變，因此水光互補(bǔ)系統(tǒng)仍擔(dān)負(fù)海北州電網(wǎng)基荷運(yùn)行。

梯級(jí)水電站系統(tǒng)由上述７ 座梯級(jí)水電站組成，擔(dān)負(fù)甘肅省河西電網(wǎng)光伏低發(fā)期調(diào)峰任務(wù)。系統(tǒng)要求黃藏寺水庫按計(jì)劃完成日調(diào)度水量的同時(shí)，優(yōu)化下泄流量過程，提高系統(tǒng)整體發(fā)電效益，再由具有日調(diào)節(jié)能力的龍首二級(jí)電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)，滿足黑河中下游地區(qū)過流平穩(wěn)要求。

２ 數(shù)據(jù)分析及特征研究

２．１ 水庫調(diào)度過程和光伏電站設(shè)計(jì)

由于黃藏寺水庫尚未建成投運(yùn)，缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而且不同時(shí)期的上游來水過程、水庫供水方式和蓄水位變化也有差異，對(duì)水光互補(bǔ)的影響各不相同，因此本文采用黃藏寺水庫水資源精細(xì)化調(diào)度研究成果［８］ ，以壩址來水頻率２５％、５０％、７５％ 選取代表年（１９９６ 年、１９９０ 年、２０００ 年）擬定黃藏寺水庫、鶯落峽斷面下泄流量標(biāo)準(zhǔn)（見圖２），代表年黃藏寺水庫蓄水位變化情況見圖３。

本文借助瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)開發(fā)的ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成水庫配套光伏電站設(shè)計(jì)和模擬仿真。光伏電站位于黃藏寺水庫庫區(qū)右岸，氣象數(shù)據(jù)采用Ｍｅｔｅｏｎｏｒｍ ８．０，水平面年總輻射量１ ７０６．４（ｋＷ·ｈ） ／ ｍ２；光伏陣列共１９７ １９０塊６００ Ｗｐ 單晶雙面雙玻組件，總標(biāo)稱功率１１８．３ ＭＷｐ，組件采用固定支架橫向３ 排布置，陣列傾角３８°、方位角０°、陣列間距９．７ ｍ；共３１３ 臺(tái)３２０ ｋＷ組串式逆變器，總標(biāo)稱功率１００．２ ＭＷ，容配比為１．１８。光伏電站逐日發(fā)電功率變化曲線見圖４，年并網(wǎng)電量

２．２０ 億ｋＷ·ｈ。

由圖５ 可知，影響水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力穩(wěn)定的主要因素：首先為多云天氣，陰晴交替將產(chǎn)生大幅波動(dòng)；其次為梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電過程（時(shí)段６：００—９：００、１９：００—２２：００），期間黃藏寺水庫滿發(fā)運(yùn)行，迅速抬高水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力，與相鄰時(shí)段形成出力差；最后為黃藏寺水庫裝機(jī)容量和可調(diào)度水量限制，一是即使將日調(diào)度水量指標(biāo)全部用于提高時(shí)段６：００—２２：００ 整體出力，在多云、陰雨天氣下水光互補(bǔ)系統(tǒng)也很難達(dá)到晴天的出力水平；二是除陰雨天氣外，黃藏寺水庫基本無法實(shí)現(xiàn)全過程平穩(wěn)出力。

４．２ 梯級(jí)水電站并網(wǎng)系統(tǒng)

黃藏寺水庫通過發(fā)電流量變化將光伏出力波動(dòng)傳遞給寶瓶河電站。寶瓶河電站正常蓄水位２ ５２１ ｍ，最低運(yùn)行水位２ ５１９ ｍ，調(diào)節(jié)庫容１３２ 萬ｍ３，庫容—水位關(guān)系為ｙ ＝０．０１５ ２ｘ＋２ ５１９（ｘ 為調(diào)節(jié)庫容，萬ｍ３；ｙ 為蓄水位，ｍ）；龍首二級(jí)電站最高運(yùn)行水位１ ９２３ ｍ，最低運(yùn)行水位１ ９０８ ｍ。典型出力場(chǎng)景下寶瓶河和龍首二級(jí)電站蓄水位變化范圍見圖６、圖７。由圖６、圖７ 可知，寶瓶河電站為下游梯級(jí)水電站承受了光伏發(fā)電期上游來水波動(dòng)，龍首二級(jí)電站承受了調(diào)峰發(fā)電對(duì)中下游灌區(qū)平穩(wěn)供水的影響，兩電站共同作用下蓄水位變化幅度較小。

在黃藏寺水庫和寶瓶河電站調(diào)節(jié)作用下，寶瓶河至小孤山梯級(jí)水電站均可獲得良好的調(diào)峰發(fā)電環(huán)境，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定電源，除生態(tài)基流外基本不產(chǎn)生發(fā)電棄水，下泄流量過程見圖８。龍首二級(jí)和龍首一級(jí)電站下泄流量與鶯落峽斷面過流標(biāo)準(zhǔn)一致，最大流量為１０２．４ ｍ３ ／ ｓ，在寶瓶河電站預(yù)調(diào)節(jié)作用下，龍首二級(jí)電站應(yīng)對(duì)區(qū)間來水變化的能力得到進(jìn)一步提升，龍首二級(jí)和龍首一級(jí)電站可為電網(wǎng)提供全天候穩(wěn)定電源，期間不產(chǎn)生發(fā)電棄水。

４．３ 優(yōu)化調(diào)度前后對(duì)比分析

黃藏寺水庫不同運(yùn)用方式并網(wǎng)情況見表３，出力變化比計(jì)算時(shí)段為６：００—２２：００。黃藏寺水庫單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，時(shí)段６：００—９：００、１９：００—２２：００ 黃藏寺水庫滿發(fā)運(yùn)行并伴有棄水過程，以解決寶瓶河電站庫尾泥沙淤積，壅水影響黃藏寺尾水、無法繼續(xù)承擔(dān)調(diào)峰發(fā)電的問題；時(shí)段９：００—１９：００ 黃藏寺水庫平穩(wěn)泄流，多發(fā)電填補(bǔ)海北州電網(wǎng)日間電力供應(yīng)缺口，期間不產(chǎn)生發(fā)電棄水。

與水電單獨(dú)運(yùn)行相比，水光互補(bǔ)使水庫產(chǎn)生蓄水位波動(dòng)，但受可調(diào)度水量和水電裝機(jī)容量限制，波動(dòng)幅度較小，對(duì)水電發(fā)電量影響很小。光伏電站裝機(jī)是水電的２．０４ 倍，但受多云、陰雨天氣影響，年并網(wǎng)電量２．２０億ｋＷ·ｈ，僅為黃藏寺水庫多年平均發(fā)電量的１．０８倍。水光互補(bǔ)模式下水電降低光伏出力波動(dòng)作用顯著，豐水年晴天、多云、陰雨天氣典型日出力變化比同比下降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％。水電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)出力波動(dòng)源于調(diào)峰發(fā)電過程，枯水年日調(diào)節(jié)水量有限時(shí)波動(dòng)幅度較大，光伏電站晴天、陰雨天氣典型日出力相對(duì)穩(wěn)定，水光互補(bǔ)模式下可有效填補(bǔ)日間水電出力缺口。綜上所述，黃藏寺水庫配套光伏電站可進(jìn)一步提升水庫綜合利用價(jià)值，但應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)仉娏λ统鲆?，進(jìn)一步論證降低光伏電站裝機(jī)容量。

５ 結(jié)論

本文以黑河上游水電、光電復(fù)雜互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析為基礎(chǔ)，開展了黃藏寺水光互補(bǔ)日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度研究，主要結(jié)論如下：

１）黃藏寺光伏電站設(shè)計(jì)仿真采用ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成，對(duì)于缺少實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)的地區(qū)而言，光伏出力曲線波動(dòng)次數(shù)、最大出力變幅和出力占比是劃分晴天、多云和陰雨典型出力場(chǎng)景的有效方法。

２）提出了水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力變化比概念，通過建立目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)出力過程、提高系統(tǒng)發(fā)電效益雙目標(biāo)，減少了模型目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)，有利于直觀反映水光互補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)和梯級(jí)水電站并網(wǎng)系統(tǒng)間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策。

３）代表年典型出力場(chǎng)景模擬運(yùn)行結(jié)果表明，影響黃藏寺水光互補(bǔ)系統(tǒng)出力穩(wěn)定的因素包括天氣、梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電過程、黃藏寺水庫裝機(jī)容量和可調(diào)度水量限制。

４）黃藏寺水庫補(bǔ)償光電出力時(shí)下泄流量產(chǎn)生小幅波動(dòng)、補(bǔ)償梯級(jí)水電站調(diào)峰發(fā)電時(shí)產(chǎn)生大流量來水過程，寶瓶河和龍首二級(jí)電站分別承擔(dān)小幅波動(dòng)穩(wěn)流和鶯落峽斷面全天候平穩(wěn)過流要求，利用這兩個(gè)電站調(diào)節(jié)庫容可消納上游來水波動(dòng)。

５）水光互補(bǔ)模式對(duì)黃藏寺水庫水電發(fā)電總量影響很小，穩(wěn)定光電出力波動(dòng)作用顯著，但應(yīng)進(jìn)一步考慮降低光伏電站容量配置，減輕水電補(bǔ)償光電壓力，利用光電日間出力優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)水電出力空缺，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化互補(bǔ)共贏。

本研究未將寶瓶河電站穩(wěn)流過程納入調(diào)度模型，主要原因是該過程基本不影響梯級(jí)水電站并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電總量計(jì)算結(jié)果，只會(huì)影響龍首二級(jí)電站蓄水位變化，但該影響更有利于降低蓄水位變化幅度，反而削弱了區(qū)間支流來水波動(dòng)性影響檢驗(yàn)。

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