基于棄水邊界條件下的葛洲壩電站日發(fā)電計(jì)劃制作策略研究

李天成，鮑正風(fēng)，王 祥，黃鈺凱，劉 園，龐樹森

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133)

0 引 言

三峽水利樞紐是長江干流河道控制性骨干工程，有巨大的調(diào)蓄能力，承擔(dān)著防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)和補(bǔ)水等綜合利用任務(wù)。葛洲壩水利樞紐位于其下游，二者相距僅38 km，具有緊密的水力、電力聯(lián)系。葛洲壩水庫承擔(dān)著三峽水庫日常運(yùn)行的反調(diào)節(jié)工作，徑流式無調(diào)節(jié)能力的特性制約了三峽水庫出庫流量和調(diào)峰量的變化幅度，同時(shí)葛洲壩電站機(jī)組運(yùn)行工況對發(fā)電水頭的敏感性也深受三峽水庫出庫流量變化的影響。因此，對于葛洲壩水庫的優(yōu)化調(diào)度，尤其是短期優(yōu)化調(diào)度，三峽水庫的運(yùn)行方式對其會產(chǎn)生很大的影響。

在短期優(yōu)化調(diào)度中，日發(fā)電計(jì)劃對保障電力系統(tǒng)和電站實(shí)時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，也是水庫短期優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)際工作中，許多約束因素大大地增加了三峽-葛洲壩梯級水電站日發(fā)電計(jì)劃制作的難度，尤其是葛洲壩發(fā)電計(jì)劃。葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃制作出現(xiàn)偏差，通常需要在計(jì)劃執(zhí)行的過程中與電網(wǎng)溝通進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，然而頻繁修改計(jì)劃對電網(wǎng)安全運(yùn)行，下游航道安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行均會產(chǎn)生不利影響[1-2]。此外，從水資源最大化利用角度出發(fā)，水電站在運(yùn)行過程中，通常會盡量避免發(fā)生棄水，因此，對葛洲壩處于棄水邊緣條件下的日發(fā)電計(jì)劃制作策略研究尤為重要。姚躍庭等[3]根據(jù)多年實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，闡述了葛洲壩電站機(jī)組出力影響因素，并分別對葛洲壩棄水期、非棄水期和三峽調(diào)峰要求提出了葛洲壩電站日發(fā)電計(jì)劃大體制作思路；蔡治國等[4]采用混合遺傳算法建立了廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，并應(yīng)用于葛洲壩電站非汛期日發(fā)電計(jì)劃編制中。從已有研究來看，少有文獻(xiàn)對葛洲壩棄水邊界條件下的日發(fā)電計(jì)劃制作進(jìn)行研究，基于此，本文以三峽出庫流量處于葛洲壩水庫棄水邊界條件為基礎(chǔ)，并結(jié)合考慮三峽電站的單峰、雙峰不同調(diào)峰模式[5- 6]，對葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃制作策略展開研究。

1 模型建立

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求，電站日發(fā)電計(jì)劃編制方式按日內(nèi)96點(diǎn)編制，即將一日分為96個時(shí)段，一個時(shí)段為15 min，每個時(shí)段分別對應(yīng)一個電站時(shí)段平均出力。因此，本文在模型建立中，以日為調(diào)度期，15 min為時(shí)段長。模型以葛洲壩電站棄水量最小為目標(biāo)函數(shù)

(1)

式中，i為調(diào)度期內(nèi)的第i個時(shí)段；N為調(diào)度期內(nèi)的時(shí)段總數(shù)，N=96；q棄i為調(diào)度期內(nèi)第i時(shí)段葛洲壩水庫棄水量，m3。

模型在求解過程中的各類約束包括水量平衡約束、葛洲壩期初水位約束、葛洲壩庫水位變幅約束、葛洲壩水位上限、下限約束，求解方法采用離散微分動態(tài)規(guī)劃法(DDDP)。約束考慮了水量平衡約束、期初水位約束、水位變幅約束、水位上下限約束等。

2 情景方案及案例分析

2.1 情景方案

根據(jù)上文分析，葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站運(yùn)行方式如表1所示。

表1 葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站運(yùn)行方式

2.2 案例分析

三峽電站在調(diào)峰模式和日均出庫流量一定的情況下，其日調(diào)峰量也是一個變化的值，然而，實(shí)際上葛洲壩水庫的棄水風(fēng)險(xiǎn)是隨著三峽日調(diào)峰量的增加而逐步增加的，因此，在本文研究中，只需對三峽電站日調(diào)峰量最大情況下的葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃制作策略進(jìn)行研究即可。

2.2.1三峽日均出庫18500m3/s

2.2.1.1 三峽單峰

三峽日內(nèi)平均出庫為18 500 m3/s，日均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時(shí)間長19 h，調(diào)峰量500萬kW。三峽日發(fā)電計(jì)劃如圖1所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖2，葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃如圖3所示。

圖1 三峽日發(fā)電計(jì)劃

圖2 葛洲壩庫水位變化過程

圖3 葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃

由圖1可以看出，三峽單峰，日內(nèi)平均出庫為18 500 m3/s(出力約為1 400萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時(shí)，調(diào)峰量500萬kW幾乎是三峽電站調(diào)峰量的極大值，此時(shí)，三峽電站出力從起調(diào)時(shí)間開始，出力逐步提高。由圖2可以看出，葛洲壩水庫水位過程前期偏向于維持低水位63.5 m運(yùn)行，在三峽調(diào)減負(fù)荷時(shí)，葛洲壩水庫運(yùn)行水位逐步抬升至水位上限，調(diào)度期內(nèi)葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。由圖3可以看出，穩(wěn)定之后葛洲壩電站出力約為267萬kW。

根據(jù)圖1可知，若三峽電站調(diào)峰量需繼續(xù)增加，則高峰出力必須相應(yīng)增加，則三峽高峰出力將大于1 500萬kW，出庫流量將大于19 800 m3/s。但是，三峽高峰出力大于1 500萬kW時(shí)，葛洲壩是否能繼續(xù)保持不棄水需要進(jìn)一步探討。因此給定如下情景：三峽日內(nèi)平均出庫為18 500 m3/s，平均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 525萬kW，高峰持續(xù)時(shí)間長17.75 h，調(diào)峰量500萬kW。由圖4可以看出，此時(shí)葛洲壩水庫發(fā)生棄水。綜上分析可知：①葛洲壩棄水邊界條件下的三峽高峰出力極限值約為1 500萬kW，當(dāng)三峽高峰出力超過該值時(shí)，葛洲壩存在很大的棄水風(fēng)險(xiǎn)。因此，在文后續(xù)研究中，三峽高峰出力以1 500萬kW為上限。②三峽日均出力在1 400萬kW(日均出庫18 500 m3/s)時(shí)，葛洲壩棄水邊界條件下的三峽電站日調(diào)峰量極限值約為500萬kW，當(dāng)三峽日調(diào)峰量超過該值時(shí)，葛洲壩存在很大的棄水風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 葛洲壩水庫棄水流量

2.2.1.2 三峽雙峰

三峽日內(nèi)平均出庫為18 500 m3/s，平均出力約為1 400萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時(shí)間長12 h，調(diào)峰量450萬kW，腰荷出力1 450萬kW。三峽日發(fā)電計(jì)劃如圖5所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖6。

圖5 三峽日發(fā)電計(jì)劃

圖6 葛洲壩庫水位變化過程

由圖5可以看出，三峽雙峰，日內(nèi)平均出庫為18 500 m3/s(出力約為1400萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應(yīng)高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時(shí)，腰荷出力為1 450萬kW，調(diào)峰量450萬kW，幾乎是三峽電站調(diào)峰量的極大值，此時(shí)，三峽電站出力從起調(diào)時(shí)間開始，出力逐步提高。由圖6可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于水位下限63.5 m運(yùn)行，隨著三峽出力進(jìn)入腰荷時(shí)，葛洲壩水庫水位逐步抬升至64 m附近，三峽腰荷期間，葛洲壩水庫維持該水位穩(wěn)定運(yùn)行；腰荷過后進(jìn)入晚高峰，葛洲壩水庫水位逐步降至水位下限63.5 m運(yùn)行；隨著晚高峰結(jié)束，三峽出力逐步下降，葛洲壩水庫水位逐步抬升至水位上限運(yùn)行。調(diào)度期內(nèi)葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應(yīng)日發(fā)電計(jì)劃如圖7所示。

圖7 葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃

2.2.2三峽日均出庫19000m3/s

2.2.2.1 三峽單峰

三峽日內(nèi)平均出庫為19 000m3/s，平均出力約為1 440萬kW，高峰出力為1500萬kW，高峰持續(xù)時(shí)間長19.5 h，調(diào)峰量400萬kW。三峽日發(fā)電計(jì)劃如圖8所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖9。

由圖8可以看出，三峽單峰，日內(nèi)平均出庫為19 000 m3/s(出力約為1 440萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應(yīng)高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時(shí)，調(diào)峰量400萬kW幾乎是三峽電站調(diào)峰量的極大值。由圖9可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于水位下限63.5 m運(yùn)行，后續(xù)庫水位維持該水位運(yùn)行，在三峽調(diào)減負(fù)荷時(shí)，葛洲壩水庫運(yùn)行水位逐步抬升至65.7 m左右，調(diào)度期內(nèi)葛洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應(yīng)日發(fā)電計(jì)劃如圖10所示。

圖8 三峽日發(fā)電計(jì)劃

圖9 葛洲壩庫水位變化過程

圖10 葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃

2.2.2.2 三峽雙峰

三峽日均出庫為19 000m3/s，平均出力約為1 440萬kW，高峰出力上限為1 500萬kW。從上述三峽日均出力和高峰出力上限可知，該種情景三峽電站無法進(jìn)行雙峰模式。若在三峽電站日均出庫為19 000 m3/s的情況下，三峽電站需要采用雙峰模式，必須提高三峽電站高峰出力，則三峽電站高峰出力將大于1 500萬kW，此時(shí)，葛洲壩水庫面臨極大棄水風(fēng)險(xiǎn)，且風(fēng)險(xiǎn)隨著三峽日均出庫增加而增加。

由上述分析可知，三峽日均出庫在19 000 m3/s及以上情況，為減小葛洲壩棄水風(fēng)險(xiǎn)，不建議三峽電站日出力計(jì)劃采取雙峰模式。若采取雙峰模式，則葛洲壩水庫面臨很大棄水風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，葛洲壩電站日出力計(jì)劃制作策略可轉(zhuǎn)為梯級電站發(fā)電量最大等其余目標(biāo)，兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。因此，在本文后續(xù)研究中，不再對三峽電站雙峰模式進(jìn)行分析。

2.2.3三峽日均出庫19500m3/s

2.2.3.1 三峽單峰

三峽日內(nèi)平均出庫為19 500 m3/s，平均出力約為1 480萬kW，高峰出力為1 500萬kW，高峰持續(xù)時(shí)間長20.25 h，調(diào)峰量300萬kW，三峽日發(fā)電計(jì)劃如圖11所示，葛洲壩庫水位變化過程見圖12。

圖11 三峽日發(fā)電計(jì)劃

圖12 葛洲壩庫水位變化過程

由圖11可以看出，三峽單峰，日內(nèi)平均出庫為19 500 m3/s(出力約為1 480萬kW)，高峰出力為1 500萬kW(對應(yīng)高峰出庫流量約為19 800 m3/s)時(shí)，調(diào)峰量300萬kW幾乎是三峽電站調(diào)峰量的極大值。由圖12可以看出，葛洲壩庫水位過程前期偏向于最低水位63.5 m運(yùn)行，后續(xù)庫水位維持該水位運(yùn)行，在三峽調(diào)減負(fù)荷時(shí)，葛洲壩水庫運(yùn)行水位逐步抬升至65.3 m左右，調(diào)度期內(nèi)洲壩水庫無棄水發(fā)生。葛洲壩電站對應(yīng)日發(fā)電計(jì)劃如圖13所示。

圖13 葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃

2.2.4三峽日均出庫20000m3/s

三峽日均出庫維持在20 000 m3/s左右，對應(yīng)出力約為1 515萬kW，已超過前文分析的葛洲壩棄水邊界條件下的三峽高峰出力極限值(1 500萬kW)，此時(shí)葛洲壩存在很大的棄水風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)三峽日均出庫在20 000 m3/s及以上時(shí)，建議葛洲壩日出力計(jì)劃制作策略轉(zhuǎn)為梯級發(fā)電量最大等其余目標(biāo)，兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

本文以三峽水庫日均出庫流量、三峽電站日調(diào)峰量構(gòu)建多情景計(jì)算方案；以葛洲壩棄水量最小為目標(biāo)，探究了葛洲壩電站棄水邊界下，在上述不同計(jì)算情景下的日發(fā)電計(jì)劃制作策略，得出：

(1)當(dāng)三峽日均出庫在20 000 m3/s(出力約為1 515萬kW)及以上時(shí)，葛洲壩水庫存在較大棄水風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，建議葛洲壩日出力計(jì)劃制作策略轉(zhuǎn)為梯級發(fā)電量最大等其余目標(biāo)，兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。

(2)三峽電站高峰時(shí)段出力超出1 500萬kW時(shí)，葛洲壩水庫存在較大棄水風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，建議葛洲壩日出力計(jì)劃制作策略轉(zhuǎn)為梯級發(fā)電量最大等其余目標(biāo)，兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。

(3)當(dāng)三峽日均出庫在19 000 m3/s(日均出力約為1 440萬kW)時(shí)，為減小葛洲壩棄水風(fēng)險(xiǎn)，不建議三峽電站日發(fā)電計(jì)劃采取雙峰模式，若三峽電站必須采取雙峰模式，則必須增加三峽電站高峰時(shí)段出力，葛洲壩水庫將存在較大棄水風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，建議葛洲壩日出力計(jì)劃制作策略轉(zhuǎn)為梯級發(fā)電量最大等其余目標(biāo)，兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。