電價下行下沅水梯級水電站群中長期聯合調度策略研究

羅立軍，肖 楊，王渤權，何葵東，姜曉峰，伍 昕

(1.國家電力投資集團有限公司水電產業創新中心，湖南 長沙 410004；2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211100；3.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 概 述

隨著社會經濟的快速發展，對能源的需求也在不斷地增加。另一方面，隨著生態文明建設穩步推進，大力發展可再生能源勢在必行。我國是水資源豐富的大國，擁有數以萬計的河流，蘊藏著巨大的水能資源。目前已形成十三大水電基地，水電站群規模龐大，由于水電是一種清潔能源，且具有啟停迅速、運轉靈活、響應負荷變化快等優點，因此在可再生能源中占據重要位置。眾所周知，梯級水電站上下游水庫之間存在著密切的水力與電力聯系，開展梯級水庫群聯合優化調度研究，可充分發揮水庫間的水文補償和庫容補償作用，挖掘梯級水電站的發電潛能。王浩等[1]總結了梯級水庫群聯合調度的關鍵技術，探討了未來水庫群調度研究的發展方向；郭生練等[2]系統闡述了水庫群聯合優化調度方法，對水庫群聯合優化調度的應用進行了研究；紀昌明等[3]提出了基于泛函思想的水庫優化調度技術，有效減少了傳統優化方法中產生的“維數災”問題，提高了算法的計算效率。上述專家學者均為水庫群優化調度作出了重要貢獻。

自2015年中發9號文發布以來，電力市場化進程不斷加速，發電企業參與市場化交易的電量規模逐年增長。水電上網電價成為了調度計劃制作中不可忽視的一個重要因素，因此考慮電價的水庫群優化調度研究對于水電站實際運行生產具有重要的意義。肖楊等[4]以梯級水庫發電量最大和發電效益最大為目標對沅水流域梯級水庫中長期優化調度策略進行了研究；鄺錄章[5]考慮電網豐枯水期電價因素，以發電收入最大為目標，對沅水流域三板溪、五強溪水庫聯合優化調度方案進行了研究；劉芳[6]對梯級水電站優化調度模型和方法、電力市場環境下面臨問題及參與市場交易策略進行了深入研究；盧立宇等[7]以梯級水電站發電收入最大化為目標，研究得出了不同來水和市場環境下的大渡河中下游梯級水庫優化調度方案。

目前湖南水電已全面進入電力市場結算，隨著電力市場改革的深入推進，水電上網電價整體呈現下行趨勢，這對沅水流域梯級水電站運行帶來一定的影響。基于此，本文針對上網電價上調和下調情況分別進行研究，構建沅水梯級水庫群中長期優化調度模型，通過模型求解分析不同電價、不同年型影響下的水庫最佳運行策略，為實現沅水流域梯級水電站發電效益最大化提供決策參考。

1 梯級水電站優化調度模型

1.1 目標函數

給定調度期內來水過程和水庫始末庫水位，綜合考慮各水電站實際運行條件和約束要求，確定流域梯級各水庫的用水過程，使得調度期內流域梯級水電站總售電收入最大，其目標函數為

(1)

式中，E為梯級水電站調度期內的最大發電收入；βit為第i電站第t時段的上網電價；Nit(qit，Hit)為第i水電站第t時段的發電出力；qit為第i水電站第t時段的發電流量；Hit為第i水電站第t時段的發電水頭；Δt為時段小時數；T為調度期的總時段數；n為沅水流域梯級電站個數。

1.2 約束條件

沅水梯級水庫運行中考慮如下約束條件：

各庫水量平衡約束

Vi，t=Vi，t-1+(Qi，t-qi，t-Ji，t-Si，t) Δt

(2)

式中，Vi，t、Vi，t-1分別為第i庫第t時段末、初水庫蓄水量；Qi，t為第i庫第t時段入庫流量；qi，t為第i庫第t時段的發電流量；Ji，t為第i庫第t時段之棄水流量；Si，t為第i庫第t時段的損失流量。

各庫水位約束

Zit，min≤Zit≤Zit，max

(3)

式中 ，Zit為第i庫第t時刻實際壩前水位；Zit，min為第i庫第t時刻允許壩前下限水位，一般為死水位；Zit，max為第i庫第t時刻壩前允許上限水位，一般地，在非汛期為正常高水位，在汛期為汛限水位，體現了防洪的要求，具體為水庫的安全及上游地區的防洪效益決定。

各庫流量約束

qi，min≤qit≤qi，max

(4)

式中，qit為第i庫發電流量；qi，min為第i庫滿足下游航運、生態、供水等綜合利用的最小流量；qi，max為第i庫水輪機組最大過水能力。

機組出力約束

Ni，min≤Nit≤Ni，max

(5)

式中，Nit為第i電站第t時段的計算出力；Ni，min為第i電站最小負荷要求；Ni，max為第i電站最大負荷限制，Ni，max=min{N(Hit)，NYi}，其中，NYi為第i電站額定出力，N(Hit)第i電站第t時段預想出力。

1.3 模型求解

由于本文研究對象為4個具有調節性能的水庫組成的梯級水庫群，傳統優化方法易產生“維數災”問題，嚴重影響求解效率。為此，本文根據逐次逼近算法思想，結合增量動態規劃方法，提出輪庫迭代增量動態規劃方法進行求解，確保尋優性能的同時保障模型求解效率[8-9]。模型求解步驟如下：

(1)初始化模型基本參數，包括輪庫迭代次數K、計算水庫數n、調度期時段數T、搜索補償ΔZ、計算精度ε等。

(2)初始化每個水庫調度策略線。初始調度過程線方法較多，本文采用單庫動態規劃方法初始化各個水庫的水位過程

其中，迭代次數d=0；n為水電站個數。

(3)選擇第k個水庫進行尋優，固定其他水庫水位過程不變；轉到步驟(4)。

(5)以初始可行調度線為中心，在其上下各取若干個各水位增量(步長)ΔZ，形成若干個離散值的策略“廊道”。在t=0和t=T，ΔZ=0。

(8)令k=k+1，返回步驟(4)繼續進行計算，當所有水庫全部計算完成后判斷是否滿足終止條件，若否，則令k=0，返回步驟(4)；若是，則輸出結果。

模型求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程

2 沅水流域概況

沅水是洞庭湖水系四水之一，發源于貴州省東南部，流域范圍包括湘西、黔東、渝東南、鄂西等部分地區，在常德德山流入洞庭湖。沅水流域面積90 000 km2，干流全長1 028 km，總落差1 033 m，水能蘊藏量豐富，是國家十三大水電基地之一的湘西水電基地的重要組成部分。沅水流域屬亞熱帶季風氣候，溫濕多雨，四季分明，流域內平均降雨量在1 000～1 730 mm，水力資源豐富，是洞庭湖水系湘資沅澧四水中水量最大的河流，其水量占洞庭湖水系的40%。沅水干流水量豐沛，占全流域的60%，其中干流上具有季調節及以上調節能力的水電站有三板溪、白市、托口、五強溪等4座水電站，各水電站基本特征值見表1、流域位置如圖2所示。

表1 各水電站水庫基本信息

圖2 沅水流域示意

五凌電力有限公司根據國務院授權，按“流域、梯級、滾動、綜合”的方針，全面負責沅水流域梯級水電站的開發、建設與經營，目前沅水流域水電站已開發完成，全部投入正常運用。上述4座水電站均隸屬于五凌電力有限公司，同一主體、構成上下游梯級水電站，非常有利于開展梯級水庫的聯合優化調度。開展梯級水庫聯合優化調度能夠充分發揮各水庫間的水文補償與庫容補償作用，能夠最大限度地提高流域的水資源利用效率，從而顯著增加梯級水電站的整體發電效益。隨著電力市場的深入推進，為尋求沅水流域梯級水電站發電效益最大化，急需對不同上網電價下的流域聯合優化調度策略進行深入研究。

3 計算結果與分析

目前水電已進入電力市場，水電上網電價整體呈下行趨勢，本文研究在水電上網電價上行和下行情況下，沅水流域梯級水電站各水庫的最優運行策略。選取沅水干流三板溪、白市、托口、五強溪等4座水電站組成沅水流域梯級水電站，各水電站的上網電價分別設定為0.36、0.40、0.40、0.27元/(kW·h)。以設定的上網電價為基準，各水電站上網電價分別同步上調0.02、0.04、0.06元/(kW·h)，同步下調0.02、0.04、0.06、0.08元/(kW·h)，共組成8組上網電價。從2007年～2019年中挑選豐、平、枯典型年各一年，分別為2014年、2010年、2011年。以式(1)為目標函數，滿足式(2)～(5)的約束條件，進行梯級水電站聯合優化調度計算。

3.1 計算結果

計算的年度發電量見表2，各水電站在設定上網電價下豐、平、枯水年份年度最優運行過程如圖3所示，豐、平、枯3種典型年份上網電價與三板溪水庫消落水位關系如圖4所示。

圖3 設定上網電價下豐、平、枯水年份各水電站年度最優運行過程

圖4 上網電價與三板溪水庫消落水位關系

表2 上網電價同步升降時梯級聯合優化調度中各水電站的發電量

3.2 優化策略分析

由圖3分析沅水流域梯級水電站聯合優化調度策略為：①三板溪水電站為流域“龍頭”多年調節水庫，應充分發揮調節庫容攔豐補枯，發揮對梯級調節補償作用，提升流域梯級的整體發電效益，于上一年度末開始消落庫水位，至汛前3月份消落至低水位，來水越豐消落深度越大，消落至最低水位的時間越靠前，5月份前后開始為下游攔洪蓄水，6月份擇機蓄滿；②白市、托口與五強溪水電站在三板溪汛前庫水位消落期間維持高水位運行，充分發揮水頭效益，三板溪庫水位消落到位后，其他各水庫開始消落庫水位(3月～4月)，先消落上游水庫、后消落下游水庫，4月份消落至低水位，7月份各水庫擇機蓄水，并于8月份蓄滿。

對于不同的來水年份，沅水流域梯級水庫聯合優化調度的運行策略如下：

(1)枯水年份。三板溪水電站2月份開始緩慢消落，4月份消落至低水位，較平水年和豐水年，汛前消落庫水位時間推遲，消落至最低水位的時間也偏晚，且消落深度大幅減小，5月份主汛期開始為下游攔洪逐步蓄水抬升庫水位，6月下旬蓄至高水位。白市、托口水電站于4月份開始消落庫水位，5月份消落至低水位，6月下旬開始逐步蓄水；五強溪水電站按照汛期分期水位控制高水位運行，7月份開始蓄水，9月份方蓄滿。

(2)平水年份。三板溪水電站上一年度末開始加大發電方式消落庫水位，為下游補償水量，同時騰出庫容攔蓄汛期下游水電站無法通過發電來利用的上游來水，以增加整個梯級的發電效益，3月份消至低水位，而后為下游各水電站攔洪而逐步抬升庫水位，6月中下旬蓄至高水位。白市、托口水電站于4月份開始消落庫水位，5月底消落至低水位，7月開始逐步蓄水。五強溪水電站汛前期按分期水位控制運行，7月份在年度大洪水來臨前消落至低水位，而后利用洪尾開始蓄水，可于8月份蓄滿。

(3)豐水年份。與平水年份類似，三板溪水電站于上一年度末開始通過發電消落庫水位，3月下旬降至低水位并維持至5月份，主汛期為下游各水電站攔洪而蓄水，7月初蓄至高水位。白市、托口水電站于3月底開始消落庫水位，4月上旬即消落至低水位并維持至5月份，而后按汛限水位控制，7月下旬蓄水并于8月初蓄滿。因來水豐沛，汛期五強溪水電站難以通過發電消落庫水位，所以為發揮水頭效益而維持在汛限水位運行，汛末即可蓄滿。

在上網電價同步上調和下調的情況下，下游白市、托口、五強溪的水位控制運行策略變化不大，為實現梯級水電站整體發電效益的最大，主要體現在三板溪水電站維持自身發電效益與其為下游各梯級水電站的補償效益的權衡。由圖4可看出，隨著上網電價同步下降，三板溪消落水位上升，上網電價每下降0.02元/(kW·h)，三板溪消落水位在豐水年、平水年、枯水年分別上漲1.09、0.20、1.34 m。這是因為上網電價同步下降時，下游各水電站發電效益下降，三板溪對下游各電站的補償效應削弱，下游各電站從犧牲三板溪水頭效益中所置換的發電效益逐步降低，所以隨著上網電價下降，三板溪自身的發電效益在梯級水電站中的比重上升，提高自身消落水位有利于保障本電站的水頭與發電效益，也提升了梯級的整體發電效益。

4 總結與展望

開展沅水流域梯級水電站聯合優化調度，可以較單一常規調度顯著提升發電效益，進而實現流域水資源高效利用的目標。本文通過構建沅水梯級水庫群發電效益最大模型，分析研究不同典型年不同上網電價下沅水干流梯級水電站的最優運行策略，得到結論如下：

(1)三板溪水庫作為梯級水庫群的龍頭水庫，對下游起到重要的調蓄作用，在設定的電價下，不同年型表現出不同的消落規律，在枯水年、平水年、豐水年三板溪自調度期開始消落，分別于4月下旬、3月下旬、3月下旬消落至最低水位，下游水庫自三板溪消落至最低水位后開始進行集中消落。

(2)在上網電價同步上調和下調的情況下，對三板溪水位消落策略影響較大，在豐水年、平水年、枯水年上網電價每同步下調0.02元/(kW·h)，三板溪消落至的最低庫水位分別上漲1.09、0.20、1.34 m，而其他水庫相對變化較小。

(3)本文研究內容為沅水流域梯級水電站的經濟運行和電力市場營銷提供科學指導，有利于在新電力市場環境下實現梯級水電站整體發電效益的最大化。

隨著水電逐步深入參與市場交易，發電企業和電網均需要較為精準的中長期水電發電能力預測和負荷預測，從而制定最優的水電發電競價策略。所以需進一步研究如何提升流域的中長期降雨預報和來水預測，進而開發應用集成中長期徑流預報與滿足電力市場交易規則的最優發電策略于一體的水電最優發電能力預測系統，以實現新電力市場規則下流域梯級水電站發電效益的最大化，同時提升水庫調度業務的智能化水平。