五強溪擴機對沅水梯級發電效益及運行方式的影響分析

肖 楊，鐘平暉，王 也

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

水庫優化調度，是以綜合考慮并滿足防洪、發電、航運、生態以及供水等多目標調度需求為前提，實現水資源優化配置的重要非工程措施[1]。目前，國內外學者對水庫優化調度展開了一系列研究，尤其是多調度對象、多目標的優化調度，并取得了良好成效，能為水庫調度工作提供科學指導。周研來[2]以長江上游大渡河梯級水庫群為例，采用改進動態規劃法結合回歸分析得到聯合調度函數，并運用非線性規劃修正模擬調度過程，經濟效益顯著。馬雅麗[3]以漢江流域梯級水庫群為研究對象，采用POA算法進行多目標優化調度，取得了較好的成果。謝如昌[4]系統探索了梯級蓄能調度圖繪制及調度圖改進完善方法，并在清江梯級水庫群優化調度中應用，研究表明該方法具有一定的實用價值。肖燕[5]采用動態規劃(DP)、離散微分動態規劃(DDDP)和逐次逼近動態規劃(DPSA)混合方法，以烏江梯級水庫群為例進行中長期發電優化調度研究，其成果在實踐中具有指導意義。

五強溪擴機是目前湖南省深度開發水力資源的優質項目，本文采用動態增量規劃(IDP)、動態規劃逐次逼近(DPSA)混合的輪庫迭代方法，以發電效益最大化為目標，探索五強溪擴機機組投入運行后，對沅水梯級整體的效益以及梯級調度方式的影響，為五強溪擴機工程投產后沅水梯級整體運行方式提供科學指導。

2 沅水流域梯級水庫群簡介

五凌公司主要負責沅水流域水電廠開發的規劃、建設、運營，已先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪、掛治、白市、托口等8座梯級水電廠。為了進一步合理利用水能資源，提高電站的調峰能力及在電力系統中的作用，決定實施五強溪擴機工程，擴機工程不改變五強溪水庫現有特征水位，擬引進兩臺立軸混流式水輪機組，機組裝機500 MW(250 MW×2)，擴機工程完工后，五強溪水電站水量利用率將從75.19%提高到89.38%。五凌公司沅水梯級電站簡介見表1。沅水流域梯級電站分布圖如圖1所示。

圖1 沅水流域梯級電站分布圖

表1 五凌公司沅水梯級電站簡介一覽表

3 徑流資料處理

為實現水庫群聯合調度，需要各庫長系列入庫資料。由于沅水梯級8座水庫前后相繼建設、投產，原始徑流資料的一致性、連續性受到一定影響，需要對原始資料進行還現處理。梯級水庫群徑流資料處理包含3種情形[6]：①缺測資料的插補；②建庫前后的資料一致性處理；③上庫對下庫的影響分析處理。

根據上述3種徑流處理方法，將收集整理的徑流資料整編為八庫區間(入庫)徑流系列，選取1951～2016年共66年徑流資料作為模型徑流輸入。并以最下游凌津灘入庫年徑流量作為分組依據，將66年徑流資料分為豐水年組、平水年組和枯水年組3種不同的來水年型，其對應的在實測資料系列中的頻率分別為：[0，33.3%]、（33.3%，66.7%]、（66.7%，100%]。

4 水庫群確定性優化調度模型

三板溪、掛治、白市、托口、洪江、五強溪、凌津灘及碗米坡組成的梯級八庫系統，是一個多任務、多目標的梯級水庫群系統，將梯級八庫總發電效益最大作為目標，防洪、航運以及供水等目標作為約束條件進行優化計算，建立能模擬不同組合情景的多目標優化調度模型。

4.1 目標函數

以梯級水電站發電效益最大為目標，具體為：

T——調度期末時序或時段數；

βit——第i電站第t時段的上網電價；

Nit（qit，Hit）——第i水電站第t時段的發電出力；

qit——第i水電站第t時段的發電流量；

Hit——第i水電站第t時段的發電水頭；

Δt——時段小時數；

n——沅水流域梯級電站個數。

4.2 約束條件

水庫調度的約束條件主要包括水量平衡、水位、出力和下泄流量，以符合電網需求和滿足水庫防洪安全、航運及生態流量等要求。

（1）水量平衡約束

Vit，Vi，t-1——第i庫第t時段末、初水庫蓄水量；

Ii，t——第i庫第t時段入庫流量；

Qi，t——第i庫第t時段出庫流量。

（2）水位約束

Zi,t——第i庫第t時刻實際水位；——第i庫第t時刻允許下限水位；——第i庫第t時刻允許上限水位。

為了使優化結果更貼近實際運行結果，上限水位考慮將三板溪、白市、托口、五強溪正常蓄水位降低0.5 m，其他水位降低0.2 m；下限水位除五強溪設置為92 m(死水位90 m)，其他水庫均設置為死水位。

（3）出力約束

Ni，t——第i庫第t時刻實際出力；

Ni，t，min——第i庫最小出力；

Ni，t，max——第i庫最大出力；

考慮電站裝機容量、機組檢修、線路檢修以及電力通道限制等條件，如沅水上游三板溪、白市、托口3座水電站與牽動火電共用一條電力送出通道，4個電廠最大總出力限額為210萬kW。

（4）下泄流量[7]

Qi，t——第i庫第t時刻下泄流量；

Qi，t，min，Qi，t，max——分別為第i庫第t時刻最小及最大下泄流量。

4.3 優化算法

在求解梯級水庫群優化調度過程中，由于變量與約束條件的數量會隨著水庫個數的增加而急劇增加，若采用常規的優化算法，將會面臨“維數災”的問題[8]。本文采用逐次逼近算法(DPSA)和增量動態規劃(IDP)結合的混合模型進行求解。計算步驟如下：①根據約束條件及初、末條件，擬定各庫初始可行調度過程線，利用IDP算法進行單庫優化，得到各個水庫單庫最優調度過程線；②以作為初始解，再利用DPSA算法進行輪庫迭代，求解梯級水庫群聯合調度最優調度過程線。基本流程圖如2所示。

圖2 輪庫迭代求解流程圖

5 實例計算與結果分析

5.1 實例計算

本文以五凌公司沅水8座梯級電站水庫群為研究對象，應用逐次逼近算法(DPSA)和增量動態規劃(IDP)結合的混合優化算法分析五強溪擴機對梯級水庫群的綜合影響。計算步長為旬，調度期為1 a，8座水庫起調水位均按上限水位設置。按來水年型分組，計算沅水梯級及各電站不同來水年型多年平均發電效益及調度過程，由于除三板溪、五強溪外梯級各水庫調節庫容較小，擴機對其發電效益及調度方式影響不顯著。下文將五強溪擴機前后三板溪、五強溪、梯級不同來水年型多年平均的發電效益，以及調度過程進行對比分析，計算結果見表2，不同來水年型三板溪、五強溪調度過程見圖3～圖5。

表2 五強溪擴機前后三板溪、五強溪及梯級發電效益對比表

圖3 擴機前后豐水年三板溪、五強溪優化調度水位過程線

圖4 擴機前后平水年三板溪、五強溪優化調度水位過程線

圖5 擴機前后枯水年三板溪、五強溪優化調度水位過程線

5.2 結果分析

五強溪擴機前后梯級發電效益及三板溪、五強溪優化調度策略變化規律如下：

擴機后豐平枯來水年型梯級發電量平均增量分別為：10.66億kW·h(5.5%)、6.76億kW·h(3.96%)、3.55億kW·h(2.44%)，由表2可以看出，擴機后不同來水條件下梯級增發效益主要源自于五強溪自身增發電量，且來水越豐，擴機帶來的發電效益增量越明顯，凸顯了五強溪擴機工程的意義。

擴機前后三板溪調度水位差距主要集中在消落期。豐水年擴機后三板溪提前并加深消落，以少量水頭損失(0.61 m發電水頭和0.05億kW·h)換取五強溪水量效益及發電水頭，促使整個梯級系統發電效益提升；而平水年與枯水年擴機后三板溪消落水位較擴機前有一定提高，主要增發水頭效益。

擴機前后五強溪調度水位差距主要體現在消落期和汛前。各種年型下，擴機后優化調度水位過程線不低于擴機前。由于擴機后，消納能力顯著提高(擴機前機組最大引流能力3 135 m3/s，擴機后最大引流能力增至4 449 m3/s)，棄水量也顯著降低，擴機后普遍保持比擴機前更高水位運行，以降低單耗，在同樣的來水條件下增加發電效益。

6 結論與展望

6.1 結論

水庫群調度是對相互間具有水文、水力聯系的水庫以及相關設施進行統一協同調度，開展水庫群優化調度能夠充分發揮水庫間的水文和水庫補償作用[9]，使梯級效益最大化。由前文分析可以看出，五強溪擴機對沅水梯級的效益及調度方式影響主要與來水豐枯相關。豐水年，相比五強溪擴機前，擴機后三板溪加深消落，以三板溪水頭效益置換五強溪水頭效益及水量效益，從而提高整個梯級的發電效益。而平水年與枯水年，擴機后三板溪、五強溪均提高運行水位，增發水頭效益，從而提高整個梯級的發電效益。

五強溪擴機后，沅水梯級效益優化總體體現在三板溪、五強溪電站的水頭效益與水量效益的博弈。在實際運行中，如何在水頭效益與水量效益的博弈中實現效益最大化，給中長期天氣預報及徑流預報提出了更高的要求。

6.2 展望

（1）基于氣象預報的長中短期優化調度耦合嵌套應用研究。隨著數值氣象預報不斷發展，中短期氣象預報精度已基本滿足水庫調度需求。氣象預報的長中短期耦合嵌套優化調度應用研究可一定程度上彌補基于確定性中長期優化調度中未考慮水文的隨機性、不確定性和計算尺度大的不足，可為實時調度決策提供技術支撐。

（2）水風光多能互補調度研究。我國風、光、水能資源同宗同源，具有天然的互補性，大力發展風、光、水多能互補是實現我國能源綠色高效發展和“碳達峰”、“碳中和”的必由之路[10]。水風光多能互補現已成為當前各流域公司發展、建設及研究熱點，研究主要集中在系統容量配置、系統運行策略和評估3個方面[11]。其中，系統容量配置尤為重要，將風光接入水電站為整體作為調度對象[12]，以近期、遠景送出通道為條件控制，是最為直觀且經濟可行的規劃方式，可作為目前清水江流域水風光多能互補規劃的思路之一。