黃藏寺水庫水光互補日內優化調度研究

陳子豪 李瑩瑩 董國濤

：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，配套建設光伏電站，形成水電、光電復雜互補系統。采用ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成１００ ＭＷ 光伏電站設計，提出以出力曲線波動次數、最大出力變幅和出力占比為指標的日出力聚類方法。以提高水光互補系統出力穩定和梯級水電站發電效益為目標，建立黃藏寺水庫日內優化調度模型，采用ＮＳＧＡ－Ⅱ算法求解。結果表明，多云天氣、梯級水電站調峰發電、黃藏寺水庫裝機容量和調度水量限制是影響水光互補系統出力穩定的主要因素；黃藏寺水庫補償光電出力時下泄流量產生小幅波動，補償梯級水電站調峰發電時產生大流量來水過程，寶瓶河和龍首二級電站分別承擔小幅波動穩流和鶯落峽斷面全天候平穩過流要求；水光互補模式對黃藏寺水庫水電效益影響很小，穩定光電出力波動作用顯著，但應進一步優化光伏電站容量配置。

關鍵詞：黃藏寺水庫；水電；光伏發電；互補；優化調度

中圖分類號：ＴＭ６１２；ＴＭ６１５ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２８

引用格式：陳子豪，李瑩瑩，董國濤．黃藏寺水庫水光互補日內優化調度研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１５１－１５７．

黑河是我國第二大內陸河，發源于祁連山中段，由南向北流經青海、甘肅、內蒙古３ 省（區），全長９２８ ｋｍ。黑河干流上游黃藏寺水庫于２０１６ 年開工建設，壩址距青海省祁連縣城約１９ ｋｍ，計劃２０２３ 年９ 月下閘蓄水，其投入運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，緩解中游農業灌溉與下游綠洲生態用水矛盾。黃藏寺水庫水資源調度主要措施為，代替中游平原水庫發揮灌溉調節功能，利用農業灌溉用水間隙加大向下游生態調度水量，減少輸水損失和對農業灌溉用水的影響。

２０２１ 年１ 月青海省發展改革委等４ 部門聯合發布《關于印發支持儲能產業發展若干措施（試行）的通知》（青發改能源〔２０２１〕２６ 號），鼓勵新建水電站同步配置光伏項目，水電與光伏容量配比達到１ ∶ ２。光伏電站的運行可有效緩解黃藏寺水庫日間發電壓力，提升水庫調峰發電空間，以黃藏寺水庫為核心的水光互補概念應運而生。賈一飛等［１］ 建立了光伏發電出力預測和水光互補優化調度模型，為龍羊峽水庫短期調度提供了參考；張娉等［２］ 提出了水光互補運行機制，為多能源互補研究提供了理論基礎；龐秀嵐等［３］ 將龍羊峽光伏電站視作虛擬水電，通過水輪發電機組快速調節，確保組合出力平穩輸出；錢梓鋒等［４］ 構建了水光互補日間調度模型，以提高龍羊峽水庫調峰發電能力；陳述等［５］ 運用增益分析法評價水光互補項目，論證了項目的可行性。上述成果為黃藏寺水光互補研究提供了參考，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，將肩負水資源調度、梯級水電站調峰發電和光伏出力補償等任務，必須統籌考慮以實現水資源綜合利用效益最大化。

黃藏寺水庫調度現有研究成果主要集中于水庫電站群聯合運行［６－８］ ，未考慮水光互補模式。因此，本文針對水電、光電兩種能源的互補系統，重點研究了黃藏寺水庫日內優化運行策略。首先，根據水庫綜合利用要求構建多元調度系統；其次，根據擬定的水庫調度運行方式、配套光伏電站模擬仿真結果，確定水光互補典型出力場景；然后，以水光互補并網系統波動出力比最小、梯級水電站并網系統發電效益最大為目標，建立日內優化調度模型；最后，根據模擬運行結果對水光互補系統進行典型分析，以期為光伏電站決策立項和水庫日內優化調度規程制定提供參考。

１ 聯合調控框架

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電站、農業灌溉和綠洲生態３ 個供水單元。上游為產流區，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，區間為峽谷河段，受水范圍包括７ 座梯級水電站，自上而下基本情況見表１。河道區間補水主要集中于小孤山至龍首二級電站之間［７］ ；中游為徑流消耗區，是黑河流域農業灌溉主要用水區域和人口聚集區，受水范圍包括張掖市３ 個縣（區）１２ 個灌區；下游為徑流散失區，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、東風場區和額濟納綠洲。

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；壩后電站裝機容量４９ ＭＷ，額定流量６５．９３ｍ３ ／ ｓ，電站出力系數８．７７，水頭損失０．９１ ｍ；黃藏寺水庫并青海省海北州電網，當地以農牧業為主，用電負荷小，水庫擔任基荷運行。７ 座梯級水電站供電范圍為甘肅省河西電網，系統離負荷中心近，擔任該地區調峰任務；甘肅省電調中心對梯級水電站總體要求為，白天光伏大發期低負荷運行，早晚用電高峰期高負荷運行［９］ ，電力市場現貨交易出清參考價見圖１。黃藏寺水庫建成生效前，寶瓶河和龍首二級電站承擔預發、預泄和預蓄，實現調峰發電運行，水庫建成后代替寶瓶河電站進行水量調節，龍首二級電站承擔反調節作用。

１．２ 調度系統建立

黃藏寺水庫調度系統由水調、電調兩部分組成。根據黑河上游“電調服從水調”的原則，水庫優先保證農業灌溉和綠洲生態供水單元用水，滿足生態基流下泄要求，其次考慮發電利用。按照職能劃分，黑河流域年度水量調度工作（時間１２ 月—次年１１ 月）開始前，流域機構根據黑河上游中長期徑流預報分析結果確定鶯落峽斷面綜合需水過程，水庫由此確定全年調度方式，龍首一級電站下泄流量應符合鶯落峽斷面過流標準。

電調包括水光互補系統和梯級水電站系統。水光互補系統由黃藏寺水庫和配套光伏電站組成，建設有１ 座１１０ ｋＶ 升壓站和架空線路，其中ＧＩＳ 設備共有２個出線間隔，１ 個間隔送出至青海省海北州八寶３３０ｋＶ 變電站、１ 個間隔備用。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 個電源組合后的電力電量送入電網。光伏電站接入后，黃藏寺水庫整體發電能力將大幅提升，但水庫承擔區域供水任務和梯級水電站調峰發電任務的功能不變，因此水光互補系統仍擔負海北州電網基荷運行。

梯級水電站系統由上述７ 座梯級水電站組成，擔負甘肅省河西電網光伏低發期調峰任務。系統要求黃藏寺水庫按計劃完成日調度水量的同時，優化下泄流量過程，提高系統整體發電效益，再由具有日調節能力的龍首二級電站進行反調節，滿足黑河中下游地區過流平穩要求。

２ 數據分析及特征研究

２．１ 水庫調度過程和光伏電站設計

由于黃藏寺水庫尚未建成投運，缺少實測數據，而且不同時期的上游來水過程、水庫供水方式和蓄水位變化也有差異，對水光互補的影響各不相同，因此本文采用黃藏寺水庫水資源精細化調度研究成果［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準（見圖２），代表年黃藏寺水庫蓄水位變化情況見圖３。

本文借助瑞士日內瓦大學開發的ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成水庫配套光伏電站設計和模擬仿真。光伏電站位于黃藏寺水庫庫區右岸，氣象數據采用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３２０ ｋＷ組串式逆變器，總標稱功率１００．２ ＭＷ，容配比為１．１８。光伏電站逐日發電功率變化曲線見圖４，年并網電量

２．２０ 億ｋＷ·ｈ。

由圖５ 可知，影響水光互補系統出力穩定的主要因素：首先為多云天氣，陰晴交替將產生大幅波動；其次為梯級水電站調峰發電過程（時段６：００—９：００、１９：００—２２：００），期間黃藏寺水庫滿發運行，迅速抬高水光互補系統出力，與相鄰時段形成出力差；最后為黃藏寺水庫裝機容量和可調度水量限制，一是即使將日調度水量指標全部用于提高時段６：００—２２：００ 整體出力，在多云、陰雨天氣下水光互補系統也很難達到晴天的出力水平；二是除陰雨天氣外，黃藏寺水庫基本無法實現全過程平穩出力。

４．２ 梯級水電站并網系統

黃藏寺水庫通過發電流量變化將光伏出力波動傳遞給寶瓶河電站。寶瓶河電站正常蓄水位２ ５２１ ｍ，最低運行水位２ ５１９ ｍ，調節庫容１３２ 萬ｍ３，庫容—水位關系為ｙ ＝０．０１５ ２ｘ＋２ ５１９（ｘ 為調節庫容，萬ｍ３；ｙ 為蓄水位，ｍ）；龍首二級電站最高運行水位１ ９２３ ｍ，最低運行水位１ ９０８ ｍ。典型出力場景下寶瓶河和龍首二級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水電站承受了光伏發電期上游來水波動，龍首二級電站承受了調峰發電對中下游灌區平穩供水的影響，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節作用下，寶瓶河至小孤山梯級水電站均可獲得良好的調峰發電環境，為電網提供穩定電源，除生態基流外基本不產生發電棄水，下泄流量過程見圖８。龍首二級和龍首一級電站下泄流量與鶯落峽斷面過流標準一致，最大流量為１０２．４ ｍ３ ／ ｓ，在寶瓶河電站預調節作用下，龍首二級電站應對區間來水變化的能力得到進一步提升，龍首二級和龍首一級電站可為電網提供全天候穩定電源，期間不產生發電棄水。

４．３ 優化調度前后對比分析

黃藏寺水庫不同運用方式并網情況見表３，出力變化比計算時段為６：００—２２：００。黃藏寺水庫單獨運行時，時段６：００—９：００、１９：００—２２：００ 黃藏寺水庫滿發運行并伴有棄水過程，以解決寶瓶河電站庫尾泥沙淤積，壅水影響黃藏寺尾水、無法繼續承擔調峰發電的問題；時段９：００—１９：００ 黃藏寺水庫平穩泄流，多發電填補海北州電網日間電力供應缺口，期間不產生發電棄水。

與水電單獨運行相比，水光互補使水庫產生蓄水位波動，但受可調度水量和水電裝機容量限制，波動幅度較小，對水電發電量影響很小。光伏電站裝機是水電的２．０４ 倍，但受多云、陰雨天氣影響，年并網電量２．２０億ｋＷ·ｈ，僅為黃藏寺水庫多年平均發電量的１．０８倍。水光互補模式下水電降低光伏出力波動作用顯著，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％。水電單獨運行時出力波動源于調峰發電過程，枯水年日調節水量有限時波動幅度較大，光伏電站晴天、陰雨天氣典型日出力相對穩定，水光互補模式下可有效填補日間水電出力缺口。綜上所述，黃藏寺水庫配套光伏電站可進一步提升水庫綜合利用價值，但應結合當地電力送出要求，進一步論證降低光伏電站裝機容量。

５ 結論

本文以黑河上游水電、光電復雜互補系統設計分析為基礎，開展了黃藏寺水光互補日內優化調度研究，主要結論如下：

１）黃藏寺光伏電站設計仿真采用ＰＶｓｙｓｔ 軟件完成，對于缺少實測氣象數據的地區而言，光伏出力曲線波動次數、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景的有效方法。

２）提出了水光互補系統出力變化比概念，通過建立目標函數實現穩定系統出力過程、提高系統發電效益雙目標，減少了模型目標函數個數，有利于直觀反映水光互補并網系統和梯級水電站并網系統間的競爭關系，實現快速決策。

３）代表年典型出力場景模擬運行結果表明，影響黃藏寺水光互補系統出力穩定的因素包括天氣、梯級水電站調峰發電過程、黃藏寺水庫裝機容量和可調度水量限制。

４）黃藏寺水庫補償光電出力時下泄流量產生小幅波動、補償梯級水電站調峰發電時產生大流量來水過程，寶瓶河和龍首二級電站分別承擔小幅波動穩流和鶯落峽斷面全天候平穩過流要求，利用這兩個電站調節庫容可消納上游來水波動。

５）水光互補模式對黃藏寺水庫水電發電總量影響很小，穩定光電出力波動作用顯著，但應進一步考慮降低光伏電站容量配置，減輕水電補償光電壓力，利用光電日間出力優勢，填補水電出力空缺，實現優化互補共贏。

本研究未將寶瓶河電站穩流過程納入調度模型，主要原因是該過程基本不影響梯級水電站并網系統發電總量計算結果，只會影響龍首二級電站蓄水位變化，但該影響更有利于降低蓄水位變化幅度，反而削弱了區間支流來水波動性影響檢驗。

參考文獻：

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【責任編輯 簡 群】