響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響分析及調控方法

陳哲昊

（安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

水庫水位波動對水電廠電力輸出具有顯著影響。當水庫水位下降時，水電廠的發電能力會受到限制，因為水位的降低會減少可用的水能，導致發電機組的出力減少，這將直接導致電力輸出的降低。相反，當水位上升時，發電能力會增加，因為可用的水能增多，發電機組的出力也會增加，從而提高電力輸出。因此，水庫水位的波動對水電廠的電力供應和電力負荷平衡具有重要影響。

1 工程概況

響水澗抽水蓄能電站距離繁昌縣城約25 km，距離蕪湖市約45 km。該工程是一座日調節純抽水蓄能電站，裝機容量為1 000 MW，共有4臺單機容量為250 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組。響水澗抽水蓄能電站通過兩回500 kV出線接入華東電網，承擔著華東電網的多項重要任務，包括調峰、填谷、調頻、調相及應對事故的備用。電站樞紐建筑物分為地面建筑物和地下建筑物兩大部分，地面建筑物包括上水庫、下水庫、中控樓、繼保樓、500 kV開關站和永久設備庫等設施，而地下建筑物則包括輸水隧洞、地下主廠房、副廠房、主變洞、母線洞、進廠交通洞、通風兼安全洞以及500 kV出線洞等。

2 響水澗水庫水位波動對水電廠電力輸出的影響

2.1 水位波動對發電產能的直接影響

2.1.1 水位降低對水電廠發電效率的影響

水位降低會對水電廠的發電效率造成直接影響。當水位降低時，上下水庫水位之差即水頭減小，導致發電過程中的可用水量減少，進而降低了水電廠的發電產能。此時，發電電動機的輸出功率也會隨之降低，影響電力輸出的穩定性和可靠性。水位降低還可能導致水輪機的葉片出現空化現象，即水流速度過快導致葉片表面產生氣泡，降低了發電電動機的效率。同時，水位下降還可能導致發電機進水口淤泥、雜物增多，增加了設備的維護難度，進一步影響了發電效率和運行穩定性[1]。

2.1.2 水位上升對水電廠發電能力的影響

首先，當水位越限超過最高值時，可能導致水庫出現溢洪，造成水能浪費和發電量損失，并影響安全穩定生產。其次，水位上升可能導致發電機轉速發生變化，需對其進行調整，而發電機在特定轉速下能夠達到最佳效率，如果水位上升導致轉速超出這個范圍，發電效率可能下降。此外，水位上升還可能導致水庫庫區周圍土地的淹沒，增加了環境保護和社會安全方面的壓力。針對這種情況，水電廠需要根據水位上升的速率和幅度，及時進行發電調度，采取應對措施，以確保發電過程的安全性和穩定性。

2.2 水位波動對發電調度的挑戰

2.2.1 水位波動導致的電力波動

水位波動對水電廠的電力輸出會產生不可忽視的影響，這種波動直接導致了電力的起伏變化，進而影響電網的穩定性和運行質量。當水位發生快速上升或下降時，水電廠的發電能力會隨之迅速增減，導致電力輸出出現波動。這樣的電力波動會在電網中傳導，并可能引起電壓波動、頻率波動等問題，甚至觸發電力系統的保護裝置，導致線路的斷電或電力設備的跳閘，造成供電不穩定的情況[2]。

電力波動對電網的影響可能不僅僅局限于發電廠所在地區，還可能影響到其他地區的電力供應。當發電廠處于峰值狀態時，電網可能面臨電力過剩的問題；而當發電廠處于低谷狀態時，電網可能面臨電力短缺的風險。這種電力波動會增加電網運行的復雜性，對電力系統的穩定性和安全性提出更高要求。

2.2.2 不穩定水位對電網調度的影響

在面對水位波動時，電網調度需要靈活應對，根據水位變化及時調整發電計劃，合理安排發電機組的運行狀態，以保障電力系統的平衡和穩定運行。同時，電網調度還需要考慮到不同地區的電力需求和供給狀況，以實現跨區域電力調度和平衡。因此，不穩定水位對電網調度的影響不容忽視，需要制定相應的應對策略和調度方案。電力波動將對電網穩定性和運行質量產生直接影響，而不穩定水位給電網調度帶來了更高的復雜性和難度。為有效解決這些挑戰，需要加強水電廠與電網之間的協調，建立靈活的電力調度機制，以確保電力系統的穩定運行和可靠供電。

3 響水澗水庫水位波動調控方法

3.1 水庫調度管理

3.1.1 基于水位預測的調度策略

水位預測是一種重要的水庫調度管理方法，通過利用歷史水位數據、氣象預報、往期負荷計劃等信息，對未來一段時間內的水位變化進行預測。基于水位預測的調度策略可使水電站提前做好準備，合理安排發電抽水計劃，降低水位波動對電力輸出的影響。假設預測結果顯示未來一段時間內水位會出現較快速的上升趨勢，水電廠可以在此時適度增加發電量，充分利用水資源，以避免水位上升過快時的溢洪損失。相反，如果預測結果顯示未來三天內水位將持續下降，水電廠可以適時減少發電量，留存一定的水量，以備不時之需，避免因水位下降導致的發電能力下降和設備損壞[3]。

3.1.2 干旱季節與雨季水庫水位調整

在干旱季節，水庫水位通常會下降，因為降雨量減少，河流和湖泊的水量也會減少，相應地，響水澗電站水庫也存在豐枯水季。在干旱季節，應盡量減少水庫內水源向外滲漏的途徑，放慢水庫的排水速度：通過降低水庫的排水速度，可以讓水庫中的水更長時間地留在水庫中；增加水庫的蓄水量：可以通過購買或租賃其他水源的水來增加水庫的蓄水量。在雨季，則應加快水庫的排水速度：通過加快水庫的排水速度，可以減少水庫中的水量，從而防止水庫溢出；控制水庫的入水量：通過限制進入水庫的水量，可以控制水庫的水位[4]。

對水庫水位的實時調控，有助于機組在一個合理的水頭范圍內運行，也能夠為調度安排日負荷計劃曲線提供更大的裕度，同時也有助于保護水庫周邊生態環境，實現水資源的合理分配和利用。

3.2 調速器設備的應用

根據表1中的調速器系統參數表，響水澗水庫采用SAFR-2000H型微機調速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜來實現水輪機的調速控制。SAFR-2000H型微機調速器通過人工轉速死區范圍設置，可以在0%～±10%的范圍內調整水輪機的轉速，以適應不同負荷需求和水位波動情況。液壓操作柜采用ZFL-GE-125型，通過調節參數范圍Bp、Kp、Ki、Kd來控制水輪機的轉速和輸出功率，實現更精細化的調節。而液壓隨動系統采用FC5000雙伺服比例閥冗余系統，額定油壓為6.3 MPa，保證了調速器系統的可靠性和穩定性。

表1 調速器系統參數表

根據表2中各水頭下的限制參數，響水澗電站針對不同水頭情況制定了開度限制策略。在不同水頭下，水輪機的空載開度、抽水開度、最小開度和最大開度有所不同，以適應不同水位變化時水輪機的運行。同時，為保證發電安全和設備運行，對功率也進行了限制，確保水輪機的運行在102%以內。

表2 各水頭下的限制參數

基于以上調速器設備參數和水頭限制參數，響水澗水庫水位波動調控方法如下：

1）調速器參數優化：根據實際水位波動情況，對SAFR-2000H型微機調速器和ZFL-GE-125型液壓操作柜中的調節參數進行優化設置。通過合理調整Bp、Kp、Ki、Kd等參數，使得水輪機的轉速能夠快速響應水位波動，實現更穩定的電力輸出。

2）水庫水位適應電網負荷調整：響水澗電站根據負荷計劃以及一段時間內的水位變化情況，制定適宜的發電抽水計劃。通過協調時期水庫水在上下庫庫盆之間的調度以及根據電網負荷情況，實現水泵水輪機的合理運行，降低水位波動的幅度。

3）靈活開度控制：根據表2中各水頭下的限制參數以及實際水位情況，靈活調整水輪機的開度，使其在合適的范圍內運行。尤其是在水位上升或下降較快時，及時調整開度，以避免溢洪或水輪機葉片空化等問題。

綜上，響水澗水庫水位波動調控方法主要包括調速器參數優化、水庫水位適應電網負荷調整和靈活開度控制。通過合理運用調速器設備和聯合調度策略，響水澗水庫能夠更好地應對水位波動，保障水電廠的穩定運行和電力供應。

3.3 與電網的協調與配合

3.3.1 響水澗電站與電網之間的調度協調

首先，響水澗電站與所屬調度管理部門根據電網負荷需求和水庫的蓄水情況，由響水澗電站上報日最大發電點數，調度計劃處下發每日負荷計劃。根據電網的調度要求，水庫調整水位、水庫庫容等，以滿足電力需求和保障電網穩定運行。特別是在電力負荷波動較大的峰谷時段，響水澗電站能夠根據電網的需求進行調峰填谷，提供相應的電力支撐，平衡電網負荷。其次，響水澗電站積極響應電網的調度指令。根據電網調度的要求，及時進行發電機組的啟停，調整發電機的運行狀態，以保持水庫的水位穩定和電廠的平穩發電。在電網調度有調頻、調相等需要時，響水澗水庫也能夠及時配合進行相應調整，以保障電網頻率和電壓的穩定。

3.3.2 增強電網調峰填谷能力

為了更好地響應電網的調峰填谷需求，響水澗電站采取一系列措施來增強電網調峰填谷能力。首先，優化水庫的調度策略。通過提前進行水位預測，合理制定調峰填谷計劃，確保在電網負荷波動較大時，水庫水位能夠及時進行調整，以滿足電網需求。其次，利用水庫的蓄能特性。響水澗水庫作為蓄能水電站，具有較強的調峰填谷能力。在電網負荷高峰時，水庫可以蓄水，儲存水能；而在電網負荷低谷時，水庫可以釋放儲存的水能，進行發電，以平衡電網負荷。此外，響水澗水庫與其他水庫進行聯合調度，共同參與電網的調峰填谷[5]。通過與上下游水庫的協調，形成一個整體的水能調配系統，實現跨區域的電能互補和調峰填谷，提高電網的調峰填谷能力。

4 結束語

水庫水位波動對水電廠電力輸出具有重要影響，因此調控水庫水位是保障電力供應穩定的關鍵。本文研究了響水澗水庫水位波動對電力輸出的影響，并提出了相應的調控方法。通過加強水庫水位的調控、優化發電機組的運行策略，以及引入可再生能源和儲能技術，可以有效應對水庫水位波動帶來的電力供應不穩定問題。這些調控方法不僅可以提高電力輸出的穩定性，還能夠推動可再生能源的發展和利用。未來，隨著技術的不斷進步，相信水庫水位調控和電力輸出的優化將變得更加精準和可靠，為可持續能源發展做出更大的貢獻。