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      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

      2020-03-05 03:16:52李天成鮑正風(fēng)黃鈺凱龐樹(shù)森
      水力發(fā)電 2020年11期
      關(guān)鍵詞:葛洲壩出庫(kù)調(diào)峰

      李天成,鮑正風(fēng),王 祥,黃鈺凱,劉 園,龐樹(shù)森

      (中國(guó)長(zhǎng)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(zhǎng)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(kù)承擔(dān)著三峽水庫(kù)日常運(yùn)行的反調(diào)節(jié)工作,徑流式無(wú)調(diào)節(jié)能力的特性制約了三峽水庫(kù)出庫(kù)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(duì)發(fā)電水頭的敏感性也深受三峽水庫(kù)出庫(kù)流量變化的影響。因此,對(duì)于葛洲壩水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度,尤其是短期優(yōu)化調(diào)度,三峽水庫(kù)的運(yùn)行方式對(duì)其會(huì)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(duì)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(kù)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(jí)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(guò)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(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行,下游航道安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行均會(huì)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(guò)程中,通常會(huì)盡量避免發(fā)生棄水,因此,對(duì)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(duì)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(guó)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(lái)看,少有文獻(xiàn)對(duì)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(kù)流量處于葛洲壩水庫(kù)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(duì)葛洲壩日發(fā)電計(jì)劃制作策略展開(kāi)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(gè)時(shí)段,一個(gè)時(shí)段為15 min,每個(gè)時(shí)段分別對(duì)應(yīng)一個(gè)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(zhǎng)。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(gè)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(kù)棄水量,m3。

      模型在求解過(guò)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(kù)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(dòng)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(kù)流量一定的情況下,其日調(diào)峰量也是一個(gè)變化的值,然而,實(shí)際上葛洲壩水庫(kù)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(duì)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(kù)18500m3/s

      2.2.1.1 三峽單峰

      三峽日內(nèi)平均出庫(kù)為18 500 m3/s,日均出力約為1 400萬(wàn)kW,高峰出力為1 500萬(wàn)kW,高峰持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)19 h,調(diào)峰量500萬(wàn)kW。三峽日發(fā)電計(jì)劃如圖1所示,葛洲壩庫(kù)水位變化過(guò)程見(jiàn)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(kù)水位變化過(guò)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(kù)為18 500 m3/s(出力約為1 400萬(wàn)kW),高峰出力為1 500萬(wàn)kW(高峰出庫(kù)流量約為19 800 m3/s)時(shí),調(diào)峰量500萬(wàn)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(kāi)始,出力逐步提高。由圖2可以看出,葛洲壩水庫(kù)水位過(guò)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(kù)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(kù)無(wú)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(wàn)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(wàn)kW,出庫(kù)流量將大于19 800 m3/s。但是,三峽高峰出力大于1 500萬(wàn)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(kù)為18 500 m3/s,平均出力約為1 400萬(wàn)kW,高峰出力為1 525萬(wàn)kW,高峰持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)17.75 h,調(diào)峰量500萬(wàn)kW。由圖4可以看出,此時(shí)葛洲壩水庫(kù)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(wàn)kW,當(dāng)三峽高峰出力超過(guò)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(wàn)kW為上限。②三峽日均出力在1 400萬(wàn)kW(日均出庫(kù)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(wàn)kW,當(dāng)三峽日調(diào)峰量超過(guò)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(kù)棄水流量

      2.2.1.2 三峽雙峰

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

      圖5 三峽日發(fā)電計(jì)劃

      圖6 葛洲壩庫(kù)水位變化過(guò)程

      由圖5可以看出,三峽雙峰,日內(nèi)平均出庫(kù)為18 500 m3/s(出力約為1400萬(wàn)kW),高峰出力為1 500萬(wàn)kW(對(duì)應(yīng)高峰出庫(kù)流量約為19 800 m3/s)時(shí),腰荷出力為1 450萬(wàn)kW,調(diào)峰量450萬(wàn)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(kāi)始,出力逐步提高。由圖6可以看出,葛洲壩庫(kù)水位過(guò)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(kù)水位逐步抬升至64 m附近,三峽腰荷期間,葛洲壩水庫(kù)維持該水位穩(wěn)定運(yùn)行;腰荷過(guò)后進(jìn)入晚高峰,葛洲壩水庫(kù)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(kù)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(kù)無(wú)棄水發(fā)生。葛洲壩電站對(duì)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(kù)19000m3/s

      2.2.2.1 三峽單峰

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

      由圖8可以看出,三峽單峰,日內(nèi)平均出庫(kù)為19 000 m3/s(出力約為1 440萬(wàn)kW),高峰出力為1 500萬(wàn)kW(對(duì)應(yīng)高峰出庫(kù)流量約為19 800 m3/s)時(shí),調(diào)峰量400萬(wàn)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(kù)水位過(guò)程前期偏向于水位下限63.5 m運(yùn)行,后續(xù)庫(kù)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(kù)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(kù)無(wú)棄水發(fā)生。葛洲壩電站對(duì)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(kù)水位變化過(guò)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(kù)為19 000m3/s,平均出力約為1 440萬(wàn)kW,高峰出力上限為1 500萬(wàn)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(wú)法進(jìn)行雙峰模式。若在三峽電站日均出庫(kù)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(wàn)kW,此時(shí),葛洲壩水庫(kù)面臨極大棄水風(fēng)險(xiǎn),且風(fēng)險(xiǎn)隨著三峽日均出庫(kù)增加而增加。

      由上述分析可知,三峽日均出庫(kù)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(kù)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(jí)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(duì)三峽電站雙峰模式進(jìn)行分析。

      2.2.3三峽日均出庫(kù)19500m3/s

      2.2.3.1 三峽單峰

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

      圖11 三峽日發(fā)電計(jì)劃

      圖12 葛洲壩庫(kù)水位變化過(guò)程

      由圖11可以看出,三峽單峰,日內(nèi)平均出庫(kù)為19 500 m3/s(出力約為1 480萬(wàn)kW),高峰出力為1 500萬(wàn)kW(對(duì)應(yīng)高峰出庫(kù)流量約為19 800 m3/s)時(shí),調(diào)峰量300萬(wàn)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(kù)水位過(guò)程前期偏向于最低水位63.5 m運(yùn)行,后續(xù)庫(kù)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(kù)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(kù)無(wú)棄水發(fā)生。葛洲壩電站對(duì)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(kù)20000m3/s

      三峽日均出庫(kù)維持在20 000 m3/s左右,對(duì)應(yīng)出力約為1 515萬(wàn)kW,已超過(guò)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(wàn)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(kù)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(jí)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(kù)日均出庫(kù)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(kù)在20 000 m3/s(出力約為1 515萬(wàn)kW)及以上時(shí),葛洲壩水庫(kù)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(jí)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(wàn)kW時(shí),葛洲壩水庫(kù)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(jí)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(kù)在19 000 m3/s(日均出力約為1 440萬(wàn)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(kù)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(jí)發(fā)電量最大等其余目標(biāo),兼顧棄水風(fēng)險(xiǎn)。

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