基于弃水边界条件下的葛洲坝电站日发电计划制作策略研究

李天成，鲍正风，王 祥，黄钰凯，刘 园，庞树森

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443133)

0 引 言

三峡水利枢纽是长江干流河道控制性骨干工程，有巨大的调蓄能力，承担着防洪、发电、航运、生态和补水等综合利用任务。葛洲坝水利枢纽位于其下游，二者相距仅38 km，具有紧密的水力、电力联系。葛洲坝水库承担着三峡水库日常运行的反调节工作，径流式无调节能力的特性制约了三峡水库出库流量和调峰量的变化幅度，同时葛洲坝电站机组运行工况对发电水头的敏感性也深受三峡水库出库流量变化的影响。因此，对于葛洲坝水库的优化调度，尤其是短期优化调度，三峡水库的运行方式对其会产生很大的影响。

在短期优化调度中，日发电计划对保障电力系统和电站实时安全稳定运行起着至关重要的作用，也是水库短期优化调度的重点和难点。在实际工作中，许多约束因素大大地增加了三峡-葛洲坝梯级水电站日发电计划制作的难度，尤其是葛洲坝发电计划。葛洲坝日发电计划制作出现偏差，通常需要在计划执行的过程中与电网沟通进行实时修改，然而频繁修改计划对电网安全运行，下游航道安全、稳定、高效运行均会产生不利影响[1-2]。此外，从水资源最大化利用角度出发，水电站在运行过程中，通常会尽量避免发生弃水，因此，对葛洲坝处于弃水边缘条件下的日发电计划制作策略研究尤为重要。姚跃庭等[3]根据多年实际调度经验，阐述了葛洲坝电站机组出力影响因素，并分别对葛洲坝弃水期、非弃水期和三峡调峰要求提出了葛洲坝电站日发电计划大体制作思路；蔡治国等[4]采用混合遗传算法建立了厂内经济优化调度模型，并应用于葛洲坝电站非汛期日发电计划编制中。从已有研究来看，少有文献对葛洲坝弃水边界条件下的日发电计划制作进行研究，基于此，本文以三峡出库流量处于葛洲坝水库弃水边界条件为基础，并结合考虑三峡电站的单峰、双峰不同调峰模式[5- 6]，对葛洲坝日发电计划制作策略展开研究。

1 模型建立

根据电网运行要求，电站日发电计划编制方式按日内96点编制，即将一日分为96个时段，一个时段为15 min，每个时段分别对应一个电站时段平均出力。因此，本文在模型建立中，以日为调度期，15 min为时段长。模型以葛洲坝电站弃水量最小为目标函数

(1)

式中，i为调度期内的第i个时段；N为调度期内的时段总数，N=96；q弃i为调度期内第i时段葛洲坝水库弃水量，m3。

模型在求解过程中的各类约束包括水量平衡约束、葛洲坝期初水位约束、葛洲坝库水位变幅约束、葛洲坝水位上限、下限约束，求解方法采用离散微分动态规划法(DDDP)。约束考虑了水量平衡约束、期初水位约束、水位变幅约束、水位上下限约束等。

2 情景方案及案例分析

2.1 情景方案

根据上文分析，葛洲坝弃水边界条件下的三峡电站运行方式如表1所示。

表1 葛洲坝弃水边界条件下的三峡电站运行方式

2.2 案例分析

三峡电站在调峰模式和日均出库流量一定的情况下，其日调峰量也是一个变化的值，然而，实际上葛洲坝水库的弃水风险是随着三峡日调峰量的增加而逐步增加的，因此，在本文研究中，只需对三峡电站日调峰量最大情况下的葛洲坝日发电计划制作策略进行研究即可。

2.2.1三峡日均出库18500m3/s

2.2.1.1 三峡单峰

三峡日内平均出库为18 500 m3/s，日均出力约为1 400万kW，高峰出力为1 500万kW，高峰持续时间长19 h，调峰量500万kW。三峡日发电计划如图1所示，葛洲坝库水位变化过程见图2，葛洲坝日发电计划如图3所示。

图1 三峡日发电计划

图2 葛洲坝库水位变化过程

图3 葛洲坝日发电计划

由图1可以看出，三峡单峰，日内平均出库为18 500 m3/s(出力约为1 400万kW)，高峰出力为1 500万kW(高峰出库流量约为19 800 m3/s)时，调峰量500万kW几乎是三峡电站调峰量的极大值，此时，三峡电站出力从起调时间开始，出力逐步提高。由图2可以看出，葛洲坝水库水位过程前期偏向于维持低水位63.5 m运行，在三峡调减负荷时，葛洲坝水库运行水位逐步抬升至水位上限，调度期内葛洲坝水库无弃水发生。由图3可以看出，稳定之后葛洲坝电站出力约为267万kW。

根据图1可知，若三峡电站调峰量需继续增加，则高峰出力必须相应增加，则三峡高峰出力将大于1 500万kW，出库流量将大于19 800 m3/s。但是，三峡高峰出力大于1 500万kW时，葛洲坝是否能继续保持不弃水需要进一步探讨。因此给定如下情景：三峡日内平均出库为18 500 m3/s，平均出力约为1 400万kW，高峰出力为1 525万kW，高峰持续时间长17.75 h，调峰量500万kW。由图4可以看出，此时葛洲坝水库发生弃水。综上分析可知：①葛洲坝弃水边界条件下的三峡高峰出力极限值约为1 500万kW，当三峡高峰出力超过该值时，葛洲坝存在很大的弃水风险。因此，在文后续研究中，三峡高峰出力以1 500万kW为上限。②三峡日均出力在1 400万kW(日均出库18 500 m3/s)时，葛洲坝弃水边界条件下的三峡电站日调峰量极限值约为500万kW，当三峡日调峰量超过该值时，葛洲坝存在很大的弃水风险。

图4 葛洲坝水库弃水流量

2.2.1.2 三峡双峰

三峡日内平均出库为18 500 m3/s，平均出力约为1 400万kW，高峰出力为1 500万kW，高峰持续时间长12 h，调峰量450万kW，腰荷出力1 450万kW。三峡日发电计划如图5所示，葛洲坝库水位变化过程见图6。

图5 三峡日发电计划

图6 葛洲坝库水位变化过程

由图5可以看出，三峡双峰，日内平均出库为18 500 m3/s(出力约为1400万kW)，高峰出力为1 500万kW(对应高峰出库流量约为19 800 m3/s)时，腰荷出力为1 450万kW，调峰量450万kW，几乎是三峡电站调峰量的极大值，此时，三峡电站出力从起调时间开始，出力逐步提高。由图6可以看出，葛洲坝库水位过程前期偏向于水位下限63.5 m运行，随着三峡出力进入腰荷时，葛洲坝水库水位逐步抬升至64 m附近，三峡腰荷期间，葛洲坝水库维持该水位稳定运行；腰荷过后进入晚高峰，葛洲坝水库水位逐步降至水位下限63.5 m运行；随着晚高峰结束，三峡出力逐步下降，葛洲坝水库水位逐步抬升至水位上限运行。调度期内葛洲坝水库无弃水发生。葛洲坝电站对应日发电计划如图7所示。

图7 葛洲坝日发电计划

2.2.2三峡日均出库19000m3/s

2.2.2.1 三峡单峰

三峡日内平均出库为19 000m3/s，平均出力约为1 440万kW，高峰出力为1500万kW，高峰持续时间长19.5 h，调峰量400万kW。三峡日发电计划如图8所示，葛洲坝库水位变化过程见图9。

由图8可以看出，三峡单峰，日内平均出库为19 000 m3/s(出力约为1 440万kW)，高峰出力为1 500万kW(对应高峰出库流量约为19 800 m3/s)时，调峰量400万kW几乎是三峡电站调峰量的极大值。由图9可以看出，葛洲坝库水位过程前期偏向于水位下限63.5 m运行，后续库水位维持该水位运行，在三峡调减负荷时，葛洲坝水库运行水位逐步抬升至65.7 m左右，调度期内葛洲坝水库无弃水发生。葛洲坝电站对应日发电计划如图10所示。

图8 三峡日发电计划

图9 葛洲坝库水位变化过程

图10 葛洲坝日发电计划

2.2.2.2 三峡双峰

三峡日均出库为19 000m3/s，平均出力约为1 440万kW，高峰出力上限为1 500万kW。从上述三峡日均出力和高峰出力上限可知，该种情景三峡电站无法进行双峰模式。若在三峡电站日均出库为19 000 m3/s的情况下，三峡电站需要采用双峰模式，必须提高三峡电站高峰出力，则三峡电站高峰出力将大于1 500万kW，此时，葛洲坝水库面临极大弃水风险，且风险随着三峡日均出库增加而增加。

由上述分析可知，三峡日均出库在19 000 m3/s及以上情况，为减小葛洲坝弃水风险，不建议三峡电站日出力计划采取双峰模式。若采取双峰模式，则葛洲坝水库面临很大弃水风险，此时，葛洲坝电站日出力计划制作策略可转为梯级电站发电量最大等其余目标，兼顾弃水风险。因此，在本文后续研究中，不再对三峡电站双峰模式进行分析。

2.2.3三峡日均出库19500m3/s

2.2.3.1 三峡单峰

三峡日内平均出库为19 500 m3/s，平均出力约为1 480万kW，高峰出力为1 500万kW，高峰持续时间长20.25 h，调峰量300万kW，三峡日发电计划如图11所示，葛洲坝库水位变化过程见图12。

图11 三峡日发电计划

图12 葛洲坝库水位变化过程

由图11可以看出，三峡单峰，日内平均出库为19 500 m3/s(出力约为1 480万kW)，高峰出力为1 500万kW(对应高峰出库流量约为19 800 m3/s)时，调峰量300万kW几乎是三峡电站调峰量的极大值。由图12可以看出，葛洲坝库水位过程前期偏向于最低水位63.5 m运行，后续库水位维持该水位运行，在三峡调减负荷时，葛洲坝水库运行水位逐步抬升至65.3 m左右，调度期内洲坝水库无弃水发生。葛洲坝电站对应日发电计划如图13所示。

图13 葛洲坝日发电计划

2.2.4三峡日均出库20000m3/s

三峡日均出库维持在20 000 m3/s左右，对应出力约为1 515万kW，已超过前文分析的葛洲坝弃水边界条件下的三峡高峰出力极限值(1 500万kW)，此时葛洲坝存在很大的弃水风险。因此，当三峡日均出库在20 000 m3/s及以上时，建议葛洲坝日出力计划制作策略转为梯级发电量最大等其余目标，兼顾弃水风险。

3 结 论

本文以三峡水库日均出库流量、三峡电站日调峰量构建多情景计算方案；以葛洲坝弃水量最小为目标，探究了葛洲坝电站弃水边界下，在上述不同计算情景下的日发电计划制作策略，得出：

(1)当三峡日均出库在20 000 m3/s(出力约为1 515万kW)及以上时，葛洲坝水库存在较大弃水风险，此时，建议葛洲坝日出力计划制作策略转为梯级发电量最大等其余目标，兼顾弃水风险。

(2)三峡电站高峰时段出力超出1 500万kW时，葛洲坝水库存在较大弃水风险，此时，建议葛洲坝日出力计划制作策略转为梯级发电量最大等其余目标，兼顾弃水风险。

(3)当三峡日均出库在19 000 m3/s(日均出力约为1 440万kW)时，为减小葛洲坝弃水风险，不建议三峡电站日发电计划采取双峰模式，若三峡电站必须采取双峰模式，则必须增加三峡电站高峰时段出力，葛洲坝水库将存在较大弃水风险，此时，建议葛洲坝日出力计划制作策略转为梯级发电量最大等其余目标，兼顾弃水风险。