含混合式抽蓄电站的梯级水电站效益问题研究

黄静梅，黄景光，吴 巍

（1.国网重庆电力公司永川供电分公司，重庆 402160；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；3.国网江西省电力有限公司景德镇供电分公司，江西景德镇 333000）

0 引言

水电以能灵活跟踪负荷变化而快速调整运行方式的特性，被视作优质的调峰电源[1-3]。水电在发挥调峰作用优势时面临着自然环境约束，汛期因设置防洪水位减轻洪灾，不可避免地弃水，导致水资源利用率降低，丰水期承担尖峰负荷会出现弃水调峰问题，是对清洁能源的一种浪费；在来水量较小的枯水期承担尖峰负荷时，因水资源的短缺而限制其调峰容量[4-6]。混合式抽水蓄能电站利用电力系统负荷低谷时的电能通过可逆机组的抽水工况抽水至上库，等同人工增加上库的来水，以达到抬高上水库水位的目的。常规电站水库的蓄放过程有了改变的可能，从而获得水头的发电增量[7-9]。因此，研究从源头减少水资源浪费，对最大化开发利用水资源有重要意义。

目前挖掘水资源的开发潜力已从单库到多库，从单一流域到梯级水电站群、跨区跨省调度[10-12]，水电站与风光发电协同调度多有研究[13-15]。文献[16-17]提出基于离散梯度逐步优化算法求解流域梯级调度，以充分利用水资源。文献[18-19]采用仿生解算技术求解梯级水库多目标调度模型，实现流域水资源合理分配。文献[20-21]提出增加抽蓄机组模型，优化清洁资源在电网中的占比，达到整体发电量的提升。文献[22-23]利用抽蓄电站的可调性，协调风光并入电网，建立风光蓄联合发电系统调度策略与模型，提高了清洁能源并网率与系统发电效益。可见，对梯级水电的研究领域已成热点，如何继续发挥梯级水电作为优质调峰电源的优势，深度挖掘自身水资源开发利用意义重大。

本文以湖北某梯级水电站A 为研究对象，为发挥梯级水电站A 在华中电网和“晋东南-南阳-荆门”特高压输电工程中作为重要调峰电源的作用，加大对梯级水能的合理开发利用，利用混合式抽水蓄能机组的水泵和发电工况，在适宜时段进行发电或抽水来调整梯级水量分配，减少梯级弃水电量损失。考虑梯级电站新增混合抽水蓄能机组，建立含混合式抽水蓄能电站的梯级水电站年发电效益最大的中长期调度模型，并用逐步优化算法（Progress Optimality Algorithm，POA）求解。最后，通过算例仿真验证新增混合式抽水蓄能机组在提高水资源利用率的同时增加了梯级电站收益。

1 梯级水电站和混合式抽水蓄能电站基本概述

1.1 梯级水电站A基本资料

坐落于湖北宜昌的某梯级水电站A，从上而下分为3 级开发建设，包含A1，A2，A3 水电站，A 各电站基本参数如表1 所示。

表1 A 梯级流域各水电站基本参数Table 1 Basic parameters of hydropower stations in cascade basins

1.2 混合式抽水蓄能电站

混合式抽水蓄能电站主要有2 种形式：以已建的常规电站水库为上库，下游另建下库；在梯级水电站的某一上库中新增抽水蓄能机组或把部分常规水电机组改建成抽水蓄能机组来充当调峰的作用[21]，本文采取后一种形式。

抽水蓄能机组具备发电和抽水工况，其能量转换特性分别为：

2 梯级水电站中长期优化调度模型

2.1 目标函数

梯级调度在满足电网安全和服从电网安排要求下，建立目标函数为年发电效益最大的中长期调度模型，即：

式中：f为年发电效益函数；Ei,t为第i级电站在t时段内的发电量；λ(t)为分期电价函数；Ki为第i级电站的综合出力系数；Qi,t为第i级电站在t时段的发电流量；Hi,t为第i级电站在t时段平均发电水头；Tt为调度期内第t时段时长；Bt为混合抽蓄机组运行工况，Bt=1 时混合抽蓄机组为发电工况，Bt=0 时为抽水工况。

2.2 约束条件

1）水轮机过水流量约束为：

式中：Qi,min，Qi,max分别为第i级电站在调度期内的第t个时段允许的发电流量下限和发电流量上限。

2）水库库容约束为：

式中：Vi,t为第i级电站在调度期内的第t个时段的库容量；Vi,min为第i级电站死水位所对应的最小库容；Vi,max为第i级电站正常蓄水时所对应的最大库容（汛期则为防洪水位所对应的防洪库容）。

3）梯级水库水量平衡约束为：

针对含混合式抽水蓄能电站的水库：

针对一般水库：

式中：Vi,t和Vi,t+1分别为第i级电站t和t+1 时段水库库容；Ri,t为第i级电站t时段区间入库流量；qi,t第i级电站t时段弃水流量。

4）梯级水库间水量联系约束为：

式中：Δti-1为第i-1 到第i级电站的水流滞时；Ii,t为第i-1 到第i级电站之间的区间入库径流量。

5）出力约束为：

式中：Ni,t为第i级电站在调度期内的第t个时段的出力；Ni,min，Ni,max分别为第i级电站在调度期内的第t个时段的保证出力和出力上限：

6）水电站其他特性约束为：

式中：Zi,t，Zi,t+1为第i级电站t与t+1 时段库容前水位；为Zi,down第i级水电站的下游水位；Zi,1，Zi,T为第i级电站调度期初、末水位。

3 模型求解方法

3.1 约束条件的处理

生成水位廊道区间过程参见文献[21]，每次廊道的更新采用自适应廊道法，其宽度根据迭代次数而改变，在前期寻优过程中选择较宽廊道，在后期迭代过程中，廊道宽度随着迭代次数增加逐渐减小。便于快速将廊道中心定位于最优解附近，提高计算精度的同时大大减少计算量，计算公式为：

式中：k为迭代次数；ξk为自适应系数；lk为第k次迭代中廊道的宽度[24]；l0为初始廊道宽度；lmax为最大廊道宽度。

3.2 求解方法与步骤流程

逐步优化算法（POA）对于求解含有多个约束条件的大型、动态的复杂非线性系统优化问题时具有收敛性好、计算效率高、耗费时间短等优点[25-26]。用POA 算法求解，实则将多阶段问题分解为多个二阶段问题进行逐时段调整求解。应用POA 于梯级水电站中长期调度时，基本步骤参考文献[21]，求解流程如图1 所示。

图1 算法求解流程Fig.1 Solving procedure for algorithm

4 算例仿真分析

本文选用具有代表性的丰水年1982 年（来水频率1%），平水年1962（来水频率50%）和枯水年1978 年（来水频率95%）的入库径流作为模型仿真输入，各时段各电站的离散水位作为决策变量。调度周期为年，以月为单位（7 月分为上中下旬3 个时段）设置调度时段，调度从6 月初开始到次年5 月底结束，共计14 时段，丰平枯分期电价参照文献[27]扩大2 倍设置。

在具有多年调节性的A1 水库新增2×150 MW的可逆式抽水蓄能机组，除非汛期（9 月和10 月）为水泵工况固定流量（50 m3/s）抽水，其余时段均若有弃水，则利用弃水发电。设置上库A1 最低发电水位370 m，下库A2 最低抽水水位180 m；A1 初末水位375 m，A2 初末水位190 m，A3 初末水位79 m。本文在纯梯级优化调度（工程1）和含混合式抽水蓄能电站的梯级水电站优化调度（工程2）下，设置仿真迭代次数100，水位离散系数0.2。

4.1 丰水年结果分析

发电量与发电流量和发电水头直接相关，直观表现为水库的水位变化，各电站在来水频率1%下丰水年的水位变化过程和梯级各时段总发电量对比如图2 所示。

图2 来水频率1%下各水库水位变化和梯级发电量Fig.2 Variation of water level and cascade power generation of each reservoir with flow frequency of 1%

由图2 可知，在丰水年调度的前2 个时段，增大了A1 的发电流量，为7 月，8 月的汛期腾出足够的水库容量用于蓄水，整个梯级发电量增大；9 月，10 月新增抽蓄机组的水泵工况，提高了A1 水库水位；从11 月开始便以增加发电流量的形式增大梯级发电量，致A1 库水位逐渐降低。A2 水库的水位与上库A1 密切相关，当上库的发电流量大时下库水位表现为高涨。A3 为日调节水库，相邻时段变化剧烈，在2 m 的变化范围内。

4.2 平水年结果分析

来水频率为50%的平水年下结果分析如图3 所示。

图3 来水频率50%下各水库水位变化和梯级发电量Fig.3 Variation of water level and cascade power generation of each reservoir with flow frequency of 50%

由图3 可知，平水年因为汛期来水不如丰水年多，因此A1 电站汛前期并未加大出力为迎洪腾库做准备，汛后期增加出力，A1 水位较纯梯级调度低，但梯级发电量增加。9 月，10 月的抽蓄工况提高了A1 水库水位（有个时期延后），为枯水期高水位运行增加发电水头提供条件。A2 水库的水位变化受来水和上级水库下泄量影响，较丰水年变化频繁，但整体也呈下降趋势。A3 水库单位时间内水位最大变幅也在2 m 范围内。

4.3 枯水年结果分析

来水频率为95%的枯水年下结果分析如图4 所示。

图4 来水频率95%下各水库水位变化和梯级发电量Fig.4 Variation of water level and cascade power generation of each reservoir with flow frequency of 95%

由图4 可知，枯水年由于来水不足，A1 电站相较于丰水年和平水年的汛期，以平均较高水位（383m）运行。含混合抽蓄机组的梯级调度与纯梯级调度相比，在汛前期出力小，汛中期调度出力大，但丰水期发电总量增减变化量小，同样9 月，10 月从A2 向A1 抽水提高了A1 水位。枯水年的枯水期A1 始终保持高水位运行，获得高水头发电量。A2 水位整体呈下降趋势，A3 单位时间内水位变幅不大。

在3 种不同频率来水年下，比较新增抽水蓄能机组前后梯级A（不含混合抽蓄机组）在年内不同时期的发电量如表2 所示。

表2 分期电价下梯级A各时段的发电量Table 2 Power generation capacity of cascade A in every period under time-shared price

由表2 可知，新增抽蓄机组后梯级A 总发电量在丰水年、平水年、枯水年分别增发2.20×108kWh，2.03×108kWh，1.86×108kWh，增幅1.96%，2.36%，2.95%；丰、平水年主要表现为9 月，10 月由于抽蓄机组的水泵工况，将丰水期的水储蓄起来，水能平移至平水期、枯水期以增加发电量的形式释放，因此丰水期发电量略微减小，平、枯水期发电量增加。在来水频率95%的枯水年由于入库径流量的整体减少，维持高水头发电，丰、枯期发电量增加，平水期发电量减少。

梯级A 的总发电效益以及各级电站的发电收益（不含混合抽蓄机组）如表3 所示。

表3 梯级A中各电站的发电效益Table 3 Power generation benefits of power stations in cascade A 亿元

新增抽蓄机组后为梯级发电带来正收益，主要增益来自A1 电站。丰水年、平水年、枯水年A1 电站分别增加收益0.98 亿元，0.76 亿元，0.59 亿元，梯级A 总发电收益增幅分别为2.34%，2.57%、3.11%。

考虑混合抽蓄机组的发电、用电的电量与费用后，3 种不同来水频率下新增混合抽蓄机组前后系统的发电量和发电效益的对比，如表4 所示。

表4 不同来水频率下新增混合式抽水蓄能电站系统年发电量Table 4 Annual power generation of new hybrid pumped-storage power station system under different inflow frequencies

由表4 可知，新增抽蓄机组在加上弃水发电和抽水用电，系统除丰水年电量保持为正，增加1.53×108kWh，平水年、枯水年较纯梯级发电量为负，分别少发0.09×108kWh，0.18×108kWh。这是由于丰水年有多余弃水，提供给抽蓄机组发电条件，利用2.05×108m3弃水发电，而平、枯水年无弃水，抽蓄机组只有水泵工况用电而无发电工况发电。新增抽蓄机组后整体发电量虽减少，但其将低价电以水能形式存储起来，等到高价电时期，将其转化为高价电能盈利，即使扣除抽水用电费用，整个梯级发电收益为正，丰水年增加收益1.10 亿元，平水年、枯水年增加收益0.15 亿元，0.06 亿元，增加了企业收益。

若考虑将每日抽水水量都用于A1 电站的水轮机组在负荷高峰时期参与调峰发电，在调峰电价0.57 元/kWh 下粗略计算，还能于丰水年、平水年、枯水年分别增加收益0.67 亿元，0.66 亿元，0.64 亿元，使企业获得更多利益。

5 结语

针对本文提出的华中电网所面临的用电负荷增加、负荷率减小的供电与调峰压力，以及调峰电源在汛期存在弃水、枯期少电的问题，提出了在已建梯级水电站的龙头水库A1 中新增2 台型号一致的混合抽蓄机组，讨论新增抽蓄机组对梯级水电站A 中长期调度的影响。采用POA 算法求解，通过算例仿真得到新增混合式抽水蓄能机组在丰平枯分期电价引导下，改变了梯级的水量分配，对梯级电站年发电效益和提高水资源利用率有积极作用。

本文若要进一步论证新增混合抽蓄机组的意义，后续研究还可建立短期日调度模型，以日调峰效益最大或调峰容量最大为目标，研究新增混合式抽水蓄能机组是否发挥其优质调峰电源的作用参与系统调峰，增加调峰容量。