王孝群，汪文元，龍巖，王利英，張佳杰，何滔

（1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.國能大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 成都 610000）

1 研究背景

沙坪二級水電站是大渡河規(guī)劃的22個梯級水電站中的第20個梯級，電站水庫總庫容為2 084萬m3，調節(jié)庫容585萬m3，死水位550 m，正常蓄水位554.0 m。河床式廠房裝設6臺單機容量為58 MW的燈泡貫流式發(fā)電機組。泄水建筑物為帶胸墻式的5孔泄洪閘，孔口尺寸為13.0 m×16.0 m（寬×高），溢流堰采用平底寬頂堰型式，堰頂高程528.0 m，閘頂高程557.0 m。電站僅有4 m的水位運行區(qū)間，其水位控制是一個重要問題。在汛期，為了保證發(fā)電效益必須高水位運行，同時兼顧運行安全，不得不頻繁調整泄洪閘門開度。據(jù)統(tǒng)計，2019年沙坪二級電站共操作閘門6 612次，高于大渡河流域其他全部電站同期總和（4 876次）。電站對于自身的出力沒有自主決策能力，易發(fā)生水位超限的問題。

為保證大壩安全及充分利用來水量，控制水庫水位成為電站最基本的要求[1]，在制定短期調度計劃時，梯級調度中心將結合預測來水和流域水量調度需求，通過以水定電的方式評估調度期梯級電站的發(fā)電水平，以此作為與電網(wǎng)溝通和制定電力調度計劃的基礎[2]。梯級水庫群聯(lián)合調度的優(yōu)化和計算機的發(fā)展密切相關，主要由常規(guī)方法、到模擬方法、再到優(yōu)化方法、最后到模擬優(yōu)化方法相結合的發(fā)展過程。長期以來，水電站優(yōu)化調度程序一般是采用以數(shù)據(jù)結構及對數(shù)據(jù)結構的處理為中心的面向過程的結構化程序設計語言開發(fā)的[3]。以往對于水電站水位控制，大多基于數(shù)學模型，采用PID控制系統(tǒng)，以水輪發(fā)電機組為執(zhí)行機構，采用閉環(huán)控制方式，通過調整機組出力達到控制水位的目的[4-5]。

然而，對于梯級徑流式電站，其主要控制水位的方式為改變機組的功率及啟閉閘門。分析表明，沙坪電站水位控制難及閘門操作頻繁的原因除了自身水位對入庫流量變化敏感外，還與電站受電網(wǎng)固定負荷指令有關，因此更靈活的負荷調整方式是實現(xiàn)沙坪機組出力與水位控制相協(xié)調、解決閘門操作次數(shù)異常的有效途徑。本文假定沙坪電站在電網(wǎng)負荷指令的基礎上擁有一定容量的負荷自由調整權，定性分析了不同容量自由調整權對沙坪電站水位控制的效果。

2 水位過程計算方法

水庫水位的變化過程實際上是庫容的變化過程，庫容變化由出入庫流量差決定，可表述為下述水量平衡式：

式中：Zt+1為t+1時刻的水位（m）；Vt+1為t+1時刻的庫容（萬m3）；f(·)是水位庫容關系函數(shù)，根據(jù)當前庫容計算當前水位；g(·)是f(·)的反函數(shù)，根據(jù)當前水位計算對應的庫容；ΔVt表示t—t+1時段的庫容變化量（萬m3），計算公式為ΔVt=(Qint-Qoutt)Δt，其中Δt為計算時間步長，Qint和Qoutt分別表示t—t+1時段內的平均入庫流量和出庫流量（m3/s）。沙坪二級電站未來一段時間內的入庫流量等于上游梯級的出庫流量，可直接獲??；出庫流量包括泄洪流量Qt1和發(fā)電流量Qt2，若要計算t—t+1時段內的平均值，可認為流量在時段內線性變化，則Qt1=0.5(Q1,t+Q1,t+1)，=0.5(Q2,t+Q2,t+1)，t+1時刻的泄洪流量可根據(jù)水位-閘門開度-流量關系曲線計算，發(fā)電流量可根據(jù)機組N-H-Q特性曲線計算，然而他們均與t+1時刻的待求變量水位Zt+1有關，需要迭代求解t+1時刻的泄洪流量與t+1時刻的庫水位Zt+1。

3 沙坪二級庫水位對負荷自由調整權的敏感性分析

3.1 負荷自由調整權的定義與可操作性

一般而言，電網(wǎng)給電站下達負荷指令后，由于電站自身控制系統(tǒng)的誤差，不可能嚴格按照負荷指令來發(fā)電，電網(wǎng)通常允許電站的實際上網(wǎng)負荷在其負荷指令的基礎上有一定的誤差。以沙坪二級電站為例，某一時刻電網(wǎng)的負荷指令為200 MW，電網(wǎng)允許實際上網(wǎng)負荷誤差為±2%，即只要沙坪二級電站的實際上網(wǎng)負荷為196～204 MW，電網(wǎng)都認為沙坪電站執(zhí)行了負荷指令；若實際上網(wǎng)負荷超出誤差，則將相應時段的發(fā)電量視為不合格電量。

雖然電網(wǎng)為了自身的穩(wěn)定性會對電站出力有一定的限制，但也容許有一定的誤差。但類似沙坪二級這種徑流式電站，裝機容量一般不大，即使適當放寬誤差限制，實際上對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也十分有限。例如，當電網(wǎng)負荷指令為300 MW時，允許沙坪電站的實際出力為300±50 MW，均認為負荷指令被執(zhí)行。50 MW的出力對于整個電網(wǎng)可能影響很小，但對于沙坪二級這類小庫容、徑流式開發(fā)的電站卻能起到關鍵作用。此外，近年來電能存儲技術[6]、可再生能源制氫技術[7]發(fā)展迅速，這些技術若能與沙坪二級電站水力發(fā)電系統(tǒng)配合使用，則電站仍可按照電網(wǎng)負荷指令執(zhí)行上網(wǎng)負荷，而電站實際負荷與上網(wǎng)負荷之間的差異可由電站廠內用電、水電制氫系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的調控來消納。

總之，本文定義負荷自由調整權為電站可以在電網(wǎng)負荷指令的基礎上，自主地決定按照一定容量的偏差進行出力的權利。無論是從電網(wǎng)穩(wěn)定性還是從電站未來配置電能消納系統(tǒng)的角度，負荷自由調整權的研究都有一定的意義和可操作性。

3.2 庫水位對負荷自由調整權的敏感性分析

首先考慮入庫流量在未來3 h內平穩(wěn)的情況，不同負荷調整余量下的水位控制效果：假定當前初始壩前水位為552 m，電站被要求帶210 MW負荷（6臺機組，每臺35 MW），且?guī)Ч潭ㄘ摵?，即未? h負荷指令不變，同時假定當前出入庫流量為理想情況，即入庫流量=出庫流量=1 498 m3/s，且未來3 h入庫流量不變。

對于只有機組參與的水位調控，水位控制的過程是一個正反饋機制，前一個時段末的水位控制對于未來的水位有正向累積作用。而在電站實際運行中，即使入庫流量是平穩(wěn)的，可能也需要通過一定時間段的負荷調整來使時段末的水位控制在理想水位附近。因此，假定一個電站的負荷調整余量為±N，為了排除總發(fā)電量的影響，在調控的前1.5 h可按照負荷指令-N來調整出力，后1.5 h可按照負荷指令+N來調整出力，保證總發(fā)電量不變，對比不同負荷調整余量的升水位控制效果。顯然，不同的負荷調整余量對于電站的水位控制效果不同，下面將考慮負荷調整余量為±10～±50 MW的不同情況。

不影響總發(fā)電量情況下的升水位控制過程，如圖1（a）所示。由此可見，若電站沒有可自主調節(jié)的負荷調整余量，則未來3 h內水位無變化。若電站擁有一定的負荷調整余量，則在3 h內，通過前1.5 h主動降負荷、后1.5 h主動升負荷，時段末的庫水位均有所抬升，且負荷調整余量越大，水位抬升的效果越好。這表明在不影響發(fā)電總量的前提下，通過主動的負荷調整，可明顯減少發(fā)電用水量，提高電站的發(fā)電效率，增加電站蓄能。

圖1 負荷調整余量水位控制過程

相反，在某些情況下，水庫水位可能過高，或由于上游來流量突然增大，電站需要增大出庫流量等情況，需要降低水位，仍以入庫流量平穩(wěn)為例，考慮不影響總發(fā)電量，采用先降負荷再升負荷的控制方式。為方便分析，將初始水位設置為553 m，電網(wǎng)負荷指令仍設置為210 MW，對應的入庫流量=出庫流量=1 388 m3/s。計算結果，如圖1（b）所示。顯然，若電站擁有一定的負荷調整余量，通過先降負荷再升負荷的操作，在不影響總發(fā)電量的情況下，即可實現(xiàn)降低水位的需求，且負荷調整余量越大調控能力越強。

圖2（a）對比了不同負荷調整余量下的庫容收益，以不影響時段總發(fā)電量為前提，水庫在時段內的庫容收益隨著負荷調整余量的增大而增大。對于±50 MW的調整余量，庫容收益達120萬m3，接近整個水庫可調庫容的1/4。圖2（b）對比了不同調整余量情況下的水庫增加的泄量，以不影響時段總發(fā)電量為前提，水庫在時段內的機組過流能力得到了顯著提高。對于±50 MW的調整余量，出庫水量增加了180萬m3，這有助于電站在汛期上游來流突然增大情況下實現(xiàn)水位控制，同時也對減少閘門動作有重要意義。

圖2 不同負荷調整余量水位控制的庫容收益

4 負荷自由調整權的水位控制效果

4.1 入庫流量變化下的水位控制極限

沙坪電站由于庫容較小，對于入庫流量變化十分敏感?？紤]不同量級的入庫流量變化情況，通過負荷余量調整來控制水位的極限。假設當前初始壩前水位為552 m，電站當前被要求帶210 MW負荷（6臺機組，每臺35 MW），且未來3 h負荷指令不變，初始時刻入庫流量=出庫流量=1 498 m3/s。

4.1.1 入庫流量減小時負荷調整余量的水位控制效果

當入庫流量突然減小且維持3 h，若電站仍維持原出力，顯然將導致水位降低。如圖3所示，當入庫流量突降200 m3/s時，若保持原出力，顯然在150 min左右，水位將降低至死水位以下，而電站若有負荷調整余量，則可以通過適當降低負荷保證水位不降至死水位以下，甚至抬高水位（圖中為極限情況的計算），即整個3 h內，電站都在負荷指令基礎上減去相應負荷調整余量來發(fā)電。此外，不同流量突降量級下的水位控制效果也不同，當入庫流量突降400 m3/s，則至少需要30 MW的負荷調整余量去保證水位的基本穩(wěn)定，此時40、50 MW負荷調整余量均滿足要求；而當入庫流量突降600 m3/s，上游水位下降較快，此時雖然50 MW的負荷調整余量下水位會在3 h末降至死水位，但相比于維持原負荷，能提供約2 h的安全運行時間，相比于40 MW調整余量，能多提供約1 h的安全運行時間。根據(jù)沙坪電站的運行經(jīng)驗，上游枕頭壩的出庫流量變化通常高于500 m3/s，因此40、50 MW負荷調整余量對于沙坪電站的安全穩(wěn)定運行有重要作用。

圖3 不同流量變化量級下負荷調整余量的水位控制極限

4.1.2 入庫流量增大時負荷調整余量的水位控制效果

當入庫流量突然增大且維持3 h，若電站仍維持原出力，顯然將導致水位升高。若電站有負荷調整余量，可通過增加出力來緩解水位上升壓力，甚至降低水位。如圖4所示，流量突增的結論和流量突降的情況是類似的。當入庫流量突增600 m3/s，上游水位上升較快，此時雖然50 MW的負荷調整余量下水位會在3 h末上升至正常蓄水位，但相比于維持原負荷，能提供約2 h的安全運行時間，相比于40 MW調整余量，能多提供約1 h的安全運行時間。同樣，根據(jù)沙坪電站的運行經(jīng)驗，40、50 MW負荷調整余量對于沙坪電站的安全穩(wěn)定運行有重要作用。

圖4 不同流量變化量級下負荷調整余量的水位控制極限

4.1.3 加入閘門泄洪后負荷調整余量的水位控制效果

當同時存在泄洪流量和發(fā)電流量時，情況變得稍微復雜。因為在特定閘門開度下，泄洪流量與水位正相關，水位越高流量越大，而特定出力下，發(fā)電流量與水位則呈負相關。負荷調整余量對于水位的控制效果會在一定程度上受到泄洪的影響。

假設當前初始壩前水位為552 m，電站當前被要求帶210 MW負荷（6臺機組，每臺35 MW），且未來3 h負荷指令不變，初始時刻入庫流量=發(fā)電流量+泄洪流量=1 770+1 036=2 806（m3/s）。如圖5所示，實際上，加入閘門泄洪后得到的結論也是類似的，40、50 MW負荷調整余量基本可以消納600 m3/s的入庫流量變化。對于800 m3/s的入庫流量變化，50 MW的負荷調整余量相比于無負荷調整余量能多提供約1.5 h的安全運行時間，相比于40 MW調整余量能提供40 min的安全運行時間。

圖5 不同流量變化量級下負荷調整余量的水位控制極限

4.2 負荷提前調整下的水位控制效果

由上述分析可知，當入庫流量穩(wěn)定時，可利用負荷調整余量進行水位控制；而當入庫流量變化時，同樣可利用負荷調整余量增加水位的安全運行時間，從而提高沙坪電站對入庫流量變化的消納能力。結合這兩方面的研究成果，實際運行中，枕頭壩出庫流量到達沙坪水庫所需的時間約80 min，完全可以在入庫流量變化前1 h提前進行負荷調整，利用這1 h內的收益進一步緩解水位控制的壓力，這無疑將進一步增大沙坪電站對流量變化的響應能力。

流量增大800、1 000和1 200 m3/s情況下，利用負荷調整余量提前1 h動作，經(jīng)計算得到的水位變化過程如圖6所示。利用1 h提前操作的方式，由于提前降低水位騰庫容，即使入庫流量變化達到1 200 m3/s，時段末的庫水位也不會超過正常蓄水位。尤其對于40、50 MW負荷調整余量，其控制效果十分明顯。

圖6 負荷提前1 h調整對水位控制的影響

5 實例分析

為了說明負荷自由調整權對于水位控制的效果，基于電站2019年運行數(shù)據(jù)進行實例分析，選取2019年7月7日8：00—8日8∶00全天數(shù)據(jù)進行分析計算。由于缺乏計劃出力數(shù)據(jù)，假定實際出力即為計劃出力，并假定電站可在計劃出力的基礎上有±50 MW的負荷自由調整權，以此為基礎進行電站負荷調度，計算得到水位變化過程、出力過程與實際運行過程對比如圖7所示。

圖7 實例分析結果與實際運行數(shù)據(jù)對比

圖中方點對應時刻表示實際運行中執(zhí)行了閘門開啟動作，圓點表示閘門關閉動作。從圖7可以看到，通過50 MW的負荷自主調整權，沙坪電站可以通過自身調控，很好控制水位變化，極大降低水位波動，且提高了對于上游來水的消納能力，在減少當天閘門動作20余次的同時還增加了發(fā)電效益。

6 結論

本文主要研究了在假定理想的出入庫流量變化的過程中，不同的負荷調整余量對于沙坪電站水位控制及安全運行的效果，結果表明：

（1）在入庫流量穩(wěn)定時，±50 MW的負荷余量可為電站提供約120萬m3的庫容收益或增大約200萬m3的庫容泄量。

（2）在入庫流量變化時，±50 MW的負荷余量可極大延緩水位越限的時間，增長水庫安全運行時限。

（3）結合沙坪與其上游枕頭壩電站之間的水力聯(lián)系，提前調整負荷，可進一步緩解水位控制壓力，進一步增大沙坪電站對流量變化的響應能力。

（4）結合沙坪電站2019年7月7日8∶00—8日8∶00的運行實例，利用負荷自由調整容量來進行電站負荷調度，證明了其在沙坪二級電站水位控制中的重要性和有效性。

綜上，適當容量的負荷自由調整權對于沙坪二級水電站而言，可提高其對入庫流量變化的消納能力，為庫水位控制提供有效的方法及安全保障，對電站長期安全穩(wěn)定運行具有重要的作用及意義。