專(zhuān)利名稱(chēng)：梯級(jí)水電站棄水優(yōu)化方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用水電站水頭與發(fā)電流量之間最佳協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)確定各梯級(jí)水
電站最優(yōu)棄水流量的方法及系統(tǒng)，可以提高單一水電站和梯級(jí)水電站運(yùn)行的綜合經(jīng)濟(jì)性， 該發(fā)明屬于水力發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)河流眾多、水力資源豐富，由于其為一種可再生能源，用其產(chǎn)生電能具有清潔 無(wú)污染的特點(diǎn)，合理高效利用水力資源可以達(dá)到節(jié)約燃煤等非可再生資源、實(shí)現(xiàn)能源的可 持續(xù)利用及降低大氣污染程度等目的[1]。梯級(jí)水電站可以實(shí)現(xiàn)水力資源的重復(fù)再利用，已 經(jīng)成為水力資源合理開(kāi)發(fā)和高效利用的主要形式之一，在長(zhǎng)江、黃河中游的干支流上已建 獲正建一批大型的水電站，廣西紅水河也已經(jīng)形成了一個(gè)大型的梯級(jí)水電系統(tǒng)。但梯級(jí)水 電站要實(shí)現(xiàn)水力資源的合理高效利用仍然面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，受到眾多因素例如水庫(kù)來(lái) 水的季節(jié)性、隨機(jī)性及空間分布的不均衡性等因素的存在，復(fù)雜的水力聯(lián)系、電氣聯(lián)系，負(fù) 荷的隨機(jī)性，電氣結(jié)構(gòu)，國(guó)家政策等的影響，而這些因素的存在都將影響水力資源在梯級(jí)水 電站的分配策略，其影響之一就是梯級(jí)水電站的棄水方法及棄水量的多少，最終影響水力 資源的利用效率及梯級(jí)水電站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。 棄水已經(jīng)成為影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，每年因?yàn)闂壦a(chǎn)生大量的電能 損失[2]。造成棄水的因素很多，如負(fù)荷的不匹配、自動(dòng)發(fā)電控制的投入、用電低谷期等，但 其中一個(gè)重要因素是棄水方法的不合理。目前，一個(gè)被廣泛應(yīng)用的棄水方法就是當(dāng)水庫(kù)的 水位達(dá)到設(shè)定的最高限制水位并且水電站入庫(kù)流量大于其最大發(fā)電流量時(shí)產(chǎn)生棄水，該策 略的目的就是盡最大可能的將來(lái)水存儲(chǔ)在水庫(kù)中以滿(mǎn)足未來(lái)用水的需要，盡最大可能利用 水輪機(jī)組產(chǎn)生泄水，即當(dāng)水輪機(jī)組未達(dá)到最大的發(fā)電流量時(shí)讓水力資源經(jīng)水輪機(jī)組流向下 游以減少棄水[3—9]。這是一種靜態(tài)的棄水策略，無(wú)論對(duì)于單一水電站還是梯級(jí)水電站而言 具有一定的不合理性。構(gòu)建一個(gè)合理的棄水方法將在很大程度上提高梯級(jí)水電站的發(fā)電效 益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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發(fā)明內(nèi)容
基于上述分析，為實(shí)現(xiàn)水電站棄水的合理產(chǎn)生及水力資源在梯級(jí)水電站間的最佳
分配，提高水力資源利用率及發(fā)電效益，本發(fā)明提出一種水電站動(dòng)態(tài)棄水產(chǎn)生方法及系統(tǒng)。
該方法利用水電站機(jī)組的動(dòng)態(tài)最佳發(fā)電流量極限，在兼顧機(jī)組發(fā)電效率的基礎(chǔ)上，建立梯
級(jí)水電站的動(dòng)態(tài)棄水模型，該模型與梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型相融合，可以方便的確定梯
級(jí)水電站最佳的發(fā)電流量、棄水流量、前池水位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水力資源的最佳分配，提高梯
級(jí)水電站運(yùn)行的綜合經(jīng)濟(jì)性。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 本發(fā)明的原理方法為根據(jù)水能到電能的轉(zhuǎn)換機(jī)理，在分析水電站機(jī)組的水頭、水
頭損失及機(jī)組出力之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立水電站機(jī)組獲得最大出力的最佳的協(xié)調(diào)條件，
通過(guò)上述條件可以方便有效的確定不同水頭下機(jī)組獲得最大出力時(shí)的發(fā)電流量，該流量隨
著水頭的變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化，并以此發(fā)電流量作為棄水產(chǎn)生的界限，通過(guò)將其和梯級(jí)水
電站優(yōu)化調(diào)度模型融合，確定各時(shí)段的最佳發(fā)電流量、棄水流量、前池水位等，從而提高發(fā)
電機(jī)組的發(fā)電效率及用水的合理性。 實(shí)現(xiàn)的步驟如下 1、根據(jù)水電站水庫(kù)特征參數(shù)，構(gòu)建各梯級(jí)水電站的水頭模型、水頭損失模型，在此 基礎(chǔ)上利用水能到電能的轉(zhuǎn)換機(jī)理建立發(fā)電機(jī)組的出力模型； 2、利用優(yōu)化方法中函數(shù)極值確定的必要條件，建立水電站機(jī)組獲得最大出力時(shí)的 最優(yōu)條件。 3、利用最優(yōu)條件，在考慮機(jī)組發(fā)電效率的基礎(chǔ)上構(gòu)建梯級(jí)水電站動(dòng)態(tài)棄水模型；
4、通過(guò)優(yōu)化的手段來(lái)確定梯級(jí)水電站最優(yōu)動(dòng)態(tài)棄水量、發(fā)電流量及前池水位等的 實(shí)現(xiàn)方法。
根據(jù)本發(fā)明作者的研究結(jié)果表明 1、以靜態(tài)棄水為依據(jù)的水電站棄水方法，即盡量減少水電站棄水、最大限度的利 用水庫(kù)存水，并不是一種合理的棄水產(chǎn)生方法，當(dāng)發(fā)電水頭與發(fā)電流量不匹配時(shí)，反而會(huì)降 低水電站機(jī)組的發(fā)電效率，最終影響梯級(jí)水電站的整體運(yùn)行效益。 2、在梯級(jí)水電站中，水電站的棄水不能夠單純的看作是一種損失，對(duì)于單一水電站而言，棄水將造成自身水力資源的減少，但卻可以實(shí)現(xiàn)水力資源在梯級(jí)水電站間的動(dòng)態(tài) 合理再分配，可以提高水電站的整體發(fā)電效益，因此在梯級(jí)水電站運(yùn)行時(shí)應(yīng)考慮其必要的 棄水。
具體實(shí)施例方式
1、建立機(jī)組的出力模型 采用H表示水電站的發(fā)電凈水頭，Q為與之相應(yīng)的發(fā)電流量，n為水能到電能轉(zhuǎn)化 的效率，根據(jù)水能到電能的轉(zhuǎn)化機(jī)理，在t。 ^的時(shí)間內(nèi)水電站生產(chǎn)的電能可表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
AH為水電站的水頭損失，對(duì)于已建水電站，水頭損失AH主要與發(fā)電流量Q的大 小有關(guān)，Q越大，AH的值就越大，它們之間一般呈非線性關(guān)系。通常可將水頭損失AH表示 為發(fā)電流量Q的二次函數(shù)關(guān)系，P。、 ！^、 ！32為水頭損失的擬合系數(shù)，則AH可表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
Q工為水電站的入庫(kù)流量，則水電站的總水頭可用函數(shù)HjQp Q)表示，則水電站的 發(fā)電凈水頭為
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因此，機(jī)組的出力模型可以重新表示為
<formula>formula see original document page 5</formula> 2 、確定機(jī)組獲得最大出力的最優(yōu)條件 根據(jù)優(yōu)化方法中極值取得的必要條件，在t。 ^的時(shí)間內(nèi)水電站要獲得最大的發(fā) 電量需滿(mǎn)足W對(duì)入庫(kù)流量Q工及發(fā)電流量Q的偏導(dǎo)數(shù)為0，即
<formula>formula see original document page 5</formula> 在t。 ^的時(shí)間內(nèi)，水電站出庫(kù)流量和入庫(kù)流量都處在不同的變化之中，因此總 水頭Hz也是一變動(dòng)值，利用式(5)和式(6)求出獲得最大發(fā)電量時(shí)的發(fā)電總水頭Hz與發(fā)電 流量Q的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系比較復(fù)雜，實(shí)際通常采用時(shí)段的平均水頭來(lái)代替瞬時(shí)水頭，即認(rèn)為 在t。 ^的時(shí)間內(nèi)總水頭Hz為一定值保持不變，根據(jù)以上分析可將式(5)作為一恒等式，
式(6)則變?yōu)?<formula>formula see original document page 5</formula>由式(7)即可得到發(fā)電總水頭Hz與發(fā)電流量Q的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系為
<formula>formula see original document page 5</formula>
式(8)表示的物理含義為在固定總水頭Hz下有一個(gè)最佳的發(fā)電流j
Q與該水頭相對(duì)應(yīng)使水電站獲得最大的機(jī)組出力。
3、構(gòu)建動(dòng)態(tài)棄水模型 說(shuō)明書(shū)附圖中，圖1描述某機(jī)組輸出功率、水頭和水頭損失與發(fā)電流量變化的關(guān) 系，Q一為式(8)確定的機(jī)組獲得最大輸出功率時(shí)的發(fā)電流量，Q^機(jī)組允許的最大過(guò)機(jī)流 量。目前通常所采用的棄水策略就是以Qmax為最大發(fā)電流量邊界，當(dāng)入庫(kù)流量Q工> Qmax且
水庫(kù)水位達(dá)到設(shè)定的上限時(shí)產(chǎn)生棄水。該棄水策略的目的就是盡量減少水電站的棄水，盡 最大可能使較多的水流經(jīng)發(fā)電機(jī)組及較多的水存儲(chǔ)到水庫(kù)中。根據(jù)圖l可知，此時(shí)機(jī)組的
輸出功率并不是最大的，原因在于這種情況下，雖然發(fā)電流量Q比由式(8)所確定的最佳發(fā) 電流量Qopt大，但由于此時(shí)由于水頭損失AH過(guò)大，水電站的出力反而會(huì)減少，降低了機(jī)組 的發(fā)電效率，因此可以看出，目前這種靜態(tài)棄水策略存在著明顯不足，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)水力 資源合理利用，若此時(shí)以Qopt為水電站的棄水界限更為合理。由式(8)可知，Qopt隨發(fā)電 流量Q的變化而處在動(dòng)態(tài)的變化之中，在某些情況下會(huì)出現(xiàn)Q。pt < Q^，此時(shí)需采用Q^作 為棄水界限。由此可見(jiàn)，水電站棄水界限隨著時(shí)間的推移及發(fā)電流量的變化處在動(dòng)態(tài)的變 化之中，與之對(duì)應(yīng)的棄水策略稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)棄水策略。Z為水庫(kù)的蓄水水位，Z^為水電站水 庫(kù)允許的最高蓄水水位，此時(shí)單一水電站的棄水條件表示為 { 〃 (9) 對(duì)于梯級(jí)水電站而言，需要對(duì)式(9)的棄水條件進(jìn)行修改。APu為上級(jí)水電站輸 出功率的變化量，APd為與之相鄰的下游水電站的輸出功率的變化量，若當(dāng)上級(jí)水電站產(chǎn) 生棄水其輸出功率的減少量APu小于下級(jí)水電站輸出功率的增加量APd，則以棄水的發(fā)電 流量產(chǎn)生棄水，其棄水流量s為
S = Q-min(Q。pt，Q x) (10) 梯級(jí)水電站的棄水條件需要通過(guò)約束條件和目標(biāo)函數(shù)共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。由上述可 知式(9)為單一水電站的棄水條件，式(10)是一個(gè)整體的棄水條件，在梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào) 度中采用這兩個(gè)條件，可以有效兼顧局部和整體利益，提高水電站運(yùn)行的綜合經(jīng)濟(jì)性。
4、最優(yōu)動(dòng)態(tài)棄水的實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng) 對(duì)于單一水電站而言，根據(jù)動(dòng)態(tài)棄水條件，可以方便的確定水電站棄水流量及發(fā) 電流量的大?。粚?duì)于梯級(jí)水電站而言，由于各水電站是一個(gè)整體，它們之間相互影響，要考 慮提及水電站整體最佳發(fā)電效益，要確定各水電站最佳的放水策略，要將動(dòng)態(tài)棄水模型融 入梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型中，采用最優(yōu)化的手段確定各水電站的最佳的發(fā)電流量及棄水 流量。由于梯級(jí)水電站的棄水條件隨水電站的水頭及發(fā)電流量極限而動(dòng)態(tài)的改變，因此需 要時(shí)刻監(jiān)測(cè)水電站水庫(kù)的前池水位、尾水水位及機(jī)組的發(fā)電流量等，其實(shí)現(xiàn)流程及系統(tǒng)示 意圖參看附圖2梯級(jí)水電站動(dòng)態(tài)棄水優(yōu)化方法及系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 1、靜態(tài)棄水模型增加了水電站的水頭損失、降低了水力資源的利用效率及機(jī)組的 發(fā)電效率，動(dòng)態(tài)棄水模型則可以克服上述之不足。 2、動(dòng)態(tài)棄水模型摒棄了靜態(tài)棄水模型中水電站盡最大可能的將水力資源存儲(chǔ)在 水庫(kù)中盡量不產(chǎn)生棄水的觀念，認(rèn)為棄水并不完全是一種損失，通過(guò)合理?xiàng)壦梢詣?dòng)態(tài)改 變水電站水庫(kù)的蓄放水規(guī)律，更好的實(shí)現(xiàn)水力資源在梯級(jí)水電站間的最佳分配，提高機(jī)組
6的發(fā)電效益及實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站整體效益的最佳化。


圖1水頭、水頭損失、輸出功率與發(fā)電流量關(guān)系。
圖2梯級(jí)水電站動(dòng)態(tài)棄水優(yōu)化方法及系統(tǒng)。
權(quán)利要求
梯級(jí)水電站動(dòng)態(tài)棄水模型的確定方法，其特征在于利用水電站機(jī)組出力最大時(shí)的最優(yōu)條件來(lái)確定水頭和發(fā)電流量的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，在考慮機(jī)組發(fā)電效率的前提下確定梯級(jí)水電站的動(dòng)態(tài)棄水模型。
2. 梯級(jí)水電站棄水優(yōu)化方法，其特征在于在權(quán)利要求l的基礎(chǔ)上，通過(guò)各水電站的合 理?xiàng)壦詫?shí)現(xiàn)水力資源在梯級(jí)水電站間的動(dòng)態(tài)再分配，其最佳發(fā)電流量和棄水流量的確 定需將動(dòng)態(tài)棄水模型和優(yōu)化調(diào)度模型相融合并采用優(yōu)化的手段來(lái)確定，從而最終提高梯級(jí) 水電站的綜合發(fā)電效益，
3. 梯級(jí)水電站棄水優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于如權(quán)利要求2所述，實(shí)現(xiàn)上述水力資源的動(dòng) 態(tài)再分配過(guò)程需要態(tài)采集各水電站的數(shù)據(jù)，如發(fā)電流量、棄水流量、前池水位等，根據(jù)優(yōu)化 調(diào)度結(jié)果，對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和優(yōu)化結(jié)果不匹配的水電站進(jìn)行調(diào)整。因此，該棄水優(yōu)化系統(tǒng)由 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水電站控制系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于優(yōu)化模塊中優(yōu)化模型 的構(gòu)建以動(dòng)態(tài)棄水策略為基礎(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種梯級(jí)水電站棄水優(yōu)化方法與系統(tǒng)，其特征在于可以根據(jù)水頭和發(fā)電流量之間最佳協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)確定水電站最佳的動(dòng)態(tài)棄水界限，該動(dòng)態(tài)棄水界限隨水電站水頭及發(fā)電流量的變化處在動(dòng)態(tài)的變化之中，通過(guò)將其融合到梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型中，采用優(yōu)化手段確定各水電站最佳的發(fā)電流量和棄水流量的大小，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程要和水電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相配合。由于通過(guò)摒棄靜態(tài)棄水策略中棄水就產(chǎn)生損失的傳統(tǒng)觀念，利用水電站棄水來(lái)實(shí)現(xiàn)水力資源在梯級(jí)水電站間的動(dòng)態(tài)最佳再分配，提高機(jī)組運(yùn)行的發(fā)電效率，從而提高了梯級(jí)水電站整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號(hào)E02B9/00GK101718084SQ200910114599
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者丁國(guó)強(qiáng), 何芬, 吳杰康, 郭壯志 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)