專利名稱：梯級水電站棄水優化方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用水電站水頭與發電流量之間最佳協調關系來確定各梯級水
電站最優棄水流量的方法及系統，可以提高單一水電站和梯級水電站運行的綜合經濟性， 該發明屬于水力發電領域。
背景技術：
我國河流眾多、水力資源豐富，由于其為一種可再生能源，用其產生電能具有清潔 無污染的特點，合理高效利用水力資源可以達到節約燃煤等非可再生資源、實現能源的可 持續利用及降低大氣污染程度等目的[1]。梯級水電站可以實現水力資源的重復再利用，已 經成為水力資源合理開發和高效利用的主要形式之一，在長江、黃河中游的干支流上已建 獲正建一批大型的水電站，廣西紅水河也已經形成了一個大型的梯級水電系統。但梯級水 電站要實現水力資源的合理高效利用仍然面臨著嚴峻的考驗，受到眾多因素例如水庫來 水的季節性、隨機性及空間分布的不均衡性等因素的存在，復雜的水力聯系、電氣聯系，負 荷的隨機性，電氣結構，國家政策等的影響，而這些因素的存在都將影響水力資源在梯級水 電站的分配策略，其影響之一就是梯級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水電站的運行經濟性。 棄水已經成為影響水電站經濟運行的重要因素，每年因為棄水而產生大量的電能 損失[2]。造成棄水的因素很多，如負荷的不匹配、自動發電控制的投入、用電低谷期等，但 其中一個重要因素是棄水方法的不合理。目前，一個被廣泛應用的棄水方法就是當水庫的 水位達到設定的最高限制水位并且水電站入庫流量大于其最大發電流量時產生棄水，該策 略的目的就是盡最大可能的將來水存儲在水庫中以滿足未來用水的需要，盡最大可能利用 水輪機組產生泄水，即當水輪機組未達到最大的發電流量時讓水力資源經水輪機組流向下 游以減少棄水[3—9]。這是一種靜態的棄水策略，無論對于單一水電站還是梯級水電站而言 具有一定的不合理性。構建一個合理的棄水方法將在很大程度上提高梯級水電站的發電效 益，具有重要的現實意義。
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發明內容
基于上述分析，為實現水電站棄水的合理產生及水力資源在梯級水電站間的最佳
分配，提高水力資源利用率及發電效益，本發明提出一種水電站動態棄水產生方法及系統。
該方法利用水電站機組的動態最佳發電流量極限，在兼顧機組發電效率的基礎上，建立梯
級水電站的動態棄水模型，該模型與梯級水電站優化調度模型相融合，可以方便的確定梯
級水電站最佳的發電流量、棄水流量、前池水位等參數，實現水力資源的最佳分配，提高梯
級水電站運行的綜合經濟性。 本發明的技術方案如下 本發明的原理方法為根據水能到電能的轉換機理，在分析水電站機組的水頭、水
頭損失及機組出力之間關系的基礎上，建立水電站機組獲得最大出力的最佳的協調條件，
通過上述條件可以方便有效的確定不同水頭下機組獲得最大出力時的發電流量，該流量隨
著水頭的變化呈現動態的變化，并以此發電流量作為棄水產生的界限，通過將其和梯級水
電站優化調度模型融合，確定各時段的最佳發電流量、棄水流量、前池水位等，從而提高發
電機組的發電效率及用水的合理性。 實現的步驟如下 1、根據水電站水庫特征參數，構建各梯級水電站的水頭模型、水頭損失模型，在此 基礎上利用水能到電能的轉換機理建立發電機組的出力模型； 2、利用優化方法中函數極值確定的必要條件，建立水電站機組獲得最大出力時的 最優條件。 3、利用最優條件，在考慮機組發電效率的基礎上構建梯級水電站動態棄水模型；
4、通過優化的手段來確定梯級水電站最優動態棄水量、發電流量及前池水位等的 實現方法。
根據本發明作者的研究結果表明 1、以靜態棄水為依據的水電站棄水方法，即盡量減少水電站棄水、最大限度的利 用水庫存水，并不是一種合理的棄水產生方法，當發電水頭與發電流量不匹配時，反而會降 低水電站機組的發電效率，最終影響梯級水電站的整體運行效益。 2、在梯級水電站中，水電站的棄水不能夠單純的看作是一種損失，對于單一水電站而言，棄水將造成自身水力資源的減少，但卻可以實現水力資源在梯級水電站間的動態 合理再分配，可以提高水電站的整體發電效益，因此在梯級水電站運行時應考慮其必要的 棄水。
具體實施例方式
1、建立機組的出力模型 采用H表示水電站的發電凈水頭，Q為與之相應的發電流量，n為水能到電能轉化 的效率，根據水能到電能的轉化機理，在t。 ^的時間內水電站生產的電能可表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
AH為水電站的水頭損失，對于已建水電站，水頭損失AH主要與發電流量Q的大 小有關，Q越大，AH的值就越大，它們之間一般呈非線性關系。通常可將水頭損失AH表示 為發電流量Q的二次函數關系，P。、 ！^、 ！32為水頭損失的擬合系數，則AH可表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
Q工為水電站的入庫流量，則水電站的總水頭可用函數HjQp Q)表示，則水電站的 發電凈水頭為
<formula>formula see original document page 5</formula>
因此，機組的出力模型可以重新表示為
<formula>formula see original document page 5</formula> 2 、確定機組獲得最大出力的最優條件 根據優化方法中極值取得的必要條件，在t。 ^的時間內水電站要獲得最大的發 電量需滿足W對入庫流量Q工及發電流量Q的偏導數為0，即
<formula>formula see original document page 5</formula> 在t。 ^的時間內，水電站出庫流量和入庫流量都處在不同的變化之中，因此總 水頭Hz也是一變動值，利用式(5)和式(6)求出獲得最大發電量時的發電總水頭Hz與發電 流量Q的最佳協調關系比較復雜，實際通常采用時段的平均水頭來代替瞬時水頭，即認為 在t。 ^的時間內總水頭Hz為一定值保持不變，根據以上分析可將式(5)作為一恒等式，
式(6)則變為 <formula>formula see original document page 5</formula>由式(7)即可得到發電總水頭Hz與發電流量Q的最佳協調關系為
<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下有一個最佳的發電流j
Q與該水頭相對應使水電站獲得最大的機組出力。
3、構建動態棄水模型 說明書附圖中，圖1描述某機組輸出功率、水頭和水頭損失與發電流量變化的關 系，Q一為式(8)確定的機組獲得最大輸出功率時的發電流量，Q^機組允許的最大過機流 量。目前通常所采用的棄水策略就是以Qmax為最大發電流量邊界，當入庫流量Q工> Qmax且
水庫水位達到設定的上限時產生棄水。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發電機組及較多的水存儲到水庫中。根據圖l可知，此時機組的
輸出功率并不是最大的，原因在于這種情況下，雖然發電流量Q比由式(8)所確定的最佳發 電流量Qopt大，但由于此時由于水頭損失AH過大，水電站的出力反而會減少，降低了機組 的發電效率，因此可以看出，目前這種靜態棄水策略存在著明顯不足，并沒有真正實現水力 資源合理利用，若此時以Qopt為水電站的棄水界限更為合理。由式(8)可知，Qopt隨發電 流量Q的變化而處在動態的變化之中，在某些情況下會出現Q。pt < Q^，此時需采用Q^作 為棄水界限。由此可見，水電站棄水界限隨著時間的推移及發電流量的變化處在動態的變 化之中，與之對應的棄水策略稱之為動態棄水策略。Z為水庫的蓄水水位，Z^為水電站水 庫允許的最高蓄水水位，此時單一水電站的棄水條件表示為 { 〃 (9) 對于梯級水電站而言，需要對式(9)的棄水條件進行修改。APu為上級水電站輸 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，若當上級水電站產 生棄水其輸出功率的減少量APu小于下級水電站輸出功率的增加量APd，則以棄水的發電 流量產生棄水，其棄水流量s為
S = Q-min(Q。pt，Q x) (10) 梯級水電站的棄水條件需要通過約束條件和目標函數共同作用來實現。由上述可 知式(9)為單一水電站的棄水條件，式(10)是一個整體的棄水條件，在梯級水電站優化調 度中采用這兩個條件，可以有效兼顧局部和整體利益，提高水電站運行的綜合經濟性。
4、最優動態棄水的實現與系統 對于單一水電站而言，根據動態棄水條件，可以方便的確定水電站棄水流量及發 電流量的大小；對于梯級水電站而言，由于各水電站是一個整體，它們之間相互影響，要考 慮提及水電站整體最佳發電效益，要確定各水電站最佳的放水策略，要將動態棄水模型融 入梯級水電站優化調度模型中，采用最優化的手段確定各水電站的最佳的發電流量及棄水 流量。由于梯級水電站的棄水條件隨水電站的水頭及發電流量極限而動態的改變，因此需 要時刻監測水電站水庫的前池水位、尾水水位及機組的發電流量等，其實現流程及系統示 意圖參看附圖2梯級水電站動態棄水優化方法及系統。
本發明的優點在于 1、靜態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組的 發電效率，動態棄水模型則可以克服上述之不足。 2、動態棄水模型摒棄了靜態棄水模型中水電站盡最大可能的將水力資源存儲在 水庫中盡量不產生棄水的觀念，認為棄水并不完全是一種損失，通過合理棄水可以動態改 變水電站水庫的蓄放水規律，更好的實現水力資源在梯級水電站間的最佳分配，提高機組
6的發電效益及實現梯級水電站整體效益的最佳化。
圖1水頭、水頭損失、輸出功率與發電流量關系。
圖2梯級水電站動態棄水優化方法及系統。
權利要求
梯級水電站動態棄水模型的確定方法，其特征在于利用水電站機組出力最大時的最優條件來確定水頭和發電流量的最佳協調關系，以此為基礎，在考慮機組發電效率的前提下確定梯級水電站的動態棄水模型。
2. 梯級水電站棄水優化方法，其特征在于在權利要求l的基礎上，通過各水電站的合 理棄水，以實現水力資源在梯級水電站間的動態再分配，其最佳發電流量和棄水流量的確 定需將動態棄水模型和優化調度模型相融合并采用優化的手段來確定，從而最終提高梯級 水電站的綜合發電效益，
3. 梯級水電站棄水優化系統，其特征在于如權利要求2所述，實現上述水力資源的動 態再分配過程需要態采集各水電站的數據，如發電流量、棄水流量、前池水位等，根據優化 調度結果，對實際運行狀態和優化結果不匹配的水電站進行調整。因此，該棄水優化系統由 計算機系統、數據采集系統、水電站控制系統組成，該系統的特點在于優化模塊中優化模型 的構建以動態棄水策略為基礎。
全文摘要
本發明公開一種梯級水電站棄水優化方法與系統，其特征在于可以根據水頭和發電流量之間最佳協調關系來確定水電站最佳的動態棄水界限，該動態棄水界限隨水電站水頭及發電流量的變化處在動態的變化之中，通過將其融合到梯級水電站優化調度模型中，采用優化手段確定各水電站最佳的發電流量和棄水流量的大小，具體實現過程要和水電站數據采集系統和控制系統相配合。由于通過摒棄靜態棄水策略中棄水就產生損失的傳統觀念，利用水電站棄水來實現水力資源在梯級水電站間的動態最佳再分配，提高機組運行的發電效率，從而提高了梯級水電站整體運行的經濟性。
文檔編號E02B9/00GK101718084SQ200910114599
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者丁國強, 何芬, 吳杰康, 郭壯志 申請人:廣西大學