（水利水电工程专业论文）潮汐电站优化调度计算及软件编制的研究.pdf

摘要 随着世界能源和环境问题的日益严重，作为一种清洁可再生的能源，潮汐能 日益受到全世界的关注，各国竟相开发潮汐电站，利用潮汐能来发电。因此很有 必要开展潮汐电站优化调度方面的研究工作。 本论文首先介绍了世界潮汐电站的发展史及发展现状；潮汐电站的建库方 案；然后建立潮汐电站厂内经济运行和短期优化调度的数学模型：在此基础上， 迸一步使用等微增率法、动态规划法和基因遗传算法来求解潮汐电站优化调度问 题，并对三种方法作了比较，指出各自的优缺点；论文也探讨了潮汐电站优化调 度中不同于常规水电站优化调度的特殊问题的处理方法。 本论文在深入研究分析潮汐电站优化调度的基础上，还采用了面向对象的编 程工具v b ，编制了通用的潮汐电站优化调度程序，使程序具有良好的用户界面， 方便用户的使用和软件的推广。调度软件采用了比较成熟的动态规划算法，能够 在预先安排好机组计划检修的情况下进行厂内经济运行计算，和任意长时段内的 短期优化调度计算。调度计算时用户可修改软件默认的参数值，使程序具有较强 的通用性，计算结果更精确。 本论文还对江厦潮汐电站的实际运行资料进行了数值模拟计算，结果表明： 采用优化调度可使潮汐电站提高年发电量9 以上。由此证明潮汐电站优化调度 意义重大，值得积极推广。 关键词：潮汐电站优化调度动态规划遗传算法v b a b s t r a ct a l o n g w i t ht h ew o r l d sp o w e ra n de n v i r o n m e n t b e c o m i n g m o r ea n dm o r e s e r i o u s ， t i d ep o w e r , a sac l e a na n dd e p e n d a b l ep o w e r , h a sa t 仃a c t e da l lt h ew o r l d sc a u t i o n a l l t h ec o u n t r i e st r yt h e i rb e s tt od e v e l o p t i d e - p o w e rs t a t i o n s ，u s i n gt i d ep o w e r t og e n e r a t e e l e c t r i c i t y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a j t yo u to p t i m a lr e g u l a t i o nr e s e a r c ho f t i d e p o w e r s t a t i o n s t h i sp a p e rf i m f l yi n t r o d u c e st h ep h y l o g e n ya n d a c t u a l i t yo ft i d e p o w e rs t a t i o n s ； t h e d e v e l o p m e n ts t y l e o ft h e m ；a n dt h e n ，e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c sm o d e lo f o p t i m a lr e g u l a t i o n o f t i d e p o w e rs t a t i o n s ；n a r r a t e s h o wt ou s e e q d y n a m i c p r o g r a m m i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e mo fo p t i m a lr e g u l a t i o no ft i d e p o w e rs t a t i o n si n d i v i d u a l l y ；m a k e sc o m p a r i s o no ft h r e ek i n d so fm e m o d s ，p o i n t i n g o u tt h ee x c e l l e n c ea n dw e a k n e s so fe a c hm e t h o d ；d i s c u s s e ss o m e p a r t i c u l a rp r o b l e m s o f t i d e p o w e rs t a t i o n s ，d i f f e r i n gf r o m n o r m a lw a t e rp o w e rs t a t i o n s b e s i d e s ，t h i sp a p e r u s e sv bt od e v e l o pa l lo p t i m a lr e g u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hc a l l b eu s e di na l l f i d e - p o w e rs t a t i o n s g o o di n t e r f a c em a k e si t m o r ee a s yt ou s ea n d s p r e a d t h es o f t w a r eh a su s e dd y n a m i cp r o g r a m m i n g w h i c hi ss k i l l e d i cc a np r o c e s s u n l i m i t e ds h o r tt e r me c o n o m i cd i s p a t c hu n d e rt h ec o n d i t i o n so fa l lt h em a c h i n e s f i x t i m ei sp l a n e db e f o r e h a n d a l lp a r a m e t e r sc a nb em o d i f i e d b yt h eu s c tt op r o c e s st h e c a l c u l a t i o nm o r e e x a c t l y a tl a s t ，t h i sp a p e r p r o c e e d st h ec a l c u l a t i o no fj i a n gx i at i d e p o w e rs t a t i o n t h e r e s u l ts h o w st h a to p t i m a lr e g u l a t i o no f 硼e - p o w e rs t a t i o n sc a l li m p r o v ea b o v e9 o f t h ee l e c t r i c i t y a l lt h e s es h o wt h a ti ti s v e r ym e a n i n ga n dn e c e s s a r yt oc a r r yo u t o p t i m a lr e g u l a t i o no ft i d e p o w e r s t a t i o n s k e yw o r d s ：t i d e p o w e rs t a t i o n 、o p t i m a lr e g u l a t i o n 、d y n a m i cp r o g r a m m i n g 、 g e n e t i c a l g o r i t h m 、v b 河海大学硕士 第一章概论 1 1 概述 世界海洋能的蕴藏总量高达7 5 0 亿千瓦，包括潮汐能、温差能、盐差能、海 流能和波能。由于这些能源具有可再生性、永恒性、无污染、分布广、数量大等 优越性，许多国家都投入大量人力、物力、财力进行研究与开发。从目前水平看， 海洋能之中潮汐能开发技术最成熟，己接近实用化，并具有一定的商业竞争能力。 潮汐能是指海水涨潮和落潮形成的水的势能，其利用原理和水力发电相似。 潮汐的能量与潮量及潮差成正比。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相 当于微水头发电的水平。世界上潮差的较大值约为1 3 1 5m ，最大潮差( 加拿大 的芬地湾) 可达1 8 5m ，我国的最大潮差( 杭州湾澈浦) 为8 9r l l 。一般来说，平 均潮差在31 1 3 以上就有实际应用价值。 1 9 1 3 年，法国科学家派恩提出在诺德斯特兰岛和法国大陆之间建立一座发 电站的设计方案：在岛与大陆之间建造一条2 8k m 的大坝，坝上再建造一座试 验性发电站。第一次世界大战期间该电站成功地发出了电。这是世界上第一座潮 汐发电站，也是人类第一次从海洋里获得电能。 1 2 问题的提出 由于潮汐能是一种可再生的清洁能源，各国都在竞相研究开发潮汐能电站。 中国是世界上建造潮汐电站最多的国家，在5 0 年代至7 0 年代先后建造了近5 0 座潮汐电站。但是自7 0 年代以后，潮汐电站的建设工作就进入了低谷时期。江 厦潮汐试验电站第一台机组发电至今已有2 0 多年了，我国非但没有建造规模更 大的潮汐电站，就连原来运行的潮汐电站的有些机组也已报废停运，有些电站因 入不敷出、经营困难而关闭。据统计，现只有8 个电站仍正常运行发电。据1 9 8 2 年我国潮汐能源普查统计，我国可开发的潮汐电站装机容量为2 1 5 8 万k w ，已 开发的装机容量共1 1 万k w ，仅占可开发容量的0 0 5 。 造成我国潮汐能开发停滞甚至萎缩的主要原因之一是经营亏损。以江厦潮汐 电站为例，在库区开展的种植业和养殖业，每年创产值2 5 0 0 多万元，净收入可 第一章概论 达数百万元。但是库区综合利用并不作为江厦电站的产业，尽管江厦潮汐电站的 综合经济效益很高，江厦潮汐电站本身的经营状况并不乐观。 由此可见，目前我国潮汐发电面临着十分严峻的形势。对潮汐电站的进一步 研究显得迫在眉睫，尤其是应该对如何提高潮汐电站的直接经济效益进行研究， 使潮汐电站能够在经济上可行、自负盈亏，成为一个独立的经济实体参与到市场 竞争中去，形成潮汐能源开发的良性发展趋势。根据常规水电站优化调度的经验， 潮汐电站优化调度是一个提高潮汐电站经济效益的重要途径。因此开展潮汐电站 优化调度的研究工作是很有现实意义的。 1 3 本文研究的内容 潮汐电站优化调度主要研究潮汐电站科学管理的优化技术和调度决策，用系 统工程的观点和系统分析的方法，对系统进行综合性的分析比较，使潮汐电站始 终在最优的工况下运行。具体而言就是在一定时期内，在满足电站所有机组发电 及闸门过流约束的前提下，根据预报的潮位，通过优化调度计算，决定各时刻运 行的库水位，并在每一时刻将电站总发电流量合理地分配至各台机组，使潮汐电 站在该时期内的总发电量最大。 本文研究的主要内容是： ( 1 ) 分析潮汐电站的国内外发展现状，探讨潮汐电站常见的建库方案和运 行方案； ( 2 ) 在研究潮汐电站运行特点的基础上，建立潮汐电站厂内经济运行和短 期优化调度的双层优化调度模型： ( 3 ) 利用动态规划方法来求解已经建立的潮汐电站优化调度模型。在此过 程中，重点解决发电历时、闸门启闭时间及机组正反向发电等不同于 常规水电站的特殊问题； ( 4 ) 初步探讨基因遗传算法在潮汐电站优化调度中的应用； ( 5 ) 利用可视化编程语言v b 编制潮汐电站优化调度软件，使程序具有良 好的人机界面和通用性，便于用户更好地实现电站的优化运行； 河海大学硕士 ( 6 ) 结合工程实例( 江厦潮汐电站) ，使用编制的潮汐电站优化调度软件 进行仿真计算，并对计算结果进行合理性分析。总结优化调度中参数 选取、优化调度操作规律以供其它电站运行作参考。 到目前为止，仍未见国内外有关于潮汐电站优化调度方面的研究成果，因此 积极地开展潮汐电站优化调度方面的研究工作意义非常重大。 开展潮汐电站优化调度研究工作具有两方面的意义。一方面，它可以为我国 开发、利用潮汐能提供理论依据。因为潮汐发电是否可行要依赖年发电量的计算， 进行优化调度的研究，可以提供较为合理和精确的计算成果。另一方面，它可以 使已建潮汐电站充分利用潮汐能，增加发电量，提高电站的经济效益，使得潮汐 电站能够更好地发展起来。 第二章潮汐电站开发运行特征 第二章潮汐电站开发运行特征 2 1 发展简史 1 9 6 7 年，法国人在英吉利海峡的朗斯河口，建造了世界上第一座具有商业 规模、年发电量达5 “亿度的大型潮汐电站。该电站采用的是单库双向型发电 方式，只建一个蓄水库和一条堤坝，水轮机和发电机组均能满足正反双向运转的 要求，涨落潮时均能发电。朗斯电站机组为灯泡型贯流式机组，这种机组在涨落 潮时均可发电。需要时，还可以从外边输入电力，把发电机变成电动机，水轮机 则起着水泵的抽水作用，以提高水位，增加发电能力。采用灯泡型贯流式机组是 朗斯潮汐电站的一项重大技术成就，它成功地解决了潮汐涨落的间歇期问题。 朗斯潮汐电站的成功增添了人们利用潮汐来发电的信心。一年后，在巴伦支 海的基斯洛湾，前苏联的第一座潮汐电站投入了运行。这个小型的试验性电站安 装了一台4 0 0 k w 的双向贯流式水轮机组，采用与其它电站联网供电的办法，就 成功地解决了因潮水涨落带来的潮汐发电电力不稳定这一复杂的问题。比如说， 在潮汐电站的发电能力进入高潮时，有关的水电站可以相应地减少发电，把水储 存在水库内，以供在潮汐发电低落期作补偿发电用；当其它电站负荷不足，有剩 余电力且处于涨潮时，又可以把潮汐电站的机组变成抽水机，利用剩余电力把围 堤内的水位提到高于涨潮时的水平，当出现用电高峰时，可用来发电，就不必依 赖海潮的涨落了。 基斯洛潮汐电站还创造了一种称为浮动沉箱施工法的工作方法，即采用新的 建筑结构，把厂房事先在船坞中造好，然后运往现场，安放在事先准备好的水下 基座上，这种做法降低了建造费用。后来加拿大、澳大利亚和英国的一些潮汐电 站在设计上都采用了这种浮动沉箱法，使建造费用降低了2 8 3 3 。 2 2 国内外发展现状 目前，全世界已建有2 4 座较大型的潮汐电站，一些潮汐能丰富的国家都在 进行潮汐能发电的研究，开发技术也日趋成熟，建设成本有所降低。现在已经建 河海大学硕士论文 成的国内外具有现代化水平的潮汐电站，大多采用单库双向型方式。目前全世界 潮汐电站的总装机容量为2 6 5 万k w 。 在世界能源日益紧张的情况下，不少有条件的国家正在积极建造和规划各种 潮汐电站。目前，世界潮汐能开发的趋势是偏向大型化，如前苏联计划的美晋潮 汐电站设计能力为1 5 2 0 万k w ，图古尔潮汐电站为1 0 3 0 万k w ，美国塞文电站 为7 2 0 万k w ，印度坎贝湾电站为7 3 6 万k w 。 我国是建造潮汐电站最多的国家。5 0 年代后期，我国曾出现过利用潮汐能 发电高潮，沿海诸省市兴建了4 2 个小型潮汐电站，总装机容量5 0 0k w 。7 0 年 代初再度出现潮汐发电热潮，至今仍在使用的潮汐电站共有8 座。其中最大为浙 江江厦电站，总装机容量为3 2 0 0k w ，年发电量6 0 0 万k w h ，1 9 8 0 年开始发 电，1 9 8 5 年底5 台机组全部并网发电，单机容量为5 0 0 k w 及7 0 0 k w 的灯泡贯 流式水轮发电机组全由我国自己研制。 表2 - 1中国已建并仍在运行的潮汐电站统计表 站名潮差( m )装机容量( k w )投运时间 江厦 5 13 2 0 01 9 8 0 白沙口2 4 6 4 01 9 7 8 幸福洋 4 51 2 8 01 9 8 9 岳浦3 61 5 01 9 7 1 海山4 91 5 01 9 7 5 沙山5 1 4 01 9 6 1 浏河 2 11 5 01 9 7 6 果子山 2 54 01 9 7 7 以上8 座潮汐电站总装机容量近6 0 0 0k w ，年发电量1 0 0 0 万余k w h 。我 国的潮汐发电量仅次于法国、加拿大，居世界第三位。 2 3 潮汐电站建库方案 2 3 1 单库潮汐电站方案 最早出现且最简单的潮汐电站是单库式的，这种电站通常只有一个大坝，其 上建有发电厂及闸门，其示意图如图2 - 1 所示。 第二章潮汐电站开发运行特征 海 图2 - 1 潮汐电站单库开发方式 单库潮汐电站有两种主要运行方式。即单向运行和双向运行。 单向运行是指电站只沿一个水流方向进行发电，通常是单向退潮发电。这种 电站的库水位接近于最高潮位。当海潮退落库水位高于海潮位一定值时，电站 机组开始发电；当海潮上涨，库水位高出海潮位的值小于一定值时，发电机停机： 潮位继续上涨至高于库水位时，开闸进水，使库水位接近于最高潮位，以备下一 次退潮发电。这种潮汐电站只需安装常规贯流式水轮机即可。 双向运行是指电站沿两个水流方向都发电。这种电站的库水位总在平均潮位 附近摆动，当海潮退落，库水位高于海水位一定值时，机组进行退潮正向发电； 当海潮上涨，海潮位高于库水位一定值时，机组进行涨潮反向发电。由于退潮和 涨潮都发电，电站必需安装双向式水轮发电机组。 单向运行方式只能提供间断电力，间断时间取决于潮位变化周期，这对电网 来说是不利的。双向运行方式可提供较连续的电力，具有较强的电网适应性，可 进行调峰运行。但它需要安装成本较贵、结构较复杂的双向式水轮发电机组。 从发电量价格比来看，单向运行方式优于双向式。但就电网而言，双向运 行方式可能会提供更多的电力。因为双向运行方式电站有更大的灵活性，能更好 地满足电网要求。 单向运行方式也可以是涨潮单向发电，亦即海水侧为水轮机进口，库侧为水 轮机出口，水库始终保持较低水位。这一方式的发电量比退潮发电少，较少被电 站采用。这主要是因为涨潮发电运行时的库水位上涨速度比退潮发电运行时的库 水位下降速度快。 双向运行方式提供的电力也不是连续的。在海库水位接近相等的时间内， 机组无法发电。每一涨潮或退潮发电结束时，必须立即打开闸门，以提高或降低 库水位，迎接下一个退潮或涨潮发电运行。由于这段时间机组处于停机等待状态， 河海太学硕士论文 导致茭缎亳不连续。 为了使涨潮进水时获得熙高的库水位，可以采用泵水的方法。即在海潮位达 到最商而又未开始进行退潮难向发电之前，用浆从海侧向库侧泵水，使库水位进 步提麓，以增加退潮时的发电量。虽然泵水港溪耗电，但由予浆水时的扬程低 予发毫辩鹣落差，发电量魄凝逵量多，爨默鼗浚楚鸯零l 戆。另耱，窳经戆撵蠢毒 利予增强电站的灵活性，艇长发电时间。若泵求动能由水轮机来究成，即选用多 工况水轮机，如法国朗斯潮汐电站所用的6 工况水轮发电机( 双向发电，双向泵 水，双翻泄水) ，则运行起来较方便，且可减少大坝费用。不过总的来说，泵水 珐疑豹零| 入会港热电滔的鬟杂缝彝莰炎凝。 2 3 2 戳库潮汐电菇方案 为了克服单库方案发电不连续的问题，在肖条件的地方可以采用双库连接方 案。双库连接方案需要建两个水库。两库相甄隔开，都有自己的大坝。地势有利 时，可以剃薅天然条件分黼勰痒。如2 - 2 所示。 豳2 2 双库潮汐电站方案 两库中一个为高水位滕，另一为低水位艨，两库之间建发电厂水轮机进水 铡在麓窳位瘁，窭承铡在低承谴疼。为增魏发噬爨，应选嚣痒孛羧小瓣一个走离 求位瘁。 两麾各有自己的闸门。嵩库闸门在高潮能时打开，让潮水进入，以保持其高 水位；濑海潮由高潮位下辫歪定值时，此闸门关上，防止库水流出。低库闸门 在低潮豫辩打开，撵出瘁巾鹃零，然后关土溜门。 邀懿依靠离、低痒承缎麓发电。鑫予离低辩零位始终吴有一定麓氇，因魏电 站可熨现连续发电。且电站所需水力发电设备鞍简单。这种方寨的海库水位关 系及缴电量曲线见图2 - 3 。 第二章潮汐电站开发运行特征 水 位 发 电 置 l l 1 毒 时问( 小时) 图2 3 双库水位曲线及发电量曲线 这一方案的最大优点是完全摆脱了潮 汐电站发电时间由潮水规律决定的缺点。 它可像河川电站一样，完成电网交给的各 种运行任务。 不过，这一方案要建连接两库的水道 等，使其发电量价格比大大降低。 在双库连接方案中，若在电站处增加 一条通往大海的水道，使电站既可沿低库 方向发电，又可沿大海方向发电，则可增 加电站的发电量。不过，这会增加电站的 复杂性，同时还会降低电站的灵活性。 2 4 潮汐电站运行特征 2 4 1 理想潮汐电站运行特征 图2 - 4 双向潮汐发电水库运行方案图 河海大学硕士论文 假定潮汐电站的闸门无限多，过流能力无限大，那么在库水位曲线上，闸门 的泄水( 蓄水) 曲线是一条垂直于时间轴的直线。先假定在b 时刻结束反向发电， 此时，利用闸门进水可以将水库水位短时间内升至b 点。这样就提高了紧随其 后的正向发电的水头，对下一时段发电有利。在b 时刻结束发电时刻水库水位 可位于e 点以下，例如g 点。由图2 4 可以直观地看到，发电结束时刻库水位 在e 点的方案发电流量较大，但发电水头较小；发电结束时刻库水位在g 点的 方案发电水头较大，但发电流量较小。 要比较结束发电时刻库水位分别在e 点和g 点的时段发电量大小，可以参 照常规水电站水库发电的经验。假定常规水电站水库起始时刻蓄满，整个调度周 期内无来水。对水库在时段末水库放空的调度方案和水库未放空的调度方案进行 比较。水库放空的方案在整个调度期内平均流量较大，但平均水头较低；水库未 放空的方案在整个调度期内的平均水头较大，但平均流量较小。因为水库放空方 案中全部有效库容的势能均用于转化为电能，而水库未放空方案中只有部分有效 库容转化为电能，所以水库放空方案必定比未放空方案优。 由此可见，当潮汐电站反向发电结束时刻在b 点时，结束时刻水位在e 点 的方案必定比在g 点的方案更优。由图中可知潮汐电站反向发电结束时间最迟 的极限在d 点，此时因为水库水位不变，整个反向发电周期内没有水通过机组 进入水库，所以蕤个反向发电周期的发电量为零。 由图中可见，潮汐电站反向发电的可行结束时间必定介于时间段b d 之间。 考虑潮汐电站在这之间任意一点c 时刻结束反向发电，由上面的分析可知，未 开启闸门之前水位到达f 点，必定比水位到达f 点以下更优。 比较反向发电结束时刻在b 点，反向发电结束库水位( 未开启闸门) 在e 点的调度方案和反向发电结束时刻在c 点，反向发电结束库水位( 未开启闸门) 在f 点的调度方案。由图中可以明显看出，虽然第一种方案的发电流量比第二种 方案大，但是它的发电水头比第二种方案小，发电历时也比第二种方案短。所以 第一种方案的发电量并不一定第二种方案优。由于有多个变量变化，而且潮位、 库水位线和库容曲线难以用益线拟合，所以很难在理论上进行推导证明。 为了初步比较两种方案的优劣，本论文在预报的潮位曲线上，选择了一系列 第二章潮汐电站开发运行特征 的反向发电时段，采用相同的调度起始时刻，不同的终止时刻进行优化调度计算。 为了实现理想闸门的假定，在调度中使终止水位为结束时刻潮位减去最小发电水 头，而闸门不参与调度，仅由机组过流。本论文共计算了6 个反向发电阶段， 详细计算结果见表2 2 。通过比较发现，若潮汐电站有无限多的闸门，当潮位降 至水库上限水位时结束反向发电，开启闸门，瞬间使水位上升至水库上限水位， 可以使得潮汐电站在此反向发电过程中发出较大的电能。同时，在此过程中又提 高了紧随其后的正向发电的起始水位，对下一时段尽可能多发电有利。 由以上分析可知，当潮汐电站有无限多闸门时，可以将潮汐电站的中长期优 化调度按照正、反向发电分段，确定出每段调度的起始时间，终止时间，起始水 位和终止水位。然后利用常规水库的优化调度程序对每个阶段进行优化计算。最 后，将所有各个阶段的最优库水位线连接起来就得到潮汐电站在整个调度周期内 的最优库水位线。 表2 - 2理想闸门时反向发电不同终止时间发电量比较表 发电量 调度起始时刻调度终止时刻起始水位( m )终止水位( m ) ( 娟r h ) 2 0 0 2 1 0 1 0 日9 ：0 02 0 0 2 1 0 1 0 日1 4 ：0 00 5o 99 0 0 9 2 0 0 2 - 1 0 - 1 0 日9 ：0 02 0 0 2 1 0 - 1 0 日1 1 , ：3 0 0 50 25 8 8 6 2 0 0 2 1 0 - 1 1 日1 0 ：0 02 0 0 2 1 0 - 1 1 日1 4 ：3 0 0 50 96 7 8 9 2 0 0 2 1 m n 日l o ：o o2 2 1 0 - 1 1 日1 5 ：o oo 5 0 46 0 2 4 2 0 0 2 1 0 - 1 2 日1 0 ：3 02 0 0 2 1 0 1 2 日1 5 ：0 0m 50 95 4 4 2 2 0 0 2 1 0 1 2 日1 0 ：3 02 0 0 2 1 0 - 1 2 日1 5 ：3 050 65 4 4 2 2 0 0 2 1 0 1 3 日1 2 ：0 02 0 0 2 1 0 - 1 3 日1 6 ：0 0 - 0 50 93 7 9 5 2 0 0 2 1 0 - 1 3 日1 2 ：0 02 0 0 2 - 1 0 1 3 日1 6 ：3 0 旬5o 73 7 9 5 2 0 0 2 1 m 1 4 日1 4 ：0 02 0 0 2 1 0 - 1 4 日1 7 ：0 0o 1o 99 3 7 2 0 0 2 1 0 - 1 4 日1 4 ：0 02 0 0 2 1 0 - 1 4 日1 7 ：3 00 10 79 3 7 2 0 0 2 1 0 1 7 日1 6 ：3 02 0 0 2 - 1 0 - 1 7 日2 1 ：3 0 旬5o 96 0 1 2 2 0 0 2 - 1 0 - 1 7 日1 6 ：3 02 0 0 2 1 0 - 1 7 日2 2 ：0 0 _ 0 50 24 6 1 9 但是，并不能由以上对几个反向发电阶段不同发电终止时间的发电量的比 较，就推导出潮汐电站有无限多闸门时，在潮位降至水库上限水位的时刻停止发 电最有利的结论。潮汐电站中长期优化调度在满足仟么样的条件下，才能转化为 一系列的正向发电阶段和反向发电阶段的优化问题，还有待今后进行数学上的研 究。 河海大学硕士论文 2 4 2 实际潮汐电站运行特征 在实际的潮汐电站中，闸门的过流能力是有限的，从开启闸门到水库水位升 至上限水位需要一定的时间。若希望在反向发电阶段末，水位尽可能高( 利于紧 随其后的正向发电阶段发出更多的电能) ，则必须较早打开闸门，使得本时段的 发电历时减短，发电量减小。若反向发电阶段尽可能延长发电历时，追求本阶段 发电量最大，则闸门打开后无足够的时间将水库水位上升至上限水位。此时，紧 随其后的正向发电阶段的起始水位较低，发电量也较小。 正由于真实潮汐电站每个相邻的正、反向发电阶段之间存在相互影响，所以 真实潮汐电站的短期优化调度不能简单地划分为若干个正、反向发电阶段进行分 别计算，而必须在整个调度期内进行优化计算。 第三章潮汐电站优化调度计算 第三章潮汐电站优化调度计算 3 1 数学模型 3 1 1 潮汐电站厂内经济运行数学模型 水电站厂内经济运行( 也叫做优化运行) 是在满足电能生产安全、可靠和优 质的前提下，合理地组织调度电厂的发电生产设备，期以获得尽可能大的经济效 益。 水电站生产过程中常用的优化准则为：当电厂负荷给定之后，要求电厂耗水 量最小；在电厂的可耗水量一定时，力求发电量最大。上述准则中，前者适用于 蓄水式发电厂，后者适用于径流式发电厂。 由于潮汐电站水头变化特别快的原因，潮汐电站各个时段的出力相差很大， 因此一般在电力系统中担任基荷，由电网中的其它类型电站对其进行补偿调节。 电力系统对潮汐电站无出力要求，因此潮汐电站厂内经济运行的准则就是充分利 用潮汐能，力求发电量最大。 与常规水电站单向发电不同，有些潮汐电站可双向发电。对于此类潮汐电站， 有两种方法使机组特性曲线统一起来。一种是用水头h 来区分正、反向发电：h 为正值则为正向发电，h 为负值则为反向发电，流量q 始终取绝对值；另一种 是用流量q 来区分正、反向发电：q 为正值则为正向发电，q 为负值则为反向 发电，h 始终取绝对值。这样可使得优化调度程序在进行计算时自动调用相应的 机组特性曲线。 本论文采用了第二种方法来统一正、反向发电，即用流量q 的正、负号来 区分正、反向发电。这种方法可以使得水库库容变化方程v + 1 = - - - v i - l - q i x a t 也 能很好地统一起来，在潮汐电站短期优化调度的双重动态规划中，能较好地将两 层动态规划的状态变量符号统一起来。 由于在我国利用水轮机反向工作，作为水泵抽水提高库水位的潮汐电站较 少，因此本论文只对水轮机不泵水的双向发电潮汐电站进行研究。 考虑在一定的水头及发电流量条件下，流量在各机组之间的最优分配，使得 本时段发电量最大： 河海大学硕士论文 k m a x e = n ( q 。，h ) x a t 1 2 l k 姐q 。= q 总 ( 总流量约束) l 。l q q 。q - ( 机组流量范围约束) 二，二 ( 机组出力范围约束) 式中，e 为目标函数，k 为机组台数，h 为水头，q 为总发电流量，丁为 时段长，q ；为第i 台机组的发电流量，q k 为第i 台机组在该水头下允许的最小 流量，q 0 为第i 台机组在该水头下允许的最大流量，n 。为第i 机组出力。】! 血 为第i 台机组的最小出力，二为第i 台机组的最大出力。 由于潮汐电站的发电不受电网影响，在厂内经济运行中只有以水定电一种优 化方式，其数学模型较常规水电站简单。只是其中水头和流量的取值与常规水电 站厂内经济运行以水定电模型略有不同而已。 3 1 2 潮汐电站短期优化调度数学模型 1 大系统理论 大系统( l a r g es c a l es y s t c m ) 是指规模庞大、结构复杂的各种工程或非工 程的系统。例如，综合自动化的钢铁联合企业系统、区域电网的自动调节系统、 水资源系统、能源系统、交通系统、城市系统等。 大系统理论所要研究的问题，就是按照整个系统的最优指标与各子系统之间 的关系，最优地分配各子系统的指标，并以此控制各子系统，使整个系统达到最 优化。 大系统是递阶或多级结构模型，其控制作用是分布在很多级上来控制。无论 是在经济管理系统、交通运输网的调度指挥、电力系统中发电运行调度或在自然 界中的长期进化过程中，自然形成的生物神经系统均是多变量、多级结构。这种 控制结构是以金字塔形组成递阶系统，如图3 - 1 。 第一级是局部控制级，它直接控制大系统的各局部过程构成子系统。最高级 协调，根据大系统的总目标，通过递阶结构，完成大系统管理、控制的总任务。 中间各级对下级进行协调控制，并接受上一级控制。 第三章潮汐电站优化调度计算 图3 - 1 大系统递阶控制结构 递阶系统结构形式根据模型参数，决策变量，运行和环境情况，目标以及其 它不确定因素等，一般有三种基本结构： 多阶层递阶结构( m u l t i s t r a t a h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ) 的多级系统的级称为 阶层。当描述或仿真一个复杂系统时，可以根据不同阶层的内容和要求垂直分成 若干阶层。 ( d 多层递阶结构( m u l f i l a y e r h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ) 是将控制任务垂直分解 成若干基本任务。即可垂直划分成若干层。 ( d 多阶层结构( m u l t i e c h e l o n h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ) 是最一般的结构形式， 该结构既包括垂直分解，又包括水平分解如图3 2 所示。 河海大学硬士论文 圈3 - 2 多阶层结构 2 优化调度数学模型 鬻嫂窳疼谲度是常鬏泰泡蛞及其求露长期运嚣诗裁戆割定秘交麓戆核心翅 题。蠹予在较长时麓内气苏和求文条辞的副燕交纯，永电蛞的天然滚承在时瓣上 的分布不均匀。借助水库对流量进行调节，嚣率补枯，以适应发甑及各部门用水 相对较为均匀的需要，提高水量利用程度，增加发电及其它用水的经济效益。从 这个意义上说，长期运行计划帮为水疼在一寇辩期内静蓄、供水诗划。另一方面， 求疼鬻零燕薅痤着痰疼上游窳经，葳悉决定了瘩头兹毫低，嚣一流爨在蔫拳头下 发出的电能较多，因而需臻在提高水量运用稷庹的同时注意提高水头。从这个意 义上浇，水库调度是在提瀚水量利用程度和提高水头之间进行恰獭的折中，以取 得最大的发电效益。 突臻零痒合理、经漭、毯纯蓬稼戆最大霸壤农予豢稔蒙惠鹃不礁定瞧。影嫡 发电承艨调度酶原始信惠农两个：一是流入永艨的天然流量；男个是电力系统 负荷以殿并列运行的水、火电厂的运行状态。入库径流的不确定性是主导方面， 较长期径流预报的准确性和可行程度都相当低，使得实际水库调殿时不得不考虑 第三章潮汐电站优化调度计算 来水情况变化的各种可能性。 与常规水电站水库调度一样，潮汐电站水库调度同样是制定水库在一定时期 内的运行计划。所不同的是，潮汐电站的潮位具有一定的周期性，因此短期预报 资料可以较精确地预先给出该时期内的潮位资料，具有确定性。同时，电力系统 对潮汐电站无负荷要求，潮汐电站只按照发电量最大准则来运行，不受到电力系 统负荷以及并列的水、火电厂的运行状态等不确定性因素影响，因此，从这个意 义上分析，潮汐电站水库调度是一个确定性的优化问题。 潮汐电站水库优化调度主要是在满足电站所有机组发电及闸门过流约束的 前提下，根据给定的预报潮位资料，确 定水库各时期的蓄、放水量，重点是确 定发电起始时刻，发电历时及闸门启闭 时刻。 潮汐电站优化调度可分为两部分内 容，一是潮汐电站水库在各时刻的蓄、 放水计划，二是在每一个时刻进行厂内 经济运行的优化计算。这两部分一个是 图3 3 潮汐电站优化调度系统结构图 时间上的优化，一个是空间上的优化， 它们相互影响。由分析可知潮汐电站优化调度系统是一个典型的多阶层递阶结 构。见图3 3 。 在水电站中，水轮发电机组的机动性在电力系统中是最好的，机组从停运状 态启动至带满负荷一般仅经历3 5 分钟，而停机过程则更短。水轮发电机组开 机耗水量w 。是指机组从静止状态开始，经启动到并网这段时间内所消耗的水 量。停机耗水量w 。是指机组负荷降为零开始，至导叶完全关闭这段时间内所耗 用的水量。因为水轮发电机组机动性好，一般来说，其开停机耗水量相对很小， 特别是停机耗水量，往往可以忽略不计。 实际生产中，由于开停机过程中要启动一系列辅助设备，而且开停机过程中 还会额外地给机组带来附加损失，以至于造成故障或事故，所有这些都可以从能 量、经济的度量出发，以当量形式折合成电量的消耗，对频繁开停机进行惩罚。 这不仅保证了电厂运行工况的相对稳定性，同时增强了电厂生产的安全性和可靠 河海大学硕士论文 性，而且不影响经济效益。 经以上分析，可建立潮汐电站短期优化调度的数学模型如下： 肘a ) 【e ：妻窆 ( 日j ，q ：_ ) a t “：一“：( 1 一“；一- ) q 一“；一- ( 1 一“；) d ， 强纠i q 二，q 盘。j 式中，e 为目标函数值；n 为机组数；t 为总时段数：t 为时段长；h j 为 第t 个时段第i 台机组的水头：v ；为第t 个时段第i 台机组的出力；纠为第t 个 时段第i 台机组的发电流量；q 怎为第i 台机组在水头为h 时的最小流量：q 盘。 为第i 台机组在水头为h 时的最大流量；“；为机组i 在t 时刻的开停机状态变量 运行取i ，非运行取o ；c 。、d 。分别为第i 台机组在开停机过程中所发生的各种 损耗等所折合成的电量。 3 2 潮汐电站优化调度的常规解法 3 2 1 等微增率法 等微增率法引入了数学中“微分”的思想，通过研究各台机组流量特性曲线 的微增率来进行负荷的最优分配。该方法适用于厂内经济运行计算。 以两台机组在总流量一定时，总输出功率最大为例。设总发电流量为qh ， 两台机组的流量分别为q 1 和q 2 。则q l 、q 2 满足： 目标函数： m a x n = n 1 + n 2n 约束条件： q 1 + q ：= - q g q 二o 。q 二 i = 1 , 2 二n ，n 二 i = 1 ，2 如图3 _ 4 所示，若i 号机组发电流量 图3 - 4 两台机组的流量特性曲线 为q l ，2 号机组发电流量为q 2 ，则l 号机组在机组性能曲线i 上的a 点运行，2 号机组在机组性能曲线i i 上的b 点运行，此时，n 1 + n 2 = ng 不一定最大。为保证 第三章潮汐电站优化调度计算 满足q i + q 2 = q 并使总功率趋向最大，可作如下调整：先观察a 、b 两点的斜率， 并进行比较。选择曲线比较平缓的机组减少流量，曲线较陡的增加流量。假设a 点的斜率大于b 点的斜率，如果增加1 号机组的发