單庫單向潮汐電站潮汐電站發(fā)電量計(jì)算結(jié)果與分析

選取一個(gè)月的代表潮位曲線進(jìn)行計(jì)算，分別為效率最優(yōu)和流量最大兩種極端運(yùn)行方案程序計(jì)算結(jié)果。表示了一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)水庫水位、海水位、工作水頭（包括閘門水頭、水輪機(jī)工作水頭）及水輪機(jī)出力的情況。在宏觀上，效率最優(yōu)和流量最大兩種工況運(yùn)行的水庫水位線和水輪機(jī)出力曲線相差不大。在整個(gè)周期內(nèi)，兩種運(yùn)行方案下機(jī)組均能在較長的時(shí)間內(nèi)保持較大出力，在大多數(shù)潮汐周期，水輪機(jī)能達(dá)到額定水頭、發(fā)出額定出力。但在最終的年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果上卻有較大的差異。程序在初步考慮了水頭損失及機(jī)組檢修因素影響情況下，計(jì)算得到以最大流量運(yùn)行時(shí)年發(fā)電量為88763×104kW·h，而以效率最優(yōu)運(yùn)行時(shí)年發(fā)電量僅為81688×104kW·h。

在采用動態(tài)規(guī)劃的路徑搜索算法后，優(yōu)化程序計(jì)算得到電站的年發(fā)電量為89163×104kW·h，相比流量最大運(yùn)行，發(fā)電量提高了400×104kW·h，流量最大運(yùn)行方案發(fā)電量明顯大于效率最優(yōu)運(yùn)行方案，說明此時(shí)機(jī)組流量加大對出力的影響明顯大于機(jī)組的平均工作水頭及運(yùn)行效率降低對出力的影響，在這種情況下，通過加大流量補(bǔ)償?shù)姆椒稍黾訖C(jī)組年發(fā)電量；而電站實(shí)際發(fā)電量最大運(yùn)行方案流量分配卻介于效率最優(yōu)運(yùn)行和流量最大運(yùn)行之間，因此過度加大機(jī)組過流量反而達(dá)不到增加發(fā)電量的目的。

潮汐電站發(fā)電量計(jì)算主要任務(wù)就是求解水庫水位特征曲線，而水庫水位特征曲線的模擬即求解水庫水位hk的數(shù)值解。

龍格庫塔法（Runge－Kutta）是數(shù)值分析中用于模擬常微分方程的解的重要方法，分為隱式和顯式迭代法兩種。在已知方程導(dǎo)數(shù)和初值信息的情況下，利用計(jì)算機(jī)仿真求解問題時(shí)，龍格庫塔法可省去求解微分方程的復(fù)雜過程且在計(jì)算過程中可根據(jù)需要改變步長，無需計(jì)算高階導(dǎo)數(shù)。

該算法計(jì)算精度高、收斂性、穩(wěn)定性好，且龍格庫塔法計(jì)算精度往往與時(shí)間步長的選取有關(guān)。步長越小，截?cái)嗾`差就越小，但同時(shí)會使計(jì)算步數(shù)增加、計(jì)算過程復(fù)雜，更可能導(dǎo)致計(jì)算誤差的積累。在實(shí)際計(jì)算過程中，為避免固定步長龍格庫塔法在計(jì)算過程中錯過峰值，步長不宜取太大，計(jì)算程序步長取為0.02h。

1.　建?；举Y料

潮汐電站采用漲潮充水、落潮發(fā)電的單庫單向運(yùn)行開發(fā)方式，電站總裝機(jī)容量451MW，工作水頭1．5～5.0m，額定水頭3．5m。初擬裝設(shè)41臺單機(jī)容量為11MW 的燈泡貫流式機(jī)組。

單庫單向運(yùn)行潮汐電站四個(gè)運(yùn)行過程：

①充水過程。水閘打開，水輪機(jī)關(guān)閉，海水進(jìn)庫；

②等待發(fā)電過程。水閘關(guān)閉，水輪機(jī)關(guān)閉；

③發(fā)電過程。水閘關(guān)閉，水輪機(jī)啟動；

④等待充水過程。水閘關(guān)閉，水輪機(jī)關(guān)閉。

2．　模型優(yōu)化

根據(jù)電站初擬的運(yùn)行方式，結(jié)合電站的代表潮位過程曲線、庫容特性曲線、閘門尺寸及閘門過流曲線、電站規(guī)模及機(jī)組特性曲線等資料，建立單庫單向運(yùn)行潮汐電站發(fā)電量計(jì)算模型。

潮汐發(fā)電的特點(diǎn)在于其每個(gè)潮汐周期的始末水位均是相關(guān)聯(lián)的。因此，單庫單向運(yùn)行的潮汐電站發(fā)電過程不宜只對單一潮汐周期的落潮發(fā)電過程進(jìn)行優(yōu)化，而要對整個(gè)發(fā)電過程進(jìn)行長期優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化周期取為一個(gè)月。

潮汐電站的優(yōu)化問題包括水庫各時(shí)刻的蓄、放水計(jì)劃及各時(shí)刻機(jī)組運(yùn)行方式。機(jī)組運(yùn)行方式的優(yōu)化又包括流量在各時(shí)刻的分配及各機(jī)組的分配，僅考慮發(fā)電流量在機(jī)組發(fā)電過程中各時(shí)刻的分配，控制每臺機(jī)組在任意時(shí)刻的發(fā)電流量一致。

潮汐電站水頭通常均較低，往往需要較大的過流量來獲得更多的發(fā)電量。借鑒我國江廈潮汐電站低水頭運(yùn)行時(shí)用補(bǔ)償流量的方法以期獲得更多發(fā)電量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文以效率最優(yōu)運(yùn)行方案的流量為基礎(chǔ)，并考慮機(jī)組運(yùn)行的最大流量限制，制定不同的運(yùn)行方案 。

我國浙閩沿海多島嶼、港灣，蘊(yùn)藏著大量可開發(fā)的海洋能源，在眾多海洋能中，潮汐能開發(fā)歷史最長、開發(fā)技術(shù)最為成熟，且是一種可再生的綠色清潔能源，因此潮汐能的開發(fā)利用越來越受到重視。作為我國最大的試驗(yàn)性潮汐電站——江廈潮汐電站備受關(guān)注，亦有多種方法對其優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。汪樹玉等針對單庫雙向最優(yōu)方式問題，提出了多層次優(yōu)化模型；陳曉芬等結(jié)合江廈潮汐電站，以發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)，提出了潮汐電站發(fā)電量最大的調(diào)度運(yùn)行方式；芮鈞等建立了單庫雙向運(yùn)行潮汐電站的優(yōu)化模型，并應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行了求解分析；李曉英等則對潮汐電站月周期調(diào)度模型分別進(jìn)行了動態(tài)規(guī)劃法和改進(jìn)浮點(diǎn)遺傳算法的優(yōu)化運(yùn)行，兩種方法均優(yōu)化了月發(fā)電量且優(yōu)化結(jié)果相近。在江廈潮汐電站的實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)水輪機(jī)發(fā)電水頭偏離設(shè)計(jì)水頭較多、機(jī)組效率較低時(shí)，常常通過加大流量補(bǔ)償?shù)姆椒▉慝@得更多的發(fā)電量。但采用這種方式是否經(jīng)濟(jì)仍值得進(jìn)一步深入研究。我國潮汐能開發(fā)技術(shù)雖然相對成熟，但一直未能形成大規(guī)模開發(fā)狀態(tài)，因此對潮汐電站的研究多側(cè)重于規(guī)劃設(shè)計(jì)研究階段，對單庫單向運(yùn)行潮汐電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行鮮有研究。為此，結(jié)合國內(nèi)正在規(guī)劃設(shè)計(jì)的某單庫單向運(yùn)行潮汐電站，基于動態(tài)規(guī)劃法建立發(fā)電量計(jì)算模型，并結(jié)合Matlab軟件，運(yùn)用具有較高計(jì)算精度的龍格庫塔法對水庫水位曲線進(jìn)行計(jì)算分析，研究單庫單向運(yùn)行潮汐電站運(yùn)行方式與發(fā)電量的內(nèi)在關(guān)系，以期為電站的優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

潮汐電站一直存在資源利用率不高的問題，在電站建設(shè)初期當(dāng)機(jī)組選型確定時(shí)，制定合理的水庫蓄、放水計(jì)劃，可在不增加投資的前提下獲得更多的發(fā)電效益。為此，以國內(nèi)某潮汐電站為例，根據(jù)各時(shí)刻機(jī)組發(fā)電流量的不同制定運(yùn)行方案，基于動態(tài)規(guī)劃法建立了單庫單向運(yùn)行潮汐電站發(fā)電量最大化計(jì)算模型，并利用龍格庫塔算法，結(jié)合Matlab軟件模擬了各時(shí)刻水庫水位變化過程，求解了各運(yùn)行方案的發(fā)電量值。計(jì)算結(jié)果表明，受潮汐水位及機(jī)組特性的控制，電站發(fā)電量的多少取決于發(fā)電流量在各時(shí)刻的分配，流量最大運(yùn)行方案發(fā)電量明顯大于效率最優(yōu)運(yùn)行方案，而發(fā)電量最大運(yùn)行方案流量分配介于效率最優(yōu)運(yùn)行和流量最大運(yùn)行之間 。

a．基于動態(tài)規(guī)劃法建立的單庫單向運(yùn)行潮汐電站發(fā)電量最大化計(jì)算模型，能很好地模擬潮汐電站發(fā)電量調(diào)節(jié)計(jì)算過程，以龍格庫塔法求解的程序計(jì)算結(jié)果收斂且精度較高，能清楚地反映水庫水位變化過程。

b．在一定條件下，通過加大流量補(bǔ)償?shù)姆椒稍黾与娬灸臧l(fā)電量，給電站帶來經(jīng)濟(jì)效益，但在電站的實(shí)際運(yùn)行過程中，不宜片面地加大機(jī)組的過流量，應(yīng)充分考慮潮汐水位和機(jī)組特性，合理控制水庫的蓄、放水時(shí)間及流量在各個(gè)時(shí)刻的分配，以達(dá)到發(fā)電量最優(yōu)的目的。

c．根據(jù)潮汐水位、機(jī)組特性編制出發(fā)電量效益最優(yōu)的調(diào)度方案來指導(dǎo)電站的生產(chǎn)運(yùn)行，能帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，為電站的運(yùn)行調(diào)度提供了參考 。2100433B

潮汐電站可以是單水庫或雙水庫。單水庫潮汐電站只筑一道堤壩和一個(gè)水庫，雙水庫潮汐電站建有兩個(gè)相鄰的水庫。

潮汐發(fā)電單庫單向電站

即只用一個(gè)水庫，僅在漲潮（或落潮）時(shí)發(fā)電，因此又稱為單水庫單程式潮汐電站。我國浙江省溫嶺市沙山潮汐電站就是這種類型。

潮汐發(fā)電單庫雙向電站

用一個(gè)水庫，但是漲潮與落潮時(shí)均可發(fā)電，只是在水庫內(nèi)外水位相同的平潮時(shí)不能發(fā)電，這種電站稱之為單水庫雙程式潮汐電站，它大大提高了潮汐能的利用率。 廣東省東莞市的鎮(zhèn)口潮汐電站及浙江省溫嶺市江廈潮汐電站，就是這種型式。

潮汐發(fā)電雙庫雙向電站

為了使潮汐電站能夠全日連續(xù)發(fā)電就必須采用雙水庫的潮汐電站。它是用二個(gè)相鄰的水庫，使一個(gè)水庫在漲潮時(shí)進(jìn)水，另一個(gè)水庫在落潮時(shí)放水，這樣前一個(gè)水庫的水位總比后一個(gè)水庫的水位高，故前者稱為上水庫（高水位庫），后者稱為下水庫（低水位庫）。水輪發(fā)電機(jī)組放在兩水庫之間的隔壩內(nèi)，兩水庫始終保持著水位差，故可以全天發(fā)電。

潮汐電站工程主要由電站建筑物和機(jī)電設(shè)備組成。電站建筑物主要有堤壩、泄水閘和發(fā)電廠房等， 有通航要求的潮汐電站還應(yīng)設(shè)置船閘。

堤壩用來將水庫與外海隔開，形成落差。多用海上圍堰法筑黏土心墻壩、堆石壩和土壩。因筑于海上，施工條件惡劣，近年國外使用預(yù)制混凝土浮運(yùn)沉箱法筑壩建站。

泄水閘用來對水庫泄水和充水。閘型一般采用平原地區(qū)擋潮閘常用的胸墻孔口平底堰閘。近年，中國發(fā)展了預(yù)制浮運(yùn)閘。這種閘先預(yù)制好各種閘門構(gòu)件，由船浮運(yùn)到建閘地點(diǎn)，定點(diǎn)沉放安裝而成。施工時(shí)不用圍堰或在岸上開挖，施工方法簡單，工程量少，投資少，在中國沿海大量使用。

發(fā)電廠房包括水輪發(fā)電機(jī)組、輸配電設(shè)備、起重設(shè)備、中央控制室、下層水流通道和閘門等。

抽水蓄能潮汐電站，一種改進(jìn)的潮汐電站。主要由大圍堰、小圍堰、小水塔、抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)組成。在高潮和低潮持續(xù)時(shí)間內(nèi)抽水至小水塔，再由小水塔流入小圍堰儲存。大圍堰形成圍堰內(nèi)外海水高度差，可充分利用天然內(nèi)灣形成的水域，減少圍堰工程量。小圍堰建在高處，不受漲落潮的時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)組效率，降低發(fā)電成本。與普通潮汐電站相比成倍提高了潮汐能利用率。