單庫單向潮汐電站潮汐電站發(fā)電量最大化計算模型的建立

1.　建?；举Y料

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

單庫單向運行潮汐電站四個運行過程：

①充水過程。水閘打開，水輪機關閉，海水進庫；

②等待發(fā)電過程。水閘關閉，水輪機關閉；

③發(fā)電過程。水閘關閉，水輪機啟動；

④等待充水過程。水閘關閉，水輪機關閉。

2．　模型優(yōu)化

根據(jù)電站初擬的運行方式，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)模及機組特性曲線等資料，建立單庫單向運行潮汐電站發(fā)電量計算模型。

潮汐發(fā)電的特點在于其每個潮汐周期的始末水位均是相關聯(lián)的。因此，單庫單向運行的潮汐電站發(fā)電過程不宜只對單一潮汐周期的落潮發(fā)電過程進行優(yōu)化，而要對整個發(fā)電過程進行長期優(yōu)化計算。優(yōu)化周期取為一個月。

潮汐電站的優(yōu)化問題包括水庫各時刻的蓄、放水計劃及各時刻機組運行方式。機組運行方式的優(yōu)化又包括流量在各時刻的分配及各機組的分配，僅考慮發(fā)電流量在機組發(fā)電過程中各時刻的分配，控制每臺機組在任意時刻的發(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行時用補償流量的方法以期獲得更多發(fā)電量的運行經(jīng)驗，本文以效率最優(yōu)運行方案的流量為基礎，并考慮機組運行的最大流量限制，制定不同的運行方案 。

我國浙閩沿海多島嶼、港灣，蘊藏著大量可開發(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性潮汐電站——江廈潮汐電站備受關注，亦有多種方法對其優(yōu)化調(diào)度進行研究。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)電量最大為目標函數(shù)，提出了潮汐電站發(fā)電量最大的調(diào)度運行方式；芮鈞等建立了單庫雙向運行潮汐電站的優(yōu)化模型，并應用動態(tài)規(guī)劃法進行了求解分析；李曉英等則對潮汐電站月周期調(diào)度模型分別進行了動態(tài)規(guī)劃法和改進浮點遺傳算法的優(yōu)化運行，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際運行過程中，當水輪機發(fā)電水頭偏離設計水頭較多、機組效率較低時，常常通過加大流量補償?shù)姆椒▉慝@得更多的發(fā)電量。但采用這種方式是否經(jīng)濟仍值得進一步深入研究。我國潮汐能開發(fā)技術雖然相對成熟，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)劃設計研究階段，對單庫單向運行潮汐電站的經(jīng)濟運行鮮有研究。為此，結(jié)合國內(nèi)正在規(guī)劃設計的某單庫單向運行潮汐電站，基于動態(tài)規(guī)劃法建立發(fā)電量計算模型，并結(jié)合Matlab軟件，運用具有較高計算精度的龍格庫塔法對水庫水位曲線進行計算分析，研究單庫單向運行潮汐電站運行方式與發(fā)電量的內(nèi)在關系，以期為電站的優(yōu)化運行提供依據(jù)。

潮汐電站一直存在資源利用率不高的問題，在電站建設初期當機組選型確定時，制定合理的水庫蓄、放水計劃，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)各時刻機組發(fā)電流量的不同制定運行方案，基于動態(tài)規(guī)劃法建立了單庫單向運行潮汐電站發(fā)電量最大化計算模型，并利用龍格庫塔算法，結(jié)合Matlab軟件模擬了各時刻水庫水位變化過程，求解了各運行方案的發(fā)電量值。計算結(jié)果表明，受潮汐水位及機組特性的控制，電站發(fā)電量的多少取決于發(fā)電流量在各時刻的分配，流量最大運行方案發(fā)電量明顯大于效率最優(yōu)運行方案，而發(fā)電量最大運行方案流量分配介于效率最優(yōu)運行和流量最大運行之間 。

潮汐電站發(fā)電量計算主要任務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。在已知方程導數(shù)和初值信息的情況下，利用計算機仿真求解問題時，龍格庫塔法可省去求解微分方程的復雜過程且在計算過程中可根據(jù)需要改變步長，無需計算高階導數(shù)。

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

選取一個月的代表潮位曲線進行計算，分別為效率最優(yōu)和流量最大兩種極端運行方案程序計算結(jié)果。表示了一個計算周期內(nèi)水庫水位、海水位、工作水頭（包括閘門水頭、水輪機工作水頭）及水輪機出力的情況。在宏觀上，效率最優(yōu)和流量最大兩種工況運行的水庫水位線和水輪機出力曲線相差不大。在整個周期內(nèi)，兩種運行方案下機組均能在較長的時間內(nèi)保持較大出力，在大多數(shù)潮汐周期，水輪機能達到額定水頭、發(fā)出額定出力。但在最終的年發(fā)電量計算結(jié)果上卻有較大的差異。程序在初步考慮了水頭損失及機組檢修因素影響情況下，計算得到以最大流量運行時年發(fā)電量為88763×104kW·h，而以效率最優(yōu)運行時年發(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)化程序計算得到電站的年發(fā)電量為89163×104kW·h，相比流量最大運行，發(fā)電量提高了400×104kW·h，流量最大運行方案發(fā)電量明顯大于效率最優(yōu)運行方案，說明此時機組流量加大對出力的影響明顯大于機組的平均工作水頭及運行效率降低對出力的影響，在這種情況下，通過加大流量補償?shù)姆椒稍黾訖C組年發(fā)電量；而電站實際發(fā)電量最大運行方案流量分配卻介于效率最優(yōu)運行和流量最大運行之間，因此過度加大機組過流量反而達不到增加發(fā)電量的目的。

a．基于動態(tài)規(guī)劃法建立的單庫單向運行潮汐電站發(fā)電量最大化計算模型，能很好地模擬潮汐電站發(fā)電量調(diào)節(jié)計算過程，以龍格庫塔法求解的程序計算結(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，通過加大流量補償?shù)姆椒稍黾与娬灸臧l(fā)電量，給電站帶來經(jīng)濟效益，但在電站的實際運行過程中，不宜片面地加大機組的過流量，應充分考慮潮汐水位和機組特性，合理控制水庫的蓄、放水時間及流量在各個時刻的分配，以達到發(fā)電量最優(yōu)的目的。

c．根據(jù)潮汐水位、機組特性編制出發(fā)電量效益最優(yōu)的調(diào)度方案來指導電站的生產(chǎn)運行，能帶來更大的經(jīng)濟效益，為電站的運行調(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水庫，雙水庫潮汐電站建有兩個相鄰的水庫。

潮汐發(fā)電單庫單向電站

即只用一個水庫，僅在漲潮（或落潮）時發(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

用一個水庫，但是漲潮與落潮時均可發(fā)電，只是在水庫內(nèi)外水位相同的平潮時不能發(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。它是用二個相鄰的水庫，使一個水庫在漲潮時進水，另一個水庫在落潮時放水，這樣前一個水庫的水位總比后一個水庫的水位高，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電設備組成。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設置船閘。

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，近年國外使用預制混凝土浮運沉箱法筑壩建站。

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)展了預制浮運閘。這種閘先預制好各種閘門構(gòu)件，由船浮運到建閘地點，定點沉放安裝而成。施工時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)電機組、輸配電設備、起重設備、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，不受漲落潮的時間限制，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和發(fā)電機組效率，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。