一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法

摘要

本发明提供的一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法，对于2台机组的径流式水电站，通过对机组之间进行出力调节，在保证水电站出力平衡的基础上，通过调节，减小了电站的总耗水率，之后将减少的耗水平均分配给机组，实现了机组出力的增加，提高了水电站的运行效益和水资源利用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及水电站优化，具体涉及一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法。

背景技术

水力资源作为我国的重要能源组成部分，具有其它能源不可替代的优越性，合理发展并利用水力资源是调整能源结构的必然选择，也是实施可持续发展战略的良好途径。随着研究理论的不断深入与科技水平的持续提高，水资源的利用效率得到大幅提升，尤其是在大型水电站中，其优化运行与调度理论的研究日趋成熟，通过在水电站的实际运行过程中实施优化调度，取得了较好的运行效果。大型水电站一般工程规模和装机容量较大，单个电站在电网中所占比例较大，一般由电网统一调度和调配，因此，在研究的重视程度、投入的人力物力都相对较为充分，其研究成果相对较多，在理论基础和实践应用方面都相对比较成熟。而小型水电站长期以来，由于其受到的重视程度、科研经费投入较少，对小型水电站的优化运行的研究也仅限于一些零星的和有局限性的研究，相应的研究成果较为零散，且难以在水电站的实际运行中得到应用。

研究数据表明，水电站实行优化运行和不实行优化运行相比，通常可提高发电量2～10%，小型水电站增加发电量的比例相对要更高一些，小型水电站总装机容量和年均发电量在水电能源结构中占据较大比重，且目前小水电受客观条件约束，运行效率普遍较低。因此研究水电站的经济运行，完善针对小型水电站优化运行的基础理论，在具备条件的小型水电站尽可能的实现优化运行，增加水电的发电量，以清洁能源替代污染严重的传统能源，具有显著的生态效益和社会效益。

径流式水电站是小型水电站的常见形式，在我国水电站中所占的比例较大，这种水电站往往不具备调节性能，都是利用天然径流进行发电。由于缺乏科学的管理，往往导致水电站难以进行有效的调节，从而无法实现优化运行。尤其是一旦开机运行，往往不再考虑优化，而由于机组流量分配的不同，其还存在一定的优化空间，这对于合理决策和提高水资源利用效率具有重要作用。

发明内容

本发明针对现有技术的问题，提供一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法。

本发明提供一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法，该径流式水电站至少包括压力前池、引水管道、水轮发电机组和调速器，所述压力前池上设置有检测压力前池水位的水位计，所述调速器用于控制水轮发电机组的出力，所述水轮发电机组的台数为2台，分别编号为1号机组、2号机组，当水电站2台机组同时运行，且前池水位不变时，水电站发电引用流量等于水电站的实际来流，此时执行如下优化方法：

S1：通过1号机组的调速器增加1号机组的出力，并利用2号机组的调速器减小出力，所述1号机组增加的出力与所述2号机组减小的出力相等，此时利用所述水位计检测压力前池的水位；

S2：所述步骤S2包括如下步骤S21、S22、S23；

S21：若步骤S1检测得到的压力前池的水位上涨，说明水电站引用流量小于水电站的实际来流，此时，通过1号机组的调速器继续增加1号机组的出力，并利用2号机组的调速器减小出力，所述1号机组增加的出力与所述2号机组减小的出力相等，执行调整直至所述压力前池水位下降，此时将1号机组与2号机组控制在前池水位下降对应的上一次调整的出力值；

S22：若步骤S1检测得到的压力前池的水位下降，说明水电站引用流量大于水电站的实际来流，此时，通过1号机组的调速器减小1号机组的出力，并利用2号机组的调速器增加出力，所述1号机组减小的出力与所述2号机组增加的出力相等，若前池水位增加，则执行调整直至所述压力前池水位下降，此时将1号机组与2号机组控制在前池水位下降对应的上一次调整的出力值；

S23：若步骤S1检测得到的压力前池的水位不变，不再继续执行调整；

S3：执行步骤S2之后，压力前池水位增加，获取压力前池增加的水位，并利用压力前池的水位库容曲线计算增加的水量值，获取压力前池水位增加的平均时间，利用压力前池增加来水量除以所述平均时间得到压力前池的平均增加流量；

S4：将步骤S3中的平均增加流量按照平均分配给1号机组和2号机组计算1号机组和2号机组增加的出力值，通过调速器分别将所述1号机组和2号机组增加的出力值分配给所述1号机组和2号机组，完成水电站的优化控制。

作为优选，所述1号机组、2号机组每次调整的增加或减小的出力值相同。

作为优选，所述1号机组、2号机组每次调整的增加或减小的出力值为水轮发电机组额定出力的2%。

本发明的优点在于：

本发明提供的一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法，对于2台机组的径流式水电站，通过对机组之间进行出力调节，在保证水电站出力平衡的基础上，通过调节，减小了电站的总耗水率，之后将减少的耗水平均分配给机组，实现了机组出力的增加，提高了水电站的运行效益和水资源利用效率。

具体实施方式：以下对本发明进行具体的解释说明，并对其理论基础以及如何在水电站中进行操作进行必要的解释说明。

本发明提供一种基于出力调节的径流式水电站自动优化方法，该径流式水电站至少包括压力前池、引水管道、水轮发电机组和调速器，所述压力前池上设置有检测压力前池水位的水位计，所述调速器用于控制水轮发电机组的出力，所述水轮发电机组的台数为2台，分别编号为1号机组、2号机组，当水电站2台机组同时运行，且前池水位不变时，水电站发电引用流量等于水电站的实际来流，此时执行如下优化方法：

S1：通过1号机组的调速器增加1号机组的出力，并利用2号机组的调速器减小出力，所述1号机组增加的出力与所述2号机组减小的出力相等，此时利用所述水位计检测压力前池的水位；

S2：所述步骤S2包括如下步骤S21、S22、S23；

S21：若步骤S1检测得到的压力前池的水位上涨，说明水电站引用流量小于水电站的实际来流，此时，通过1号机组的调速器继续增加1号机组的出力，并利用2号机组的调速器减小出力，所述1号机组增加的出力与所述2号机组减小的出力相等，执行调整直至所述压力前池水位下降，此时将1号机组与2号机组控制在前池水位下降对应的上一次调整的出力值；

S22：若步骤S1检测得到的压力前池的水位下降，说明水电站引用流量大于水电站的实际来流，此时，通过1号机组的调速器减小1号机组的出力，并利用2号机组的调速器增加出力，所述1号机组减小的出力与所述2号机组增加的出力相等，若前池水位增加，则执行调整直至所述压力前池水位下降，此时将1号机组与2号机组控制在前池水位下降对应的上一次调整的出力值；

S23：若步骤S1检测得到的压力前池的水位不变，不再继续执行调整；

S3：执行步骤S2之后，压力前池水位增加，获取压力前池增加的水位，并利用压力前池的水位库容曲线计算增加的水量值，获取压力前池水位增加的平均时间，利用压力前池增加来水量除以所述平均时间得到压力前池的平均增加流量；

S4：将步骤S3中的平均增加流量按照平均分配给1号机组和2号机组计算1号机组和2号机组增加的出力值，通过调速器分别将所述1号机组和2号机组增加的出力值分配给所述1号机组和2号机组，完成水电站的优化控制。

作为优选，所述1号机组、2号机组每次调整的增加或减小的出力值相同。

作为优选，所述1号机组、2号机组每次调整的增加或减小的出力值为水轮发电机组额定出力的2%。

其中步骤S3实现时，水位计带有计时功能，当执行步骤S1时，获取时间点t1，水位h1，当步骤S2结束时，获取时间点t2，水位h2，查询所述压力前池的水位库容曲线，利用水位h1、h2获取压力前池的库容V1，V2，则步骤S3中所述平均增加流量为(V1-V2)/(t2-t1).

步骤S4中，将步骤S3中所述平均增加流量均分为2台机组，然后根据压力前池水位、水轮机的效率曲线、尾水池水位根据水电站管道布置形式、发电机效率等计算步骤S1之前的调整出力前，其出力值对应的两台机组对应的引用流量，然后利用两台机组的引用流量加上所述平均增加流量的均分流量计算出力，并将计算得到的1号机组、2号机组的出力通过调速器调整；

作为优选，水轮发电机组带有测流装置，步骤S1之前检测水电站2台机组的实际引用流量，步骤S2之后获取水电站2台机组的实际引用流量，然后获取水电站的实际减小流量，将该减小流量平均分配给2台机组，利用压力前池水位、水轮机的效率曲线、尾水池水位根据水电站管道布置形式、发电机效率等计算两台机组的增发出力，并将计算得到的1号机组、2号机组的出力通过调速器调整。

本发明的理论基础为：

厂内优化运行设计通常是依据水轮机组和水电站过流通道的理论特性而忽略了误差的影响，导致理论最优方案和实际运行不相符。该误差主要有机组特性的固有误差、数据采集和参数选取误差及计算误差等。

对于水轮发电机组，工况点不同，则水轮机的效率会相差较大，在水电站厂内优化运行计算时，尽管各个单项误差无法准确获得，但各单项误差通过传递、叠加形成综合误差。综合误差不仅会使水轮机的实际效率曲面在垂直方向偏差，相对于理论工况点，实际工况点也会在水平方向发生位移（即水轮机的效率曲面）。

同时，只有一台机组运行时，即便是仅有工况点由于误差而改变，水轮机的效率曲面也会发生平移，使实际效率值和理论效率值存在偏差，最终导致理论最优值并不一定是实际的最优值；对于多台机组同时参与运行，水电站参与运行机组的工况可调整区内存在理论曲面，实际运行时由于综合误差的存在，多台机组的综合效率在理论曲面的垂直和水平方向也会产生位移，最终导致理论优化结果与实际运行存在偏差，有时这种偏差还较大。

本发明提出建立基于出力控制的自动优化机制，机组运行时进行实时调整，实现优化的反馈闭环控制，以减小理论计算与实际运行存在的偏差。其基本思想是，满足出力平衡条件下，对机组理论方案的最优工况点给予适当的扰动，在其临域内搜寻实际最优工况点（临域范围可根据实际精度要求设定）。

对于2台机组而言，其2台机组的总出力与2台机组的引用流量成函数关系，对其中1台机组增加一定出力，对于另1台机组减小一定出力，总出力不变，但是由于机组之间的出力发生变化，其水头损失、水轮机效率也会因之发生变化，这时必然会导致机组引用流量变化，由于2台机组，其最优出力（即最大出力）为其中某一个机组引用流量的单调函数（另一台机组可以用总流量减去已知机组的流量），即如果调整方向正确，则2台机组的出力会一直呈单调关系，这对于本领域技术人员是可以得到的，理论基础是水电站优化理论、误差分析理论和单调函数理论。

即如果执行一次调整，若耗水率减小，说明还存在一定的优化空间，若耗水率增加，则说明调整方向错误，此时应当改变调整方向，耗水率则减小。

本发明提供的优化方式可在水电站监控平台下自动实施、动态调整，解决了由于理论特性与实际情况不符而导致的偏差问题，是对基于出力控制的厂内经济运行模型的必要补充和修正，进一步挖掘了发电潜力。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。