混合式抽水蓄能电站群容量计算研究Ⅰ:短期调峰特征与梯级开发增益

依托常规梯级水电站修建混合式抽水蓄能电站(简称混蓄电站)成为提升电力系统调峰能力的重要途径。混蓄电站即可抽水又可发电的典型运行方式增加了水电基地的灵活性调节能力,为此亟需研究其运行方式以及与原有梯级水电站运行方式间的互馈关系。研究以黄河上游待开发龙羊峡-拉西瓦、拉西瓦-尼那混蓄电站为对象,建立含混蓄电站的梯级水电站短期联合调峰优化模型,分析混蓄电站对原有梯级水电站运行方式的影响,基于理论推导与数值计算两种方法揭示混蓄电站调峰效果的变化特征。主要结论如下:(1)混蓄电站抽水水量经由原有梯级水电站机组下泄,使得非填谷时段原有水电站出力增加,水电站上旋备容量降低;(2)龙羊峡水电站满发流量相对较小、拉西瓦水库调节库容较小以及日综合利用供水流量过大是制约混蓄电站调峰效果的主要因素,发现了综合利用流量影响混蓄电站调峰效果的临界特性,并提出了临界综合利用流量的计算公式;(3)发现并量化了混蓄电站梯级开发模式较单一开发模式所带来的梯级抽水调峰增益现象,并揭示了梯级抽水调峰增益背后所蕴含的“河流梯级反向再造”内在机理。

混合式抽水蓄能电站群容量计算研究Ⅱ:多尺度嵌套容量计算模型及实例

基于流域梯级水电站增建混合式抽水蓄能电站(简称混蓄电站),对保障新型电力系统安全稳定运行、促进新能源大规模发展和消纳具有重要意义。研究提出基于多尺度嵌套调度模型的混蓄电站群容量计算模型,该模型嵌套含混蓄电站的梯级水电站短期调峰模型、考虑短期调峰与综合利用供水任务的梯级水电站中长期优化调度模型两大核心模块;此外,针对该容量计算模型的高维特征,提出基于代理模型思想的求解方法。以黄河上游待规划的大型混蓄电站群为实例,分别计算混蓄电站单独开发、梯级开发、整体开发三种模式下电站装机容量以及抽水调峰效益,并推导理论公式揭示混蓄电站抽发循环效率及抽水时长对电站装机容量的影响机制。实例计算取得的结果:龙羊峡-拉西瓦混蓄电站推荐采用水泵机组+可逆式抽蓄机组形式开发,单独开发模式下,推荐装机160万kW;当其与拉西瓦-尼那混蓄电站梯级开发时,推荐装机205万kW。当混蓄电站设计抽水时长减小时,其装机容量可增加,调峰能力变大,但电站抽水耗电调峰效益不变。拉西瓦-尼那、李家峡-直岗拉卡、公伯峡-苏只混蓄电站推荐装机分别为75万、16万和59万kW。4座混蓄电站整体开发模式下,可用于新能源消纳的抽水调峰电量为年均87.42亿kWh。

水电站机组负荷降维优化分配中的时间尺度效应

时间尺度是影响水电站负荷优化分配结果的重要因素。为探究时间尺度对水电站负荷分配的影响,研究论述了水电站调度中的时空尺度效应内涵及出现的原因,提出了包含发电耗水量、跨越振动区次数、机组启停次数、求解耗时等的尺度效应量化指标,并以ZM水电站为研究对象,基于水电站机组负荷优化分配模型,逐次递进分析了典型日考虑负荷过程随机性与负荷水平的水电站机组负荷优化分配尺度效应。结果表明:1)时间尺度越小更易捕捉负荷变化与水库运行过程,电站负荷优化分配的耗水量、机组启停与跨越振动区次数越大。时间尺度越大更易忽视或弱化机组启停以及跨越振动区等行为,产生潜在的安全运行风险。2)考虑负荷过程的随机性时,水电站负荷优化分配同样呈现尺度效应现象,但其影响程度与时间尺度大小影响相当。3)负荷水平越小或越大,不同时间尺度下电站机组运行方式变化较小,时间尺度效应越不显著;负荷水平居中时,时间尺度效应相对显著。研究结果可为水电站负荷优化分配的时间尺度选择以及模型降维求解算法提供科学依据。

黄河中下游水资源多目标利益对古贤水库运行的响应

为量化未来古贤水库参与黄河中下游梯级水库群联合运行对供水、发电、调水调沙、生态多目标关键利益及非关键利益的影响,设置2030水平年有古贤水库及无古贤水库两种情景,基于梯级水库群多目标协同优化调度理论构建黄河中下游梯级水库群多目标协同优化调度模型,通过求解模型分析了径流减少及未来综合需水增加的背景下,黄河中下游多目标利益对古贤水库参与联合运行的响应关系。结果表明:与无古贤水库情景相比,有古贤水库情景下水库群调度系统总协同度略微增加,供水与发电子系统有序度有所增加,农业关键期、非关键期多年平均缺水量减少,水库群多年平均发电量增加;除调沙频率略微下降外,有古贤水库情景下输沙、生态目标关键利益及非关键利益均有所提升。

塔里木河干流生态系统变化与生态效益分析

以提取1990—2020年植被覆盖度、遥感生态指数、人类干扰指数等遥感生态指标来反映塔里木河干流生态输水工程实施前后,生态状况变化趋势。将遥感生态指标作为驱动因子,提出一种改进的生态系统服务价值计算法,量化供给、调节、支持、文化功能的生态系统服务价值,分析各功能间权衡和协同效应的动态演变关系,对1990—2020年累积生态效益进行估算。结果表明:(1)生态输水以来,干流有近1/3的区域植被覆盖度增加,较低、中、较高、高植被覆盖度面积占比分别增加17%、5%、2%、2.9%。(2)上游生态系统服务价值先增加后渐趋稳定,中、下游生态系统服务价值先增加后减小再增加,表明中、下游对生态输水的响应存在一段滞后期,且受来水水量影响较大。(3)调节和支持功能之间存在协同效应,供给与调节和支持功能之间存在权衡效应。(4)生态输水后期,干流上、中、下游累积生态效益均表现出“边际效益递减规律”,据此从生态修复角度出发,给出断面年径流量的适宜范围,上游不超过42.5×10^(8)m^(3),中游不超过21.5×10^(8)m^(3),下游不超过3.5×10^(8)m^(3)。研究结果可为优化生态水水量配置提供科学指导。

雅砻江能源基地水风光互补短期调度运行模式对比研究

随着风电和光伏装机规模及其在电网中占比的双增长,电力系统安全经济运行对调峰资源需求更大,优化调度运行方式,挖掘现有调峰潜力资源是一条有效途径。本文以雅砻江下游流域水风光一体化多能互补示范基地为研究对象,剖析了能源基地现行分散式运行模式存在的问题,提出能源基地水风光多能源集总式调度运行模式。在此基础上,构建了考虑能源基地跨区域送电、多电网调峰的多能互补短期优化调度模型,并从水风光出力过程、新能源消纳量、梯级水电出力及弃、缺电情况等四个方面对比分析了两种运行模式差异。结果表明,集总式调度运行模式能够更充分发挥流域梯级水电站调峰能力,不仅能够提高新能源消纳量,同时能够在一定程度上保障水电发电量,并能够有效解决当前运行模式在同一时刻同时存在弃电和缺电现象,体现了区域间资源互补优势。

设计洪水不确定性下的水库防洪风险调度

水库防洪调度中,设计洪水的推求对于水库防洪安全至关重要,而在其实际的推求过程中存在着诸多不确定性因素影响。本文针对设计洪水洪峰、洪量以及洪水过程线多重不确定性,提出了一种水库防洪风险调度模型并进行求解,探求设计洪水不确定性下的水库防洪调度过程。应用Copula函数建立洪峰与最大3日洪量的联合分布模型,采用蒙特卡洛重抽样方法,获取一系列峰量联合设计值;针对传统设计洪水过程线选择的单一性问题,对水库实测洪水过程进行了分类,并对不同类型的洪水过程线进行随机模拟,生成多维不确定性下的设计洪水过程;引入经济学指标条件风险值(conditional value at risk,CVaR)来衡量水库防洪调度过程中超过调洪最高洪水位的风险,建立了考虑CVaR的水库防洪调度模型,通过不同的风险系数取值获得不同的水库防洪调度过程。以安康水库洪水过程为例,二次重现期标准下百年一遇设计洪水联合设计值存在着较大的不确定性;采用Kmeans聚类法把洪水过程分成了3类,并应用蒙特卡洛法对不同类型洪水过程进行随机模拟,获取了考虑不确定性的大量水库设计洪水过程,推求了安康水库不同风险系数下水库防洪调度规则。本文所建立的考虑设计洪水不确定性的水库防洪风险调度模型可为不确定性条件下水库调度规则的制定提供指导。

复杂约束下梯级水电站机组尺度负荷逐次降维优化分配

梯级水电站负荷优化分配涉及水位协调型、时段耦合型等复杂约束条件。面向水位协调型约束,界定梯级水电站安全运行的高限水位与低限水位,分析在梯级水电站高水位运行区、经济运行区以及低水位运行区不同组合方式下的电站出力特性;结合时段耦合型约束条件,以厂间-厂内负荷一体化分配为研究目标,提出三层逐次降维策略,将梯级水电站总负荷分配至厂间尺度,利用耦合动态规划算法将梯级水电站厂内负荷分配至机组尺度。实例结果表明,与传统的动态搜索算法相比,所提算法对复杂约束条件表现出良好的适用性,寻优质量得到明显提高。

考虑输电功率平稳性的水-风-光-储多能互补日前鲁棒优化调度

大规模水-风-光-储互补互济、打捆外送是促进新能源消纳的重要方式。如何应对风、光出力预测不确定性所诱发的运行风险,并满足特高压直流输电功率的平稳性,是当前多能互补调度研究的难点。为此,提出一种考虑输电功率平稳性的水-风-光-储互补日前鲁棒调度方法。首先,考虑风、光出力预测的不确定性,建立水-风-光-储互补多目标鲁棒优化调度模型。然后,研制双层嵌套优化框架对模型进行求解,其中,外层采用基于二维编码策略的智能算法优化系统输电功率;内层在给定输电功率下,通过判别系数和相对蓄水率联合确定梯级水电站间负荷分配策略与储能电站荷电状态。最后,以黄河上游清洁能源基地“青—豫”直流输电工程为例进行研究。结果表明,制订的发电计划能够满足输电功率的平稳性需求,互补运行后系统调峰性能提升13.3%~46%;相比于确定性优化调度,所提出的方法能够充分发挥梯级水电站和储能电站的灵活性,有效降低系统的弃电和失负荷风险。

基于并行机器学习的风功率超短期预测

针对风功率存在间歇性、随机性和波动性的特征及组合预测模型耗时长的问题,提出一种并行解决方案,建立集合经验模态分解(EEMD)与双向长短期记忆(BiLSTM)神经网络相结合的风功率并行组合预测模型。首先,利用EEMD将原始风功率序列分解为一系列本征模态函数;其次,借助多进程信息传递接口为本征模态函数构建并行BiLSTM神经网络子模型阵列,并采用贝叶斯优化算法率定各子模型超参数;最后,将并行子模型预测序列合成后便得到风功率预测结果。实例验证表明,所建模型在单步预测、多步预测和执行效率方面较五组对照模型均具备一定的优势。研究成果可为电网发电计划的制定及电力系统经济运行提供数据支撑和参考价值。

新能源并网下混合式抽水蓄能电站竞价策略

随着我国西北地区新能源规模不断增长,弃风、弃光问题日益突出,建设具有更大储能容量的混合式抽水蓄能电站是目前最具有实践价值的解决方案,研究其在现货市场中的竞价策略具有重要意义。本文以黄河上游规划建设中的梯级混合式抽水蓄能电站为研究对象,构建了一个Stackelberg博弈模型,通过解决一个双层优化问题来实现其在日前市场中的利润最大化,其中,上层代表电站收入最大化问题,下层包括独立系统运营商面临的出清问题。结果表明,日前市场中,混合式抽水蓄能电站会在高电价时放水发电,低电价时抽水蓄能,电站与新能源通过打捆方式参与市场竞价的收益要高于两者联合但不打捆参与方式,且均高于混合式抽水蓄能电站单独参与市场竞价的收益。

生态输水工程对水系连通的多维影响:以塔里木河为例

生态输水工程一方面缓解了水资源时空分布不均的难题,另一方面改变了水系自然连通状态。本文结合图论与景观格局指数法,从形态、结构、功能三个维度构建水系连通评价指标体系,分析塔里木河干流生态输水工程实施前后,上、中、下游水系连通格局的时空演变。综合水系连通指数计算结果表明,生态输水以来上、中游水系连通指数先上升后渐趋稳定。生态输水之前由于断流,下游各维水系连通指数均呈下降趋势,生态输水以来下游水系连通指数开始上升,其中形态与结构连通指数响应较快,功能连通指数响应较慢。从趋势来看,水系连通指数不会随着生态输水工程的实施持续上升,而是存在一定的阈值。形态连通方面,生态输水后,上、中游水域由大面积连续斑块向小面积破碎斑块转化,下游大面积水域斑块增多。结构连通方面,水系连通时长增加,其中下游最为显著;生态输水前期上、中游水域面积减少,下游水域面积增加;输水后期流域整体水域面积增加,但上、中游持续和周期连通水域面积增幅减小,而下游增幅显著。功能连通方面,上、中游以供给和支持功能占主导,下游随着生态输水的进行,各类功能占比渐趋均衡。生态输水水量与各维水系连通指数均表现为正相关,水系形态、结构连通指数响应较快,功能连通指响应较慢,由此可见生态输水对塔里木河干流水系连通的提升具有积极效益。研究结果可为生态输水实践提供技术支撑。

基于级联效应的水库调度决策多维综合评估

水库防洪、兴利调度的核心为水库水位的科学控制。受复杂现实环境因素影响,如应急突发事件、水资源供需不确定性等,实际调度过程中各时段水库水位往往偏离初始优化路径,进而影响后续调度决策以及防洪、兴利效益目标,即水库水位控制决策受扰动后的级联效应现象。文中提出考虑影响持续性、全局损失性以及系统失效性3个方面的水库调度决策级联效应评估指标体系,以此为基础,采用TOPSIS方法量化月尺度水库调度决策级联效应,应用K-means算法划分级联效应强度等级,并在泾河流域东庄水库供水调度中进行应用。结果表明:1)相对于影响持续性指标与系统失效性指标,全局损失性指标对东庄水库调度决策的变化更加敏感,其中在枯水期尤为显著;2)水库调度决策扰动产生的综合级联效应在10月份最为显著,5-7月份相对较弱,重点管控10月水库水位有利于避免水库水位偏离初始优化路径时大规模负向级联效应的产生。

梯级水库群多目标协同均衡调控研究

梯级水库群调度下多目标矛盾突出,为实现利益的协同与均衡保障,首先识别多目标关键利益与非关键利益,并基于协同学构建了梯级水库群多目标协同优化调度模型;其次提出了基于满意边界的时段内多目标利益均衡调控方法,并引入以混沌时间序列分析的关联维数及Kolmogorov熵对水库群多目标调度系统进行混沌特征识别与引导。在黄河上游梯级水库群多目标调度中的应用结果表明:在不降低多目标利益保障水平的情况下,所提理论与方法实现了梯级水库群调度下多目标利益在时段间形成协同有序、在时段内达到利益均衡;最终方案中黄河上游梯级水库群多目标调度系统的总协同度为0.64,各目标的关键利益保障程度明显高于非关键利益。研究成果为存在多目标竞争关系的流域水资源高效利用提供了新的理论与方法,拓展了水库群多目标优化调度的研究范畴,促进了水资源系统工程学与协同学、混沌学的交叉与融合。

基于BP神经网络马尔科夫模型的径流量预测

讨论了马尔科夫链状态划分的黄金分割率法和"马氏性"检验法,并针对BP神经网络预测和马尔科夫预测的优缺点,提出了BP神经网络与马尔科夫相耦合的BP神经网络马尔科夫模型,以石泉水库年入库径流量为例,验证了该方法的可行性.

龙羊峡水库长期低水位运行原因分析及抬高水位对策研究

通过对水库历史资料和实际运行资料的计算、分析,找出了造成龙羊峡水库长期低水位运行的各种自然因素和人为因素,并提出了提高龙羊峡水库运行水位的对策.通过抬高龙羊峡水库运行水位后效益的计算分析,说明了抬高其运行水位是有益的.

河南省城市体系等级结构变化的分维分析

本文借助分维及城市规模分布的离散度和均衡度指数分析了河南省城市体系等级结构演化的动态特征，并利用Ｒ／Ｓ分析考察了其发展趋势，发现系统的要素规模差异逐渐缩小而且具有持久性，这表明河南省城市的人口分布将逐渐趋于均衡，需要采取优化措施。

水库抗旱调度分期特征确定方法研究

为在一定程度上减轻流域干旱损失,国家防汛抗旱总指挥部提出旱限水位的概念,并开展水库抗旱调度,降低干旱影响程度。旱限水位是水库低水位运行的控制性水位,其合理设置对提高区域水资源利用率意义重大,而水文气象特征在年内的阶段性变化要求基于旱限水位的水库管理应适应其变化特征。此次研究提出水库抗旱调度分期的确定方法,采用核主成分分析法提取指标的非线性特征,结合熵权法赋予指标权重后利用Fisher最优分割法对干旱的年内阶段性变化进行划分。以黄河流域刘家峡和小浪底水库为例,分期结果刘家峡水库分3期为:7月至9月,10月至3月,4月至6月;小浪底水库分3期为:7月至10月,11月至3月,4月至6月。

流域与中国城市群空间分布规律研究

以中国(大陆)为例,把12个公认的城市群空间分布与10大河流流域空间分布叠加,结果表明两点:一是流域与城市群形成了较好的空间对应关系;二是城市群的中心城市一般在流域的最佳区位.

基于BP神经网络的龙羊峡水库年末消落水位控制研究

龙羊峡水库长期处于低水位运行,严重影响了其综合效益。运用逐步回归的方法寻找影响水库年末消落水位的主要因素,以此为基础,建立了控制龙羊峡水库年末消落水位的BP神经网络模型,并采用长系列资料对逐步回归模型和BP神经网络模型的预测结果进行了比较和误差分析。结果表明,BP神经网络模型优于逐步回归模型。