梯级电站发电效益补偿方式探讨

2011-03-28王干一吴相林

电力建设 2011年6期

王干一,吴相林

(华中科技大学系统工程研究所,武汉市,430074)

0 引言

梯级电站优化运行与调度涉及电价和发电量 2个因素。上网电价由政府有关部门进行核定或进行竞价上网取得。上网电价的竞价模式一般有 2种: (1)按报价支付(pay as bid,PAB),(2)统一出清电价(uniform clearing pricing,UCP)。在这些方式中,或者政策限制,或者不能进行优化调度,各有弊端。在流域各梯级电站独立报价的情况下,各电站追求自身利益的最大化,如没有合理有效的机制对各流域电站的运行与效益进行调节补偿,会导致梯级各电站无法有效协调,流域水资源不能优化利用。

流域总发电量的多少决定了流域总体发电能力,发电量大,流域总的效益明显。发电量不仅取决于水库来水,而且还与梯级电站的调度管理模式有关。合理的运行调度模式,通过对发电能力和调节能力强的电站进行水能与电能经济补偿,是调动各水电站发电积极性的重要手段。统一核算电能效益,建立合理有效的补偿机制,减少电站利益分配之间的矛盾,使各电站不再把精力消耗在互相竞争上,而是以提高各电站的运行效率,降低运行成本为目标。本文通过对梯级各电站发电补偿方式的探讨,以提高水库各电站效益为前提,摸索合理的补偿办法,充分发挥水资源的发电能力,降低发电成本,使各水库电站在梯级统一调度的基础上均获得合理补偿,从而实现各电站效益的最大化。

1 流域多发电主体的效用函数

以流域梯级弃水最少、发电量最大的为目标。设某流域从上游到下游共有 N个独立的梯级发电站,在一个发电周期内,第 n个发电站发电效益最大的数学模型[1]为:

其中,

式中:Pn,t,En,t为第n个电站 t时段上网电价和上网电量;ΔZn,t是n电站可能获得的补偿值,包括该电站能得到的水能补偿 ΔSn,t和电能补偿 ΔDn,t;Bs,t,Bd,t为n电站的水能补偿系数和电能补偿系数;Δvn是n水库的库容变化量;Cd,t是电能补偿调节系数。

式(1)表明,电站效益的最大化取决于 2个部分:发电效益和补偿效益。其中发电效益由发电量和电价决定;补偿效益的大小取决于减少弃水,增加可用水量,争取多发电。

通过对流域进行统一调度,减少系统弃水,增加可发电水量,使水能得到充分利用,是提高流域总体效益的关键。如果通过合理选择蓄水和发电时段,使流域总体发电效益最大化。以流域增加的发电效益为基础,对多发效益按权重进行利益分配,各电站根据调度后对流域电能效益贡献的权重值,计算相应的补偿系数,进而使各电站获得相应的效益补偿。

2 电站补偿能力权重值的计算

设n水库对整个梯级电站进行电能补偿的最大补偿能力值为 ωn,各水库经合理调度水能均被利用无弃水。为方便分析,设各梯级电站水库的来水量由上游的水库决定,即认为各水库均没有其他支流(有其他支流的情况,可以按此方法进行推算),也暂时认为各水库没有其他生产生活用水需求。

各电站发电能力,体现在水库的上游来水量、可调库容、位置、装机容量、可用的出力时间等指标。对这些指标进行量化,可以反映出电站做功的能力。将整个流域作为一个整体时,可以表现在对系统效益的贡献权重值上。

2.1 库容和位置补偿权重

设αn为电站n可调库容和水库位置在流域中权重系数。该系数值越大,表示可调库容越大,位置越靠前,电站储存水资源的能力越强,调节能力越大。由于各水库的可调库容相差悬殊,用简单的方法建立模型,容易使权重值偏离太大,所以用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定该值。

层次分析法是对人们主观判断形式的表达、处理与客观描述,通过判断矩阵计算出相对权重后,要进行判断矩阵的一致性检验,克服两两相比的不足。

AHP法确定权重的步骤:(1)建立层次结构模型;(2)确立主观判断定量化的标度;(3)构造判断矩阵。运用两两比较方法,对各相关元素进行两两比较评分,根据中间层的若干指标,可得到若干两两比较判断矩阵;(4)计算权重;(5)进行一致性检验。

2.2 装机容量补偿权重

2.3 补偿系统

由于对系统进行库容和发电时段调节后,调节能力差的径流型电站和日调节能力电站的发电时数增加较多(利用时数较高),增加发电时数获得的发电补偿较少,而设备的维修运转等财务成本相应增高,应该增加其财务费用和设备维修的费用,进行发电时数的补偿。设电站原有发电时数为 tn,增加发电时数为Δtn,则电站n的发电时数补偿系数:

上游具有年或不完全年调节作用的龙头水库电站由于没有增加发电时数,发电时数补偿值为 0。但龙头水库对其他电站均具有调节性能,因此设其获得的发电时数补偿系数为整个时数补偿值的平均值:

则对上式进行改良,并进行归一化处理,得到算式

用乘积法计算出该水库电站的电能补偿能力

此值越高,则电站对系统电能的补偿能力越强,可以从系统增加效益中获得的补偿越高。

对补偿能力进行归一化处理,设流域总的电能补偿能力为 1,则补偿能力权值的归一化算式为

3 电站获得补偿效益的计算

经上游水库的完全蓄水调节(无弃水)之后,该电站增加的可发时长为

即该电站的发电时长得到相应的增加。增加的发电时长得到的电能效益即是该电站对流域的发电补偿量。该电站得到的增加电量为

可以看出,上游水库调节能力越强,水库弃水量越小,水库的发电效益增加越明显。因此,以水库电站新增可发电量为基准,流域增加的总发电效益为

此结果表明,流域某电站对系统的电能增加贡献越大,得到的补偿量越大,从而调动了电站的发电积极性,且电站获得的补偿取决于系统的总的电能增加,只有服从流域总的调度安排,使系统的运行最佳,系统得到的水能增加值越大,每个电站得到的效益值才为最大。

每个水库得到的补偿电量为

4 算例

以下通过对广东某流域水电站的调度运行情况进行分析,验证上述方案的可行性。该流域共有 4个电站,从上游到下游依次为 1、2、3、4号。电站各技术指标如表1。

建立αn的判断矩阵,对αn进行计算:

表1 电站技术指标和权重计算Tab.1 Specifications and weight calculation of hydropower station

查表得RI=0.90,所以CR=CI/RI=0.087/0.90= 0.096＜0.10,判断矩阵具有满意的一致性,符合要求。

调度前后的发电量和获得的补偿效益如表 2。

表2 电站获得的发电效益补偿值计算Tab.2 Compensation calculation of power output benefits

从表 2中看出,调度后,水库新增的发电效益为4 194万元,各电站对新增电量按权重进行分配。库容大,调节能力强的电站,得到的补偿效益大。而小型水库的投资小,发电成本低,对系统没有太强的补偿作用,但是,通过合理的系统调度,减少系统弃水量,小型电站对系统的电能补偿增加不少,从而也得到了相应的补偿。每个电站尽可能地多发电,也可以从系统中得到相应的补偿,提高了各电站的发电积极性。