电力系统中小水电站运行的经济性问题研究

目前，我国的小水电站已发展到6万多座，总装机容量1400多万kW，以小水电供电为主的县有700多个，占全国总县数的1／3。我国小水电已成为农村能源中一个极为重要的产业，为农村经济和电气化事业的发展做出了巨大贡献。但从总体上看，小水电的运行管理水平不高，效益远未得到充分发挥。管理水平不高的主要表现，是管理技术和管理手段落后。结合我国小水电发展的客观实际，在当前推广小水电经济运行工作，提高其经济效益，是一种投入少见效快的管理技术革新。

一、水电站经济运行的意义与内容

在电力系统安全可靠供电的条件下，水电站获得最大经济效益的运行方式，称为水电站经济运行方式或优化运行方式。而使水电站取得最大经济效益的基本原理和技术方法，就是水电站经济运行的最优化技术。

电力系统中水电站运行的经济效益，应以整个系统收益最大的原则来考虑。也就是说，在空间和时间上系统内各个电站的总体效益为最大。但在某些具体条件下，亦可从单纯的水电站群、甚致单一水电站本身的最大经济效益来考虑。

水电站的经济运行已为电力系统和部分大型水电站采用，取得了显著的经济效益。据国外有关经济运行资料表明：厂内经济运行节约燃料费0.5％-3．0％；短期经济运行提高发电量1．5％；长期经济运行提高发电量2．0％-5．5％。我国湖南省某电站实现长期经济运行，提高发电量约6．2％。我国尽管小水电站经济运行工作水平还较落后，但从已开展这项工作的小水电站看，也取得了较好的效果。因此，当前在我国开展小水电经济运行工作具有重大现实意义，是小水电革新挖潜的一项重大措施。

小水电经济运行的内容，一般包括小水电的长期经济运行、短期经济运行和厂内经济运行。按照研究问题的范围不同，小水电经济运行又可分为单一水电站的经济运行和小水电系统的经济运行。长期经济运行仅用于具有季调节及更大调节能力水库的水电站或含有这样水电站的电力系统。研究的内容是电力系统内单一水电站或各水电站的长期(如季度、各月)最优化运行方式。短期经济运行是指电力系统内单一水电站或各水电站短期(如日)的最优化运行方式。而厂内经济运行是指一个水电站内部，在电力系统给定负荷下或流量一定时该水电站最优化运行方式。各种不同情况的经济运行问题，有着不同的研究内容和特点，但问题的解决都依赖于最优化理论和方法的应用。一般而言，水电站经济运行问题可描述为：在一定时期内，按照一定的最优化准则，满足各种约束条件而使水电站(群)目标函数达到最大值或最小值。

二、水电站经济运行的最优化准则

水电站的经济运行是对一定的最优化准则而言的。最优化准则就是经济运行所追求的目标和判别标准。因此，准则问题对运行来说是个十分重要的问题，研究水电站经济运行时，首先要明确最优化目标或最优化准则。最优化准则一般可从数量和质量两个方面来表达，例如，如何使产品(发电)的经济效益最大及如何使供电的质量提高。

水电站运行质量，从供电角度而言，主要表现为可靠性和稳定性及与此相伴的适应负荷变化、事故顶替的灵活性。从系统整体运行而言，则有周波与电压的稳定性两种质量指标。

从经济效益的观点来设立水电站经济运行的准则是常采用的，根据着眼角度的不同，可有下列几种水电站经济运行准则：

1)国民经济效益最大或国民经济费用最小准则；

2)电力系统支出费用最小准则；

3)电力系统总耗煤量最小准则；

4)水电站(群)发电量最大准则。

国民经济效益最大或国民经济费用最小准则是一般性的准则。国民经济效益有正、负两种，正效益指电站运行的产出效益，负效益指电站正常运行被破坏时带来的损失。国民经济费用包括：①与电站运行方式有关的电力系统支出费用；②由于系统电力、电量不足或各综合利用部门的要求得不到满足时的国民经济损失。按这个准则选择运行方式时，效益或费用的计算比较困难，影响了这一准则的广泛应用。

电力系统支出费用最小准则是指在满足各水利综合利用部门一定要求的条件下，使电力系统的支出费用最小。它与国民经济费用最小准则相比，无需计算在发电及其它水利综合利用要求得不到满足时的损失费用，但需要确定各综合利用部门正常用水用电要求的标准。前者可看作是局部最优准则，后者可看作是整体最优准则。

电力系统耗煤量最小准则，是指在满足各综合利用部门一定要求的条件下，使电力系统的总耗煤量最小。这个准则是电力系统支出费用最小准则的简化，因为与运行方式有关的电力系统支出费用中主要组成部分就是火电厂的燃料费用。因此上述准则可以简化为电力系统的燃料费用最小准则。当电力系统中各火电厂用煤价格相同的时候，则可简化为电力系统耗煤量最小准则。显然这一准则适用于由水电站、火电厂(站)组成的电力系统。

水电站(群)发电量最大准则，是指在满足各水利综合利用部门一定要求的条件下．使系统内的水电站(群)总发电量最大。在纯水电系统中采用这一准则是正确的。发电量最大准则的另一种表示形式为“电能损失最小准则”。通常为了使问题简化，在已知水电站水库的特征条件时，采用使计算期内水电站(群)的总发电量最大作为最优准则，对于水电比重大的电力系统也是可行的。对于综合利用的水电站(群)，如果是以发电为主，也可以采用本准则，而把其它部门的要求作为约束条件。

三、水电站经济运行的物理基础

为了方便，下面以水电站(群)发电量最大准则为例，讨论水电站经济运行的物理基础。我们知道，在已知来水情况下，水电站的运行会有优劣，发电量(E)会有多有少，可以从电站出力(N)的基本公式：

N=KQH

或相应的电能公式：

E=Σei=Σnit

从上式可见，电站出力N(kW)取决于三个因素：出力系数K、发电流量Q(m3/S)、发电水头H(m)。因此，在水库水电站运行时，就有一个效率、水量和水头的最优利用问题，构成了水电站经济运行的物理内涵。

出力系数K值大小与机型、水量Q及水头H有关，对于一定的机型，可以表示为K=f(Q，H)。此处水量Q及水头H对K的综合影响最终寓于机组间的负荷分配情况及机组效率的最优利用，具有相对的独立性。同时，水电站长期经济运行通常以月或旬平均出力为单位，不是直接研究年、日负荷在电站间的最优分配。因此，虽然从严格意义上讲，K、Q、H的最优利用应结合考虑，但是在实际工作中可以把K和Q、H的最优利用分为两步进行，即在研究长期经济运行时，视K为某一常数；在求出逐月逐旬的最优负荷分配后，再考虑K=f(Q，H)的关系，来研究日负荷的最优分配，也就是研究水电站的厂内经济运行问题。

水量Q的最优利用，主要反映在尽量防止或减少弃水。对于调节程度不高的水库，如不完全年调节(季调节)，流量的最优利用，除枯水年份外，一般远较水头利用的效益为大和更为重要，因此在研究水库水电站经济运行时，除了满足约束条件外，应把流量利用作为主要考虑的因素。对于调节程度较高的水库，弃水机会少，水电站水头一般较大，故水头利用的效益可能更为重要。

以上是对单一水库水电站而言，对于水库水电站群的情况，除K、Q、H的最优利用外，还有一个水文补偿调度问题。对于水库电站群，在共同的设计枯水年，通过电站间出力的相互补偿能使站群总保证出力有所提高，这反映了各水库水文变化的不同步性及由此所产生的水文补偿效益，因此应考虑最优水文补偿问题。

参考文献：

[1]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002

[2]孟祥萍，高嬿.电力系统分析[M].北京：高等教育出版社，2005