基本信息
- 项目名称：
- 基于水库能的梯级水电站群联合发电优化模型
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着社会的发展，能源的需求量不断扩大，对梯级水电站的经济运行提出了更高的要求。本文在忽略水库水体与大坝、堤岸及引水管道之间的摩擦能量损失和水流内部摩擦、夹带泥沙及克服沿程河床等各方面阻力的情况下，结合水库水体能量形式，提出了水库能的概念。并从四个方面进一步建立基于水库能与水耗量最小化的梯级水电站联合发电的优化模型。 首先，针对大型水库的自然形状和蓄水特性，将水库分成五级水体，建立了基于水库水体分级的水库能产生模型。 第二，研究水库水流在压力引水管的输移过程，建立水体微元所含动能、势能、压能和水库能的转化模型，研究水电机组输出功率形成机理与数学表式。据此得出动能、势能、压能和水库能与水电机组在某时段内的关系，为梯级水电站群的联合发电优化提供了依据。 第三，通过梯级水电站群的联合发电模型的建立与优化。研究了水库能对梯级水电站群联合发电优化和水能利用效益的影响，重点研究了在给定负荷下耗水量最小的目标函数。 第四，以红水河流域梯级水电站为实例，进行仿真计算，结果表明，该模型能正确、有效地指导水电站充分利用水资源，提高梯级水电站群联合发电效益。
- 详细介绍：
- 水电作为一种清洁的可再生能源，在现代社会中占有举足轻重的地位。同时，水电又是电力系统中电能的重要组成部分。我国河流众多，水能资源丰富。随着社会的发展，能源的需求量不断扩大，对梯级水电站的经济运行提出了更高的要求。目前，很多水电站都存在着因弃水或不能很好的运行水库而造成大量的一次能源损失。在梯级水电站群中，各水库间的联系极为密切。发电量与水库蓄水有着直接的联系，这就要求各电站在给定的负荷下，使得耗水量最小，才能增加发电量。 本文提出水库能的概念，建立梯级水电站群联合发电模型，意在给梯级水电站群充分利用水资料提供有效指导，提高梯级水电站群联合发电效益。在忽略水库水体与大坝、堤岸及引水管道之间的摩擦能量损失和水流内部摩擦、夹带泥沙及克服沿程河床等各方面阻力的情况下，结合水库水体能量形式和水库能的概念，进一步建立基于水库能与水耗量最小化的梯级水电站群联合发电的优化模型。 首先，针对大型水库的自然形状和蓄水特性，将水库分成五级水体：三个长方形水体、一个梯形水体、一个反函数水体，分析水库水体分布及其对压力引水管入口处的力学作用形式。设水轮机的压力引水管为圆柱形，利用微元分析法，微积分方法计算出压力引水管入口处水体微元的体积、压强、重量等，以及在五级水体沿压力管道轴线方向对其形成的力学作用下，水体微元沿压力管道方向所做的功或具有的能量，建立了基于水库水体分级的水库能产生模型。 第二，研究水库水流在压力引水管的输移过程，建立水体微元所含动能、势能、压能和水库能的转化模型，研究水电机组输出功率形成机理与数学表式。假设大坝两边离岸的设定距离为 ,梯级水电站 共有 台机组，且机组压力管道等距布置。计算五级水体的动能、势能、压能和水库能转化成的电功率，进一步算出梯级水电站 第 台机组的水能，梯级水电站 第 台机组以kW为单位(1kW=102kg•m/s)，在时段 内所产生的出力即所产生的电功率。据此得出动能、势能、压能和水库能与水电机组在某时段内的关系，为梯级水电站群的联合发电优化提供了依据。 第三，梯级水电站群的联合发电模型建立与优化。研究了水库能对梯级水电站群联合发电优化和水能利用效益的影响，重点研究了在给定负荷下耗水量最小的目标函数。以水库蓄水水位、压力管道水体流速、水库大坝宽度、水库大坝深度、水轮机出口水体流速、水库高程、水库长度等为约束条件，通过线性规划法优化该模型。 第四，以红水河流域梯级水电站为实例，进行仿真计算，仿真结果表明，该模型能正确、有效地指导水电站充分利用水资源，提高梯级水电站群联合发电效益。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：本文提出水库能的概念，建立梯级水电站群联合发电优化模型，意在给梯级水电站群充分利用水资源提供有效指导，提高发电效益。思路：首先，针对大型水库的自然特性，建立五级水体的水库能产生模型。第二，建立水体微元所含动能、势能、压能和水库能的转化模型，研究水电机组输出功率形成机理与数学表式。第三，建立梯级水电站群联合发电优化模型。第四，以红水河流域梯级水电站为实例，仿真计算，验证结果的正确性。
科学性、先进性及独特之处
- 本文提出了水库能的概念，建立水库五级水体模型，算出各级水体重心沿压力管道轴线及进水口处下顶点所形成的两个重力分量。建立能量转化模型，研究论述了动能、势能、压能和水库能的转化，水电机组输出功率形成机理与数学表达式。最后以最小耗水量为目标函数建立梯级水电站群联合发电优化模型。以红水河流域梯级水电站为实例，仿真表明，本文得出的结论能正确、有效地指导梯级水电站群充分利用水资源，提高联合发电效益。
应用价值和现实意义
- 本文的研究内容为水库实现最佳控制运用，达到增加发电量，最大限度地利用一次能源提供了依据。可提高电力系统供电可靠性，增加梯级水电站群的保证出力。运用梯级水电站群间水库能的关系，使梯级水电站群优化运行，提高可靠性和安全稳定性，改善水电生产和电网运行的能量指标。同时对水火电力系统的经济调度提供了理论和应用的支撑，对今天联结电网中的区域互补、水文差异互补、水火电互补、互为备用等具有很重要的意义。
学术论文摘要
- 本文提出了基于水库能与水耗量最小化的梯级水电站联合发电的优化模型。结合水库水体能量形式，提出了水库能的概念。针对大型水库的自然形状和蓄水特性，分析了水库水体分布及其对压力引水管入口处的力学作用形式，建立了基于水库水体分级的水库能产生模型。研究了水库水流在压力引水管的输移过程，建立了水体微元所含动能、势能、压能和水库能的转化模型，研究水电机组输出功率形成机理与数学表式。研究了水库能对梯级水电站群联合发电优化和水能利用效益的影响，重点研究了在给定的负荷下耗水量及其优化方式。本文以红水河流域梯级水电站为实例，进行了仿真计算，仿真结果表明，该模型能正确、有效地指导水电站充分利用水资源，提高梯级水电站群联合发电效益。
获奖情况
鉴定结果
参考文献
- [1] 黄益芬.水电站水库优化调度研究.水力发电,2002,5:64-65 [2] 伍宏中,白以昕.水电站水库群长期运行优化模型和应用.水力发电,2008,34(1):82 [3] 曾勇红等.三峡梯级水电站蓄能最大长期优化调度模型及分解算法.电网技术,2004,28(10):5 [4] 梁伟等.基于混沌优化算法的梯级水电站水库优化调度.水电能源科学,2008,26(1):63 [5] 周晓阳等.梯级水库的参数辨识型优化调度方法.水利学报,1999,9 [6] 蒋峰.龙头水库梯级电站水能计算方法的探讨.水力发电,1994,1 [7] 常小平.宁国月亮湖水电站下游梯级水电站水能计算.安徽水利科技,2004,6 [8] 练继建等.基于改进蚂蚁算法的梯级水电站短期优化调度.天津大学学报,2006,39(3): 264-268 [9] 广西电网公司中心调度所.广西电网调度月报，2008
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外主要运用现代计算技术和最优化方法、现代控制理论、系统工程方法等对梯级水电站(群)进行优化调度研究。如采用逐次优化法、遗传算法(GA)、动态规划法(DP)以及时历法等对梯级水电站的水库优化调度进行研究，进而指导梯级数电站的运行。但这些算法都有一定的局限性，如逐次优化法的贪心收索和容易陷入局部最优解，遗传算法接近全局最优时不易收敛和不易处理复杂约束条件，动态规划的“维数灾”和求解时间过长。时历法的调度模式缺乏数学优化理论基础，且使用规则不考虑面临时段的径流预报、很呆板、不灵活，带有一定的盲目性，效果不理想。 在该领域的研究中，这是一种全新的思路。 本文在忽略水库水体与大坝、堤岸及引水管道之间的摩擦能量损失和水流内部摩擦、夹带泥沙及克服沿程河床等各方面阻力的情况下，结合水库水体能量形式，提出了水库能的概念，并进一步建立基于水库能与水耗量最小化的梯级水电站联合发电的优化模型。文中，针对大型水库的自然形状和蓄水特性，分析了水库水体分布及其对压力引水管入口处的力学作用形式，建立了基于水库水体分级的水库能产生模型。研究了水库水流在压力引水管的输移过程和水电机组输出功率形成机理与数学表式，以及水库能对梯级水电站群联合发电优化和水能利用效益的影响，给定负荷下耗水量的仿真结果表明，该方法能指导水库实现水能的充分利用，有利于优化梯级水电站群的联合发电，提高发电效益，进而对水火电力系统的经济调度提供理论和应用的支撑。 同时，该方法也得到了相关专家学者的肯定。
