单库单向潮汐电站

潮汐电站发电量计算主要任务就是求解水库水位特征曲线，而水库水位特征曲线的模拟即求解水库水位hk的数值解。

龙格库塔法（Runge－Kutta）是数值分析中用于模拟常微分方程的解的重要方法，分为隐式和显式迭代法两种。在已知方程导数和初值信息的情况下，利用计算机仿真求解问题时，龙格库塔法可省去求解微分方程的复杂过程且在计算过程中可根据需要改变步长，无需计算高阶导数。

该算法计算精度高、收敛性、稳定性好，且龙格库塔法计算精度往往与时间步长的选取有关。步长越小，截断误差就越小，但同时会使计算步数增加、计算过程复杂，更可能导致计算误差的积累。在实际计算过程中，为避免固定步长龙格库塔法在计算过程中错过峰值，步长不宜取太大，计算程序步长取为0.02h。

选取一个月的代表潮位曲线进行计算，分别为效率最优和流量最大两种极端运行方案程序计算结果。表示了一个计算周期内水库水位、海水位、工作水头（包括闸门水头、水轮机工作水头）及水轮机出力的情况。在宏观上，效率最优和流量最大两种工况运行的水库水位线和水轮机出力曲线相差不大。在整个周期内，两种运行方案下机组均能在较长的时间内保持较大出力，在大多数潮汐周期，水轮机能达到额定水头、发出额定出力。但在最终的年发电量计算结果上却有较大的差异。程序在初步考虑了水头损失及机组检修因素影响情况下，计算得到以最大流量运行时年发电量为88763×104kW·h，而以效率最优运行时年发电量仅为81688×104kW·h。

在采用动态规划的路径搜索算法后，优化程序计算得到电站的年发电量为89163×104kW·h，相比流量最大运行，发电量提高了400×104kW·h，流量最大运行方案发电量明显大于效率最优运行方案，说明此时机组流量加大对出力的影响明显大于机组的平均工作水头及运行效率降低对出力的影响，在这种情况下，通过加大流量补偿的方法可增加机组年发电量；而电站实际发电量最大运行方案流量分配却介于效率最优运行和流量最大运行之间，因此过度加大机组过流量反而达不到增加发电量的目的。

我国浙闽沿海多岛屿、港湾，蕴藏着大量可开发的海洋能源，在众多海洋能中，潮汐能开发历史最长、开发技术最为成熟，且是一种可再生的绿色清洁能源，因此潮汐能的开发利用越来越受到重视。作为我国最大的试验性潮汐电站——江厦潮汐电站备受关注，亦有多种方法对其优化调度进行研究。汪树玉等针对单库双向最优方式问题，提出了多层次优化模型；陈晓芬等结合江厦潮汐电站，以发电量最大为目标函数，提出了潮汐电站发电量最大的调度运行方式；芮钧等建立了单库双向运行潮汐电站的优化模型，并应用动态规划法进行了求解分析；李晓英等则对潮汐电站月周期调度模型分别进行了动态规划法和改进浮点遗传算法的优化运行，两种方法均优化了月发电量且优化结果相近。在江厦潮汐电站的实际运行过程中，当水轮机发电水头偏离设计水头较多、机组效率较低时，常常通过加大流量补偿的方法来获得更多的发电量。但采用这种方式是否经济仍值得进一步深入研究。我国潮汐能开发技术虽然相对成熟，但一直未能形成大规模开发状态，因此对潮汐电站的研究多侧重于规划设计研究阶段，对单库单向运行潮汐电站的经济运行鲜有研究。为此，结合国内正在规划设计的某单库单向运行潮汐电站，基于动态规划法建立发电量计算模型，并结合Matlab软件，运用具有较高计算精度的龙格库塔法对水库水位曲线进行计算分析，研究单库单向运行潮汐电站运行方式与发电量的内在关系，以期为电站的优化运行提供依据。

潮汐电站一直存在资源利用率不高的问题，在电站建设初期当机组选型确定时，制定合理的水库蓄、放水计划，可在不增加投资的前提下获得更多的发电效益。为此，以国内某潮汐电站为例，根据各时刻机组发电流量的不同制定运行方案，基于动态规划法建立了单库单向运行潮汐电站发电量最大化计算模型，并利用龙格库塔算法，结合Matlab软件模拟了各时刻水库水位变化过程，求解了各运行方案的发电量值。计算结果表明，受潮汐水位及机组特性的控制，电站发电量的多少取决于发电流量在各时刻的分配，流量最大运行方案发电量明显大于效率最优运行方案，而发电量最大运行方案流量分配介于效率最优运行和流量最大运行之间 。

1.　建模基本资料

潮汐电站采用涨潮充水、落潮发电的单库单向运行开发方式，电站总装机容量451MW，工作水头1．5～5.0m，额定水头3．5m。初拟装设41台单机容量为11MW 的灯泡贯流式机组。

单库单向运行潮汐电站四个运行过程：

①充水过程。水闸打开，水轮机关闭，海水进库；

②等待发电过程。水闸关闭，水轮机关闭；

③发电过程。水闸关闭，水轮机启动；

④等待充水过程。水闸关闭，水轮机关闭。

2．　模型优化

根据电站初拟的运行方式，结合电站的代表潮位过程曲线、库容特性曲线、闸门尺寸及闸门过流曲线、电站规模及机组特性曲线等资料，建立单库单向运行潮汐电站发电量计算模型。

潮汐发电的特点在于其每个潮汐周期的始末水位均是相关联的。因此，单库单向运行的潮汐电站发电过程不宜只对单一潮汐周期的落潮发电过程进行优化，而要对整个发电过程进行长期优化计算。优化周期取为一个月。

潮汐电站的优化问题包括水库各时刻的蓄、放水计划及各时刻机组运行方式。机组运行方式的优化又包括流量在各时刻的分配及各机组的分配，仅考虑发电流量在机组发电过程中各时刻的分配，控制每台机组在任意时刻的发电流量一致。

潮汐电站水头通常均较低，往往需要较大的过流量来获得更多的发电量。借鉴我国江厦潮汐电站低水头运行时用补偿流量的方法以期获得更多发电量的运行经验，本文以效率最优运行方案的流量为基础，并考虑机组运行的最大流量限制，制定不同的运行方案 。

a．基于动态规划法建立的单库单向运行潮汐电站发电量最大化计算模型，能很好地模拟潮汐电站发电量调节计算过程，以龙格库塔法求解的程序计算结果收敛且精度较高，能清楚地反映水库水位变化过程。

b．在一定条件下，通过加大流量补偿的方法可增加电站年发电量，给电站带来经济效益，但在电站的实际运行过程中，不宜片面地加大机组的过流量，应充分考虑潮汐水位和机组特性，合理控制水库的蓄、放水时间及流量在各个时刻的分配，以达到发电量最优的目的。

c．根据潮汐水位、机组特性编制出发电量效益最优的调度方案来指导电站的生产运行，能带来更大的经济效益，为电站的运行调度提供了参考 。2100433B

潮汐电站可以是单水库或双水库。单水库潮汐电站只筑一道堤坝和一个水库，双水库潮汐电站建有两个相邻的水库。

潮汐发电单库单向电站

即只用一个水库，仅在涨潮（或落潮）时发电，因此又称为单水库单程式潮汐电站。我国浙江省温岭市沙山潮汐电站就是这种类型。

潮汐发电单库双向电站

用一个水库，但是涨潮与落潮时均可发电，只是在水库内外水位相同的平潮时不能发电，这种电站称之为单水库双程式潮汐电站，它大大提高了潮汐能的利用率。 广东省东莞市的镇口潮汐电站及浙江省温岭市江厦潮汐电站，就是这种型式。

潮汐发电双库双向电站

为了使潮汐电站能够全日连续发电就必须采用双水库的潮汐电站。它是用二个相邻的水库，使一个水库在涨潮时进水，另一个水库在落潮时放水，这样前一个水库的水位总比后一个水库的水位高，故前者称为上水库（高水位库），后者称为下水库（低水位库）。水轮发电机组放在两水库之间的隔坝内，两水库始终保持着水位差，故可以全天发电。

潮汐电站工程主要由电站建筑物和机电设备组成。电站建筑物主要有堤坝、泄水闸和发电厂房等， 有通航要求的潮汐电站还应设置船闸。

堤坝用来将水库与外海隔开，形成落差。多用海上围堰法筑黏土心墙坝、堆石坝和土坝。因筑于海上，施工条件恶劣，近年国外使用预制混凝土浮运沉箱法筑坝建站。

泄水闸用来对水库泄水和充水。闸型一般采用平原地区挡潮闸常用的胸墙孔口平底堰闸。近年，中国发展了预制浮运闸。这种闸先预制好各种闸门构件，由船浮运到建闸地点，定点沉放安装而成。施工时不用围堰或在岸上开挖，施工方法简单，工程量少，投资少，在中国沿海大量使用。

发电厂房包括水轮发电机组、输配电设备、起重设备、中央控制室、下层水流通道和闸门等。

抽水蓄能潮汐电站，一种改进的潮汐电站。主要由大围堰、小围堰、小水塔、抽水系统和发电系统组成。在高潮和低潮持续时间内抽水至小水塔，再由小水塔流入小围堰储存。大围堰形成围堰内外海水高度差，可充分利用天然内湾形成的水域，减少围堰工程量。小围堰建在高处，不受涨落潮的时间限制，实现连续发电，提高电网稳定性和发电机组效率，降低发电成本。与普通潮汐电站相比成倍提高了潮汐能利用率。