楊志平,梁維烈,劉殿海,楊勇平

(1.華北電力大學,河北 保定 071003;2.國網(wǎng)新源公司,北京 100005)

1 前 言

作為調(diào)峰電源的抽水蓄能電站具有兩大特性:一是具有調(diào)峰填谷的作用,減少了火電機組參與調(diào)峰啟停次數(shù),使火電機組出力過程平穩(wěn),提高負荷率并在高效區(qū)運行,降低機組的燃料和檢修維護等費用,減少了排放,為火電廠降耗和社會環(huán)境帶來巨大效益。二是其啟動迅速、運行靈活、可靠性高,對負荷的急劇變化能夠作出快速反應(yīng),并具有自啟動能力,能夠承擔調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動等任務(wù)[1]。

抽水蓄能電站按調(diào)節(jié)周期可分為三類,即日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站、周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站和季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。本文的研究對象為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。電力系統(tǒng)的日負荷曲線是變化的,夜間負荷減少,要求電力系統(tǒng)減少電力供應(yīng),迫使火電廠降低出力運行,這對火電廠運行是不利的。日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站此時抽水,增加電力需求,也就是提高火電廠的低谷負荷率,避免降負荷運行,改善火電廠的運行條件;次日負荷需求增大時,日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站改為發(fā)電運行,又可增加系統(tǒng)高峰時的供電能力[2]。

抽水蓄能電站最佳容量的選擇涉及多方面因素,包括抽水蓄能電站自身開發(fā)條件、單位千瓦投資大小、火電站投資、運行費、負荷特性、電網(wǎng)的電源構(gòu)成、燃料價格、抽水蓄能電站的分布等。但對于給定的電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu),抽水蓄能的最佳容量應(yīng)該有一個定值。

根據(jù)日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的特性,它承擔調(diào)節(jié)一晝夜電力負荷不均勻任務(wù),因此抽水蓄能電站每天抽水和發(fā)電的平均小時數(shù)及抽水發(fā)電量成為影響抽水蓄能電站優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵因素。

本文以某個具有一定過剩容量的純火電電網(wǎng)進行計算、分析,在當前的電網(wǎng)負荷下,通過抽水蓄能機組替代中小容量機組進行抽水蓄能調(diào)峰填谷效益的計算,得到不同抽水蓄能容量代替中小容量機組時的電網(wǎng)能耗和最佳抽水蓄能容量。以電網(wǎng)煤耗量最小為目標函數(shù),計算在相同等效替代不同發(fā)電方式(即抽水和發(fā)電按照不同平均小時數(shù)進行)下,抽水蓄能電站對電網(wǎng)的節(jié)煤效益,從而確定不同發(fā)電方式對抽水蓄能電站最佳容量的影響。

2 基于 MATLAB的系統(tǒng)建模

2.1 基于 MATLAB的純火電電網(wǎng)的節(jié)能調(diào)度優(yōu)化

單元式火力發(fā)電機組大多由鍋爐、汽輪機和同步發(fā)電機組成。火力發(fā)電廠的耗量特性是指穩(wěn)定運行時燃料耗量 F與輸出電功率 P的關(guān)系特性。機組的燃料耗量特性可以表達為 F=F(P),通常用一個二次曲線近似表示。

火電廠負荷優(yōu)化分配模型:

式中

FD——系統(tǒng)的總煤耗量;

Pi——各機組負荷;

PD——系統(tǒng)總負荷;

Pimin、Pimax——機組的最小出力和額定出力(最大出力);

d——系統(tǒng)最小旋轉(zhuǎn)備用容量,為常數(shù)(根據(jù)有關(guān)規(guī)定,電網(wǎng)備用容量包括負荷備用容量和事故備用容量)。

一般二次型規(guī)劃問題的數(shù)學描述為[4]:

求解二次規(guī)劃問題可以借助 MATLAB中優(yōu)化工具箱中的 quadprog()函數(shù),該函數(shù)的調(diào)用格式為:

其中,函數(shù)調(diào)用時,H為二次型規(guī)劃目標函數(shù)中的 H矩陣;f,A,B,Aeq,Beq,xm,xM與前面約束與目標函數(shù)公式中的記號是完全一致的;x0為初始搜索點。

各個矩陣約束如果不存在,則應(yīng)該用空矩陣來占位。最優(yōu)化運算完成后,結(jié)果將在變量 x中返回,最優(yōu)化的目標函數(shù)將在變量 fopt中返回。flag為求解成功標志,若大于 0表示求解成功,否則求解出現(xiàn)問題。結(jié)構(gòu)使變量 c返回迭代次數(shù)、函數(shù)調(diào)用次數(shù)、算法等信息。

火電廠負荷優(yōu)化分配模型屬于二次規(guī)劃問題,借助上述 MATLAB優(yōu)化工具箱編程求解。

2.2 加入抽水蓄能后的節(jié)能調(diào)度模型

假設(shè)原有電網(wǎng)已能滿足電力需求,此時使用等效替代法對電網(wǎng)加入抽水蓄能。等效替代是指用抽水蓄能電站的裝機容量乘以容量替代系數(shù)(1.05～1.1),計算抽水蓄能電站的替代容量。該替代滿足下列 4個原則:(1)對系統(tǒng)能提供同樣大小的電力與電量;(2)能調(diào)節(jié)同樣大小的峰谷差;(3)各電站運行方式互相協(xié)調(diào),保證(或接近)整個系統(tǒng)最優(yōu)[5];(4)優(yōu)先替代電網(wǎng)中中小容量的機組。

抽水蓄能機組的發(fā)電效率約為 75%。這部分電量分為兩部分,一部分計入發(fā)電負荷,另一部分計入旋轉(zhuǎn)備用負荷。加入抽水蓄能后,在電力需求低谷段抽水,在電力需求高峰段發(fā)電。在本研究中,考慮三種典型發(fā)電方式:滿功率抽水 5h滿功率發(fā)電3h、滿功率抽水 6h滿功率發(fā)電 4h、滿功率抽水 7h滿功率發(fā)電 5h。上述三種情況分別有 60%、67%和71%的電量用于發(fā)電負荷,剩余 15%、8%和 4%的電量用于旋轉(zhuǎn)備用負荷。在公式(1)～(5)基礎(chǔ)上編制程序,通過適當改變參數(shù)便可進行計算。

3 實例計算及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)實例

某純火電電網(wǎng)包括:10萬 kW級機組 80臺、20萬kW級機組 15臺、30萬 kW級機組 49臺、60萬 kW級機組9臺。已知不同類型機組的耗量特性如下:

10萬 kW級機組耗量特性為

F=0.0004P2+0.2679P+6.0516;

20萬 kW級機組耗量特性為

F=0.0003P2+0.1934P+17.595;

30萬 kW級機組耗量特性為

F=0.0002P2+0.189P+19.487;

60萬 kW級機組耗量特性為

F=0.000009P2+0.2778P+14.146。

計算典型日選為 1月 11日、4月 26日、7月 20日和 11月 6日。圖 1為各典型日的負荷數(shù)據(jù)。

圖1 典型日負荷曲線

假設(shè)抽水蓄能機組的單機容量為 250MW,計算抽水蓄能容量分別為 1000MW、1250MW、1500 MW、1750MW、2000MW、2250MW、2500MW時電網(wǎng)的年節(jié)煤量。

考慮 3種抽水蓄能發(fā)電方式:

(1)滿抽 5h滿發(fā) 3h;

(2)滿抽 6h滿發(fā) 4h;

(3)滿抽 7h滿發(fā) 5h。

3.2 結(jié)果及分析

(1)抽水蓄能的抽發(fā)電方式為滿抽 5滿發(fā) 3時(效率為 60%)的節(jié)煤量分析見表1。

由表1可知,隨著抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。當抽水蓄能容量為1500MW時(約占總裝機容量的 5%),全網(wǎng)全年的節(jié)煤量最大,為 354050t。

(2)抽水蓄能的發(fā)電方式為滿抽 6滿發(fā) 4時(效率為 67%)的節(jié)煤量分析見表2。

由表2可知,隨著抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。當抽水蓄能容量仍為1500MW時(約占總裝機容量的 5%),全網(wǎng)全年的節(jié)煤量最大,為 420662.5t。

(3)發(fā)電方式為滿抽 7滿發(fā) 5時(效率為71%)的節(jié)煤量分析見表3。

表1 發(fā)電方式為滿抽 5滿發(fā) 3時的節(jié)煤量分析

表2 發(fā)電方式為滿抽 6滿發(fā) 4時的節(jié)煤量分析

表3 發(fā)電方式為滿抽 7滿發(fā) 5時節(jié)煤量分析

由表3可知,隨著抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。當抽水蓄能容量仍為1500MW時(約占總裝機容量的 5%),全網(wǎng)全年的節(jié)煤量最大,為 449862.5t。

以表1、2、3的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到圖 2。由圖可見:

(1)三條曲線的走勢都是先增大后減小,并且拐點出現(xiàn)在抽水蓄能容量為 1500MW時,即抽水蓄能最佳容量為 1500MW;

(2)隨著抽水蓄能發(fā)電效率的提高,對于給定的電源結(jié)構(gòu),同樣容量的抽水蓄能,節(jié)煤量增大。

圖2 不同發(fā)電方式下節(jié)煤量—抽水蓄能容量關(guān)系

4 結(jié) 論

目前主要承擔調(diào)峰任務(wù)的設(shè)備有調(diào)峰火電機組、燃氣輪機機組、內(nèi)燃機機組和抽水蓄能機組等。其中,抽水蓄能機組啟動速度快,適用負荷范圍廣,在電力系統(tǒng)中能很好地替代火電機組擔任調(diào)峰作用。適當規(guī)模的抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分,是電網(wǎng)經(jīng)濟、可靠運行的重要保障。通過對實際算例進行分析計算,得到如下結(jié)論:

(1)隨著抽水蓄能發(fā)電效率的提高,對于給定的電源結(jié)構(gòu),最佳抽水蓄能容量保持不變,但同樣容量的抽水蓄能,節(jié)煤量增大。

(2)根據(jù)對 4個典型日的數(shù)據(jù)分析,從煤耗量角度得出的抽水蓄能電站在該電網(wǎng)中的最佳容量為1500MW,約占該電網(wǎng)裝機容量 6%。但是,在確定抽水蓄能在電網(wǎng)中最佳容量時,還需要綜合考慮抽水蓄能的動態(tài)效益等因素。

[1]萬永華.抽水蓄能電站規(guī)劃及運行[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[2]張克誠.抽水蓄能電站水能設(shè)計[M].北京.中國水利水電出版社,2007.

[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京:中國電力出版社,2003.

[4]薛定宇,陳陽泉.高等應(yīng)用數(shù)學問題的MATLAB求解[M].北京:清華大學出版社,2004.

[5]白宏坤,談為雄.計算抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的合理比重[J].水電能源科學,1998(12):23-26.

[6]郭建民,李素芬.基于 MATLAB優(yōu)化工具箱的機組負荷優(yōu)化分配[J].能源技術(shù),2003,24(2):47-49.

[7]郭玉泉,劉文毅.大型蓄能電站綜合效益評價研究[J].華東電力,2006(12):5-8.

[8]萬永華,等.抽水蓄能電站調(diào)峰填谷節(jié)煤效益定量評估方法的研究[J].武漢水利電力大學學報,1998(10):1-6.

[9]舒靜,張健,鄭源.2010年抽水蓄能電站在華東電網(wǎng)合理規(guī)模探討[J].水電能源科學,2005(10):54-57.

[10]楊京燕,付志奎.抽水蓄能電廠規(guī)劃評估模型和算法[J].中國電機工程學報,2001(2):33-36.