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        基于發(fā)電效益最大化的水光互補方案優(yōu)化設(shè)計

        2015-12-20 08:32:13王學(xué)成劉慶超
        發(fā)電技術(shù) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:水光水頭時段

        王學(xué)成,楊 雨,劉慶超

        (1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責(zé)任公司,新疆富蘊836100;2.華電電力科學(xué)研究院,浙江杭州310030)

        基于發(fā)電效益最大化的水光互補方案優(yōu)化設(shè)計

        王學(xué)成1,楊 雨2,劉慶超2

        (1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責(zé)任公司,新疆富蘊836100;2.華電電力科學(xué)研究院,浙江杭州310030)

        針對某水電站由于來水的季節(jié)變化特性,而導(dǎo)致的長期低效率運行問題,本文提出建設(shè)水光互補系統(tǒng)的優(yōu)化方案。通過與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司重新協(xié)商調(diào)度協(xié)議,實現(xiàn)水電的優(yōu)化運行,提高整個項目的盈利能力。

        水光互補;水電優(yōu)化運行;盈利能力提升

        0 引言

        水光互補項目往往依托已建成水電站,將新建光伏電站視為擴(kuò)建容量而接入其中。這種發(fā)電形式不但能夠解決光伏安全并網(wǎng)的難題[1,2];也最大限度地利用當(dāng)?shù)刭Y源,發(fā)揮兩種能源各自的優(yōu)勢,相互間做到有益的補充[3];同時節(jié)省建設(shè)成本,提高送出設(shè)備的利用率;另外增加互補發(fā)電單元中機組運行的靈活性,通過優(yōu)化提升發(fā)電企業(yè)的盈利能力,是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向之一。

        目前,對水光互補工程的研究,多數(shù)集中在提高發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量,使其對電網(wǎng)更加友好[4~6],而它對發(fā)電企業(yè)的價值則鮮有提及。本文主要研究實現(xiàn)水光互補之后,如何通過改變電站原有調(diào)度策略,最大限度地提高發(fā)電系統(tǒng)運行效率,增強發(fā)電企業(yè)的盈利能力。

        1 某水電站運行現(xiàn)狀

        某水電站水庫正常蓄水位802m,相應(yīng)庫容8630萬m3,死水位790m,相應(yīng)庫容3930萬m3。電站正常運行中水頭一般在52~43m之間變化。水輪機型號為HAL551-LJ-230,其額定水頭41m,額定轉(zhuǎn)速230.8r/min,單機額定流量41.34m3/s。發(fā)電機采用3臺SF15-26/4500型發(fā)電機,單機額定功率15MW,額定電壓10.5kV,額定功率因數(shù)0.85(滯后),額定轉(zhuǎn)速230.8r/min。經(jīng)過一輪改造后,單臺發(fā)電機組最大功率可達(dá)16.7MW。

        根據(jù)歷史數(shù)據(jù),電站各月的平均來水量及流量見表1,每年4~9月為豐水期,電站出力較高;10月~來年3月為枯水期,枯水期電站只能維持在一個很低的出力下運行,一方面,由水輪機的效率特性可知(如圖1所示),機組低負(fù)荷運行導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下,為電站帶來了極大的損失(以二月份為例,平均流量僅有8.0m3/s,電站為了維持高水頭,只能利用來水發(fā)電,此時對應(yīng)的水輪機效率只有不足50%);另一方面,由于調(diào)度協(xié)議的約束,電站如果停機蓄水又將面臨巨額罰款,二者共同影響了水電站收益。

        表1 某水電站各月的平均來水量及流量

        2 水光互補方案設(shè)計

        2.1 優(yōu)化方案可行性分析

        為改變水電站長期低效率運行的現(xiàn)狀,考慮在電站附近建設(shè)光伏發(fā)電工程,實現(xiàn)水光互補,項目建成后,水電和光伏將作為一個整體的發(fā)電單元對外供電。通過和電網(wǎng)公司協(xié)商新的調(diào)度協(xié)議,有望改變項目公司現(xiàn)有經(jīng)營狀況,實現(xiàn)項目更好的盈利。

        由于國家政策限制,在該地區(qū)爭取地面光伏電站指標(biāo)存在困難,本項目擬建設(shè)18MWp分布式光伏電站,與水電站形成互補。水光互補形成后,水電站可采取日間蓄水,夜間發(fā)電的調(diào)度策略,以提高發(fā)電時段的負(fù)載率,提高電站發(fā)電效率。另外,根據(jù)項目公司反饋,已與電網(wǎng)公司達(dá)成初步協(xié)議—水光互補發(fā)電中,對水、光系統(tǒng)一天中供電的連續(xù)性可不做嚴(yán)格要求,也即在制定調(diào)度協(xié)議時,水電站可不考慮與光伏在發(fā)電時段上的配合,而是根據(jù)本電站效率最優(yōu)化的需要,靈活決定每天的發(fā)電時間。

        工程所處地區(qū)分布式光伏上網(wǎng)電價僅為0.67元/kWh(當(dāng)?shù)鼗痣娒摿蚝蟮臉?biāo)桿上網(wǎng)電價0.25元/kWh+分布式光伏補貼0.42元/kWh),低于地面光伏電站0.9元/kWh的標(biāo)桿上網(wǎng)電價。偏低的電價致使其本身盈利存在困難,然而就水光互補整體而言,由于水電站效率的大幅提升,整個系統(tǒng)仍有望獲得更好的盈利能力,方案具有可行性。

        圖1 水輪機運行特性曲線

        2.2 水電站優(yōu)化運行

        “我們相信(Xe-100的)安全案例已得到充分證明,我們認(rèn)為這是一種內(nèi)在安全的反應(yīng)堆。”X能源主管反應(yīng)堆研發(fā)的副總裁馬丁·范斯塔登表示,“我們不需要任何操縱員行動和能動電力系統(tǒng)來確保電廠或公眾安全”或“確保任何廠區(qū)邊界(輻射照射)限值均不會被超出”。

        以年發(fā)電量最大為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo),調(diào)度周期分為T個時段,以t代表時段變量,t=1,2,…,T;以Qt表示水庫在t時段的發(fā)電引用流量;Ht表示水庫在t時段的平均發(fā)電水頭;Vt表示水庫在t時段的平均庫容,則優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為:

        約束條件為:

        發(fā)電引用流量限制:

        水庫庫容限制:

        水庫水量平衡方程式:

        電站出力限制:

        式中A—系數(shù),包括發(fā)電效率和時段時間的影響;

        Qmax,Qmin—允許的最大、最小發(fā)電引用流量;

        Qrt—t時段的入庫流量;

        ΔVqt—t時段的棄水總量;

        Nmax,Nmin—電站允許的出力上、下限。

        假設(shè)發(fā)電機效率恒為97%,結(jié)合圖1所示水輪機效率曲線,擬合得到發(fā)電機組的效率模型;以年為周期進(jìn)行優(yōu)化,將每15min作為一個調(diào)度時段,水頭調(diào)節(jié)范圍為43~52m,采用粒子群算法對上述問題進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果見表2。

        觀察上表可以發(fā)現(xiàn)針對不同的時間和來水量,優(yōu)化方案給出了不同的策略:

        (1)對于來水量不大,利用當(dāng)天來水無法使電站維持全天滿發(fā)的月份(1~3月、7~12月),方案在只利用當(dāng)天來水發(fā)電,維持高水頭這一原有運行策略的基礎(chǔ)上,充分利用了水光互補系統(tǒng)中水電站每日發(fā)電時間相對靈活的優(yōu)勢,通過合理控制每日發(fā)電時間,使電站在發(fā)電時段保持高負(fù)荷運行,大幅提高了電站的效率,從優(yōu)化結(jié)果中可以看出,對應(yīng)月份在優(yōu)化后,均達(dá)到了機組可能達(dá)到的最佳耗水率7.63m3/kWh,大幅優(yōu)于優(yōu)化前值,同時發(fā)電量大幅提升,尤其對于嚴(yán)重枯水期(11月至來年4月),優(yōu)化后可提升發(fā)電量近50%,為電站帶來巨大的效益,體現(xiàn)出水光互補系統(tǒng)在盈利能力上的優(yōu)越性。

        (2)洪水期面臨大量棄水,單純追求發(fā)電的低耗水率沒有意義。本方案充分發(fā)揮水庫的調(diào)節(jié)能力,在汛期來臨之前(4月份)利用原有庫容盡可能地增加發(fā)電量,同時清空庫容,此時總優(yōu)化目標(biāo)等價于通過科學(xué)調(diào)度庫容,換取盡可能長的電站滿發(fā)時間;待洪水期來臨后(5~6月份),電站可不計效率地隨時保持滿發(fā),同時逐漸恢復(fù)水庫水位。從優(yōu)化結(jié)果可以看到,雖然由于水頭的變化導(dǎo)致機組4~5月份耗水率有所上升,但4月份因此增加了發(fā)電量近40%,且由于來水充足,5月份在恢復(fù)水頭的同時,機組仍可保證滿發(fā),發(fā)電量未受影響,同時減少了棄水量。圖2~圖5為4、5月份電站水頭高度和機組耗水量變化曲線。

        圖4可見,由于來水量巨大,進(jìn)入汛期之后,水庫僅用10天左右時間即恢復(fù)了最高水位。水庫有限的調(diào)節(jié)能力,導(dǎo)致電站在5~6月仍會面臨較大的棄水量。

        表2 枯水優(yōu)化期各月的日發(fā)電時間、效率和發(fā)電量

        3 項目經(jīng)濟(jì)評價

        項目新建光伏電站所在地最佳傾斜面年輻照量為1821kWh/m2,20年可研平均利用小時數(shù)為1334h。項目裝機為18MWp,由于可利用水電站已有設(shè)施實現(xiàn)并網(wǎng),無需另外建設(shè)升壓站以及送出線路,按單位千瓦投資7800元/kW計算成本;另外光伏電站無需增加運維人員,可節(jié)省一部分開支。

        該項目為分布式光伏電站,上網(wǎng)電價為0.67元/kWh,本身不具備盈利能力,而對于水光互補系統(tǒng),可考慮將互補后水電站提升的效益,作為補貼收入納入到光伏發(fā)電項目中之,得到光伏項目資本金內(nèi)部收益率為23.37%之間,優(yōu)于普通的地面式光伏電站,盈利能力優(yōu)秀。

        圖2 四月水頭高度變化曲線

        圖3 四月機組耗水量變化(維持32.4MW)曲線

        圖4 五月水頭高度變化曲線

        圖5 五機組耗水量變化(維持50.1MW)曲線

        表3 項目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表

        4 結(jié)語

        為了解決某水電站長期運行效率低下的問題,本文提出了建設(shè)水光互補發(fā)電單元的優(yōu)化方案:

        (1)通過在水電站附近建設(shè)光伏電站,組成水光互補單元,改變電站與電網(wǎng)公司間的調(diào)度協(xié)議,提高水電站運行的靈活性;

        (2)以水電站年發(fā)電量最大為目標(biāo),在枯水期和汛期采用不同的運行策略,大幅提高了水電站發(fā)電量;(3)由于該區(qū)域地面式電站指標(biāo)限制,方案擬建設(shè)18MWp分布式光伏項目。雖然分布式項目上網(wǎng)電價較低,但其存在有利于整個發(fā)電系統(tǒng)的效益提升,將水電站提升的效益納入到光伏項目后,得到光伏項目資本金內(nèi)部收益率為23.37%,盈利能力優(yōu)秀。

        [1]王社亮,馮黎,張娉,等.多能互補促進(jìn)新能源發(fā)展[J].西北水電,2014,(6):79~82.

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        Optimal Scheme Design of Hybrid Hydro-Solar Power Generation Aiming at Maximizing Generation Benefits

        WANG Xue-cheng1,YANG Yu2,LIU Qing-chao2
        (1.Xinjiang Huadian Sarbulak hydropower limited liability company,F(xiàn)uyun 836100,China;2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030)

        To solve the problem of some hydropower plant operating at low efficiency,due to the seasonal changing character of runoff,this paper proposes a optimal scheme of constructing hybrid hydro-solar power generation system. Through renegotiating the dispatching protocol with the local Grid Corp,we realize optimal operation of hydropower,and improve the profitability of the entire project.

        hybrid hydro-solar power generation;optimal operation of hydropower;profitability improvement

        10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.008

        TM61

        B

        2095-3429(2015)06-0027-04

        2015-09-01

        修回日期:2015-11-16

        王學(xué)成(1978-),男,助理工程師,從事水電站及新能源電站生產(chǎn)運營及項目前期管理工作。

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