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

        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(shí)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(yùn)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(bǔ)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

        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(yùn)836100;2.華電電力科學(xué)研究院,浙江杭州310030)

        針對(duì)某水電站由于來(lái)水的季節(jié)變化特性,而導(dǎo)致的長(zhǎng)期低效率運(yùn)行問題,本文提出建設(shè)水光互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。通過(guò)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司重新協(xié)商調(diào)度協(xié)議,實(shí)現(xiàn)水電的優(yōu)化運(yùn)行,提高整個(gè)項(xiàng)目的盈利能力。

        水光互補(bǔ);水電優(yōu)化運(yùn)行;盈利能力提升

        0 引言

        水光互補(bǔ)項(xiàng)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(shì),相互間做到有益的補(bǔ)充[3];同時(shí)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(bǔ)發(fā)電單元中機(jī)組運(yùn)行的靈活性,通過(guò)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(duì)水光互補(bǔ)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(duì)電網(wǎng)更加友好[4~6],而它對(duì)發(fā)電企業(yè)的價(jià)值則鮮有提及。本文主要研究實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)之后,如何通過(guò)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(yùn)行效率,增強(qiáng)發(fā)電企業(yè)的盈利能力。

        1 某水電站運(yùn)行現(xiàn)狀

        某水電站水庫(kù)正常蓄水位802m,相應(yīng)庫(kù)容8630萬(wàn)m3,死水位790m,相應(yīng)庫(kù)容3930萬(wàn)m3。電站正常運(yùn)行中水頭一般在52~43m之間變化。水輪機(jī)型號(hào)為HAL551-LJ-230,其額定水頭41m,額定轉(zhuǎn)速230.8r/min,單機(jī)額定流量41.34m3/s。發(fā)電機(jī)采用3臺(tái)SF15-26/4500型發(fā)電機(jī),單機(jī)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(guò)一輪改造后,單臺(tái)發(fā)電機(jī)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(lái)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(lái)年3月為枯水期,枯水期電站只能維持在一個(gè)很低的出力下運(yùn)行,一方面,由水輪機(jī)的效率特性可知(如圖1所示),機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下,為電站帶來(lái)了極大的損失(以二月份為例,平均流量?jī)H有8.0m3/s,電站為了維持高水頭,只能利用來(lái)水發(fā)電,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)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(jī)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(lái)水量及流量

        2 水光互補(bǔ)方案設(shè)計(jì)

        2.1 優(yōu)化方案可行性分析

        為改變水電站長(zhǎng)期低效率運(yùn)行的現(xiàn)狀,考慮在電站附近建設(shè)光伏發(fā)電工程,實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ),項(xiàng)目建成后,水電和光伏將作為一個(gè)整體的發(fā)電單元對(duì)外供電。通過(guò)和電網(wǎng)公司協(xié)商新的調(diào)度協(xié)議,有望改變項(xiàng)目公司現(xiàn)有經(jīng)營(yíng)狀況,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目更好的盈利。

        由于國(guó)家政策限制,在該地區(qū)爭(zhēng)取地面光伏電站指標(biāo)存在困難,本項(xiàng)目擬建設(shè)18MWp分布式光伏電站,與水電站形成互補(bǔ)。水光互補(bǔ)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(shí)段的負(fù)載率,提高電站發(fā)電效率。另外,根據(jù)項(xiàng)目公司反饋,已與電網(wǎng)公司達(dá)成初步協(xié)議—水光互補(bǔ)發(fā)電中,對(duì)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(shí),水電站可不考慮與光伏在發(fā)電時(shí)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(shí)間。

        工程所處地區(qū)分布式光伏上網(wǎng)電價(jià)僅為0.67元/kWh(當(dāng)?shù)鼗痣娒摿蚝蟮臉?biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)0.25元/kWh+分布式光伏補(bǔ)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(jià)。偏低的電價(jià)致使其本身盈利存在困難,然而就水光互補(bǔ)整體而言,由于水電站效率的大幅提升,整個(gè)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(jī)運(yùn)行特性曲線

        2.2 水電站優(yōu)化運(yùn)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?!盭能源主管反應(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(dòng)和能動(dòng)電力系統(tǒng)來(lái)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(huì)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(gè)時(shí)段,以t代表時(shí)段變量,t=1,2,…,T;以Qt表示水庫(kù)在t時(shí)段的發(fā)電引用流量;Ht表示水庫(kù)在t時(shí)段的平均發(fā)電水頭;Vt表示水庫(kù)在t時(shí)段的平均庫(kù)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(kù)庫(kù)容限制:

        水庫(kù)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(shí)段時(shí)間的影響;

        Qmax,Qmin—允許的最大、最小發(fā)電引用流量;

        Qrt—t時(shí)段的入庫(kù)流量;

        ΔVqt—t時(shí)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(jī)效率恒為97%,結(jié)合圖1所示水輪機(jī)效率曲線,擬合得到發(fā)電機(jī)組的效率模型;以年為周期進(jìn)行優(yōu)化,將每15min作為一個(gè)調(diào)度時(shí)段,水頭調(diào)節(jié)范圍為43~52m,采用粒子群算法對(duì)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(duì)不同的時(shí)間和來(lái)水量,優(yōu)化方案給出了不同的策略:

        (1)對(duì)于來(lái)水量不大,利用當(dāng)天來(lái)水無(wú)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(lái)水發(fā)電,維持高水頭這一原有運(yùn)行策略的基礎(chǔ)上,充分利用了水光互補(bǔ)系統(tǒng)中水電站每日發(fā)電時(shí)間相對(duì)靈活的優(yōu)勢(shì),通過(guò)合理控制每日發(fā)電時(shí)間,使電站在發(fā)電時(shí)段保持高負(fù)荷運(yùn)行,大幅提高了電站的效率,從優(yōu)化結(jié)果中可以看出,對(duì)應(yīng)月份在優(yōu)化后,均達(dá)到了機(jī)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(shí)發(fā)電量大幅提升,尤其對(duì)于嚴(yán)重枯水期(11月至來(lái)年4月),優(yōu)化后可提升發(fā)電量近50%,為電站帶來(lái)巨大的效益,體現(xiàn)出水光互補(bǔ)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(kù)的調(diào)節(jié)能力,在汛期來(lái)臨之前(4月份)利用原有庫(kù)容盡可能地增加發(fā)電量,同時(shí)清空庫(kù)容,此時(shí)總優(yōu)化目標(biāo)等價(jià)于通過(guò)科學(xué)調(diào)度庫(kù)容,換取盡可能長(zhǎng)的電站滿發(fā)時(shí)間;待洪水期來(lái)臨后(5~6月份),電站可不計(jì)效率地隨時(shí)保持滿發(fā),同時(shí)逐漸恢復(fù)水庫(kù)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(jī)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(lái)水充足,5月份在恢復(fù)水頭的同時(shí),機(jī)組仍可保證滿發(fā),發(fā)電量未受影響,同時(shí)減少了棄水量。圖2~圖5為4、5月份電站水頭高度和機(jī)組耗水量變化曲線。

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

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

        3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

        項(xiàng)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(shí)數(shù)為1334h。項(xiàng)目裝機(jī)為18MWp,由于可利用水電站已有設(shè)施實(shí)現(xiàn)并網(wǎng),無(wú)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(jì)算成本;另外光伏電站無(wú)需增加運(yùn)維人員,可節(jié)省一部分開支。

        該項(xiàng)目為分布式光伏電站,上網(wǎng)電價(jià)為0.67元/kWh,本身不具備盈利能力,而對(duì)于水光互補(bǔ)系統(tǒng),可考慮將互補(bǔ)后水電站提升的效益,作為補(bǔ)貼收入納入到光伏發(fā)電項(xiàng)目中之,得到光伏項(xiàng)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(jī)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(jī)組耗水量變化(維持50.1MW)曲線

        表3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表

        4 結(jié)語(yǔ)

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

        (1)通過(guò)在水電站附近建設(shè)光伏電站,組成水光互補(bǔ)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(yùn)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(yùn)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(xiàng)目。雖然分布式項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)較低,但其存在有利于整個(gè)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(xiàng)目后,得到光伏項(xiàng)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(bǔ)促進(jìn)新能源發(fā)展[J].西北水電,2014,(6):79~82.

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        [4]龔傳利,王英鑫,陳小松,等.龍羊峽水光互補(bǔ)自動(dòng)發(fā)電控制策略及應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù),2014,37(3):63~64.

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        [6]汪洋.水光互補(bǔ)模式推廣應(yīng)用的分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2015,(3):114.

        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(yùn)營(yíng)及項(xiàng)目前期管理工作。

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