發電方式對抽水蓄能電站運行影響的定量分析

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.國網新源公司,北京 100005)

1 前 言

作為調峰電源的抽水蓄能電站具有兩大特性:一是具有調峰填谷的作用,減少了火電機組參與調峰啟停次數,使火電機組出力過程平穩,提高負荷率并在高效區運行,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,并具有自啟動能力,能夠承擔調頻、調相、事故備用和黑啟動等任務[1]。

抽水蓄能電站按調節周期可分為三類,即日調節抽水蓄能電站、周調節抽水蓄能電站和季調節抽水蓄能電站。本文的研究對象為日調節抽水蓄能電站。電力系統的日負荷曲線是變化的,夜間負荷減少,要求電力系統減少電力供應,迫使火電廠降低出力運行,這對火電廠運行是不利的。日調節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,日調節抽水蓄能電站改為發電運行,又可增加系統高峰時的供電能力[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條件、單位千瓦投資大小、火電站投資、運行費、負荷特性、電網的電源構成、燃料價格、抽水蓄能電站的分布等。但對于給定的電網電源結構,抽水蓄能的最佳容量應該有一個定值。

根據日調節抽水蓄能電站的特性,它承擔調節一晝夜電力負荷不均勻任務,因此抽水蓄能電站每天抽水和發電的平均小時數及抽水發電量成為影響抽水蓄能電站優化設計的關鍵因素。

本文以某個具有一定過剩容量的純火電電網進行計算、分析,在當前的電網負荷下,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能耗和最佳抽水蓄能容量。以電網煤耗量最小為目標函數,計算在相同等效替代不同發電方式(即抽水和發電按照不同平均小時數進行)下,抽水蓄能電站對電網的節煤效益,從而確定不同發電方式對抽水蓄能電站最佳容量的影響。

2 基于 MATLAB的系統建模

2.1 基于 MATLAB的純火電電網的節能調度優化

單元式火力發電機組大多由鍋爐、汽輪機和同步發電機組成。火力發電廠的耗量特性是指穩定運行時燃料耗量 F與輸出電功率 P的關系特性。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。

火電廠負荷優化分配模型:

式中

FD——系統的總煤耗量;

Pi——各機組負荷;

PD——系統總負荷;

Pimin、Pimax——機組的最小出力和額定出力(最大出力);

d——系統最小旋轉備用容量,為常數(根據有關規定,電網備用容量包括負荷備用容量和事故備用容量)。

一般二次型規劃問題的數學描述為[4]:

求解二次規劃問題可以借助 MATLAB中優化工具箱中的 quadprog()函數,該函數的調用格式為:

其中,函數調用時,H為二次型規劃目標函數中的 H矩陣;f,A,B,Aeq,Beq,xm,xM與前面約束與目標函數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,則應該用空矩陣來占位。最優化運算完成后,結果將在變量 x中返回,最優化的目標函數將在變量 fopt中返回。flag為求解成功標志,若大于 0表示求解成功,否則求解出現問題。結構使變量 c返回迭代次數、函數調用次數、算法等信息。

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

2.2 加入抽水蓄能后的節能調度模型

假設原有電網已能滿足電力需求,此時使用等效替代法對電網加入抽水蓄能。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(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)對系統能提供同樣大小的電力與電量;(2)能調節同樣大小的峰谷差;(3)各電站運行方式互相協調,保證(或接近)整個系統最優[5];(4)優先替代電網中中小容量的機組。

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

3 實例計算及結果分析

3.1 系統實例

某純火電電網包括: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據。

圖1 典型日負荷曲線

假設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時電網的年節煤量。

考慮 3種抽水蓄能發電方式:

(1)滿抽 5h滿發 3h;

(2)滿抽 6h滿發 4h;

(3)滿抽 7h滿發 5h。

3.2 結果及分析

(1)抽水蓄能的抽發電方式為滿抽 5滿發 3時(效率為 60%)的節煤量分析見表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%),全網全年的節煤量最大,為 354050t。

(2)抽水蓄能的發電方式為滿抽 6滿發 4時(效率為 67%)的節煤量分析見表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%),全網全年的節煤量最大,為 420662.5t。

(3)發電方式為滿抽 7滿發 5時(效率為71%)的節煤量分析見表3。

表1 發電方式為滿抽 5滿發 3時的節煤量分析

表2 發電方式為滿抽 6滿發 4時的節煤量分析

表3 發電方式為滿抽 7滿發 5時節煤量分析

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%),全網全年的節煤量最大,為 449862.5t。

以表1、2、3的數據為基礎得到圖 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)隨著抽水蓄能發電效率的提高,對于給定的電源結構,同樣容量的抽水蓄能,節煤量增大。

圖2 不同發電方式下節煤量—抽水蓄能容量關系

4 結 論

目前主要承擔調峰任務的設備有調峰火電機組、燃氣輪機機組、內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,在電力系統中能很好地替代火電機組擔任調峰作用。適當規模的抽水蓄能電站是電力系統的重要組成部分,是電網經濟、可靠運行的重要保障。通過對實際算例進行分析計算,得到如下結論:

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

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

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