抽水蓄能電站移峰填谷經濟效益仿真研究＊

譚敏，王興華，徐豪，郭樂欣，李清，余濤（華南理工大學，廣東省廣州市　510640）

抽水蓄能電站移峰填谷經濟效益仿真研究＊

譚敏，王興華，徐豪，郭樂欣，李清，余濤
（華南理工大學，廣東省廣州市510640）

摘要：目前，對抽水蓄能電站（抽蓄）移峰填谷帶來的經濟效益分析仍處于定性層面，為改善這種情況，本文通過建立抽蓄移峰填谷經濟效益數學模型對其進行定量化研究。建立模型時，主要采用“有無對比法”來分析抽蓄在移峰填谷過程中帶來的節煤降耗效益。運用二次規劃法對模型中多約束問題進行求解，同時應用等微增率準則對模型中火電出力進行優化。此外，為提高模型求解效率，本文將所有火電機組進行歸一化處理。最后，對某電網中抽蓄帶來的節煤降耗效益進行了定量計算與分析。

關鍵詞：抽水蓄能；移峰填谷；等微增率準則；二次規劃

本文引用格式：譚敏，王興華，徐豪，等．抽水蓄能電站移峰填谷經濟效益仿真研究[J]．新型工業化，2015，5（7）：1-7

Citation:TANMin,WANGXing-hua,XUHao,etal.TheEconomicBenefitsSimulationofPeakLoadShiftingin PumpedStoragePowerPlant[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:1-7.

0　引言

抽水蓄能電站（抽蓄）在電力負荷處于低谷期時從電網吸收電能采用抽水工況進行蓄能，當負荷處于高峰期時采用發電工況將電能送回到電網中[1]。即將電網負荷低估時段的富余電能通過蓄能后轉換為負荷高峰時期需求的具有更高價值的電能，從而實現了對負荷的“移峰填谷”作用[2]。

目前，對抽蓄的移峰填谷效益分析主要體現在通過減少火力發電機組的啟停與調峰次數來提高機組負荷率、減少燃料和檢修維護等費用以及污染物的排放[3]。為了更清晰直觀地分析抽蓄帶來的移峰填谷效益的大小，本文通過建立抽蓄移峰填谷效益模型進行仿真計算實現定量分析。

本文提出了抽蓄移峰填谷帶來的節煤降耗經濟效益量值的概念：抽蓄處于抽水工況是耗電的增加了電網的能耗，而當抽蓄處于發電工況是又減少了電網的能耗。由于在抽蓄抽水工況時是將較低能耗的火電廠發電電能利用起來了，而在發電工況時替代了較高能耗火電發電廠發出的電能，因此會帶來節煤降耗效益[4]。抽蓄移峰填谷帶來的節煤降耗經濟效益的定量值定義為有無抽蓄參與負荷分配時電網總的耗煤量的差額。

1　抽蓄移峰填谷經濟效益數學模型

抽水蓄能電站移峰填谷效益，是指抽水蓄能電站參與調峰情況下的節煤經濟效益。主要采用“有無對比法”進行研究分析。煤耗計算是以節能經濟調度為前提的，即有功功率負荷在各類型電廠之間的最優經濟分配[5]。考慮含有火電、核電、水電、抽蓄機組的電力系統，除去無調節水電廠出力、核電出力以及強迫出力，電力系統中有功功率的經濟分配實際上就是有功功率在火力發電廠、可調節水力發電廠的可調功率和抽蓄等各類電站之間的最優分配。以典型日96點負荷曲線的經濟分配為例進行建模說明，該數學模型主要組成部分包括：目標函數和約束條件[6]，如下所示。

1.1抽蓄機組不工作情況下負荷最優分配模型

抽蓄機組不運行時，負荷最佳分配實際上是系統總功率在火力發電廠、可調節水力發電廠的可調發電功率之間的最佳分配問題。

（1）負荷最優分配目標函數

優化目標應該要滿足96點日負荷曲線的火電機組總燃煤消耗最小，即：

其中，F1為某典型日的總煤耗，n火為根據機組組合確定了火力發電機組的開機數目，p火ki為第k臺火力發電機組在第i個負荷點的實際輸出功率，gk是第k臺發電機組的煤耗曲線函數。

（2）約束條件

約束條件主要包括有功功率約束、水流量約束、火力發電廠出力功率約束、水電出力功率約束。

有功功率約束表達式如下：

其中，p火ki為第k臺火力發電機組在第i個負荷點的實際有功出力。P水ji為第j臺水電機組在第i個負荷點的實際有功出力，n水為水電機組的開機臺數。PL1、PL2、…、PL96為典型日96個時刻點除去無調節水電廠出力、核電出力以及強迫出力后的實際負荷。

水量約束條件表達式如下：

其中，W為典型日水力發電機組總水流量。

其中：p火kmin為第k臺火電機組的最小輸出有功功率，p火kmax為第k臺火電機組的最大輸出有功功率。

水電機組發電功率約束條件數學表達式如下：

其中：p水jmin為第j臺水電機組的最小輸出有功功率，p水jmax為第j臺水電機組的最大輸出有功功率。

1.2抽水蓄能機組運行情況下負荷最優分配數學模型

抽蓄機組工作時，負荷最優分配實際上是有功功率的在火電廠、有調節水電廠的可調功率和抽水蓄能水電廠這三類電站的分配。增加了抽蓄相關約束。約束條件中的有功功率約束增加了抽蓄機組參與負荷分配，表達式如下，式中：P抽ri為第r臺抽蓄機組在第i個負荷點的實際輸出有功功率，n抽為抽蓄的開機臺數。

抽蓄能效約束表達式如下：

五四時期，馬克思主義在中國的傳播并不是一帆風順的。由于新文化運動所帶來的思想解放，五四時期是一個主義叢生的年代，如無政府主義、新村主義、基爾特社會主義等社會學說在社會上流行。面對這些主義、思想，中國早期共產主義者排除各種干擾，通過學習、分析、比較和研究，逐步選擇了馬克思主義，以李大釗、陳獨秀為代表的知識分子，完成了由激進民主主義者向社會主義者的轉變，成為宣傳馬克思主義的中堅。他們積極迎接其他思想流派的挑戰，在“問題與主義”的論戰中，既堅定了自己的共產主義信仰，又擴大了對馬克思主義的宣傳，使馬克思主義在中國的傳播進入一個新的階段，即由理論本身的探索進入到把理論如何應用于中國社會實際的階段。

式中，s為抽蓄機組處于發電狀態的時刻點集合，P抽s為在發電負荷點所有抽蓄機組的總有功出力；t為抽蓄機組處于抽水狀態的時刻點集合，P抽t為在抽水負荷點所有抽蓄機組的總有功出力。η為抽蓄電站效率。

抽蓄機組輸出有功功率約束數學表達式如下：

其中，s為抽蓄機組處于發電狀態的時刻點，t為抽蓄機組處于抽水狀態的時刻點。P抽rmax為第r臺抽蓄機組的最大有功出力。

1.3移峰填谷總效益數學計算模型

抽蓄削峰填谷效益為抽蓄不工作與抽蓄工作情況下全網火電機組消耗標煤量的差值，即：

2　模型求解

抽蓄移峰填谷帶來的節煤降耗經濟效益的定量值定義為有無抽蓄參與負荷分配時電網總的耗煤量的差額。各類機組之間的有功負荷分配是以節能經濟調度為原則的基于等耗量微增率實現負荷的最優經濟分配[7]。因此在本章節先求取不同類型火電機組煤耗特性曲線，以供在采用二次規劃法進行負荷分配求取時進行目標函數計算。

2.1火電機組煤耗特性

不同裝機容量的火力發電機組的發電能耗值見下表：

表1　不同容量火電機能耗表（單位：g/kWh）Tab.　1　Energy　consumption　of　thermal　power　units　of　different　capacities

可以看出，機組發電為單位電量（1kWh）時，相同開度對應機組裝機容量越大其耗煤量越??；相同裝機容量的機組其耗煤量隨著開度增加而減小[8]。

不同裝機容量火電機組其煤耗率特性曲線也各不相同。從大量火力發電機組的測試數據可以總結出其煤耗特性滿足二項式關系[9]。即有：

其中：x為火力發電機組的實際出力，y為總煤耗，a、b、c分別為與火力發電機組的特性相關的參數?；谧钚《朔ǖ牟煌萘炕鹆Πl電機組煤耗特性曲線的二次曲線表達式擬合結果見表2：

表2　不同容量火電煤耗系數Tab.　2　Coal　consumption　coefficients　of　thermal　power　units of　different　capacities

根據各容量機組煤耗特性二次曲線表達式繪制的機組能耗曲線見圖1：

圖1　火電機組能耗擬合曲線Fig.　1　The　fitting　curve　of　coal　consumption　of　thermal　power units

從圖1可以看出擬合煤耗特性與實際情況相符合。

2.2火電機組歸一化

當某電網火力發電機組結構給定時，采用等微增率原則通過二次規劃方法進行各類機組的最優負荷分配。由于火電機組構成已給定，故可以將火電機組歸一化為一個機組，這樣可以實現提高計算抽水蓄能機組經濟效益計算速度的目的。

2.3求解方法

采用最小二乘法[10]確定歸一化后機組出力與燃煤消耗量之間關系，求解出歸一化后機組的煤

歸一化的具體思想為：根據歷年火力發電機組的有功出力變化范圍總結出其出力大小的變化區間。在出力變化區間范圍內，以一定的負荷梯度生成負荷序列，負荷序列中每個負荷點對每個機組進行最優經濟負荷分配，同時解出對應當前負荷值時火力發電機組的總耗煤量。最后把負荷序列中每個負荷點對應火力發電機組的耗煤量都求取出來，結合這組負荷序列數據以及對應的耗煤量采用最小二乘法擬合得到歸一化后火力發電機組的煤耗特性曲線。耗特性表達式。用矩陣的形式表示如下：為實際出力，V為常數向量。根據matlab

利用二次規劃方法及等耗量微增率準則進行最優負荷分配。二次規劃是一種特殊類型的非線性規劃，它的特征是具有二次目標函數以及線性約束條件[11]。一般表達式如下所示：

其中，G為實對稱矩陣，D為多個半空間的交集形成的多面體。

3　算例仿真分析

某電網火力發電機組、水力發電機組、核電機組、抽蓄機組總裝機容量為181386.0MW，各類型機組的裝機容量占比為：60%、35%、3%、2%。通過仿真計算抽蓄機組豐水期典型日的節煤降耗經濟效益。豐水期典型日的負荷最大值為117344MW，負荷最小值為78552MW，抽蓄裝機容量為4200MW。該電網豐水期典型日負荷特性曲線如2圖所示：

與豐水期典型日對應的有調節水庫水電廠的來水量為豐水期水量。從節能經濟調度角度考慮為避免棄水水電廠往往優先投入。故由火力發電機組承擔調峰任務。如果抽蓄配合火電廠調峰，則會帶來較大的經濟效益。

豐水期水期典型日抽蓄不工作時各類機組出力見圖3：

據圖3抽蓄不工作時，核電承擔基荷，出力保持穩定；水電廠為了減少棄水也保持出力穩定，此時水電廠不參與調峰，由火電廠參與調峰，由機組有功輸出曲線圖可以看出火電廠的出力曲線跟負荷曲線的趨勢保持一致。

抽蓄工作時各類機組出力見圖4：

據圖4抽蓄工作時，核電仍然承擔基荷，出力保持穩定；水電廠出力也保持穩定；在負荷高峰時抽水蓄能機組發電，在負荷低谷時抽水，對負荷進行移峰填谷。

圖3　抽蓄不工作時各類機組出力Fig.　3　Output　of　different　units　without　pumped　storage

圖2　日負荷曲線Fig.　2　Daily　load　curve

圖4　抽蓄工作時各類機組出力Fig.　4　Output　of　different　units　with　pumped　storage

抽蓄工作和不工作兩種情況下各負荷點火電機組煤耗微增率對比圖見圖5：

據圖5可以看出抽蓄不工作時火電機組高峰負荷時段的微增率曲線與負荷曲線趨勢一致。抽蓄工作時將火電機組高峰負荷的微增率削平，火力發電機組低谷負荷時段的微增率被平穩提高了。

豐水期典型日模擬運行結果中部分指標進行統計見表3所示：

可以看出，該電網豐水期典型日抽蓄移峰填谷帶來的節煤經濟效益為：節約標煤42.46噸，減少系統平均供電煤耗0.35（g/kWh）?；痣姍C組增發電量0.018億kWh，火電機組的增發電量是由于抽蓄的綜合效率小于1帶來機組的電量增發。

圖5　機組微增率對比圖Fig.　5　The　incremental　cost　comparison　diagram　of　thermal power　plants　with　or　without　pumped　storage

4　結論

本文建立了抽水蓄能機組經濟效益數學模型，以等微增率為準側進行機組負荷最優分配，同時對火電機組進行歸一化處理。最后通過算例仿真計算了抽蓄進行移峰填谷帶來的豐水期典型日的節煤降耗經濟效益。算例說明抽蓄具有較好的經濟環保效益與應用前景。

表3　豐水期典型日模擬運行結果Tab.　3　Simulation　results　of　a　typical　day　in　rainy　season

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.001

基金項目：＊國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2013CB228205），國家自然科學基金（51177051，51477055）。

Foundation item:SupportedbytheNationalKeyBasicResearchProgramofChina(973Program:2013CB228205),NationalNaturalScience FoundationofChina(51177051,51477055).

The Economic Benefits Simulation of Peak Load Shifting in Pumped Storage Power Plant

TANMin,WANGXing-hua,XUHao,GUOLe-xin,LiQing,YUTao
(South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510000)

Abstract:Mathematicalmodelsonbenefitsofpeakloadshiftinginpumpedstoragepowerplantisproposedtotakea quantitativeanalysisonitseconomicbenefitsforitisstillatqualitativelevel.Inthecalculationoftheeffectofcoalsaving,it shouldbeconsideredwithandwithoutpumpedstoragepowerplant.Theproposedoptimizationmodelwithmulti-constraint isaddressedbyaquadraticprogramming,andoptimizingthethermalpowerplanttoreducegenerationcostbyanequal incrementalcostcriterion.Themethodofnormalizationprocessingforthermalpowerplantsisutilizedinthispapertoimprove theefficiencyofmodeling.Severalcasestudiesarepresentedtoillustratetheperformanceoftheproposedoptimizationmodel onbenefitsanalysisofpeakloadshiftinginpumpedstoragepowerplant.

Keywords:Pumpedstorage;Peakloadshifting;Equalincrementalcostcriterion;Quadraticprogramming