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運(yùn)行管理bookmark0伊泰普水電站水輪發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度A.阿爾塞等臺(tái)相同的700MW水輪發(fā)電機(jī)組。已開(kāi)發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，對(duì)每天每小時(shí)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到電站以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行的總的發(fā)電計(jì)劃表。該模型強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)組起停和水電效率之間的協(xié)調(diào)，考慮了尾水位、壓力鋼管水頭損失和水輪發(fā)電機(jī)組效率的變化。該方法已就一個(gè)典型的發(fā)電計(jì)劃表進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，所調(diào)度的水輪發(fā)電機(jī)組的數(shù)目對(duì)整個(gè)電站的效率有重要影響，因此，它是水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)度中需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。 主題詞：水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行；水輪機(jī)效率；優(yōu)化調(diào)度；伊泰普水電站由于火電機(jī)組起停成本高，并有許多運(yùn)行限制，因此在過(guò)去幾十年中引起人們對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行廣泛研宄。 另一方面，雖然水電機(jī)組的起停也是必要的，水電機(jī)組的運(yùn)行問(wèn)題卻極少受到注視。這種不平等的對(duì)待可能是由于水電機(jī)組起停成本低，運(yùn)行限制少的緣故。 Nilsson提交了一項(xiàng)重要的研宄，報(bào)告了由瑞典電力公司估算的水電機(jī)組起動(dòng)的成本。許多因素影響機(jī)組起動(dòng)成本，但兩個(gè)最重要的因素是維修成本和機(jī)組運(yùn)行壽命的降低。很早就己知道，發(fā)電機(jī)組的維修成本受機(jī)組起動(dòng)次數(shù)的影響很大。據(jù)估算，機(jī)組每起停一次，約降低運(yùn)行壽命10~ 15h而每年起動(dòng)150次的機(jī)組，運(yùn)行壽命甚至降低20%.因此，經(jīng)長(zhǎng)期觀察分析，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)成本比較重要，有必要更詳細(xì)地研宄水電機(jī)組的運(yùn)行問(wèn)題。 本文研宄了伊泰普水電站發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度。該電站是世界上正在運(yùn)行的最大水電站，裝機(jī)容量12.6GW，由巴西和巴拉圭兩國(guó)分享。1999年的發(fā)電量分別占兩國(guó)發(fā)電量的24%和93%.該電站從早到晚的發(fā)電時(shí)間常常有很大變化，要求水電機(jī)組頻繁起停。 為了考慮該調(diào)度模型中的水電效率，建議計(jì)算發(fā)電損失函數(shù)，該函數(shù)考慮了尾水高程和壓力鋼管水頭損失對(duì)水電站凈水頭的影響。反之，沒(méi)有考慮水量平衡方程，因?yàn)樵?h內(nèi)前池水位不會(huì)有很大變化。與其他技術(shù)相比，這些模型特性大大簡(jiǎn)化了問(wèn)題及其計(jì)算技術(shù)。 1水力發(fā)電效率一臺(tái)機(jī)組的出力可用下式表示：P水的密度以kg*m*3）；n*水輪機(jī)效率/%；\*發(fā)電機(jī)效率/有效水頭由下式確定hp壓力鋼管水頭損失/m.從這些公式看出，機(jī)組輸出功率與許多變量相關(guān)，最重要的變量是流量，而水力發(fā)電效率常用輸出/輸入比表示，這樣，其結(jié)果隨有效水頭、水輪機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率而變化。 表示水力發(fā)電效率的一種方法是計(jì)算由有效水頭降低和水輪發(fā)電機(jī)組效率下降引起的水力發(fā)電損失。為了表示發(fā)電功率損失函數(shù)中的發(fā)電效率，須探明每個(gè)變量對(duì)發(fā)電功率的影響。 11前池水位前池水位在水力發(fā)電系統(tǒng)的中、長(zhǎng)期運(yùn)行規(guī)劃中起主要作用。在以周（或月）為單位進(jìn)行規(guī)劃的1a或多年的規(guī)劃時(shí)期，要對(duì)水庫(kù)的蓄水進(jìn)行優(yōu)化管理。 在以小時(shí)為單位的短期（一周）規(guī)劃中，觀察到前池水位變化很小，尤其象伊泰普這樣的大型水庫(kù)（19km3）而且，在這里所考慮的情況下，在1d內(nèi)的規(guī)劃時(shí)期，前池水位變化完全可以忽略。 12尾水位相反，由于電站總流量的變化，使得尾水位會(huì)在短期內(nèi)變化很大，對(duì)某些水電站，尾水位還取決于緊鄰下游電站的前池水位。對(duì)伊泰普而言，尾水位取決于下游24km處流入巴拉那河的主要支流伊瓜蘇河的流量。伊泰普的尾水位可用特殊的4次多項(xiàng)式函數(shù)表示（）在運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)一定的情況下，增加電站總的流量，從發(fā)電效率趨勢(shì)而言，也會(huì)增加輸出功率。但是，由于尾水位的抬高，使得有效水頭相應(yīng)減少，功率輸出的增加比較小。 由尾水位增加引起的發(fā)電損失可由下式計(jì)算：么hi qn n臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的總流量。 因?yàn)橐撂┢针娬镜臋C(jī)組都相同，電站的總流量將均勻地分配到運(yùn)行中的每臺(tái)機(jī)組，以使總的功率損失函數(shù)最小，即qn=n*q.但是，當(dāng)機(jī)組不相同時(shí)，電站的總泄水量可采用常規(guī)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法在機(jī)組中分配，這種方法與火電站采用的算法相似。 13壓力鋼管水頭損失壓力鋼管水頭損失與水對(duì)壓力鋼管的摩擦有關(guān)，是流量的二次函數(shù)，hP=kq2，k是表示壓力鋼管特性的常數(shù)（2/m5）用下式可將壓力鋼管水頭損失（m）變換為壓力鋼管功14水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)效率水輪機(jī)效率是產(chǎn)生的機(jī)械能和水的勢(shì)能之比。同樣，發(fā)電機(jī)效率是所產(chǎn)生的電能和機(jī)械能之比。水輪機(jī)效率通常表示為有效水頭和流量的函數(shù)，通常稱(chēng)為效率曲線。繪出了伊泰普水輪機(jī)的效率曲線。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)流量增加時(shí)，水輪機(jī)的出力和效率也相應(yīng)增加，直到效率達(dá)到最大值tax然后開(kāi)始下降。為避免振動(dòng)和空化對(duì)于每個(gè)有效水伊泰普水輪機(jī)的效率曲線由水輪機(jī)效率下降引起的發(fā)電損失，可以當(dāng)時(shí)的前池水位作為參照點(diǎn)，用最高效率點(diǎn)來(lái)估算。水輪機(jī)在其他點(diǎn)的運(yùn)行可引起發(fā)電損失，用下式表示：nmax水輪機(jī)最高效率，兩者均為n臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。 對(duì)伊泰普電站，最小和最大流量范圍取決于水頭，大約分別為400m3/s和720m3/s.在此范圍內(nèi)，水輪機(jī)效率為70% ~95%.這種很大的變化表明，水輪機(jī)效率是水電機(jī)組優(yōu)化調(diào)度的重要變量。 發(fā)電機(jī)效率可用函數(shù)n=n（p）表示，P是發(fā)電機(jī)機(jī)端的功率。表示伊泰普發(fā)電機(jī)的效率曲線。 因?yàn)榘l(fā)電機(jī)效率是功率輸出本身的函數(shù)，所以，將考慮計(jì)算總發(fā)電功率損失。 對(duì)于伊泰普，水輪發(fā)電機(jī)組的總效率n=n*\，可認(rèn)為在0.67 少量增加總流量，計(jì)算q=qn/n計(jì)算壓力鋼管水頭損失hp.按目前的前池水位，計(jì)算有效水頭h/D按目前的有效水頭，確定流量的允許范圍，即qmi*如果目前的流量在允許范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)到下一步。如果流量小于qmin轉(zhuǎn)到第（2）步。如果流量大于qmax轉(zhuǎn)到第根據(jù)目前的流量和有效水頭，由效率曲線確定水輪機(jī)效率。 利用至（6）和n=n（p），確定由尾水位、壓力鋼管水頭損失和水輪機(jī)一發(fā)電機(jī)效率引起的發(fā)電功率損失。 則總發(fā)電功率損失為：利用下列表達(dá)式，確定在目前前池水位情況下容許的發(fā)電功率范圍。Pmin和Pmax是n臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的最小和最大發(fā)電功率：利用最小平方誤差技術(shù)，調(diào)整功率損失和發(fā)電量的二次函數(shù)，得到n臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電功率損失函數(shù)P繪出了伊泰普水電站14臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)總發(fā)電功率損失函數(shù)。 對(duì)于所有可能運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)，調(diào)整為發(fā)電功率損失函數(shù)的二次函數(shù)將是在優(yōu)化調(diào)度模型中需最小化的目標(biāo)函數(shù)之一。其他目標(biāo)在下節(jié)考慮。 2機(jī)組起停成本14臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電功率損失面影響。但是，這些成本的估算似乎非常復(fù)雜。Nilsson會(huì)見(jiàn)了瑞典主要的發(fā)電廠商，摸清了與電站機(jī)組起停有關(guān)的主要成本因素，及其成本費(fèi)用，以及它們對(duì)短期運(yùn)行規(guī)劃的影響。其成果認(rèn)為每起停一次的成本是3美元/MWL對(duì)于伊泰普機(jī)組，單機(jī)容量700MW卩每次起動(dòng)與停機(jī)的成本是2100美元。Hara和Viana通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣磨損和破壞的預(yù)測(cè)，估算了機(jī)組起停有關(guān)的成本。按照他們的研宄，一臺(tái)預(yù)計(jì)運(yùn)行壽命為60a的發(fā)電機(jī)組，按每天起停一次運(yùn)行，將減少運(yùn)行壽命10a.這些研宄表明，從經(jīng)濟(jì)方面編制機(jī)組運(yùn)行時(shí)間表，需要考慮減少機(jī)組起停次數(shù)。在下節(jié)優(yōu)化調(diào)度關(guān)系，發(fā)電機(jī)組起停次數(shù)的最小化與發(fā)電功率損失最小化相結(jié)合。 3問(wèn)題公式化伊泰普水電站以1h為基礎(chǔ)的運(yùn)行機(jī)組數(shù)的優(yōu)化，可以用一個(gè)動(dòng)態(tài)離散的優(yōu)化模型來(lái)表述，對(duì)水力發(fā)電效率和發(fā)電機(jī)組的起停進(jìn)行折衷權(quán)衡，用2個(gè)目標(biāo)函數(shù)表示n在時(shí)間t的最少運(yùn)行機(jī)組數(shù)；nt在時(shí)間t的最多運(yùn)行機(jī)組數(shù)；Pn（'dt）在時(shí)間t的n臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的功率損失函數(shù)；dt在時(shí)間t的發(fā)電時(shí)間表；Cp機(jī)組發(fā)電功率損失成本；N自然數(shù)。 式（1山~（12）可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)有效地解出。其中時(shí)段為1h，狀態(tài)變量是每個(gè)時(shí)段中運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)，控制變量是每個(gè)時(shí)段中起動(dòng)或停機(jī)的次數(shù)。狀態(tài)空間是由每個(gè)小時(shí)完成發(fā)電計(jì)劃的最小和最大機(jī)組臺(tái)數(shù)之間的自然數(shù)定義。 式（10）~（12）的解可通過(guò)解下列遞歸方程求得：4試驗(yàn)成果該模型按正常id的發(fā)電計(jì)劃表進(jìn)行了試驗(yàn)，其結(jié)果突出反映了使發(fā)電機(jī)組起停次數(shù)最少和發(fā)電功率損失最小兩個(gè)目標(biāo)之間的折衷權(quán)衡，僅使機(jī)組的起停次數(shù)最少的解，會(huì)導(dǎo)致高的發(fā)電功率損失，而只使發(fā)電功率損失最小的解又會(huì)導(dǎo)致機(jī)組起停次數(shù)的明顯增加。示出了發(fā)電時(shí)間表，以及在編制發(fā)電時(shí)間表中采用的最多和最少電機(jī)臺(tái)數(shù)，該解分別使兩個(gè)目標(biāo)的每一個(gè)均最小化。它也提供了中間角解考慮Cq為25美元/MW、Cap是每次起動(dòng)或停機(jī)成本，為2 100美兀。 最優(yōu)解表1是考慮的3種情況中每種情況所得結(jié)果一覽表，它列出了每種情況機(jī)組起停次數(shù)和發(fā)電功率損失。 表1成果小結(jié)起動(dòng)或停機(jī)成本/美元電力損力成本八美元。MW.“l(fā)i起停次數(shù)電力損失/MWDh第一個(gè)解，即最小起動(dòng)解，在1d內(nèi)不要求起動(dòng)任何機(jī)組，但引起很高的電力損失。第二個(gè)角解即最小損失角解大大降低了電力損失，但大大增加了起動(dòng)次數(shù)。從第一個(gè)解到第二個(gè)解，使電力損失下降獲得的經(jīng)濟(jì)效益約為8 000萬(wàn)美元/a第三個(gè)自解即將兩個(gè)目標(biāo)結(jié)合起來(lái)，相對(duì)于第二個(gè)解，降低了起動(dòng)機(jī)組的成本約17%，而功率損失僅增加0.3%.由此可見(jiàn)，至少在采用此處所考慮的估算機(jī)組成本時(shí)，損失最小化指標(biāo)比起停機(jī)指標(biāo)的效果更大。 但是，為了找到最經(jīng)濟(jì)的解，或者在兩個(gè)目標(biāo)之間優(yōu)化協(xié)調(diào)，重要的是查明伊泰普水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際起停成本。 示出了固定發(fā)電功率損失25美元/MWh和變化的起停成本的模擬成果。不出所料，機(jī)組的起停數(shù)隨機(jī)組起停成本的增加而減少。 靈敏度分析只有在每次起停機(jī)的成本達(dá)到62 000美元時(shí)，最小化機(jī)組起停機(jī)次數(shù)的指標(biāo)才對(duì)發(fā)電功率損失指標(biāo)起主要作用。 5結(jié)語(yǔ)本文提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)確定以小時(shí)為單位id內(nèi)運(yùn)行的水發(fā)電機(jī)組數(shù)，盡量減少發(fā)電功率損失和發(fā)電機(jī)組起停成本之間的協(xié)調(diào)。該模型己采用世界上正在運(yùn)行的最大水電站伊泰普電站的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)研宄表明，重要的是逐一考慮每臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的特性，以精確模擬其效率。同時(shí)還表明了與發(fā)電系統(tǒng)有關(guān)的功率損失，應(yīng)根據(jù)短期的水電與火電運(yùn)行規(guī)劃模型加以考慮，因?yàn)樗鼈儗?duì)水電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)調(diào)度有很大影響。在此項(xiàng)研宄中所考慮的機(jī)組成本，折衷權(quán)衡增加機(jī)組起停次數(shù)，以達(dá)到低的功率損失。 總之，對(duì)于伊泰普水電站重要的是制定平緩的發(fā)電計(jì)劃表，這樣才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，使機(jī)組的起停次數(shù)少，同時(shí)發(fā)電功率損失低。水電機(jī)組優(yōu)化調(diào)度的確定要求調(diào)查水輪發(fā)電機(jī)組起停真實(shí)經(jīng)濟(jì)成本。對(duì)伊泰普水電站，估計(jì)該模型在發(fā)電功率損失方面得到的節(jié)約，估計(jì)每年為8000萬(wàn)美元馬元挺譯自美刊《IEEE電力系統(tǒng)會(huì)刊》2002年2月沙文彬校
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