发电方式对抽水蓄能电站运行影响的定量分析

杨志平,梁维烈,刘殿海,杨勇平

(1.华北电力大学,河北 保定 071003;2.国网新源公司,北京 100005)

1 前 言

作为调峰电源的抽水蓄能电站具有两大特性:一是具有调峰填谷的作用,减少了火电机组参与调峰启停次数,使火电机组出力过程平稳,提高负荷率并在高效区运行,降低机组的燃料和检修维护等费用,减少了排放,为火电厂降耗和社会环境带来巨大效益。二是其启动迅速、运行灵活、可靠性高,对负荷的急剧变化能够作出快速反应,并具有自启动能力,能够承担调频、调相、事故备用和黑启动等任务[1]。

抽水蓄能电站按调节周期可分为三类,即日调节抽水蓄能电站、周调节抽水蓄能电站和季调节抽水蓄能电站。本文的研究对象为日调节抽水蓄能电站。电力系统的日负荷曲线是变化的,夜间负荷减少,要求电力系统减少电力供应,迫使火电厂降低出力运行,这对火电厂运行是不利的。日调节抽水蓄能电站此时抽水,增加电力需求,也就是提高火电厂的低谷负荷率,避免降负荷运行,改善火电厂的运行条件;次日负荷需求增大时,日调节抽水蓄能电站改为发电运行,又可增加系统高峰时的供电能力[2]。

抽水蓄能电站最佳容量的选择涉及多方面因素,包括抽水蓄能电站自身开发条件、单位千瓦投资大小、火电站投资、运行费、负荷特性、电网的电源构成、燃料价格、抽水蓄能电站的分布等。但对于给定的电网电源结构,抽水蓄能的最佳容量应该有一个定值。

根据日调节抽水蓄能电站的特性,它承担调节一昼夜电力负荷不均匀任务,因此抽水蓄能电站每天抽水和发电的平均小时数及抽水发电量成为影响抽水蓄能电站优化设计的关键因素。

本文以某个具有一定过剩容量的纯火电电网进行计算、分析,在当前的电网负荷下,通过抽水蓄能机组替代中小容量机组进行抽水蓄能调峰填谷效益的计算,得到不同抽水蓄能容量代替中小容量机组时的电网能耗和最佳抽水蓄能容量。以电网煤耗量最小为目标函数,计算在相同等效替代不同发电方式(即抽水和发电按照不同平均小时数进行)下,抽水蓄能电站对电网的节煤效益,从而确定不同发电方式对抽水蓄能电站最佳容量的影响。

2 基于 MATLAB的系统建模

2.1 基于 MATLAB的纯火电电网的节能调度优化

单元式火力发电机组大多由锅炉、汽轮机和同步发电机组成。火力发电厂的耗量特性是指稳定运行时燃料耗量 F与输出电功率 P的关系特性。机组的燃料耗量特性可以表达为 F=F(P),通常用一个二次曲线近似表示。

火电厂负荷优化分配模型:

式中

FD——系统的总煤耗量;

Pi——各机组负荷;

PD——系统总负荷;

Pimin、Pimax——机组的最小出力和额定出力(最大出力);

d——系统最小旋转备用容量,为常数(根据有关规定,电网备用容量包括负荷备用容量和事故备用容量)。

一般二次型规划问题的数学描述为[4]:

求解二次规划问题可以借助 MATLAB中优化工具箱中的 quadprog()函数,该函数的调用格式为:

其中,函数调用时,H为二次型规划目标函数中的 H矩阵;f,A,B,Aeq,Beq,xm,xM与前面约束与目标函数公式中的记号是完全一致的;x0为初始搜索点。

各个矩阵约束如果不存在,则应该用空矩阵来占位。最优化运算完成后,结果将在变量 x中返回,最优化的目标函数将在变量 fopt中返回。flag为求解成功标志,若大于 0表示求解成功,否则求解出现问题。结构使变量 c返回迭代次数、函数调用次数、算法等信息。

火电厂负荷优化分配模型属于二次规划问题,借助上述 MATLAB优化工具箱编程求解。

2.2 加入抽水蓄能后的节能调度模型

假设原有电网已能满足电力需求,此时使用等效替代法对电网加入抽水蓄能。等效替代是指用抽水蓄能电站的装机容量乘以容量替代系数(1.05～1.1),计算抽水蓄能电站的替代容量。该替代满足下列 4个原则:(1)对系统能提供同样大小的电力与电量;(2)能调节同样大小的峰谷差;(3)各电站运行方式互相协调,保证(或接近)整个系统最优[5];(4)优先替代电网中中小容量的机组。

抽水蓄能机组的发电效率约为 75%。这部分电量分为两部分,一部分计入发电负荷,另一部分计入旋转备用负荷。加入抽水蓄能后,在电力需求低谷段抽水,在电力需求高峰段发电。在本研究中,考虑三种典型发电方式:满功率抽水 5h满功率发电3h、满功率抽水 6h满功率发电 4h、满功率抽水 7h满功率发电 5h。上述三种情况分别有 60%、67%和71%的电量用于发电负荷,剩余 15%、8%和 4%的电量用于旋转备用负荷。在公式(1)～(5)基础上编制程序,通过适当改变参数便可进行计算。

3 实例计算及结果分析

3.1 系统实例

某纯火电电网包括:10万 kW级机组 80台、20万kW级机组 15台、30万 kW级机组 49台、60万 kW级机组9台。已知不同类型机组的耗量特性如下:

10万 kW级机组耗量特性为

F=0.0004P2+0.2679P+6.0516;

20万 kW级机组耗量特性为

F=0.0003P2+0.1934P+17.595;

30万 kW级机组耗量特性为

F=0.0002P2+0.189P+19.487;

60万 kW级机组耗量特性为

F=0.000009P2+0.2778P+14.146。

计算典型日选为 1月 11日、4月 26日、7月 20日和 11月 6日。图 1为各典型日的负荷数据。

图1 典型日负荷曲线

假设抽水蓄能机组的单机容量为 250MW,计算抽水蓄能容量分别为 1000MW、1250MW、1500 MW、1750MW、2000MW、2250MW、2500MW时电网的年节煤量。

考虑 3种抽水蓄能发电方式:

(1)满抽 5h满发 3h;

(2)满抽 6h满发 4h;

(3)满抽 7h满发 5h。

3.2 结果及分析

(1)抽水蓄能的抽发电方式为满抽 5满发 3时(效率为 60%)的节煤量分析见表1。

由表1可知,随着抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈现出先减少后增加的趋势。当抽水蓄能容量为1500MW时(约占总装机容量的 5%),全网全年的节煤量最大,为 354050t。

(2)抽水蓄能的发电方式为满抽 6满发 4时(效率为 67%)的节煤量分析见表2。

由表2可知,随着抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈现出先减少后增加的趋势。当抽水蓄能容量仍为1500MW时(约占总装机容量的 5%),全网全年的节煤量最大,为 420662.5t。

(3)发电方式为满抽 7满发 5时(效率为71%)的节煤量分析见表3。

表1 发电方式为满抽 5满发 3时的节煤量分析

表2 发电方式为满抽 6满发 4时的节煤量分析

表3 发电方式为满抽 7满发 5时节煤量分析

由表3可知,随着抽水蓄能容量的增加,煤耗量呈现出先减少后增加的趋势。当抽水蓄能容量仍为1500MW时(约占总装机容量的 5%),全网全年的节煤量最大,为 449862.5t。

以表1、2、3的数据为基础得到图 2。由图可见:

(1)三条曲线的走势都是先增大后减小,并且拐点出现在抽水蓄能容量为 1500MW时,即抽水蓄能最佳容量为 1500MW;

(2)随着抽水蓄能发电效率的提高,对于给定的电源结构,同样容量的抽水蓄能,节煤量增大。

图2 不同发电方式下节煤量—抽水蓄能容量关系

4 结 论

目前主要承担调峰任务的设备有调峰火电机组、燃气轮机机组、内燃机机组和抽水蓄能机组等。其中,抽水蓄能机组启动速度快,适用负荷范围广,在电力系统中能很好地替代火电机组担任调峰作用。适当规模的抽水蓄能电站是电力系统的重要组成部分,是电网经济、可靠运行的重要保障。通过对实际算例进行分析计算,得到如下结论:

(1)随着抽水蓄能发电效率的提高,对于给定的电源结构,最佳抽水蓄能容量保持不变,但同样容量的抽水蓄能,节煤量增大。

(2)根据对 4个典型日的数据分析,从煤耗量角度得出的抽水蓄能电站在该电网中的最佳容量为1500MW,约占该电网装机容量 6%。但是,在确定抽水蓄能在电网中最佳容量时,还需要综合考虑抽水蓄能的动态效益等因素。

[1]万永华.抽水蓄能电站规划及运行[M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[2]张克诚.抽水蓄能电站水能设计[M].北京.中国水利水电出版社,2007.

[3]陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社,2003.

[4]薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的MATLAB求解[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5]白宏坤,谈为雄.计算抽水蓄能电站在电力系统中的合理比重[J].水电能源科学,1998(12):23-26.

[6]郭建民,李素芬.基于 MATLAB优化工具箱的机组负荷优化分配[J].能源技术,2003,24(2):47-49.

[7]郭玉泉,刘文毅.大型蓄能电站综合效益评价研究[J].华东电力,2006(12):5-8.

[8]万永华,等.抽水蓄能电站调峰填谷节煤效益定量评估方法的研究[J].武汉水利电力大学学报,1998(10):1-6.

[9]舒静,张健,郑源.2010年抽水蓄能电站在华东电网合理规模探讨[J].水电能源科学,2005(10):54-57.

[10]杨京燕,付志奎.抽水蓄能电厂规划评估模型和算法[J].中国电机工程学报,2001(2):33-36.