關(guān)注：
運行管理bookmark0伊泰普水電站水輪發(fā)電機組的優(yōu)化調(diào)度A.阿爾塞等臺相同的700MW水輪發(fā)電機組。已開發(fā)了一個動態(tài)規(guī)劃模型，對每天每小時運行的發(fā)電機組數(shù)進行優(yōu)化得到電站以最經(jīng)濟的方式運行的總的發(fā)電計劃表。該模型強調(diào)發(fā)電機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)電機組效率的變化。該方法已就一個典型的發(fā)電計劃表進行了測試，結(jié)果表明，所調(diào)度的水輪發(fā)電機組的數(shù)目對整個電站的效率有重要影響，因此，它是水輪發(fā)電機組調(diào)度中需考慮的關(guān)鍵問題。 主題詞：水輪發(fā)電機組運行；水輪機效率；優(yōu)化調(diào)度；伊泰普水電站由于火電機組起停成本高，并有許多運行限制，因此在過去幾十年中引起人們對火電機組運行問題進行廣泛研宄。 另一方面，雖然水電機組的起停也是必要的，水電機組的運行問題卻極少受到注視。這種不平等的對待可能是由于水電機組起停成本低，運行限制少的緣故。 Nilsson提交了一項重要的研宄，報告了由瑞典電力公司估算的水電機組起動的成本。許多因素影響機組起動成本，但兩個最重要的因素是維修成本和機組運行壽命的降低。很早就己知道，發(fā)電機組的維修成本受機組起動次數(shù)的影響很大。據(jù)估算，機組每起停一次，約降低運行壽命10~ 15h而每年起動150次的機組，運行壽命甚至降低20%.因此，經(jīng)長期觀察分析，發(fā)現(xiàn)起動成本比較重要，有必要更詳細地研宄水電機組的運行問題。 本文研宄了伊泰普水電站發(fā)電機組的優(yōu)化調(diào)度。該電站是世界上正在運行的最大水電站，裝機容量12.6GW，由巴西和巴拉圭兩國分享。1999年的發(fā)電量分別占兩國發(fā)電量的24%和93%.該電站從早到晚的發(fā)電時間常常有很大變化，要求水電機組頻繁起停。 為了考慮該調(diào)度模型中的水電效率，建議計算發(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水電站凈水頭的影響。反之，沒有考慮水量平衡方程，因為在1h內(nèi)前池水位不會有很大變化。與其他技術(shù)相比，這些模型特性大大簡化了問題及其計算技術(shù)。 1水力發(fā)電效率一臺機組的出力可用下式表示：P水的密度以kg*m*3）；n*水輪機效率/%；\*發(fā)電機效率/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、水輪機效率和發(fā)電機效率而變化。 表示水力發(fā)電效率的一種方法是計算由有效水頭降低和水輪發(fā)電機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，須探明每個變量對發(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、長期運行規(guī)劃中起主要作用。在以周（或月）為單位進行規(guī)劃的1a或多年的規(guī)劃時期，要對水庫的蓄水進行優(yōu)化管理。 在以小時為單位的短期（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（19km3）而且，在這里所考慮的情況下，在1d內(nèi)的規(guī)劃時期，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，使得尾水位會在短期內(nèi)變化很大，對某些水電站，尾水位還取決于緊鄰下游電站的前池水位。對伊泰普而言，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次多項式函數(shù)表示（）在運行機組臺數(shù)一定的情況下，增加電站總的流量，從發(fā)電效率趨勢而言，也會增加輸出功率。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)電損失可由下式計算：么hi qn n臺機組運行時的總流量。 因為伊泰普電站的機組都相同，電站的總流量將均勻地分配到運行中的每臺機組，以使總的功率損失函數(shù)最小，即qn=n*q.但是，當機組不相同時，電站的總泄水量可采用常規(guī)的經(jīng)濟調(diào)度算法在機組中分配，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水輪機和發(fā)電機效率水輪機效率是產(chǎn)生的機械能和水的勢能之比。同樣，發(fā)電機效率是所產(chǎn)生的電能和機械能之比。水輪機效率通常表示為有效水頭和流量的函數(shù)，通常稱為效率曲線。繪出了伊泰普水輪機的效率曲線。應(yīng)當指出，當流量增加時，水輪機的出力和效率也相應(yīng)增加，直到效率達到最大值tax然后開始下降。為避免振動和空化對于每個有效水伊泰普水輪機的效率曲線由水輪機效率下降引起的發(fā)電損失，可以當時的前池水位作為參照點，用最高效率點來估算。水輪機在其他點的運行可引起發(fā)電損失，用下式表示：nmax水輪機最高效率，兩者均為n臺發(fā)電機組運行。 對伊泰普電站，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)，水輪機效率為70% ~95%.這種很大的變化表明，水輪機效率是水電機組優(yōu)化調(diào)度的重要變量。 發(fā)電機效率可用函數(shù)n=n（p）表示，P是發(fā)電機機端的功率。表示伊泰普發(fā)電機的效率曲線。 因為發(fā)電機效率是功率輸出本身的函數(shù)，所以，將考慮計算總發(fā)電功率損失。 對于伊泰普，水輪發(fā)電機組的總效率n=n*\，可認為在0.67 少量增加總流量，計算q=qn/n計算壓力鋼管水頭損失hp.按目前的前池水位，計算有效水頭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一發(fā)電機效率引起的發(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臺機組運行時的最小和最大發(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臺機組運行時發(fā)電功率損失函數(shù)P繪出了伊泰普水電站14臺機組運行時總發(fā)電功率損失函數(shù)。 對于所有可能運行機組臺數(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函數(shù)之一。其他目標在下節(jié)考慮。 2機組起停成本14臺機組運行時發(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會見了瑞典主要的發(fā)電廠商，摸清了與電站機組起停有關(guān)的主要成本因素，及其成本費用，以及它們對短期運行規(guī)劃的影響。其成果認為每起停一次的成本是3美元/MWL對于伊泰普機組，單機容量700MW卩每次起動與停機的成本是2100美元。Hara和Viana通過對發(fā)電機絕緣磨損和破壞的預(yù)測，估算了機組起停有關(guān)的成本。按照他們的研宄，一臺預(yù)計運行壽命為60a的發(fā)電機組，按每天起停一次運行，將減少運行壽命10a.這些研宄表明，從經(jīng)濟方面編制機組運行時間表，需要考慮減少機組起停次數(shù)。在下節(jié)優(yōu)化調(diào)度關(guān)系，發(fā)電機組起停次數(shù)的最小化與發(fā)電功率損失最小化相結(jié)合。 3問題公式化伊泰普水電站以1h為基礎(chǔ)的運行機組數(shù)的優(yōu)化，可以用一個動態(tài)離散的優(yōu)化模型來表述，對水力發(fā)電效率和發(fā)電機組的起停進行折衷權(quán)衡，用2個目標函數(shù)表示n在時間t的最少運行機組數(shù)；nt在時間t的最多運行機組數(shù)；Pn（'dt）在時間t的n臺機組運行的功率損失函數(shù)；dt在時間t的發(fā)電時間表；Cp機組發(fā)電功率損失成本；N自然數(shù)。 式（1山~（12）可用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)有效地解出。其中時段為1h，狀態(tài)變量是每個時段中運行機組的臺數(shù)，控制變量是每個時段中起動或停機的次數(shù)。狀態(tài)空間是由每個小時完成發(fā)電計劃的最小和最大機組臺數(shù)之間的自然數(shù)定義。 式（10）~（12）的解可通過解下列遞歸方程求得：4試驗成果該模型按正常id的發(fā)電計劃表進行了試驗，其結(jié)果突出反映了使發(fā)電機組起停次數(shù)最少和發(fā)電功率損失最小兩個目標之間的折衷權(quán)衡，僅使機組的起停次數(shù)最少的解，會導(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導(dǎo)致機組起停次數(shù)的明顯增加。示出了發(fā)電時間表，以及在編制發(fā)電時間表中采用的最多和最少電機臺數(shù)，該解分別使兩個目標的每一個均最小化。它也提供了中間角解考慮Cq為25美元/MW、Cap是每次起動或停機成本，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組起停次數(shù)和發(fā)電功率損失。 表1成果小結(jié)起動或停機成本/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第一個解，即最小起動解，在1d內(nèi)不要求起動任何機組，但引起很高的電力損失。第二個角解即最小損失角解大大降低了電力損失，但大大增加了起動次數(shù)。從第一個解到第二個解，使電力損失下降獲得的經(jīng)濟效益約為8 000萬美元/a第三個自解即將兩個目標結(jié)合起來，相對于第二個解，降低了起動機組的成本約17%，而功率損失僅增加0.3%.由此可見，至少在采用此處所考慮的估算機組成本時，損失最小化指標比起停機指標的效果更大。 但是，為了找到最經(jīng)濟的解，或者在兩個目標之間優(yōu)化協(xié)調(diào)，重要的是查明伊泰普水輪發(fā)電機組的實際起停成本。 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，機組的起停數(shù)隨機組起停成本的增加而減少。 靈敏度分析只有在每次起停機的成本達到62 000美元時，最小化機組起停機次數(shù)的指標才對發(fā)電功率損失指標起主要作用。 5結(jié)語本文提出了一個動態(tài)規(guī)劃模型，設(shè)計確定以小時為單位id內(nèi)運行的水發(fā)電機組數(shù)，盡量減少發(fā)電功率損失和發(fā)電機組起停成本之間的協(xié)調(diào)。該模型己采用世界上正在運行的最大水電站伊泰普電站的數(shù)據(jù)作為試驗研宄表明，重要的是逐一考慮每臺水輪發(fā)電機組的特性，以精確模擬其效率。同時還表明了與發(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行規(guī)劃模型加以考慮，因為它們對水電機組的經(jīng)濟調(diào)度有很大影響。在此項研宄中所考慮的機組成本，折衷權(quán)衡增加機組起停次數(shù)，以達到低的功率損失。 總之，對于伊泰普水電站重要的是制定平緩的發(fā)電計劃表，這樣才能實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，使機組的起停次數(shù)少，同時發(fā)電功率損失低。水電機組優(yōu)化調(diào)度的確定要求調(diào)查水輪發(fā)電機組起停真實經(jīng)濟成本。對伊泰普水電站，估計該模型在發(fā)電功率損失方面得到的節(jié)約，估計每年為8000萬美元馬元挺譯自美刊《IEEE電力系統(tǒng)會刊》2002年2月沙文彬校
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