水火混合電力系統的日有功優化調度

曹宇佳

東華科技股份有限公司

水火混合電力系統的日有功優化調度

曹宇佳

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在現有我國電力市場化的條件下，簡單的電能平衡已經不能滿足市場化的需求，節能環保低碳的能源利用，以及更低成本的電網運行，已經成為了目前電網調度的目標。在這樣的環境下，本文提出了一種方法，根據目前我國主要以川流式水力發電、水庫式水力發電和大量的火力發電的情況下，通過平均供電費用及各配電種類的特點優化調度，最終做到更低碳環保地利用資源。

電力市場;平均費用;水火混合電力系統

水火混合電力系統經濟負荷分配,首先應滿足系統安全穩定運行，保證電能質量,然后盡量充分利用水利資源,在合理的情況下減少各電廠的有功負荷供求矛盾,在考慮網損的情況下,達到系統的最經濟運行。在一般的電力系統條件下,通常采取分解協調的方法解決水火混合電力系統的經濟負荷調度，這是因為要考慮到各水電廠的水庫容量、進水量、出水量和水頭等約束, 使得問題復雜化。考慮到目前在電力市場條件下,各電廠以獨立企業形式存在并為追求自身的利潤發展，節能降耗已經成為各企業的首要任務，各電廠能通過市場行為競價上網。所以,水電機組完全可以看作是火電機組并等同處理，對于水輪機組只需考慮的出力上、下限, 使得問題得到了簡化。水輪機組的物理特性使得它和汽輪機組比較中，他們的約束條件存在差異，首先水輪機組幾乎不存在負荷爬坡速率的約束, 并且也可以較頻繁地啟停,運行成本低,這使得水電廠的電價可以遠遠低于火電廠，同時，水情對水電機組的出力影響巨大，水情和水電機出力關系密切，所以水情成為了水電機的一個約束，這一點可以直接考慮水電機的出力曲線即可。在當我們對水電機組某一時刻的機組出力容量進行考察時,水電機組的出力容量可以看作為一常數,因此我們可以建立一個線性規劃，使得水電機組與火電機組作同等考慮，從而使得水火混合系統的經濟負荷分配問題趨于簡化。

1 電力系統的日有功優化調度的數學模型

在一個擁有n臺發電機組的電力系統模型中, 設Pi（max）, Pi（min）為各機組的出力上、下限, 一天有T個時段,在時段t內系統的總負荷為PtR, 這個時段的各機組出力為Pti( i = 1 ,2 ,…, n) 。下面是電力系統的日有功優化調度的數學模型。

1.1 目標函數

為了使得總的購電費用最少，可以將各臺機組在i時段的出力Pti乘以該機組發電費用Cti，并求和得到i時段總購電費，再加各時段費用相加得到當日的總購電費用，可以用以下函數表示。

1.2 功率平衡約束條件，發電功率等于負荷功率加上網損，為簡便模型，i機組的網損微增率設為常數σi，可得

1.3 系統旋轉備用約束條件

1.4 機組容量約束條件

每臺機組根據自身的機械特性，擁有出力的最高上限和下限，可以表達為：

1.5 功率響應速度約束條件

這里可以分為倆部分來考慮，水輪機組和火電機組分開考慮。首先考慮火電機組，火電機組的特性決定了火電機組的出力變化有慢, 所以可以得到一個關于火電機組變化能力的約束條件，設機組i的功率響應最大上升速度和最大下降速率分別為 rdi, rri，單位為MW/ h得：

水輪機組因為其自身特性可以功率響應速度高，響應時間可以忽略不計。

1.6 機組啟停約束條件

調峰機組可能一天內啟動n次，由于機械等原因，機組啟停存在以下約束，一天內機組存在最大的啟停次數限制Ai，本文通過對機組的狀態進行數字處理，設機組停機時刻機組狀態量A取值為0，機組運行時機組狀態量取1，可以表達為

如此以來，在電力系統中水火混合電力系統的日有功優化問題就可以這樣表達為多時段的綜合約束優化問題。

2 發電機組的發電平均運行

基于式（6）可以求解出機組經濟組合，然后再進行經濟分配，為了方便和快捷的運算，本文的方法是計算出各個機組的運行平均運行費用，再通過排序列表的方法，將平均運行費用由低到高的順序自上而下的進行列表，為考慮環保低碳其中需要注意的是，排在最上面的為川流式發電廠，然后根據豐水季和枯水季的區別排列，將火力發電機組和水庫式發電機組按以下原則排列，當處在豐水季時，水庫式發電機組的優先級別高于火力發電機組，應當注意的是此時的水庫式發電機組需要留有一定比例的容量作為備用。當處在枯水季時，火力發電機組優先級在水庫式發電機組的前面。接下來對列表從上至下一一進行累加，將累加結果與系統總負荷比較，最后得到滿足旋轉備用約束條件、功率響應約束條件m臺機組。這列表第m排機組以上包括第m機組開機運行，而第m排以下的機組停機，這樣就可以得到當系統負荷增加的時候，平均運行費用更低的機組能更多的出力；當系統負荷下降時，平均運行費用高的機組優先減少出力，最終實現水火混合電力系統的日經濟運行。以上分析都基于對平均運行費用的有效評估做出的判斷，那么下面本文將對平均運行費用進行量化。

發電機組的發電平均運行費用來自兩個部分，一部分來自于機組運行時產生的運行費用y1，一部分來自于啟動機組產生的平均運行費用y2，即機組i一天內總的運行費用可用下式表達,式子中A表示啟停次數。

按近期統計數據對每臺機組計算其平均運行費用，這樣就可以利用平均運行費用更為準確的對各個機組的出力進行調配，最終達到水火混合電力系統的整體經濟運行。

3 結語

通過以上分析，本文得到了一種能環保低碳的能源利用，以及更低成本的電網運行的方法。在對目前我國主流的三種發電方式：川流式水力發電、水庫式水力發電、火力發電分析中，首先通過多種約束條件得到最優機組組合，然后把川流式水力發電作為最底層的基礎發電，盡量利用其資源，然后對枯水季和豐水季節進行分類，豐水季盡可能地多利用水庫式水力發電減少碳排放，枯水季利用水庫式水力發電調峰，以減少火力發電機組平凡啟停帶來的額外成本，最終實現水火混合電力系統的日有功經濟運行。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.002