华北电力大学 电力系统经济运行及管理

电力系统经济运行及管理刘敦楠第四讲水电厂经济运行课程大纲•第1讲电力系统基础•第2讲电力市场下的经济运行•第3讲火电厂经济运行•第4讲水电厂经济运行•第5讲核电、风电及新能源电厂经济运行•第6讲我国电网互联及调度现状•第7讲中长期经济调度•第8讲短期、超短期调度与AGC控制•第9讲调峰、调频、备用优化及辅助服务•第10讲负荷控制与需求侧管理•第11讲节能调度、低碳调度与智能调度•第12讲智能电网与电力系统灾变防治第4讲水电厂经济运行•1.水电厂基础知识•2.水电厂经济运行•3.水火电联合经济调度1水力发电厂基础知识•一次能源：无需加工或转换即可利用。如：煤•二次能源：一次能源经加工转换成可利用的能。如：电能、热能•常规能源：化石燃料和水能•再生能源：如太阳能、水能、风能、地热能、海洋能（潮夕能、波浪能、温差能）生物质能等•新能源：核能、燃料电池等•绿色电力：利用太阳能、地热能、风能、生物质能发电（一）能源结构的特点1水力发电厂基础知识能量转换过程•水能（势能）→机械能（动能）→电能集中能量阶段输入能量阶段转换能量阶段输出能量阶段1水力发电厂基础知识1水力发电厂基础知识•水力发电优势–清洁：水能为可再生能源，基本无污染。–经济：运营成本低，效率高，技术成熟；–可再生：取之不尽、用之不竭–社会效益•控制洪水泛滥•提供灌溉用水•改善河流航运•有关工程同时改善该地区的交通、电力供供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。•水力发电的劣势–生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。–经济风险：需筑坝移民等，基础建设投资大–发电不确定性：降水季节变化大的地区，少雨季节发电量少甚至停发电1水力发电厂基础知识水力发电厂水力发电厂分类–堤坝式水电厂–引水式水电厂–抽水蓄能水电厂水力发电厂（1）堤坝式水电厂:•在河床上游修建拦河坝，将水积蓄起来，抬高上游水位，形成发电水头的方式称为堤坝式。分为：–河床式–坝后式（1）堤坝式水电厂——河床式厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水。1)河床式•河床式水电厂多建在平原地区河流中下游、河床纵向坡度较平缓的河段上。（1）堤坝式水电厂——河床式西津水电站（1）堤坝式水电厂——河床式坝后式：当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。适合于高、中水头的情况。（1）堤坝式水电厂——坝后式三门峡水电站三门峡（1）堤坝式水电厂——坝后式举世瞩目的三峡水电站就是坝后式水电站，其装机容量为18200MW。（1）堤坝式水电厂——坝后式(2)引水式水电厂•在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地方，修建引水渠道造成水头，然后用压力水管把水引入置于河段下游的水电厂。•一般不需修坝或只修低堰。无压引水式水电站(2)引水式水电厂无压引水式电厂有压引水式水电站(2)引水式水电厂有压引水式电厂（3）抽水蓄能电厂•抽水蓄能电厂是一类特殊形式的水电厂。•在电力系统中，它既是电源(发电厂)，又是负荷(用电设备)。•具有高、低两个水池与压力引水建筑物相连，抽水蓄能水电厂的厂房位于低水池处，大多配备可逆式水轮机和可逆式发电机。抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的调峰问题。（3）抽水蓄能电厂广州抽水蓄能发电站装机容量为2400MW(8×300MW)水电厂特点•受自然条件限制•结构简单，辅机数量少•不消耗燃料•启停方便，易于调整•提供重复装机容量•没有环境污染第4讲水电厂经济运行•1.水电厂基础知识•2.水电厂经济运行•3.水火电联合经济调度2.1水电厂等微增率准则•电厂内各机组的发电功率之和应与总的电厂负荷相等，所以等约束条件为：不等约束条件有：Pmin≤Pi≤Pmax．Qmin≤Qi≤Qmax。•目标函数——发电厂总的耗水量为：求目标函数的最小值，在数学上是求多元函数的条件极值。niinhPPPPP121niiinnPFPFPFPFF12211)()()()(2.1等微增率准则•只考虑等约束条件，应用拉格朗日乘数法求解，可列写出拉格朗日方程使L函数有极值的必要条件为：展开后写成：•该条件表明：按各机组微增率相等的原则分配发电机发电功率，能源消耗就最小，故称为等微增率准则。如果结果也能满足不等约束条件，则为最优分配方案iiiniiPFPFFFFPF)......(21称拉格朗日乘数其中待定系数),(1niihPPFL1()0nhiiiiiPPLFPPPnnPFPFPF2211iniihPPP)(12.1等微增率准则•根据耗量微增率曲线：2.2水电机组间的经济调度•已知某水电厂有两台机组，其耗量特性如下：Q1＝0.01P2+1.2P+25，Q2＝0.015P2+1.5P+10每台机组的额定容量均为100MW,当按额定容量发电时，耗水量分别为Qh1=245m2/s,Qh2＝310m2/s。(1)求电厂负荷为120MW时，两台机如何经济分配负荷。(2)当一台机运行时，电厂负荷在什么范围内采用2号机最经济。[解](1)先求两台机组的微增率：根据等微增率准则：因P1+P2＝120MW解两方程式，得：P1＝78MW，P2＝42MW5.103.02.102.0222111PdPdQPdPdQ5.103.02.102.021PP2.2水电机组间的经济调度(2)两台机耗量特性的交点，也就是水耗量相同点，是选择运行方案的转折点，所以求出交点的功率就能得知什么情况下采用2号机更经济。由两条耗量特性建立方程式：0.01P2+1.2P+25＝0.015P2+1.5P+10简化成：P2+60P-3000＝0解方程式可得：P＝32.45MW由耗量特性可知，2号机耗量特性在0～32.45MW之间低于1号机耗量特性，因此负荷在0~32.45MW时调用2号机最经济。2.2水电机组间的经济调度2.3水、火电厂间的经济功率分配•电力系统往往不仅有火电厂，也包含有水电厂。–火电厂发电一般不受燃料的约束，而水电厂发电却受到在一定时间内允许用水量的限制。–允许用水量一方面取决于由水文情况决定的水库来水量，另一方面取决于下游工业、农业的用水要求，这两者均与天气情况、季节变化有密切关系。–一年中有丰水期和枯水期。枯水期允许使用的水量少，丰水期允许使用的水量大，总之在一定的时期段内(如一天、一周或一个月)，可用于发电的水量是一定的。只有在洪峰期，用水才不限。•水、火电厂间的经济功率分配问题的原则：–在满足系统负荷需要及保证电能质量的条件下，在限定的时间内充分、合理利用允许使用的水量发电，使得系统消耗的燃料最少或是运行费用最低。•设系统中有n个火电厂，m个水电厂。火电厂的耗量特性以Fi(P)表示，水电厂的耗量特性以Qj(P)表示，其中i＝1、2……n；j＝l、2……m。•功率平衡方程式可写成:•改写成能量平衡方程得到：)()()(11tPtPtPhmjjnii0)]()()([011dttPtPtPThmjjnii2.3水、火电厂间的经济功率分配•另一个等约束条件是：•暂且不顾及不等约束条件，目标函数应是燃料耗量最小：•这是一个求泛函条件极值问题，一般需用变分方法求解，但用分段法处理后，可做为求一段函数条件极值来处理，可用拉格朗日乘数法解决。0)]([,000jTjjjTjTjjWdttPQWdtQdtQWmin)]([01dttPFFTinii2.3水、火电厂间的经济功率分配求解得：式中为在Δtk时间段火电厂的微增率;为水电厂j在Δtk时间段火电厂的微增率;称为水煤换算系数，它不是一个常数，是随着允许用水量的多少而变化，丰水期小，枯水期大。kikikjikikdPdQdPdFikikkdPdFikikdPdQjikikjikikikikjdQdFPdPdQdPdF得分子分母同乘以;2.3水、火电厂间的经济功率分配•等微增原则–水电厂与火电厂之间只是按水电厂微增率再乘以γj后分配，所以整个系统仍可视为按等微增准则进行分配。–具体进行分配计算时，由于γj事先未知，首先需要设定一个初值γj，初值选取时在枯水期可以取较大值，丰水期取较小值。–第二步做分配计算，求出各水电厂不同时段的负荷。–第三步根据求出的水电厂的负荷计算出T时间内的用水量Wj(k)，并与允许的用水量Wj比较，若成立，则结束计算。否则需对γj进行修正。若Wj(k)〉Wj则增大γj，然后返回第二步重新计算。否则减小γj，重新从第二步计算，直到上式成立为止。jkjTWW)(2.3水、火电厂间的经济功率分配•例题：•已知电力系统中只有一个火电厂，一个水电厂•火电厂的耗量特性为:F=3+0.3PG+0.0015PG2(t/h)水电厂的耗量特性为:Q=5+PGH+0.002PGH2(m2/s)水电厂日用水量恒定为W＝1.5×107m2系统日负荷曲线如图火电厂容量为900MW水电厂容量为400MW。求在给定的用水量下，水、火电厂间的有功功率经济分配方案。2.3水、火电厂间的经济功率分配解：由负荷曲线可知，0～8h及18～24h负荷为600MW。8—18h负荷为1000MW。各厂的微增率为：根据等微增率准则：首先设定γj＝l代入求解．在0～8及18～24h，GHGHGGPdPdQPdPdF004.01003.03.0)004.01(003.03.0GHjGPPMWPMWPPPPPGHGGHGGHG9.442;7.151600004.01003.03.02.3水、火电厂间的经济功率分配在8～18h将上述计算结果代回到水电厂耗量特性验算用水量。0～8及18～24h，用水量Q1=5+PGH+0.002PGH2=211.46(m2／s)W1=211.46×10×3600=10657584m28～18h用水量Q2=5+PGH+0.002PGH2=549.5(m2／s)W2=549.5×10×3600=19782000m2MWPMWPPPPPGHGGHGGHG43.671;57.3281000004.01003.03.02.3水、火电厂间的经济功率分配全天总用水量W=W1+W2=10657584+19782000=30439584m2因W1.5×107m2需增加γj的值重新计算，多次重复计算,最后分配方案为:γj=1.47在0～8及18～24h，在8～18hMWPMWPGHG998.70;002.52911MWPMWPGHG116.206;84.793222.3水、火电厂间的经济功率分配•计及电力网功率损耗时，等约束条件改为:•以及•不等式约束条件为，对火电厂•对于水电厂0)(01111kLkhkmjjkniikLkhkmjjkniiktPPPPPPPP0)(1jnkkjkWtPQminmaxminmaxminmaxikikikikikikikikikUUUQQQPPPminmaxminmaxminmaxjkjkjkjkjkjkjkjkjkUUUQQQPPP2.3水、火电厂间的经济功率分配——网损的考虑•目标函数:•设定拉格朗日乘数λk(k=1,2……s)及γj(j＝1、2…m)后列写出拉格朗日函数,可以得到目标函数具有极小值的条件:•网损微增率:min)((11kskkniiktPFkjkLkikikjikLkikikdPPddPdQdPPddPdF1111jkLkikLkdPPddPPd及2.3水、火电厂间的经济功率分配——网损的考虑•某发电公司拥有三台发电机组，它们的成本函数如下所示：•机组A：•机组B：•机组C：•假设利用这三台机组为350MW的负荷供电，那么该发电公司应当如何调度才能最小化发电成本。204.04.115AAPP205.06.125BBPP202.08.120