考慮負運行備用的電力系統(tǒng)調峰協(xié)調優(yōu)化方法

王廣宗

天津三源電力集團有限公司，天津 300010

0 引言

隨著現代化城市建設的逐漸完善，人們對電力的需求越來越大。隨著核電站數量的不斷攀升，核能逐漸成為我國第三大電力能源[1]，目前核電站的調峰系統(tǒng)利用核電機組堆的方式進行調峰。發(fā)電站在負運行的狀態(tài)下，如何在保證安全性的前提下靈活地進行調峰成為重要的研究課題之一。考慮到負運行備用問題[2]，傳統(tǒng)的調峰模式建立負荷跟蹤的模型并對機組重現進行組合，但按照核電燃料的成本計算，該方式的成本較高，能源消耗較大，不符合現代化發(fā)電站可持續(xù)發(fā)展的理念。按照調峰的步驟將調峰容量增大的方法，要求對調峰時間進行預判準確，調峰方式與調峰容量變化條件難以一一對應，即發(fā)現問題全面，解決辦法不足[3]。為此，文章基于負運行的特征，建立模型對調峰的需求和靈活性進行計算，增加傳統(tǒng)模式的調峰靈活性，使蓄能電站不再是負荷跟蹤的唯一數據來源，以適應發(fā)電新能源的使用。

1 建立基于負運行特征建立優(yōu)化協(xié)調函數

按照發(fā)電站所需的能源種類進行多源聯(lián)合的協(xié)調函數建立。建立關于運行、深度調峰和備用容量成本的優(yōu)化協(xié)調函數[4]：

式中：Q為調峰的總成本，在優(yōu)化函數中將成本壓縮到最?。籷i，t為使用機組i在時段t的情況下的運行成本；wi，t為啟停成本；ei，t為深度調峰成本；ri，t為備用設備成本；T為調峰的總體時間。

運行成本由電站的運行功率決定，其計算式如下：

式中：a、b、c為固定參數，主要由具體的運行步驟決定；P為機組在調峰時段的運行功率。

啟停成本的計算式如下：

式中：d、d1為啟動和啟停的變量，機組啟動時d=1，機組未啟動時d=0，d1的取值區(qū)間為（0，1），d1=0代表機組未停機[5]，無須核算停機成本，d1=1則代表啟停成功，需核算停機成本；s為單次啟停的成本，在啟動時計算，不啟動時不計算。

深度調峰成本的計算式如下：

式中：u為變量系數，額定功率區(qū)間為50%～70%，在該功率區(qū)間內，u的取值為1，不在該功率區(qū)間內，u的取值為零；v為進行深度調峰所額外需要的成本[6]；u1為額定功率區(qū)間為30%～50%的取值參數，參數的取值規(guī)則與u一致。

備用設備成本的計算式如下：

式中：R為備用設備的運行功率。

備用設備成本參數的取值與運行成本的參數取值一致。

2 設計協(xié)調函數的平衡約束條件

根據發(fā)電的負荷平衡情況可計算電網調峰需求，根據調峰需求對協(xié)調函數設置約束條件。對風力發(fā)電的極限情況進行建模，并對兩種極限情況進行推導約束包括系統(tǒng)爬坡能力的計算[7]?？陀^規(guī)律上，備用出力與風力的變化是反向線性關系。但在約束條件的設立中，需對備用出力的上下限進行計算：

式中：Pi，t為預測的風力極限值，極限在理論上不可超過每分段的容量極限。

采用IEEE計算軟件對約束條件進行計算分析，系統(tǒng)中設置火電機組的裝機容量為3 000 MW，在系統(tǒng)中對火電機組的參數進行有效調整，根據目前火電機組運行的情況，電力系統(tǒng)的最大負荷為2 800 MW，低于機組的裝機容量。設風電滲透率為30%～35%，風電并網容量低于800 MW，對歷史數據進行標記和整理，可得出中等城市的風電使用時間為2 400 h，電力系統(tǒng)的其他參數取值按常規(guī)取值即可，負運行備用的負荷旋轉備用系數為10%～15%，而電力系統(tǒng)的使用壽命按照15年計算。機組在進行深度調峰時，單位壓出力不變，棄風懲罰費用系數按照500元/次計算，失負荷懲罰費用系數為0.274，轉子的斷裂周次為11 500 000。對約束條件進行優(yōu)化后，計算值更加準確。

3 實例分析

為了驗證所設計的電力系統(tǒng)調峰協(xié)調優(yōu)化方法是否能夠解決傳統(tǒng)調峰協(xié)調優(yōu)化方法產生的問題，將該方式應用于實際案例中，對比優(yōu)化前后的調峰效率及效益。

3.1 項目概況

A地區(qū)的X核電站在某年某月某日正式使用文章所提電力系統(tǒng)調峰協(xié)調的優(yōu)化方法，3 d后完成第一次使用，在使用當日由于氣溫驟降，居民和工廠緊急開啟供暖設備，在次日凌晨2：48出現電力系統(tǒng)調峰需求。電站負荷下降的實際情況要求調峰調用持續(xù)5 h以上，根據機組調峰的時間需求和技術成本，該調峰需調用有償資源，在出現調峰需求2 h內，A地區(qū)的用電量最大值高達612 MW。交易結束當天的調峰日負荷如圖1所示。

圖1 交易結束當天的調峰日負荷曲線

調峰區(qū)間調峰至50%額定電力的檔位，有償調峰機組的最大需求量為12臺，預測未來需要調峰的時段共有25個，在模型的模擬推演中選擇調峰的優(yōu)先順序，在首次調峰后45 d后完成啟停調峰調用，啟停次日零點，電量最大需求值達到1 725 MW，調峰資源難以供應增長電量，工作人員對模型中的參數進行爬坡約束地取消，未進行機組啟停。在調峰資源的使用期限內完成調峰需求，并于次日早上5：02徹底關停機組，實現調峰實際調用。

3.2 應用結果

為了分析該優(yōu)化方法在實例中運營后的經濟效益變化，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后的經濟效益，結果如表1所示。

表1 應用結果 單位：萬元

從表1可以看出，優(yōu)化前調峰需要的總體費用為1 061.4萬元，優(yōu)化后的調峰方法費用下降了11.4%，雖然優(yōu)化前的不涉及有償調峰設備的租賃，且啟停費用的需求也較少，但能源消耗和是負電荷的費用需求卻較高?？傮w評價，優(yōu)化后的方法更能節(jié)約成本。

4 結束語

隨著用電需求的增多，對調峰系統(tǒng)的要求也越高?；诖?，文章提出了一種考慮負運行備用的電力系統(tǒng)調峰協(xié)調的優(yōu)化方法，并對其進行了實例驗證。結果表明，該方法不僅可以節(jié)省調峰的成本，還提升了調峰的整體效率，具有較強的實用性。