核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式分析

何陽(yáng)陽(yáng)，何曉京

（海南核電有限公司，海南昌江 572732）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)一項(xiàng)重要的能源政策就在于積極推進(jìn)核電建設(shè)，考慮到國(guó)家相關(guān)扶持政策、經(jīng)濟(jì)、安全等因素，落后的技術(shù)水平會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)各種核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行造成嚴(yán)重阻礙。再加上電力系統(tǒng)峰谷差的不斷擴(kuò)大、新一代核電機(jī)組所具有的良好負(fù)荷跟蹤性能，當(dāng)前需要強(qiáng)化研究如何制定一個(gè)科學(xué)、合理的核電運(yùn)行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。

1 核電廠運(yùn)行情況

通過(guò)控制硼酸濃度與控制棒，能實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠負(fù)荷的有效跟蹤，其中控制棒控制就在于實(shí)現(xiàn)對(duì)控制棒的有效調(diào)節(jié)，為有效的控制機(jī)組端負(fù)荷多可以通過(guò)縱向插入深度來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此可以更加靈活、自如地應(yīng)對(duì)快速反應(yīng)；而硼濃度控制則主要是通過(guò)調(diào)整硼濃度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組軟料損耗情況的有效補(bǔ)償，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組慢速反應(yīng)性的靈活應(yīng)對(duì)。

現(xiàn)在先進(jìn)性、安全性、穩(wěn)定性是核電機(jī)組第三代的主要特點(diǎn)，先進(jìn)性尤其體現(xiàn)在非動(dòng)能設(shè)計(jì)方面，科技性與現(xiàn)代性在燃料制造工藝方面尤為明顯，憑借其反應(yīng)堆本身的穩(wěn)定性，能夠保證核電機(jī)組負(fù)荷追蹤性能良好，以此提高核電廠的安全性，并有效參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行。

按照核電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)性能，可將其運(yùn)行方式分為兩種：一是日運(yùn)行模式，即核電機(jī)組在每天24 h 以?xún)?nèi)的運(yùn)行始終處于穩(wěn)定狀態(tài)；二是“12-3-6-3”運(yùn)行模式，即在每天的12 h 以?xún)?nèi)核電機(jī)組的運(yùn)行超過(guò)額定功率水平，其線形負(fù)荷在接下來(lái)的3 h內(nèi)會(huì)達(dá)到50%Pn，然后在之后的6 h 內(nèi)為維持該功率，3 h 以后線形負(fù)荷會(huì)提高到滿(mǎn)負(fù)荷[2]。

2 核電參與電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要意義

2.1 有利于電力系統(tǒng)更好地運(yùn)轉(zhuǎn)

對(duì)于電力單位而言，通過(guò)積極改進(jìn)電力系統(tǒng)的調(diào)度與運(yùn)行技術(shù)，有助于推動(dòng)自身發(fā)展，因此有必要結(jié)合實(shí)際情況重視相應(yīng)調(diào)度技術(shù)、運(yùn)行技術(shù)的建立與完善，為穩(wěn)定開(kāi)展電力工作提供充足的保障。這樣不僅能促進(jìn)電力工作系統(tǒng)更好地傳輸電能，還能提供最基本的需求來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)代人的生活?？梢?jiàn)，技術(shù)水平在一定程度上直接影響著整個(gè)工作質(zhì)量，因此相關(guān)人員需要積極改進(jìn)電力調(diào)度與運(yùn)行技術(shù)，從而為電力行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。

2.2 提供極大便利，幫助操作人員更好地開(kāi)展工作

在當(dāng)前的電力工作系統(tǒng)中通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的調(diào)度技術(shù)、運(yùn)行技術(shù)，能提供極大的便利，幫助操作人員更好地開(kāi)展工作。由于電力操作人員多數(shù)采用電力調(diào)度、運(yùn)行技術(shù)，因此電力單位必須重視建立相關(guān)書(shū)，方便電力系統(tǒng)工作的有序開(kāi)展。事實(shí)上，電力行業(yè)在開(kāi)展各個(gè)工作時(shí)必然會(huì)影響到社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步。為確保社會(huì)發(fā)展的穩(wěn)定性和提高電力工作系統(tǒng)的工作效率，電力單位必須根據(jù)實(shí)際要求對(duì)相關(guān)運(yùn)行技術(shù)、電力調(diào)度進(jìn)行不斷改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)電力工作系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，有必要將核電強(qiáng)有力地應(yīng)用于電力調(diào)度運(yùn)行，相應(yīng)地相關(guān)單位也要高度重視這一問(wèn)題。

3 核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的算法分析

這種運(yùn)行是一種混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，與高維數(shù)、非線性等內(nèi)容密切相關(guān)，為確保這一問(wèn)題的有效解決，有必要進(jìn)行全面綜合的研究，并提出了類(lèi)似于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、等微增率法、優(yōu)先順序法、遺傳算法等算法，但是不同算法有不同的問(wèn)題，原因主要是在求解方面需要花費(fèi)較多的時(shí)間，且局部最優(yōu)解的問(wèn)題普遍存在。為更高效地確保核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行算法，ICA（Independent Component Analysis，獨(dú)立成分分析）算法應(yīng)運(yùn)而生，作為一種全局性?xún)?yōu)化的進(jìn)化算法，主要是借鑒了人類(lèi)社會(huì)在殖民階段帝國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)與占領(lǐng)殖民地的過(guò)程，還借鑒了相關(guān)思想（如動(dòng)態(tài)規(guī)劃、聚類(lèi)分析等），這對(duì)于維數(shù)災(zāi)、混合整合問(wèn)題的解決至關(guān)重要。在動(dòng)態(tài)規(guī)劃方面可以根據(jù)相關(guān)動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)啟停成本的準(zhǔn)確計(jì)算。而利用啟停成本求解的實(shí)質(zhì)主要是動(dòng)態(tài)遞推問(wèn)題，借助ICA 算法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算啟停狀態(tài)下的系統(tǒng)最優(yōu)總成本問(wèn)題，然后根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理將各個(gè)時(shí)段的啟停成本準(zhǔn)確的推導(dǎo)出來(lái)，這對(duì)于系統(tǒng)最優(yōu)總成本問(wèn)題的妥善解決至關(guān)重要，且能夠制定一個(gè)機(jī)組組合與負(fù)荷最優(yōu)分配方案。針對(duì)聚類(lèi)分析，ICA 算法與線性問(wèn)題聯(lián)系密切，可以將機(jī)組的組合狀態(tài)看做是N+1 個(gè)子集族的并，然后將每個(gè)集族的出力上下限準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，具體在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以開(kāi)展必要的聚類(lèi)分析，以促進(jìn)計(jì)算效率的提高與機(jī)組組合數(shù)量的減少。

4 核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的作用分析

根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)和查詢(xún)相關(guān)資料，在進(jìn)行模擬操作時(shí)可以選擇IEEE10 型號(hào)的機(jī)組系統(tǒng)，以此可以制定一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)論，對(duì)核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行深入的探究，并明確調(diào)度運(yùn)行的重要性。經(jīng)模擬操作可知，這一型號(hào)的機(jī)組設(shè)備在備用旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的最大負(fù)荷量為10%，核電堆型為CPR100。然后，在利用ICA 算法時(shí)需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)置，例如初始帝國(guó)數(shù)量為10 等時(shí)國(guó)家數(shù)量為200 個(gè)，如此可以取得一個(gè)足夠可靠、精確的結(jié)果。同時(shí)，立足于兩個(gè)角度來(lái)分析其調(diào)度運(yùn)行方式，即核電成本、經(jīng)濟(jì)效益，以此可以更好的剖析這兩種運(yùn)行方式。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，利用第二種運(yùn)行模式對(duì)于排碳量的減少十分有益，能有效控制啟停成本，確保與核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)負(fù)載需求相符。為此，借助核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度對(duì)于電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益的提高十分有幫助，隨著核電接入容量的不斷增加，這兩種運(yùn)行方式待達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的效益會(huì)趨于一致[3]。

兩種運(yùn)行方式在發(fā)電能耗方面有明顯不同，在核電接入容量比例不斷增加的情況下均能有效降低發(fā)電成本，其中第一種方式即日運(yùn)行模式降低速度會(huì)更快，第二種啟停成本的降低速度較慢。其原因就在于，相對(duì)于容量第二種運(yùn)行方式的核電調(diào)度可以幫助其他機(jī)組有效減少啟停次數(shù)，致力于機(jī)組啟停能耗的有效降低。通過(guò)對(duì)比兩種運(yùn)行方式可知，在負(fù)荷低谷期間第一種方式的調(diào)度盈余較小，為此第二種方式可以將核電機(jī)組巧妙地加入到電網(wǎng)調(diào)度，以促進(jìn)電力系統(tǒng)調(diào)度能力的提高，更為安全、穩(wěn)定地運(yùn)行電網(wǎng)。

5 算例分析

在開(kāi)展仿真計(jì)算時(shí)可以借助IEEE10 系統(tǒng)算例，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用最大負(fù)荷的10%。以我國(guó)改進(jìn)壓水堆核電機(jī)組CPR1000 為主要核電堆型，其接入容量會(huì)呈一個(gè)倍數(shù)的增加，即從系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組總裝容量的PG的3%開(kāi)始，ICA 的算法參數(shù)可以設(shè)置為：國(guó)家數(shù)量200 個(gè)、初始帝國(guó)10 個(gè)。

5.1 核電調(diào)峰成本與單位碳收益

針對(duì)CPR1000 機(jī)組，η1為5%、η2為7%，運(yùn)行時(shí)可以采取方式2，此時(shí)可以得到λ 為0.5。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，方式2 的單位碳收益比方式1 要高很多，說(shuō)明在調(diào)峰中有核電的適當(dāng)參與，所取得的環(huán)境效益較高。其原因就在于，相比較于方式1，核電適當(dāng)參與調(diào)峰能致力于系統(tǒng)碳排放量的降低，還能促使系統(tǒng)中的火電機(jī)組運(yùn)行比經(jīng)濟(jì)負(fù)載水平低，相應(yīng)地還會(huì)減少啟停成本增加。但是，核電接入容量待增加到一定程度以后，兩種方式的單位碳收益可以保持基本一致。這也說(shuō)明，如果核電接入容量較大，其參與調(diào)峰也不能阻止火電機(jī)組與其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平出現(xiàn)大規(guī)模的偏離，相應(yīng)地也會(huì)逐步縮小其碳收益與方式1 之間的差別。

5.2 發(fā)電能耗

隨著不斷增加的核電接入容量比例，系統(tǒng)發(fā)電成本在兩種方式下均會(huì)逐漸降低，但是下降速度更快的當(dāng)屬方式1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，核電參與調(diào)峰，盡管會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟停成本的增加，但是節(jié)約的化石能源會(huì)更多。方式2 的啟停成本較小，原因在于按照方式2 運(yùn)行核電能提供一定的調(diào)峰容量給電網(wǎng)，有助于減少中小容量常規(guī)機(jī)組啟停次數(shù)，促使常規(guī)機(jī)組所具有的啟停能耗下降。

6 如何改進(jìn)核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式

6.1 完善調(diào)度和運(yùn)行系統(tǒng)

在運(yùn)行電力系統(tǒng)的過(guò)程中，為避免出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，電力單位有必要根據(jù)自身實(shí)際情況來(lái)制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，即如何強(qiáng)化改進(jìn)電力工作中的運(yùn)行技術(shù)。在此期間，有必要建立一個(gè)完善的電力調(diào)度程序作保障，這對(duì)于有效開(kāi)展電力工作十分有益。之所以要建立電力調(diào)度和運(yùn)行系統(tǒng)，是因?yàn)殡娏φ{(diào)度工作能有效預(yù)防各種意外事故，這對(duì)于安全、高效、穩(wěn)定的開(kāi)展電力工作至關(guān)重要[4]。

6.2 加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)工作

鑒于電力工作系統(tǒng)中的問(wèn)題，為有效避免問(wèn)題的出現(xiàn)，就需要電力單位定期組織電力工作人員進(jìn)行強(qiáng)有力的培訓(xùn)。眾所周知，在電力工作系統(tǒng)中電力操作工作人員作為主要操作者，其自身技術(shù)水平與整體工作質(zhì)量密切相關(guān)，不過(guò)當(dāng)前許多操作人員自身的技術(shù)水平不高。為了更好地開(kāi)展核電參與電力調(diào)度工作，單位應(yīng)重視人員培訓(xùn)工作，設(shè)法幫助這些人員提高綜合素質(zhì)、增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)水平，為工作質(zhì)量提供充足的保障并滿(mǎn)足相要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，核電參與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行時(shí)可以采用兩種運(yùn)行方式，ICA 作為一種新型算法，應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)與個(gè)人的高度重視，以明確該算法在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中的重要性。研究發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中為保證電力系統(tǒng)的安全性、可靠性，就需要實(shí)現(xiàn)對(duì)核電的合理應(yīng)用。