抽水蓄能电站与火电厂联合优化运行分析

抽水蓄能电站与火电厂联合优化运行分析

索朗白吉

国网西藏电力有限公司羊湖抽水蓄能发电公司西藏拉萨市850000

摘要：目的：利用抽水蓄能电站优化火电厂的输出曲线，是提高电力系统经济性的重要手段。方法：建立抽水蓄能电站与火电厂联合优化运行的数学模型，对实际电力系统的优化运行进行仿真。最后，探讨了节约型煤炭节约型运行的内在机理。结果：仿真结果表明，抽水蓄能电站与火电厂联合运行降低了系统的煤耗。结论：建议充分利用抽水蓄能电站，优化火电厂的输出曲线，提高电力系统的运行经济性。

关键词：抽水蓄能；火电；联合优化运行；调峰

抽水蓄能电站是目前唯一能应用于电力系统的储能装置。它不仅可以削峰填谷，改善系统负荷特性，优化各种电源的运行位置，而且具有调频、调相、应急储备、黑启动等动态功能，从而提高供电质量、确保供电安全、减少停电时间等，已在世界各国得到广泛应用。

受各种因素的影响，我国抽水蓄能电站的装机容量占总电源装机容量的比例较低，抽水蓄能电站的利用率较低，抽水蓄能电站的作用不充分。目前，电网的剃峰任务仍以火电机组为主。抽水蓄能和风力发电、核电等新能源机组调峰性能较差，提高电网清洁能源的能力，业界已基本达成共识，相关优化研究成果较多。然而，当系统中没有调峰间隙时，是否需要利用抽水蓄能电站来优化火电机组的运行曲线，在工业上仍然存在争议。有的研究者甚至认为抽水蓄能电站抽水蓄能转换过程中的能量损失率一般在25%左右，而火电机组压力负荷下调峰的煤耗一般。结果表明，抽水蓄能电站调峰的经济效益比热压负荷调峰的经济效益差，进一步阻碍了抽水蓄能电站的发展。

本文首先建立了抽水蓄能机组与火电机组联合运行的优化模型，并以实际系统为例进行了联合优化仿真。仿真结果表明，合理布置抽水蓄能机组和火电机组的工作位置，可以提高系统的运行经济性，最后对抽水蓄能机组和火电机组进行了分析，完善制度经济的内在机制是结合经营。

1联合优化运行建模

本文主要研究如何确定抽水蓄能机组与火电机组的输出组合，以达到联合优化运行的目的。为了简化分析，建模过程基于以下假设：

（1）电力系统只包含两种发电机组：抽水蓄能和热力发电；

（2）确定了抽水蓄能电站和火电厂的装机容量，并扣除了各种因素造成的阻塞容量；

（3）抽水蓄能机组的最大发电容量和最大抽水功率等于其安装容量，抽水发电转换效率为75％；

（4）在优化期间，火电机组不启动或停止运行，即同一机组保持启动状态或停机状态。抽水蓄能机组抽水平衡，即其发电能力等于75％抽水能力；

（5）没有功率间隙和削峰间隙。其中，被解释为：实际电力系统一般包含水电和其他类型的机组，但是可以认为本文是在扣除其他类型的机组输出之后进行优化的，所以假设仍然成立。适用于电力系统与其他类型的单位。

2模型求解分析

2.1模型简化

根据前述建立的模型可知，该模型待求解的变量数为(M+N)(L+1)，约束方程(或不等式)个数为2(M+N)L+2M+N+L+1，且目标函数和约束条件均为非线性的，优化求解较复杂。

2.2模型求解

经过2.1节的化简，优化模型的待求变量降低至2(L+1)个，约束方程(或不等式)个数降低至4(L+1)个，求解的维度已大为降低。

3算例验证

3.1系统构成

以某电力系统夏季典型日负荷为例，扣除水电、核电、风电等的出力后，最高负荷为20GW，分为24段，每段持续时间1h。系统要求的旋转备用率为6%，火电装机容量22.87GW。

3.2结果分析

运用本文建立的模型，求解得到火电的总开机容量为18.265GW。

4联合优化运行降低系统煤耗的机理分析

总的来说，抽水蓄能电站的能量转换效率为75%，即损失率为25%。但是，在非额定工况下运行的火电机组的单位容量煤耗一般只增加10%-15%。乍一看，抽水蓄能电站与火电机组的联合运行似乎不可能提高系统运行的经济性。作者确实持有这种观点，但这显然与前面示例的计算结果相反，本节将对此进行讨论。

4.1简化系统分析

为了更清楚的分析抽水蓄能与火电机组联合运行降低系统煤耗的原理，首先构造如下简化系统进行分析。

假设某一天的某一系统的负荷分为三个时段：高峰、平时和低谷。载荷分别为10GW、8GW和6GW，持续时间分别为6h、10h和8h。系统热力装机容量为10.6GW，抽水蓄能装机容量为1GW，旋转备用率为6%。火电机组单位发电量的煤耗与第三节的实际计算实例相同，即在额定运行条件下，单位发电量的煤耗为300g/kWh。通过运行本文建立的模型，得出火电机组启动9.6GW，抽水蓄能机组启动1GW，峰期、平期、低谷期的最佳热能输出和抽水蓄能输出。输出功率分别为9.6GW、8.0GW和6.4GW(相应的输出率分别为100%、83.3%和66.7%)，抽水蓄能功率分别为0.4GW、0、-0.4GW。与此相反，在纯热电运行模式下，当火电机组启动10.6GW时，抽水蓄能机组关闭，在峰值、平时和低谷时段的热功率输出分别为10GW、8GW和6GW（相应的输出率分别为94.3%、75.5%和56.6%）。计算表明，联合运行模式比纯火电运行模式节约了448吨的煤耗。其组成如下：

（1）峰期、平时期和谷期火电产量增加，单位煤耗分别降低0.1g/kWh、3.59g/kWh和9.01g/kWh，节约6.0t、287.5T和432.7t；

（2）抽水蓄能发电转换损耗为0.8GWH，相应的煤消耗量为249.6吨；

（3）抽水蓄能调峰填谷将2.4GWh的峰值功率转移到低谷期，由于两期单位耗煤量的不同，使耗煤量增加28.6t。

4.2实际算例煤耗降低构成分析

对于第3节所示的实例，上述计算表明，抽水蓄能和火电联合优化运行比纯火电节省煤耗1.1117KT。其组成分析如下：

（1）在发电高峰期(17:00-22:00)抽水蓄能期间(7:00-16:00,23:00-24:00),火力发电厂单耗降低0.1-1.3g/kWh,节煤63.8t,火力发电厂单耗降低1.8-6.9g/kWh,771.3T，火电机组煤耗降低9.5～16.7g/kWh，节煤率为970.8t；

（2）抽水蓄能发电改造转换损失电量2.157WGh，煤的消耗量为659.3t；

（3）抽水蓄能调峰填谷将6.47GWh的峰值功率转移到低谷期，由于两期单位煤耗不同，使煤耗增加34.8t。

4.3原因分析

煤耗量低于纯火电运行的原因：一是增加平时火电产量，减少煤炭消耗。例如，简化系统和实际例子分别减少了287.5T和771.3t，分别占煤炭消耗节省的64.2%和69.4%；其次，火力发电量远大于抽水蓄能电量，因此火力发电的煤耗低于抽水蓄能电耗能比，但总递减量高于抽蓄储能耗，仍节约了系统的总煤耗。以简化系统和实例为例，低谷期联合作业的煤耗比纯火电分别低3.0%和3.2%～5.6%，远低于抽水蓄能抽出能损耗（约25%），但与煤混烧相比，低谷期联合作业的煤耗比纯火电低3.0%和3.2%～5.6%。低谷期是抽水蓄能抽气。结果表明，低谷期负荷的煤耗分别为432.7T和970.8t，是抽水蓄能抽水发电（分别为249.6T和659.3t）的15倍和8.7倍。

5结论

优化安排抽水蓄能削峰填谷，平滑火电出力曲线，可以降低全系统的煤耗总量，提高经济性。但现有机制下会增加电网企业购电成本，建议完善相关政策，促进抽水蓄能积极参与调峰。抽水蓄能与火电联合优化运行，降低系统总煤耗的机理在于“以小博大”，即:利用占总电量比例很小的抽水蓄能电量的损耗，提升占总电量绝大部分的火电发电量的效率，使系统总煤耗降低。在实际运行中，建议充分发挥抽水蓄能电站的削峰填谷作用，平滑火电厂出力曲线，提高电力系统运行的经济性。

参考文献

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