运行管理bookmark0伊泰普水电站水轮发电机组的优化调度A.阿尔塞等台相同的700MW水轮发电机组。已开发了一个动态规划模型，对每天每小时运行的发电机组数进行优化得到电站以最经济的方式运行的总的发电计划表。该模型强调发电机组起停和水电效率之间的协调，考虑了尾水位、压力钢管水头损失和水轮发电机组效率的变化。该方法已就一个典型的发电计划表进行了测试，结果表明，所调度的水轮发电机组的数目对整个电站的效率有重要影响，因此，它是水轮发电机组调度中需考虑的关键问题。
主题词：水轮发电机组运行；水轮机效率；优化调度；伊泰普水电站由于火电机组起停成本高，并有许多运行限制，因此在过去几十年中引起人们对火电机组运行问题进行广泛研宄。
另一方面，虽然水电机组的起停也是必要的，水电机组的运行问题却极少受到注视。这种不平等的对待可能是由于水电机组起停成本低，运行限制少的缘故。
Nilsson提交了一项重要的研宄，报告了由瑞典电力公司估算的水电机组起动的成本。许多因素影响机组起动成本，但两个最重要的因素是维修成本和机组运行寿命的降低。很早就己知道，发电机组的维修成本受机组起动次数的影响很大。据估算，机组每起停一次，约降低运行寿命10~ 15h而每年起动150次的机组，运行寿命甚至降低20%.因此，经长期观察分析，发现起动成本比较重要，有必要更详细地研宄水电机组的运行问题。
本文研宄了伊泰普水电站发电机组的优化调度。该电站是世界上正在运行的最大水电站，装机容量12.6GW，由巴西和巴拉圭两国分享。1999年的发电量分别占两国发电量的24%和93%.该电站从早到晚的发电时间常常有很大变化，要求水电机组频繁起停。
为了考虑该调度模型中的水电效率，建议计算发电损失函数，该函数考虑了尾水高程和压力钢管水头损失对水电站净水头的影响。反之，没有考虑水量平衡方程，因为在1h内前池水位不会有很大变化。与其他技术相比，这些模型特性大大简化了问题及其计算技术。
1水力发电效率一台机组的出力可用下式表示：P水的密度以kg*m*3）；n*水轮机效率/%；\*发电机效率/有效水头由下式确定hp压力钢管水头损失/m.从这些公式看出，机组输出功率与许多变量相关，最重要的变量是流量，而水力发电效率常用输出/输入比表示，这样，其结果随有效水头、水轮机效率和发电机效率而变化。
表示水力发电效率的一种方法是计算由有效水头降低和水轮发电机组效率下降引起的水力发电损失。为了表示发电功率损失函数中的发电效率，须探明每个变量对发电功率的影响。
11前池水位前池水位在水力发电系统的中、长期运行规划中起主要作用。在以周（或月）为单位进行规划的1a或多年的规划时期，要对水库的蓄水进行优化管理。
在以小时为单位的短期（一周）规划中，观察到前池水位变化很小，尤其象伊泰普这样的大型水库（19km3）而且，在这里所考虑的情况下，在1d内的规划时期，前池水位变化完全可以忽略。
12尾水位相反，由于电站总流量的变化，使得尾水位会在短期内变化很大，对某些水电站，尾水位还取决于紧邻下游电站的前池水位。对伊泰普而言，尾水位取决于下游24km处流入巴拉那河的主要支流伊瓜苏河的流量。伊泰普的尾水位可用特殊的4次多项式函数表示（）在运行机组台数一定的情况下，增加电站总的流量，从发电效率趋势而言，也会增加输出功率。但是，由于尾水位的抬高，使得有效水头相应减少，功率输出的增加比较小。
由尾水位增加引起的发电损失可由下式计算：么hi qn n台机组运行时的总流量。
因为伊泰普电站的机组都相同，电站的总流量将均匀地分配到运行中的每台机组，以使总的功率损失函数最小，即qn=n*q.但是，当机组不相同时，电站的总泄水量可采用常规的经济调度算法在机组中分配，这种方法与火电站采用的算法相似。
13压力钢管水头损失压力钢管水头损失与水对压力钢管的摩擦有关，是流量的二次函数，hP=kq2，k是表示压力钢管特性的常数（2/m5）用下式可将压力钢管水头损失（m）变换为压力钢管功14水轮机和发电机效率水轮机效率是产生的机械能和水的势能之比。同样，发电机效率是所产生的电能和机械能之比。水轮机效率通常表示为有效水头和流量的函数，通常称为效率曲线。绘出了伊泰普水轮机的效率曲线。应当指出，当流量增加时，水轮机的出力和效率也相应增加，直到效率达到最大值tax然后开始下降。为避免振动和空化对于每个有效水伊泰普水轮机的效率曲线由水轮机效率下降引起的发电损失，可以当时的前池水位作为参照点，用最高效率点来估算。水轮机在其他点的运行可引起发电损失，用下式表示：nmax水轮机最高效率，两者均为n台发电机组运行。
对伊泰普电站，最小和最大流量范围取决于水头，大约分别为400m3/s和720m3/s.在此范围内，水轮机效率为70% ~95%.这种很大的变化表明，水轮机效率是水电机组优化调度的重要变量。
发电机效率可用函数n=n（p）表示，P是发电机机端的功率。表示伊泰普发电机的效率曲线。
因为发电机效率是功率输出本身的函数，所以，将考虑计算总发电功率损失。
对于伊泰普，水轮发电机组的总效率n=n*\，可认为在0.67 少量增加总流量，计算q=qn/n计算压力钢管水头损失hp.按目前的前池水位，计算有效水头h/D按目前的有效水头，确定流量的允许范围，即qmi*如果目前的流量在允许范围内，转到下一步。如果流量小于qmin转到第（2）步。如果流量大于qmax转到第根据目前的流量和有效水头，由效率曲线确定水轮机效率。 利用至（6）和n=n（p），确定由尾水位、压力钢管水头损失和水轮机一发电机效率引起的发电功率损失。 则总发电功率损失为：利用下列表达式，确定在目前前池水位情况下容许的发电功率范围。Pmin和Pmax是n台机组运行时的最小和最大发电功率：利用最小平方误差技术，调整功率损失和发电量的二次函数，得到n台机组运行时发电功率损失函数P绘出了伊泰普水电站14台机组运行时总发电功率损失函数。 对于所有可能运行机组台数，调整为发电功率损失函数的二次函数将是在优化调度模型中需最小化的目标函数之一。其他目标在下节考虑。 2机组起停成本14台机组运行时发电功率损失面影响。但是，这些成本的估算似乎非常复杂。Nilsson会见了瑞典主要的发电厂商，摸清了与电站机组起停有关的主要成本因素，及其成本费用，以及它们对短期运行规划的影响。其成果认为每起停一次的成本是3美元/MWL对于伊泰普机组，单机容量700MW卩每次起动与停机的成本是2100美元。Hara和Viana通过对发电机绝缘磨损和破坏的预测，估算了机组起停有关的成本。按照他们的研宄，一台预计运行寿命为60a的发电机组，按每天起停一次运行，将减少运行寿命10a.这些研宄表明，从经济方面编制机组运行时间表，需要考虑减少机组起停次数。在下节优化调度关系，发电机组起停次数的最小化与发电功率损失最小化相结合。 3问题公式化伊泰普水电站以1h为基础的运行机组数的优化，可以用一个动态离散的优化模型来表述，对水力发电效率和发电机组的起停进行折衷权衡，用2个目标函数表示n在时间t的最少运行机组数；nt在时间t的最多运行机组数；Pn（'dt）在时间t的n台机组运行的功率损失函数；dt在时间t的发电时间表；Cp机组发电功率损失成本；N自然数。 式（1山~（12）可用动态规划技术有效地解出。其中时段为1h，状态变量是每个时段中运行机组的台数，控制变量是每个时段中起动或停机的次数。状态空间是由每个小时完成发电计划的最小和最大机组台数之间的自然数定义。 式（10）~（12）的解可通过解下列递归方程求得：4试验成果该模型按正常id的发电计划表进行了试验，其结果突出反映了使发电机组起停次数最少和发电功率损失最小两个目标之间的折衷权衡，仅使机组的起停次数最少的解，会导致高的发电功率损失，而只使发电功率损失最小的解又会导致机组起停次数的明显增加。示出了发电时间表，以及在编制发电时间表中采用的最多和最少电机台数，该解分别使两个目标的每一个均最小化。它也提供了中间角解考虑Cq为25美元/MW、Cap是每次起动或停机成本，为2 100美兀。 最优解表1是考虑的3种情况中每种情况所得结果一览表，它列出了每种情况机组起停次数和发电功率损失。 表1成果小结起动或停机成本/美元电力损力成本八美元。MW.“li起停次数电力损失/MWDh第一个解，即最小起动解，在1d内不要求起动任何机组，但引起很高的电力损失。第二个角解即最小损失角解大大降低了电力损失，但大大增加了起动次数。从第一个解到第二个解，使电力损失下降获得的经济效益约为8 000万美元/a第三个自解即将两个目标结合起来，相对于第二个解，降低了起动机组的成本约17%，而功率损失仅增加0.3%.由此可见，至少在采用此处所考虑的估算机组成本时，损失最小化指标比起停机指标的效果更大。 但是，为了找到最经济的解，或者在两个目标之间优化协调，重要的是查明伊泰普水轮发电机组的实际起停成本。 示出了固定发电功率损失25美元/MWh和变化的起停成本的模拟成果。不出所料，机组的起停数随机组起停成本的增加而减少。 灵敏度分析只有在每次起停机的成本达到62 000美元时，最小化机组起停机次数的指标才对发电功率损失指标起主要作用。 5结语本文提出了一个动态规划模型，设计确定以小时为单位id内运行的水发电机组数，尽量减少发电功率损失和发电机组起停成本之间的协调。该模型己采用世界上正在运行的最大水电站伊泰普电站的数据作为试验研宄表明，重要的是逐一考虑每台水轮发电机组的特性，以精确模拟其效率。同时还表明了与发电系统有关的功率损失，应根据短期的水电与火电运行规划模型加以考虑，因为它们对水电机组的经济调度有很大影响。在此项研宄中所考虑的机组成本，折衷权衡增加机组起停次数，以达到低的功率损失。 总之，对于伊泰普水电站重要的是制定平缓的发电计划表，这样才能实现优化调度，使机组的起停次数少，同时发电功率损失低。水电机组优化调度的确定要求调查水轮发电机组起停真实经济成本。对伊泰普水电站，估计该模型在发电功率损失方面得到的节约，估计每年为8000万美元马元挺译自美刊《IEEE电力系统会刊》2002年2月沙文彬校