华北电力大学 电力系统经济运行及管理解析

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1、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

2、：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

3、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

4、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

5、压压引水式水电电站 (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(8300MW) 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

6、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： PminPiPmax QminQiQmax。 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。 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

7、结果也能满足不等约束条件，则 为最优分配方案 2.1 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： Q10.01P2+1.2P+25 ，Q20.015P2+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 ,Qh2310m2/s。 (1)求电厂负荷为1 20MW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+P2120MW 解两方程式，得： P178MW， P242MW

8、 2.2 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： 0.01P 2+1.2 P +250.015P 2+1.5P +10 简化成： P 2+60P - 30000 解方程式可得： P32.45MW 由耗量特性可知， 2号机耗量特性在032.45MW 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

9、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

10、Fi(P)表示，水电厂的耗量特性以 Qj(P)表示，其中i1、2n；jl、2m 。 功率平衡方程式可写成: 改写成能量平衡方程得到： 2.3 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。 2.3 水、火电厂间的经济功率分配 求解得： 式中 为在tk时间段火电厂的微增率; 为水电厂j在tk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。 2.3 水

11、、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j 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j 事先未知，首先需要设定一个初值j ，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j 进行修正。若Wj(k) Wj 则增大j ，然 后返回第二步重新计算。否则减小j ，重新从第二步计算，直到上式成 立为止。 2.3 水、火电厂间的经济功率分配 例题： 已

12、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 W1.5 107 m2 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，08h及1824h负荷为600MW。 818h负荷为1000MW。 各厂的微增率为： 根据等微增率准则： 首先设定j l代入求解 在08及1824h， 2.3 水、火电厂间的经济功率

13、分配 在818h 将上述计算结果代回到水电厂耗量特性验算用水量。08 及1824h，用水量 Q1 = 5 + PGH + 0.002PGH2 =211.46 (m2s) W1=211.4610 3600=10657584 m2 818h用水量 Q2 = 5 + PGH + 0.002PGH2 = 549.5(m2s) W2=549.510 3600=19782000 m2 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 =30439584 m2 因W1.5107 m2 需增加j 的值重新计算，多次重复计算,最后分配方案为: j =1.47 在08及1824h， 在818h 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 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k(k=1,2s)及j (j1、 2m)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: 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。 谢谢！