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　　運行管理bookmark0伊泰普水電站水輪發電機組的優化調度A.阿爾塞等臺相同的700MW水輪發電機組。已開發了一個動態規劃模型，對每天每小時運行的發電機組數進行優化得到電站以最經濟的方式運行的總的發電計劃表。該模型強調發電機組起停和水電效率之間的協調，考慮了尾水位、壓力鋼管水頭損失和水輪發電機組效率的變化。該方法已就一個典型的發電計劃表進行了測試，結果表明，所調度的水輪發電機組的數目對整個電站的效率有重要影響，因此，它是水輪發電機組調度中需考慮的關鍵問題。

　　主題詞：水輪發電機組運行；水輪機效率；優化調度；伊泰普水電站由于火電機組起停成本高，并有許多運行限制，因此在過去幾十年中引起人們對火電機組運行問題進行廣泛研宄。

　　另一方面，雖然水電機組的起停也是必要的，水電機組的運行問題卻極少受到注視。這種不平等的對待可能是由于水電機組起停成本低，運行限制少的緣故。

　　Nilsson提交了一項重要的研宄，報告了由瑞典電力公司估算的水電機組起動的成本。許多因素影響機組起動成本，但兩個最重要的因素是維修成本和機組運行壽命的降低。很早就己知道，發電機組的維修成本受機組起動次數的影響很大。據估算，機組每起停一次，約降低運行壽命10~ 15h而每年起動150次的機組，運行壽命甚至降低20%.因此，經長期觀察分析，發現起動成本比較重要，有必要更詳細地研宄水電機組的運行問題。

　　本文研宄了伊泰普水電站發電機組的優化調度。該電站是世界上正在運行的最大水電站，裝機容量12.6GW，由巴西和巴拉圭兩國分享。1999年的發電量分別占兩國發電量的24%和93%.該電站從早到晚的發電時間常常有很大變化，要求水電機組頻繁起停。

　　為了考慮該調度模型中的水電效率，建議計算發電損失函數，該函數考慮了尾水高程和壓力鋼管水頭損失對水電站凈水頭的影響。反之，沒有考慮水量平衡方程，因為在1h內前池水位不會有很大變化。與其他技術相比，這些模型特性大大簡化了問題及其計算技術。

　　1水力發電效率一臺機組的出力可用下式表示：P水的密度以kg*m*3）；n*水輪機效率/%；\*發電機效率/有效水頭由下式確定hp壓力鋼管水頭損失/m.從這些公式看出，機組輸出功率與許多變量相關，最重要的變量是流量，而水力發電效率常用輸出/輸入比表示，這樣，其結果隨有效水頭、水輪機效率和發電機效率而變化。

　　表示水力發電效率的一種方法是計算由有效水頭降低和水輪發電機組效率下降引起的水力發電損失。為了表示發電功率損失函數中的發電效率，須探明每個變量對發電功率的影響。

　　11前池水位前池水位在水力發電系統的中、長期運行規劃中起主要作用。在以周（或月）為單位進行規劃的1a或多年的規劃時期，要對水庫的蓄水進行優化管理。

　　在以小時為單位的短期（一周）規劃中，觀察到前池水位變化很小，尤其象伊泰普這樣的大型水庫（19km3）而且，在這里所考慮的情況下，在1d內的規劃時期，前池水位變化完全可以忽略。

　　12尾水位相反，由于電站總流量的變化，使得尾水位會在短期內變化很大，對某些水電站，尾水位還取決于緊鄰下游電站的前池水位。對伊泰普而言，尾水位取決于下游24km處流入巴拉那河的主要支流伊瓜蘇河的流量。伊泰普的尾水位可用特殊的4次多項式函數表示（）在運行機組臺數一定的情況下，增加電站總的流量，從發電效率趨勢而言，也會增加輸出功率。但是，由于尾水位的抬高，使得有效水頭相應減少，功率輸出的增加比較小。

　　由尾水位增加引起的發電損失可由下式計算：么hi qn n臺機組運行時的總流量。

　　因為伊泰普電站的機組都相同，電站的總流量將均勻地分配到運行中的每臺機組，以使總的功率損失函數最小，即qn=n*q.但是，當機組不相同時，電站的總泄水量可采用常規的經濟調度算法在機組中分配，這種方法與火電站采用的算法相似。

　　13壓力鋼管水頭損失壓力鋼管水頭損失與水對壓力鋼管的摩擦有關，是流量的二次函數，hP=kq2，k是表示壓力鋼管特性的常數（2/m5）用下式可將壓力鋼管水頭損失（m）變換為壓力鋼管功14水輪機和發電機效率水輪機效率是產生的機械能和水的勢能之比。同樣，發電機效率是所產生的電能和機械能之比。水輪機效率通常表示為有效水頭和流量的函數，通常稱為效率曲線。繪出了伊泰普水輪機的效率曲線。應當指出，當流量增加時，水輪機的出力和效率也相應增加，直到效率達到最大值tax然后開始下降。為避免振動和空化對于每個有效水伊泰普水輪機的效率曲線由水輪機效率下降引起的發電損失，可以當時的前池水位作為參照點，用最高效率點來估算。水輪機在其他點的運行可引起發電損失，用下式表示：nmax水輪機最高效率，兩者均為n臺發電機組運行。

　　對伊泰普電站，最小和最大流量范圍取決于水頭，大約分別為400m3/s和720m3/s.在此范圍內，水輪機效率為70% ~95%.這種很大的變化表明，水輪機效率是水電機組優化調度的重要變量。

　　發電機效率可用函數n=n（p）表示，P是發電機機端的功率。表示伊泰普發電機的效率曲線。

　　因為發電機效率是功率輸出本身的函數，所以，將考慮計算總發電功率損失。

　　對于伊泰普，水輪發電機組的總效率n=n*\，可認為在0.67　　眾所周知，機組的起停對維修成本和運行壽命有負71994-2015ChinaAcademic發屯功幸/MW伊泰普電站發電機效率曲線15總發電功率損失一旦建立了估算由尾水位、壓力鋼管水頭損失和水輪發電機組效率引起的發電損失的方法，可用下列步驟計算n臺機運行時的總發電功率損失。

　　少量增加總流量，計算q=qn/n計算壓力鋼管水頭損失hp.按目前的前池水位，計算有效水頭h/D按目前的有效水頭，確定流量的允許范圍，即qmi*如果目前的流量在允許范圍內，轉到下一步。如果流量小于qmin轉到第（2）步。如果流量大于qmax轉到第根據目前的流量和有效水頭，由效率曲線確定水輪機效率。

　　利用至（6）和n=n（p），確定由尾水位、壓力鋼管水頭損失和水輪機一發電機效率引起的發電功率損失。

　　則總發電功率損失為：利用下列表達式，確定在目前前池水位情況下容許的發電功率范圍。Pmin和Pmax是n臺機組運行時的最小和最大發電功率：利用最小平方誤差技術，調整功率損失和發電量的二次函數，得到n臺機組運行時發電功率損失函數P繪出了伊泰普水電站14臺機組運行時總發電功率損失函數。

　　對于所有可能運行機組臺數，調整為發電功率損失函數的二次函數將是在優化調度模型中需最小化的目標函數之一。其他目標在下節考慮。

　　2機組起停成本14臺機組運行時發電功率損失面影響。但是，這些成本的估算似乎非常復雜。Nilsson會見了瑞典主要的發電廠商，摸清了與電站機組起停有關的主要成本因素，及其成本費用，以及它們對短期運行規劃的影響。其成果認為每起停一次的成本是3美元/MWL對于伊泰普機組，單機容量700MW卩每次起動與停機的成本是2100美元。Hara和Viana通過對發電機絕緣磨損和破壞的預測，估算了機組起停有關的成本。按照他們的研宄，一臺預計運行壽命為60a的發電機組，按每天起停一次運行，將減少運行壽命10a.這些研宄表明，從經濟方面編制機組運行時間表，需要考慮減少機組起停次數。在下節優化調度關系，發電機組起停次數的最小化與發電功率損失最小化相結合。

　　3問題公式化伊泰普水電站以1h為基礎的運行機組數的優化，可以用一個動態離散的優化模型來表述，對水力發電效率和發電機組的起停進行折衷權衡，用2個目標函數表示n在時間t的最少運行機組數；nt在時間t的最多運行機組數；Pn（'dt）在時間t的n臺機組運行的功率損失函數；dt在時間t的發電時間表；Cp機組發電功率損失成本；N自然數。

　　式（1山~（12）可用動態規劃技術有效地解出。其中時段為1h，狀態變量是每個時段中運行機組的臺數，控制變量是每個時段中起動或停機的次數。狀態空間是由每個小時完成發電計劃的最小和最大機組臺數之間的自然數定義。

　　式（10）~（12）的解可通過解下列遞歸方程求得：4試驗成果該模型按正常id的發電計劃表進行了試驗，其結果突出反映了使發電機組起停次數最少和發電功率損失最小兩個目標之間的折衷權衡，僅使機組的起停次數最少的解，會導致高的發電功率損失，而只使發電功率損失最小的解又會導致機組起停次數的明顯增加。示出了發電時間表，以及在編制發電時間表中采用的最多和最少電機臺數，該解分別使兩個目標的每一個均最小化。它也提供了中間角解考慮Cq為25美元/MW、Cap是每次起動或停機成本，為2 100美兀。

　　最優解表1是考慮的3種情況中每種情況所得結果一覽表，它列出了每種情況機組起停次數和發電功率損失。

　　表1成果小結起動或停機成本/美元電力損力成本八美元。MW.“li起停次數電力損失/MWDh第一個解，即最小起動解，在1d內不要求起動任何機組，但引起很高的電力損失。第二個角解即最小損失角解大大降低了電力損失，但大大增加了起動次數。從第一個解到第二個解，使電力損失下降獲得的經濟效益約為8 000萬美元/a第三個自解即將兩個目標結合起來，相對于第二個解，降低了起動機組的成本約17%，而功率損失僅增加0.3%.由此可見，至少在采用此處所考慮的估算機組成本時，損失最小化指標比起停機指標的效果更大。

　　但是，為了找到最經濟的解，或者在兩個目標之間優化協調，重要的是查明伊泰普水輪發電機組的實際起停成本。

　　示出了固定發電功率損失25美元/MWh和變化的起停成本的模擬成果。不出所料，機組的起停數隨機組起停成本的增加而減少。

　　靈敏度分析只有在每次起停機的成本達到62 000美元時，最小化機組起停機次數的指標才對發電功率損失指標起主要作用。

　　5結語本文提出了一個動態規劃模型，設計確定以小時為單位id內運行的水發電機組數，盡量減少發電功率損失和發電機組起停成本之間的協調。該模型己采用世界上正在運行的最大水電站伊泰普電站的數據作為試驗研宄表明，重要的是逐一考慮每臺水輪發電機組的特性，以精確模擬其效率。同時還表明了與發電系統有關的功率損失，應根據短期的水電與火電運行規劃模型加以考慮，因為它們對水電機組的經濟調度有很大影響。在此項研宄中所考慮的機組成本，折衷權衡增加機組起停次數，以達到低的功率損失。

　　總之，對于伊泰普水電站重要的是制定平緩的發電計劃表，這樣才能實現優化調度，使機組的起停次數少，同時發電功率損失低。水電機組優化調度的確定要求調查水輪發電機組起停真實經濟成本。對伊泰普水電站，估計該模型在發電功率損失方面得到的節約，估計每年為8000萬美元馬元挺譯自美刊《IEEE電力系統會刊》2002年2月沙文彬校