考虑动态功能的抽水蓄能电站综合规划模型
考虑动态功能的抽水蓄能电站综合规划模型
娄素华1 , 崔继纯2
(1. 华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室 , 湖北省武汉市 430074 ; 2. 国家电网公司 , 北京市 100031)
摘要 : 以系统运行的经济性和可靠性为目标 ,提出了一种抽水蓄能电站的综合规划模型。该模型
不仅考虑了系统需求约束、备用约束以及电站静态运行约束 ,而且考虑了能源约束、环保约束以及
各类型电站的爬坡和旋转备用容量等动态运行约束。通过对规划方案进行静态运行模拟和动态特
性模拟 ,得到抽水蓄能电站的动静态效益指标 ;基于综合效益比较 ,从拟定的方案中找出系统对抽
水蓄能电站的最佳需求空间和装机进度。应用该方法对某省级系统进行了算例计算分析 ,结果表
明了所述模型的有效性。
关键词 : 抽水蓄能电站 ; 规划模型 ; 动态特性 ; 运行方式优化 ; 综合效益
中图分类号 : TV743 ; TM715
收稿日期 : 2008207222 ; 修回日期 : 2008210215。
0 引言
随着国民经济持续高速发展 ,整个社会对能源
的依存度不断提高 ,对能源资源、能源安全和环境保
护等问题提出了更高的要求。为此 ,开发风能、太阳
能等可再生新能源 ,大区域联网 ,大容量电力输入 ,
建设核电、火电等大容量机组等成为电力工业的发
展趋势。电力系统的发展新特性为如何规划抽水蓄
能等调峰和调频电源结构、合理配置资源、提高系统
运行经济性提出了新的课题[123 ] 。
由于抽水蓄能电站在发展过程中 ,长期作为一
种调峰电源参与系统运行 ,因此当前抽水蓄能电站
的规划研究均从调峰电源规划出发 ,将抽水蓄能电
站看做一个单纯的调峰电源 ;规划方案中电站效益
的计算也只考虑了削峰填谷所带来的容量效益和节
能效益 ,即静态效益[4 ] 。然而 ,在现代电力系统中 ,
抽水蓄能电站已不仅仅是简单的蓄能发电的角色 ,
在实际运行中它更多地承担了调频、紧急事故备用
和调相的功能 ,从而保证系统安全、稳定、经济运行 ,
获得了显著的动态效益 ,而这些效益在当前抽水蓄
能电站规划中均没有得到有效的体现[528 ] 。因此 ,研
究适合现代电力环境的抽水蓄能电站规划理论和方
法是一项重要的研究课题。
本文从系统出发 ,综合考虑抽水蓄能电站的动
态效益和静态效益 ,建立抽水蓄能电站的综合规划
模型 ,分析系统对抽水蓄能的最佳需求容量 ,并以某
省电力系统为基础 ,进行了算例计算和分析。
1 规划数学模型
在电力系统中 ,抽水蓄能电站的建设是为了改
善系统的电源结构 ,弥补常规电源、新能源发电等在
系统调节功能上的不足 ,从而获得集约化的能源利
用效益。
1. 1 目标函数
抽水蓄能电站综合容量规划的优化目标为 :在
满足系统需求和各类约束条件的前提下 ,使系统在
规划期国民经济总支出最小且可靠性最高 ,因此这
是一个多目标的优化 ,模型的目标函数可表述为 :
min f 1 ( x) = FΣ
max f 2 ( x) = Rel
(1)
式中 : FΣ 为系统的总计算费用 ,
FΣ = ∑
T
t = 1
( Zt + W st ) (1 + r) - t +
∑
T
t = 1
( Fgt + Fkt - B t ) (1 + r) - ( t- 0. 5) (2)
Rel 为可靠性指标 ; Zt 为新投入电站在第 t 年年初发
生的投资费用; W st 为系统在第 t 年的电网投资费
用; Fgt 和 Fkt 分别为系统在第 t 年的固定运行维护费
和燃料费; B t 为系统在第 t 年获得的除发电以外的
其他效益; T 为规划期年数; r 为贴现率。
抽水蓄能电站综合规划是包括 2 个子目标的多
目标规划问题 :其一为经济性目标 ,即规划期总计算
费用最小 ;其二为可靠性目标 ,即系统的可靠性最好
或达到一定的可靠性水平。若单纯考虑经济性目标
即为静态容量规划[4] 。
1. 2 约束条件
从抽水蓄能电站的电源属性来看 ,其规划问题
是一类复杂的电源规划优化问题 ,需要满足系统及
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第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
电站的运行约束、系统的备用容量约束、抽水蓄能电
站的库容约束以及能源环保约束等。
1. 2. 1 系统需求和备用约束
1) 系统需求约束 ,即任何时候 ,系统发电容量总
和要满足系统电力需求 :
Pt + P0t = Dt (1 +ρ+σ) (3)
式中 : Pt 和 P0t 分别为新建电站和系统原有电厂在 t
时刻的出力; Dt 为系统在 t 时刻的负荷;ρ和σ分别
为厂用电率和系统线损率。
2) 系统备用容量约束 ,即系统电源容量除了满
足负荷需求外 ,还应有一定的备用容量 :
∑
m
i = 1
Cit + CZ0 - Dmax. t (1 +ρ+σ) ≥B t (4)
式中 : t = 1 ,2 , ?, T; Cit 为新建电站 i 在 t 年的新装
容量; CZ0 为系统原有装机容量 ; Dmax. t 为系统在 t 年
的最大负荷; B t 为系统在 t 年应有的备用容量; T 为
规划期年数; m 为规划期新建电站数。
1. 2. 2 电站的运行约束
1) 电站最大、最小出力约束 :
Pmin. j ≤ Ptj ≤ Pmax. j j = 1 ,2 , ?, N G (5)
式中 : Ptj 为电站 j 在 t 时刻的出力; Pmin. j 和 Pmax. j 分
别为电站 j 最小、最大出力; N G 为系统中电厂总数。
2) 燃料消耗约束 :
∑
τ
t = 1
Ejtβj ≤A jτ j = 1 ,2 , ?, N Th (6)
式中 : Ejt 为火电厂 j 在时刻 t 的发电量; A jτ为电厂 j
在时段τ的燃料消耗限量;βj 为电厂 j 的平均燃料
单耗; N Th 为火电厂的数量。
3) 水电水量消耗限制 :
∑
τ
t = 1
Ejt ≤W jτ j = 1 ,2 , ?, N Hy (7)
式中 : Ejt 为水电厂 j 在 t 时刻的发电量; W j 为水电
厂在时段τ内的平均出力; N Hy 为水电厂的数量。
4) 抽水蓄能电站电量平衡约束 :
EjG = ηj E jP j = 1 ,2 , ?, N PS (8)
式中 :ηj 为抽水蓄能电站 j 的抽水/ 发电转换效率;
Ej G和 EjP 分别为抽水蓄能电站 j 在其调度周期τ内
的发电量和抽水电量; N PS为抽水蓄能电厂总数。
5) 抽水蓄能电站库容约束及备用容量约束 :
V Gt ≤V G. max - V B (9)
CSR. PS. t ≤CSR. PS. max (10)
式中 :V Gt 为抽水蓄能电站 t 时刻上库库存的发电水
量;V G. max 和 V B 分别为抽水蓄能电站上库库容和预
留备用库容 ; CSR. PS. t 和 CSR. PS. max 分别为抽水蓄能电
站 t 时刻承担的旋转备用容量和最大备用容量。
6) 抽水蓄能电站整机抽水约束 :
CP. t = m PPS. P. N m = 1 ,2 , ?, N PS (11)
式中 : CP. t 为抽 水蓄 能 电 站 t 时 刻 的 抽 水 容 量;
PPS. P. N 为抽水蓄能机组的抽水额定出力。
1. 2. 3 环保约束
以主要污染物 SO2 为例 ,其年排放总量约束 :
GSO2 ≤GSO2. max (12)
式中 : GSO2. max 为 SO2 的年排放量限值。
除了满足上述的系统功率平衡及电站的静态运
行约束条件外 ,基于综合效益评估的抽水蓄能电站
规划还需考虑各类型电站的动态运行约束。因此 ,
本文在调峰电源规划模型约束条件的基础上 ,还考
虑了以下类型约束。
1. 2. 4 抽水蓄能电站备用库容约束
V B = V B. Fau + V B. FM (13)
式中 :V B. Fau 和 V B. FM 分别为抽水蓄能电站预留事故
备用库容和调频备用库容。
1. 2. 5 抽水蓄能电站动态备用容量约束
CPS. SR. t = CPS. Fau. t + CPS. MF. t (14)
式中 : CPS. Fau. t 和 CPS. MF. t 分别为抽水蓄能电站 t 时刻
承担的事故备用容量和调频备用容量。
1. 2. 6 爬坡速度约束
1) 火电机组爬坡速度约束
V Th. i. t ≤V Th. i. max i = 1 ,2 , ?, N Th. TY (15)
式中 :V Th. i. t 和 V Th. i. max 分别为第 i 类火电机组 t 时刻
的爬坡速度和最大升荷速度 ; N Th. TY 为火电机组的
类型数。
2) 抽水蓄能机组爬坡速度约束
V PS. t ≤V PS. max (16)
式中 :V PS. t 和 V PS. max 分别为抽水蓄能机组时刻 t 的
爬坡速度和最大升荷速度。
3) 系统爬坡速度约束
V Sys. t = ∑
N Th
i = 1
V Th. i. t + ∑
N PS
j = 1
V PS. i. t (17)
V Sys. t ≤V Sys. Need (18)
式中 :V Sys. t 为系统时刻 t 的爬坡速度;V Sys. Need 为系统
需求的升荷速度 ,当负荷变化时为负荷的升荷速度 ,
系统事故时为无穷大。
2 规划原理
基于综合效益评价的抽水蓄能电站规划原理框
图如图 1 所示。
抽水蓄能电站规划的系统流程如下 :
1) 输入原始数据。包括系统负荷数据、电源数
据、待优化的蓄能电站数据及其动态特性 ,规划期的
其他类型电源装机计划。
2) 进行抽水蓄能电站装机容量优化。根据规划
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期系统需求 ,拟定蓄能电站装机容量方案集。
3) 对于某一个确定的抽水蓄能电站规划容量 ,
进行总库容的优化 ,生成总库容方案集。
4) 对于确定了抽水蓄能电站装机容量、库容规
模的规划方案 ,进行运行方式的优化及静动态综合
效益计算。
5) 当全部规划方案计算完毕 ,针对一些敏感的
技术参数 ,对抽水蓄能电站进行灵敏度分析和技术、
经济、社会、环保效益等的综合分析。
6) 得到抽水蓄能电站综合规划的结果。
图 1 抽水蓄能电站规划原理
Fig. 1 Flow chart of pumped2storage station planning
基于此规划模型 ,不仅可以进行抽水蓄能电站
的中长期规划 ,也可以针对某一水平年的蓄能电站
装机容量进行优化规划。
3 运行方式优化和综合效益评估
抽水蓄能电站规划的核心部分是对不同规划方
案的蓄能电站进行水平年运行方式优化及综合效益
评估[9] 。
抽水蓄能电站综合效益评估需在系统静态生产
模拟基础上 ,进行系统动态特性仿真[10 ] ,从而得到
包括电站静态、动态效益的综合效益指标。抽水蓄
能电站的运行方式优化及综合效益计算流程如下 :
1) 输入系统水平年数据、抽水蓄能电站装机容
量和库容等基本数据 ;
2) 进行发电容量/ 备用容量的优化计算 ,生成发
电/ 备用容量优化方案集 ;
3) 进行发电库容和备用库容的优化 ,生成备用
库容优化方案集 ;
4) 对确定的某一方案 ,进行静态运行模拟 ,计算
系统的年可变运行成本 ;
5) 对方案进行系统事故和调频备用等动态响应
过程模拟 ,计算系统可靠性指标 ;
6) 计算抽水蓄能电站的综合效益 ;
7) 判断是否所有的发电/ 备用库容方案计算完
毕 ,是则到下一步 ,否则转向步骤 4 ;
8) 判断是否所有的发电/ 备用容量方案计算完
毕 ,是则到下一步 ,否则转向步骤 3 ;
9) 输出优化结果和抽水蓄能电站的综合效益。
4 算例分析
应用本文所提出的抽水蓄能规划模型 ,以某省
电力系统为基础 ,基于经济调度模式进行了算例计
算和分析。该测试系统为纯火电系统 ,统调火电机
组的技术参数见表 1 ,规划蓄能机组单机容量为
300 MW。
表 1 各类火电机组的技术经济参数
Table 1 Technology parameters of unit in test system
单机容
量/ MW
单机
台数
最小技术
出力/ ( %)
启停煤耗/
(t ·次 - 1)
SO2 单位排
放/ ( %)
爬坡速度/
(MW ·min - 1)
1 000 1 50 300 0. 16 20. 0
600 8 55 150 0. 16 12. 0
300 51 57 60 0. 16 6. 0
200 11 60 35 1. 60 4. 0
135 51 60 21 1. 60 3. 0
125 4 65 19 1. 60 2. 5
100 13 65 17 1. 60 2. 0
50 23 70 8 1. 60 1. 0
注 : SO2 单位排放数值为煤耗的百分数。
4. 1 需求空间分析
基于本文模型 ,对不同装机容量的抽水蓄能规
划方案进行了系统静、动态模拟 ,各规划方案的系统
经济、技术指标见表 2 和表 3。图 2 给出了抽水蓄
能电站各规划方案与纯火电方案相比节约的各项费
用的对比情况。
从表 2、表 3 和图 2 可以看出 :
1) 系统中采用抽水蓄能机组调峰和满足动态需
求时 ,可以替代火电机组装机容量 ,节省系统的装机
投资。这种容量替代效益随着抽水蓄能装机增加先
增大再减小 ,当装机容量达到 3 600 MW 时达到最
大值 ,之后再增加装机 ,由于蓄能机组对火电的容量
替代率已经不能再达到 100 % ,因此容量效益反而
下降。
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·学术研究 · 娄素华 ,等 考虑动态功能的抽水蓄能电站综合规划模型
表 2 不同抽水蓄能电站规划容量方案的系统经济指标
Table 2 Economical indices under different planning schemes
装机容量/ MW 总投资/
亿元
投资等年值/
亿元
固定运行费/
亿元
可变运行费/
亿元
污染费/
亿元
缺电损失/
亿元 年费用/ 亿元
0 1 545. 18 170. 23 61. 81 289. 46 5. 27 0. 796 527. 56
600 1 543. 98 170. 00 61. 30 288. 62 5. 09 0. 456 525. 47
1 200 1 542. 78 169. 78 60. 80 287. 56 4. 88 0. 342 523. 37
1 800 1 541. 58 169. 55 60. 30 287. 15 4. 70 0. 299 522. 00
2 400 1 540. 98 169. 39 59. 82 287. 43 4. 92 0. 254 521. 81
3 600 1 539. 78 169. 08 58. 86 288. 87 5. 14 0. 187 522. 13
4 200 1 549. 67 170. 07 58. 79 289. 46 5. 35 0. 143 523. 81
表 3 不同抽水蓄能电站规划容量方案的技术指标
Table 3 Technology indices under different
planning schemes
装机容量/ MW 煤耗/ 万 t SO2 排放/ 万 t 电量不足/ (MW ·h)
0 4 824 26 10 733
600 4 810 25 6 138
1 200 4 793 24 4 605
1 800 4 786 24 4 024
2 400 4 790 25 3 428
3 000 4 802 25 2 877
3 600 4 815 26 2 518
4 200 4 824 27 1 930
图 2 不同容量方案费用节约趋势
Fig. 2 Saving fees of different planning schemes
2) 由于抽水蓄能机组的加入 ,整个系统的煤耗
和 SO2 排放量会有较大的降低 ,节能和减排效益随
着蓄能机组装机容量的增加也先增大后减小 ,装机
为 1 800 MW 时达到最大值 ,比无蓄能机组时节煤
0. 82 % ,SO2 的排放量减少 10 %。
3) 随着装机容量的增大 ,抽水蓄能电站承担系
统动态备用功能的容量也越来越大 ,系统的可靠性
提高 ,电量不足带来的损失降低 ,因此 ,系统可靠性
随着抽水蓄能装机容量增大呈现逐渐提高的趋势。
4) 综合考虑系统的经济性、燃料消耗、污染物排
放和可靠性 ,2 400 MW 为各装机方案中年费用最
低的 方 案 , 随 着 装 机 容 量 的 增 加 , 年 费 用 在
2 400 MW～3 600 MW 之间呈现一种微增的趋势 ,
此时系统的动、静态需求都已经得到了很好的满足 ,
若再增加蓄能电站容量已经不能 100 %替代火电。
从图 2 可知 ,该系统抽水蓄能电站的综合规划容量
范围为 2 400 MW～3 600 MW ,大致占该系统总装
机容量的 7 %～11 %。
4. 2 与静态规划的对比分析
基于静态调峰电源规划模型 ,只考虑抽水蓄能
在系统中的发电效益 ,对算例系统进行了规划计算。
表 4 给出了不同规划模型下的抽水蓄能电站不同装
机容量方案与纯火电系统相比节约年费用的对比情
况。
表 4 不同规划模型下系统年总费用节约对比
Table 4 Comparison of saving fees of planning schemes
under different planning models
装机方案/ MW 静态规划/ 亿元 本文模型/ 亿元
0 0 0
600 1. 73 2. 09
1 200 3. 33 4. 19
1 800 4. 89 5. 56
2 400 4. 41 5. 75
3 000 4. 30 5. 62
3 600 3. 43 5. 61
4 200 1. 41 3. 75
由表 4 可以看出 ,该系统抽水蓄能电站的静态
规划容量范围为 1 800 MW～3 000 MW ,约占系统
总装机容量的 5 %～9 %。这主要是由于静态规划
模型只考虑抽水蓄能电站的削峰填谷效益 ,系统对
蓄能机组的需求由系统的峰谷差和其他类型电源的
压荷能力决定 ,与系统的动态需求以及机组的动态
特性无关 ,导致蓄能机组在系统中的动态功能未得
到正确的评估 ,所得到的规划容量不能完全反映系
统的真正需求。而本文的规划模型是基于抽水蓄能
电站的综合效益评估 ,所得到的规划容量既包括了
系统对蓄能电站的静态需求又包含了系统对蓄能电
站的动态需求。
5 结语
本文立足于国内抽水蓄能电站的发展需求 ,提
出了考虑电站动态功能的抽水蓄能规划模型 ,模型
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2009 , 33 (1)
以系统的经济性和可靠性作为优化目标 ,除了考虑
一般调峰电源的约束条件外 ,还考虑了系统以及各
类机组的动态约束。以某省级火电系统为基础进行
了算例仿真 ,计算结果表明 ,系统中抽水蓄能电站的
需求空间不仅与系统、负荷、电源结构相关 ,而且与
其动态特性相关。本文模型的建立为国内抽水蓄能
电站的科学有序发展提供了理论基础 ,对建设安全、
节能、和谐的电力系统具有深远的意义。
参 考 文 献
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娄素华 (1974 —) ,女 ,通信作者 ,副教授 ,主要研究方向 :
电力系统规划与可靠性、新能源发电和电力技术经济。
E2mail : shlou @mail. hust. edu. cn
崔继纯 (1961 —) ,男 ,高级工程师 ,主要研究方向 :电力
系统安全经济稳定运行。
An Integrated Planning Model of Pumped2storage Station Considering Dynamic Functions
L OU S uhua1 , CU I J ichun2
(1. Hubei Electric Power Security and High Efficiency Key Lab , Huazhong University of Science and Technology ,
Wuhan 430074 , China ; 2. State Grid Corporation of China , Beijing 100031 , China)
Abstract : Aimed at the least annual accounting fee and the highest reliability , a novel mathematical model for optimal expansion
planning of the pumped2storage station is presented. The constraints of the model consist of two types , the conventional type
involving system demand and reserve capability constraints , operation characteristic of the generation unit constraints , energy
sources consumption of generation station constraints , reservoir capability and spare capability of pumped storage station
constraints , etc. The other type includes pollution emission constraints , ramp rate of generation unit constraints , dynamic
reserve capability constraints , etc. By simulating the production dispatch and dynamic process in the case of system fault and
load variation , the static benefit and dynamic benefit can be obtained. The most desirable planning scheme of pumped2storage
stations can be found from all possible schemes by comparing all indices. The case study of an actual provincial power system
shows the practicability and feasibility of the method.
Key words : pumped2storage station ; model of expansion planning ; dynamic characteristic ; operation modes optimization ;
comprehensive benefit
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