水电站短期经济运行PPT课件

1、第二节 水电站短期经济运行的“以电定水”模式一、优化课题与准则（一）优化课题（二）优化准则二、优化数学模型三、数学模型求解方法第1页/共40页（一）优化课题 “以电定水”模式的基本课题是：对于计划期T（总时段数，时间范围为t0tT），在已知水电站总负荷过程和预测入库流量过程等条件下，寻求使所采用的优化准则达到极值的水电站各时段工作机组的最优台数、组合及有功负荷在工作机组间的最优分配，以及相应的水库蓄泄状态变化过程和泄流设施控制过程。第2页/共40页（二）优化准则常用准则包括：计划期T内的水电站输入能Ein(T)最小计划期T内的水电站效率 最大计划期T内的水电站能量损失E(T)最小计划期T内的水

2、电站引用水量W(T)最小( )T第3页/共40页二、优化数学模型（一）目标函数00( ),1( ,)()( )( )TTn tttininin ittjiL i jETPt dtPt dt0( ),1( , )9.81( )( )minTn ttfd iitjiL t jQt Ht dt式式1第4页/共40页离散形式为( )*,11( , )( )min9.81( )( )( )n tTinfd iihtji L t jETQt H tT t ( ),11( , )min9.81( )( )( )/3600n tTfd iitji L t jQt H tT t 第5页/共40页 为 时段水电站

3、总的输入功率， ； 分别为 时段 号机组的输入功率， ，发电流量， ，和机组（段）水头， ； 表示 时段以秒为单位的时段长， ，为表述方便，用 表示 时段以小时为单位的时段长， 。( )inP ttkW,( )in iPt,( )fd iQt( )iH ttikW3/msm( )T tts( )hT tth第6页/共40页0( )( )TttW TQ t dt0( ),1( , )( )( )( )( )Tn ttfd iqd ikz itx itji L t jQtQtQtQt dt min式式2第7页/共40页离散形式为( ),11( ,)* ()m in( )( )( )( )( )nt

4、Tfd iq d ikz itx itjiLtjWTQtQtQtQtTt 为 时段水电站总的引用流量， ； 分别为 时段 号机组的工作流量、启动损失流量、空载流量及调相损失流量， 。( )Q tt3/ms,( )fd iQtti,( )qd iQt,( )kz iQt,( )tx iQt3/ms第8页/共40页式式3( )*,11( , )( )min( )( )n tTfd itji L t jWTQtT t 第9页/共40页（二）约束条件1、电力系统约束（产出型约束）2、水库特性约束3、水电站特性约束4、综合利用约束5、初始条件约束6、非负约束第10页/共40页1、电力系统约束( )1(

5、, )( )( )n tisji L t jP tP tt时段水电站总负荷（出力）第i号机组出力式式4第11页/共40页2、水库特性约束（1）水库水量平衡约束 令：( ),1( , )( )( )( )( )( )n tckfdqsfd iqsji L t jQtQtQtQtQt 则有(1)( )( )( )( )rkckV tV tQtQtT t( ),1( , )( )( )( )( )( )n trkfd iqsji L t jV tQtQtQtT tt时段末库蓄水量t时段初库蓄水量t时段平均入库流量t时段平均出库流量t时段弃水流量 式式5第12页/共40页（2）库容曲线约束(1) (1

6、)shZVZtfV tt时段末水库上游水位库容曲线函数式式6第13页/共40页（3）库水位或库蓄水量约束：minmaxminmax(1)(1)(1)(1)(1)(1)shshshZtZtZtVtV tVtt时段末水库上游允许最低水位t时段末水库上游允许最高水位t时段末水库上游允许最小蓄水量 t时段末水库上游允许最大蓄水量式式7第14页/共40页（4）泄流设施泄流能力约束：,1( )( )(1)/ 2xieMqsjxie jshshjQtNfZtZt水库泄洪设施个数 每种泄洪设施的孔数泄洪设施的最大泄洪流能力函数式式8第15页/共40页（5）下游水位流量关系约束( )( )xyZQckZtfQt

7、t时段下游平均水位下游水位流量关系函数式式9第16页/共40页3、水电站特性约束（1）机组（段）水头：minmax,( )( )(1)( )( )( )2( )( )iiishshixyiiH ifd iHH tHZtZtH tZtH tH tfQt式式10第17页/共40页（2）机组预想出力限制：,( )( )yxiyxcl iiPtfH t式式11第18页/共40页（3）机组出力限制：minmax( )( )( )iiiPtP tPt 决定于机组运行条件和电力线路限制等。 如果电网不给定上线，则取预想出力值。式式12第19页/共40页（4）机组耗流量特性：,( ) ( ),( )fd ii

8、iiQtQ P t H t若采用目标函数式（页7），则不需要该约束式。式式13第20页/共40页4、综合利用约束（1）出库流量限制：min( )( )ckxyQtQtt时段下游综合利用要求的最小下泄流量式式14第21页/共40页（2）下游航运约束，表示为：minmin( ),1max( ),1min( ),1xyxyxyxydayZt tTZZt tTZt tT航运要求的水位允许最大日变幅，一般还有水位允许最大1小时变幅限制。式式15第22页/共40页5、初始条件约束0(1)sysyZZ计划期初始库水位式式16第23页/共40页6、非负约束 各种变量必须为非负值。 约束条件的类型和数量主要与水

9、电站的具体情况有关。除上述比较通用的约束外，对整个水电站还可能增加输电线路过载能力及水利系统的其他要求等限制条件，为保证机组和整个水电站安全可靠工作，还可能对机组台数、组合、启停次序及机组连续工作时间和停机时间提出相应的约束要求。第24页/共40页三、数学模型求解方法（一）模型变量分析 长中短期水电站水库运行调度优化模型均具有相同的变量特点，为了选择各种时间尺度模型求解中的状态变量和决策变量，在介绍模型求解方法之前，这里首先讨论一下模型变量关系，并确定关键性变量。第25页/共40页1、模型已知数据（1）水电站水库基本特性： 库容曲线 、下游水位流量关系(*)ZVf(*)ZQf 各机组水头损失函

10、数 预想出力函数,(*)H if,(*)yxcl if 耗流量特性函数 各泄流设施的最大泄流能力函数 ( ),( )iiiQ P t H t,(*)xie jf第26页/共40页（2）实时（或预测）数据：各时段（t=1T）长 ，电网给的时段负荷 和入库流量 ，时段末水库上游允许最低和最高水位 、 ，各机组的最小和最大出力 、 ，下游综合利用要求的最小下泄流量 ，航运要求的下游最低水位 和允许最大日变幅 ，计划期初始库水位 。( )T t( )sP t( )rkQtmin(1)shZt max(1)shZt min( )iPtmax( )iPtmin( )xyQtminxyZday0syZ第27

11、页/共40页2、模型未知变量（1）水库类变量：各时段 末水库上游水位 和蓄水量 ，各时期段 水库下游水位 、弃水流量（2）水电站机组类变量：各时段 各机组水头损失 、水头 、预想出力 、机组出力 及发电流量 1tT1tT(1)shZt (1)V t ( )xyZt( )qsQt1tT( )iH t( )iH t( )yxiPt( )iP t,( )fd iQt第28页/共40页3、模型关键性变量讨论（1）时段末库蓄水量。如果已知 ，查库容曲线可以得到 ，根据水库水量平衡方程式 可以反算总出库流量 ，由总出库流量 查下游水位流量关系曲线得下游水位 ，而弃水流量 和总发电流量 如何分配，则决定于水

12、电站运行方式，即必须知道各机组出力 或发电流量 。 所以，水库类关键变量是 或 。(1)( )( )( )( )rkckV tV tQtQtT t(1)V t (1)shZt ( )ckQt( )ckQt( )xyZt( )qsQt( )iP t,( )fd iQt(1)V t (1)shZt 第29页/共40页（2）时段机组发电出力或流量。如果已知各机组发电流量 ，可根据水库类关键变量和式10计算水头损失 和水头 ， 由 再根据预想出力函数式(11) 计算 ，并根据 和 查机组耗流量特性式(13)得机组出力 。同样如果知道 ，也可以迭代求解 和其他变量，所以，水电站类关键变量是机组出力 或机

13、组发电流量 。,( )fd iQt( )iH t( )iH t( )iH t( )yxiPt( )iH t,( )fd iQt( )iP t( )iP t,( )fd iQt( )iP t,( )fd iQt第30页/共40页 由此可见，水库类和水电站类关键变量之间具有唯一的转换关系，无论以哪个变量为决策变量，均可以计算其他系列变量。具体选用哪个变量为决策变量应视模型时间尺度类型（中长期或短期）、给定负荷约束或用水量约束、以及计算的快捷方便程度而定。第31页/共40页（二）模型求解方法 由于式（3）不考虑机组启停水量损失，则用水量最小模型就大为简化，因为不必考虑时段之间的关联，可以将该模型分解

14、为T个独立的实时经济运行模型，分别按照第二章介绍的方法进行求解即可。( )*,11( , )( )min( )( )n tTfd itji L t jWTQtT t 第32页/共40页 运用动态规划法求解实时经济运行模型，可以得到任意机组组合或全厂的最优动力特性曲线 ，该曲线是以水头H为参数的曲线簇。但由于计划期内负荷过程变动或入库流量过程变化较大时就会造成水库水位或下游尾水位波动较大，因此，各时段水头可能差别较大，且在没有确定出库流量之前，无法计算水电站或机组（段）水头，这就需要采用迭代法进行逐时段计算，具体步骤如下：*( ,)QP H第33页/共40页（1）对于任一时段t（ ），假设出库流

15、量 ，并令总发电流量 。（2）根据水库水量平衡方程式（5）计算时段末库蓄水量V（t+1），如果V（t+1） ，则令 、且 。由V（t+1）查库容曲线可以得到 ，由 查下游水位流量关系曲线得下游水位 ，由式（10）可计算水电站或机组（段）水头 。1tTckQ( )0fdQt max(1)Vt max (1)(1)/( )ckckQQV tVtT tmax(1)(1)V tVt(1)shZt ckQ( )xyZt( )H t第34页/共40页 （3）根据 和时段负荷 ，查事先编制好的全厂（或调用计算软件制定的制定机组组合下的）最优动力特性曲线 ，可以得到该时段水电站应投入的机组台数、各机组编号（或

16、组合）、各机组所分配的负荷以及各机组发电流量和全厂发电流量 。( )H t( )P t*( ,)Q P H( )fdQt第35页/共40页 （4）如果 （ 为流量迭代允许误差），则令 ，并调整 （应注意不小于综合利用最小下泄流量），重复（2）（3）直至收敛为止；否则，说明该时段迭代计算已经收敛，可以进入下个时段的优化分配，直至所有时段计算完成。 由于实际情况非常复杂，各水电站特性可能差别较大，因此该模型的求解方法也会差别很大，有些情形比较简单，而有些情形则会造成该模型很难求解，所以需要技术人员结合实际经验，在保证计算精度的前提下，进行合理概化，并运用科学的优化方法进行求解。主要难点表现在以下两个方面不同水电站采用不同的水头损失计算方法；水电站机组类型多、机组台数多。|( )( )|fdfdQQtQtQ( )( )fdfdQtQtckQ第36页/共40页第三节 水电站短期经济运行的“以水定电”模式一、优化课题与准则二、优化数学模型三、数学模型求解