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径流式二级水电站电气发电量优化及短期发电量预测

时间:2018-03-07 19:48来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中
本文是一篇电气工程论文,机械工程是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程是工学研究生教育一级学科,工程研究生教育一个领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
水电站因其水轮机组能量转化率高、相关机电及工程技术成熟、水资源是可再生的,且在发电过程中无温室气体排放等特点,在电力生产过程的环节中占有重要地位[1]。虽然我国水能资源总量、投产装机容量和年发电量均居世界首位,水电工程技术居世界先进水平,但在水资源的开发程度上与发达国家还有一定差距。目前,全球常规水电装机容量约 10 亿千瓦,年发电量约 4 万亿千瓦时,开发程度为 26%(按发电量计算),欧洲、北美洲水电开发程度分别达 54%和 39%,南美洲、亚洲和非洲水电开发程度分别为 26%、20% 和 9%。发达国家水能资源开发程度总体较高,如瑞士达到 92%、法国 88%、意大利 86%、德国 74%、日本 73%、美国 67%。发展中国家水电开发程度普遍较低。我国水电开发程度为37% (按发电量计算),与发达国家相比仍有较大差距,还有较广阔的发展前景。今后全球水电开发将集中于亚洲、非洲、南美洲等资源开发程度不高、能源需求增长快的发展中国家,预测 2050 年全球水电装机容量将达 20.5 亿千瓦(2050GW)[2]。在依靠加紧建设,提高水电规模体量的同时,加强科学管理挖掘现有水电站潜力,也是提高水电站经济效益的一个重要方面,对于水电站经济调度是目前各国都在研究的课题。水电站按水库的调节能力可分为有调节水库水电站和无调节(径流式)水电站。径流式水电站因其无调节能力,或可调节范围很小,主要依靠大流量发电,发电量很大程度由流域的来水决定,对于上游属自然河流的径流式水电站,径流流量随季节及气候变化,水量变化周期大,负荷调节时间比较宽裕,如电站上游存在大型水电站,并在电力系统中担任调峰或者调频任务时对下游径流式水电站的流量调度在短时间内将产生很大压力[3]。入库水流的不确定性也使得水电站在调度运行时面临着水量利用与水头控制间的协调矛盾[4]。根据径流式水电站的运行特点可以发现,当来水量小于电站引用流量会使得运行水位快速下降,引起机组效率下滑或者水位超过运行允许下限停机,而当来水量大于电站引用流量,则会使得水位快速升高,导致必须弃水降低电站的可用性[5]。所以对流量进行优化调度,是径流电站优化中需要首先考虑的问题。同时因电能的生产、传输及消费几乎同时进行,用电负荷与发电量平衡是电网稳定的前提,作为电网中处于被调度的电源环节,准确的发电能力的预测是调度的重要参考依据,因此在流量优化调度的同时还要考虑对当前负荷区间的计算。鉴于径流电站其本身无调节能力、且外部因素对运行起决定作用的固有特点,仅依靠对其本身研究与处理,只能在提高发电潜力和增加运行效益方面起到非常有限的作用。
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1.2 国内外水电站发电控制现况
世界范围内,欧美等一些发达国家在 20 世纪 40 年代已经开始中控室+现地两级控制方式,70 年代末开始实现无人值班以及由上级电站或梯级调度进行远程遥控[8],一方面降低了运营成本,另一方面使得统一规划集中控制成为了可能。我国积极引入、消化吸收发达国家的先进经验,从而加快了我国水电站自动化的发展及建设进度,使得我们在水电站运行与控制上已达到世界先进水平。无人值班(少人值守)是水电站运行和管理自动化水平的标志[9]。目前国内新建的中型以上水电站已普遍采用了计算机监控技术,且基本按无人值班(少人值守)要求进行设计,为电站的远端控制打下了良好的基础。随着我国节能发电调度政策的逐步实施,为最大限度的利用流域梯级水资源,提高流域级水电站安全运行能力和优化调度效益,开展流域梯级水电站的经济运行研究工作意义重大[10]。目前流域梯级水电站群采用远程集中控制的管理模式已是国内集团发电企业生产管控的一大发展趋势,如贵州乌江集控中心、云南澜沧江集控中心、湖北清江集控中心、长江三峡集控中心、华能康定成都集控中心、国电大渡河成都集控中心、二滩雅砻江成都集控中心等[11][12]。梯级水电群联合运行在一些发达国家应用也非常成熟,如法国电力公司在Durance-Verdon 流域拥有一个 19 座电站组成的梯级电站群,约占其全国水电产量的 10%,由电力公司的优化调度部门进行集中的负荷计算及分配,在每个电站还设置有一个水位控制机制保持水位的稳定,水位控制直接作用于水轮机的导叶机构,这样会使实际发电负荷与调度计划负荷产生略微的偏差,近期法国电力公司准备通过控制系统的升级同时引入机组调频功能解决这一偏差问题[13]。加拿大魁北克水电公司的梯级水库优化调度系统控制着 8 个水系 75 个不同类型的 51座水电站,也是世界范围内比较有影响力的代表[14][15]。委内瑞拉 EDELCA 公司的流域梯级水电站群调度系统对古里水电站、马卡瓜水电站、卡拉瓦奇水电站等进行调度优化[16]。
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第 2 章 径流式水电站计算机监控系统
 
水电站自动化程度的提高,对电站降低运营成本,提高电能质量有着重要的意义。随着计算机技术的发展及普及,作为电站自动化的中枢——计算机监控系统,在电力及自动化的生产领域中扮演着越来越重要的角色。计算机监控系统可对监测对象进行信息采集,数据运算处理、修正并储存,并可对外提供数据与通信接口。使用计算机监控系统,可以完成电站内繁琐的流程操作,缩短机组开机及停机过程,在第一时间对事故进行自动处理,减少机组的无效运行时间。目前几乎所有的电站内的高级应用,如自动发电控制,自动电压控制等运行控制环节,生产信息系统等管理环节均需要以计算机监控系统为数据来源,同时电站长时间运行过程中积累的大量运行数据储存于计算机监控系统,是电站进行优化分析的重要的数据来源。本文后续章节优化算法所使用的数据均来源电站的计算机监控系统。
 
2.1 研究对象的基本情况
Sopladora 电站业主为厄瓜多尔国家电力公司,承建方为葛洲坝集团,机电设备由中国机械设备工程股份有限公司提供。电站位于南美洲厄瓜多尔 Azuay和 Morona Santiago 省的 Paute 河上,坐落在整个流域的偏下位置,属于 Paute 流域梯级电站中的第三级。电站配置了三台混流式发电机组,单台额定功率162.3MW,电站总功率 487MW,Monilo 为其上一级电站,总装机容量 1100MW。Sopladora 水电站为径流式水电站,没有坝体及蓄水水库,取水通过一条长4709.84 米,平均直径 7.6 米的负荷隧道,位于负荷隧道顶端的是一个人工修建的长 44.74 米,宽 6.7 米的互联室,互联室直接连接至 Monilo 电站发电尾水。互联室在引导 Monilo 尾水进入负荷隧道的同时,启到一定的蓄水及稳定水头的作用,并同时对为位于负荷隧道末端的地下厂房内的水轮机组进水增压,供Sopladora 电站发电使用。因上述情况的存在,业主厄瓜多尔国家电力公司在 Sopladora 电站招标时就已经规划将 Monilo 电站和 Sopladora 电站将按一个发电组进行调度,由电网调度中心设定两级电站的总发电功率或负荷曲线,要求在考虑电站间电力平衡、水量平衡以整个流域梯级经济效益最大化为目标,来确定各电站最佳的运行的机组台数,及组合方式,以及最佳的功率分配方案。从电站运行数据的获取上来说,由Monilo 电站的监控系统进行负荷分配的话更简单直接,但因为 Monilo 电站建成时间较早,其 DCS 系统没有承担相关计算功能的能力,所以业主要求相关计算的工作需要在 Sopladora 电站的 DCS 系统中完成。
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2.2 电站计算机监控系统
分布式计算机监控系统(Distributed Control System,DCS),也称为集散控制系统。由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路,同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统采用可编程逻辑控制器(PLC)分别控制各个功能单元,使用商用计算机或高性能的服务器实施上一级的控制。各单元之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监控系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的,是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。分布式控制系统硬件部分包括现地控制单元和操作站两部分。现地控制单元的是由许多功能分散的 IO 模件(或称卡件)按照一定的逻辑或物理顺序安装在控制柜中,各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接,以实现信息交互。设立现地控制单元时,会预先将控制对象划分为不同的功能相对独立的控制区域。现地控制单元将被安装在每个控制区域附近,对该区域的过程量进行采集及处理,并通过网络与其他控制单元和操作站进行通信。操作站主要用来显示并记录来自各控制单元的过程数据,是人与生产过程信息交互的操作接口,典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等,主要实现强大的显示功能(如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等)、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。操作站对各现地控制单元进行统一管理,收集来自于 LCU 的数据,并下发来自于上级系统或运行人员的操作指令。在分布式控制系统中,控制功能尽可能分散,管理功能相对集中,这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性,不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理级发生故障时,过程控制级(控制回路)仍具有独立控制能力,个别控制回路发生故障时也不致影响全局,所以分布式控制系统的可靠性、稳定性、可维护性较传统的集中控制系统更高。分布式控制系统通常采用分级递阶结构,每一级由若干子系统组成,每一个子系统实现若干特定的有限目标,形成金字塔结构,综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等 4C 技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
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第 3 章 径流式水电站的水位控制..........20
3.1 水位控制在径流式水电站中的作用 ........... 20
3.2 基于模型的控制与无模型控制........22
3.3 以逐次逼近为理念的无模型水位控制.......23
3.4 小结............28
第 4 章 自动发电控制(AGC).......29
4.1 水电厂自动发电控制的安全边界条件 ...... 29
4.2 水电厂自动发电控制的调节算法....33
4.3 基于 AGC 的水位控制操作流程.........37
4.4 基于 AGC 的水位控制效果评价.........38
4.5 小结............41
第 5 章 流域联合运行中的发电量预测..........42
5.1 流域联合运行.... 42
5.2 流域梯级短期发电量预测.......43
5.3 流域梯级超短期发电量预测.............49
5.4 小结............50
 
第 5 章 流域联合运行中的发电量预测
 
电力系统负荷预测,是电网调度中一个重要的组成部分。一般可按预测周期分为长期,中期,短期和超短期负荷预测。电网中长期的负荷预测主要指未来几年到几十年的负荷情况预测,其意义在指导发电机组安装,电网设施的规划、增容等。短期负荷预测指得是以日、周、月、年为跨度,用于制定发电计划和输电方案,同时可对电力生产企业进行生产指导和调节,有助于合理安排生产计划及发电设备的检修。超短期负荷预测一般指未来 1 小时以内的负荷情况预测,主要应用于电网计算机在线控制,如 AGC 等,实现发电容量的合理调度。对于电站也可引入相应预测的概念,用于指导生产,优化电站和流域的运营管理。水电站运营对电站自身也要求有对发电量的预测,该预测也可类似的划分为中长期,短期和超短期。中长期预测属于电站建设可行性评估的范畴,不在本文进行讨论。
 
5.1 流域联合运行流域梯级水电联合运行
基本思想是基于梯级电站之间的水力与电力联系,充分利用梯级水库的协调与反调节作用,在满足水电系统及电网负荷需求的约束前提下,运用最优化理论与方法研究各个梯级电站之间的水能资源的最优调度和负荷的最优分配。统一的调配梯级发电和用水使得正特梯级的有限水资源发挥最大的经济效益[41]。因径流式水电站无调节能力,导致其发电量受多因素制约。独立工作时,一般对径流无规律可循,对电站的短期内出力情况难做出精确的预计,考虑到径流式水电站作为二级电站时,其上游有拥有可调节水库的大中型电站时,如能够以利用上游电站稳定的蓄水调节能力作用于径流式二级电站,则能显著改善其受制约的情况对于流域梯级电站联合运行,考虑的主要是在负荷一定情况下的能源优化配置,如对水库和流量的优化调配,对发电量的分配等。而对于下游电站为径流式电站的情况,根据本文的第 3 章可知,当电站以水位控制模式运行时,在水位稳定的情况下时,可认为流入和流出平衡,全部来水转换为电站出力,不会出现弃水现象,当水位趸高时,下游电站可工作在其机组效率最高点,此时下游电站的工作状态即为厂内最优状态。对于本文研究对象类型的流域两级电站,可以将两个电站优化运行的问题简化为在满足下游电站安全运行的情况下,使上游电站运行在其厂内最优状态,即可满足流域最优运行状态。则对流域梯级联合运行针对本文中的情况仅需考虑负荷在机组间的分配的问题。当以发电效益最大为约束条件时,对流域梯级电站的联合运行,首先需要解决的问题就是两级电站总体的发电能力有多少。作为电网中电力生产的环节,电厂需周期性的向电网提交发电计划,发电计划编制的准确与否,会直接影响到电厂最终的发电效益。且准确的发电量预测是是电网进行调度的重要依据。流域梯级电站联合运行时,虽然是两个电站,但是被视作一个调度单元,由电网统下达一总体负荷需求,由流域梯级电站自行管理负荷在厂间和机组间的分配,因此流域梯级联合运行时,被调度流域有必要且有义务向电网提供流域的发电量预测信息。
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总结
 
电力系统的优化运行一直是热点研究对象。水电厂作为电力系统的电源环节的重要构成部分之一,对水电站的经济运行的研究也有着重要的意义。《水电发展“十三五”规划》强调了除了要积极深化开发,还要推动水电站在智能化、数字化发展。本文主要工作是以理论推导为依据,指导 Sopladora 电站的工程实践,在以下方面完成了既定目标:
1)对水电行业发展现状的分析,指出径流式水电站优化运行的必要性以及意义,以及普遍采用的研究方法。
2)从电站自动化程度对电站运营影响的角度出发,介绍了水电站计算机监控系统的设计思路与过程。通过以计算机监控系统为例,介绍了重要设备冗余配置在提高电站可靠性的方法。
3)针对径流式水电站的特点,结合水轮机的运行特性,分析了抬高运行水头对机组效率提高的作用原理,并针对水头的控制提出使用逐步逼近思想的水位控制算法,通过理论分析证明了该方法的可行性。并介绍了对计算机监控系统中原始数据处理方法,并通过实例说明了该方法的效果。
4)对水电站自动发电控制的优化模型进行了说明,介绍了采用等微增量方式实施功率分配的算法实现。并对以电站 AGC 程序为基础的水位控制实现过程进行了详细描述,通过在 Sopladora 电站的实际试水位控制相关数据进行分析,证明了该控制方法是可行且有效的。
5)对径流式水电站在流域梯级流域中和上游电站的关系进行探讨,并采用以日周期滚动预测上游电站发电负荷的方式,完成对径流式二级水电站短期发电量预测,经对比证明预测结果可以很好的反映电站实际情况,可作为电站运行管理依据。因时间、条件限制和研究者的个人能力等的关系,本文仅研究了以水能利用效率最大化这一约束条件下的径流式二级水电站发电量优化方案,相关理论和工程研究的基础都是建立在没有弃水,全部流量都做发电使用的情况下进行的,而实际电站运行过程中,相关的情况远比上述条件复杂。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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