《电力系统规划》第4章

电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院第4章电源规划的理论与方法概述电厂容量的选择电源规划数学模型电力市场环境下的电源规划电源规划拓展知识电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院4.1概述•1.电源规划的任务及分类任务：对电力系统电源布局进行策略研究，根据规划期内预测的负荷需要量，通过电力电量平衡得到需新增的发电容量，在满足负荷要求并达到各种技术指标的条件下，确定在何时、何地新建（或新增）何种类型、何种规模的发电厂（或机组），使规划期内电力系统能安全运行且投资经济合理。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院分类：短期规划、中长期规划短期电源规划:考虑未来1～5年的发展情况，内容包括：确定发电设备的维修计划。分析推迟或提前新发电机组投产计划的效益。分析与相邻电力系统互联的效益及互连方案。确定燃料需求量及购买、运输、存储计划。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院中长期电源规划：考虑10～30年的发展情况，解决以下问题：何时、何地扩建新发电机组。扩建什么类型及多大容量的发电机组。现有发电机组的退役及更新计划。燃料的需求量及解决燃料问题的策略。采用新发电技术（如太阳能发电）的可能性。采用负荷管理系统对系统电力、电量平衡的影响。与相邻电力系统进行电力交换的可能性。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院2.电源规划的投资决策原则1）参与经济计算和比较的各个电源规划方案必须具有可比性。2）必须确定合理的经济计算年限，比较方案的计算年限要一致。3）确定合理的经济比较标准。4）在投资决策中，各项费用和收益，都要考虑资金的时间因素，并以同一时间为基准。5）决策过程必须统筹兼顾国民经济的整体利益，与相关部门密切配合。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院3.电源规划的经济评价方法【意义】对电源规划方案进行经济评价是电源规划中不可缺少的环节。【目的】根据国民经济整体发展战略及地区发展规划要求，计算各方案的投入费用和产出效益，进行多方案的技术经济比较，从而选择对国民经济发展最有益的方案。【惯例】对于各种可行的电源规划方案，通常认为有相同的效益，在满足负荷需求和各种约束条件及技术经济指标下，总投入最小的方案就是最经济的方案。【投资分摊】如果某个方案除了满足发电效益以外，还可带来其它利益，则可以采用投资分摊或计入方案费用的方法进行比较。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院4.电厂容量的选择确定每个拟建电厂的建设规模，是做系统电源规划方案的基础。影响电厂容量的主要因素规划地区（即电厂供电地区）负荷的影响动力资源条件的影响厂址条件的影响系统规模的影响设备规模及供应条件的影响电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院1）规划地区负荷的影响负荷大小的影响：负荷需求的大小决定了建设电厂的总容量。负荷分布的影响：负荷比较集中的地区适宜建大电厂，负荷分散的地区则可考虑小规模电厂。负荷方式的影响：对于宜带尖峰负荷的水电厂来说，如果地区负荷峰谷差大，尖峰负荷较高，则在保证相同出力下可以多装机，容量可以选得小些，以充分发挥水电的效益。对于热电厂来说，如果热负荷在年内比较均衡，年最大负荷利用小时数较高，则热电厂的容量可以选得大些，以便获得较多的热化电能。负荷增长速度的影响：大容量电厂采用大机组，适应负荷迅速增长的能力强。因此负荷增长迅速时，有利于大容量电厂的兴建。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院2）动力资源条件的影响资源条件对电厂容量影响很大，对水电厂起决定作用，对火电厂也有一定影响。对燃料供应方便而又可靠的坑口电厂容量可以选得大些；对建在负荷中心、远离矿区的电厂则燃料供应条件是影响电厂规划容量的重要因素之一。3）厂址条件的影响火电厂的厂址条件主要指供水、煤场、灰场、交通运输条件、地质地形、环保要求等。它们对电厂容量影响很大。水电厂的厂址条件，如坝址的地质条件、库区的移民问题、坝址地形及施工条件、水利枢纽布置及输电线路可行路径条件等也对其选址和容量起很大作用。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院4）系统规模的影响与电厂相联的系统规模越大，负荷需求越大。则在满足同样可靠性要求前提下，电厂的容量可选得大些。因为大电厂可以采用大机组，效率较小机组高。若采用大机组可以满足系统的可靠性要求，则它在经济上就是合理的。一般来说，电厂的最大容量不超过系统的总事故备用为宜，单机容量以不大于系统最大负的10％为宜。5）设备规模及供应条件的影响电厂容量大小与装机台数及单机容量大小有关。一个电厂的机组台数不宜过多，如果单台机组容量较小，则电厂的容量也较小。在规划电厂容量时应根据系统规划及设备规范选用合理的机组容量，并确定电厂容量。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院4.2电源规划数学模型电源规划数学模型的一般形式•在各种优化模型中，不可避免地要采用一定程度的近似简化。常见的简化模型有:线性模型、整数模型、非线性模型、逐阶段优化模型、随机模型、确定性模型电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院1.目标函数一般为系统总投资费用最小。总投资费用包括两个部分：一部分与安装发电机组容量有关，如发电厂的投资费用；另一部分与发电机组的实际输出功率有关，如发电厂的运行费用，其中主要是发电厂的燃料费用。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院【多目标处理】在实际应用中，规划目标不仅仅是投资费用和运行费用，还包括其它效益和支出，如计及可靠性指标、输电线路费用、未来的不确定性因素（如负荷预测、水文数据及市场因素）等，故电源规划是一个多目标规划问题。对此，具体处理方法是多样的。常用的方法是将不同的目标函数乘以不同的权值形成一个新的目标函数，从而转化为单目标问题处理。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院2.约束条件对于不同的系统、不同的规划模型，约束条件是有差异的。1）电源建设施工约束（1）待建电厂各年装机最大容量约束（2）待建电厂总装机容量约束（3）最早投入年限约束ttjtPXmaxmj,...2,1TtjtPX1max01jttjtX电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院（4）财政约束（5）待建电厂装机连续性约束（6）建设顺序约束电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院2）系统运行约束（1）系统需求约束任何时候，系统发电容量总和要满足电力需求（2）发电机组最大最小出力约束（3）火电燃料消耗约束（4）水电水量消耗限制电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院3）备用容量约束•系统电源容量除满足负荷需求，还应计及一定备用容量。4）可靠性约束•可将可靠性指标记入约束中，或将其处理，记入目标函数根据所采取的规划模型不同，除了上述常用约束条件，可能还要考虑输电能力约束、最小开发容量约束、火电年利用小时数约束、抽水蓄能电站约束、核电厂基能约束以及分布式发电机组约束等。以上列出的约束条件的表达方式在不同的模型中是不同的，处理方式也有差异。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院3.投资决策问题在电源规划数学模型中，变量可以分为离散变量与连续变量两类。据此可以将电源规划模型分解为电源投资决策和生产模拟两部分，这两部分可采用不同的优化技术，相应的电源规划过程也被分为相互关联的两个阶段。【投资决策问题】以离散变量为主要变量，其解反映的是方案中各项目的建设与投产年份，以及厂址、机组类型和容量等，同时确定方案中与投资成本对应的费用。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院4.生产模拟问题在投资决策条件给定的前提下，对方案中的运行成本逐年进行详细优化计算的问题。•随机生产模拟:考虑规划期内可能存在诸如各机组的非计划强迫停运、未来电力负荷的随机波动、水电厂来水量变化等不确定性约束。•随机生产模拟目的：获得方案中各机组的期望生产电能、运行费用及电源可靠性指标，为电源规划的决策提供准确的反馈信息。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院（1）随机生产模拟的基本原理等效持续负荷曲线（模拟）——某一负荷与其持续的时间的关系曲线）图线上任何一点（x，t）表示系统负荷大于或等于x的持续时间，t=F(x)。其横坐标表示系统的负荷，纵坐标表示持续时间。T为研究周期，根据具体要求可以是年、月、周、日等。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院将周期T除上式得（某负荷出现的概率）tTtxtCABmaxx()tFx(,)xtEENSLtLOLPT电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院由下式可求得系统的负荷总电量max0()xtEFxdx同样，将上式两端除以T，可得到系统负荷的平均值（或期望值）max0()xxfxdx设系统在该期间投入运行的发电机组的总容量为tC，如图，则系统负荷大于发电机组总容量的持续时间为()LttFC相应的概率即电力不足概率LOLP为()LttLOLPfCTtTtxtCABmaxx()tFx(,)xtEENSLtLOLPT电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院在这种情况下，图中的阴影部分的负荷电量不能满足要求，其面积就是电量不足期望值maxmax()()ttxxCCEENSFxdxTfxdx当maxtCx，即系统发电机组总容量大于系统最大负荷时，在所有发电机组绝对可靠的情况下，系统不会出现电力不足，此时的电量不足期望值EENS为零。但是，如果考虑到发电机组的随机故障因素，就必须对此问题作进一步的分析，为此就要引出等效持续负荷曲线的概念。tTtxtCABmaxx()tFx(,)xtEENSLtLOLPT电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院等效持续负荷曲线：把发电机组故障影响当成等效负荷对原始负荷曲线不断修正的结果。当发电机组故障时，系统的等效负荷就要增大。px01C(0)1()fxC(1)()fx(0)()fx为了方便，纵坐标上用概率p代替了一般持续负荷曲线中的时间t。图中，(0)()fx是原始持续负荷曲线，表示系统中所有发电机组应承担的负荷。电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院设第一台发电机组首先带负荷，其容量为1C，强迫停运率为1q。当这台发电机组处于运行状态时，它和其它发电机组应承担的负荷由(0)()fx来表示。当发电机组1故障时，(0)()fx所表示的负荷应由除去发电机组1以外的其它发电机组承担。这就相当于发电机组1和其它发电机组共同承担了负荷曲线(0)1()fxC所表示的负荷，该负荷向右平移了1C。px01C(0)1()fxC(1)()fx(0)()fx电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院•由于发电机组1的强迫停运率为q1，故其正常运行的概率为p1=1-q1，所以考虑发电机组1的随机停运影响后，系统的随机负荷曲线应表示为•上式是发电机组1的随机停运与持续负荷曲线的卷积公式，其结果就是考虑发电机组随机停运因素后的系统等效持续负荷曲线。)()()(1)0(1)0(1)1(Cxfqxfpxf电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院•应该指出，等效持续负荷曲线比的最大负荷大了C1，而总的负荷电量增加了△E。可以证明，这里的△E正好等于发电机组1由于故障而少发的电量。•对于第i台发电机组，上述结论可推广为•式中：Ci为第i台机组的发电容量，qi为第台机组的强迫停运率，pi=1-qi。)()1(xf)()1(xf)()()()1()1()(iiiiiiCxfqxfpxf电力系统规划第4章湖南工业大学电气与信息工程学院在发电机组逐个卷积过程中，等效持续负荷曲线也在不断变化，最大等效负荷不断增大。设系统中共有n台发电机组，其总容量为tC。当全部发电机组卷积运算结束时，等效持续负荷曲线为()()nfx，最大等效负荷为maxtxC，如图这时系统的电力不足概率LOLP及电量不足期望EENS分别为()()ntLOLPfCmax()()ttxCnCEENSTfxdxx0()()nfxmaxx(0