R C1-03

Report
II Savjetovanje CG CIGRÉ
Budva, Maj 2011
Sadržaj
 Ciljevi i značaj hidro-termo koordinacije
 Matematičko modelovanje elemenata
hidro-termo sistema
 Metodologija proračuna HTC složenih EES
 Testiranje proračuna na proizvodnim kapacitetima EES
Republike Srpske
 Zaključak
2
Ciljevi i značaj hidro-termo koordinacije
 U svakom EES, osnovni cilj je kvalitetno zadovoljiti potrebe potrošnje i razmjene
električne energije sa drugim sistemima, sa ekonomičnom proizvodnjom
električne energije, odnosno korištenjem postojećih proizvodnih kapaciteta na
što efikasniji i optimalniji način.
 EES u kojima se električna energija proizvodi u HE i TE, zahtijevaju posebne
energetsko-ekonomske analize kojima se utvrđuje koliki se dio raspoložive
energije i snage HE može iskoristiti i kolika je potrebna snaga i proizvodnja TE, s
ciljem zadovoljenja potrošnje u sistemu.
 Energetsko-ekonomske karakteristike proizvodnje električne energije u HE i TE
međusobno se razlikuju.


Troškovi proizvodnje u HE su zanemarljivi.
Proizvodnju u TE karakterišu visoki pogonski troškovi od kojih su najznačajniji
troškovi goriva.
3
 Osnovni cilj je iskoristiti njihovu raznovrsnost, tako da se potrebna proizvodnja
realizuje tehnički i ekonomski najpovoljnije, odnosno da se minimizuju pogonski
troškovi TE i ostvari ekonomična potrošnja vode u HE, uz ograničenja
postavljena formom dijagrama potrošnje i drugih obaveza u sistemu.
 Optimizacija proizvodnje u hidro-termo sistemima ili kraće hidro-termo
koordinacija sprovodi se na godišnjem, mjesečnom i dnevnom nivou. U ovome
radu razmatrana je kratkoročna hidro-termo koordinacija za vremenski period
od jednog dana sa vremenskom rezolucijom od 1 h, a ostavljena je mogućnost
primjene za duže optimizacione periode od jednog dana ili duže vremenske
intervale od 1 h u toku optimizacionog perioda.
 Kratkoročna
hidro-termo koordinacija predstavlja optimizaciju raspodjele
opterećenja između angažovanih HE i TE, na nivou jednog dana, sa postizanjem
minimalnih troškova goriva u TE, uz iskorištenje prethodno utvrđenih količina
vode u akumulacijama i zadovoljenje ograničenja i uslova nametnutih
karakteristikama i zahtjevima elemenata EES.
4
 Za rješavanje problema hidro-termo koordinacije na način koji je predstavljen u
ovome radu, potrebno je imati poznate sljedeće parametre:



Dnevne prognoze potrošnje i eventualne razmjene energije sa drugim sistemima.
Očekivane dotoke u akumulacije i količine vode koje stoje na raspolaganju u skladu sa
mjesečnim planom korištenja akumulacija. Količine vode koje će biti utrošene za
proizvodnju u HE, definisane su početnim i krajnjim stanjem zapremine akumulacije
tokom posmatranog optimizacionog perioda.
Kombinaciju raspoloživih generatorskih jedinica koje će tokom optimizacionog
perioda biti sinhronizovane na mreži odnosno raspored rada elektrana u sistemu po
satima.
 Problem hidro-termo koordinacije je razmatran sa pretpostavkom konstantnog
neto pada u akumulacijama, bez uvažavanja mrežnih gubitaka.
5
Matematičko modelovanje elemenata
hidro-termo sistema
 BILANS AKTIVNIH SNAGA U EES
NH
P
n 1
Hn
NT
( j )   PTn ( j )  PL ( j )
n 1
 HIDROELEKTRANE
- HE se modeluju linearnom funkcijom protoka vode kroz turbinu u zavisnosti od
snage na pragu, pri konstantnom neto padu:
Qtn ( PH n )  deltan  etan PHn
- Osnovna ograničenja u radu HE i korištenja akumulacija su dozvoljeni opseg rada,
protok vode kroz turbinu i ograničenje zapremine:
min
Hn
P
 PHn ( j)  P
max
Hn
Qtn  Qtn ( j)  Q
min
max
tn
V nmin  Vn ( j)  Vnmax
6
•
BILANS VODNOG POTENCIJALA U AKUMULACIJAMA
Jedna HE na riječnom toku
Dvije HE na riječnom toku
dotok
dotok
akumulacija
(bazen)
preljev
HE 1
akumulacija
(bazen)
protok kroz
turbinu
međudotok
akumulacija
(bazen)
HE
preljev
protok kroz
turbinu
HE 2
protok kroz
turbinu
Vn ( j)  Vn ( j  1)  t j Qdn ( j)  Qtn ( j)  Qpn ( j) Vn ( j )  Vn ( j  1)  t j Qdn ( j )  Qtn ( j )  Q pn ( j ) 
tj
 (Q
m  Um
tm
( j )  Q pm ( j ))
7
 TERMOELEKTRANE
- U TE, pogonski troškovi rada bazirani na troškovima goriva, predstavljaju se
kvadratnom funkcijom troškova u zavisnosti od snage na pragu:
C(PTn )   n   n PTn   n PT2n [ NJ / h]
- Osnovno ograničenje u radu TE je dozvoljeni opseg rada:
min
PTn
 PTn 
max
PTn
 MATEMATIČKA FORMULACIJA PROBLEMA HTC:
J
NT
 
min CT   t j C PTn
NJ 
j 1 n 1
uz uvažavanje svih ograničenja i uslova u sistemu i iskorištenja zadatih količina
vode u akumulacijama za proizvodnju u HE.
8
Metodologija proračuna HTC složenih EES
• Primjena
iterativne tehnike dinamičkog programiranja, sukcesivnih
aproksimacija i gradijentne metode prvog reda za proračun HTC složenih EES
• Koraci u proceduri primjene DP :
 Diskretizacija zapremine akumulacije.
 Pronalaženje stanja zapremine na kraju svakog vremenskog intervala kojima
odgovaraju minimalni troškova rada TE.
 Kretanje u svakom sljedećem vremenskom intervalu nastavlja se na optimalna
rješenja iz prethodnog .
zapremina akumulacije
10
Vmax 8
7
6
5
Vstart 4
Vmin 3
..
..
.
.
..
..
.
.
..
.
..
.
9
..
..
.
.
..
..
.
.
..
..
.
.
Vkraj
2
T
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Period
9
 Kombinacijom iterativne tehnike DP i sukcesivnih aproksimacija postignuta je
efikasnost u prevazilaženju visoke dimenzionalnosti problema optimalnog
korištenja vodnog potencijala.
 U prvoj iteraciji polazi se od pretpostavljenog rješenja. U svakoj narednoj iteraciji,
kao početni podaci, koriste se rezultati dobijeni u prethodnoj. Sa svakom
narednom iteracijom, udaljenost do tačnog rješenja se smanjuje. Postupak se
nastavlja iterativno dok se ne postigne kriterijum konvergencije.
 Za rješenje termo potproblema primijenjena je gradijentna metoda prvog reda,
gdje se potrebna proizvodnja termo sistema dijeli između angažovanih TE po
pravilu ekonomskog dispečinga, prema kome je potrebno da svaka TE radi pri
istoj vrijednosti diferencijalnih priraštaja pogonskih troškova.
 Koristeći opisani algoritam i matematičke modele elemenata EES međusobno
povezane uslovima i bilansnim jednačinama kao poveznim ograničenjima,
napravljen je program za proračun HTC u programskom paketu Matlab. Konačan
rezultat proračuna je zatvoren elektroenergetski bilans odnosno izjednačenje
potrošnje i proizvodnje po satima, proračunati optimalni troškovi rada TE, bilans
vode u akumulacijama, uz uvažavanje svih ograničenja i uslova u sistemu.
10
Algoritam HTC za složene EES
POČETAK
NT

PRETPOSTAVI
PT n j  PLj 
n 1
PH 2 ......PHN H
KORISTEĆI DP: ODREDI
PH 1
KORISTEĆI ED:
S2
(2)
ODREDI
S1
0
KORISTEĆI DP: ODREDI
RAČUNAJ
PH 2
1
.
.
.
S2
S1
..
0
KORISTEĆI DP: ODREDI
RAČUNAJ
(1)
KORISTEĆI ED:
ODREDI (2)
PHN H
DA
1
VN H
PT 1 ...... PTN T
(2)
.
.
.
S2
S1
1
3
5
4
5
5
ODABERI POČETNU VRIJEDNOST
l
k=k+1
RAČUNAJ PT1,PT2,...PTNT
6
l(k ) 
l
( k 1)
P
P(k )
1
 2
n
(k )
P
NE
RAČUNAJ
7
Pn(k )
PRVA ITERACIJA
RJEŠENJE
KONVERGIRA?
NH
NT
n 1
n 1
 PL   PH n   PTn
(k )
P (k )  
PROVJERI OPSEG RADA
Pnmin  Pn( k )  Pnmax
NE
NE
(k )
DA
P (k )
SA OGRANIČENIM
l( k )   n

2 n
RAČUNAJ
 l  l
(k )
7
..
..
..
6
(k )
n
RAČUNAJ NOVO l
7
..
..
..
..
..
..
..
..
..
4
6
START
Algoritam ED
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
2
4
3
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
2
n 1
..
..
..
3
...
..
.
SN
0
(1)
..
..
..
...
..
.
V2

H
PH n j
2
SN
(1)
KORISTEĆI ED:
ODREDI (2)
k=k+1
...
..
.
..
.
(1)
RAČUNAJ
V1
SN
N
(k )
n
P
 Pnmin ogranici Pn( k )  Pnmin
 Pnmax ogranici Pn( k )  Pnmax
NE
DA
DA
KRAJ
KRAJ
11
Testiranje proračuna na proizvodnim kapacitetima EES Republike Srpske
 Program za proračun HTC testiran je na primjerima EES iz literature kao i za
proizvodne kapacitete u EES Republike Srpske. Matematički modeli HE i TE u EES
RS su aproksimirani na osnovu realnih podataka o elektranama i akumulacijama.
Qdnj - dotok vode u n-tu akumulaciju u toku intervala j
Qtnj - protok vode kroz turbinu n-te HE u toku intervala j
Vnj
Qd1 j
- zapremina n-te akumulacije na kraju intervala j
PHnj - proizvodnja n-te HE u toku intervala j
V1 j
Qt1 j
PTnj - proizvodnja n-te TE u toku intervala j
PLj - potrošnja u EES u toku intervala j
Qd 2 j
Qd 3 j
V2 j
Qd 4 j
V3 j
V4 j
TE2
TE1
Qt 2 j
PH1 j
PH 2 j
Qt 3 j
PH 3 j
Qt 4 j
PH 4 j
PT1j
PT2j
PLj
Proizvodni kapaciteti u
EES Republike Srpske
Model EES Republike Srpske
12
Karakteristike elektrana u EES Republike Srpske
Naziv objekta
Sliv rijeke
Broj
agregata
Snaga
(MW)
Protok
(m3/s)
Radna
kota (m)
Energ. vrij.
akum.
(GWh)
Korisna
zapr.
akum.
(hm3)
SGP
(GWh)
Tip
elektrane
1142,6
370-420
Akumulac.
Trebišnjica
HE Trebinje 1
3
3x60
3x70
352-400
Trebišnjica
HE Dubrovnik*
2
2x108
2x48,5
288-295
6,04
9,3
1168
Akumulac.
Vrbas
HE Bočac
2
2x55
2x120
254-282
5,095
42,9
307
Protočna
Drina
HE Višegrad
3
3x105
3x270
331,5-336
10
101
1108
Protočna
147-1060,7
* Agregat 1 u HE Dubrovnik je u sistemu Hrvatske elektroprivrede, a agregat 2 u sistemu Republike Srpske.
Naziv objekta
Gen.
TE Gacko
G1
TE Ugljevik
G1
Pinst
gen.
MW
Pinst prag
MW
Pmin
MW
Pmax
MW
300
300
276
279
150
155
255
262
Ugalj
Topl. vr.
goriva
MJ/t
Spec.
cijena
goriva
€/t
Odnos
c1/q
€/MJ
Lignit
Mrki
8655
10762
13,69
17,107
0,00159
0,00159
Izvedeni matematički modeli HE i TE
Karakteristike HE
HE Trebinje 1
HE Dubrovnik (G2)
HE Bočac
HE Višegrad
delta
eta
11,22336
4242,6
-19117,08
3251,952
51486,1
6892,92
2431,8
8709,12
Karakteristike TE
TE Gacko
TE Ugljevik
alfa
beta
gama
1271,147
6,39419
0,02186
1177,53
7,96033
0,018165
13
Ulazni podaci u proračunu HTC
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
-200
-400
konzum
Prethodni dan
Hidroenergetske
karakteristike
Akumulacija
"Bileća"
Akumulacija
"Trebinje"
Akumulacija
"Bočac"
Akumulacija
"Višegrad"
Kota
(mnm)
En.vr.
(GWh)
391,22
799,16
291,98
279,36
334,74
289,19
razm jena
potrebna proizvodnje
Analizirani dan
Zaprem.
(106m3)
En.vr.
(GWh)
1015,72
391,02
794,56
1010,52
14121,49
3,01
4,67
291,46
2,56
3,98
11696,76
4,32
36,9678
278,44
4,09
34,9808
203221,40
8,83
89,914608
8,56
87,674832
385200,00
334,46
289,61
Zaprem.
(106m3)
Ostvareni
dotok
(m3/h)
Kota
(mnm)
Procjeđivanje
kroz branu
Gorica i gubici
u tunelu za HE
Dubrovnik
(m3/h)
21600,00
14
Rezultati proračuna
 Proračunom u Matlabu, kriterijum konvergencije zadovoljen je u 6. iteraciji. Ukupno
proračunati troškovi rada TE iznose 192.802,84 (€) i manji su za 449,96 (€) od
ostvarenih troškova. Sva ograničenja, zahtjevi i uslovi u sistemu su ispoštovani.
Grafički prikaz optimalnog korištenja vode u akumulacijama
15
Poređenje proračunatih i ostvarenih proizvodnji HE i TE
HE TREBINJE 1
proračun
HE BOČAC
ostvarenje
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
ostvarenje
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
HE DUBROVNIK (G2)
120,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
proračun
ostvarenje
HE VIŠEGRAD
120,00
100,00
100,00
80,00
80,00
60,00
60,00
40,00
40,00
20,00
20,00
0,00
proračun
ostvarenje
0,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
TE GACKO
245,00
240,00
235,00
230,00
225,00
220,00
215,00
210,00
205,00
200,00
proračun
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
proračun
ostvarenje
TE UGLJEVIK
260,00
proračun
ostvarenje
250,00
240,00
230,00
220,00
210,00
200,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
16
Grafički prikaz optimalne raspodjele opterećenja između HE i TE
17
ZAKLJUČAK
 U prezentaciji su izloženi osnovni principi, značaj primjene i metodologija
rješavanja HTC u planiranju rada EES, koja na bazi ekonomskih i tehničkih
kriterijuma daje mogućnost optimalnog korištenja proizvodnih kapaciteta.
Ukazano je na neosporan energetsko-ekonomski značaj primjene hidro-termo
koordinacije u svakodnevnoj praksi planiranja rada elektrana u realnim EES.
 U radu je razvijen matematički model za proračun hidro-termo koordinacije koji
je implementiran u programskom paketu Matlab. Poseban doprinos rada ogleda se
u kombinovanoj primjeni tehnike DP, SA i gradijentne metode prvog reda, čime je
postignuta efikasnost u prevazilaženju visoke dimenzionalnosti problema u
pogledu broja mogućih kombinacija pri rješavanju problema hidro-termo
koordinacije.
 Iz niza proračuna za EES Republike Srpske utvrđena je tačnost izvedenih
matematičkih modela, koji precizno opisuju dinamiku korištenja akumulacija i
optimalnu proizvodnju elektrana. Poređenjem rezultata dobijenih proračunom sa
ostvarenim stanjem u sistemu, utvrđena je tačnost proračuna. Troškovi goriva TE
dobijeni proračunom manji su od ostvarenih u sistemu za sve analizirane dane.
Izvedeni matematički modeli elektrana i akumulacija mogu poslužiti u
svakodnevnoj praksi za razvoj metodologije optimalnog planiranja.
18
 Programom za proračun HTC, omogućeno je višestruko ponavljanje postupka
kratkoročnog planiranja rada HE i TE. Promjenom ulaznih parametara i
pretpostavki o stanju u sistemu, moguće je brzo i efikasno izvršiti proračune,
uz zadovoljenje zahtjeva i ograničenja u sistemu, a s ciljem pronalaženja
najoptimalnijeg rada proizvodnih jedinica.
 Ostavljena je mogućnost primjene za duže vremenske intervale od jednog
sata u toku optimizacionog perioda i duže optimizacione periode od jednog
dana.
 Program se može prilagoditi za korištenje i za druge složenije konfiguracije
EES. Potreba za prilagođavanjem programa odnosi se na konfiguraciju hidro
sistema dok je broj TE u proračunu neograničen.
 Ovaj rad sa jasno formulisanom postavkom i rješenjem problema HTC, može
doprinijeti i praktično poslužiti za brojne energetsko-ekonomske analize rada
EES za različite varijante dijagrama potrošnje, raspoloživosti agregata,
hidroloških prilika, stanja u akumulacijama i slično.
19

similar documents