Transcript R C1-03
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