Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching

The use of large amounts of existing baseload NPPs capacities with a significant increase in renewable generation in the mathematical model of optimal dispatching of generating capacities of Ukraine’s power system leads to a significant surplus of electricity during peak power generation at solar PV...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2021
Автор:	Nechaieva T.P.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2021
Теми:	mathematical model of dispatching operational mode nuclear power unit daily electric load profile power system
Онлайн доступ:	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/771
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	System Research in Energy
Завантажити файл:

Репозитарії

System Research in Energy

_version_	1871104282626883584
author	Nechaieva T.P.
author_facet	Nechaieva T.P.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Nechaieva T.P.", "institution": null } ]
author_sort	Nechaieva T.P.
baseUrl_str	https://systemre.org/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T12:57:46Z
description	The use of large amounts of existing baseload NPPs capacities with a significant increase in renewable generation in the mathematical model of optimal dispatching of generating capacities of Ukraine’s power system leads to a significant surplus of electricity during peak power generation at solar PV’s, which necessitates additional sources of flexibility of the power system, such as battery electricity storage systems.The projects of new advanced nuclear power units provide for their use in flexible load modes with a maximum unloading of up to 50% of the rated capacity. Advanced NPP power units with small modular reactors are designed for even greater more maneuverable operation with possible unloading of up to 20% of rated capacity.The article presents approaches to modeling the use of NPP power units in variable load modes in the mathematical model of the optimal daily load schedule dispatching of Integrated Power System of Ukraine. The first approach is to model the operation of NPP power units similar to modeling the participation of cycling TPP units in covering the daily electrical load profile of the power system, in particular, changes in generation power in the range from minimum to nominal load levels, load rate. The second approach is to determination for each nuclear power unit of variants of modes of their hourly loading, the choice of one of which is made as a result of optimization.The modeling results showed that the choice of optimal flexible loading modes of new nuclear power units allows to provide the load balance of the power system almost completely with available capacities, including cycling TPP units, and the use of pump-storage generating units to transfer excess PV generation at peak hours of electricity consumption, which avoids the use of battery storage systems.
doi_str_mv	10.15407/pge2021.01.029
first_indexed	2026-03-24T02:02:59Z
format	Article
fulltext	29 Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Print). The problems of general energy, 2021, 1(64): 29–37 doi: https://doi.org/10.15407/pge2021.01.029 Експлуатація атомних електростанцій зазви- чай передбачала їх використання у режимі під- тримки номінальної електричної потужності з незначними відхиленнями, що є найбільш еко- номічно ефективним, експлуатаційно простішим та безпечнішим. Робота енергоблоків АЕС у ба- зовому режимі зменшує термічні та термомеха- нічні навантаження на матеріали активної зони і основне обладнання реакторної установки, що, в свою чергу, сприяє збільшенню терміну служби обладнання, позитивно позначається на безпеці експлуатації. Неможливість участі АЕС у добовому регу- люванні при значній частці атомної генерації призводить до значного профіциту електро- енергії при проходженні мінімумів графіка електричного навантаження (ГЕН), а також на- явності маневрених потужностей для покриття пікового споживання. Зростання нерівномір- ності ГЕН і збільшення дефіциту маневрених потужностей обумовлюють використання АЕС у змінному режимі навантаження. Слід зазна- чити, що вимоги до маневреності енергоблоків АЕС істотно залежать від ключових характе- ристик енергосистеми, до складу якої вони вхо- дять (структури генеруючих потужностей, гра- фіків навантаження тощо). Здатність АЕС брати участь у регулюванні навантаження енергосис- теми є одним із вирішальних факторів розвитку атомної енергетики і безпосередньо впливає на показники конкурентоспроможності АЕС. Відповідно до технічних вимог експлуа- туючих ядерні реактори компаній до нових АЕС з реакторами легководного типу European Utility Requirement [1], сучасні ядерні реак- тори мають реалізовувати значні можливості для маневрування і, зокрема, мати можливість працювати в режимі слідування за навантажен- ням. Здатність працювати в маневреному ре- жимі є однією з вимог, що пред’являються до реакторів нового покоління. Режим добового регулювання потужності передбачає викорис- тання програми зміни потужності, з кількома змінами навантаження енергоблоку протягом доби. АЕС повинна бути здатною забезпечити циклічну зміну добового навантаження від 50 до 100% номінальної потужності Nном (але не нижче мінімального рівня потужності) зі швид- кістю зміни електричної потужності 3% Nном/хв (25% за годину) [2]. Стандартна конструкція енергоблоку повинна забезпечувати виконання планової та позапланової експлуатації в режимі УДК 620:621.31 Т.П. НЕЧАЄВА, канд. техн. наук, ORCID: 0000-0001-9154-4545 Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна МОДЕЛЮВАННЯ ГНУЧКИХ РЕЖИМІВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ АТОМНИХ ЕНЕРГОБЛОКІВ У МАТЕМАТИЧНІЙ МОДЕЛІ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦІЇ ДОБОВОГО ГРАФІКА ЕЛЕКТРИЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ ЕНЕРГОСИСТЕМИ УКРАЇНИ Експлуатація атомних енергоблоків у гнучких режимах навантаження є одним з актуальних напрямів підвищення гнучкості енергосистеми. У статті наведено підходи до моделювання змінних режимів навантаження енергоблоків АЕС у ма- тематичній моделі диспетчеризації добового графіка навантаження ОЕС Украї- ни. Перший полягає у моделюванні завантаження енергоблоків АЕС аналогічно до моделювання гнучкої експлуатації енергоблоків ТЕС. Другий підхід полягає у формуванні для кожного атомного енергоблоку варіантів режимів погодинно- го навантаження протягом доби, вибір одного з яких здійснюється в результаті реалізації оптимізаційної задачі. Оптимальна диспетчеризація навантаження нових атомних енергоблоків при значній потужності СЕС дозволяє задіяти всі наявні маневрені генеруючі потужності, в тому числі гідроагрегати ГАЕС, для забезпечення балансу енергосистеми без обмеження надлишкової сонячної генерації або застосування батарейних акумуляційних систем. К л ю ч о в і с л о в а: математична модель диспетчеризації, режим експлуатації, атомний енергоблок, добовий графік електричного навантаження, енергосистема. © Т.П. НЕЧАЄВА, 2021 30 Т.П. НЕЧАЄВА ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) слідування за навантаженням (наприклад, зни- женням потужності, з наступним вирівнюван- ням і зростанням) протягом 90% всього палив- ного циклу. Очікується, що енергоблок пройде через таку кількість планових змін навантажен- ня, кожна варіація якого визначається як пере- хід від повної потужності до мінімального на- вантаження і знову до повної потужності: двічі на добу, 5 разів на тиждень – сумарно 200 разів на рік. Для перспективних установок з малими модульними реакторами (ММР) передбачено можливість їх використання у режимах сліду- вання за навантаженням та маневрування [3] з 24 годинним циклом навантаження від 20 до 100% номінальної потужності зі швидкістю зміни 40% за годину. З технічної точки зору, робота енергоблоків АЕС у маневреному режимі можлива, що неодно- разово було продемонстровано на практиці в різ- них країнах світу. Найбільший досвід у цьому напрямку має Франція, основу енергобалансу якої складає атомна генерація з легководними реакторами під тиском. Це обумовило необхідність реалі- зувати або підвищити можливості маневруван- ня АЕС для адаптації їх електропостачання до добових, сезонних або інших змін попиту на електроенергію. У результаті робота атомної генерації в режимі слідування за навантажен- ням у Франції була обґрунтована і успішно відпрацьована. Четверте покоління енергобло- ків французьких АЕС електричної потужністю 1400 МВт з реакторами проекту N4 з самого по- чатку розроблялося з урахуванням можливості зміни потужності в діапазоні від 30 до 100% протягом доби [2]. Французькі ядерні реакто- ри спроектовані таким чином, щоб мати мож- ливість зменшувати відпуск із 100 до 20% від номінальної потужності двічі на день менше ніж за 30 хв., залежно від типу реактора. Таким чином, вони мають здатність нарощування/зни- ження 30–40 МВт за хвилину (близько 3% від номінальної потужності) [4]. Для АЕС Німеччини запровадження режиму слідування за навантаженням останніми роками стало важливим через підключення до націо- нальної енергосистеми значної частки мінли- вих відновлюваних джерел виробництва елек- троенергії (ВДЕ) (зокрема, ВЕС). З цих причин деякі німецькі генеруючі компанії розпочали експлуатацію своїх АЕС у режимі слідування за навантаженням. Німецькі реактори Konvoi були розроблені для 15 тисяч циклів добових змін потужності від 100% Nном до 60% Nном та 100 тисяч циклів з варіаціями потужності від 100% Nном до 80% Nном [2]. Для Об’єднаної енергосистеми (ОЕС) України можливість використовувати атомні енергоблоки у змінних режимах добового навантаження має велике значення для підвищення системної гнуч- кості і збалансованості через зростаючу частку змінних ВДЕ у її структурі, значну частку існу- ючих базових потужностей АЕС та недостатньої потужності маневреної генерації. Розвиток національної атомної енергетики передбачає введення на заміну виведених з екс- плуатації існуючих атомних енергоблоків після закінчення їх понадпроектного ресурсу нових удосконалених потужних енергоблоків АЕС та більш маневрених перспективних енергоблоків з ММР. Тому моделювання гнучкої експлуатації нових атомних потужностей при визначенні опти- мального завантаження генеруючих потужностей при покритті добових ГЕН ОЕС України є акту- альною задачею. Метою роботи є моделювання гнучких режимів експлуатації новітніх та перспективних ядерних енергоблоків у математичній моделі диспетчери- зації добового графіка електричних навантажень енергосистеми України. Участь нових та перспективних ядерних енер- гоблоків у покритті графіків електричного наван- таження енергосистеми з урахуванням її балансо- вої надійності проведено у математичній моделі оптимальної диспетчеризації [5, 6] добового ГЕН енергосистеми України. Критерієм оптимізації математичного моделі [5, 6] є мінімізація загальних витрат на виробни- цтво електроенергії протягом доби генеруючих потужностей, що беруть участь у покритті ГЕН, за виключенням витрат на роботу гідроагрегатів ГАЕС у насосному режимі. Також враховуються витрати на заряд/розряд батарейних акумуляцій- них систем, які використовуються при необхід- ності балансування енергосистеми:   \( ) 1 min PS TPP TPP TPP PS KPS G G TPP TPP kt kt kut kutT k K K K k K u U G G G P P P r r z z t kut kut kut kut kut kut t t t t k K u U p c p c y P c y P c p c p c                            , (1) де T – множина періодів моделювання. Для до- бового ГЕН енергосистеми множина T склада- ється з 24 (1…24) годинних періодів; t – індекс періоду моделювання; K – множина всіх енер- гоблоків ТЕС та АЕС, теплоелектроцентралей (ТЕЦ), гідроагрегатів ГЕС та ГАЕС, генераторів блок-станцій, а також електрогенеруючого об- ладнання ВЕС та СЕС; KPS – підмножина ГАЕС (Київська, Дністровська та Ташлицька ГАЕС); KTPP – підмножина типів енергоблоків ТЕС, які наявні в ОЕС України; kϵK\(KPSUKTPP) – індекс 31 Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) типу генеруючих потужностей, що працюють в межах ОЕС України, за виключенням ГАЕС та ТЕС, зокрема, ТЕЦ, АЕС, ГЕС, ВЕС, СЕС; G ktp − змінні потужностей з множини K\(KPSUKTPP), МВт; cG kt – собівартість генерації МВт·год елек- троенергії генеруючою потужністю з підмножи- ни K\(KPSUKTPP) протягом години t; kϵKTPP – індекс енергоблоку ТЕС певного типу; UTPP – множина енергоблоків кожного типу енергоблоків ТЕС з підмножини KTPP; uϵUTPP – індекс кількості енер- гоблоків певного типу ТЕС з множини KTPP; pTPP kut – змінна, що відповідає сумарній потуж- ності, яку генерують енергоблоки ТЕС певного типу з множини UTPP для кожної години доби, МВт; TPP kutc – собівартість генерації МВт·год елек- троенергії енергоблоків ТЕС певного типу з множини UTPP; kϵKPS – індекс ГАЕС – Київська, Дністровська та Ташлицька ГАЕС; UKPS – мно- жина гідроагрегатів кожної ГАЕС з підмножини KPS; yG kut – бінарна змінна, дорівнює 1 (одиниця), якщо гідроагрегат з множини UKPS певної ГАЕС з множини KPS працює в генераторному режимі протягом години t, в іншому випадку – дорів- нює 0 (нуль); PG kut – електрична потужність ге- нерації електроенергії гідроагрегатом з множини UKPS певної ГАЕС з множини KPS протягом годи- ни t, МВт; cG kut – собівартість генерації МВт·год електроенергії гідроагрегатом з множини UKPS певної ГАЕС з множини KPS протягом години t; yP kut – бінарна змінна, дорівнює 1 (одиниця), якщо гідроагрегат з множини UKPS певної ГАЕС з мно- жини KPS працює в насосному режимі протягом години t, в іншому випадку – дорівнює 0 (нуль); PP kut – електрична потужність гідроагрегату з мно- жини UKPS, що працює в насосному режимі, пев- ної ГАЕС з множини KPS протягом години t, МВт; cP kut – собівартість споживання МВт·год електро- енергії гідроагрегатом з множини UKPS, що пра- цює в насосному режимі, певної ГАЕС з множини KPS протягом години t; pr t – змінна обсягу роз- рядженої акумуляційним накопичувачем елек- троенергії протягом години t, МВт·год; cr t – со- бівартість МВт·год розрядженої накопичувачем електроенергії протягом години t; pz t – змінна обсягу зарядженої накопичувачем електроенер- гії протягом години t, МВт·год; cz t – собівартість МВт·год зарядженої акумуляційним накопичува- чем електроенергії протягом години t. У математичній моделі [5, 6] розглядається ізо- льована енергосистема, тобто для кожного часо- вого періоду має бути дотриманий баланс між об- сягом споживання та виробництва електроенергії з урахуванням можливості використання частини виробленої енергії на роботу гідроагрегатів ГАЕС у насосному режимі та заряду–розряду батарей- них акумуляційних систем: \( )PS TPP TPP TPP G TPP kt kut k K K K k K u U p p           PS PS G G P P kut kut kut kut k K u U y P y P       ;r z t t tp p D t T     , (2) де Dt – обсяг споживання електроенергії відпо- відно до добового ГЕН протягом часового періо- ду t, МВт·год. Використання маневрених енергоблоків ТЕС промодельовано можливістю зміни потужності генерації в діапазоні від мінімального до номі- нального рівнів навантаження, швидкістю зміни навантаження, кількістю пусків протягом доби, мінімальною та максимальною кількістю енер- гоблоків певного типу, що приймають участь у добовому балансі ГЕН [6]. Оптимальний склад та погодинне навантаження енергоблоків ТЕС ви- значається в результаті реалізації оптимізаційної задачі з урахуванням собівартості електроенергії кожного типу енергоблоків. Баланс виробництва– споживання електроенергії також забезпечується використанням потужностей ГЕС, сумарний об- сяг виробництва електроенергії яких як протягом доби, так і для кожної години доби обмежується знизу та згори, а також діапазоном зміни потуж- ності генерації відносно попередньої години [5]. Моделювання диспетчеризації потужностей енергосистеми проведено для прогнозованого до- бового ГЕН жовтня 2040 р. на основі фактичних даних доби 13 жовтня 2018 р. [5], коли спосте- рігались значні обсяги генерації електроенергії ВЕС та СЕС та базової потужності АЕС (приблиз- но 9700 МВт), ТЕЦ та блок-станцій (приблизно 900 МВт) зі збільшенням потужності споживання на 22%. Потужність ГЕС задано діапазоном від 250 до 2900 МВт з максимальним рівнем зміни потужності до попередньої години 500 МВт. Вста- новлена прогнозна потужність СЕС приймалася на рівні 11,6 ГВт, ВЕС – 3,7 ГВт. Добову генера- цію ВЕС та СЕС наведено на рис. 1. Базовий варіант розвитку АЕС передбачає збереження поточного рівня існуючих потужнос- тей АЕС до 2040 р. Відповідно сумісний профіль потужності генерації АЕС, ТЕЦ та блок-станцій зберігається незмінним протягом доби на рівні 10600 МВт. У покритті навантаження викорис- товуються існуючі вугільні енергоблоки 200 та 300 МВт (максимально до 12 енергоблоків кожно- го типу), 1 енергоблок 800 МВт, нові вугільні енер- гоблоки ЦКШ одиничною потужністю 300 МВт (до 10 енергоблоків) та пікові станції на природ- ному газі (максимально 500 МВт). Мінімум по од- ному енергоблоку ТЕС кожного типу бере участь у покритті навантаження, пікові установки мо- 32 Т.П. НЕЧАЄВА ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) жуть взагалі не використовуватися. Собівартості відпуску електроенергії для блоків 200 МВт за- дано на рівні 60 дол. США/МВт·год, 300 МВт – 58 дол. США/МВт·год, 800 МВт – 55 дол. США/ МВт·год [6], нових енергоблоків з ЦКШ – 80 дол. США/МВт·год, пікових установок на природному газі – 110 дол. США/МВт·год. Результат моделю- вання диспетчеризації прогнозного добового ГЕН наведено на рис. 2. У результаті оптимізації у покритті добового ГЕН у змінних режимах навантаження викорис- товуються 1 блок 800 МВт, 3 блоки 300 МВт, 12 блоків 200 МВт існуючих вугільних ТЕС, 1 новий вугільний блок 300 МВт з ЦКШ та 500 МВт пі- кових газових установок. Значний обсяг базової генерації АЕС потребує для забезпечення балансу енергосистеми, крім використання існуючих гід- роагрегатів ГАЕС у режимі закачування/генера- ції та змінних режимів експлуатації енергоблоків ТЕС, необхідність заряду-розряду акумуляційних батарейних систем ємністю 8700 МВт·год. У другому варіанті використання потужностей існуючих АЕС передбачено, що на рівні 2040 р. у зв’язку з закінченням 20-річного продовженого терміну експлуатації у роботі залишиться тільки 3 ГВт атомних потужностей. Відповідно суміще- ний профіль базової потужності генерації існую- чих АЕС, ТЕЦ та блок-станцій задано незмінним на рівні 3600 МВт протягом доби. При цьому пе- редбачено введення 4 потужних удосконалених енергоблоків АЕС третього покоління одиничною потужністю 1150 МВт та 5 енергоблоків з пер- Рис. 1. Добові графіки потужності ВЕС та СЕС Рис. 2. Структура покриття добового ГЕН при використанні базової потужності існуючих АЕС Примітка: БатЗар і БатГен – потужності заряду/розряду батарейних акумуляційних систем, ГАЕСзак і ГенГАЕС – сумарні по- тужності закачування і генерації гідроагрегатів ГАЕС, СтГаз – сумарна потужність пікових установок на природному газі, ЦКШВуг – сумарна потужність нових вугільних енергоблоків ЦКШ, ТЕСвуг – сукупна потужність існуючих вугільних енергоблоків ТЕС, АЕС+ТЕЦ+БлокСт – сумарна потужність генерації існуючих АЕС, ТЕЦ і блок-станцій, Спож – навантаження енергосистеми. + 33 Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) спективними малими модульними реакторами одиничною потужністю 160 МВт. Моделювання гнучких режимів експлуатації цих нових енергоблоків проведено двома спо- собами. Перший полягає у використанні підходів, ана- логічних до моделювання гнучкого використання енергоблоків ТЕС для покриття добового ГЕН [6]. Енергоблоки нових АЕС протягом всієї доби ви- користовуються в режимі слідування за наванта- женням. Діапазон зміни потужності великих енер- гоблоків протягом години становить 200 МВт, а енергоблоків з ММР – 70 МВт. Участь енергоблоків АЕС у покритті добового ГЕН у моделі задається додаванням до множини типів енергоблоків ТЕС нових потужних енергоблоків АЕС та енергоблоків з ММР з відповідними параметрами, що використо- вуються для енергоблоків ТЕС, і змінними, що опи- сують функціонування ТЕС у моделі. Собівартість відпуску електроенергії для потужного блоку АЕС задано на рівні 85 дол. США/МВт·год, енергоблоку з ММР – 95 дол. США/МВт·год. Результат моделю- вання диспетчеризації потужностей для покриття прогнозного добового ГЕН наведено на рис. 3. Добові погодинні графіки використання су- марних потужностей 4 енергоблоків потужних нових АЕС (NPPG) та 5 нових енергоблоків з ММР (SMR) нових АЕС наведено на рис. 4. Як видно з рис. 4, нові енергоблоки по- тужних АЕС і АЕС з ММР використову- ються у змінних режимах слідування за на- вантаженням з одним-двома циклами зміни потужності. Такі змінні режими викорис- тання нових атомних потужностей дозво- ляють практично повністю забезпечити ба- ланс навантаження енергосистеми наявними потужностями, в тому числі маневреними енергоблоками ТЕС та використанням гідро- агрегатів ГАЕС для перенесення надлишково- гої генерації СЕС у пікові години споживання. У покритті добового ГЕН використовується 1 блок 800 МВт, 12 блоків 300 МВт, 12 бло- ків 200 МВт існуючих вугільних ТЕС, 4 нових 300 МВт вугільних блоків ЦКШ та 500 МВт пікових газових установок. Другий спосіб моделювання гнучких режи- мів експлуатації нових енергоблоків АЕС поля- гає у попередньому визначенні множини мож- ливих добових режимів зміни їх потужності, які задаються для кожного енергоблоку АЕС, вибір яких здійснюється в результаті оптимізації. У цьому випадку потужність генерації енергобло- ку АЕС при покритті добового графіка наванта- ження (2) визначається як NPP NPP NPP kuft fku fkut kp v a P , (3) де NPP kuftp – змінна, що відповідає потужності, яку генерує енергоблок АЕС u з множини нових енер- гоблоків UNPP певного типу k енергоблоків АЕС з множини типів KNPP для кожної години доби у ре- Рис. 3. Структура покриття добового ГЕН при використанні нових енергоблоків АЕС у режимі слідування за навантаженням Примітка: АЕСМ – сукупна потужність нових маневрених енергоблоків АЕС. 34 Т.П. НЕЧАЄВА ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) Рис. 4. Добовий графік зміни потужності нових енергоблоків АЕС за типами жимі f навантаження з множини F режимів наван- таження енергоблоків АЕС, МВт; NPP fkv – бінарна змінна для вибору режиму навантаження енерго- блоку u АЕС певного типу k; NPP fkuta – коефіцієнт погодинного рівня навантаження енергоблоку АЕС від максимальної потужності Pk енергоблоку типу k протягом доби у режимі f. Відповідно, баланс покриття добового ГЕН (2) приймає вигляд: \( )PS TPP NPP NPP G NPP NPP kt fku fkut k f Fk K K K k K u U p v a P          TPP TPP TPP kut k K u U p        PS PS G G P P kut kut kut kut k K u U y P y P       ;r z t t tp p D t T     (4) Умова вибору тільки одного з варіантів режи- му роботи для кожного енергоблоку АЕС певного типу при покритті ГЕН задається обмеженням: 1, ,NPP NPP NPP fku f F v u U k K      . (5) Участь всіх енергоблоків АЕС у покритті ГЕН задається рівняннями: , NPP NPP NPP fk k f F u U v n k K       , (6) де nk – кількість енергоблоків АЕС кожного типу k. До цільової функції (1) математичної моделі дис- петчеризації [5, 6] витрати нових енергоблоків АЕС входять як сумарний добуток потужностей енерго- блоків АЕС кожного типу при покритті добового графіка навантаження та їх відповідної собівартос- ті виробництва електроенергії при певному режимі навантаження NPP NPP NPP NPP kuft kf f Fk K u U p c      . Визначення собівартості виробництва елек- троенергії енергоблоку АЕС певного типу з ура- хуванням їх використання у заданих режимах зміни потужності протягом доби проведено на- ступним чином. Добовий обсяг виробництва електроенергії енергоблоку АЕС визначається як сума погодинних потужностей навантаження енергоблоку, що використовується в заданому режимі навантаження f: kfds kfdst k t T E a P   , (7) де akfdst – коефіцієнт використання номінальної по- тужності атомного енергоблока типу k в годину t характерної доби d сезону s, Pk – максимальна по- тужність енергоблоку типу k. Річне виробництво електроенергії енергобло- ку АЕС, працюючого в режимі f, визначається з урахуванням кількості характерних діб кожного сезону року: ,kf kfds ds d D s S E E h     (8) де hds – кількість характерних діб d сезону s у році. З урахуванням цього, формулу середньозваже- ної собівартості електроенергії АЕС з урахуван- ням приведення загальних дисконтованих витрат АЕС протягом життєвого циклу [7] до середньо- зважених річних можна записати у вигляді: , LCC kf kNPP kf kf C CRF C E  (9) де LCC kfC – загальні дисконтовані витрати енерго- блоку типу k протягом життєвого циклу, що ви- користовується в режимі f, CRFk – коефіцієнт по- вернення капіталу протягом експлуатації за умови постійного дисконту. Враховуючи складові витрат та можливі ре- жими роботи атомної потужності при покритті графіка електричного навантаження енергосис- теми, середньозважені витрати на виробництво електроенергії протягом життєвого циклу тех- нології визначаються як: u u . МВт год 35 Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64)       1 1 1 1 1 M I Vn L n n k k kLCC K kf n n C C C f C C r r                        , (10) де n − термін будівництва енергоблоку; KC – ка- піталовкладення на відповідному етапі τ будівни- цтва, дол. США; L – термін експлуатації, років; M kC  − умовно-постійні витрати на експлуатацію та технічне обслуговування, дол. США; I kC  – сума сплати відсотків за користування кредитними коштами для відповідного року τ експлуатації, дол. США;  V kC f − умовно-змінні виробничі ви- трати, в тому числі на ядерне паливо і поводження з ним для відповідного року τ комерційної експлу- атації, які визначаються в залежності від режиму роботи, дол. США. Для визначення середньозваженої собівартості електроенергії енергоблоку АЕС у змінних режи- мах навантаження протягом доби використовува- лися показники, наведені у табл. 1. Режими погодинного навантаження та відпо- відні розраховані собівартості виробництва елек- троенергії нових енергоблоків АЕС, прийняті у розрахунках, наведено у табл. 2. Таблиця 1. Показники технологій для розрахунку витрат Технологія Питомі капітало- вкладення, $/кВт Термін експлу- атації, років Термін будів- ництва, років Витрати на експлуатацію та технічне обслуго- вування фіксовані, дол/кВт/рік Змінні експлуа- таційні витрати (паливо), дол/МВт·год Витрати на поводження з відпрацьованим паливом, дол/МВт·год Енергоблок удосконалений потужний 4000–5000 55–65 6–8 60–80 7–10 2–4 Енергоблок з ММР 4500–5500 70–80 3–5 80–100 10–14 4–8 Таблиця 2. Варіанти режимів навантаження енергоблоків АЕС за типами Тип енергоблоку режим роботи Година доби Енергоблок удосконалений потужний Енергоблок з ММР 1 2 3 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 9 1 0,85 0,85 1 0,75 0,75 10 1 0,75 0,7 1 0,6 0,6 11 1 0,75 0,6 1 0,5 0,5 12 1 0,75 0,5 1 0,5 0,3 13 1 0,75 0,5 1 0,5 0,2 14 1 0,75 0,5 1 0,5 0,3 15 1 0,75 0,6 1 0,5 0,5 16 1 0,75 0,7 1 0,6 0,6 17 1 0,85 0,85 1 0,75 0,75 18 1 1 1 1 1 1 19 1 1 1 1 1 1 20 1 1 1 1 1 1 21 1 1 1 1 1 1 22 1 1 1 1 1 1 23 1 1 1 1 1 1 24 1 1 1 1 1 1 Собівартість, дол/МВт год 76,8 82,9 86,8 84,8 97,4 100,2 36 Т.П. НЕЧАЄВА ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) У результаті оптимізації навантаження гене- руючих потужностей ОЕС при покритті добового графіка навантаження чотири потужні енергобло- ки АЕС та п’ять енергоблоків з ММР працюють у режимі навантаження № 3 з максимальним роз- вантаженням у полуденні години при максималь- ній потужності генерації СЕС. Такі змінні режими використання нових атомних потужностей також практично повністю забезпечують баланс наван- таження енергосистеми наявними потужностями, в тому числі маневреними енергоблоками ТЕС та використанням гідроагрегатів ГАЕС для перене- сення надлишкової генерації СЕС у пікові години споживання. У покритті добового ГЕН викорис- товується 1 блок 800 МВт, 12 блоків 300 МВт, 12 блоків 200 МВт існуючих вугільних ТЕС, 3 нових вугільних блока 300 МВт з ЦКШ та 500 МВт пі- кових газових установок. Cтруктуру покриття до- бового ГЕН наведено на рис. 5. Сумарне виробництво електроенергії нових АЕС у режимі слідування за навантаженням становить 90 тис. МВт·год, вугільних ТЕС – 159 тис. МВт·год, пікових газових установок – 2,2 тис. МВт·год. При використанні нових енергоблоків АЕС у третьому режимі навантаження (табл. 2) їх сумарне добо- ве виробництво електроенергії становить 100 тис. МВт·год, вугільних ТЕС – 146 тис. МВт·год, піко- вих газових установок – 4,5 тис. МВт·год. ВИСНОВКИ 1. Робота АЕС на номінальній потужності є найбільш економічно ефективною і експлуата- ційно простішою та безпечною. Але при значній частці атомних базових потужностей та великих обсягах генерації на відновлюваних джерелах енергії, зокрема сонячної, неможливість учас- ті АЕС в добовому регулюванні навантаження призводить до значного профіциту електроенер- гії при піковому виробництві електроенергії на СЕС, що обумовлює застосування додаткових джерел гнучкості енергосистеми таких, як бата- рейні акумуляційні системи. 2. Проекти нових удосконалених енергоблоків АЕС передбачають їх використання у змінних ре- жимах навантаження з розвантаженням до 50% від номінальної потужності. Перспективні енер- гоблоки АЕС з малими модульними реакторами запроектовано на ще більшу маневреність робо- ти з можливим розвантаженням до 20% від номі- нальної потужності. 3. Моделювання гнучких режимів експлуатації енергоблоків АЕС проведено з використанням їх або в режимі слідування за навантаженням з ви- значеним можливим рівнем зміни потужності від- носно попереднього часового періоду, або мож- ливими режимами погодинного навантаження енергоблоків. 4. Використання енергоблоків у гнучких режимах навантаження практично повністю забезпечуює баланс навантаження енергосис- теми наявними потужностями без обмеження надлишкової генерації СЕС або застосування батарейних акумуляційних систем, в тому чис- лі за рахунок маневрених енергоблоків ТЕС та Рис. 5. Структура покриття добового ГЕН при використанні нових енергоблоків АЕС у заданих режимах роботи 37 Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2021, issue 1(64) використанням гідроагрегатів ГАЕС для пере- несення надлишкової генерації СЕС у пікові години споживання. 1. The European Utility Requirement document for LWR nuclear power plants. URL: http://www. europeanutilityrequirements.org/Welcome.aspx (дата звернення: 12.01.2021). 2. Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants. N uclear Energy Agency. Organisation for economic co-operation and development. OECD, 2011. URL: https://www.oecd-nea.org/ndd/reports/2011/load- following-npp.pdf (дата звернення: 10.01.2021). 3. Ingersoll D.T., Colbert C., Houghton Z., Snugge- rud R., Gaston J.W. and Empey M. Can Nuclear Energy and Renewables be Friends? Proceedings of the 2015 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2015), Nice, France, May 2‒6, 2015. URL: https://mc-67443a0a-0a3b-4888-8568-874354- cdn-endpoint.azureedge.net/-/media/Nuscale/Files/ Technology/Technical-Publications/can-nuclear-power- and-renewables-be-friends.ashx?rev=81e413bca9f1491aa dcf38a77dc46172&hash=C685BF2B0EF777FC16811823 743B7317 (дата звернення: 15.01.2021). 4. Flexible Nuclear Energy for Clean Energy Systems. Technical Report NREL/TP-6A50-77088. September 2020. URL https://www.nice-future.org/fl exible-nuclear-energy- clean-energy-systems (дата звернення: 02.02.2021) 5. Шульженко С.В., Тюрютіков О.І., Тарасенко П.В. Модель математичного програмування з цілочи- сельними змінними визначення оптимального ре- жиму завантаження гідроагрегатів гідроакумулюю- чих електростанцій при покритті добового графіка електричних навантажень енергосистеми України Проблеми загальної енергетики. 2019. Вип. 4(59). С. 13—23. https://doi.org/10.15407/pge2019.04.013. 6. Шульженко С.В., Тюрютіков О.І., Іваненко Н.П. Модель математичного програмування з цілочисельними змінними визначення оптимального складу та завантажен- ня енергоблоків теплових електростанцій та гідроагрега- тів гідроакумулюючих електростанцій при покритті до- бового графіка електричних навантажень енергосистеми України. Проблеми загальної енергетики. 2020. Вип. 1(60). C. 14—23. https://doi.org/10.15407/pge2020.01.014. 7. Шульженко С.В. Особливості розрахунку вар- тісних показників у задачах прогнозування розвитку електроенергетичних систем за ринкових умов їх функ- ціонування. Проблеми загальної енергетики. 2008. Вип. 2(18). С. 16—20. Надійшла до редколегії: 10.02.2021
id	systemreorg-article-771
institution	System Research in Energy
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:21:37Z
publishDate	2021
publisher	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	systemreorg/96/5e4c0863c9e79e27cc68ec694caef696.pdf
spelling	systemreorg-article-7712026-07-18T12:57:46Z Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України Nechaieva T.P. mathematical model of dispatching, operational mode, nuclear power unit, daily electric load profile, power system математична модель диспетчеризації, режим експлуатації, атомний енергоблок, добовий графік електричного навантаження, енергосистема The use of large amounts of existing baseload NPPs capacities with a significant increase in renewable generation in the mathematical model of optimal dispatching of generating capacities of Ukraine’s power system leads to a significant surplus of electricity during peak power generation at solar PV’s, which necessitates additional sources of flexibility of the power system, such as battery electricity storage systems.The projects of new advanced nuclear power units provide for their use in flexible load modes with a maximum unloading of up to 50% of the rated capacity. Advanced NPP power units with small modular reactors are designed for even greater more maneuverable operation with possible unloading of up to 20% of rated capacity.The article presents approaches to modeling the use of NPP power units in variable load modes in the mathematical model of the optimal daily load schedule dispatching of Integrated Power System of Ukraine. The first approach is to model the operation of NPP power units similar to modeling the participation of cycling TPP units in covering the daily electrical load profile of the power system, in particular, changes in generation power in the range from minimum to nominal load levels, load rate. The second approach is to determination for each nuclear power unit of variants of modes of their hourly loading, the choice of one of which is made as a result of optimization.The modeling results showed that the choice of optimal flexible loading modes of new nuclear power units allows to provide the load balance of the power system almost completely with available capacities, including cycling TPP units, and the use of pump-storage generating units to transfer excess PV generation at peak hours of electricity consumption, which avoids the use of battery storage systems. Використання значних обсягів потужностей існуючих АЕС в базовому режимі навантаження при значному зростанні генерації на відновлюваних джерелах енергії у математичній моделі оптимальної диспетчеризації генеруючих потужностей енергосистеми України призводить до значного профіциту електроенергії при піковому виробництві електроенергії на СЕС, що обумовлює застосування додаткових джерел гнучкості енергосистеми таких, як батарейні акумуляційні системи.Проекти нових удосконалених енергоблоків АЕС передбачають їх використання у гнучких режимах навантаження з максимальним розвантаженням до 50% від номінальної потужності. Перспективні енергоблоки АЕС з малими модульними реакторами запроектовано на ще більшу маневреність роботи з можливим розвантаженням до 20% від номінальної потужності.У статті наведено підходи до моделювання використання енергоблоків АЕС у змінних режимах навантаження в математичній моделі оптимальної диспетчеризації добового графіка навантаження ОЕС України. Перший підхід полягає у моделюванні функціонування енергоблоків АЕС аналогічно до моделювання участі маневрених енергоблоків ТЕС при покритті добового графіка електричного навантаження енергосистеми, зокрема, зміни потужності генерації в діапазоні від мінімального до номінального рівнів навантаження, швидкості зміни навантаження. Другий підхід полягає у визначенні для кожного атомного енергоблоку варіантів режимів їх погодинного навантаження протягом доби, вибір одного з яких здійснюється в результаті оптимізації.Результати моделювання показали, що вибір оптимальних гнучких режимів навантаження нових атомних енергоблоків дозволяє практично повністю забезпечити баланс навантаження енергосистеми наявними потужностями, в тому числі маневреними енергоблоками ТЕС, та використанням гідроагрегатів ГАЕС для перенесення надлишкової генерації СЕС у пікові години споживання, що дозволяє уникнути використання батарейних акумуляційних систем. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2021-03-29 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/771 10.15407/pge2021.01.029 System Research in Energy; No. 1 (64) (2021): The Problems of General Energy; 29-37 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (64) (2021): Проблеми загальної енергетики; 29-37 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/771/704 Copyright (c) 2021 Nechaieva T.P. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0
spellingShingle	mathematical model of dispatching operational mode nuclear power unit daily electric load profile power system Nechaieva T.P. Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title	Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title_alt	Моделювання гнучких режимів експлуатації атомних енергоблоків у математичній моделі диспетчеризації добового графіка електричного навантаження енергосистеми України
title_full	Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title_fullStr	Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title_full_unstemmed	Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title_short	Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
title_sort	modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the ukraine’s power system daily electric load profile dispatching
topic	mathematical model of dispatching operational mode nuclear power unit daily electric load profile power system
topic_facet	mathematical model of dispatching operational mode nuclear power unit daily electric load profile power system математична модель диспетчеризації режим експлуатації атомний енергоблок добовий графік електричного навантаження енергосистема
url	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/771
work_keys_str_mv	AT nechaievatp modelingofflexiblenuclearpowerunitoperationalmodesinthemathematicalmodeloftheukrainespowersystemdailyelectricloadprofiledispatching AT nechaievatp modelûvannâgnučkihrežimívekspluatacííatomnihenergoblokívumatematičníjmodelídispetčerizacíídobovogografíkaelektričnogonavantažennâenergosistemiukraíni

Modeling of flexible nuclear power unit operational modes in the mathematical model of the Ukraine’s power system daily electric load profile dispatching

Репозитарії

Схожі ресурси