Impact of Modeling Approaches on Dispatch Optimization of Combined Cycle Gas Turbines

Einfluss von Modellierungsansätzen auf die Einsatzoptimierung von GuD-Kraftwerken

Abstract

Due to the age structure of the German generation system and the nuclear phase out, a significant amount of older power plants will be substituted during the coming years by newly built generation units. Such projects are frequently realized as combined gas and steam turbines, so-called Combined Cycle Power Plants or Combined Cycle Gas Turbines (CCGT). These power plants, mostly fired by natural gas, possess high efficiency factors combined with low specific CO2-emissions compared to other conventional power plants, e.g. fired by coal and moreover provide a high operational flexibility. As they represent a combination of several thermal processes, their generation planning and optimized dispatch are more demanding than those of existing steam or gas turbines. Therefore, a new formulation of the unit commitment problem is required, including all relevant technical and economic restrictions for scheduling CCGT.

In this paper, the relevant characteristics of the different types of CCGT are analyzed. This especially includes part load efficiency and the permitted modes of operation. For modeling of these characteristics and for optimizing the CCGT dispatch, a decomposition approach as well as a linearized closed-loop formulation is introduced. In the decomposition the optimization problem is split into sub problems, which can be solved with specialized algorithms. As the recombination of these sub problems may result in a limitation of the overall solution quality, the closed-loop approach considers the entire problem, but has to linearize the formulation to ensure solvability.

By applying both methods on an exemplary case the advantages and shortcomings of both approaches can be analyzed in detail. This comprises model accuracy, overall solution quality and a detailed schedule analysis and comparison. The paper’s results will also show the deviations caused by the different modeling approaches. Finally, the results show the added value of the adequate modeling of combined cycle power plants towards gas or steam turbines.

Zusammenfassung

Aufgrund der Altersstruktur des deutschen Kraftwerksparks und des Ausstiegs aus der Kernenergie werden zahlreiche alte Kraftwerke in den kommenden Jahren durch neue Erzeugungsanlagen ersetzt werden. Diese Neubauprojekte sind vielfach als Gas- und Dampf-Kraftwerke (GuD-Kraftwerke) geplant. Diese zumeist mit Gas befeuerten, Erzeugungsanlagen weisen gegenüber anderen konventionellen Kraftwerken einen höheren Gesamtwirkungsgrad sowie niedrigere CO2-Emissionen bezogen auf die bereitgestellte elektrische Energie auf. Zudem sind sie im regelfähigen Betrieb deutlich flexibler einsetzbar. Da in GuD-Anlagen jedoch mehrere thermische Prozesse – zumindest ein Gas- und ein Dampfturbinenprozess – kombiniert werden, ist die Kraftwerkseinsatzplanung und -optimierung für diese Anlagen wesentlich komplexer als für bestehende Gas- oder Dampfturbinen. Aus diesem Grund wird im Rahmen der Einsatzplanung für GuD-Anlagen eine erweiterte Formulierung des Kraftwerkseinsatzproblems benötigt, die alle relevanten technischen und wirtschaftlichen Restriktionen berücksichtigt. In dieser Veröffentlichung werden die relevanten Eigenschaften unterschiedlicher GuD-Anlagen analysiert. Dies beinhaltet insbesondere den Wirkungsgrad unter Teillast sowie die zulässigen Betriebszustände. Zur Modellierung dieser Eigenschaften sowie für die Optimierung des Einsatzes von GuD-Kraftwerken werden ein Dekompositionsansatz und linearer geschlossener Lösungsansatz vorgestellt. Die Dekomposition zerlegt das Optimierungsproblem in mit spezialisierten Algorithmen lösbare Teilaufgaben. Die Rekombination der Einzelaufgaben kann jedoch in einer suboptimalen Gesamtlösung resultieren. Dies motiviert die Lösung der Gesamtaufgabe mittels eines geschlossenen Ansatzes, dessen Einsatz aber eine Linearisierung des Problems zur Reduktion der Komplexität erforderlich macht. Durch Anwendung beider Ansätze am Beispiel eines Modellsystems können die jeweiligen Vor- und Nachteile aufgezeigt werden. Dies umfasst die Modellgenauigkeit, Lösungsgüte und eine detaillierte Fahrplananalyse. Die Ergebnisse zeigen auch die aus den verschiedenen Ansätzen resultierenden Abweichungen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse den Mehrwert einer detaillierten Modellierung von GuD-Anlagen.

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Notes

  1. 1.

    The theoretical optimum is defined as solution, which can be achieved by neglecting all integer decisions.

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Kasper, U., Schäfer, A., Ketov, M. et al. Impact of Modeling Approaches on Dispatch Optimization of Combined Cycle Gas Turbines. Z Energiewirtsch 36, 205–212 (2012). https://doi.org/10.1007/s12398-012-0089-x

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Keywords

  • Mixed-integer programming
  • Lagrange relaxation
  • Closed-loop approach
  • CCGT
  • Load coverage
  • Modeling accuracy