Đề tài báo cáo "Tối ưu hoá điều độ phát điện" ppt

Ngành Hệ thống điện là một trong những lĩnh vực mà bài toán tối ưu hóađược ứng dụng rất nhiều như: tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, tối ưu hóa tổn thấtcông suất tác dụng, tối ưu hóa tổn th

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

Tối ưu hoá điều độ phát điện

LỜI NÓI ĐẦU

Sau thời gian 4,5 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học ĐiệnLực, chúng em đã được các thầy, cô truyền đạt cho những kiến thức cả về lýthuyết và thực hành, để chúng em áp dụng những kiến thức đó vào thực tế vàlàm quen với công việc của người kỹ sư trong tương lai

Để chuẩn bị cho kỳ tốt nghiệp kết thúc khóa học 2008-2013, em đã đượcnhận đề tài tốt nghiệp đó là: "Tối ưu hóa điều độ phát điện" do thầy giáo TSTrần Thanh Sơn - giảng viên Bộ môn mạng và hệ thống điện trực tiếp hướngdẫn em làm đồ án này Đựơc sự giúp đỡ tận tình của thầy cùng các thầy, côgiáo trong khoa, trong trường, với sự lỗ lực của bản thân đến nay em đã hoànthành đề tài tốt nghiệp của mình

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy cùng toàn thể các thầy cô đãtạo mọi điều kiện giúp em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè- nhữngngười đã luôn bên cạnh em, tiếp thêm nguồn động lực cho em trong suốt nhữngnăm học qua Đặc biệt, cảm ơn bạn cùng nhóm đề tài với em, chúng em đãcùng nhau nghiên cứu, trau dồi, thảo luận kiến thức để hoàn thành tốt đề tàinày

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, em còn nhiều bỡ ngỡ, do chưa

có kinh nghiệm thực tiễn nên không tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn Vìvậy, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo để hoàn thành tốt

đồ án tốt nghiệp và nhiệm vụ học tập tại trường với kết quả cao

Hà Nội, tháng 1 năm 2013 Sinh viên thực hiện:

LỜI NÓI ĐẦU 1

GIỚI THIỆU CHUNG 7

Chương 1: Tối ưu hóa điều độ phát điện 10

1.1 Mô hình bài toán điều độ phát điện 10

1.2 Phương pháp hệ số Lagrange 12

1.3 Áp dụng cho bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện 13

1.4 Phương pháp tính hệ số tổn thất 21

Chương 2: Chương trình tính tối ưu hóa điều độ phát điện 30

2.1 Giới thiệu về chương trình Matlab 30

2.2 Tổ chức chương trình 31

2.3 Kiểm tra chương trình 43

Chương 3: Ứng dụng chương trình 48

3.1 Ứng dụng chương trình 48

3.2 Kết luận chung 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

Bảng 2.1: Bảng thông số của các đường dây trong ví dụ 7.9 44

Bảng 2.2: Bảng kết quả modun và góc pha điện áp 45

Bảng 2.3: Bảng kết quả công suất nguồn tại các nút 45

Bảng 2.4: Bảng kết quả công suất tải tại các nút 46

Bảng 2.5: Bảng kết quả sau khi giải tích lưới điện trong ví dụ tài liệu [1] .46

Bảng 2.6: Bảng kết quả các hệ số tổn thất trên lưới 46

Bảng 2.7: Bảng kết quả các hệ sô tổn thất trong ví dụ tài liệu [1] 47

Bảng 3.1: Dữ liệu các nút 49

Bảng 3.2: Dữ liệu máy biến áp 50

Bảng 3.3: Dữ liệu tụ bù 50

Bảng 3.4: Giới hạn công suất tác dụng tại các nút 51

Bảng 3.5: Thông số của các đường dây 51

Bảng 3.6: Kết quả mô đun và góc pha điện áp 53

Bảng 3.7: Công suất phát trước khi tối ưu 54

Bảng 3.8: Hệ số tổn thất trên lưới 54

Bảng 3.9: Bảng tổng kết kết quả so sánh chi phí nhiên liệu 56

Hình 1.1: Sơ đồ thuật toán bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện 18Hình 1.2 :Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán các hệ số tổn thất B 29Hình 2.1 : Tổ chức chương trình lập trình trong Matlab 32Hình 2.2 :Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán các hệ số tổn thất B 41Hình 2.3 : Sơ đồ thuật toán chương trình tối ưu hóa điều độ phát điện .43Hình 2.4 : Sơ đồ hệ thống điện 5 nút 45Hình 3.1: Sơ đồ lưới điện 26 nút 49

OPF Optimal power flow

Nút SL Nút cân bằng công suất

GIỚI THIỆU CHUNG

Hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống điện (HTĐ) hợp nhất Cùng với

sự phát triển của kinh tế, xã hội dẫn đến sự phát triển không ngừng của phụ tảilàm cho hệ thống điện vận hành trong tình trạng quá tải

Nguồn điện trong hệ thống điện Việt Nam có rất nhiều loại: thủy điện,nhiệt điện than, nhiệt điện dầu, tuabin khí chu trình đơn và chu trình hỗn hợp,điện diesel, với các đặc tính vận hành rất khác nhau nên các phương án phân

bố công suất cho các nhà máy khác nhau dẫn đến chi phí cho các nhà máycũng khác nhau đáng kể Mặt khác các nguồn điện phân bố không đều:

- Miền Bắc chủ yếu là các nhà máy thủy điện và nhiệt điện than;

- Miền Nam: bao gồm các nhà máy nhiệt điện dầu, tuabin khí và tuabinkhí hỗn hợp;

- Miền Trung: cho đến nay có ít nhà máy điện

Lưới cung cấp điện còn tồn tại nhiều vấn đề bất cập: có quá nhiều cấpđiện áp (110, 66, 35, 22, 15, 10, 6 kV), cũ nát, phi tiêu chuẩn (thiếu bù và cácphương tiện điều chỉnh điện áp), tổn thất truyền tải cao, dung lượng bù côngsuất phản kháng rất thiếu,

Do sự tăng lên về quy mô và sự phức tạp đó trong hệ thống điện nên vấn

đề tối ưu trong quy hoạch và khai thác hệ thống trở nên thiết yếu Đường dâyliên kết với giả thiết có công suất truyền tải khác nhau ảnh hưởng rất nhiều đếnchi phí vận hành của toàn hệ thống Khi đó bài toán tối ưu hóa là rất cần thiếtnhằm mục đích đạt được hiệu quả cao trong vận hành

Các bài toán tối ưu là một công cụ hữu hiệu giúp chúng ta có những giảipháp đơn giản nhất để giải quyết một vấn đề dù đơn giản hay phức tạp Bàitoán tối ưu mà bản chất là bài toán giải tìm cực trị của một hàm dưới nhữngràng buộc nào đó nên có rất nhiều thuật toán giải Ngày nay, với sự phát triểncủa khoa học và kĩ thuật, phạm vi ứng dụng của tối ưu hóa ngày càng được mởrộng, các bài toán tối ưu được giải quyết nhanh và chính xác hơn

Ngành Hệ thống điện là một trong những lĩnh vực mà bài toán tối ưu hóađược ứng dụng rất nhiều như: tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, tối ưu hóa tổn thấtcông suất tác dụng, tối ưu hóa tổn thất công suất phản kháng, tối ưu hóa côngsuất tác dụng của máy phát ở nút cân bằng, tối ưu hóa công suất phản khángcủa máy phát ở nút cân bằng,

Khoảng cách giữa các nhà máy điện đến phụ tải khác nhau nên tổn thấttrong quá trình truyền tải là khác nhau và phụ thuộc vào công suất của các nhàmáy Hơn nữa chi phí nhiện liệu cho các nhà máy cũng khác nhau Do đó vấn

đề phân bố công suất tác dụng và công suất phản kháng phát của mỗi nhà máynhằm cực tiểu hóa hàm chi phí nhiên liệu của toàn bộ hệ thống được đặt ra Cónghĩa rằng, ta phải tính công suất tác dụng và công suất phản kháng nằm tronggiới hạn cho trước mà vẫn đảm bảo nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu nhỏnhất Bài toán này được gọi là bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta phân tích bài toán tối

ưu hóa điều độ công suất tác dụng phát Bài toán này phục vụ tính phân bốcông suất cho các nhà máy sao cho tổng chi phí nhiên liệu của hệ thống đạt giátrị nhỏ nhất với điều kiện có tính đến tổn thất công suất tác dụng và giới hạncông suất tác dụng phát

Đề tài tốt nghiệp gồm 3 chương như sau:

- Chương 1: Tối ưu hóa điều độ phát điện Chương này giới thiệu bàitoán tối ưu hóa điều độ phát điện trong ngành HTĐ Mô hình toánhọc của bài toán được đưa ra sau đó bài toán được giải bằng phươngpháp Lagrange Một ví dụ với các số liệu cụ thể để có sự hình dung rõhơn về vấn đề được giới thiệu Phần cuối của chương giới thiệuphương pháp tính toán các hệ số tổn thất để phục vụ cho bài toán tối

ưu hóa điều độ phát điện

- Chương 2: Chương trình tính toán tối ưu hóa điều độ phát điện.Chương này gồm 2 phần: phần đầu chương giới thiệu về lập trình cácthuật toán ở trên trong Matlab, phần thứ 2 đưa ra một hệ thống điệnđơn giản để kiểm tra thuật toán và chương trình đã lập trình

- Chương 3: Ứng dụng chương trình Chương này sử dụng chươngtrình để tính toán cho trường hợp phức tạp hơn với bài toán quy môlớn hơn Và cuối cùng là một số những kết luận chung

Tối ưu hóa điều độ phát

điện

1 Mô hình bài toán điều độ phát điện

Hệ thống điện bao gồm nhiều nhà máy điện và các phụ tải được nối vớinhau thông qua các đường dây truyền tải điện Ở mỗi chế độ làm việc, các phụtải sẽ yêu cầu cung cấp một lượng công suất nhất định Việc phân chia lượngcông suất này cho các nhà máy điện trong hệ thống để đạt được chi phí sảnxuất nhỏ nhất là một bài toán lớn, vì:

- Mỗi nhà máy điện có một hàm chi phí nhiên liệu riêng và giới hạncông suất phát khác nhau

- Tổn thất công suất từ các nhà máy đến các phụ tải cũng rất khác nhau

do khoảng cách và công suất tiêu thụ của các phụ tải là khác nhau.Trong phần này chúng ta sẽ xét mô hình toán học của bài toán tối ưu hóađiều độ phát điện khi tính đến tổn thất công suất tác dụng và giới hạn công suấtphát

Khi truyền tải một lượng công suất lớn mà khoảng cách truyền tải ngắnthì tổn thất truyền tải có thể được bỏ qua và việc tối ưu hóa công suất phát đạtđược với tất cả các nhà máy được thể hiện ở phương trình chi phí sản xuất Tuynhiên, trong một lưới điện liên kết lớn nơi mà năng lượng điện được truyền tảitrên một khoảng cách dài với khu vực mật độ tải thấp thì tổn thất truyền tải làmột yếu tố quyết định và có ảnh hưởng đến việc tối ưu hóa điều độ phát điệncủa các nhà máy Để giải quyết bài toán đặt ra ta coi tổng tổn thất truyền tảinhư một hàm bậc hai của các công suất phát của các máy phát điện Dạngphương trình đơn giản nhất là:

Khai triển công thức thành các thành phần tuyến tính và hằng số gọi làcông thức tổn thất Kron được trình bày ở mục 1.4 có dạng:

- Bij: hệ số tổn thất giữa các nút i và nút j còn gọi là hệ số B , có thể coi

là không đổi trong quá trình tính toán

- B0i: hệ số tổn thất ứng với nút thứ i

- B00: hệ số tổn thất cố định

- ng – số máy phát phân bố tối ưu công suất trong tổng số n máy phát

- Pi , Pj - công suất ứng với nút thứ i và nút thứ j

Có nhiều phương pháp để xây dựng phương trình tổn thất Một phươngpháp tính toán các hệ số B được trình bày trong mục 1.4

Đặc tính chi phí nhiên liệu sản xuất điện trong 1 giờ của nhà máy nhiệtđiện thứ i có thể biểu thị dưới dạng hàm bậc 2 theo công suất tác dụng củanguồn phát như sau:

- Pi là công suất phát của nguồn thứ i

Bài toán điều độ phát điện là tìm các giá trị Pi vừa thỏa mãn các điều kiệnrằng buộc vừa cực tiểu hóa được hàm chi phí nhiên liệu Ct của hệ thống

Các điều kiện rằng buộc là tổng công suất phát cân bằng với với tổngcông suất tiêu thụ của phụ tải cộng với tổn thất:

Bài toán trên được giải bằng phương pháp hệ số Lagrance như sau:

 Ta sẽ lập hàm chi phí mới có tính đến các điều kiện rằngbuộc Hàm Lagrange được thành lập như sau:

j u j

  và j> 0) Đây chính là điều kiện Kuhn-Tucker

3 Áp dụng cho bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện

Trong phần này ta xét ứng dụng phương pháp hệ số Lagrange để giải bàitoán tối ưu hóa điều độ ở phần 1.1

Thêm các điều kiện rằng buộc vào hàm mục tiêu trong phương trình (1.3)

khi P P khi P P





Giá trị nhỏ nhất của các hàm ràng buộc này được tìm thấy tại điểm mà ở

đó đạo hàm riêng của hàm theo các biến của nó bằng 0

0

i

L P

0

i i i

0

i i i

Trong công thức (1.15) và (1.16) Pi không được phép vượt giới hạn của

nó và khi Pi tiến dần đến giới hạn thì:

(min) (max) 0

và hàm Kuhn-Tucker trở thành một hàm Lagrange

Điều kiện thứ nhất đưa bởi (1.13) cho ta kết quả sau:



 được gọi độ gia tăng tổn thất truyền tải

Điều kiện thứ 2 được đưa bởi (1.14), kết quả là:

i

L i

L

P P



-



( 0.0)

Phương trình (1.24) chỉ ra rằng chi phí nhỏ nhất đạt được khi độ gia tăngchi phí của mỗi nhà máy theo cấp số nhân bởi hệ số phạt với các nhà máy thìnhư nhau

Độ gia tăng chi phí sản xuất được đưa bởi công thức:

2

i

i i i i

2

g

n L

ij j i j

Thay thế kết quả vào công thức tính độ gia tăng chi phí sản xuất (1.26)

và gia tăng tổn thất công suất truyền tải (1.21) ta có kết quả sau:

0 1

2 1

02 2

2

1

1 01

2 1

02 2

2

1

1

2

0

( ) ( )

Ta được giá trị mới của λ là:

g

n

L ii i i

Hình 0.1: Sơ đồ thuật toán bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện

Để làm rõ hơn ta tính toán cho 1 bài toán được trích từ trang 284 – tài liệu[1]

Bài toán: Chi phí nhiên liệu của 3 nhà máy nhiệt điện của một hệ thống

điện như sau:

70 10

80 10

85 10

3 2 1

Giả sử tổn thất điện năng được cho bởi biểu thức đơn giản:

2 ) ( 3

2 ) ( 2

2 ) ( 1 )

2 3 2

2 2

2

1 0 , 000228 0 , 000179

000218 ,

(1) 2

(1) 3

8 7

51,31362(0,008 8.0, 000218)

8 6,3

78,52922.(0,009 8.0, 000228)

8 6,8

71,15752(0,007 8.0,000179)

P P P

-

-

, 51 ( 8864 2 150 ) 1

-P

Từ (1.42) ta suy ra

(1) 3

1139 , 48

) 1 (

- -



 Khi đó, giá trị mới của  là

6845 , 7 31552 , 0 8

) 2 (

 -



Tiếp tục như trên với bước 2 ra có

(2) 1

(2) 2

(2) 3

7,6845 7

35,37282(0,008 7,6845.0,000218)

7,6845 6,3

64,38212.(0,009 7,6845.0,000228)

7,6845 6,8

52,80152(0,007 7,6845.0,000179)

P P P

0 588 , 154

8395 , 0

) 2 (

- -



 Khi đó, giá trị mới của là

679 , 7 005431 ,

0 6845 , 7

) 3 (

 -



Lặp với bước 3 ta có

(2) 1

(2) 2

(2) 3

7,679 7

35,09652(0,008 7,679.0,000218)

7,679 6,3

64,13692.(0,009 7,679.0,000228)

7,679 6,8

52, 48342(0,007 7,679.0,000179)

P P P

-

-





P

Từ (1.42)

(3) 3

1

0,008 0, 000128.7 0, 009 0,000228.6,3 0, 007 0,000179.6,8 2(0,008 7,679.0,000128) 2(0, 009 7,679.0,000228) 2(0,007 7,679.0,000179) 154,624

0 624 , 154

01742 , 0

) 3 (

- -



 Khi đó, giá trị mới của là

6789 , 7 0001127 ,

0 679 , 7

) 4 (

 -



Với (3), đó là điều kiện rằng buộc nhỏ được đáp ứng qua 4 bước lặp,

và điều độ tối ưu với  7,6789

(4) 1

(4) 2

(4) 3

7,6789 7

35,09072(0,008 7,6789.0,000218)

7,6789 6,3

64,13172.(0,009 7,6789.0,000228)

7,6789 6,8

52, 47672(0,007 7,6789.0,000179)

P P P

Một trong những thông số phục vụ bài toán tính toán tối ưu điều độ công

suất phát của nhà máy điện là xác định được hàm tổn thất công suất trên hệ

thống theo các biến là công suất phát của các nhà máy Có một vài phương

pháp xây dựng công thức tính tổn thất Một phương pháp được phát triển bởi

Kron và bổ sung bởi Kirchmayer là phương pháp hệ số tổn thất B

Nội dung phương pháp như sau:

Công suất nút bơm vào tại một nút i, kí hiêụ là Si được tính theo điện áp

dây và dòng nút Ii như sau:

S

·

iP i j.Q i U· i.I*i ( 0.0)

Tổng tổn thất công suất trên hệ thống điện xét được tính bằng tổng côngsuất nút của tất cả các nút trong hệ thống:

us 1

T n

Mặt khác công thức tính dòng điện bơm vào nút :

bus bus bus

- Ma trận Zbus được gọi là ma trận tổng trở nút của hệ thống

Rút Vbus từ (1.46) thay vào (1.44) ta được kết quả sau:

Trong đó : Rbus là phần thực của ma trận tổng trở nút

Để đưa ra công thức tính tổng tổn thất công suất theo công suất phát củacác nhà máy điện, ta đi xác định tổng dòng tải ID từ từng dòng tải ILi:

I· I· I·  I· ( 0.0)Trong đó: n là số nút, I Li là dòng tải tại nút i

*

*

l Li i

S I U

Trong đó

- n g: tổng số nút có máy phát

và

1 1

n

k k k

11

U I

bus new

1 2

g

g g

I I

0

g

g

g g

gn

I I

1 1

*

1

gi gi

gi i gi i

i

Q j P

P I

.1

g

g g

gn

P P

* 1 1

T T

n n

./ 2

g g g

Chương trình tính tối

ưu hóa điều độ phát

điện

5 Giới thiệu về chương trình Matlab

Matlab là một trong những hệ thống được soạn thảo hết sức chu đáo,mạch lạc với việc áp dụng nhiều thuật toán phong phú, đặc biệt như chính têncủa nó – “Matric Laboratory’’, thuật toán ma trận được coi là hạt nhân quantrọng trong lập trình Matlab Cú pháp ngôn ngữ của chương trình Matlab đượcthiết lập tinh tế đến mức người sử dụng không có cảm giác là đang tiếp xúc vớicác phép tính phức tạp của ma trận Ma trận được áp dụng rộng rãi trong cácbài toán kỹ thuật điện, điện tử, cơ học như: toán tử phức, ma trận, véc tơ, đathức, xử lý tín hiệu Matlab có thể làm việc ở hai chế độ: tương tác và lậptrình Trong tương tác, Matlab thực hiện từng lệnh được gõ trong cửa sổ lệnhsau dấu nhắc lệnh (>>) Trong chế độ lập trình, một tập lệnh được soạn thảo vàghi lại thành một tệp đuôi m (m-file) Để gọi chương trình chỉ cần gọi tên m-file trong cửa sổ lệnh

Hệ thống Matlab cho phép người sử dụng giải các bài toán chuyên sâunhư: bài toán tối ưu, hệ thống điều khiển, mạng noron, logic mở, phân tích tàichính, mô phỏng dạng sóng với độ chính xác cao và tốc độ nhanh Ngôn ngữcủa hệ thống Matlab phong phú hơn bất kỳ một ngôn ngữ lập trình nào Nó gầnnhư sử dụng tất cả các phương tiện lập trình đã biết, kể cả mô phỏng (phươngtiện Simulink), đồ họa, hoạt hình Hệ thống Matlab còn chứa một lượng khổng

lồ các phép tính, thuật giải và hàm cho phép giải rất nhiều bài toán phức tạpnhư: lấy nghịch đảo ma trận, đạo hàm, vi phân Ngôn ngữ đầu vào của Matlabgần giống như Basic ( hỗn hợp của Fortran và Pascal) Vì vậy, rất quen thuộc

và dễ dàng cho người sử dụng Thêm vào đó, hệ thống còn có khả năng hiệuchỉnh chương trình, khi người sử dụng không đúng thì máy sẽ báo lỗi giúp cho

việc tìm lỗi dễ dàng hơn Do đó, Matlab là một phần mềm hết sức thuận tiện vàhiệu quả.

Là một hệ thống mở, Matlab kết hợp rất nhiều phương pháp tính mà cóthể áp dụng thuận tiện cho bất kì người sử dụng nào Matlab có đặc điểm linhhoạt và dễ thích nghi Vì vậy, cho dù là người mới bắt đầu hay là một chuyêngia sành sỏi, vẫn có thể sử dụng Matlab một cách thoải mái và cuốn hút.Matlab rất ưu ái với người sử dụng, bạn có thể tạo ra chương trình chuyên môncủa mình mà Matlab sẵn sang đáp ứng Matlab cho phép tiếp cận và áp dụng

dễ dàng các hàm có sẵn để giải các bài toán cần thiết và đồng thời có thể sangtạo ra các m.file mà khi được lưu giữ với thủ tục phù hợp, Matlab coi như làhàm của chính hệ thống, điều đó cho phép mở rộng khả năng vô hạn củaMatlab Đó cũng chính là ưu điểm nổi bật của Matlab mà không chương trìnhnào có được

6 Tổ chức chương trình

Dựa trên các thuật toán đã giới thiệu ở chương 1, một chương trình tínhtoán tối ưu hóa điều độ phát điện đã được mã hóa trong môi trường Matlab.Chương trình được tổ chức như trên hình 2.1

Nhập dữ liệu đường dây filetest_LineData.xls

Nhập dữ liệu nút filetest_BusData.xls

Đọc dữ liệu về hàm chi phí, giới hạn công suất (readData.m)

Tính toán các hệ số tổn thất B

(bloss.m)

Tối ưu hóa điều độ phát điện (mainfunc.m)

Hình 0.3 : Tổ chức chương trình lập trình trong Matlab

Để thực hiện tính toán, chúng ta phải thực hiện 2 bước sau:

- Thứ nhất là nhập dữ liệu vào các file Các file đã được dịnh dạng sẵn,người dùng phải nhập các dữ liệu theo các định dạng này Nếu khôngchương trình sẽ báo lỗi hoặc cho kết quả sai Trong tính toán tối ưuhóa điều độ phát điện, chúng ta cần nhập các loại dữ liệu như sau:

 Các thông số của nút

 Các thông số của đường dây và máy biến áp

 Các hệ số của hàm chi phí nhiên liệu

- Thứ 2 là cho chương trình chính chạy Trong quá trình chạy, chươngtrình chính sẽ thức hiện các chức năng sau: