Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 9 - Phương thức vận hành tối ưu trong hệ thống điện

Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 9 - Phương thức vận hành tối ưu trong hệ thống điện được biên soạn với các nội dung chính sau: Phân phối tối ưu vận hành tức thời hệ thống gồm các nhà máy nhiệt điện; Phân phối tối ưu vận hành trong hệ thống có nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện; Lập kế hoạch chế độ làm việc các nhà máy trong hệ thống;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

CHƯƠNG 9 PHƯƠNG THỨC VẬN HÀNH TỐI ƯU

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

▪ Đặt vấn đề:

Tối ưu hóa quy hoạch phát triển (nguồn và lưới)

Tối ưu hóa vận hành

▪ Tối ưu hoá trong vận hành giải quyết vấn đề phân phối phụ tải cho các nhà máy nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải và với chí tối thiểu cho hệ thống

▪ Tối ưu hoá trong vận hành: Khi nào nhà máy điện vận hành hay ngừng? Nhà máy nên vận hành trong bao nhiêu lâu? Nhà máy nên mang tải là bao nhiêu?

▪ Kế hoạch vận hành chia thành 3 loại:

Kế hoạch vận hành trung hạn - thường là một năm (Mid Term Scheduling)

Kế hoạch vận hành ngày, tuần (Unit Commitment of Plant)

Kế hoạch điều độ tức thời (Short Term Economic Dispatch)

▪ Chế độ vận hành của các nhà máy trong hệ thống: Xác định công

suất cho các nhà máy và vị trí làm việc của các nhà máy trên đồ thị phụ tải

hệ thống

9.1 Phân phối tối ưu vận hành tức thời hệ thống gồm các nhà máy nhiệt điện

9.1.1 Phân phối tối ưu công suất tác dụng

9.1.1.1 Phương pháp xếp hạng (Merit order)

▪ Yêu cầu:

- Biết tổng phụ tải của hệ thống

- Biết chi phí vận hành của nhà máy

▪ Các nhà máy được sắp xếp theo trật tự chi phí vận hành tăng dần

▪ Phương pháp đơn giản, dễ thực hiện

▪ Bỏ qua tổn thất truyền tải, phân phối và phải giả thiết chi phí vận hành hệ thống không đổi

9.1.1.2 Phương pháp suất tăng chi phí (Incremental Cost)

▪ Suất tăng chi phí là chi phí tăng thêm khi sản xuất tăng thêm

1 đơn vị điện năng ở một mức công suất nhất định.

▪ Sắp xếp các nhà máy theo trật tự tăng dần của suất tăng chi phí

▪ Bài toán:

Một hệ thống gồm (n) nhà máy nhiệt điện Phụ tải của mỗi nhà máy là (Pi) Chi phí sản xuất tương ứng với phụ tải của từng nhà máy là Fi(Pi) Tổng nhu cầu tức thời của hệ thống là (D) Hãy phân phối tối ưu phụ tải cho các nhà máy trong hệ thống.

Bỏ qua các tổn thất truyền tải và phân phối trong hệ thống.

▪ Tổng chi phí sản xuất của hệ thống:

▪ Ràng buộc: Pi = 0 hoặc Pimin  Pi  Pimax

( 1

→

= 

=

n i

i

i P F TPC

=

i n

0 i

i

i P D - P F

i i

i

P D

P

i i

i 

i F

P

P F P

P F P

P F

2

2 2 1

1 1

▪ Giải bằng phương pháp thử dần:

▪ Chọn một giá trị λ bất kỳ thay vào hệ phương trình, giải tìm Pi

▪ Tính thử ∑Pi nếu ∑Pi < D tăng giá trị λ lên và ngược lại

▪ Thử lại cho đến khi ∑Pi = D, vòng lặp dừng

Unit A

P (Mw) Unit B Unit A+B

PA PB

Unit A Unit B Unit C Unit D

Unit C

Ví dụ:

Cho hệ thống gồm 2 nhà máy có hàm chi phí:

Nếu phụ tải của hệ thống yêu cầu là 2,6 MW, phụ tải phân cho mỗi nhà máy là bao nhiêu để đảm bảo đáp ứng nhu cầu phụ tải và với chi phí cực tiểu? Bỏ qua các tổn thất.

0 89

,

3 2

1 )

2 P = P + P +

F

Điều kiện đạt tối ưu khi và chỉ khi:

Khi Pi < Pimin Pi = Pimin P∑ = P - Pimin

Pi > Pimax Pi = Pimax P∑ = P - Pimax

D P

P 0

L

P

F P

F P

L

P

F P

F P

L

2 1

λ

λ 0

=+

=+

(3)

(2)

(1)

6,2

51,3

89,3

2 1

2

1

P P

−

=

−

6 , 2

38 , 0

2 1

2 1

P P

P P

11 , 1

2

1

P P

Ví dụ: Sử dụng số liệu của ví dụ trên nhưng ràng buộc

phạm vi làm việc của các nhà máy P1 ≥ 0.3 và P2 ≤ 2.4 và yêu cầu giải bằng phương pháp thử.

= +

= +





(3)

(2)

(1)

6 , 2

51 , 3

89 , 3

4 , 2

3 , 0

2 1

2 1 2 1

P P

P P P P





n

· m

¶ tho ng

«

kh

P

.

P 2

89 1 λ

2 49

2

11 2

2 2

2

1

P P

11 1

2

1

P

P

11 , 1

* 2

* 1

P P

9.1.1.3 Phân phối tối ưu công suất tác dụng có xét đến tổn thất mạng

Hàm chí phí của hệ thống được biểu diễn:

P -

D

1

P D

P P

−

 +

F

Điều kiện đạt tối ưu khi và chỉ khi:

Hệ số phạt của nhà máy (i)

Suất tăng tổn thất mạng của nhà máy (i)

n1,i

)(

i i

i i

P P

P F P

i i

P

P P

P P P

P F

1

) (

Bài toán có tổn thất không đổi:

Hàm mục tiêu khi tổn thất không đổi:

Ràng buộc:

Với ∆P = const Hàm Lagrăng được xây dựng:

D P

P P

P P

D L

P

P F P

L

P

P F P

L

P P

D P

F L

i i i

i i

i i i

i

i i i

n i

n

i i

λ ) (

0 λ

0 λ ) (

0 -

) (

min λ

) (

1 1

i

F



9.1.2 Phân phối tối ưu công suất phản kháng

▪ Phát ra công suất phản kháng không liên quan đến chi phí

▪ Phân phối tối ưu công suất phản kháng ảnh hưởng đến tổn thất công suất tác dụng, do đó giảm chi phí hệ thống

Bài toán: Giả thiết công suất tác dụng đã biết và không

đổi Cần phân phối công suất phản kháng sao cho tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống là thấp nhất.

▪ Sử dụng phương pháp Lagrăng, giải tìm Q1, Q2, ,Qn

const Q

P

Q Q

Q Q

Q Q P L

n

i Q

i

Q i

i

Q Q

Q L

Q

Q Q

P Q

L

1

0

0 1

1

01

λ

i

i Q

Q Q

Q P



9.1.3 Phân phối tối ưu đồng thời công suất tác dụng và công suất phản kháng

; Q,PfP

Const:

Q,P

QQ

Q

PP

Q P F

− +

n i 1

i i

i i

i i

i i

Q Q

Q L

P P

P L

n 1, i

P

Q Q

P Q

F Q

L

n 1, i

P

Q P

P P

F P

L

1 1

2 1

2 1

0 λ

0 λ

0 1

λ λ

0 λ

1 λ

Giải hệ tìm (P1,P2, Pn) và (Q1, Q2, Qn)

Điều kiện đạt cực trị:

;

Q P f P

Q P f Q

P

Q Q

Q

P P

−

=

 +

−



 +



 +



 +

−



 +

n

i

i i

i i

x i

i

i i

i i

i i

Q Q

Q

P P

P

Q

Q Q

Q Q

P Q

P Q

F Q

L

P

Q P

Q P

P P

P P

F P

L

1

1

2 1

2 1

0 0

0 1

λ λ

0 λ

1 λ

Giải hệ tìm (P1, P2, Pn) và (Q1, Q2 Qn) và (1,2)

9.2 Phân phối tối ưu vận hành trong hệ thống có nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện

▪ Vận hành nhà máy thủy điện ảnh hưởng đến vận hành nhà máy nhiệt điện và chi phí hệ thống.

▪ Hoạt động của nhà máy thuỷ điện chịu ảnh hưởng ràng buộc lượng nước cung cấp tại những thời điểm khác nhau.

▪ Chi phí cho vận hành của hệ thống sẽ cực tiểu hoá khi sử dụng tối đa được nguồn thuỷ điện.

▪ Chú ý phạm vi giới hạn công suất cho phép làm việc của các tổ máy trong hệ thống.

▪ Bài toán: Xét 1 hệ thống điện gồm (n) nhà máy nhiệt

điện và (m) nhà máy thuỷ điện Hãy phân phối tối ưu công suất cho hệ thống và đảm bảo yêu cầu phụ tải Bỏ qua các tổn thất trong truyền tải và phân phối.

Ký hiệu:

Dt : Nhu cầu phụ tải trong từng giai đoạn (t)

Pit : Đầu ra công suất của nhà máy nhiệt điện (i) ở giai đoạn (t)

Wjt: Lượng nước qua nhà máy thuỷ điện (j) ở giai đoạn (t)

Hj(Wjt): Công suất từ nhà máy thuỷ điện (j) trong giai đoạn (t)

Fit(Pit): Chi phí sản xuất điện từ nhà máy (i) trong giai đoạn (t)

Kj : Tổng lượng nước có thể cho phép qua nhà máy thủy điện (j) trong thời kỳ được xem xét

T : Thời kỳ được xem xét (1 ngày) và được chia thành các giai đoạn nhỏ (t)

t : Các giai đoạn được xem xét trong thời kỳ đã cho (giờ trong ngày)

Hàm mục tiêu

Các ràng buộc của bài toán:

Tổng công suất:

Tổng lượng nước tiêu hao cho nhà máy thuỷ điện

Hàm Lagrăng sử dụng giải bài toán cực trị:

jt n

i

P

1 1

T 1, t

)

j n

i

m

j

jt jt

it t

t T

Điều kiện đạt tối ưu

T1,t

n

1,i

P

FP

L

t it

it it

( )*

jt t

H W

L

( )**

W

H

m 1, j

K W

L

t

,1

=

= +

Thay vào biểu thức (**)

µ j Giá trị nước của nhàmáy thủy điện (j)

Thể hiện phần giảm chi phí phát điện của

do tăng lượng nước qua nhà máy thủy điện (j)

Suất tăng tiêu hao nước của nhà máy TĐ (j)

Chi phí vận hành nhà máy thủy điện (j)

t it

jt t

H P

F

j jt

jt it

H

W

t jt

jt j

( −  j  Wjt )

9.4 Lập kế hoạch chế độ làm việc các nhà máy trong hệ thống

▪ Có lợi nhất về kinh tế cho hệ thống, tổng chi phí vận hành trongnăm nhỏ nhất

▪ Xác định vị trí làm việc và công suất yêu cầu

▪ Đảm bảo thoả mãn nhu cầu phụ tải theo thời gian; Có lượng dự trữcần thiết; Khả năng mang tải của lưới; Phạm vi cho phép làm việccủa các nhà máy; Sử dụng tối đa nguồn thuỷ điện; Sử dụng tối đakhả năng phát theo phương thức cung nhiệt; Xem xét tất cả chi phí

an toàn hệ thống, khởi động, tắt tổ máy lò, chi phí trao đổi giữa cáccông ty điện lực

9.4.1 Sắp xếp các nhà máy trong đồ thị phụ tải hệ thống

▪ Bảng danh sách thứ tự ưu tiên

▪ Quy hoạch động

▪ Quy hoạch nguyên

9.4.1.1 Bảng danh sách thứ tự ưu tiên

▪ Các tổ máy được phân loại theo trật tự nhất định

▪ Lấy tổng phụ tải và nhu cầu dự trữ theo từng giờ, phân phối lầnlượt cho các tổ máy theo công suất lớn nhất các tổ máy có thể mangđược đến khi đáp ứng nhu cầu phụ tải của hệ thống

▪ Khi muốn ngừng tổ máy nào thì danh sách bảng ưu tiên này sẽđược thể hiện ngược lại

▪ Khi muốn ngừng tổ máy nào thì chi phí cho việc tiếp tục vận hànhlại tổ máy phải được cộng vào chi phí ngừng máy hay chi phí mởmáy

▪ “Do not start a particular unit” trừ khi phụ tải được yêu cầu sẽ cầnđược đáp ứng ít nhất trong (X) giờ và tương tự như vậy cho nguyêntắc ngừng máy

▪ Danh sách thứ tự ưu tiên có thể được xem xét theo đặc điểm từngmùa trong năm và đặc điểm hoạt động của các nhà máy

TBK, TĐ, NĐD

TĐ NH+TTNĐ

TTNĐ

TĐ

NHNH TTNĐ TĐ Mùa Hè Mùa Đông

9.4.1.2 Phương pháp Jacoby xác định vị trí làm việc của nhà máy thủy điện trong đồ thị phụ tải hệ thống

▪ Bản chất: Mở rộng phương pháp xếp hạng

▪ Coi nhà máy thuỷ điện như một nhà máy nhiệt điện, tìm một vị trí cho nhà máy trong đồ thị phụ tải hệ thống sao cho khai thác sử dụng được tối đa đồng thời cả điện năng và công suất của dòng nước.

Ví dụ: Cho một hệ thống điện gồm 5 nhà máy nhiệt điện và 1 nhà máy thuỷ điện Nhà máy Nhiên liệu Công suất (MW)Chi phí vận hành ($10 4 /MW tháng)

1 Hãy tìm phạm vi phụ tải hệ thống để nhà máy thuỷ điện làm việc kinh tế nhất.

2 Tính toán và vẽ đường SRMC như một hàm của mức phụ tải trong hệ thống.

0 1 0

300

1

700 700

B E

0,8

0,81

9.4.1.3 Phương phỏp mụ hỡnh động Bellman

▪ Sử dụng phương phỏp quy hoạch động Bellman trong xỏc địnhcụng suất làm việc tối ưu cho cỏc nhà mỏy trong hệ thống

▪ Vớ dụ:

Một hệ thống điện gồm 3 nhà mỏy cú cụng suất và chi phớ tương ứng

Giả thiết nhà mỏy cú suất tăng chi phớ khụng đổi và bằng chi phớbiờn như đó cho Phụ tải và yờu cầu dự trữ trong ngày như sau:

Nhà

máy

Công suất (MW)

Chi phí biên ($/ MWh)

Tổn thất cố

định ($/ h)

Chi phí khởi

động($)

Chi phí ngừng máy($)

Tìm phân phối tối ưu phụ tải mỗi thời kỳ trong ngày? Giả thiết việcphân phối tối ưu phụ tải theo phương pháp xếp hạng Bỏ qua tổn thấttruyền tải và phân phối trong hệ thống.

Giải: Phụ tải và dự trữ yêu cầu từng thời kỳ trong ngày

Sự kết hợp các nhà máy trong hệ thống có thể đáp ứng yêu cầu phụtải và dự trữ từng thời kỳ

Phô t¶i thêi kú I (8h) II (8h) III (8h)

Sử dụng phương pháp quy hoạch động Bellman

Giai đoạn 1, D = 7MW (1MW dự trữ)

Tr¹ng th¸i

tríc S i

Tr¹ng th¸i hiÖn t¹i S j

Chi phÝ chuyÓn dÞch

A

C B

A

C B

A

C B

A

C B

A

Giai đoạn 2, D = 12MW (2MW dự trữ)

Tr¹ng th¸i

tríc S i

Tr¹ng th¸i hiÖn t¹i S j

Chi phÝ chuyÓn dÞch

Giai đoạn 3, D = 19MW (3MW dự trữ)

▪ Chi phí cực tiểu của hệ thống trong một ngày là 6160($).

▪ Kế hoạch làm việc của các nhà máy trong hệ thống theo từng thời gian trong

ngày theo trật tự : AB → AB → ABC

▪ Phân phối công suất từng giai đoạn trong ngày:

Giai đoạn (I) 7 MW (1MW dự trữ) A = 5 MW; B = 1 MW

(II) 12 MW (2MW dự trữ) A = 5 MW; B = 5 MW (III) 19 MW (3MW dự trữ) A = 5 MW;B = 10 MW;C = 1MW

▪ Chi phí biên ngắn hạn của hệ thống tương ứng với từng thời gian trong ngày

MC 1 : 20 $/ MWh ; MC 2 : 20$/ MWh ; MC 3 : 40$/ MWh

Tr¹ng th¸i

tríc S i

Tr¹ng th¸i hiÖn t¹i S j

Chi phÝ chuyÓn dÞch

9.4.2 Phân phối tối ưu phụ tải hệ thống ở trung hạn (1 năm)

▪ Cực tiểu hóa chi phí hệ thống trong cả thời kỳ

▪ Ràng buộc công suất và lượng nước cả thời kỳ

▪ Dự trữ nước cuối mỗi thời kỳ đảm bảo yêu cầu phụ tải và chi phínhỏ nhất cho cả quá trình

▪ Quá trình ra quyết định là liên tục và động

▪ Giả thiết dòng chảy nhà máy thủy điện và nhu cầu đã biết

▪ Bài toán:

Giả thiết rằng, một nhà máy thuỷ điện (X) đại diện cho tất cả các nhàmáy khác trong hệ thống và hồ chứa dài hạn được hợp lại theo trọng

số của các hồ chứa trong toàn hệ thống

Vấn đề phân phối tối ưu sẽ được xem xét trong từng khoảng thờigian đã được chia ra từ quá trình tiến hành phân phối

Mô hình:

St : Mức dự trữ năng lượng thuỷ điện ở cuối mỗi thời kỳ (t)

Dt : Nhu cầu điện năng ở mỗi thời kỳ (t)

Ht : Tổng năng lượng thuỷ điện có thể phát ra trong thời kỳ (t)

H t = S i + I t – S j

ht : Điện năng nhà máy thuỷ điện sản xuất trong thời kỳ (t)

It : Dòng năng lượng thuỷ năng chảy vào nhà máy trong thời kỳ (t)

t : Điện năng sản xuất của nhà máy nhiệt điện trong thời kỳ (t)

t 1

S

S T S t Min , 

Ví dụ:

Cho một hệ thống điện gồm các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện,nhu cầu điện và dòng nước chảy dự tính là có sẵn trong năm theo haitháng một:

▪ Điện năng thuỷ điện của các nhà máy thuỷ điện trong hệ thốngđược xem tương đương với một hồ chứa tổng hợp với công suất dựtrữ 6 TWh Mức cực tiểu cho phép đối với hồ chứa là 1 TWh

▪ Bốn nhà máy nhiệt điện với khả năng sản xuất có thể của mỗi nhàmáy là 1 TWh ở mỗi thời kỳ và với mức chi phí tương ứng cho ởBảng sau:

C¸c th«ng sè Thêi kú (2 th¸ng)

Dßng níc It (Twh) 0 5 6 6 4 2

(i) Xây dựng kế hoạch vận hành tối ưu cho các nhà máy trong hệthống Biết rằng hệ thống bắt đầu hoạt động với 5 TWh dự trữ trong

hồ chứa và yêu cầu mức dự trữ cuối cùng là 1 TWh trong hồ chứa

(ii) Chi phí biên ngắn hạn của mỗi thời kỳ Giả thiết việc phân phốiphụ tải cho các nhà máy nhiệt điện trong hệ thống sử dụng phươngpháp xếp hạng

thõa Spill j

thõa Spillj

thõa Spillj

C¸c ph¬ng ¸n Møc dù trữ ë cuèi mçi thêi kú (TWh)

Lượng điện năng phát từ các nhà máy nhiệt điện:

Chi phí biên ngắn hạn của hệ thống: