Luận Văn Báo Cáo Tối Ưu Hóa Khai Thác Các Nhà Máy Thủy Điện Bậc Thang – Sông Sêsan - Đoàn Tiến Cường.pdf

Slide 1 TỐI ƢU HÓA KHAI THÁC CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BẬC THANG – SÔNG SÊSAN Trình bày Đoàn Tiến Cường Công ty thủy điện Ialy, EVN Tóm tắt nội dung Lý do nghiên cứu và đặt vấn đề Những nội dung trình bày[.]

TỐI ƢU HÓA KHAI THÁC CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BẬC THANG – SÔNG SÊSAN

Trình bày: Đoàn Tiến Cường Công ty thủy điện Ialy, EVN

Tóm tắt nội dung

Lý do nghiên cứu và đặt vấn đề

Những nội dung trình bày

1 Tổng quan hệ thống thuỷ điện trên sông Sê San

Tóm tắt

Hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng và giữ vững ổn định hệ thống điện Việt Nam Việc đưa vào vận hành các nhà máy trên cùng một lưu vực sông đặt ra cho nhà máy những thách thức mới đó là tìm biện pháp sử dụng một cách hiệu quả nguồn nước

Để sử dụng tối ưu nguồn nước trên lưu vực sông Sê San, thực tế vận hành đặt ra nhiều bài toán quy hoạch vận hành trong đó có quy hoạch vận hành ngắn hạn

Tóm tắt (tt)

Trong khuôn khổ đề tài này, các tác giả đã đặt ra bài toán vận hành tối ưu ngắn hạn các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San Với mục tiêu đó, đề tài tập trung vào việc điều tra, khảo sát các số liệu về hệ thống các thiết bị công trình; xây dựng các mô hình toán học về đặc tính vận hành các hệ thống thiết bị, công trình; tìm phương pháp thích hợp để xây dựng thuật toán giải; viết chương trình mô tả thuật toán và áp dụng vào công tác hỗ trợ quyết định vận hành tối ưu tại các nhà máy thuộc thuộc Công ty

Lý Do Nghiên Cứu

Khi nói đến bậc thang thuỷ điện là nói đến hoạt

động của các hệ thống hồ, đập nối tiếp nhau từ

thượng lưu xuống hạ lưu Việc khai thác vận hành

các hồ chứa ở thượng lưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng nước về ở các hồ hạ lưu, mà lưu lượng nước về hồ là yếu tố quyết định đến sản lượng phát của các nhà máy thuỷ điện

 Tối đa hóa lợi ích (sản lượng, doanh thu, lợi nhận)

 Thỏa mãn được các ràng buộc về pháp định, kỹ thuật, môi trường, tập quán…

Các công trình thuỷ điện trên bậc thang thuỷ điện sông Sê San gồm Nhà máy thuỷ điện Ialy (năm 2000), Sêsan3 (năm 2006), Pleikrông (năm 2009), Sêsan3A (năm 2006), Sêsan4 (2010), Sê San4A (2010) Thượng Kontum (đang xây dựng) đã và sẽ đưa vào vận hành Việc đặt ra và giải bài toán khai thác tối ưu vận hành thủy điện bậc thang nhằm khai thác tối tài nguyên nước là cần thiết

Lý Do Nghiên Cứu

Tổng quan hệ thống

CÁC NHÀ MÁY THUỘC CTY

Bài toán Quy hoạch vận hành

Hàm mục tiêu: Max sản lượng phát của hệ thống

Các ràng buộc

Biểu đồ phụ tải

Công suất phát

Mức nước, lưu lượng

Đảm bảo phương trình liên tục dòng chảy

Khác …

 Để hỗ trợ ra quyết định các phương án vận hành

BÀI TOÁN QH VẬN HÀNH (TT)

 Thu thập số liệu và đặc tính các hồ chứa, turbine-máy phát, tình hình thuỷ văn lưu vực sông Sê san

 Mô hình toán học và đặc tính hồ chứa Quan hệ cân bằng nước giữa thể tích hồ chứa, lưu lượng nước về, lưu

 Mô hình toán học phương trình công suất tổ máy thuỷ

 Xây dựng giải thuật giải bài toán tối ưu

 Thiết kế chương trình tin học giải bài toán quy hoạch trên cơ sở giải thuật đã đề ra

 Đánh giá, kiểm chứng các kết quả nhận được

Quy hoạch vận hành

Để giải hàm mục tiêu trên, cần thiết phải xây dựng các phương trình toán học biểu diễn các ràng buộc về cân bằng năng lượng, cân bằng nước của

hồ chứa, các đặc tính công suất của tổ máy, gồm:

 Ràng buộc về cân bằng năng lượng của hệ thống

 Ràng buộc về đảm bảo công suất dự phòng quay cho

hệ thống

Phương trình về cân bằng nước ở nút bất kỳ hệ thống

Các giới hạn trên và dưới của hồ chứa

 Các giới hạn trên và dưới của lưu lượng qua tổ máy

 Công suất phát của nhà máy là hàm của lưu lượng và cột áp tương ứng

Ràng buộc phương trình xả tràn…

Quy hoạch vận hành

 Lưu lượng nước về tự nhiên

 Lưu lượng bốc hơi và lượng nước thấm của các hồ

 Tốc độ tích nước và xả nước của các hồ

 Lưu lượng qua các cửa xả tràn (xả tự do, xả hạn chế )

 Nước phục vụ cho các mục đích nông nghiệp, công nghiệp, giao thông, tiêu dùng

 Cân bằng nước của các hồ chứa, chuyển dòng

 Lượng nước để phát điện của các nhà máy

 Tổn thất lưu lượng trong các kênh dẫn (kênh hở)

 Tổn thất cột áp trong các đường ống áp lực, kênh dẫn

Các yếu tố tính đến trong vận hành

 PD,t-nhu cầu phụ tải của hệ thống trong thời gian t, [MW]

 PR,t-Yêu cầu dự trữ quay trong thời gian t, [MW]

 Qi,l,t-lưu lượng nước chạy máy của tổ máy thứ i, thuộc nhà máy l trong thời gian t, [m3/s]

 Ql,t-lưu lượng nước chạy máy nhà máy l thời gian t, [m3/s]

 vi,t -dung tích nước lưu trữ trong hồ i tại thời t, [triệu m3]

 ui,t -Số các tổ máy có khả năng nối lưới của nhà máy l trong thời gian t, là số nguyên

 sl,t-lưu lượng xả tràn của hồ l trong thời gian t, [m3/s]

 Mq,Ms -các ma trận nối giữa các nút với phần tử m ij =1 nếu nhà máy j xả nước chạy máy (với Mq) hoặc xả tràn trực tiếp đến hồ i, ngược lại m ij =0

Các ký hiệu đƣợc sử dụng

 Hl,t-Cột áp của nhà máy l tại thời điểm t [m]

 cl-Giá trị nước của hồ l trong thời gian khảo sát [VNĐ hoặc MWh]

 hl,t-mức nước thượng lưu của nhà máy l trong thời gian t, tính theo [m]

 bl,t-lưu lượng nước về tự nhiên của hồ l trong thời gian t, tính bằng [m3/s]

 Pi,l,t-công suất phát của tổ máy thứ i, thuộc nhà máy l trong thời gian t, tính theo [MW]

 Pl,t-công suất phát của nhà máy l trong thời gian t, tính theo [MW]

 kQl-suất tiêu hao nước của hồ l, tính theo [m3/kWh]

Các ký hiệu sử dụng

 Mục đích của bài toán là tối ưu năng lượng phát của hệ thống trên cơ sở nhu cầu phụ tải do A0 cung cấp Do đó,

biểu đồ phát cần huy động coi như đã biết trước

 Lưu lượng tự nhiên của nước về các hồ được dự báo qua các bản tin dự báo tình hình thuỷ văn ngắn hạn Do

đó, lưu lượng tự nhiên về từng hồ coi như đã biết

 Trong thời gian khảo sát ngắn hạn, cột áp của các nhà

máy được coi là không đổi, nên không làm thay đổi

đặc tính phát điện Các nhà máy không có hồ chứa coi như vận hành trong điều kiện cột áp không đổi

Các giả thiết khi xây dựng bài toán

 Các hồ nằm rải rác trên lưu vực sông, có quan hệ chặt

chẽ về thuỷ văn nhưng bỏ qua các tương tác thuỷ lực

Ví dụ ảnh hưởng thủy lực lớn nhất là giữa Ialy và Sêsan3 Mức nước hạ lưu Ialy là 303m, mức nước thượng lưu cao nhất của hồ Sêsan3 là 304,5m Suy ra ảnh hưởng thuỷ lực là 1,5m Trong khi đó cột áp tính toán của nhà máy Ialy là 190m Tương ứng quan hệ thuỷ lực là 1,5/190x100%=0,8% (bé, bỏ qua)

 Về truyền tải, bỏ qua tổn thất công suất từ các nhà

máy đến trạm phân phối so với công suất nhà máy vì khoảng cách ngắn

Các giả thiết khi xây dựng bài toán

 Thời gian khởi động/dừng máy của các tổ máy thuỷ điện

rất nhỏ so với thời gian khảo sát, nên bỏ qua

 Các tổn thất bay hơi, thấm, tổn thất lưu lượng trong đường ống áp lực, nước dùng cho các mục đích công nghiệp, nông nghiệp, dân sinh không tính đến trong thời gian khảo sát

Các giả thiết khi xây dựng bài toán

Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming)

Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming)

Quy hoạch động (Dynamic Programming)

Giải thuật Gen (Genectic Algorithm)

Kỹ thuật tôi luyện (Simulated Annealing)

Mạng nơ ron (Artificial Neural Networks)



Kỹ thuật giải bài toán quy hoạch

Phương pháp quy hoạch tuyến tính

Hàm mục tiêu của bài toán:

hồ thứ l trong thời gian khảo sát Giá trị nước trong hồ tại thời điểm t được tính cho một triệu m3 theo các biểu thức sau:

Thành phần thứ hai chi phí khởi động/dừng các tổ máy i, thời gian t Đối với hệ thống thuỷ điện có thể bỏ qua chi phí này

1 l

I

1 i

t , l ,

1 l

I

1 i

t , , L

1 l

I

1 i

t , l

R 1

t , l t

, l I

1 i

t , l t

, l , i j

t ,

n

K ) v

v ( )

s Q

( Q

3a Phương trình cân bằng nước tại một hồ có tính đến thời gian trễ:

trong đó:

 Qd(t,) =[Q1(t-1) Q2(t- 2) … QL(t-L) ] T là lưu lượng nước chạy máy bị trễ khi chảy xuống hồ dưới trực tiếp

 sd(t,) =[s1(t-1) s2(t- 2) … sL(t-L) ] T là lưu lượng nước

xả tràn bị trễ khi chảy xuống hồ dưới trực tiếp

 K R là hệ số chuyển đổi dung tích qua lưu lượng, K R =10 4 /36

 vl,t là dung tích của hồ l tại thời điểm t, vl,t được xác định:

Các phương trình toán học (tt)

t l

R t

l t

l I

i

t l t

l i d

s d

n

K v

v s

Q t

s M t

Q

1

, ,

( ) , ( )

v

1 ,

Tính toán tối ƣu

0 0

0 0

1 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

0 0

1 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

1 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

0 0

1 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

0 1

0 0

Ms

+ h: Chiều cao cột nước tinh (net head)

h=h f -h t -h loss ; coi h t =const; h f như trang kế

+  : Hiệu suất tổ máy gồm: tuabin và máy phát Trong đó: -Hiệu suất máy phát =0,98-0,985,

- Hiệu suất tuabin =0,70-0,95

Hiệu suất tua bin

Hiệu suất tua bin

190 200

Hiệu suất tua bin

Các phương trình tốn học (tt)

5 Các phương trình ràng buộc vật lý:

 Ràng buộc lưu lượng:

 Ràng buộc công suất phát

 Ràng buộc dung tích hồ

l i t

l i l

l t

l v v

Các phương trình tốn học (tt)

5 Các phương trình ràng buộc vật lý (tt):

 Ràng buộc về dung tích nạp/xả hồ

 Ràng buộc xả tràn

 Ràng buộc hàm phạt do vi phạm mức nước mục tiêu

n v

v v

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5

0 200

Z hồ Pleikrông hồi quy

535 540 545 550 555 560 565 570 575 200

Bac 4

Đặc tính Z hồ Ialy

Z hồ Ialy hồi quy

Bac 4

Khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ điện bậc thang trên sông Sê San – Giai đoạn 1

Đặc tính Z hồ Sê san 3

304,5

303,2

Z hồ Sê San 3 hồi quy

304 305 306 307 308 309 310 85

Bac 1

Các hàm quan hệ-Ss3

Căn cứ biểu đồ quan hệ dung tích - mực nước do

CTKSTKĐ1 Xét trong khoảng cao độ mực nước từ

 303,2 đến  304,5 thì đường hồi quy Z hồ Ss3 là

tuyến tính như hình sau

do đó xem quan hệ chiều cao cột nước thượng lưu và dung tích

 Trong đề tài này, tác giả viết chương trình giải bài toán quy hoạch tuyến tính bằng ngôn ngữ Matlab

 Thuật toán sử dụng: thuật toán điểm trong

 Chạy kiểm chứng bằng gói phần mềm GAMS

CHƯƠNG TRÌNH

 Dữ liệu đầu vào

 Nhu cầu công suất phát

Tính toán tối ƣu

Dữ liệu đầu vào:

1 Lưu lượng nước về

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18 t19 t20 t21 t22 t23 t24

2 Công suất huy động và dự phòng quay:

Biểu đồ huy động công suất của hệ thống

100 100 100 100 100 100 100 100 50 30 50 100 100 100 100 100 50 30 0 50 100 100 100 100

Tính toán tối ƣu

Dữ liệu đầu ra-phân bố công suất cho các n/máy

pss3 240 240 240 175 140 164 164 188 222 250 231 207 178 154 207 204 200 250 260 200 100 0 0 0 pily 60 60 160 325 360 436 436 512 678 700 669 593 522 446 593 596 700 700 720 700 700 600 420 320 pplk 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 80 80

Tính toán tối ƣu

Dữ liệu đầu ra-diễn biến mức nước hồ

Tính toán tối ƣu

Dữ liệu đầu ra-diễn biến dung tích hồ

Tính toán tối ƣu (tt)

Dữ liệu đầu ra-diễn biến xả tràn

Tính toán tối ƣu (tt)

- Việc vận hành bậc thang các hồ chứa thủy điện cần đặt ra bài toán khai thác tối ưu (sản lượng, doanh thu, chi phí…)

- Tác giả đã đặt bài toán, xây dựng hàm mục tiêu,

mô hình hóa các ràng buộc thực tế để giải quyết bài toán vận hành tối ưu

- Phương pháp quy hoạch tuyến tính đã được lựa

chọn để giải bài toán tối ưu

- Các kết quả tính toán với các kịch bản khác nhau

cho thấy kết quả rất hợp lý, trợ giúp tốt cho việc

ra quyết định các phương án vận hành

Các kết luận

52

Cảm ơn sự theo dõi của quý vị!

[ADA1998] Anthony Brooke, David Kendrick, Alexander Meeraus, Ramesh Raman, “GAMS-a user’s guide”, © GAMS Development Corporation, 1998

[AJJ2002] A J Conejo, J M Arroyo, J Contreras, and F A Villamor, "Self-Scheduling of a Hydro Producer in a Pool-Based Electricity Market," IEEE Transactions on power systems, vol

[AND2005] André Turgeon, “Daily Operation of Reservoir Subject to Yearly Probabilistic Constraints” Journal of WRPM, seb/oct 2005

[ATS2002] A Arce, T Ohishi, and S Sores, "Optimal Dispatch of Generating Units of the Itaipú Hydroelectric Plant," IEEE Transactions on power systems, vol 17 (1), pp 154-158,

[FGH1999] Fosso O B., Gjelsvik, A., Haugstad, A., Mo, B and Wangensteen, I (1999): Generation Scheduling in a Deregulated System The Norwegian Case IEEE Transactions on Power Systems, vol 14 (1) 75-80

Tài liệu tham khảo

[GMJ2001] G W Chang, M Aganagic, J G Waight, J Medina, T Burton, S.Reeves, and M Christoforidis, “Experiences with mixed integer linear programming based approaches on short-term hydro scheduling,” IEEE Trans Power Syst., vol 16 (4), pp 743–749, Nov 2001

[HDU1990] H Habibollahzadeh, D Frances and U Sui, "A New Generation Scheduling Problem at Ontario Hydro," IEEE Transactions on Power Systems, Vol 5, No 1, Feb 1990 (1),

pp 65-73

[JEJ2001] J Garcia Gonzalez, E Parrilla, J Barquin J Alonso, A Saiz Chicharro, A Gonzalez “Under–relaxed Iteritive Procedure for Feasible Short-term Scheduling of a Hydro Chain, Exhidro 2001

[JSV2005] J.P.S Catalão, S.J.P.S Mariano, V.M.F Mendes, L.A.F.M Ferreira “Quadratic Optimazation for a Head-Dependent Hydro Chain”, 2005

[LyL1995] Lyra, C and Ferreira, L R (1995): A Multiobjective Approach to the Short-Term Scheduling of a Hydroelectric Power System, IEEE Transactions on Power Systems, vol 10 (4),

pp 1750–1755

[MTR1994] M.R Piekutowski, T Litwinowicz, and R.J Frowd, “Optimal Short-Term Scheduling of a Large-Scale Cascaded Hydro System”, IEEE Transactions on Power Systems, Volume 9 (2), 1994, pp 805-811

[OLD1998] O Nilsson, L Soder, and D Sjelvgren, “Integer modeling of spinning reserve requirements in short term scheduling of hydro systems,” IEEE Trans Power Syst., vol 13 (3),

[OnD1997-2]O Nilsson and D Sjelvgren, “Variable splitting applied to modeling of start-up costs

in short term hydro generation scheduling,” IEEE Trans.Power Syst., vol 12 (2), pp 770–775, May 1997

[PhT2003] Phan Quốc Khánh, Trần Huệ Nương, “Quy hoạch tuyến tính”, Nhà xuất bản giáo dục, 2003

[PMS1994] P Franco, M.F Carvalho, and S Soares, “A Network Flow Model for Short-Term Hydro-Dominated Hydrothermal Scheduling Problems”, IEEE Transactions on Power Systems, Volume 9 (3), 1994, pp 1016-1021

[PoH1996] Po-Hung Chen, Hong-Chan Chang, “Genetic aided scheduling of hydraulically coupled plants in hydro-thermal coordination”, IEEE Transaction on Power System, V 11, No 2, May

[StA1996] Stephan G Nash, Ariela Sofer, “Linear ans Nonlinear Programming” The McGraw-Hill Companies, Inc.,1996

[StL2004] Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe, “Convex Optimization”, Cambrigde University Press, 2004

[XAC1999] X Guan, A Svoboda, and C.-A Li, “Scheduling hydro power systems with restricted operating zones and discharge ramping constraints,” IEEE Trans Power Syst., vol 14 (1), pp 126–131, Feb 1999

[XPH1994] X Guan, P B Luh, H Yan, P M Rogan, "Optimization-Based Scheduling of Hydrothermal Power Systems with Pumped-Storage Units," IEEE Transactions on Power Systems, Vol 9(2), May 1994, pp 1023-1031

[XPL1995] X Guan, P B Luh and L Zhang, “Nonlinear Approximation Method in Lagrangian Relaxation-Based Algorithms for Hydrothermal Scheduling,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol 10, No 2, May 1995, pp 772-778

Tài liệu tham khảo