VẬN HÀNH TỐI ƯU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BẬC THANG KHU VỰC SÊ SAN

Để sử dụng tiết kiệm nguồn nước trên các lưu vực sông, thực tế vận hành đặt ra nhiều bài toán quy hoạch vận hành: Quy hoạch vận hành ngắn hạn. Quy hoạch vận hành dài hạn. Chiến lược điều tiết nguồn nước. Xây dựng các mô hình toán học về đặc tính vận hành các hệ thống thiết bị, công trình thủy điện bậc thang.

Trước hết, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô của bộ

môn Hệ Thống Điện thuộc khoa Kỹ Thuật Điện–Điện Tử đã dạy dỗ tôi trong

thời gian học cao học tại trường Bách khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt tôi bày tỏ

lòng cám ơn sâu sắc đến thầy Hồ Đắc Lộc, người đã tận tình hướng dẫn trực

tiếp để tôi hoàn thành luận văn này

Để hoàn thành luận văn, không thể không có các số liệu về đặc tính các

hệ thống thiết bị, công trình làm cơ sở cho tính toán, tôi xin chân thành cám ơn

Giám đốc nhà máy thuỷ điện Ialy đã cho phép tôi thu thập và công bố các số

liệu của các nhà máy thuộc hệ thống sông Sê San

Tôi xin gửi lời cám ơn các bạn bè học lớp cao học K15, các đồng nghiệp

làm việc tại nhà máy thuỷ điện Ialy đặc biệt là các trưởng ca vận hành nhà

máy Ialy, Sê San 3, Pleikrông đã góp ý kiến về tính thực tiễn của đề tài

Cho phép tôi gửi lời cám ơn ban Giám đốc nhà máy thuỷ điệân Ialy đã tạo

mọi điều kiện để cho tôi được tham dự lớp học trong điều kiện Nhà máy còn

nhiều khó khăn khi mới đưa vào vận hành nhà máy Ialy (6 năm), vừa thử nghiệm

đưa vào vận hành nhà máy Sê San 3, vừa giám sát nghiệm thu và chuẩn bị vận

hành các nhà máy Pleikrông, Sê San 4…

Cuối cùng tôi xin cám ơn mẹ tôi đã cho tôi sức mạnh tinh thần để vượt qua

các khó khăn trong công việc và học tập

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2006

TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị cạn kiệt và giá cả

tăng lên hằng ngày, đồng thời trong điều kiện Việt Nam đang bị thiết điện trầm

trọng như hiện nay và nhiều năm tới, thì việc khai thác các nguồn nước trên các lưu

vực sông để phát điện là việc làm hết sức cần thiết để giảm lệ thuộc vào năng

lượng nhập khẩu và ổn định sản xuất cho nền kinh tế

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 cũng đặt ra cho các

công ty, nhà máy vận hành thuỷ điện những thách thức mới đó là tìm biện pháp sử

dụng một cách hiệu quả nguồn nước

Để sử dụng tiết kiệm nguồn nước trên các lưu vực sông, thực tế vận hành

đặt ra nhiều bài toán quy hoạch vận hành: quy hoạch vận hành ngắn hạn, vận hành

dài hạn và chiến lược điều tiết nguồn nước… trong khuôn khổ luận văn này, 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, luận văn 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 bậc thang thuỷ điện trên sông Sê

San

Hướng mở rộng của luận văn là ngoài việc áp dụng trước mắt cho cụm các

nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San, có thể mở rộng áp dụng cho bài toán vận

hành tối ưu của các bậc thang thuỷ điện khác và hướng đề tài đến việc phục vụ cho

việc hỗ trợ quyết định vận hành các cụm thuỷ điện trong thị trường cạnh tranh

nguồn phát

Sau đây, các chương 1-6 sẽ lần lược giải quyết nội dung của luận văn

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Phân bố công suất tối ưu hệ thống bậc thang thuỷ điện 2

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 4

1.5 Những nội dung chính của đề tài 5

1.6 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu 6

2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THUỶ ĐIỆN TRÊN SÔNG SÊ SAN 7

2.1 Đặc điểm và tiềm năng thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San 8

2.1.1 Đặc điểm tự nhiên 8

2.1.2 Địa hình 8

2.1.3 Khí hậu 9

2.1.4 Độ ẩm và bốc hơi 9

2.1.5 Dòng chảy 9

2.1.6 Năng lực thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San 10

2.2 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông, đặc tính các hồ chứa trên sông Sêsan 12

2.2.1 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông Sê San 12

2.2.2 Đặc tính các hồ chứa trên sông Sê San 12

2.2.3 Đặc tính các công trình tràn của hồ chứa 14

2.3 Chính sách quản lý-điều tiết hồ chứa 15

2.4 Đặc điểm thiết bị và đặc tính các nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan 18

2.5 Vai trò của hệ thống thuỷ điện trên sông Sêsan đối với hệ thống điện 21

2.6 Phân tích khả năng khai thác tối ưu ngắn hạn công suất, năng lượng theo các hồ chứa trên sông Sêsan 22

2.7 Kết luận 22

3 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG BẬC THANG THUỶ ĐIỆN 24

3.1 Mô tả hệ thống bậc thang thuỷ điện 24

3.2 Hệ thống điện 25

3.3 Lựa chọn thuật toán 25

3.4 Các giả thiết chính khi xây dựng bài toán 27

3.5 Xây dựng mô hình hệ thống và hình thành bài toán 28

3.5.1 Mô hình thời gian 28

3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian của hệ thống thuỷ điện 29

3.5.3 Xây dựng mô hình bậc thang thuỷ điện 29

3.5.4 Xấp xỉ tuyến tính hoá từng đoạn thành phần phi tuyến 31

3.5.5 Các ký hiệu sẽ dùng trong phần xây dựng mô hình 34

3.5.6 Xây dựng mô hình toán học các biểu thức ràng buộc 35

3.5.7 Xây dựng hàm phạt do vi phạm mức nước mục tiêu của hồ 42

3.5.8 Xây dựng hàm mục tiêu 45

3.6 Kết luận 46

4 CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT .47

4.1 Phạm vi tính toán 47

4.2 Thiết lập bài toán 48

4.3 Phương pháp quy hoạch tuyến tính 49

4.4 Các thuật toán 50

4.5 Ngôn ngữ mô hình đại số Ngôn ngữ tính toán kỹ thuật Matlab 59

4.6 Các dữ liệu của bài toán 60

4.6.1 Dữ liệu đầu vào 60

4.6.2 Dữ liệu đầu ra 72

4.7 Kết quả chương trình 72

4.7.1 Phân bố công suất theo thời gian 72

4.7.2 Diễn biến mức nước hồ theo thời gian 73

4.7.3 Diễn biến dung tích hồ theo thời gian 73

4.7.4 Diễn biến xả tràn các hồ chứa 74

4.8 Phân tích các kết quả 74

4.9 Kết luận 75

5 CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH ÁP DỤNG 76

5.1 Xây dựng chương trình và hướng dẫn áp dụng 76

5.2 Đánh giá kết quả chương trình 79

5.3 Kết luận 79

6 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 80

6.1 Các nội dung đề tài đã giải quyết 80

6.2 Triển vọng phát triển đề tài 81

6.2.1 Các yếu điểm bộc lộ từ đề tài 81

6.2.2 Hướng phát triển mở rộng đề tài 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Phụ lục 1 Sơ đồ hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San PL1-1

Phụ lục 2 Các chương trình được sử dụng trong luận văn PL2-1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San (nguồn: Ily, 2003) 1

Hình 2.1 Quá trình điều tiết hồ chứa 16

Hình 2.2 Đặc tính vận hành turbine Pleikrông (nguồn: Ily, 2006) 18

Hình 2.3 Đặc tính vận hành máy phát Pleikrông 19

Hình 2.4 Đặc tính vận hành turbine Ialy (nguồn: Ily, 1998) 19

Hình 2.5 Đặc tính vận hành máy phát Ialy (nguồn Ily,1998) 20

Hình 2.6 Đặc tính vận hành turbine Sê San 3 (nguồn Ily, 2005) 20

Hình 2.7 Đặc tính vận hành máy phát Sê San 3 (nguồn Ily, 2005) 21

Hình 3.1 Hệ thống bậc thang thuỷ điện 24

Hình 3.2 Mô tả hệ thống điện 25

Hình 3.3 Mô hình hệ thống mạng thuỷ điện 30

Hình 3.4 Xấp xỉ tuyến tính hoá từng đoạn hàm phi tuyến 31

Hình 3.5 Đặc tính phát của tổ máy 38

Hình 3.6 Đặc tính xả tràn của hồ chứa 41

Hình 3.7 Mô tả các dạng đặc tính hàm phạt do vi phạm mức nước mục tiêu.43 Hình 3.8 Đặc tính tuyến tính hoá hàm phạt 44

Hình 4.1 Phạm vi tính toán 47

Hình 4.2 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Plk 63

Hình 4.3 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Ily 65

Hình 4.4 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Ss3 66

Hình 4.5 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ (nguồn: Ily) 67

Hình 4.6 Đặc tính hiệu suất turbine của Plk (nguồn: Ily, 2006) 68

Hình 4.7 Đặc tính hiệu suất turbine của Ily (nguồn: Ily, 1998) 69

Hình 4.8 Đặc tính hiệu suất turbine của Ss3 (nguồn: Ily, 2005) 69

Hình 4.9 Thay đổi mức nước hồ trong một năm (đối với hồ điều tiết năm) 70

Hình 4.10 Biểu đồ huy động công suất và yêu cầu dự trữ công suất (nguồn: Ily) 72

Hình 4.11 Kết quả phân bố công suất của các nhà máy 72

Hình 4.12 Diễn biến mức nước các hồ theo thời gian 73

Hình 4.13 Diễn biến dung tích các hồ theo thời gian 73

Hình 4.14 Xả tràn của các hồ chứa 74

Hình 5.1 Giao diện chính của chương trình 76

Hình 5.2 Bảng nhập thông số các hồ chứa và thời gian khảo sát 77

Hình 5.3 Bảng nhập các dữ liệu dạng bảng (Pd, Pr, B…) 77

Hình 5.4 Kiểm tra dữ liệu đầu vào 78

Hình 5.5 Trình đơn xem kết quả tối ưu của chương trình 78

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Sê San (nguồn: PECC1,2002) 8

Bảng 2.2 Thông số các công trình chính trên sông Sê San (nguồn: PECC1).10 Bảng 2.3 Đặc trưng thuỷ văn các hồ chứa lưu vực sông SêSan (nguồn: PECC1) 12

Bảng 2.4 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Pleikrông (nguồn: Ily) 13

Bảng 2.5 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Ialy (nguồn: Ily) 13

Bảng 2.6 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Sê San 3 (nguồn: Ily) 14

Bảng 4.1 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Plk 62

Bảng 4.2 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Ily 64

Bảng 4.3 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Ss3 66

Bảng 4.4 Các thông số hồ chứa (nguồn: Ily) 67

Bảng 4.5 Đặc tính xả tràn các hồ chứa 67

Bảng 4.6 Đặc tính phát nhà máy Plk (nguồn Plk, 2006) 71

Bảng 4.7 Đặc tính phát nhà máy Ily (nguồn Ily, 2006) 71

Bảng 4.8 Đặc tính phát nhà máy Ss3 (nguồn Ily, 2006) 71

CÁC ĐƠN VỊ THƯỜNG DÙNG

m3/s mét khối trên giây,

l/s.km2 lít trên giây ứng với một kilômét vuông,

CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

A0 Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia,

PECC1 Công ty tư vấn xây dựng điện 1,

IEEE Viện các kỹ sư kỹ thuật điện-điện tử quốc tế,

LP quy hoạch truyến tính,

NLP quy hoạch phi tuyến,

GAMS Ngôn ngữ mô hình đại số tổng hợp,

Tkt Nhà máy thuỷ điện Thượng Kon Tum,

Plk Nhà máy thuỷ điện Pleikrông,

Ily Nhà máy thuỷ điện Ialy,

Ss3 Nhà máy thuỷ điện Sê San 3

S3a Nhà máy thuỷ điện Sê San 3A

Ss4 Nhà máy thuỷ điện Sê San 4

MNDBT Mực nước dâng bình thường

1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước được coi là nguồn than trắng cho sản xuất điện, không những là dạng

năng lượng rẻ tiền, tái sinh, mà trong bối cảnh giá cả các loại năng lượng hoá thạch

truyền thống (dầu, ga, than…) đang leo thang từng ngày và nhiệm vụ chống ô

nhiễm môi trường đang đặt lên hàng đầu… Thì việc khai thác tối ưu các nguồn

nước cho sản xuất năng lượng điện là việc làm cần thiết

Khi nói đến “bậc thang thuỷ điện” hay cụm thuỷ điện trên một dòng sông 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 công suất và sản lượng phát của các nguồn phát thuỷ điện Nên cần tính toán

để điều tiết lượng nước về của từng hồ trong toàn cụm các nhà máy thuỷ điện trên

sông Sêsan

Việt Nam còn nghèo, nguồn vốn đầu tư cho phát triển nguồn điện phải dựa

vào vốn vay nước ngoài, do đó việc tìm biện pháp sử dụng tối ưu, tiết kiệm nguồn

nước của bậc thang các hồ thuỷ điện đã xây dựng trên các lưu vực sông là việc làm

quốc sách

Hình 1.1 Sơ đồ các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San (nguồn: Ily, 2003)

Các công trình thuỷ điện trên bậc thang thuỷ điện sông Sêsan (hình 1.1) gồm

Nhà máy thuỷ điện Ialy (đã vận hành từ năm 2000), Sêsan 3 (năm 2006), Pleikrông

(năm 2006), Sêsan 3A (năm 2006), Sêsan 4 (2008), Thượng Kontum (2009) đã và

sẽ lần lượt đưa vào vận hành Việc đặt ra và giải bài toán khai thác tối ưu nguồn

nước trên bậc thang sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống

Cụm các Nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan có tổng công suất lắp đặt

1730MW (sản lượng điện trung bình năm khoảng 8,5 tỉ kWh), sẽ cung cấp điện trực

tiếp đến trạm 500kV Pkieku là “điểm giữa” của hệ thống điện Việc cung cấp một

lượng công suất đáp ứng nhu cầu của hệ thống với sản lượng điện tối ưu trong năm

tại nút Pleiku sẽ góp phần lớn cho ổn định và vận hành kinh tế hệ thống điện Việt

Nam

Kết luận: Việc nghiên cứu giải quyết bài toán phân bố tối ưu công suất cho

cụm các nhà máy trên bậc thang thuỷ điện Sê San là rất cần thiết

1.2 Phân bố công suất tối ưu hệ thống bậc thang thuỷ điện

Bài toán phân bố tối ưu công suất trên bậc thang thuỷ điện là bài toán quy

hoạch vận hành phức tạp, đã được đặt ra và tìm phương pháp giải trong vài thập kỷ

qua Điển hình của các bài toán dạng này là tối thiểu hoá chi phí vận hành hệ

thống thuỷ điện bậc thang dựa trên rất nhiều các ràng buộc như cân bằng sản lượng

hệ thống điện, cân bằng lưu lượng nước, các ràng buộc về tưới tiêu, giao thông,

luật bảo vệ môi trường và các cam kết sử dụng nguồn nước đối với các Uỷ hội

sông quốc tế (tức các ràng buộc về vật lý và luật lệ) Bài toán này được áp dụng

phổ biến nhất là trong các hệ thống bậc thang thuỷ điện vùng Bắc Aâu và Nam

Mỹ-nơi có nhiều bậc thang thuỷ điện và đã có thị trường điện phát triển Cho đến nay,

ở Việt Nam vẫn chưa thấy công bố công trình nào nghiên cứu về quy hoạch vận

hành hệ thống bậc thang thuỷ điện Đối với thị trường điện Việt Nam, tuy đã hình

thành thị trường cạnh tranh nguồn phát, nhưng đối với các nhà máy thuỷ điện lớn

(Hoà Bình, Ialy, Trị An) vẫn còn sở hữu 100% vốn nhà nước và chưa tham gia thị

trường điện cạnh tranh nguồn phát, hơn nữa chi phí vận hành cụm thuỷ điện trên

sông Sê San chỉ chiếm 0,2% trong cơ cấu giá thành điện (nguồn: Nhà máy Ialy), do

đó luận văn này không đặt ra việc tối thiểu chi phí sản xuất hệ thống bậc thang mà

chỉ tập trung vào việc tối đa hoá giá trị năng lượng tích trữ ở các hồ chứa vào cuối

chu kỳ khảo sát, tức là tương đương với việc tối thiểu lượng nước chạy máy và xả

tràn bằng cách phân bố tối ưu công suất phát trên các nhà máy

Bài toán quy hoạch vận hành bậc thang thuỷ điện thường gặp phải những

khó khăn chính là: các ràng buộc động về lưu lượng giữa các hồ chứa; các thiết bị

sản xuất điện chưa có mô hình toán học chặt chẽ; các đặc tính của hồ chứa và thiết

bị sản xuất điện đều là dạng phi tuyến; các đặc tính vùng cấm vận hành; các quan

hệ về thuỷ lực phức tạp giữa các hồ chứa liền kề nhau; các tổn thất thuỷ lực khi

vận hành các tổ máy trong cùng một đường ống áp lực; các yếu tố bất định như dự

báo khí tượng thuỷ văn, lưu lượng nước tự nhiên về các hồ và biểu đồ huy động

công suất của hệ thống điện… để giải bài toán trên, trong luận văn này sẽ tiến hành

lập mô hình toán của các hồ chứa, thiết bị sản xuất điện Lựa chọn phương pháp và

thuật toán giải thích hợp với tình hình vận hành thực tế của hệ thống bậc thang

thuỷ điện và đảm bảo độ chính xác chấp nhận được

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là tìm lời giải thích hợp cho việc phân bố tối ưu công

suất giữa các nhà máy trên bậc thang thuỷ điện để tối đa giá trị năng lượng tích trữ

trong các hồ chứa vào cuối thời gian khảo sát Trong luận văn này, hàm mục tiêu

sẽ là tối đa giá trị năng lượng tích trữ vào cuối thời gian khảo sát dựa trên các dữ

liệu đã biết gồm lưu lượng tự nhiên về hồ, biểu đồ huy động công suất từ hệ thống,

các mức nước hồ mục tiêu vào cuối thời gian khảo sát và các ràng buộc khác

Các nhiệm vụ chính sẽ được nghiên cứu trong đề tài:

- Lựa chọn thuật toán giải thích hợp cho bài toán phân bố tối ưu công suất

trên cụm các nhà máy bậc thang

- Xây dựng hàm mục tiêu là tối đa năng lượng tích trữ trong các hồ chứa vào

cuối thời gian khảo sát ngắn hạn

- Xây dựng mô hình toán học cho các đặc tính hồ chứa, đặc tính thiết bị sản

suất điện gồm turbine và máy phát điện tương ứng với các cột áp và hiệu suất khác

nhau

- Thiết lập các phương trình ràng buộc: phương trình cân bằng nước, phương

trình cân bằng năng lượng hệ thống điện, các ràng buộc vật lý của đặc tính hồ chứa

và thiết bị…

- Tiến hành giải bài toán với nghiệm quyết định là công suất phát của các

nhà máy tại các thời điểm trong thời gian khảo sát

- Thiết lập chương trình giải bài toán khi có những thay đổi từ thông số đầu

vào, kết quả của chương trình là phân bố lại công suất phát của các nhà máy tại

các thời điểm trong thời gian khảo sát

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Bài toán quy hoạch vận hành gồm nhiều dạng bài toán: bài toán quy hoạch

ngắn hạn (1 ngày đến 1 tuần) dựa trên cơ sở lưu lượng tự nhiên tất định, bài toán

dài hạn (1 tuần đến 1 năm và nhiều năm) [AlB1984] với lưu lượng tự nhiên bất

định… Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả chỉ xét đến bài toán phân bố công

suất tối ưu ngắn hạn, trên cơ sở các số liệu lưu lượng nước về tất định Nhu cầu hệ

thống và các mức nước mục tiêu coi như đã biết trước Trong các ràng buộc của bài

toán, thì tổn thất truyền tải từ các nhà máy đến hệ thống điện được giả định bỏ qua

Mặc dù các nguồn điện đã tham gia thị trường cạnh tranh nguồn phát, nhưng giá

điện sử dụng trong luận văn này được coi như cố định

Do những khó khăn về thu thập số liệu, phần áp dụng sẽ chỉ tính toán cho

cụm các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San

1.5 Những nội dung chính của đề tài

Phần còn lại của luận văn gồm những nội dung chính sau đây:

Chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống thuỷ điện trên sông Sê San, trong

đó chủ yếu là nêu lên các đặc điểm tự nhiên về đặc trưng khí hậu, thuỷ văn, địa

hình, dòng chảy của lưu lực sông Sê San Giới thiệu tiềm năng thuỷ điện đã được

nghiên cứu và quy hoạch trên lưu vực Phần kế tiếp của chương giới thiệu về đặc

tính của các hồ chứa, đặc điểm thiết bị công trình đã được xây dựng Một phần của

chương cũng giới thiệu chính sách vận hành hồ chứa dài hạn để đảm bảo phục vụ

tốt công tác điều tiết hệ thống bậc thang hồ chứa Phần cuối giới thiệu sơ bộ vị trí

và vai trò của hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San đối với hệ thống điện

Việt Nam

Trong chương 3, phương pháp giải bài toán thích hợp cho bài toán quy hoạch

vận hành hệ thống bậc thang thuỷ điện được tác giả chọn lựa Phần chính của

chương là phương trình toán học của các hệ thống thiết bị, công trình của các nhà

máy trên lưu vực sông được xây dựng, có nhiều phương pháp thiết lập mô hình toán

học các hệ thống, trong luận văn này mô hình tuyến tính hoá các đặc tính được lựa

chọn phát triển nhằm phục vụ cho bài toán quy hoạch tuyến tính Các mô hình

được xây dựng đóng vai trò như là các phương trình ràng buộc bài toán quy hoạch

tuyến tính Trong số các phương trình, quan trọng nhất, hàm mục tiêu được xây

dựng theo hướng sử dụng hiệu quả lượng nước tích trữ trong các hồ chứa của hệ

thống, cụ thể là tối đa hoá lượng nước tích trữ ở các hồ vào cuối chu kỳ khảo sát

Trên cơ sở các phương trình toán học được xây dựng ở chương 3, chương 4

chủ yếu tập trung giới thiệu các thuật toán có thể áp dụng giải hệ các phương trình

quy hoạch tuyến tính trên Trong đó, 2 thuật toán nổi tiếng được trình bày là thuật

toán đơn hình và thuật toán điểm trong dựa theo phương pháp tỉ lệ affine được đề

cập Phần còn lại của chương liệt kê chi tiết các đầu vào và đầu ra của thuật toán

nhằm phục vụ cho chương trình tính toán tối ưu

Trên cơ sở phương pháp giải và mô hình toán học của chương 3, số liệu đầu

vào và đầu ra của chương 4, chương 5 giới thiệu chương trình tính toán tối ưu được

xây dựng dựa trên cơ sở công cụ tối ưu của Matlab 7.0

Cuối cùng, phần kết luận và nhận xét của luận văn được kết luận ở chương

6

1.6 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

- Luận văn đã đặt ra và tìm phương pháp giải cho bài toán quy hoạch vận

hành ngắn hạn cụm các nhà máy bậc thang trên một lưu vực sông, đặc biệt trong

điều kiện ở Việt Nam chưa có công trình nào tương tự được công bố

- Về mặt khoa khọc, luận văn không có nhiều những đóng góp mới bởi các

mô hình toán học được xây dựng trên cơ sở đơn giản hoá các đặc tính thực tế còn

phương pháp giải quy hoạch tuyến tính đã được áp dụng tương đối phổ biến trong

việc giải các bài toán tối ưu Nhưng tính thực tiễn của đề tài rất cao, vì hiện nay ở

Việt Nam nhiều công trình thuỷ điện đã, đang và sẽ được xây dựng, trong đó có

nhiều bậc thang thuỷ điện được hình thành, trước hết là bậc thang thuỷ điện trên

sông Sê San, kế tiếp là bậc thang sông Đồng Nai, sông Sêrêpok, Sông Đà, Sông

Vu Gia-Thu Bồn… và đề tài này có thể áp dụng để phát triển, mở rộng và giải cho

toàn bộ các hệ thống bậc thang thuỷ điện ở Việt Nam

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Xây dựng và ứng dụng mô hình toán học cho các hệ thống thiết bị công

trình của các hệ thống thuỷ điện bậc thang,

- Ứng dụng các kết quả chủ yếu từ các phương pháp quy hoạch toán học để

giải bài toán quy hoạch vận hành ngắn hạn hệ thống bậc thang thuỷ điện,

- Xây dựng chương trình tính toán tối ưu như một công cụ tối ưu các hệ thống

bậc thang thuỷ điện thực tế

2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THUỶ ĐIỆN TRÊN SÔNG SÊ

SAN

Trong chương này sẽ tập trung giới thiệu tổng quan về tiềm năng khai thác

thuỷ điện trên sông Sê San Tình hình khí tượng thuỷ văn ảnh hưởng đến bài toán

vận hành tối ưu Phần chính sẽ tập trung vào việc giới thiệu đặc tính các hồ chứa,

đặc tính thiết bị của hệ thống nhà máy thuỷ điện và mô hình toán các đặc tính hồ

chứa và đặc tính thiết bi Phần cuối cùng sẽ sơ lược về vai trò của hệ thống bậc

thang thuỷ điện trên sông Sê San và khả năng khai thác tối ưu ngắn hạn hệ thống

Trong các phần sau của chương này tập trung trình bày cho tất cả các hồ chứa và

thiết bị của các công trình trên lưu vực sông Sê San, tuy nhiên cho đến này số liệu

của các công trình Thượng Kon Tum, Sê San 3A và Sê San 4 chưa có sẵn, nên tác

giả chỉ khảo sát chủ yếu cho 3 công trình Pleikrông, Ialy và Sê San 3

Cũng giống như bất kỳ hệ thống bậc thang thuỷ điện nào, khi khảo sát hệ

thống thuỷ điện trên sông Sê san phải quan tâm đến các quá trình vật lý, thuỷ văn

sau đây:

- Lưu lượng nước về tự nhiên

- Lượng mưa, lượng nước bốc hơi và lượng nước thấm của các hồ

- Tích nước và xả nước của các hồ

- Lưu lượng vật lý của các cửa xả tràn

- Dòng chảy của nước trong các kênh dẫn (kín và hở…)

- Nước phục vụ cho các mục đích nông nghiệp, công nghiệp, giao thông,

tiêu dùng

- Cân bằng nước của các hồ chứa

- Lượng nước để phát điện của các nhà máy

- Tổn thất nước trong các kênh dẫn

- Tổn thất cột áp trong các kênh dẫn

Để thấy rõ các khía cạnh trên, phần sau của chương sẽ trình bày khái quát

các đặc điểm trên của hệ thống thuỷ điện trên sông Sê San

2.1 Đặc điểm và tiềm năng thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San

2.1.1 Đặc điểm tự nhiên

Sông Sê San là phụ lưu bên bờ trái của sông Mê Kông Sông bắt nguồn từ

phía bắc cao nguyên Gia Lai –Kon Tum với 2 nhánh chính thượng nguồn là sông

Krông Pôkô và sông ĐăkBla Hai nhánh sông này hợp lưu thành sông Sê San rồi

tiếp tục chảy theo hướng Đông Bắc-Tây Nam ra hướng biên giới Việt

Nam-Cambodia Tại đây, nhập với nhánh sông Sa Thầy ở bờ phải rồi đổ vào đất

Cambodia Sông Sê San nhập vào Sông Mê Kông trên đất Cambodia tại thị trấn

Stung Treng Tổng diện tích lưu vực sông Sê San trên lãnh thổ Việt Nam là

11450km2 chiếm 61,65% tổng diện tích lưu vực sông (18570km2) Như vậy, đặc

điểm hình thái của các nhánh chính tạo thành lưu vực sông Sê San như bảng 2.1

Bảng 2.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Sê San (nguồn: PECC1, 2002)

TT Tên nhánh sông Diện tích lưu vực [km2] sông [km] Chiều dài Độ rộng trung bình [km] Độ dốc trung bình [%]

Địa hình lưu vực sông Sê San khá phức tạp, bị chia cắt mạnh Phần phía bắc

của lưu vực có địa hành rất cao, điển hình là đỉnh núi Ngọc Linh cao 2598m, phần

phía tây có núi Ngọc Bin San cao 1939m và phía đông có dãy Ngọc Cơ Rinh cao

2025m Do đặc điểm địa hình vùng này bị chia cắt mạnh dẫn đến sự khác biệt đáng

kể về khí hậu trên từng phần của lưu vực đặc biệt là chế độ mưa, chế độ ẩm của

không khí

2.1.3 Khí hậu

Khí hậu của lưu vực mang đặc điểm của khí hậu Tây Trường Sơn, thể hiện

cả trong chế độ nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm và các yếu tố khác Khí hậu chia thành

2 mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Mùa mưa trên lưu vực từ tháng 5 đến tháng 10,

thời gian mưa kéo dài với lượng mưa lớn nhất xảy ra vào các tháng 8, 9 và 10

Lượng mưa trong mùa mưa chiếm 80-90% lượng mưa trong năm Lượng mưa trung

bình năm dao động từ 2600-3000mm ở vùng núi phía bắc và vùng cao nguyên

Pleiku; từ 1700-1800mm ở vùng Tây Nam lưu vực; vùng trũng Kon Tum và phía

nam lưu vực do bị chắn bởi các dãy núi cao nên lượng mưa trung bình khoảng

1700mm Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau Số ngày mưa trong năm

khoảng 160 ngày ở các vùng có lượng mưa lớn và khoảng 110 ngày ở các vùng có

lượng mưa nhỏ Khoảng 90% số ngày mưa rơi vào các tháng có ảnh hưởng của gió

mùa Tây Nam và Tây

2.1.4 Độ ẩm và bốc hơi

Độ ẩm tương đối trung bình năm thay đổi từ 78,2 đến 81,2% cao nhất là

100% và thấp nhất là 8%

Do độ ẩm khống khí có giá trị cao, nên bốc hơi trong lưu vực không lớn

Lượng bốc hơi lớn nhất xảy ra vào tháng 2 đến tháng 4 đạt đến mức 259,1mm Từ

tháng 8 đến tháng 10 do mưa nhiều nên bốc hơi giảm xuống còn 52mm, lượng bốc

hơi ngày đêm nhỏ nhất là 10mm Lượng bốc hơi trung bình nhiều năm vào khoảng

426,5mm

2.1.5 Dòng chảy

Do ảnh hưởng của khí hậu, dòng chảy trên sông Sê San chia thành 2 mùa:

mùa lũ và mùa kiệt Mùa lũ từ tháng 8-11, mùa kiệt từ tháng 12 đến tháng 7 của

năm sau Dòng chảy của lưu vực sông Sê San khá dồi dào, mô dun dòng chảy thay

đổi không nhiều từ 32-39 l/s.km2

2.1.6 Năng lực thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San

Có rất nhiều quy hoạch phát triển thuỷ điện trên sông Sê San được thực hiện

bởi Uỷ hội sông Mê Kông, Công ty Nippon Koei (Nhật bản), Trung tâm nghiên cứu

và thiết kế thuỷ điện, Viện quy hoạch thuỷ lợi, Viện năng lượng, Công ty

SWECO… Theo kết quả nghiên cứu của công ty SWECO đã được Thủ tướng chính

phủ phê duyệt, có 6 công trình thuỷ điện chính trên lưu vực sông Sê San với các

thông số chính như bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số các công trình chính trên sông Sê San (nguồn: PECC1)

E0 Triệu kWh 944,5 417,2 3842,2 1302,8 499,4 1388,1

Ghi chú: Flv là diện tích lưu vực hồ,

MNDBT là mực nước dâng bình thường (so với mực nước biển), MNC là mực nước chết (so với mực nước biển),

Vtb là dung tích toàn bộ hồ chứa (với mực nước cao trình đỉnh đập),

Vc là dung tích chết của hồ chứa (tức ứng với MNC), Vhi là dung tích hữu ích của hồ chứa (tức ứng với MNDBT), Pđb làø công suất đảm bảo,

Plm là công suất lắp máy, Hmin, Hmax, Htt là cột áp nhỏ nhấât, lớn nhất và tính toán,

E0 là sản lượng điện trung bình năm (khi toàn bộ các hồ chứa được đưa vào làm việc),

∆E0 là sản lượng điện tăng thêm khi đưa đầy đủ các hồ vào vận hành (so với các hồ vận hành riêng lẻ)

Nhận xét: ở bảng 2.2, trong số 6 công trình hồ thì chỉ có 3 công trình bao

gồm Ialy, Pleikrông và Sê San 4 là những hồ có dung tích hữu ích khá lớn Hồ

Thượng Kon Tum cũng có dung tích hữu ích khá lớn nhưng hạ lưu nhà máy xả nước

về đông Trường Sơn (tỉnh Quảng Ngãi) Các hồ Sê San 3 và 3A có dung tích rất

nhỏ

2.2 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông, đặc tính các hồ chứa trên sông

Sêsan

2.2.1 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông Sê San

Đặc trưng thuỷ văn các hồ chứa trong lưu vực được tổng hợp ở bảng 2.3

Bảng 2.3 Đặc trưng thuỷ văn các hồ chứa lưu vực sông SêSan (nguồn: PECC1)

T

T Đặc trưng thuỷ văn

Ký hiệu

Đơn

3 Lớp dòng chảy năm Yo mm 1258,9 1105,0 1109,5 1112,7

6 Tổng lượng dòng chảy năm Wo 106m3 4037 8270 8640 10370

7

Dòng chảy năm

ứng với tần suất

Như đã trình bày trong mục 2.1.6 và bảng 2.2, trên lưu vực sông Sê San có

06 hồ chứa gồm hồ Thượng Kon Tum, Pleikrông, Ialy, Sê San 3, Sê San 3A và Sê

San 4 Trong đó điều tiết năm có hồ Thượng Kon Tum, điều tiết mùa có hồ

Pleikrông, Ialy và Sê San 4, điều tiết ngày có hồ Sê San 3 và Sê San 3A

Phần sau sẽ trình bày đặc tính các hồ chứa (hay còn gọi là đặc tính Zhồ) cho

dưới dạng bảng quan hệ giữa chiều cao mức nước và dung tích hồ (Số liệu được thu

thập theo thiết kế kỹ thuật các hồ chứa và có hiệu chỉnh theo khối lượng bồ lắng

lòng hồ sau thời gian vận hành)

2.2.2.1 Hồ Pleikrông

Bảng quan hệ mức nước và dung tích hồ trong đoạn dung tích hữu ích hồ

(mực nước chết-cao trình 537m, cao trình đỉnh đập 575m):

Bảng 2.4 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Pleikrông (nguồn: Ily)

Bảng quan hệ mức nước và dung tích hồ trong đoạn dung tích hữu ích hồ

(mực nước chết-cao trình 490m, đến cao trình đỉnh đập 520m):

Bảng 2.5 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Ialy (nguồn: Ily)

2.2.2.3 Hồ Sê San 3

Hồ chứa của nhà máy thuỷ điện Sê San 3 rất nhỏ, dung tích hữu ích của hồ

là 3,8 triệu m3 (theo bảng 2.2) Trong luận văn này, có thể coi nhà máy Sê San 3

không có hồ chứa, do đó nhà máy sẽ phải phát công suất mỗi khi có lưu lượng nước

về hồ Tuy nhiên, với các số liệu của hồ ta phân tích chi tiết quan hệ dung tích và

mức nước từ mức nước chết-cao trình 303,2m đến cao trình đỉnh đập-cao trình

Ghi chú: Đối với các hồ chứa Thượng Kon Tum, Sê San 3A và Sê San 4, do

chưa có số liệu chính thức của hồ chứa nên luận văn này chưa xét đến các hồ chứa

của 3 nhà máy trên

2.2.3 Đặc tính các công trình tràn của hồ chứa

Đập tràn là công trình quan trọng nhằm đảm bảo vận hành an toàn cho đập

dâng và các công trình khác thuộc phạm vi lòng hồ Đập tràn phải có đặc tính phù

hợp nhằm khi xả nước ở lưu lượng lớn không ảnh hưởng đến kết cấu của đập dâng

Các đập tràn trên các đập dâng của sông Sê San có kết cấu tương đối giống nhau,

bằng nhau về số lượng cửa xả và khả năng giải phóng nước ở tần suất 0.1 %

Trong bài toán quy hoạch ngắn hạn, do thời gian khảo ngắn (<168h), thì mức

nước hồ được biết trước do tuân thủ theo mức nước quy định của điều tiết hồ dài

hạn, do đó công trình tràn có thể không tham gia vào bài toán vì lưu lượng xả tràn

bằng không Khi lưu lượng xả tràn khác không thì công trình tràn được mô hình và

đưa vào bài toán Chi tiết mô hình toán học biểu diễn quan hệ lưu lượng xả tràn với

mức nước hồ được xây dựng trong chương 3

2.3 Chính sách quản lý-điều tiết hồ chứa

Ưu điểm của hệ thống thuỷ điện là tích nước với giá rẻ vào mùa lũ để sử

dụng với giá trị cao hơn vào các mùa kiệt Tuy nhiên, do hạn chế về dung tích hồ

chứa đã làm cho công tác điều tiết hồ chứa trở thành công việc khó khăn, càng khó

khi dung tích hồ chứa càng nhỏ Điều tiết hồ chứa là chính sách vận hành hồ dài

hạn nhằm xác định các mức nước mục tiêu phù hợp cho từng tháng trong năm,

ngày trong tháng, thậm chí giờ trong ngày đối với các hồ chứa nhỏ… dựa trên các

kế hoạch sửa chữa thiết bị, số liệu dự báo khí tượng, lưu lượng nước về hồ và số

liệu thuỷ văn quá khứ (đối với các nhà máy trên sông Sê San đã có được chuỗi

thuỷ văn 45 năm) Tuy nhiên, đối với quy hoạch vận hành dài hạn thì các số liệu

khí tượng và thuỷ văn được coi là các yếu tố bất định

Các mức nước hiện hành và mức nước mục tiêu vào cuối thời kỳ khảo sát

ngắn hạn được căn cứ vào chính sách vận hành dài hạn của từng hồ chứa Chi tiết

về chính sách vận hành dài hạn các hồ chứa không nằm trong phạm vi của luận

văn này Tuy nhiên, phần sau đây sẽ mô tả sơ bộ chính sách điều tiết hồ chứa

[AND2005]

là mức nước trên và dưới kế hoạch của hồ chứa, tương ứng là các dung tích Vup,

Vlo Đường h là mức nước dao động thực tế Trong đó, Hup định ra mức nước mà

dưới mức Hup thì tại thời điểm t tuỳ ý đến cuối chu kỳ T, nếu có xác suất lũ lụt xảy

ra thì mức nước vẫn không vượt quá mức nước quy định của nhà máy Tương tự, Hlo

định ra mức nước mà trên mức đó thì tại thời điểm t tuỳ ý đến cuối thời kỳ T, nếu

có xác xuất hạn hán xảy ra thì nước nước hồ không nằm dưới mức nước quy định

của nhà máy Dung tích giới hạn bởi Vlo và Vup gọi là dung tích cắt lũ Như vậy, h

hay v được điều tiết sao cho Hlo≤h≤Hup hay Vlo≤v≤Vup Hay thể hiện dưới dạng toán

học như (2.3) và (2.9)

hay cụ thể P(v2≤Vup,v3≤Vup,…,VK+1≤Vup)≥1-α (2.4)

trong đó P là xác suất, K là số ngày của thời gian điều tiết, vk là dung tích hồ

chứa của đầu ngày k, α là biên trên của xác suất xả lũ

Từ phương trình (2.4) cho thấy sẽ không có xả lũ trong ngày K nếu vK+1≤Vup

Đồng thời, vì kRvK+1=kRvK+BK-Qmax, nên suy ra:

với BK là lưu lượng nước về hồ trong ngày K, Qmax là tổng lưu lượng cực đại

chạy máy và tràn cho phép của hồ, kR là hệ số chuyển đổi thể tích sang lưu lượng

Khi dung tích hồ của ngày K là vK≤Vup, thì kết luận rằng ngày K không xả lũ

khi và chỉ khi vK≤ϑK = min(Vup,Vup +(Qmax-BK)1/kR) Và sẽ không xả lũ trong ngày

K và K-1 khi:

Biểu thức (2.6) thực chất là biểu thức (2.5) khi thay Vup bằng ϑK Vì ϑK≤Vup

nên sẽ không xả lũ trong ngày K-1 và K nếu

vK-1≤ϑK-1 = min(Vup,ϑK+(Qmax-BK)1/kR) (2.7)

Một cách tổng quát, để không xả lũ trong ngày k thì dung tích điều tiết cần

phải: vk≤ϑK = min(Vup,ϑk+1+(Qmax-BK)1/kR) với k=1,2, ,K (2.8)

Tương tự, trường hợp xác suất kiệt nước:

với β-biên trên của xác suất kiệt nước

Và để không kiệt nước trong ngày k thì dung tích điều tiết cần phải:

vk≤ϑK = max(Vlo,ϑk+1+(Qmin-BK)1/kR) với k=1,2, ,K (2.10)

Khi mức nước h≥hup,k+1 thì phải tiến hành giải phóng nước khỏi hồ theo biểu

thức:

Qk=min(Qmax,vk-vup,k+1+Bk/kR) (2.11)

Và khi mức nước h≤ hlo,k+1 thì phải tiến hành giải phóng nước khỏi hồ theo

biểu thức

Qk=max(Qmin,vk-vlo,k+1+Bk/kR) (2.12)

với vup,k+1, vlo,k+1 là mức nước biên trên và dưới ngày k của hồ chứa

Như vậy, căn cứ vào chiến lược điều tiết hồ chứa dài hạn được trình bày

trong mục 2.3, mức nước hiện hành và mức nước mục tiêu của từng giai đoạn khảo

sát ngắn hạn sẽ được xác định như theo các công thức (2.8) và (2.10)

2.4 Đặc điểm thiết bị, đặc tính các nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan

Phần này sẽ phân tích đặc tính của turbine và máy phát của các nhà máy

thuỷ điện trên sông Sê San Do một số nhà máy chưa có tài liệu, nên chỉ tập trung

vào 3 nhà máy Pleikrông, Ialy và Sê San 3

2.4.1 Đặc tính turbine và máy phát Pleikrông

Do cột áp thấp (Htt=31m), turbine nhà máy thuỷ điện Plk sử dụng loại

turbine Kaplan1 Đặc tính vận hành turbine của nhà máy Plk khá phức tạp, cụ thể

như hình 2.2

Ghi chú:

P1: Công suất phát, a0: độ mở cánh hướng, η: hiệu suất

Hình 2.2 Đặc tính vận hành turbine Pleikrông (nguồn: Ily, 2006)

1 là loại turbine hướng tâm, cánh xoay, dùng cho cột áp thấp 3:60m

Máy phát được sử dụng ở Pleikrông là loại trục đứng có đặc tính vận hành

như hình 2.3

Hình 2.3 Đặc tính vận hành máy phát Pleikrông 2.4.2 Đặc tính turbine và máy phát Ialy

Loại turbine được sử dụng ở nhà máy thuỷ điện Ialy là Francis2, 16 cánh, cột

áp 190m, tốc độ 250 vòng/phút Đặc tính được thể hiện ở hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tính vận hành turbine Ialy (nguồn: Ily, 1998)

2 Là loại turbine xuyên tâm hướng trục, dùng cho cột áp trung bình 10:400m

Máy phát được sử dụng ở Ialy là loại trục đứng, kiểu dù, 24 cực, có đặc tính

vận hành như hình 2.5

Hình 2.5 Đặc tính vận hành máy phát Ialy (nguồn Ily,1998)

2.4.3 Đặc tính turbine và máy phát Sê San 3

Loại turbine được sử dụng ở nhà máy thuỷ điện Sê San 3 là Francis, 13

cánh, cột áp 60m, tốc độ 125 vòng/phút Đặc tính được thể hiện ở hình 2.6

Hình 2.6 Đặc tính vận hành turbine Sê San 3 (nguồn Ily, 2005)

Máy phát được sử dụng ở Sê San 3 là loại trục đứng, 48 cực, có đặc tính vận

hành như hình 2.7

Hình 2.7 Đặc tính vận hành máy phát Sê San 3 (nguồn Ily, 2005)

2.5 Vai trò của hệ thống thuỷ điện trên sông Sêsan đối với hệ thống

điện Việt Nam

Các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San nằm ở “điểm giữa” của hệ thống

Việt Nam Trước khi có Nhà máy thuỷ điện Ialy (năm 2000), đường dây 500kV

Hoà Bình –Phú Lâm là đường dây dài và việc điều chỉnh điện áp ở các nút Hà

Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku rất khó khăn Sau khi có Ialy và các Nhà máy khác trên

sông Sê San, điện áp tại điểm Pleiku được giữ cố định (phát Q vào giờ cao điểm và

thu Q vào giờ thấp điểm) Do đó, vai trò của các Nhà máy trên sông Sê San là giúp

vận hành đường dây 500kV được ổn định và tăng cường khả năng truyền tải của

đường dây

Bên cạnh việc giữ điện áp nút Pleiku, các Nhà máy trên sông Sê San đóng

góp một sản lượng đáng kể cho hệ thống với công suất khoảng 1730MW và điện

lượng bình quân năm khoảng 8,5 tỉ kWh (khi vận hành đầy đủ)

Ngoài các yếu tố kỹ thuật và kinh tế đối với hệ thống điện, việc đưa vào vận

bậc thang các hồ chứa trên sông Sê San góp phần cắt lũ và điều hoà nguồn nước

trên dòng sông Sê San Cụ thể là, cắt một phần lũ tần suất kiểm tra đến 0,02% vào

mùa mưa, lưu lượng điều hoà tối thiểu về hạ du vào mùa kiệt được duy trì ở mức

160m3/s)

2.6 Phân tích khả năng khai thác tối ưu ngắn hạn công suất, năng

lượng theo các hồ chứa trên sông Sêsan

Các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San có tầm quan trọng đối với hệ thống

điện và nền kinh tế như vừa nêu ở trên, do đó bài toán quy hoạch vận hành hệ

thống bậc thang để đạt kết quả khai thác hiệu quả là rất cần thiết Đối với vận

hành toàn hệ thống điện, Trung tâm điều độ hệ thống điện thường đặt ra bài toán

khai thác phối hợp thuỷ nhiệt điện (hydrothermal cooperation) nhằm đạt mục tiêu

vận hành kinh tế hệ thống điện Đối với các Nhà máy trên sông Sê San, do cùng

phát điện vào một điểm trên hệ thống (trạm Pleiku), tức là coi các Nhà máy phát

lên cùng một thanh cái của hệ thống, giả thiết tổn thất từ các Nhà máy đến trạm

Pleiku là không đáng kể, lúc đó các Nhà máy trên sông Sê San trở thành một cụm

các Nhà máy trên hệ thống Do đó, cần huy động tổ máy nào có lợi cho hệ thống

bậc thang nhất Đó là tổ máy có hiệu suất cao nhất, suất tiêu hao nước thấp nhất và

việc vận hành tổ máy đó làm xả tràn hệ thống hồ thấp nhất, hay tích luỹ thuỷ năng

của hệ thống bậc thang vào cuối thời kỳ khảo sát là cao nhất

Trong thời gian tới (sau năm 2007), khi các Nhà máy thuỷ điện trên sông Sê

San tham gia vào thị trường điện cạnh tranh nguồn phát, quyền chủ động công bố

công suất khả dụng thuộc về các Nhà máy điện, thì bài toán quy hoạch vận hành

ngắn hạn càng có ý nghĩa trong việc tính toán phân bố công suất tối ưu giữa các

nhà máy trong cụm bậc thang thuỷ điện, làm cơ sở cho việc chào giá điện phát

hằng ngày, giờ

2.7 Kết luận

Chương này trình bày các thông số chính của hệ thống bậc thang các Nhà

máy thuỷ điện trên sông Sê San, các đặc điểm về khí hậu, thuỷ văn, địa hình lưu

vực sông Sê San Chiến lược điều tiết của các hồ chứa điều tiết năm được giới

thiệu cho thấy được vai trò của điều tiết hồ chứa trong vận hành hiệu quả các Nhà

máy thuỷ điện Các đặc tính vận hành thiết bị chính như máy phát, turbine cũng

được trình bày

3 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG BẬC THANG THUỶ ĐIỆN

Trong chương trước, đã giới thiệu tổng quan hệ thống thuỷ điện trên sông Sê

San- tiềm năng và các thách thức đặt ra khi đưa toàn bộ hệ thống các nhà máy vào

vận hành Chương này, sẽ tập trung vào việc lựa chọn thuật toán giải bài toán quy

hoạch vận hành và xây dựng mô hình bài toán đặc trưng cho hệ thống các thuỷ

điện bao gồm hàm mục tiêu là tối hoá năng lượng tích luỹ vào cuối thời gian khảo

sát ngắn hạn (1 ngày đến 1 tuần [AlB1984])

Tổ chức của chương như sau: mục 3.1 sẽ mô tả tổng quát hệ thống, mục 3.2

trình bày lựa chọn thuật toán, mục 3.3 sẽ trình bày các giả thiết cần đặt ra khi xây

dựng bài toán Mô hình hệ thống thuỷ điện, mô hình toán học các ràng buộc

phương trình và bất phương trình, mô hình tổ máy thuỷ lực và nhà máy thuỷ điện

tích luỹ, hàm mục tiêu của bài toán được xây dựng ở mục 3.4 Chi tiết được trình

bày ở các phần sau

3.1 Mô tả hệ thống bậc thang thuỷ điện

Như trình bày ở chương 2, hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San có

6 nhà máy trên 3 lưu vực sông Mục đích của việc xây dựng mô hình để tiến hành

giải phân bố tối ưu công suất của 6 nhà máy trên Tuy nhiên, để không mất tính

tổng quát, giả thiết ta xét một hệ thống bậc thang thuỷ điện gồm L hồ chứa Các

nhà máy thuỷ điện này có quan hệ chặt chẽ về mặt thuỷ văn tức là lượng nước sử

dụng hoặc xả tràn của hồ chứa này sẽ là lượng nước về của hồ chứa hạ lưu trực

3.2 Hệ thống điện

Các nhà máy điện tương ứng với các hồ chứa này phát điện chung lên hệ

thống điện quốc gia, điển hình hệ thống điện được mô tả như hình 3.2 Trong quá

trình xét hệ thống thuỷ điện coi hệ thống điện là một thanh cái đơn chỉ lấy điện của

hệ thống thuỷ điện để cấp cho nhu cầu hệ thống mà không xét đến trào lưu công

suất trên hệ thống điện cũng như không quan tâm đến vấn đề vận hành ổn định hệ

Hệ thống điện

Hệ thống bậc thang hồ chứa

bL

Hình 3.2 Mô tả hệ thống điện

3.3 Lựa chọn thuật toán

Đối với các bài toán quy hoạch vận hành hệ thống, có một số phương pháp

giải bài toán bằng quy hoạch toán học như phương pháp quy hoạch tuyến tính (LP)

trình bày trong [AMJ1990], [MTR1994], một số phương pháp lặp phi tuyến (NLP)

trong [AlB1984], phương pháp phương pháp quy hoạch số nguyên (MILP) trong

[GMJ2001], [JEJ2001], phương pháp quy hoạch dòng trên mạng trong [PMS1994],

phương pháp quy hoạch động (DP) [XPH1994], [CEA1997], phương pháp phân rã

[OLD1998], [XPL1995], [EXR1999], ứng dụng giải thuật di truyền (GA) để phân

bố tối ưu các nhà máy có quan hệ thuỷ lực [PoH1996], ứng dụng mạng nơ ron nhân

tạo (ANN) [R.J2000]…

Đối với bài toán đặt ra trong luận văn này, do đặc tính vận hành tổ máy luôn

luôn không lồi ở vùng công suất thấp, số ràng buộc và biến trạng thái của bài toán

nhiều (khi tính đủ 6 nhà máy, khoảng 70 ràng buộc và 500 biến trạng thái) cần

khối lượng tính toán lớn, nên phương pháp quy hoạch phi tuyến không phù hợp Vì

lý do tương tự và do những quan hệ động về thuỷ văn giữa các hồ nên phương pháp

quy hoạch động không được lựa chọn

Do các hồ chứa được mô hình bằng các nút, các đường dẫn nước giữa các hồ

là các nhánh và lựa chọn các nút/nhánh này làm biến trạng thái, bài toán phù hợp

với phương pháp quy hoạch tuyến tính dòng trên mạng (network flow linear

programming) Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải khó khăn khi đưa các ràng

buộc về cân bằng công suất hệ thống, các khó khăn khi đưa các hàm phạt vào hàm

mục tiêu… do đó phương pháp này cũng không được lựa chọn

Từ các loại bỏ trên, tác giả quyết định lựa chọn phương pháp quy hoạch

tuyến tính để giải bài toán Nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính

toán khá lớn, tuy nhiên với tốc độ máy tính hiện nay, nhược điểm này có thể bỏ

qua Ưu điểm của phương pháp này là có thể đưa các ràng buộc vào hệ các phương

trình một cách dễ dàng bằng cách tăng số dòng của ma trận ràng buộc Việc hình

thành bài toán rất đơn giản bằng cách tuyến tính hoá các phương trình ràng buộc

phi tuyến

Đối với các bài toán mô hình các hệ thống thực tế thì chủ yếu là phi tuyến

Tuy nhiên, trong quá trình tính toán ta có thể tuyến tính hoá các hàm thành tuyến

tính [GMJ2001]

Chi tiết các mô hình hệ thống phục vụ cho việc giải hệ thống bằng phương

pháp quy hoạch tuyến tính sẽ được xây dựng trong phần sau

3.4 Các giả thiết chính khi xây dựng bài toán

Mục đích của bài toán là tối ưu năng lượng phát của hệ thống thuỷ điện bậc

thang trên cơ sở nhu cầu phụ tải do A0 cung cấp thông qua phương thức huy động

các nguồn điện Do đó, nhu cầu phụ tải của hệ thống điện coi như đã biết trước

trong toàn bộ thời gian khảo sát

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 Trung tâm dự báo khí tượng thuỷ văn khu vực Bắc

Tây Nguyên cung cấp Do đó, lưu lượng tự nhiên về từng hồ coi như đã biết trước

Do các hồ trên bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San nằm rải rác tương đối

dều trên lưu vực sông Sê San và khoảng cách giữa các hồ không quá xa Do đó, giả

thiết thời gian nước từ hạ lưu của hồ trên về đến hồ dưới kế tiếp là không đáng kể,

có thể bỏ qua

Các hồ nằm rải rác trên cùng lưu vực sông, có quan hệ chặt chẽ về thuỷ văn

nhưng bỏ qua quan hệ về ghép nối thuỷ lực Do đó, quan hệ ghép nối thuỷ lực giữa

các hồ kề nhau coi như không có Cụ thểø, trường hợp có quan hệ thuỷ lực nặng

nhất là giữa hồ Ialy và Sêsan3 Mức nước hạ lưu của Ialy là 303m, với mức nước

thượng lưu cao nhất của hồ Sêsan3 là 304,5m Suy ra quan hệ thuỷ lực là

304,5-303,0=1,5m Trong khi đó cột áp tính toán của nhà máy Ialy là 190m Như vậy tỉ lệ

phần trăm của quan hệ thuỷ lực là 1,5/190x100%=0,8% là rất nhỏ so với 10% quan

hệ thuỷ lực chấp nhận được

Trong thời gian khảo sát ngắn hạn, cột áp của các nhà máy có hồ chứa được

coi là hằng số vì thời gian ngắn, nên thay đổi mức nước không đủ lớn làm thay đổi

đặc tính phát của tổ máy Các nhà máy không có hồ chứa coi như vận hành trong

điều kiện cột áp không đổi [JSV2005]

Bài toán tập trung vào việc phân bố công suất giữa các nhà máy một cách

tối ưu để cực đại năng lượng tích trữ ở các hồ chứa vào cuối thời gian khảo sát, nên

coi hệ thống điện là một bus đơn và không xét đến tổn thất từ các nhà máy đến hệ

thống điện quốc gia (thực tế khoảng cách này rất ngắn, điển hình là 25km-điện áp

500kV)

Bài toán không xét đến phát công suất phản kháng Q cho hệ thống, hoạt

động chạy bù của các nhà máy được coi như trách nhiệm thực hiện hợp đồng dịch

vụ cung cấp công suất phản kháng của nhà máy với A0

Thời gian khởi động/dừng máy của các tổ máy thuỷ điện rất nhỏ so với thời

gian khảo sát, nên bỏ qua thời gian này

Chi phí vận hành các nhà máy thuỷ điện bao gồm chi phí sản xuất điện và

chi phí khởi động Trong đó chi phí sản xuất điện rất nhỏ, có thể bỏ qua

[AJM2002] Chi phí khởi động có ảnh hưởng đến bài toán tối ưu ngắn hạn

[OnD1997-1], [OnD1997-2], nhưng trong khuôn khổ luận văn này, để đơn giản bài

toán, sẽ chỉ xét bổ sung nhưng không đưa vào hàm mục tiêu

Cuối cùng, hàm mục tiêu xây dựng trong bài toán này sẽ là cực đại năng

lượng tích trữ của toàn hệ thống sau thời gian khảo sát hơn là tính cực tiểu chi phí

vận hành Vì thực tế, hiện tại, tuy các nhà máy điện đã tham gia vào thị trường giai

đoạn 1- cạnh tranh nguồn phát, nhưng riêng các nhà máy thuỷ điện lớn như Hoà

bình, Ialy, Trị An vẫn còn sở hữu 100% vốn nhà nước và chưa tham gia thị trường

cạnh tranh

3.5 Xây dựng mô hình hệ thống và hình thành bài toán

3.5.1 Mô hình thời gian

Chu kỳ thời gian khảo sát ngắn hạn (một ngày, một tuần, một tháng hay một

năm) được chia thành T khoảng thời gian rời rạc, t=1 T Độ dài thời gian của mỗi

khoảng thời gian có thể là 0,5h, 1h hay dài hơn tuỳ thuộc vào thời gian khảo sát,

mức độ chính xác yêu cầu cũng như dữ liệu có sẵn (dữ liệu về lưu lượng nước về,

nhu cầu phụ tải của hệ thống…) Tất cả các biến trong các phương trình của hệ

thống được giả thiết là hằng số trong mỗi khoảng thời gian này

3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian của hệ thống thuỷ điện

Phát điện ở các nhà máy thuỷ điện là quá trình chuyển năng lượng rẻ tiền

được tích trữ trên các hồ chứa thành năng lượng điện có giá trị cao để đáp ứng nhu

cầu hệ thống điện Tuy nhiên, lượng năng lượng rẻ tiền này bị hạn chế bởi dung

tích các hồ chứa là có hạn

Xét toàn hệ thống điện, thì việc quyết định sử dụng lượng nước tích trữ trong

hồ hôm nay sẽ trả giá bằng việc đốt nhiên liệu đắt tiền ở nhiệt điện để phát điện

ngày mai nếu như lượng nước về hồ ngày mai bị hạn chế Ngược lại, việc tích trữ

nước trong hồ hôm nay thì phải đốt nhiên liệu đắt tiền để phát nhiệt điện, đồng thời

phải trả giá bằng việc xả tràn các hồ chứa ngày mai, gây lãng phí, nếu như lượng

nước về hồ lớn hơn khả năng tích trữ của hồ

Tóm lại, khác với nhiệt điện, không phụ thuộc vào thời gian, vận hành hệ

thống thuỷ điện phụ thuộc chặt chẽ với thời gian Quyết định vận hành hôm nay sẽ

ảnh hưởng đến sự an toàn năng lượng cũng như chi phí vận hành hệ thống điện ở

tương lai

3.5.3 Xây dựng mô hình bậc thang thuỷ điện

Để tạo cơ sở toán học cho việc lập hàm mục tiêu và các biểu thức ràng

buộc, và do tính phức tạp của bậc thang thuỷ điện trên các lưu vực sông-các nhà

máy vừa nối tiếp vừa nối song song với nhau, nên cần thiết phải xây dựng hoàn

chỉnh một mô hình bậc thang thuỷ điện Phần này sẽ xây dựng mô hình hệ thống

thuỷ điện bậc thang trên một lưu vực sông, chi tiết như hình 2.2

Các nút l thuộc tập L, l=1 L đặc trưng cho các hồ chứa Kèm theo hồ chứa

có thể có hoặc không có nhà máy thuỷ điện

Các nhánh jl đặc trưng cho dòng nước chảy từ hồ j đến hồ l, j thuộc Ωl là tập

hợp các hồ chứa thượng lưu trực tiếp của hồ l Nhánh jl có thể là một trong các

đường sau đây:

Nút l

Ql,tHồ chứa dưới

bl,tNhà máy

Nút j

Qj,t sj,t

Nút k

Hình 3.3 Mô hình hệ thống mạng thuỷ điện

- Đường nước chạy qua nhà máy j để phát điện, với lưu lượng phát điện tại

thời điểm t ký hiệu là Qj,t

- Hoặc hoặc chảy trực tiếp từ hồ j đến hồ l, thông qua các kênh dẫn kín

hoặc hở, trong trường hợp hồ l không có nhà máy thuỷ điện

- Hoặc là lưu lượng nước thừa của hồ j được xả qua tràn tại thời điểm t, ký

hiệu là sj,t

Các đường nước từ j có thể chảy về hồ l hoặc không, do cấu hình cụ thể của

hệ thống sẽ quyết định

Ngoài lượng nước chảy giữa các hồ, mỗi hồ còn được đặc trưng bởi lượng

nước về tự nhiên tại thời điểm t, ký hiệu là bl,t

Nếu là đường nước chạy qua nhà máy, thì công suất điện phát ra của các tổ

máy được tính toán là hàm của lưu lượng nước Ql,t và cột cáp Hl,t Cột áp của tổ