NGHIÊN cứu, TÍNH TOÁN THI CÔNG lắp đặt CHÂN GIÀN KHOAN tự NÂNG PHÙ hợp với điều KIỆN VIỆT NAM

Phương pháp MCSA sử dụng cho hệ thống bốn nhà máy thủy điện và 3 nhà máy nhiệt điện với các mục tiêu chi phí kinh tế, chi phí phát thải và kết hợp chi phí kinh tế phát thải.. 7: Công suấ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG VĂN TUẤN

ĐIỀU ĐỘ ĐA MỤC TIÊU HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGẮN HẠN SỬ DỤNG CUCKOO SEARCH CẢI TIẾN

NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

S K C0 0 4 9 3 6

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: DƯƠNG VĂN TUẤN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01-09-1985 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh

Quê quán: Tp Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:66 – Đường 4 – Khu phố 5 – Phường Trường Thọ - Quận Thủ Đức – Tp Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0904594220

Fax G-mail: duongvantuan041022001@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 09/2009

Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.hcm

Ngành học: Điện Khí Hóa - Cung cấp điện

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Người khai ký tên

DƯƠNG VĂN TUẤN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, các tính toán kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực và

chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2016

Người cam đoan

Dương Văn Tuấn

iii

LỜI CẢM ƠN

Kết quả của sự thành công luôn gắn liền với những sự dạy dỗ của các Thầy Cô,

sự ủng hộ và động viên từ gia đình, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong thời gian từ khi bắt đầu đi học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè

Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt là sự quan tâm giúp đỡ của

Thầy hướng dẫn PGS.TS Võ Ngọc Điều đã cùng với tri thức và tâm huyết của

mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em thực hiện đề tài nghiên cứu này Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của Thầy thì em nghĩ đề tài nghiên cứu này của em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy

Bước đầu đi vào tìm hiểu về lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn nhiều hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Thầy hướng dẫn cùng quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em ngày được hoàn thiện hơn

TP HCM, tháng 9 năm 2016

Học viên thực hiện

DƯƠNG VĂN TUẤN

TÓM TẮT

Luận văn tập trung nghiên cứu các giải pháp tối ưu cho lịch trình hệ thống thủy nhiệt điện ngắn hạn đa mục tiêu sử dụng thuật toán modified cuckoo search với thời gian trì hoãn nguồn nước từ nguồn nước ở trên chảy xuống nguồn nước ở phía dưới Phương pháp MCSA sử dụng cho hệ thống bốn nhà máy thủy điện và 3 nhà máy nhiệt điện với các mục tiêu chi phí kinh tế, chi phí phát thải và kết hợp chi phí kinh tế phát thải Kết quả thu được sẽ so sánh với các phương pháp khác và đạt được kết quả tốt và mạnh mẽ hơn các phương pháp khác Kết quả nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink

v

ABSTRACT

This thesis presents a modified cuckoo search algorithm (MCSA) for solving

objective short-term cascaded hydrothermal scheduling problem where cascaded

reservoir with water time delay from the upper reservoir flowing to the lower ones

and the valve-point loading effect of thermal plants are considered MCSA has been

implemented for solving one hydrothermal system consisting of four cascaded hydropower plants and three thermal plants including economic dispatch, emission

dispatch and economic emission dispatch The obtained results in terms of

generation fuel costs, emisison and computational time compared to those from several methods available in the paper have reveals that the MCSA is more effective and robust than these methods Research results have been simulated and verified on the Matlab/Simulink Software

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xiii

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 8

1.4 Phương pháp nghiên cứu 8

1.5 Phạm vi nghiên cứu 8

1.6 Điểm mới đề tài 8

1.7 Giá trị thực tiễn 8

1.8 Bố cục 9

CHƯƠNG 2 11

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Tối ưu nguồn phát và vận hành kinh tế 11

2.1.1 Phân bố tối ưu và trao đổi công suất kinh tế 11

2.1.2 Trao đổi công suất kinh tế 11

2.2 Yêu cầu vận hành kinh tế 11

2.2.1 Chất lượng phục vụ 12

2.2.2 Chi phí sản xuất 12

2.3 Vai trò vận hành kinh tế 13

2.3.1 Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành 13

2.3.2 Giảm tổn thất điện năng 14

2.4 Nhà máy thủy điện [38] [39] [40] [41] 14

2.4.1 Lưu lượng nước hàng năm 15

vii

2.4.2 Các đại lượng trung bình 16

2.4.3 Điều tiết dòng chảy 16

2.4.4 Phân loại nhà máy thủy điện 23

2.4.5 Mô hình toán học các nhà máy thủy điện 21

2.4.6 Lập kế hoạch cho nhà máy thủy điện [44] 23

2.5 Phát điện tối ưu trong nhà máy thủy nhiệt điện 24

2.5.1 Vận hành tối ưu máy phát trên thanh cái 24

2.5.2 Phối hợp tối ưu tổ máy phát: 26

2.6 Phối hợp hệ thống thủy – nhiệt điện [43] 27

2.6.1 Giới thiệu 27

2.6.2 Tính cần thiết của bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện 28

2.6.3 Ảnh hưởng của nguồn nước 28

2.6.4 Đặc tính hệ thống thủy-nhiệt điện 29

2.6.5 Phân loại bài toán phối hợp hệ thống thủy-nhiệt điện 31

2.6.6 Tương quan công suất giữa các nhà máy trong hệ thống 33

Chương 3 35

MÔ HÌNH BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ NGẮN HẠN 35

THỦY NHIỆT ĐIỆN ĐA MỤC TIÊU 35

3.1 Giới thiệu 35

3.2 Mô hình toán 35

3.2.1 Hàm mục tiêu chi phí nhiên liệu 35

3.2.2 Hàm mục tiêu phát thải 36

3.2.3 Hàm mục tiêu kết hợp chi phí kinh tế và chi phí phát thải 36

3.2.4 Ràng buộc trong bài toán 37

Chương 4 41

PHƯƠNG PHÁP CUCKOO SEARCH CẢI TIẾN 41

4.1 Hành vi sinh sản của chim Cuckoo 41

4.2 Lévy flights 41

4.3 Thuật toán Cuckoo Search 42

4.4 Modified Cuckoo Search 44

CHƯƠNG 5 46

ÁP DỤNG MCSA GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ ĐA MỤC TIÊU THỦY NHIỆT ĐIỆN NGẮN HẠN 46

5.1 Giới thiệu 46

5.2 Mô hình toán 47

5.2.1 Điều độ kinh tế (Economic dispatch) 47

5.2.2 Điều độ phát thải (Emission dispatch) 47

5.2.3 Kết hợp điều độ kinh tế và điều độ phát thải 48

5.3 Ràng buộc trong bài toán: 48

5.3.1 Ràng buộc cân bằng nhu cầu tải: 48

5.3.2 Lượng nước liên tục: 49

5.3.3 Hồ chứa lúc đầu và lúc cuối 49

5.3.4 Giới hạn của hồ chứa 50

5.3.5 Định mức lượng nước xả 50

5.3.6 Giới hạn vận hành máy phát điện 50

5.4 Bài toán ST – CHTS cho thuật toán đa mục tiêu cuckoo search 51

5.4.1 Thuật toán đa mục tiêu cuckoo search 51

5.4.2 Tính toán công suất ngõ ra cho nhà máy nhiệt điện 52

5.4.3 Thực hiện thuật toán đa mục tiêu cuckoo search 52

5.5 Kết quả bài toán ST – CHTS cho thuật toán đa mục tiêu cuckoo search 58

5.5.1 Mô tả bài toán 58

5.5.2 Các thông số ban đầu của bài toán 59

5.5.3 Kết quả mô phỏng 61

5.6 Kết luận 77

Chương 6 79

KẾT LUẬN 79

6.1 Kết luận 79

6.2 Hướng phát triển đề tài 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

ix

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

OSTHTGC Optimal short-term hydrothermal generation cooperation

AIS Artificial immune system

CSA Cuckoo Search algorithm

HNN Hopfield neural network

HTS Hydro Thermal scheduling

IMCS-CS Improve Modified Cuckoo Search with Chaotic Sequence

LR Lagrange relaxation

MCSA Modified Cuckoo Search algorithm

MIP Mixed integer programming

PV Photovoltaics

PSO Particle Swarm Optimization

HDE – SQP Hybrid differential evolution and sequential quadratic

programming

TLBO Teaching learning based optimization

ACABC adaptive chaotic artificial bee colony

asi, bsi, csi, dsi, esi: cost coefficients of ith thermal unit

αsi, βsi, γsi, ηsi, δsi: emission coefficients of ith thermal unit

C1j, C2j, C3j, C4j, C5j, C6j: power generation coefficients of jth hydro unit

PDm: load demand at time m

PLm: total transmission line losses at time m

Psim: output power of ith thermal unit at time m

min

si

P ; max

si

P : lower and upper generation limits for ith thermal unit

Phjm: output power of jth hydro unit at time m

min

hj

P ; max

hj

P : lower and upper generation limits for jth hydro unit

Qhjm: water discharge rate of jth reservoir at time m

min

hj

Q ; max

hj

Q : minimum and maximum water discharge rate of jth reservoir

Ruj: number of upstream units directly above jth hydro plant

tlj: water transport delay from reservoir l to j

Vhjm: storage volume of jth reservoir at time m

min

hj

V ; max

hj

V : minimum and maximum storage volume of jth reservoir

Ns: number of thermal generating units

Nh: number of hydro generating units

xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 5 1: Giá trị thời gian hoãn dòng nước chảy của các hồ chứa [8] 60

Bảng 5 2: Giá trị nhu cầu phụ tải [8]: 61

Bảng 5 3 : Hệ số phát điện của tổ máy thủy điện (x10 4 m 3 ) [8] 61

Bảng 5 4: Giá trị dòng chảy của hồ nước (x10 4 m 3 ) [8] 61

Bảng 5 5: Giới hạn sức chứa lưu trữ của hồ nước, giới hạn lượng xả nước, giới hạn nhà máy phát và điều kiện hồ chứa nước lúc cuối (x10 4 m 3 ) [8] 61

Bảng 5 6: Lượng nước xả Q hj (x10 4 m 3 ) thu được trong điều độ kinh tế sử dụng phương pháp MCSA 68

Bảng 5 7: Công suất P h của các nhà máy thủy điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong trường hợp điều độ kinh tế 68

Bảng 5 8: Công suất P s nhà máy nhiệt điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong trường hợp điều độ kinh tế 69

Bảng 5 9: Kết quả mô phỏng MCSA điều độ kinh tế với các kết quả phương pháp khác (RCGA và DE) 70

Bảng 5 10: Lượng nước xả Q hj (x10 4 m 3 ) thu được trong điều độ phát thải sử dụng phương pháp MCSA 71

Bảng 5 11: Công suất P h của các nhà máy thủy điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong trường hợp điều độ phát thải 71

Bảng 5 12: Công suất P s nhà máy nhiệt điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong trường hợp điều độ phát thải 72

Bảng 5 13: Kết quả mô phỏng MCSA với điều độ phát thải so với các phương pháp khác (RCGA và DE) 73

Bảng 5 14: Lượng nước xả Q hj (x10 4 m 3 ) thu được từ việc kết hợp điều độ kinh tế và điều độ phát thải sử dụng phương pháp MCSA 74 Bảng 5 15: Công suất P h của các nhà máy thủy điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong

trường hợp kết hợp điều độ kinh tế – điều độ phát thải 74 Bảng 5 16: Công suất P s nhà máy nhiệt điện thu được thông qua phương pháp MCSA trong trường hợp kết hợp điều độ kinh tế – điều độ phát thải 75 Bảng 5 17: Kết quả mô phỏng MCSA với điều độ phát thải so với các phương pháp khác (RCGA

và DE) 76 Bảng 5 18: So sánh các kết quả thu được bởi phương pháp MCSA với phương pháp khác 78

xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1: Số liệu thủy văn 15

Hình 2 2: Đồ thị nước về và công suất phát 17

Hình 2 3: Trị số trung bình công suất, lưu lượng nước, mực nước trong hồ thay đổi các giờ trong ngày 20

Hình 2 4 Trị số trung bình công suất, lưu lượng nước, mực nước trong hồ thay đổi các giờ trong tuần 20

Hình 2 5: Điều tiết nước trong năm 21

Hình 2 6: Đường cong lũy tích nhiều năm 22

Hình 2 7: Các nhà máy thủy điện trên các dòng sông khác nhau 20

Hình 2 8: Các nhà máy thủy điện trên cùng dòng sông 21

Hình 2 9: Các nhà máy thủy điện liên hồ 21

Hình 2 10: Đường cong nhiên liệu đầu vào-công suất đầu ra 25

Hình 2 11: Suất tăng nhiên liệu tương ứng với công suất phát của tổ máy có đường cong vào ra 26

Hình 2 12: Lưu lượng nước về và thể tích nước trong hồ 29

Hình 2 13: Tương quan chi phí nhiên liệu và công suất phát 30

Hình 5 1: Lưu đồ giải thuật MCSA 57

Hình 5 2: Hệ thống nghiên cứu nguồn nước thủy điện [8] 60

Hình 5 3: Kết quả mô phỏng MCSA điều độ kinh tế 70

Hình 5 4: Kết quả mô phỏng MCSA điều độ kinh tế với Fitness Funtion 73

Hình 5 5: Kết quả mô phỏng MCSA kết hợp điều độ kinh tế và phát thải về lượng khí thải (Total Cost ($/h)) 76

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Như ta đã biết trong hệ thống điện tính liên tục cung cấp điện luôn được đưa lên hàng đầu, nó ảnh hưởng đến tính kinh tế của một quốc gia hay vùng kinh tế sử dụng điện Để có thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng cho việc phát triển kinh tế thì tăng trưởng năng lượng điện phải gấp đôi tăng trưởng kinh tế (Việt Nam) Từ đó, vấn đề được đặt ra với ngành điện là phải đảm bảo điều kiện làm việc cũng như các quy tắc

an toàn về nguồn, đường dây, bảo vệ, phụ tải….v.v Bên cạnh tính đảm bảo năng lượng điện thì chi phí phát điện cũng là một bài toán không kém phần quan trọng (Nếu có thể cực tiểu chi phí phát điện thì giá thành của điện năng cũng giảm và lợi nhuận của nhà đầu tư được gia tăng.) Nếu ta cứ tiếp tục xây dựng nguồn cung cấp

để đáp ứng nhu cầu mà không quan tâm đến vấn đề kiểm toán năng lượng cũng như làm như thế nào để sử dụng tốt các nguồn sẵn có, các nguồn sẵn có này đã được sử dụng hiệu quả chưa, có thể khắc phục được hay không Vậy tính kỹ thuật đã đạt được nhưng trong khi tính kinh tế lại bị bỏ qua với một sai sót lớn

Ở nước ta, nguồn cung cấp công suất chủ yếu là các nhà máy thủy điện và nhiệt điện Miền bắc phụ thuộc khá lớn vào các nhà máy thủy điện trong khi miền nam thì

tỉ lệ nhiệt điện chiếm phần lớn hơn Cơ bản là đáp ứng đủ nhu cầu phụ tải nhưng vẫn còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết vì nguồn thủy điện chiếm tỷ lệ lớn so với tổng nguồn cung cấp Nguồn nước cho thủy điện bị hạn chế vào mùa khô, khi lượng mưa

ít Còn nhà máy nhiệt điện thì nhiên liệu được xem như là sẵn sàng để tạo ra điện Mặc dù hiện nay nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện vẫn còn dồi dào nhưng đây là nguồn tài nguyên giới hạn và chi phí phát điện cũng cao so với các nguồn khác Vấn

đề được đặt ra là làm như thế nào để có thể giảm tối thiểu thời gian mất điện vào mùa khô, vì công suất phát vào mùa khô giảm nhiều từ các nhà máy thủy điện Vậy

2

lượng nước trong hồ chứa phải được điều tiết một cách thích hợp nhằm đảm bảo an ninh năng lượng trong mùa khô và không phát quá nhiều công suất trong khi có thời gian lại ngừng hoạt động Trong khi đó, nhiêm vụ còn lại là việc phát điện của các nhà máy nhiệt điện hay các tổ máy trong nhà máy nhiệt điện như thế nào là tối ưu, là cực tiểu chi phí phát có thể Hệ thống thủy-nhiệt điện được nghiên cứu trong đề tài này nhằm cực tiểu chi phí phát điện của hệ thống thủy-nhiệt điện

Từ tính cần thiết này, bài toán “Điều độ đa mục tiêu thủy nhiệt điện ngắn hạn

sử dụng Cuckoo search cải tiến” được đặt ra và ứng dụng các thuật toán để tìm lời

giải phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy Trong nghiên cứu của đề tài sẽ xét bài toán phối hợp trong thời gian ngắn với giả sử là các hồ thủy điện lớn có chiều cao cột nước không thay đổi trong ngày

1.2 Các nghiên cứu

Bài toán tối ưu phối hợp thủy nhiệt điện ngắn hạn (Optimal short-term

hydrothermal generation cooperation) (OSTHTGC) có thể được phân thành hai

trường hợp bài toán khác nhau, đó là bài toán lịch trình thỷ nhiệt điện ngắn hạn với

cố định đầu vào và bài toán thay đổi đầu vào với bài toán thứ nhất với nước đầu vào của hồ chứa là một hằng số và bài toán thứ hai là nước đầu vào của hồ chứa thì thay đổi được Nước trong hồ chứa cố định khi lượng nước trong hồ chứa theo lịch trình

là không đổi Giả sử điều này là đúng thì nhà máy thủy nhiệt điện sẽ có hồ chứa lớn

và sự khác biệt giữa dòng chảy và lượng nước xả của turbin là rất thấp Ngược lại, nước đầu vào hồ chứa nước được xem như là một biến thay đổi thì hồ chứa nước của nhà máy thủy nhiệt điện có dung lượng nhỏ dẫn đến sự thay đổi về khối lượng nước trong hoạch định đã đề ra hoặc khác nhau giữa dòng chảy và lượng nước xả lớn đủ để nước đầu vào có thể tối ưu trong hoạch định Giá trị nước đầu vào thay đổi lịch trình ngắn hạn thì phức tạp hơn so với giá trị nước đầu vào cố định bởi vì lượng nước của hệ thống đại diện cho chức năng phức tạp và khó khăn hơn với các ràng