Nghiên cứu tính toán vận hành tối ưu cho hệ thống thủy điện bậc thang trên lưu vực sông đồng nai

Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, việc nghiên cứu toán vận hành tối ưu cho hệ thống các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai là vấn đề cần thiết.. Mục đích nghiên cứu Mục đ

Trang 1

TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS.TRẦN TẤN VINH

Đà Nẵng - Năm 2018

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 1: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG

Phản biện 2: TS LÊ HỮU HÙNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03

tháng 3 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Trang 3

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 là một nhóm các nhà máy trên lưu vực sông Đồng Nai Việc khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang thủy điện sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống

Với việc Thị trường phát điện cạnh tranh đang dần hoàn chỉnh và chuẩn bị cho Thị trường bán buôn điện cạnh tranh chính thức Việc điều tiết hồ chứa và tối đa hóa doanh thu của từng nhà máy, tối ưu sản lượng một cụm các nhà máy thủy điện trên cùng một dòng sông càng có ý nghĩa quan trọng

Cụm các nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 có tổng công suất lắp đặt 740 MW, nối vào trạm 500kV Đăk Nông và trạm 50kV Di Linh Với trào lưu công suất từ miền Trung truyền tải vào miền Nam nên các nhà máy thường xuyên kết lưới khu vực miền Nam Việc cung cấp một lượng công suất đáp ứng nhu cầu của phụ tải Miền Nam có ý nghĩa đặc biệt với hệ thống điện miền Nam nói riêng và Việt Nam nói chung và tối đa lợi nhuận doanh thu phát điện của các công

ty phát điện nói riêng

Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, việc nghiên cứu toán vận hành tối ưu cho hệ thống các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai là vấn đề cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là vận hành tối ưu cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai, nhằm đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao nhất trong thị trường điện

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3&4

* Phạm vi nghiên cứu

Phân tích, tính toán vận hành tối ưu một số nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai khi tham gia thị trường phát điện cạnh tranh

Trang 4

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu vị trí địa lý, thông số kỹ thuật, vị trí kết lưới của các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai

- Nghiên cứu Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

- Xây dựng các đặc tính hồ chứa, đặc tính turbine, máy phát của các nhà máy bậc thang thủy điện

- Xây dựng hàm mục tiêu là cực đại doanh thu trong thị trường điện vào cuối thời gian khảo sát với các ràng buộc về mức nước mục tiêu, công suất phát… của các nhà máy thủy điện trên cùng bậc thang

- Ứng dụng thuật toán phù hợp để giải bài toán vận hành tối ưu trong

kế hoạch vận hành ngày, tuần, năm hệ thống bậc thang thủy điện

- Xây dựng chương trình để giải bài toán vận hành tối ưu ngắn hạn

và dài hạn hệ thống bậc thang thủy điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Xây dựng phương pháp tính toán để đưa ra chiến lược vận hành tối

ưu về kỹ thuật cũng như kinh tế của các nhà máy thủy điện trên dòng sông Đồng Nai Qua đó, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của các Công ty Thủy điện trong Thị trường điện

6 Đặt tên đề tài

Căn cứ mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đã đề ra, đề tài

được đặt tên: Nghiên cứu tính toán vận hành tối ưu cho hệ thống thủy điện bậc thang trên lưu vực sông Đồng Nai

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn này gồm có 5 chương:

Chương 1 Tổng quan hệ thống bậc thang thủy điện trên sông Đồng

Nai và Thị trường phát điện cạnh tranh hiện nay Chương 2 Mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện

Chương 3 Giải bài toán phân bố tối ưu công suất cho Nhà máy thủy

điện Đồng Nai 3&4

Chương 4 Chương trình tính toán

Chương 5 Kết luận

Trang 5

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẬC THANG THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐỒNG NAI VÀ THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH

TRANH HIỆN NAY 1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI 1.1.1 Khái quát về các đặc điểm địa lý thủy văn

Lưu vực sông Đồng Nai nằm trong khu vực khống chế bởi tọa độ

11000’ - 12020’vĩ độ Bắc và 107000’ - 108030’kinh độ Đông Tổng diện tích của lưu vực sông Đồng Nai là 38.610 km2

(không kể vùng châu thổ sông Đồng Nai), chiều dài 476 km và độ hạ thấp khoảng 2000m

Sông Đồng Nai là một trong những con sông lớn nhất ở miền nam Việt Nam, bắt nguồn từ cao nguyên Lang Biang có độ cao khoảng 2000m

và chảy vào biển Đông ở cửa Soài Rạp – Gò Công

Địa hình lưu vực sông Đồng Nai tương đối phức tạp, phần lớn diện tích lưu vực đều nằm trên cao nguyên Bảo Lộc có độ cao từ 1000 – 1500m Trong khi đó lòng sông thường có độ cao thấp hơn rất nhiều (400 m – 1200m), điều này chứng tỏ mức độ cắt xẻ của lòng sông rất mạnh Một phần diện tích nằm trong vùng địa hình chuyển tiếp với cao nguyên có độ cao giảm nhanh tạo thành sườn đón gió Tây Nam gây mưa lớn trong khu vực này

Đặc trưng địa lý thủy văn của sông Đồng Nai tại tuyến công trình thủy điện Đồng Nai 3 được trình bày như Bảng 1-1:

Bảng 1.1 Đặc trưng địa lý thủy văn (nguồn TĐĐN )

1 Diện tích lưu vực (Có và không có Đại

Ninh)

km2 4374/2441

3 Độ rộng trung bình của lưu vực km 21,2

4 Độ cao trung bình của lưu vực m 1325

Trang 6

Đảm bảo an toàn công trình: Đảm bảo an toàn tuyệt đối công trình thuỷ điện Đồng Nai 3 không để mực nước hồ vượt cao trình mực nước dâng gia cường với mọi trận lũ có chu kỳ lặp lại nhỏ hơn hoặc bằng 1000 năm;

- Góp phần giảm lũ cho hạ du;

- Góp phần tưới tiêu cho hạ du;

- Đảm bảo hiệu quả phát điện

Trang 7

1.3 THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH VIỆT NAM HIỆN NAY

1.3.1 Cơ cấu thị trường điện

1.3.2 Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ

1.3.3 Thống kê, đánh giá ảnh hưởng của các thông số TTĐ

1.3.3.1 Giá trần TTĐ

1.3.3.1 Giá điện năng thị trường SMP

1.3.3.2 Giá công suất CAN

1.3.3.3 Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng (vesting)

1.4 KẾT LUẬN

Chương này giới thiệu tổng quan về lưu vực sông Đồng Nai, giới thiệu một số công trình nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3&4 Giới thiệu về thị trường phát điện canh tranh hiện nay, các kết quả đạt được

Vì lý do Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 2 có dung tích nhỏ, lưu vực của hồ Đồng Nai 3 lớn, lưu lượng về của Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 5 còn phụ thuộc nhiều vào lưu lượng về hạ du của Nhà máy Thủy điện Đăk R’tik, các nhà máy thủy điện thuộc nhiều chủ sở hữu khác nhau, việc thu thập các dữ liệu phục vụ cho mục đích nghiên cứu không đầy đủ và chính xác Nên tác giả chọn nghiên cứu vận hành tối ưu cho hai nhà máy Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4

Trang 8

Chương 2 LẬP MÔ HÌNH VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG

THỦY ĐIỆN 2.1 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN BẬC THANG

Khi nói đến “bậc thang thủy điện” hay cụm thủy 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 thủy điện Nên cần tính toán để điều tiết lượng nước về của từng hồ trong toàn cụm các nhà máy thủy điện trên sông

Bảo đảm các ràng buộc về đặc tính kỹ thuật của tổ máy

Trang 9

2.3 MÔ HÌNH BÀI TOÁN

2.3.1 Ký hiệu sử dụng trong mô hình bài toán

t nt t

Trong đó:

 Pnt là công suất phát của nhà máy n trong chu kỳ t (kW, MW);

 Nn là tập thủy điện bậc thang khảo sát;

 λt là giá thị trường toàn phần trong chu kỳ t (đ/kWh, đ/MWh)

 T là tổng số chu kỳ khảo sát

2.3.3 Thời gian khảo sát

2.3.4 Các giả thiết khi xây dựng bài toán

- P: Công suất trung bình của nhà máy (kW, MW);

- : hiệu suất tổ máy;

- Q pđ: lưu lượng nước chảy qua turbine nhà máy (m3/s);

- H tt: cột áp tính toán của nhà máy (m)

Cột áp tính toán của nhà máy:

Trang 10

Trong quá trình vận hành, mức nước hạ lưu thay đổi không đáng kể

so với mức nước thượng lưu và tổn thất cột áp xem như không đổi nên cột

áp tính toán của nhà máy có thể quy về mức nước thượng lưu

Trong mỗi nhà máy có các tổ máy đều giống nhau, nên cũng dễ dàng kết hợp để đưa ra công thức tính công suất cho nhà máy

Mối quan hệ giữa lượng nước tiêu hao và lượng điện năng được phát của nhà máy là quan hệ phi tuyến, phụ thuộc vào cột áp gọi là đường cong hiệu suất

Để thuận tiện trong quá trình tính toán, ta sẽ tuyến tính hóa từng đoạn đường cong hiệu suất, chính là đơn giản hóa đường cong hiệu suất,

mà mỗi đường là đại diện cho một khoảng mức nước thượng lưu (từ cột áp tính toán quy về mức nước thượng lưu)

Đường cong hiệu suất sẽ được tuyến tính thành 3 đoạn như Hình 2-3:

Hình 2.2 Tuyến tính hóa đường cong hiệu suất

Trong đoạn lưu lượng qua nhà máy nhỏ nhất, Q min,nt (ứng với công

suất phát P0 nt), đến lưu lượng qua nhà máy lớn nhất, Qmax,nt, được chia làm

Trang 11

3 đoạn bằng nhau có độ lớn Q A , đoạn (1) có hệ số góc là k 1n, đoạn (2) có hệ

Q 1nt , Q 2nt và Q 3nt lần lượt là lượng nước tiêu thụ ứng với đoạn (1), (2)

và (3) của nhà máy n tại chu kỳ t

Với miền giới hạn:

Trang 12

ki,n Hệ số quan hệ giữa công suất và lưu lượng chạy máy (nghịch đảo của

suất tiêu hao nước) ứng với từng đoạn i của nhà máy n (MWh/m3

)

2.3.5.2 Phương trình cân bằng nước của hồ chứa

2.3.5.3 Giới hạn dung tích hồ chứa

2.3.5.4 Giới hạn lượng nước qua nhà máy

2.3.5.5 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du theo Quy trình liên hồ

2.3.5.6 Giới hạn công suất phát của nhà máy

2.3.5.7 Giới hạn mức nước tối thiểu/tối đa từng tháng theo Quy trình

liên hồ

2.4 LỰA CHỌN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA

Chương 3 GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3, 4

Chương này trình bày về việc thành lập bài toán phân bố tối ưu công suất cho cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai trong thị trường điện, giới thiệu phương pháp quy hoạch tuyến tính và các thuật toán chính được sử dụng để giải bài toán quy hoạch tuyến tính

Như đã trình bày trong chương 1, đề tài chỉ khảo sát tính toán vận hành tối ưu cho bậc thang thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4

3.1 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NĂM

Trong mục này sẽ thiết lập bài toán vận hành tối ưu cho cụm 2 nhà

máy (N n = 2), thời gian khảo sát 01 năm, chu kỳ khảo sát là t = 1 tháng, như vậy số chu kỳ khảo sát T = 12

Hàm mục tiêu là cực đại tổng doanh thu của 02 nhà máy thủy điện vào cuối thời gian khảo sát với giá điện dự báo của thị trường trong từng

chu kỳ (từng tháng), λ t xem như đã biết trước:

t nt t

Trang 13

Như vậy bài toán trên có 144 biến trạng thái: 24 biến Pt, 24 biến Vt,

24 biến Qt, 24 biến Q1t, 24 biến Q2t, 24 biến Q3t (mỗi biến cho một nhà máy, t = 1 :12); 72 phương trình và 288 bất phương trình ràng buộc Trong luận văn, bài toán này sẽ được giải bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính

3.2 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH TUẦN

máy (N n = 2), thời gian khảo sát 01 tuần, chu kỳ khảo sát là t = 01 ngày, như vậy số chu kỳ khảo sát T = 7

chu kỳ (từng ngày) λ t xem như đã biết trước:

t nt t

Trang 14

3.3 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NGÀY

máy (N n = 2), thời gian khảo sát 01 ngày, chu kỳ khảo sát là t = 01 giờ, như vậy số chu kỳ khảo sát T = 24

chu kỳ (từng giờ) λ t xem như đã biết trước:

t nt t

Như vậy bài toán trên có 288 biến trạng thái: 48 biến P, 48 biến V,

48 biến Qt, 48 biến Q1t, 48 biến Q2t, 48 biến Q3t (mỗi biến cho một nhà máy, t=1:24); 144 phương trình và 576 bất phương trình ràng buộc

Trang 15

3.4 PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH 3.4.1 Phương pháp đơn hình

3.4.2 Phương pháp điểm trong

3.4.2.1 Xác định hướng giảm

3.4.2.2 Thành phần hướng tâm

3.4.2.3 Phương pháp căn chỉnh affine

Trang 16

Chương 4 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN

Chương này trình bày chi tiết các bước lập chương trình tính toán cho bài toán phân bố tối ưu công suất cho cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai mà cụ thể là nhà máy Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4 trong thị trường điện, bao gồm: Thu thập dữ liệu và lập cơ sở dữ liệu, viết chương trình tính toán, sử dụng phần mềm MATLAB, chạy chương trình

và kiểm tra kết quả, phân tích đánh giá kết quả chương trình tính toán

4.1 LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NĂM

4.1.1 Dữ liệu đầu vào

- Đặc tính hồ chứa, mức nước hiện tại, mức nước mục tiêu vào cuối năm;

- Lưu lượng nước tự nhiên dự báo về các hồ chứa trong các tháng;

- Các giới hạn công suất phát, giới hạn lưu lượng nước chạy máy;

- Giới hạn mức nước cuối từng tháng theo Quy trình liên hồ;

- Lưu lượng về hạ du tối thiểu theo Quy trình liên hồ;

- Giá điện thanh toán dự báo của thị trường điện cho từng tháng trong thời gian khảo sát coi như đã biết trước

4.1.1.1 Đặc tính thể tích hồ chứa

4.1.1.2 Thông số ban đầu của hồ chứa

4.1.1.3 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa

4.1.1.4 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/lớn nhất qua nhà máy

4.1.1.5 Thông số về đặc tính phát của các nhà máy

4.1.1.6 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du

4.1.1.7 Giới hạn mức nước tối thiểu và mức nước tối đa tháng

4.1.1.8 Giá điện thanh toán dự báo của thị trường

Trang 17

4.2 LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH TUẦN

- Đặc tính hồ chứa, mức nước hiện tại, mức nước mục tiêu vào cuối tuần được tính toán trong kế hoạch dài hạn;

- Lưu lượng nước tự nhiên dự báo về các hồ chứa các ngày trong tuần;

- Các giới hạn công suất phát, giới hạn lưu lượng nước chạy máy;

- Giới hạn mức nước cuối tuần theo quy định của A0;

- Lưu lượng về hạ du tối thiểu theo Quy trình liên hồ;

- Giá điện thanh toán dự báo của thị trường điện cho từng ngày trong thời gian khảo sát coi như đã biết trước

4.2.1.4 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy

- Các thông số về hồ chứa đã biết trước: đặc tính hồ chứa, mức nước hiện hành, mức nước mục tiêu vào cuối thời gian khảo sát;

- Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa trong thời gian khảo sát

đã được dự báo;

- Các số liệu về đặc tính phát của các nhà máy đã biết trước: các giới hạn công suất phát, giới hạn lưu lượng nước chạy máy;

Trang 18

- Giá điện thanh toán dự báo của thị trường điện cho từng giờ trong thời gian khảo sát coi như đã biết trước

4.3.1.4 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	486,44 KB