HEURISTIC TOI UU PHAN BO CONG SUAT TRONG HE THONG DIEN

Giới hạn vận hành gồm công suất phát lớnnhất và nhỏ nhất, dòng công suất MVA chạy trên đường dây hoặc máy biến áp, cũngnhư điện áp tại các nút trong hệ thống nằm trong phạm vi xác định..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - 08/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

(Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: (Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Ngày……tháng ……năm …

Trước tiên, người thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Quyền Huy Ánh, người đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn tất cả Quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin cảm ơn Cha, Mẹ đã nuôi con khôn lớn và tạo mọi điều kiện để con học tập tốt trong suốt quản đời vừa qua và để có được như ngày hôm nay.

Xin cảm ơn các Anh, Chị, bạn bè đồng nghiệp, những người luôn giành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn động viên, khuyến khích tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Kính gửi đến quý Thầy Cô và người thân lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức khỏe.

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2015

Người thực hiện

Luận văn tìm hiểu về ứng dụng phương pháp Newton vào bài toán OPF và chú ýđến các nghiệm suy quan trọng để viết mã nguồn giải bài toán OPF một cách nhanhchóng Đặc biệt, luận văn thực thi giải bài toán OPF dựa trên phương pháp Newtonvào môi trường mô phỏng PowerWorld.

OPF là bài toán kết hợp giữa bài toán vận hành kinh tế với bài toán phân bố côngsuất để tối thiểu chi phí sản xuất mà không có quá tải trên đường dây Trước tiên, luậnvăn mô tả cách xác định lượng công suất phát của các tổ máy điều khiển trong vùng đểđáp ứng đủ tải với tổng chi phí sản xuất trong vùng là bé nhất Nhược điểm của bàitoán vận hành kinh tế là bỏ qua giới hạn cho phép trên các thiết bị trong hệ thốngtruyền tải Mỗi đường dây và máy biến áp có khả năng truyền tải một lượng công suấtnhất định Trong quá khứ, hệ thống truyền tải được thiết kế sao cho khi vận hành kinh

tế các tổ máy vẫn không có vi phạm bất cứ giới hạn nào Vì vậy, chỉ cần giải bài toánvận hành kinh tế là đủ Tuy nhiên, với xu hướng mở rộng thị trường cạnh tranh tự do,

hệ thống truyền tải ngày càng trở nên phức tạp với nhiều ràng buộc Do đó, luận văntiếp tục nghiên cứu về bài toán tối ưu chi phí phát trong khi vẫn kể đến các ràng buộccho đường dây Đây được biết như bài toán OPF

Về cơ bản, OPF là bài toán điều khiển tối ưu Chi phí liên quan đến hệ thống nhìnchung có thể qui vào chi phí sản xuất của từng máy phát Từ quan điểm của bài toánOPF, duy trì an ninh hệ thống cần phải giữ mỗi thiết bị trong hệ thống vận hành tronggiới hạn mong muốn ở trạng thái xác lập Giới hạn vận hành gồm công suất phát lớnnhất và nhỏ nhất, dòng công suất MVA chạy trên đường dây hoặc máy biến áp, cũngnhư điện áp tại các nút trong hệ thống nằm trong phạm vi xác định

Để đạt được những mục tiêu trên, bài toán OPF sẽ trình bày tất cả các chức năngđiều khiển xác lập trong hệ thống Điều khiển máy phát và điều khiển hệ thống truyềntải là một trong những chức năng của bài toán OPF Đối với máy phát, OPF điều khiểncông suất tác dụng phát, cũng như điện áp tại đầu cực máy phát Đối với hệ thốngtruyền tải, OPF điều khiển tỷ số đầu phân áp máy biến áp và góc lệch pha máy biến áp,điều khiển tụ bù mắc shunt và các thiết bị linh động khác trong hệ thống truyền tải AC(FACTS) cũng như mục tiêu của bài toán OPF

Xác định chi phí biên cho hệ thống là mục tiêu thứ hai của bài toán OPF Chi phíbiên có thể hỗ trợ định giá giao dịch công suất tác dụng cũng như giá phụ thuộc vàoloại dịch vụ như dịch vụ khuyến khích điện áp thông qua khuyến khích sử dụng côngsuất phản kháng MVar Vì vậy, OPF là bài toán điều khiển và bài toán kinh tế

Cuối cùng, thảo luận về những mẫu ứng dụng của bài toán OPF Những ứng dụngnày gồm loại bỏ quá tải trên đường dây, điều khiển hệ thống truyền tải, giá công suấttác dụng và giá công suất phản kháng và giá biên hệ thống truyền tải Bài toán OPF chỉ

đề cập ở trạng thái xác lập của hệ thống

This thesis will explore the application of Newton’s method to the OPF problemand attend to the important heuristics to creating an OPF which achieves solution in arapid manner Specifically, it will explore the implementation of a Newton’s methodbased OPF in the power system simulator POWERWORLD.

OPF combines economic dispatch with power flow so as to optimize generationwith out exceeding limits on transmission line load ability First, the thesis discussesthe economic dispatch problem for the typical case, include inequality constraints ongenerator outputs and include transmission losses The thesis describes how the realpower output of each controlled generating unit in an area is selected to meet a givenload and to minimize the total operating costs in the area Economic dispatch has onesignificant shortcoming – it ignores the limits imposed by the devices in thetransmission system Each transmission line or transformer has a limit on the amount

of power that can be transmitted through it, with the limits arising because of thermal,voltage or stability considerations Traditionally, the transmission system wasdesigned so that when the generation was dispatched economically there would be nolimit violations Hence, just solving economic dispatch was usually sufficient.However, with the worldwide trend toward deregulation of the electric utility industry,the transmission system is becoming increasingly constrained Therefore, the thesiscontinues to discuss about the solution to the problem of optimizing the generationwhile enforcing the transmission lines This is known as the optimal power flow (OPF)The OPF is basically an optimal control problem The primary goal of a genericOPF is to minimize the costs of meeting the load demand for a power system whilemaintaining the security of the system The costs associated with the power systemmay depend on the situation, but in general they can be attributed to the cost ofgenerating power (megawatts) at each generator From the viewpoint of an OPF, themaintenance of system security requires keeping each device in the power systemwithin its desired operation range at steady-state This will include maximum andminimum outputs for generators, maximum MVA flows on transmission lines ortransformers, as well as keeping system bus voltages within specified ranges

To achieve these goals, the OPF will perform all the steady-state control functions

of the power system These functions may include generator control and transmissionsystem control For generators, the OPF will control generator MW outputs as well asgenerator voltage For the transmission system, the OPF may control the tap ratio orphase shift angle for variable transformers, switched shunt control, and all otherflexible ac transmission system (FACTS) devices

A secondary goal of an OPF is the determination of system marginal cost data.This marginal cost data can aid in the pricing of MW transactions as well as thepricing ancillary services such as voltage support through MVAR support So that, theOPF concern with the control and economic problems

Finally, sample applications of the OPF are discussed These include transmissionline overload removal, transmission system control, real and reactive power pricing,and transmission system marginal pricing It should be noted that the OPF onlyaddresses steady-state operation of the power system

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP i

1.1 Tính cần thiết của đề tài ii

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu iv

1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài iv

1.4 Phương pháp nghiên cứu iv

1.5 Các bước tiến hành v

1.6 Điểm mới của luận văn v

1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn v

1.8 Nội dung thực hiện v

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1 2.1 Mục tiêu của tối ưu phân bố công suất 2

2.2 Tối ưu hàm phi tuyến tính 2

2.3 Tối ưu thông số ràng buộc - Ràng buộc dạng cân bằng 3

2.4 Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng không cân bằng 4

CHƯƠNG 3 VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 5

3.1 Chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt 7

3.2 Vận hành kinh tế bỏ qua tổn thất và không hạn chế điện năng phát 9

3.3 Vận hành kinh tế kể đến tổn thất công suất 12

3.4 Giải thuật vận hành kinh tế hệ thống - econdispatch 17

3.5 Nguồn gốc công thức tổn thất công suất trong hệ thống điện 19

3.6 Giải thuật xác định các hệ số tổn thất - cobloss 25

3.7 Giải thuật tính tổng chi phí sản xuất - togencost 26

3.8 Minh họa giải bài toán tối ưu máy phát bằng ngôn ngữ Matlab 27

3.8.1 Vận hành kinh tế không kể đến giới hạn công suất phát 28

3.8.2 Vận hành kinh tế có kể đến giới hạn công suất phát 28

3.8.3 Xác định hệ số tổn thất công suất 29

3.8.4 Vận hành kinh tế có kể đến giới hạn phát và tổn thất công suất 31

CHƯƠNG 4 OPF DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP NEWTON 42

4.1 Giới thiệu về phương pháp Newton 43

4.1.3 Ứng dụng ràng buộc không cân bằng vào bài toán OPF 45

4.1.4 Phương pháp giải 45

4.2 Ứng dụng phương pháp Newton vào OPF 47

4.2.1 Hàm mục tiêu 47

4.2.2 Ràng buộc cân bằng 47

4.2.3 Ràng buộc không cân bằng 48

4.2.4 Ràng buộc mềm bằng sử dụng hàm phạt 49

4.2.5 Nghiên cứu biến rời rạc 50

4.2.6 Sơ lược về bài toán tối ưu phân bố công suất 50

4.2.7 Tóm lược các số hạng Lagrang 51

4.2.8 Tính Gradient và Hessian 52

4.2.9 Giải bài toán OPF theo thời gian 52

4.3 Minh họa qui trình thuật toán tối ưu phân bố công suất 54

4.4 Thông tin thu được từ giải bài toán tối ưu phân bố công suất 56

CHƯƠNG 5 HEURISTIC GIẢI BÀI TOÁN OPF 57

5.1 Phân loại biến OPF 58

5.2 Thực thi kỹ thuật ma trận thưa 58

5.3 Xác định bộ ràng buộc không cân bằng 60

5.4 Đề xuất các luật cho bài toán OPF 63

5.4.1 Luật xác định các ràng buộc không cân bằng để tác động 63

5.4.2 Luật ưu tiên 63

5.4.3 Luật giao dịch vùng 64

5.5 Thuật toán tìm kiếm 64

5.6 Mô phỏng OPF theo thời gian 65

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG OPF TRONG MÔI TRƯỜNG POWERWORLD 66

6.1 Giới thiệu phần mềm PowerWorld 67

6.2 Tổng quan về tối ưu phân bố công suất trong PowerWorld 68

6.3 Các thanh công cụ trong PowerWorld 68

6.4 Các bước xây dựng mô hình 68

6.5 Mô phỏng OPF loại bỏ quá tải trên đường dây 68

6.6 Mô phỏng OPF xác định giá công suất tác dụng và giá công suất phản kháng .76 6.7 Mô phỏng OPF xác định giá công suất tác dụng của vùng 78

6.9 Mô phỏng OPF có thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 94

6.10 Mô phỏng OPF có thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp 99

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 106 7.1 Kết quả đạt được 107

7.2 Hướng phát triển đề tài 108

Phụ lục A Giải thích tính kinh tế đối với nhân tử Lagrang 109

Phụ lục B Tính Gradient của hàm Lagrang 111

Phụ lục C Tính ma trận Hessian của hàm Lagrang 113

Phụ lục D Tóm lược về tính đạo hàm 116

Phụ lục E Các thanh công cụ trong PowerWorld 126

Phụ lục F Các bước xây dựng mô hình trong PowerWorld 132

Phụ lục G Điều khiển mô phỏng trong môi trưòng PowerWorld 140

Phụ lục H Điều khiển OPF trong môi trường PowerWorld 145

Phụ lục I Giải bài toán OPF trong môi trường PowerWorld 146

Phụ lục J Thông tin hệ thống 6 nút 147

Phụ lục K Thông tin hệ thống 7 nút 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO 151

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 152

Hình 3.1 Đồ thị phụ tải trong ngày 7

Hình 3.2 Đường cong tỷ lệ nhiệt 8

Hình 3.3 Đường cong chi phí nhiên liệu 8

Hình 3.4 Đường cong suất tăng chi phí nhiên liệu 8

Hình 3.5 Các nhà máy liên kết đến một thanh cái 9

Hình 3.6 Sơ đồ một sợi hệ thống điện 6 nút 27

Hình 3.7 Lưu đồ giải bài toán ED có kể đến tổn thất và giới hạn công suất phát 31

Hình 4.1 Lưu đồ phân bố công suất theo phương pháp Newton 46

Hình 4.2 Hệ thống nhiều vùng có giao dịch vùng 48

Hình 4.3 Hàm phạt đối với điện áp 50

Hình 4.4 Hàm phạt đối với giới hạn dòng MVA trên đường dây 50

Hình 4.5 Lưu đồ giải bài toán OPF bằng phương pháp Newton 53

Hình 5.1 Lưu đồ OPF xác định ràng buộc không cân bằng tích cực 62

Hình 5.2 Cây nhị phân tìm kiếm biến cho bài toán OPF 64

Hình 6.1 Hệ thống 6 nút, 1 vùng có hiển thị thông tin các phần tử 69

Hình 6.2 Hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán phân bố công suất 70

Hình 6.3 Hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED 72

Hình 6.4 Hệ thống 6 nút, 1 vùng có điều khiển OPF 74

Hình 6.5 Hệ thống 6 nút, một vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA 76

Hình 6.6 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF 78

Hình 6.7 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW 80

Hình 6.8 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55 MW 81

Hình 6.9 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 60 MW 83

Hình 6.10 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65 MW 84

Hình 6.11 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70 MW 86

Hình 6.12 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75 MW 87

Hình 6.13 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80 MW 89

Hình 6.14 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 4 đến nút 5 là 100MW 93

Hình 6.15 Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 4 đến nút 5 là 100MW, giao dịch 65MW 93

Hình 6.16 Hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 95

máy biến áp để điều khiển điện áp 98Hình 6.18 Hệ thống 7 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, không kích hoạt tự động thay đổiđầu phân áp máy biến áp để điều khiển công suất phản kháng 100Hình 6.19 Hệ thống 7 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, kích hoạt tự động thay đổi đầuphân áp máy biến áp để điều khiển công suất phản kháng 102

Bảng 3.1 Sản lượng điện 2005 ở Việt Nam 7

Bảng 5.1 Phân lớp biến trong bài toán OPF 58

Bảng 6.1 Bảng thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán phân bố công suất 70

Bảng 6.2 Bảng thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán phân bố công suất 70

Bảng 6.3 Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED 72

Bảng 6.4 Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED 72

Bảng 6.5.Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, một vùng, điều khiển ED 72

Bảng 6.6.Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng có điều khiển OPF 74

Bảng 6.7.Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF .74

Bảng 6.8.Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF 75

Bảng 6.9 Tổng kết thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 1 vùng 75

Bảng 6.10 Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA 75

Bảng 6.11 Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA 75

Bảng 6.12 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA 77

Bảng 6.13 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA 77

Bảng 6.14 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF 78

Bảng 6.15 Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF 78

Bảng 6.16 Thông tin chi phí phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF 78

Bảng 6.17 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF 79

Bảng 6.18 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW 80

Bảng 6.19 Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW 80

Bảng 6.20 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW 80

Bảng 6.21 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50 MW 81

Bảng 6.22 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50 MW 81

Bảng 6.23 Thông tin vùng cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55 MW 81

dịch 55 MW 82Bảng 6.25 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch

55 MW 82Bảng 6.26 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55

MW 82Bảng 6.27 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 55 MW 83Bảng 6.28 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch60MW 83Bảng 6.29 Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 60MW 83Bảng 6.30 Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF,giao dịch 60 MW 83Bảng 6.31 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 60

MW 84Bảng 6.32 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 60 MW 84Bảng 6.33 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65

MW 84Bảng 6.34: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 65 MW 85Bảng 6.35 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch

65 MW 85Bảng 6.36 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65

MW 85Bảng 6.37 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 65 MW 85Bảng 6.38 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70

MW 86Bảng 6.39: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 70 MW 86Bảng 6.40 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch

70 MW 86Bảng 6.41 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70

MW 87Bảng 6.42 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 70 MW 87Bảng 6.43 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75

dịch 75 MW 88Bảng 6.45 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch

75 MW 88Bảng 6.46 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75

MW 88 Bảng 6.47 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 75 MW 88Bảng 6.48 Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80

MW 89 Bảng 6.49: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 80 MW 89Bảng 6.50 Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch

80 MW 89Bảng 6.51 Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80

MW 90 Bảng 6.52 Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giaodịch 80 MW 90Bảng 6.53: Bảng tổng kết mô phỏng các trường hợp giao dịch trong hệ thống 6 nút, 2vùng, điều khiển OPF 90Bảng 6.54 Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiểnOPF 92 Bảng 6.55 Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, đường dây từnút 4 đến nút 5 là 100MW 94Bảng 6.56 Thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tựđộng thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 95Bảng 6.57 Thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt

tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 95Bảng 6.58 Thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tựđộng thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 95Bảng 6.59 Thông tin nút trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tựđộng thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 95Bảng 6.60 Thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kíchhoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 96Bảng 6.61 Thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự độngthay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 98Bảng 6.62 Thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tựđộng thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 98Bảng 6.63 Thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự độngthay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 98

đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 98Bảng 6.65 Thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tựđộng thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp 99Bảng 6.66: Bảng đối chiếu thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiểncông suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp 103Bảng 6.67: Bảng đối chiếu thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiểncông suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp 103Bảng 6.68: Bảng đối chiếu thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiểncông suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp 103Bảng 6.69: Bảng đối chiếu thông tin nút trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, khôngkích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển công suấtdòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp 103Bảng 6.70: Bảng đối chiếu thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,không kích hoạt/ kích hoạt đầu phân áp máy biến áp điều khiển công suất 104

Vk: Biên độ điện áp tại nút k.

k: Góc pha điện áp tại nút k

tkm: Tỉ số đầu phân áp máy biến áp giữa nút k và m

km: Góc lệch pha máy biến áp giữa nút k và m

PGk: Công suất thực được phát tại nút k

bkm: Phần ảo của ma trận tổng dẫn mạng

gkm: Phần thực của ma trận tổng dẫn mạng

ykm: Biên độ của một phần tử của ma trận tổng dẫn mạng

km: Góc pha của một phần tử ma trận tổng dẫn mạng

Pk: Công suất tác dụng bơm vào nút k

Qk: Công suất phản kháng bơm vào nút k

Pkm: Dòng công suất tác dụng từ nút k đến nút m

Qkm: Dòng công suất phản kháng từ nút k đến nút m

Skm: Dòng công suất biểu kiến từ nút k đến nút m

Pint: Công suất tác dụng trao đổi trong vùng

Psched: Công suất tác dụng hoạch định trao đổi trong vùng

(): Hàm mục tiêu

g(): Ràng buộc cân bằng

h(): Ràng buộc không cân bằng

H(): Hessian của hàm Lagrang

L(): Gradient của hàm Lagrang

ai, bi, ci: Các hệ số của đường cong chi phí bậc hai của máy phát.Xmax: Biểu thị giới hạn lớn nhất của một biến

Xmin: Biểu thị giới hạn nhỏ nhất của một biến

: Nhân tử Lagrang đối với ràng buộc cân bằng

: Nhân tử Lagrang đối với ràng buộc không cân bằng

Pk: Nhân tử Lagrang cho Pk, với Pk là công suất tác dụng bơm vào nút k.

Qk: Nhân tử Lagrang cho Qk, với Qk là công suất phản kháng bơm vào nút k

viset: Nhân tử Lagrang cho tín hiệu điện áp cài đặt chuẩn

int: Nhân tử Lagrang cho tín hiệu công suất giao dịch chuẩn

Skm: Cho ràng buộc công suất biểu kiến trên tuyến dây từ nút k đến nút m

PGih: Cho ràng buộc công suất phát lớn nhất tại nút thứ i

PGil: Cho ràng buộc công suất phát nhỏ nhất tại nút thứ i

Vih: Cho ràng buộc điện áp lớn nhất tại nút thứ i

Vil: Cho ràng buộc điện áp nhỏ nhất tại nút thứ i

tkmmax: Cho ràng buộc tỉ số đầu phân áp lớn nhất của máy biến áp

tkmmin: Cho ràng buộc tỉ số đầu phân áp nhỏ nhất của máy biến áp

kmmax: Cho ràng buộc độ lệch pha lớn nhất của máy biến áp

kmmin: Cho ràng buộc độ lệch pha nhỏ nhất của máy biến áp

Chương 1 DẪN NHẬP

Chương 1 DẪN NHẬP

1.1 Tính cần thiết của đề tài

Khắp nơi trên toàn thế giới, trong những thập kỷ qua, ngành điện đang trải quamột sự thay đổi đáng kể và tiếp tục thay đổi trong vài thập kỷ nữa Trong quá khứ,ngành điện mang tính chất là ngành phục vụ độc quyền Tất cả mọi người, các khucông nghiệp, khu thương mại đều mua năng lượng từ ngành điện Điều này dẫn đếnngười tiêu dùng phải ký hợp đồng mua điện với mức giá được công ty độc quyền quiđịnh Yếu tố cạnh tranh trong thị trường không xảy ra Tuy nhiên, ngày nay cùng với

sự phát triển rất phức tạp về cấu trúc hệ thống, đòi hỏi phải đa dạng về các nguồn đầu

tư, dẫn tới quyền lợi của các nhà cung cấp trong hệ thống dần dần tách biệt Các nướcbắt đầu chia thành nhiều vùng theo định hướng thị trường tự do cạnh tranh, hình thànhmột cơ chế điều khiển hệ thống điện mới có tác dụng hết sức tích cực cho việc tăngtrưởng hệ thống điện

Đối với Việt Nam, trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam phát triển khámạnh, nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao Mặc dù, có nguồn tài nguyên nănglượng dồi dào nhưng vấn đề thiếu vốn đầu tư cho khai thác và sản xuất năng lượng từnhững nguồn tài nguyên sẵn có là một bài toán nan giải mà chính phủ Việt Nam đanggặp phải Do đó, chủ trương mở rộng nguồn nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của tảitrong giai đoạn hiện nay, giai đoạn Việt Nam chuyển mình gia nhập tổ chức thươngmại thế giới (WTO), là vấn đề khó khả thi Cụ thể, EVN chưa đáp ứng đủ tải và liêntục cắt điện nhiều khu vực tại Thành phố Hồ Chí Minh trong vài tháng qua và vẫn còntiếp diễn trong tương lai gần Trước tình hình thiếu hụt trầm trọng điện năng như vậy,bản thân ngành điện phải chú trọng vào việc cho vận dụng hết khả năng mang tải của

hệ thống sẵn có và gia tăng nguồn vốn đầu tư vào ngành năng lượng nhằm mở rộngnguồn trong khả năng có thể để hệ thống vận hành ổn định hơn, đáp ứng được nhu cầutăng trưởng của phụ tải trong nước với chất lượng và giá thành tốt nhất, tiến đến mởrộng thị trường và bán điện cho các quốc gia trong khu vực lân cận

Muốn đạt được ý tưởng trên, việc nghiên cứu những bài toán kỹ thuật và nhữngcông cụ giải trong quá trình tái cấu trúc lưới theo hướng thị trường mở - thị trường tự

do cạnh tranh nhất thiết phải được thực hiện cấp bách tại Việt Nam

Nếu không chú trọng vào bài toán kỹ thuật có thể làm giảm độ tin cậy cung cấpđiện, chất lượng điện năng chắc hẳn không đạt yêu cầu Tuy nhiên, chỉ chú trọng vàovào toán kỹ thuật mà không chú trọng vào bài toán kinh tế thì vẫn không đảm bảo mụcđích của ngành điện Do đó, cần phải xem xét cả hai bài toán kỹ thuật và kinh tế

Để giải những bài toán kinh tế và kỹ thuật, cần sử dụng công cụ chương trình tối

ưu phân bố công suất OPF (Optimal Power Flow) OPF là một lựa chọn tất yếu để giảiquyết các vấn đề liên quan, vì về bản chất, OPF là một bài toán điều khiển tối ưu OPF

sử dụng tất cả các biến điều khiển nhằm tối thiểu chi phí vận hành hệ thống và đảmbảo an ninh hệ thống Thông qua OPF, có thể thu được nhiều thông tin kinh tế có giátrị và nhiều hiểu biết sâu sắc về hệ thống Như vậy, OPF giải quyết tốt cả bài toán điềukhiển và bài toán kinh tế Do đó, tối ưu phân bố công suất trong hệ thống là một vấn

đề luôn được chú ý đối với những ai đang công tác trong ngành điện

OPF là bài toán được sử dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống và nhà máy Vàonhững năm 1962, Carpentier bắt đầu tìm hiểu về bài toán phân bố công suất OPF OPF

là một bài toán rất rộng, đây là bài toán lập trình toán học phi tuyến, vì vậy, phải mấtnhiều thập kỷ để tìm ra giải pháp hữu hiệu cho bài toán OPF Có nhiều kỹ thuật toánhọc khác nhau được sử dụng để giải bài toán OPF Tổng quan về các kỹ thuật được đềcập trong bài báo của tác giả M Huneault và F D Galiana xuất bản năm 1991 [8].Phần lớn các kỹ thuật được sử dụng là một trong năm phương pháp sau:

 Phương pháp lặp Lambda: Cũng được xem là phương pháp suất tăng chi phícân bằng (equal incremental cost interion - EICC) Nguồn gốc của phươngpháp này là phương pháp vận hành kinh tế được sử dụng từ những năm 1930

 Phương pháp Gradient: Được đề cập bởi H W Dommel và W F Tinney [9]

 Phương pháp Newton: Được đề cập bởi D I Sun, B Ashley, B Brewer, A.Hughes và W F Tinney [10]

 Phương pháp lập trình tuyến tính : Được đề cập bởi O Alsac, J Bright, M.Prais và B Stott [11]

 Phương pháp điểm nội: Được đề cập bởi Y Wu, A S Debs và R E Marsten[12]

Phương pháp lặp Lambda thì khá nhạy với giá trị ban đầu của lambda và thườnghội tụ đến lời giải cực trị địa phương hoặc phân kỳ

Phương pháp lập trình tuyến tính thì nhanh và tin cậy, nhưng bất lợi chính là sựxấp xỉ chi phí tuyến tính từng đoạn Vì vậy, cần phải đơn giản hóa các ràng buộc đểchắc chắn lời giải hội tụ Tuy nhiên, bài toán OPF nhìn chung là không hội tụ và chonhiều kết quả cực trị địa phương

Thuật toán dựa trên phương pháp Newton có nhiều ràng buộc không cân bằng.Phương pháp này khá nhạy với những điều kiện ràng buộc ban đầu

Phương pháp điểm nội (IP – interior point) chuyển những ràng buộc không cânbằng sang ràng buộc cân bằng Trong phương pháp IP, nếu không chọn chính xác stepsize thì không thể xác định lời giải

Nhìn chung, các phương pháp trên thường bị hạn chế trong trường hợp lưới điệnphức tạp, khó thành lập hàm mục tiêu và khó xác định những ràng buộc có thể sửdụng

Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp tối ưu phân bố công suất nêu trên,người thực hiện tiếp tục nghiên cứu bài toán OPF dựa trên phương pháp Newton cónghiệm suy đưa ra một số ràng buộc và một số luật cho bài toán OPF để giải bài toánOPF nhanh hơn Đặc biệt là khả năng thực thi kỹ thuật ma trận thưa, tốc độ hội tụ củalời giải được gia tăng đáng kể và tìm ra kết quả tối ưu phân bố công suất trong khoảngthời gian ngắn nhất Bên cạnh việc thực thi kỹ thuật ma trận thưa, quá trình xác địnhcác bộ ràng buộc không cân bằng cho bài toán OPF cũng đóng vai trò quan trọng,quyết định tốc độ lời giải bài toán OPF Như vậy, thuận lợi chính của phương phápnày so với những phương pháp khác là tốc độ hội tụ nhanh và chắc chắn, thời gian tínhtoán ít hơn so với những phương pháp khác

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu:

Tìm hiều về bài toán tối ưu phân bố công suất trong trường hợp chỉ chú trọng đếncác tổ máy: Bài toán vận hành kinh tế các tổ máy

Nghiệm suy đưa ra một số ràng buộc để đảm bảo an ninh hệ thống và một số luật

để tăng tốc độ hội tụ của bài toán OPF

Mô phỏng bài toán tối ưu phân bố công suất có quan tâm đến các ràng buộc trongmôi trường PowerWorld

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và trênthế giới về nội dung của đề tài

- Tìm hiểu về lý thuyết vận hành kinh tế các tổ máy

- Nghiên cứu chương trình xác định vận hành kinh tế, chương trình xác định tổnthất trong lưới, chương trình xác định chi phí sản xuất

- Giải bài toán vận hành kinh tế máy phát với sự trợ giúp của phần mềm Matlab

- Nghiệm suy đưa ra một số ràng buộc cho bài toán OPF và các luật để tăng tốc

độ hội tụ cho lời giải bài toán OPF

- Mô phỏng tối ưu phân bố công suất có kể đến các ràng buộc sử dụng phầnmềm PowerWord

1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mẫu có 6 nút và 7 nút

- Giới hạn đề tài:

+ Phần nguồn chỉ xét đến các nhà máy nhiệt điện

+ Nghiên cứu bài toán OPF ở chế độ xác lập

+ Không quan tâm đến các vấn đề ổn định quá độ, ổn định động, phân tích sự

cố xác lập

+ Xem các biến tỉ số đầu phân áp và góc lệch pha máy biến áp là các biến liêntục

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, người thực hiện sử dụng chủ yếu các phương phápnghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Dựa vào thực tiễn và các cơ sở lý luận củacác thế hệ trước để làm nền tảng cho việc lập luận và đưa ra hướng giải quyết

đề tài

- Phương pháp tham khảo tài liệu: Tham khảo các tài liệu chuyên ngành cùngvới các bài báo IEEE liên quan đến đề tài nghiên cứu của nhiều tác giả trong

và ngoài nước

- Phương pháp mô hình hóa mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab vàPowerWorld.

1.5 Các bước tiến hành

- Thu thập, phân tích và tổ chức thông tin

- Lập kế hoạch và tổ chức hoạt động thực hiện kế hoạch

- Trao đổi ý kiến với giáo viên hướng dẫn về vấn đề nghiên cứu

- Giải quyết vấn đề

- Rút ra kết luận và đề nghị

1.6 Điểm mới của luận văn

Luận văn hoàn thành đã thể hiện điểm mới theo các hướng sau:

- Nghiên cứu và lập giải thuật vận hành kinh tế máy phát, xác định hệ số tổnthất và tính tổng chi phí sản xuất trong hệ thống

- Nghiệm suy một số ràng buộc trong bài toán tối ưu phân bố công suất và một

số luật cho bài toán OPF

- Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng để kiểm tra các bài toán OPF giúphiểu rõ cách thức vận hành kinh tế hệ thống có xét đến các ràng buộc thực tếcủa các phần tử hệ thống

1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn

- Đề tài này sẽ làm tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến lĩnh vực tối

ưu phân bố công suất và có thể sử dụng để phục vụ nghiên cứu ở mức caohơn

- Giới thiệu kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng trong việc giải các bài toán, nếu

kỹ thuật này được nghiên cứu và phát triển đầy đủ sẽ phục vụ tốt cho công táchuấn luyện, đào tạo và trợ giúp các điều độ viên ra quyết định trong vận hànhkinh tế-kỹ thuật hệ thống điện

1.8 Nội dung thực hiện

- Chương 1: Dẫn nhập

- Chương 2: Tổng quan về tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

- Chương 3: Lý thuyết vận hành kinh tế hệ thống điện

- Chương 4: OPF dựa vào phương pháp Newton

- Chương 5: Heuristic giải bài toán OPF

- Chương 6: Mô phỏng OPF bằng phần mềm PowerWorld

- Chương 7: Kết luận và đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG

SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN2.1 Mục tiêu của tối ưu phân bố công suất

Trước khi bắt đầu giải bài toán OPF, cần xem xét mục tiêu của bài toán OPF Mụctiêu chính của bài toán OPF là tối thiểu chi phí đảm bảo nhu cầu tải trong khi vẫn duytrì an ninh hệ thống Chi phí liên quan đến hệ thống nhìn chung có thể qui vào chi phísản xuất của từng máy phát Từ quan điểm của bài toán OPF, duy trì an ninh hệ thốngcần phải giữ mỗi thiết bị trong hệ thống vận hành trong giới hạn mong muốn ở trạngthái xác lập Giới hạn vận hành gồm công suất phát lớn nhất và nhỏ nhất, dòng côngsuất MVA chạy trên đường dây hoặc máy biến áp, cũng như điện áp tại các nút trong

hệ thống nằm trong phạm vi xác định

Để đạt được những mục tiêu trên, bài toán OPF sẽ trình bày tất cả các chức năngđiều khiển xác lập trong hệ thống Điều khiển máy phát và điều khiển hệ thống truyềntải là một trong những chức năng của bài toán OPF Đối với máy phát, OPF điều khiểncông suất tác dụng phát, cũng như điện áp tại đầu cực máy phát Đối với hệ thốngtruyền tải, OPF điều khiển tỷ số đầu phân áp máy biến áp và góc lệch pha máy biến áp,điều khiển tụ bù mắc shunt và các thiết bị linh động khác trong hệ thống truyền tải AC(FACTS) cũng như mục tiêu của bài toán OPF

Xác định chi phí biên cho hệ thống là mục tiêu thứ hai của bài toán OPF Chi phíbiên có thể hỗ trợ định giá giao dịch công suất tác dụng cũng như giá phụ thuộc vàoloại dịch vụ như dịch vụ khuyến khích điện áp thông qua khuyến khích sử dụng côngsuất phản kháng Mvar Giải bài toán OPF bằng phương pháp Newton để xác định chiphí biên hệ thống

2.2 Tối ưu hàm phi tuyến tính

Tối ưu hàm phi tuyến là một công cụ quan trọng trong thiết kế với sự trợ giúp củamáy tính và là một phần trong trường hợp tổng quát của tối ưu được gọi là lập trìnhphi tuyến Lý thuyết cơ bản và những phương pháp tính được trình bày trong nhiều tàiliệu Mục tiêu cơ bản là tối ưu hàm chi phí của vài đối tượng phi tuyến có kể đếnnhững ràng buộc phi tuyến dạng cân bằng và không cân bằng

Những công cụ toán học được sử dụng để giải những bài toán tối ưu tham sốkhông bị ràng buộc có được trực tiếp từ phép tính đa biến Điều kiện cần để tối ưu hàmchi phí

Nói tóm lại, để tìm cực tiểu hàm số không ràng buộc bằng cách cho đạo hàm từngphần của nó (đối với những tham số có thể thay đổi) bằng 0 và giải để tìm giá trị thambiến Trong số những giá trị tham biến tìm được, những giá trị mà ma trận xác địnhdương của đạo hàm riêng cấp hai của hàm chi phí là tối thiểu địa phương Nếu chỉ cómột giá trị tối thiểu địa phương, giá trị đó cũng là tối thiểu toàn cục, mặt khác, hàm chiphí phải được đánh giá ở mọi giá trị tối thiểu địa phương để xác định một giá trị tốithiểu toàn cục.

2.3 Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng cân bằng

Bài toán này xuất hiện khi hàm số phụ thuộc vào những tham số được chọn Bàitoán tối ưu hàm chi phí

2.4 Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng không cân bằng

Những bài toán tối ưu thực tế có kể đến ràng buộc dạng không cân bằng cũng nhưràng buộc dạng cân bằng Vấn đề là tối ưu hàm chi phí:

ở điểm (x* 1,x * 2,…,x * n) Nếu xuất hiện ràng buộc dạng cân bằng tuyệt đối, ràng buộckhông cân bằng sẽ có hiệu lực ở điểm này, ví dụ, nếu juj(x* 1, x * 2,…,x * n)=0 và j > 0.Điều này được hiểu như điều kiện cần Kuhn-Tucker

Chương 3 VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 3 VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Điện là “đầu vào” quan trọng đối với sản xuất hàng hóa, đồng thời đóng vai tròquan trọng trong việc cải thiện điều kiện sống của con người Trên thế giới hiện nay,điện là nhu cầu thiết yếu và nhu cầu dùng điện ngày càng gia tăng Các nhà khoa học

dự đoán nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt trong tương lai gần, vì thế họ đang tìm kiếmnhững nguồn năng lượng mới bù vào những nguồn nhiên liệu đang sử dụng Hiện nay,năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt…đang là những nguồnnăng lượng được thế giới ủng hộ (năng lượng sạch)

Việt Nam có nguồn tài nguyên năng lượng dồi dào, tuy nhiên việc thiếu vốn đầu

tư cho khai thác và sản xuất năng lượng từ những nguồn tài nguyên là một vấn đềchính mà chính phủ đang gặp phải Ngành điện Việt Nam đã trải qua gần 48 năm, từnhững năm 50, Miền Bắc bắt đầu đưa vào vận hành nhà máy điện Vinh, Lào Cai, ViệtTrì, Thái Nguyên Tuy nhiên, cho đến thập kỷ 70, việc đưa điện về nông thôn chủ yếucho nhu cầu bơm nước Đến những năm 1984, nhà máy nhiệt điện Phả Lại và nhất lànăm 1989, nhà máy thủy điện Hòa Bình được đưa vào vận hành thì mạng lưới điệnphát triển Ở Miền Nam, ngành điện chỉ thực sự phát triển sau năm 1975 Từ năm

1988, khi nhà máy thủy điện Trị An được đưa vào vận hành thì mới phát triển lướiđiện Ngày nay rất nhiều công trình nhiệt điện với công suất lớn đã được xây dựng đápứng nhu cầu công nghiệp hóa, như nhà máy nhiệt điện Bà Rịa, cụm nhà máy điện Phú

Mỹ Ở Miền Trung, trước năm 1975, nền công nghiệp điện rất thấp kém nên thiếu hụtđiện nghiêm trọng Nguồn điện chủ yếu phụ thuộc cụm máy phát Diesel công suất thấp

và khi đường dây truyền tải siêu cao áp Bắc - Trung - Nam 500kV được đưa vào vậnhành, mạng lưới điện miền Trung dần phát triển

Ngày nay, trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa, ngành điện trở thành mộtngành mũi nhọn Ý thức được điều đó EVN đã phấn đấu và đạt được những mục tiêuphát triển nguồn rất tốt: từ tổng công suất nguồn 4549,7 MW (năm 1995) lên 6300

MW (năm 2000), 8860 MW (năm 2002), và 11340 MW (năm 2006) Sản lượng điện

từ 14,636 tỷ kWh (1995) lên 26,575 tỷ kWh (2000) và 51,296 tỷ kWh (2006) với tốc

độ tăng trưởng bình quân 12,7%

Bảng 3.1 - Sản lượng điện 2005 tại Việt Nam

(triệu kWh)

Từ bảng sản lượng điện trên, nhận thấy, do điều kiện địa hình, địa lý của Việt Namnên thủy điện chiếm phần lớn so với các nguồn năng lượng khác Chính vì vậy, nhàmáy thủy điện thường cho chạy nền với 100% định mức trong 24 giờ Các nhà máynhiệt điện thường được sử dụng để điều khiển công suất phát Trong những giờ tảiđỉnh, thường vận hành các tổ máy tua bin khí và tổ máy diesel do chúng có sự đáp ứngnhanh.

Với ý tưởng trên, nhà máy thủy điện chạy nền với 100% công suất định mức nênkhông cần giải bài toán vận hành kinh tế cho nhà máy thủy điện mà chỉ thực hiện chocác tổ máy nhiệt điện nhằm điều khiển công suất phát của các tổ máy nhiệt điện để tốithiểu tổng chi phí sản xuất Xem hình 3.1 để hiểu rõ hơn

3.1 Chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát điện với chi phí nhỏ nhất là vận hànhhiệu quả các tổ máy phát điện, chi phí nhiên liệu và tổn thất trên đường dây truyền tải.Hầu hết các tổ có hiệu suất cao trong hệ thống thường không đảm bảo chi phí nhỏ nhất

do chúng thường nằm trong vùng có chi phí nhiên liệu đắt Ngoài ra nếu vị trí nhà máy

xa trung tâm phụ tải, tổn thất trên đường dây truyền tải có thể lớn hơn đáng kể và vìthế gây lãng phí điện năng Trước tình hình trên, vấn đề xác định điện năng phát củacác tổ máy sao cho tổng chi phí vận hành là thấp nhất Chi phí vận hành đóng vai tròquan trọng trong hoạch định kinh tế và được đề cập trong chương này

Ngõ vào của nhà máy nhiệt thông thường được đo bằng đơn vị Btu/h và ngõ rađược đo bằng đơn vị MW Đường đặc tính vào ra được đơn giản hóa cho một tổ máynhiệt coi như đường đặc tính tỉ lệ nhiệt như trình bày trên hình 3.2

Tổng nhu cầu tải

Hình 3.3 trình bày sự chuyển đổi thông thường đường cong tỉ lệ nhiệt trong đơn vịBtu/h sang đường đặc tính chi phí nhiên liệu trong đơn vị $/h Trong tất cả nhữngtrường hợp thực tế, chi phí nhiên liệu của nhà máy i có thể được miêu tả dưới dạngphương trình bậc hai theo công suất tác dụng phát:

Thông qua vẽ đồ thị đạo hàm bậc nhất của đường đặc tính chi phí nhiên liệu theocông suất tác dụng sẽ thu được nhiều đặc điểm quan trọng Đồ thị này được hiểu nhưđường cong suất tăng chi phí nhiên liệu như thể hiện ở hình 3.4

∂C i

∂P i=2 γi P i+β i

(1.22)Đường cong suất tăng chi phí nhiên liệu là sự đo lường cách chi phí để gây ra lợinhuận lần sau cho nhà máy Tổng chi phí vận hành bao gồm chi phí nhiên liệu, chi phílao động, chi phí vận hành và bảo dưỡng Những chi phí này được coi là phần cố địnhcủa chi phí nhiên liệu và thường tính đến trong đường đặc tính suất tăng chi phí nhiênliệu

Hình 3.2 Đường cong tỷ lệ nhiệt Hình 3.3 Đường cong chi phí nhiên liệu

Chi phí nhiên liệu($/h)

3.2 Vận hành kinh tế bỏ qua tổn thất và không hạn chế điện năng phát

Bài toán vận hành kinh tế đơn giản nhất là trường hợp bỏ qua tổn thất trên đườngdây truyền tải, điều đó có nghĩa, mô hình bài toán không quan tâm đến cấu trúc hệthống và trở kháng đường dây Thực chất, mô hình giả thuyết rằng hệ thống chỉ có mộtthanh góp với tất cả máy phát và tải nối vào thanh góp như thể hiện dưới dạng giản đồtrong hình 3.5

Khi bỏ qua tổn thất trên đường dây truyền tải, tổng nhu cầu tải PD bằng tổng côngsuất phát Giả thiết hàm chi phí Ci của mỗi nhà máy được biết trước Vấn đề là tìmcông suất tác dụng phát cho mỗi nhà máy để tối thiểu hàm mục tiêu (ví du: tổng chi

Ct : là tổng chi phí sản xuất.

Ci : chi phí sản xuất của nhà máy thứ i

Pi : công suất tác dụng phát của nhà máy thứ i

PD : tổng nhu cầu tải

đó đạo hàm từng phần theo các biến số của hàm số bằng 0:

Điều kiện thứ hai, được cho bởi (1.27), kết quả bằng:

P i=λ−β i

Mối tương quan cho bởi (1.31) được hiểu như những phương trình hiệu chỉnh Pi

là hàm của  Phương pháp giải tích có thể tìm được  bằng cách thay Pi vào (1.30)

Thay giá trị  tìm được từ (1.33) vào (1.31) để đạt kế hoạch tối ưu máy phát

Lời giải của bài toán vận hành kinh tế bỏ qua tổn thất công suất được thiết lập theophương pháp giải tích Tuy nhiên khi tính đến tổn thất kết quả những phương trình(1.6) là không tuyến tính và được giải theo phương pháp lặp Như vậy, phương pháplặp được giới thiệu và (1.31) phải được giải theo phương pháp lặp Trong kỹ thuậtnghiên cứu phương pháp lặp, bắt đầu với hai giá trị của , lấy giá trị  bằng phépngoại suy và quá trình lặp được tiếp tục mãi đến khi Pi trong phạm vi độ chính xáccho trước Tuy nhiên, như đề cập ở trên, sử dụng phương pháp Gradient có thể tìmđược vận hành tối ưu một phương pháp nhanh chóng Để làm điều này, (1.32) đượcviết thành:

ΔfP(k )

=P D−∑

i=1

n g P

Quá trình được tiếp tục mãi đến khi P(k) nhỏ hơn một sai số cho trước

3.3 Vận hành kinh tế bỏ qua tổn thất công suất trên đường dây và kể đến giới hạn phát

của tổ máy

Công suất đầu ra của tất cả máy phát không được vượt quá cũng không được dướigiới hạn của nó, điều đó cần thiết cho vận hành nồi hơi ổn định Như vậy, công suấtphát bị hạn chế để nằm trong phạm vi giới hạn công suất lớn nhất và nhỏ nhất Vấn đề

là xác định công suất khả phát cho mỗi nhà máy để hàm mục tiêu cho bởi công thức(1.23) là thấp nhất, hàm ràng buộc theo công thức (1.24) và hàm ràng buộc dạngkhông cân bằng được cho bởi:

P i(min)≤P i≤P i(max) (i=1, , n g) (1.40)Trong đó Pimin và Pimax là giới hạn công suất nhỏ nhất và lớn nhất của nhà máy i.Các điều kiện Kuhn – Tucker bổ sung cho điều kiện Lagrang để tính đến ràngbuộc dạng không cân bằng vì những giới hạn thêm vào Điều kiện cần cho vận hànhkinh tế bỏ qua tổn thất công suất tác dụng trên lưới theo công suất phát trở thành:

đó được giữ cố định ở giới hạn công suất phát Trong thực tế, công suất phát của nhàmáy là hằng số, và chỉ những nhà máy không bị vi phạm phải vận hành ở cùng suấttăng chi phí sản xuất

3.4 Vận hành kinh tế kể đến tổn thất công suất

Khi khoảng cách truyền tải ngắn và mật độ tải cao, tổn thất trên đường dây truyềntải có thể bỏ qua và vận hành kinh tế tổ máy đạt được khi tất cả các nhà máy vận hành

ở cùng suất tăng chi phí sản xuất Tuy nhiên, trong hệ thống điện có nhiều liên kết,điện năng được truyền tải qua khoảng cách dài, với mật độ tải của các vùng thấp, tổnthất trên đường dây là yếu tố chính ảnh hưởng đến vận hành tối ưu tổ máy Một thực tếphổ biến kể đến ảnh hưởng của tổn thất trên đường dây truyền tải là biểu diễn tổng tổnthất trên đường dây bằng phương trình bậc 2 (phương trình toàn phương) theo côngsuất tác dụng khả phát Dạng phương trình bậc 2 đơn giản nhất là:

tế, ở đó, các hệ số B được tính toán Có nhiều cách khác nhau để thành lập phươngtrình tổn thất Mục 3.5 sẽ trình bày cách để tìm những hệ số B

Bài toán vận hành kinh tế là cực tiểu toàn bộ chi phí vận hành Ci, Ci là hàm số theocông suất phát của nhà máy:

Trong đó: Pi(min) và Pi(max) lần lượt là giới hạn công suất phát nhỏ nhất và giới hạncông suất phát lớn nhất của nhà máy i

Sử dụng phương pháp nhân tử Lagrang và cộng những điều kiện thêm vào để kểđến ràng buộc dạng không cân bằng thì được:

Nói cách khác, nếu ràng buộc không bị vi phạm thì biến =0 và các thành phần cógiá trị của  trong biểu thức (1.47) không tồn tại Ràng buộc chỉ kể đến khi chúng bị viphạm Cực tiểu hàm chi phí L có kể đến ràng buộc dạng không cân bằng được tìm thấy

ở điểm mà tại đó đạo hàm riêng phần của nó bằng 0:

và hàm Lagrang là như nhau Điều kiện thứ nhất, được cho bởi (1.48), kết quả là:

∂P i được biết như tổn thất truyền tải gia tăng

Điều kiện thứ 2, được cho bởi (1.49), kết quả là :

Một cách kinh điển, phương trình (1.52) được sắp xếp lại như sau:

( 1− 1 ∂ PL

∂ Pi ) dC dPi i= λ ( i=1,2, ,ng)

(1.54)Hoặc:

L i dC i

dP i=λ (i=1, , n g)

(1.55)

Trong đó Li được hiểu như hệ số phạt của nhà máy i và được cho bởi:

L i= 1

1−∂P L

Vì vậy, ảnh hưởng của tổn thất công suất trên đường dây truyền tải là để giới thiệu

hệ số tiền phạt, đó là một giá trị phụ thuộc vào vị trí của nhà máy Phương trình (1.55)thể hiện rằng chi phí sản xuất tối thiểu khi suất tăng chi phí sản xuất của mỗi nhà máytăng lên nhiều lần do hệ số tiền phạt thì như nhau cho tất cả các nhà máy Suất tăng chiphí sản xuất được cho bởi (1.22) và từ công thức (1.43), tổn thất truyền tải gia tăngđược xác định như sau:

Để tìm vận hành tối ưu bằng cách cho một giá trị ước lượng của (1), đồng thời giảiphương trình tuyến tính (1.60)

Trong ngôn ngữ Matlab sử dụng lệnh P= E \ D

Sau đó tiếp tục quá trình lặp bằng cách sử dụng phương pháp Gradient Để làmđiều này, từ (1.58), Pi ở lần lặp thứ k được biểu diễn như sau:

f ( λ)(k )

+(df ( λ ) dλ )(k ) Δfλ(k )

=P D+P(L k )

(1.63)Hoặc:

Nếu sử dụng công thức tổn thất xấp xỉ được biểu diễn bởi:

3.5 Giải thuật vận hành kinh tế hệ thống - econdispatch

Chương 3 18

Mục đích: Giải những phương trình hiệu chỉnh

cho kế hoạch phát tối ưu Giải thuật này đòi hỏi

tổng nhu cầu tải Pdt, ma trận hàm chi phí sản xuất

(cogencost) và giới hạn công suất phát Nếu biến

basemva và bất kì hệ số tổn thất B, B0, B00 được

định rõ, giải thuật tìm được vận hành tối ưu kể đến

tổn thất trong lưới điện.

Ghi chú:

Pdt: tổng nhu cầu tải.

cogencost: ma trận chi phí sản xuất.

ngg: tổng số máy phát có trong lưới điện.

mwgenlimits: ma trận giới hạn công suất phát của

các tổ máy.

B, B0, B00: hệ số tổn thất công suất.

basemva: công suất cơ bản.

Bu, B00u : hệ số tổn thất công suất ở đơn vị tương

đối.

alpha, beta, gama: hệ số chi phí sản xuất.

Pmin : giới hạn công suất tác dụng thấp nhất.

Pmax : giới hạn công suất phát lớn nhất.

Pgtt(iterp): tổng công suất phát ở lần lặp thứ iterp.

PL(iterp): tổn thất công suất trong lưới điện ở lần

lặp thứ iterp.

DelP(iterp): sai số công suất tác dụng trong lưới ở

lần lặp thứ iterp.

ngg: tổng số máy phát có trong lưới.

grad(k)(iterp): biến thiên công suất phát tổ máy

thứ k theo suất tăng chi phí sản xuất hệ thống ở lần

Thông báo lỗi 1