I. Mở đầu Theo sự phát triển của công nghệ hiện đại, ngành công nghiệp điện lực ngày nay phát triển nhanh chóng. Chi phí sản xuất và sự phát triển của phụ tải mang tính chất ngày càng phức tạp v à khó dự báo chính xác đặc biệt là trong môi trường vận hành độc quyền với các quy định phức tạp. Trước tình hình đó, nhu cầu phát triển năng suất, hiệu quả và độ linh hoạt để ứng phó với những đột biến trong tương lai mạnh mẽ và thách thức hơn bao giờ hết. Một trong những hướng này đã thu hút nhiều sự hợp tác giữa khách hàng và điện lực thông qua việc cải cách đổi mới giá điện nhằm cung cấp sự lựa chọn rộng rãi và việc sử dụng tốt hơn thông tin về chi phí sản xuất điện và nhu cầu của khách hàng, đó là tiền đề để bắt buộc xây dựng thị trường điện cạnh tranh. Khi đó, khác với cấu trúc giá thông thường, giá bán điện thay đổi cả về không gian, thời gian trên cơ sở xây dựng theo giá vận hành biến đổi và những chi phí phụ khác cho chất lượng bảo trì và dịch vụ điện năng đáng tin cậy. Xét trên quan điểm xã hội về mặt hàng năng lượng điện thì bản chất cũng là hàng hóa, vì vậy năng lượng điện phải có được đầy đủ tính chất của hàng hóa đó là có thể mua, bán và kinh doanh. Đồng thời, phải được xét đến sự thay đổi trong không gian, thời gian về giá trị và chi phí. Hiện tại, ngành điện đang áp dụng phương pháp trung bình về chi phí. Nổi bật lên là phương pháp tính tổn thất trung bình trong tất cả khách hàng, không quan tâm đến vị trí của khách hàng, các khách hàng đều có một mức giá điện như nhau. Vì vậy tổn thất trung bình trong tất cả các khách hàng không tạo nên một yếu tố cạnh tranh trong thị trường điện. Vì những yếu tố đó, giá nút được đưa ra như một cơ cấu hoàn chỉnh cho sự thành lập thị trường điện. II. Giá biên nút trong thị trường điện (Locational Marginal Price LMP) Trước hết ta tìm hiểu về giá nút. Giá nút là phương pháp xác định giá cung cấp cho thị trường, tính toán cho từng vị trí trên lưới truyền tải. Mỗi nút tương ứng với vị trí vật lý trên hệ thống truyền tải, ở đó công suất được đưa vào bởi máy phát và lấy ra bởi tải. Giá tại mỗi nút tương ứng với giá điện theo vị trí, bao gồm chi phí sản xuất điện, chi phí phân phối và các ràng buộc. Giá nút thay đổi cả về không gian, thời gian, được xây dựng theo giá vận hành biến đổi và những chi phí phụ khác cho chất lượng bảo trì và dịch vụ điện năng đáng tin cậy theo yêu cầu thị trường.
Trang 1THỊ TRƯỜNG ĐIỆN
Giáo viên hướng dẫn: TS Đinh Thành Việt
Thực hiện: Nhóm học viên lớp Thạc sĩ KTĐ K34 Quảng Bình
1 Hoàng Minh Thắng
2 Lê Anh
3 Hà Quốc Việt
4 Nguyễn Tất Thành
5 Nguyễn Duy Ngọc
6 Lê Đức Dũng
7 Thái Hồng Ngọc
8 Nguyễn Minh Tuyến
Trang 2I Mở đầu
Theo sự phát triển của công nghệ hiện đại, ngành công nghiệp điện lực ngày nay phát triển nhanh chóng Chi phí sản xuất và sự phát triển của phụ tải mang tính chất ngày càng phức tạp v à khó dự báo chính xác đặc biệt là trong môi trường vận hành độc quyền với các quy định phức tạp Trước tình hình đó, nhu cầu phát triển năng suất, hiệu quả và độ linh hoạt
để ứng phó với những đột biến trong tương lai mạnh mẽ và thách thức hơn bao giờ hết Một trong những hướng này đã thu hút nhiều sự hợp tác giữa khách hàng và điện lực thông qua việc cải cách đổi mới giá điện nhằm cung cấp sự lựa chọn rộng rãi và việc sử dụng tốt hơn thông tin về chi phí sản xuất điện và nhu cầu của khách hàng, đó là tiền đề để bắt buộc xây dựng thị trường điện cạnh tranh Khi đó, khác với cấu trúc giá thông thường, giá bán điện thay đổi cả về không gian, thời gian trên cơ sở xây dựng theo giá vận hành biến đổi và những chi phí phụ khác cho chất lượng bảo trì và dịch vụ điện năng đáng tin cậy
Xét trên quan điểm xã hội về mặt hàng năng lượng điện thì bản chất cũng là hàng hóa,
vì vậy năng lượng điện phải có được đầy đủ tính chất của hàng hóa đó là có thể mua, bán và kinh doanh Đồng thời, phải được xét đến sự thay đổi trong không gian, thời gian về giá trị và chi phí Hiện tại, ngành điện đang áp dụng phương pháp trung bình về chi phí Nổi bật lên là phương pháp tính tổn thất trung bình trong tất cả khách hàng, không quan tâm đến vị trí của khách hàng, các khách hàng đều có một mức giá điện như nhau Vì vậy tổn thất trung bình trong tất cả các khách hàng không tạo nên một yếu tố cạnh tranh trong thị trường điện Vì những yếu tố đó, giá nút được đưa ra như một cơ cấu hoàn chỉnh cho sự thành lập thị trường điện
II Giá biên nút trong thị trường điện (Locational Marginal Price - LMP)
Trước hết ta tìm hiểu về giá nút Giá nút là phương pháp xác định giá cung cấp cho thị trường, tính toán cho từng vị trí trên lưới truyền tải Mỗi nút tương ứng với vị trí vật lý trên
hệ thống truyền tải, ở đó công suất được đưa vào bởi máy phát và lấy ra bởi tải Giá tại mỗi nút tương ứng với giá điện theo vị trí, bao gồm chi phí sản xuất điện, chi phí phân phối và các ràng buộc Giá nút thay đổi cả về không gian, thời gian, được xây dựng theo giá vận hành biến đổi và những chi phí phụ khác cho chất lượng bảo trì và dịch vụ điện năng đáng tin cậy theo yêu cầu thị trường
Giá nút bao gồm 3 thành phần:
Cụ thể:
• Nodal Price: Giá nút
• Marginal Cost of Generator: Chi phí cận biên của máy phát, là chi chí để cung cấp MW tiếp theo.
• Marginal Cost of Losses: Chi phí cận biên của tổn thất.
• Margial Cost of Transmission Congestion: Chi phí cận biên của giới
hạn truyền tải
Trang 3Như vậy, giá nút phải thỏa mãn hàm mục tiêu: Min f(X, P, Q)
• G(X, P, Q) = 0
• H(X, P, Q) ≤ 0
Trong đó :
• f(X,P,Q): Là hàm mục tiêu được diễn tả như là chi phí vận hành ngắn hạn
• G(X,P,Q): Là đại lượng vector, diễn tả những ràng buộc cân bằng
• H(X,P,Q): Là đại lượng vector, diễn tả những ràng buộc không cân bằng của tất
cả các giá trị
• X: Là vectơ giá trị điều khiển và các giá trị ổn định
Các ràng buộc cân bằng g(x) bao gồm: Phân bố công suất tối ưu được đưa ra cho các ràng buộc cân bằng công suất, mà tổng công suất của các máy phát phải đáp ứng toàn bộ tổng các công suất tải và tất cả tổn thất công suất
Các ràng buộc không cân bằng h(x) bao gồm: Giới hạn của công suất tác dụng và công suất kháng của máy phát Giới hạn trên của dòng công suất Pij trên đường dây i-j Giới hạn trên và giới hạn dưới của tỉ số biến áp (t) và sự dịch pha (α) của máy biến áp
Trong thị trường điện cạnh tranh, giá nút tương ứng với chi phí gia tăng thực tế gia tăng cho mỗi nút - tức là, chi phí để sản xuất thêm một đơn vị điện năng tại vị trí đó Chi phí gia tăng này sẽ được xem như là một tín hiệu cho cả người tiêu dùng và các nhà sản xuất năng lượng Như vậy, giá nút phản ánh trung thực chi phí sản xuất điện và thay đổi theo thời gian, vào giờ cao điểm giá điện sẽ cao thúc đẩy khách hàng điều chỉnh cách sử dụng năng lượng điện phù hợp với giá biên vì vậy khách hàng có thể lựa chọn việc sử dụng năng lượng như thế nào cho hiệu quả từ đó có thể điều tiết phụ tải Giá nút phân phối chi phí tổn thất dựa vào vị trí vì vậy có thể cho tín hiệu giá một cách hiệu quả, có tính cạnh tranh trong thị trường điện, từ đó tạo sự phát triển của thị trường điện Tạo nên sự công bằng: Giảm các sự trợ giá…, ví dụ: tính chi phí của khách hàng dựa vào các chi phí mà các công ty điện lực bỏ ra
để phục vụ cho khách hàng đó
Ví dụ: Giả sử chúng ta có một hệ thống truyền dẫn Với chỉ hai khu vực riêng biệt, được gọi là Nút 1 và Nút 2: Nút 1 có máy phát điện 80 megawatt (MW) và 20 MW tải, trong khi Node 2 có một Máy phát điện 20 MW và 50 MW tải Vì vậy, tổng công suất phát điện trong
hệ thống, 100 MW, đủ để phục vụ tổng tải 70 MW Tuy nhiên, để đáp ứng tải tại Nút 2, thì bắt buộc phải truyền tải điện năng từ Nút 1
Trang 4Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để đáp ứng 70MW tải đó với chi phí thấp nhất Để trả lời câu hỏi đó, chúng ta xem xét chi phí biên của mỗi máy phát điện Máy phát trong Nút 1 có chi phí biên là $10/MWh Máy phát điện ở Nút 2 là một đơn vị nhỏ với chi phí cận biên
$50/MWh Nếu mỗi chủ sở hữu dự thầu chi phí biên và không có hạn chế truyền tải, thì khi
đó máy phát điện trong Nút 1 sẽ cung cấp toàn bộ tải trong cả hai khu vực Giá thị trường chỉ bằng $10/MWh Và sẽ rất khó khăn hơn nếu đường truyền không có đủ công suất để truyền tải toàn bộ công suất cần thiết để phục vụ tải trong Nút 2 Khi đó để đảm bảo khả năng phục
vụ, chi phí điện cung cấp từ Nút 1 cho nhóm tải của Nút 2 sẽ được cộng thêm chi phí gia tăng khác Trong các tải của Nút 2, một phần hoặc hoàn toàn sẽ được cách ly khỏi phần còn lại của hệ thống, nơi chi phí điện cao hơn
Như vậy, giá điện sẽ như thế nào trong các Nút 1 và 2 ?
Có hai lựa chọn thay thế:
Một là "xã hội hóa" chi phí phục vụ tải trong Nút 2, đây là mô hình các nước đã làm trong nhiều thập kỷ Ví dụ: khách hàng ở nông thôn thường không bị tính phí cao hơn khách hàng trong Thành phố, mặc dù chi phí cho mỗi khách hàng về lưới ở khu vực nông thôn là cao hơn Theo cách tương tự, khách hàng bán lẻ không bị tính giá khác nhau cho cùng một mục đích, và giá điện được tính trung bình trên tất cả các khách hàng của một tiện ích Mô hình này chỉ phù hợp trong trường hợp bán lẻ
Ở cấp độ bán buôn, cách hiệu hiệu quả nhất là phản ánh chi phí cung cấp MW tiếp theo trong giá của mỗi nút Đây là phương pháp có tính khả thi cao nhất Giá biên điểm nút (LMP-locational marginal price) là chi phí biên nguồn cấp khi tăng một năng lượng kế tiếp ở bus nào đó được xem như là chi phí biên của máy phát nói cách khác LMP là chi phí tăng thêm khi cung cấp thêm 1MW năng lượng ở bus đó Khi hệ thống có công suất vô cùng lớn thì giá biên được xem là bằng nhau và ngược lại khi giá biên khác nhau ở mỗi nút tức là
đã xảy ra tắc nghẽn
Ta có sơ đồ tính toán LMP như sau:
Thành phần LMP bao gồm giá năng lượng hệ thống, chi phí tắc nghẽn truyền tải và chi phí tổn thất biên Với việc biết được các giá biên trong hệ thống chúng ta có thể hoàn toàn xác định được các biên khu vực trong trong phân chia thị trường và đây chính là cơ sở trong công tác quản lý tắc nghẽn trong thị trường điện cạnh tranh
Trong ví dụ trên, giá LMP là $10/MWh trong Nút 1 và $50/MWh ở nút 2 Và tương ứng, giá bán phải phản ánh cách thức chi phí thấp nhất để cung cấp thêm một MW cho mỗi nút Khi đó, việc tính toán trở nên phức tạp đặc biệt là với số nút tăng, như sự phát sinh trong các nút khác trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến việc các máy phát điện có thể phục vụ các nút 1 và 2, và LMP tương ứng của họ
Mục đích của LMP là giá cả phải phản ánh sự tăng trưởng tự nhiên của một thị trường
do trung tâm điều độ điều hành và tạo ra động lực thúc đẩy hiệu quả của các nhà cung cấp và người tiêu dùng nhằm giảm tắc nghẽn hệ thống trong các khu vực khác nhau Điều đó có
Trang 5nghĩa là phải có khả năng tính biên chi phí tại mỗi nút và trong mỗi giờ.
Trong một hệ thống tối ưu, LMP tương ứng với chi phí gia tăng thực tế gia tăng cho mỗi nút - tức là, chi phí để sản xuất thêm một đơn vị điện năng tại vị trí đó Chi phí gia tăng này sẽ được xem như là một tín hiệu cho cả người tiêu dùng và các nhà sản xuất năng lượng Khi có lỗi đường truyền không mong muốn hoặc máy phát điện gặp sự cố bảo trì đột ngột, hoặc có thể phản ánh khu vực trong hệ thống bị tắc nghẽn thường xuyên, hoặc hệ thống truyền tải bị tắc nghẽn tại một địa điểm cụ thể Giá biên vùng LMP sẽ cung cấp cho cả người tiêu dùng và nhà cung cấp những tín hiệu giá cả quan trọng Về phía cầu, LMP cao có thể khuyến khích người tiêu dùng sử dụng năng lượng hiệu quả, nghĩa là sử dụng ít điện hơn khi giá cả cao Sự đáp ứng nhu cầu như vậy có thể giảm giá thị trường bằng cách giảm nhu cầu tạo ra chi phí cao, và có thể tạo ra lợi ích hệ thống lớn, ngay cả khi chỉ một phần nhỏ tải phản ứng với giá Bằng cách làm cho giá cả ở cấp địa phương minh bạch hơn, LMP cung cấp một sự khuyến khích đối với các chương trình ứng phó với nhu cầu chi phí tiết kiệm điện làm giảm việc sử dụng điện trong thời gian cao điểm Về phía cung, LMP liên tục cao cho các nhà đầu tư tiềm năng nguồn lực bổ sung cần thiết, phục vụ để gây ra đầu tư nâng cấp hệ thống
Khi áp dụng giá nút, việc tổ chức lại lưới điện công nghiệp kéo theo việc chuyển mô hình vào những hoạt động điều khiển thời gian thực của lưới điện, quản lý điều độ là một trong những hoạt động điều khiển quan trọng trong một hệ năng lượng Và khi đó, vấn đề ảnh hưởng của lưới truyền tải đến hoạt động của thị trường điện cạnh tranh là một trong những vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng
Sự tắc nghẽn ở lưới truyền tải có thể được làm giải quyết bằng sự hợp nhất những ràng buộc khả năng tải đường dây trong việc điều độ và quá trình lập kế hoạch, bao gồm việc điều
độ lại công suất phát hoặc cắt bớt phụ tải hoặc thực hiện một số biện pháp kỹ thuật khác Khi
hệ thống truyền tải không có dung lượng vô hạn thì nó có thể xảy ra trường hợp cần thiết để lựa chọn giá chào đắt để tránh gây quá tải trên đường dây Vì thế tắc nghẽn
là tình huống mà khi nhu cầu dung lượng truyền tải vượt quá dung lượng giới hạn của đường dây, dẫn đến vi phạm các giới hạn an toàn, nhiệt, các giới hạn về đảm bảo điện áp hoặc điều kiện (N-1)… Do đó, tắc nghẽn là kết quả tất yếu của trào lưu công suất, có thể xảy ra bất cứ điểm nào trong hệ thống Để giải quyết triệt để vấn đề này, sử dụng giá biên vùng kết hợp phương pháp giá biên nút sẽ là một phương pháp hiệu quả được xét đến
Điều này cũng tương tự như việc tham gia giao thông trên các tuyến đường, có thể dự định đi theo một tuyến đường, nhưng sau đó có thông tin rằng số phương tiện tham gia giao thông đặc biệt tăng cao trên tuyến đường đó Người lái xe được khuyến khích thay thế tuyến đường mặc dù có thể quảng đường xa hơn, chi phí tốn kém hơn nhưng sẽ làm giảm áp lực giao thông có thể dẫn đến tắc đường và khi đó người lái xe cũng bị thiệt hại là không đảm bảo lộ trình đề ra
Ví dụ tính toán giá biên nút:
Xét sơ đồ 8 bus với các thông số được cho trong các bảng sau:
Trang 6Bus Máy phát (MW) Tải (MW)
Trang 71 90
Bảng 3: Thông số máy phát và tải theo khả năng đồng thời Tính toán phân bổ công suất theo PWS, ta thấy không có đường dây nào bị quá tải:
Phân bổ công suất khi xảy ra tắc ngẽn tính bằng PWS như sau:
Trang 8Sau khi phân bố công suất, ta tính được LMP tại các nút:
Giá biên điểm nút trung bình ALMP được áp dụng để tính toán các chi phí tắc nghẽn, đối với trường hợp trên ta có ALMP1 = 19,90$/MWh và ALMP2 = 30,00$/MWh Dựa vào ALMP ta chia ra trong thị trường thành 2 vùng và có công suất truyền liên vùng như sau:
Tài khoản tắc nghẽn dựa vào công suất truyền liên vùng được tính như sau:
Trang 9(MWh) Từ Tới ALMP1 ALMP2
($/MWh)
Tài khoản tắc nghẽn ($)
Trang 10Chi phí tắc nghẽn truyền tải như sau:
Thành phần
tham gia thị
trường
Máy phát cung cấp ALMP1 ALMP2
($/MWh)
Chi phí tắc nghẽn
($)
G5: 280,0
30,0 30,0
30,0 19,90
0,0 2828
Năng lượng bán của tải và máy phát
Thành phần
tham gia thị
trường
Năng lượng bán (MWh) ALMP ($/MWh) Lợi nhuận bán ($)
Năng lượng mua của tải và máy phát
Thành phần tham
gia thị trường
Năng lượng mua (MWh)
ALMP ($/MWh)
Tiền mua ($)
Trang 11L6 100,0 19,90 1990,0
Tất cả năng lượng được bán tới thị trường năng lượng giao ngay được bán ở giá ALMP của khu vực máy phát, và tất cả năng lượng mua từ thị trường giao ngay ở giá ALMP của tải ở khu vực đó, việc mua bán năng lượng từ thị trường giao ngay kéo theo các chi phí tắc nghẽn Tổng các chi phí tắc nghẽn trả trong thị trường giao ngay bằng với tổng thanh toán khi mua trừ tổng doanh thu khi bán Trong hệ thống này, tổng chi phí tắc nghẽn là (6622,57+7024-6819)=6827,5$ Ta thấy, tổng chi phí tắc nghẽn này lớn hơn tổng tín dụng tắc nghẽn 3939 $, lượng tiền dư ra từ chi phí tắc nghẽn được sử dụng cho bất cứ
sự thiếu hụt nào sau này trong các giờ khác
III Giá biên vùng trong thị trường điện
Giá biên vùng là giá được tính toán bằng cách phân chia hợp lý thị trường và thay đổi linh hoạt tùy thuộc vào tình trạng của hệ thống truyền tải Việc áp dụng giá biên vùng với cách tính hợp lý, mức lợi nhuận xã hội có thể đạt được tiệm cận với giá trị khi sử dụng phương pháp giá điện theo nút Đồng thời, việc sử dụng giá điện theo vùng sẽ làm đơn giản hơn thị trường điện khi thực hiện giao dịch
Xét ví dụ như sau:
hệ thống được giả định gồm 5 nút được liên kết bằng 6 đường dây liên kết mạch vòng Hệ thống được giả thiết không có tổn thất trên đường dây, các đường dây có chiều dài và thông số như nhau Nguồn phát và trào lưu công suất được thể hiện như hình dưới
Trang 12Khi hệ thống không có tổn thất trên đường dây, giá điện xác định tại các nút cân bằng và bằng 16.842 Tổng lợi tức xã hội được tính bằng 3157 895 Doanh thu của lưới bằng 0 do không có tắc nghẽn
Giả thiết rằng có 2 đường dây bị tắc nghẽn: đường dây 1-2 có giới hạn truyền tải bằng 51 và đường dây 4-5 có giới hạn truyền tải bằng 11 Trong điều kiện tắc nghẽn, giá điện giữa các nút khác nhau với độ chênh lệch giữa các nút là 2.91%, tương đối nhỏ Giá trị lợi tức xã hội giảm xuống 3155.487 Chi phí tắc nghẽn bằng 2408 Trào lưu công suất
từ nút 1 (nút rẻ nhất) giảm từ 105.265 xuống 97.172 trong khi đó trào lưu công suất về nút
4 (nút đắt nhất) lại giảm
Trào lưu công suất khi C12 =51; C45=11
Trong trường hợp 2 đường dây trên bị quá tải, đặt giả thiết rằng đơn vị vận hành hệ thống sẽ giới hạn công suất tải của đường dây ở mức 10, trào lưu công suất và giá các nút như sau
Trang 13Trào lưu công suất khi C24 =10
Trong điều kiện tắc nghẽn, giá điện giữa các nút khác nhau với độ chênh lệch giữa các nút tương đối lớn, khoảng 10.1% Giá trị lợi tức xã hội giảm xuống 3137.356 Chi phí tắc nghẽn bằng 20.539 Chúng ta có thể thấy, trong trường hợp này, đường dây 1-2 và 4-5
đã hết quá tải Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến mặc dù nó có nhược điểm là chênh lệch giá điện giữa các nút tương đối cao và chi phí tắc nghẽn lớn
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi giới hạn công suất truyền tải trên đường dây truyền tải liên vùng để giải quyết vấn đề tắc nghẽn bên trong các thị trường, tổng lợi nhuận xã hội
sẽ giảm đáng kể Tuy nhiên, khi áp dụng cách tính giá theo vùng thay cho giá theo nút như trước, các kết luận trên sẽ không còn chính xác Chúng ta sẽ xem xét việc tính toán giá điện theo vùng ở phần sau đây
Tính toán giá biên vùng
Chúng ta vẫn sử dụng các giả thiết trước với việc phân thị trường thành 2 thị trường
1 và 2 Việc đặt giới hạn truyền tải lên đường dây 2-4 làm giảm công suất truyền tải trên đường dây 1-2 nhưng lại làm tăng công suất truyền tải trên đường dây 4-5 Tổng lợi nhuận
xã hội trong trường hợp này bằng 3133.732 thấp hơn so với trường hợp áp dụng giá điện theo nút (3137.356) Giá điện ở thị trường 1 là 16.348, trong khi giá điện tại thị trường 2
là 17.665