Điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện

TÓM TẮT Điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện điều phối ngắn hạn trong một ngày là tính toán công suất phát ra của các nhà máy trong từng giờ của một n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN THÁI BÌNH MSHV: 10180073

Ngày, tháng, năm sinh: 01/05/1973 Nơi sinh: Thái

Nguyên

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: Điều phối tối ưu công suất phát giữa nhà máy thủy điện và

nhiệt điện

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Điều phối tối ưu (điều phối ngắn hạn) công suất

phát giữa nhà máy thủy điện và nhiệt điện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ HUỲNH CHÂU DUY

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tô i xin chân thành cảm ơn thầy Huỳnh Châu Duy - Tiến sĩ - Giảng viên khoa Điện - Điện Tử - Trường Đại học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh, đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Và nhân đây, tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vinh Quan - Thạc

sĩ - Giảng viên khoa Điện - Điện Tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật tp Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ tôi hiệu chỉnh phần lập trình Matlab, để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Bộ môn Hệ Thống Điện Trường Đại học Bách khoa TP HCM đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian khóa học vừa qua Qua sự hướng dẫn của quý thầy, cô tôi cũng đã được bổ sung khá nhiều kiến thức mà trong quá trình công tác, học tập trước đây tôi chưa có điều kiện tiếp xúc, tìm hiểu Và đó cũng chính là hành trang giúp tôi hoàn thành thành tốt luận văn này

Cuối cùng, tôi xin chúc quý thầy, cô cùng gia đình luôn mạnh khỏe và luôn đạt được ước nguyện trong cuộc sống

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Phan Thái Bình

TÓM TẮT

Điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện (điều phối ngắn hạn trong một ngày) là tính toán công suất phát ra của các nhà máy trong từng giờ của một ngày sao cho đủ cung cấp điện cho phụ tải trong từng giờ với tổng chi phí sản xuất của các nhà máy nhiệt điện là thấp nhất và lượng nước tiêu thụ của các nhà máy thủy điện không vượt quá giới hạn cho phép

Phương pháp truyền thống để giải quyết bài toán trên (phương pháp Lagrange)

là khảo sát cực trị hàm chi phí của các nhà máy nhiệt điện (hàm nhiều biến) theo các điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất giữa nguồn và phụ tải và lượng nước

xả cho phép của các nhà máy thủy điện

Trong luận văn này, hai phương pháp mới là phương pháp gien (Genetic Algorithm) và PSO (Particle Swarm Optimization) được áp dụng để giải quyết bài toán điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện

MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.Giới thiệu ……….… trang 8 1.2.Phạm vi nghiên cứu của luận văn…… ……… trang 10 1.3.Cách thức tiếp cận vấn đề của luận văn……….… trang 11 1.4.Mục tiêu cần đạt đến của luận văn ……….……….…trang 11 1.5.Ý nghĩa thực tiễn của luận văn……….……….… trang 11 1.6.Bố cục luận văn……… trang 12

Chương 2:TỐI ƯU HÓA TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Giới thiệu……….trang 13 2.2 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa

trong vận hành hệ thống điện……… …… trang 14 2.3 Các ràng buộc của bài toán tối ưu hóa

trong vận hành hệ thống điện……… ……… …….trang 14 2.4 Các biến điều khiển của bài toán tối ưu hóa

trong vận hành hệ thống điện……… ………… trang 15

Chương 3: ĐIỀU PHỐI TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT GIỮA CÁC NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐIỆN

3.1 Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện ………trang 16 3.2 Đặc điểm của nhà máy thủy điện trang 18 3.3 Sự cần thiết của việc điều phối kinh tế

hệ thống thủy điện và nhiệt điện……… trang 22 3.3.1.Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành….……….… trang 23 3.3.2.Giảm tổn thất điện năng……….………….…….trang 24 3.4 Điều phối công suất phát giữa các nhà máy nhiệt điện và thủy điện……trang 24 3.4.1 Hàm mục tiêu……… …… trang 25 3.4.2 Các ràng buộc……….… trang 25 3.5 Điều phối tối ưu công suất phát giữa các

nhà máy thủy điện và nhiệt điện sử dụng phương pháp Lagrange…… trang 28 3.5.1 Bỏ qua tổn thất hệ thống……… ……… trang 28 3.5.2 Xét đến tổn thất hệ thống………trang 32

Chương 4: THUẬT TOÁN GIEN (GENETIC ALGORITHM) VÀ THUẬT

TOÁN TỐI ƯU HÓA BẦY ĐÀN (PSO)

4.1.Thuật toán gien (GA – genetic algorithms)……… trang 36

4.2 Áp dụng phương pháp Gien đối vào bài toán

điều phối kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện……… trang 39 4.3 Tối ưu bầy đàn - Particle Swarm Optimization (PSO)……… trang 41 4.4 Áp dụng phương pháp PSO cho bài toán

điều phối thủy nhiệt ngắn hạn……… trang 43

Chương 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1 Giới thiệu……….………… trang 46 5.2 Điều phối tối ưu công suất phát của một hệ thống điện

với một nhà máy thủy điện và một nhà máy nhiệt điện………….…… trang 46 5.2.1 Phương pháp Lagrange……….… trang 47 5.2.2 Thuật toán Gien……….……….trang 51 5.2.3 Thuật toán PSO trang 54 5.2.4 Nhận xét……….trang 54 5.3 Điều phối tối ưu công suất phát của một hệ thống điện

với một nhà máy thủy điện và hai nhà máy nhiệt điện… ………… …trang 55 5.3.1 Phương pháp Lagrange……… trang 57 5.3.2 Thuật toán Gien trang 58 5.3.3 Thuật toán PSO trang 62 5.3.4 Nhận xét… ……… trang 63

Chương 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI

6.1 Kết luận……… ……… trang 65 6.2 Hướng phát triển tương lai……….trang 65Tài liệu tham khảo……… ………trang 67

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Trong một hệ thống điện các nguồn phát không chỉ đơn thuần là nguồn thủy điện mà còn có các nguồn phát nhiệt điện Vận hành hệ thống luôn phải đảm bảo cân bằng giữa công suất phát của nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện với công suất tải Các tổ máy không thể đưa vào vận hành và sản xuất điện năng tức thời, do

đó việc xác định thành phần tổ máy đưa vào vận hành phải được hoạch định trước sao cho luôn luôn có đủ công suất đáp ứng cho nhu cầu của phụ tải với độ dự trữ thích đáng trong trường hợp mất một số tổ máy hoặc đường dây truyền tải hoặc phụ

tải gia tăng

Do đặc điểm của chu trình nhiệt, việc điều phối vận hành các tổ máy nhiệt

điện phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

 Thời gian chạy máy tối thiểu: Khi một tổ máy được đưa vào vận hành thì

không thể dừng nó tức thì

 Thời gian dừng máy tối thiểu: Khi một tổ máy được đưa ra khỏi vận

hành, phải có thời gian tối thiểu trước khi đưa nó trở lại vận hành

 Ràng buộc về nhân viên vận hành: Nếu một nhà máy có hơn 2 tổ máy,

chúng không thể được đưa vào cùng lúc do không đủ nhân viên vận hành

 Ngoài ra, do nhiệt độ và áp suất của các tổ máy nhiệt điện phải được thay

đổi từ từ, cần phải có thời gian và chi phí để khởi động

Việc điều phối vận hành của các nhà máy thủy điện thường là phức tạp hơn so với hệ thống các máy phát nhiệt điện Lý do là các nhà máy thủy điện phải liên kết rất tốt với nhau cả về điện (nghĩa là, tất cả chúng cung cấp điện cho cùng một tải)

và về thủy (nghĩa là, nước chảy ra từ một nhà máy phía thượng lưu có thể là một phần rất lớn của nước chảy vào một hoặc nhiều nhà máy thủy điện phía hạ lưu)

Trên thế giới không thể có hai hệ thống thủy điện giống hệt như nhau Tất cả chúng khác nhau Những khác biệt đó là:

 Khác biệt về xả nước

 Về các yếu tố lưu trữ và xả do con người tạo ra để điều khiển dòng chảy

 Và rất nhiều loại khác biệt của tự nhiên cũng như các chế ngự của con người đối với hoạt động của các hệ thống thủy điện:

 Các hệ thống sông có thể tương đối đơn giản với vài nhánh, với những đập ngăn liên tiếp dọc theo sông Hệ thống sông có thể bao gồm hàng ngàn hecta, trải ra trên khu vực rộng lớn đa quốc gia, và bao gồm rất nhiều phụ lưu và sắp xếp phức tạp của các hồ chứa

 Các hồ chứa có thể được phát triển với khả năng lưu trữ rất lớn với một vài nhà máy phía thượng lưu dọc theo sông Ngoài ra, dòng sông có thể được phát triển với một số lượng lớn của các đập và hồ chứa có dung tích nhỏ Các hồ chứa phụ, các đập kiểm soát, các van,

và cả các hệ thống riêng biệt để bơm nước trở lại thượng nguồn

Do những khác biệt nêu trên, sự phối hợp hoạt động của các nhà máy thủy điện theo các điều kiện ràng buộc rất đa dạng, cụ thể là:

 Trong nhiều hệ thống thủy, sự phát ra năng lượng là chỉ là phụ so với việc kiểm soát hay điều chỉnh nước ngập, điều độ xả nước cho tưới tiêu

 Các trung tâm giải trí, du lịch có thể được xây dựng dọc theo bờ của một

hồ chứa lớn do đó mực nước chỉ có thể thay đổi nhỏ

 Nước xả trong một ḍng sông phải được kiểm soát tốt để tàu bè có thể đi lại vào mọi lúc

 Các sự thay đổi đột ngột, với dung lượng nước xả lớn, có thể bị cấm bởi

vì việc xả nước có thể tạo ra một làn sóng lớn đi về phía hạ lưu với các tác hại tiềm tàng

 Nước xả có thể được quyết định bởi quốc tế điều ước quốc tế

Do đó, hoạt động của các nhà máy thủy điện cần phải có sự phối hợp, tất nhiên, đòi hỏi phải có lịch trình xả nước cho các nhà máy thủy điện để giảm thiểu nguy cơ vi phạm bất kỳ các giới hạn thủy văn nêu trên

Ngoài các sự khác biệt trong vận hành, giữa nhiệt điện và thủy điện còn có sự khác biệt về chi phí vận hành Nhà máy nhiệt điện có chi phí vận hành cao hơn thủy điện do phải sử dụng nhiên liệu là dầu nhưng tổn thất truyền tải lại thấp hơn do ở gần các trung tâm phụ tải, trong khi đó các nhà máy nhiệt điện có chi phí vận hành

thấp nhưng tổn hao truyền tải cao do ở xa

Từ những sự khác biệt giữa nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện, việc điều phối vận hành giữa chúng cần được xem xét để vừa đạt được chất lượng điện năng, độ tin cậy vừa đảm bảo các điều kiện của hệ thống thủy của các nhà máy thủy điện, các điều kiện của chu trình nhiệt của các nhà máy nhiệt điện và đạt được chi

phí thấp nhất, ảnh hưởng môi trường thấp nhất

Bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện đã được thảo luận và đưa ra nhiều phương pháp giải với các giả thuyết, ràng buộc khác nhau Các phương pháp gồm:

 Phương pháp nới lỏng Lagrange

 Thuật toán gien

 Tối ưu hóa bầy đàn

 Lập trình tiến hóa

 Phương pháp Tabu

 Quy hoạch động

 Trí tuệ nhân tạo

 Chương trình phi tuyến điểm nội và thuật toán gien

 Mạng nơ ron nhân tạo

 Và còn nhiều phương pháp khác…v…v

1.2 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

Trong luận văn này sẽ khảo sát sự điều phối ngắn hạn thủy điện và nhiệt điện trong 1 ngày

1.3 Cách thức tiếp cận vấn đề của luận văn

 Khảo sát đặc tính đầu vào và đầu ra của tổ máy nhiệt điện

 Khảo sát đặc tính đầu vào và đầu ra của tổ máy thủy điện

 Khảo sát sự phân bố công suất tối ưu của một hệ thống điện gồm một nhà máy thủy điện liên kết với một hệ thống nhà máy nhiệt điện thông qua việc khảo sát cực tiểu hàm chi phí vận hành của hệ thống nêu trên, với điều kiện ràng buộc là phải thỏa mãn các đặc tính vào – ra (cho trước) của nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện

 Phương pháp khảo sát: Khảo sát bài toán điều phối kinh tế hệ thống thủy

nhiệt bằng phương pháp cổ điển (Lagrange), phương pháp gien (Genetic Algorithm) và phương pháp tối ưu hóa bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization)

1.4 Mục tiêu cần đạt đến của luận văn

Khảo sát sự điều phối tối ưu (điều phối ngắn hạn trong 1 ngày) công suất phát giữa nhà máy thủy điện và nhiệt điện

1.5 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Trong điều kiện nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tình trạng xả nước của các nhà máy thủy điện không hợp lý gây ra tình trạng lụt lội, ngập úng ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thì bài toán điều phối tối ưu công suất phát giữa nhà máy thủy điện và nhiệt điện sẽ giúp tiết kiệm được chi phí vận hành và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước

1.6 Bố cục luận văn

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Tối ưu hóa trong vận hành hệ thống điện

 Chương 3: Điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện

và nhiệt điện

Chương 4: Thuật toán Gien (Genetic Algorithm) và thuật toán tối ưu

hóa bầy đàn (PSO)

 Chương 5: Kết quả mô phỏng

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Giới thiệu

Một hệ thống điện được thiết kế và vận hành hợp lý phải thỏa mãn các yêu cầu

cơ bản sau đây [1]:

 Hệ thống điện phải có khả năng đáp ứng sự thay đổi liên tục của phụ tải Khác với các dạng năng lượng khác, điện năng không thể tích trữ với số lượng lớn, do đó một lượng dự trữ “quay” công suất tác dụng và công suất phản kháng phải luôn luôn được duy trì và điều khiển hợp lý

 Hệ thống điện phải cung cấp năng lượng với chi phí thấp nhất và ảnh hưởng môi trường thấp nhất

 Chất lượng cung cấp điện phải thỏa mãn các tiêu chuẩn tối thiểu liên quan đến các yếu tố sau đây:

 u: Vectơ biến điều khiển, tùy theo bài toán tối ưu biến điều khiển có thể có các dạng khác nhau như công suất phát của các máy phát, gía trị đặt của điện áp máy phát

 hmin: Vectơ giới hạn dưới của ràng buộc bất đẳng thức

 hmax: Vectơ giới hạn trên của ràng buộc bất đẳng thức

2.2 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa trong vận hành hệ thống điện

Hàm mục tiêu diễn tả mục đích của bài toán tối ưu hóa dưới dạng toán học Tùy thuộc bài toán tối ưu hóa, hàm mục tiêu có thể có các dạng khác nhau Sau đây

là một số dạng của hàm mục tiêu:

 Cực tiểu chi phí sản xuất

 Cực tiểu tổn thất công suất tác dụng trong lưới điện

 Cực đại dự trữ công suất phản kháng

 Cực đại khả năng truyền tải công suất tác dụng

 Cực tiểu ô nhiễm môi trường

 Cực tiểu độ lệch của các thông số so với giá trị hiện tại

 Cực tiểu số lượng các tác động điều khiển

2.3 Các ràng buộc của bài toán tối ưu hóa trong vận hành hệ thống điện

Có 2 dạng ràng buộc: Đẳng thức và bất đẳng thức

 Ràng buộc dạng đẳng thức là tập các phương trình phân bố công suất Dạng của phương trình tùy thuộc vào loại của nút: nút máy phát, nút tải

 Ràng buộc dạng bất đẳng thức là tập các hàm số biểu diễn các đại lượng bị ràng buộc giữa các giá trị giới hạn trên và giới hạn dưới của nó Ràng buộc bất đẳng thức có thể là một trong các dạng sau đây:

 Giới hạn nhiệt của các mạch truyền tải (đường dây, máy biến áp)

 Giới hạn trên và dưới của biên độ điện áp

 Công suất tác dụng cực đại và cực tiểu của máy phát

 Công suất phản kháng cực đại và cực tiểu của máy phát

 Công suất truyền tải cực đại trên một nhóm các đường dây

 Yêu cầu cực tiểu về dự trữ công suất tác dụng và công suất phản kháng

 Ràng buộc về môi trường

 Các giới hạn liên quan đến các thiết bị điều khiển

 Giới hạn liên quan đến sự khác biệt giữa biên độ điện áp hoặc góc pha giữa 2 nút

2.4 Các biến điều khiển của bài toán tối ưu hóa trong vận hành hệ thống điện

Ngoài các biến trạng thái (biên độ và góc pha của điện áp), người ta dùng các biến điều khiển Tùy theo dạng bài toán vá các thiết bị điều khiển sẵn có trong hệ thống điện, biến điều khiển có thể có các dạng sau:

 Công suất phát của các máy phát

 Công suất truyền tải giữa hệ thống có điều khiển và hệ thống lân cận

 Nấc phân áp của máy biến áp có đầu phân áp cố định

 Điện áp đặt đầu cực máy phát

 Điện áp đặt của các thiết bị bù công suất phản kháng tự động

CHƯƠNG 3 ĐIỀU PHỐI TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT GIỮA CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐIỆN

3.1 Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện

Một máy phát turbine lò hơi được phác họa như hình 3.1 [6]

Hình 3.1 Hệ thống máy phát-turbine-lò hơi

Hệ thống máy phát nhiệt điện bao gồm một lò hơi, turbine hơi và máy phát điện Đầu vào của lò hơi là nhiên liệu và đầu ra là dung tích hơi Mối liên hệ giữa giữa đầu vào và đầu ra có thể biểu diễn bằng một đường cong lồi Đầu vào của turbing- máy phát là thể tích hơi nước, và đầu ra là công suất điện Máy phát không chỉ nối lưới điện mà còn nối với hệ thống điện tự dùng của nhà máy Máy phát turbin hơi nước có thể yêu cầu 2-6% công suất ra của máy cho nhu cầu tự dùng để bơm nước lò hơi, quạt, bơm nước tuần hoàn cho bộ ngưng hơi, v.v

Máy phát

Lưới điện

Đặc tuyến vào-ra của toàn bộ hệ thống máy phát có thể đạt được bằng cách tổ hợp trực tiếp đặc tuyến vào- ra của lò hơi và đặc tuyến vào-ra của hệ turbine – máy phát Nó là đường cong lồi được biểu diễn như hình 3.2

Hình 3.2 Đặc tuyến vào – ra của máy phát

Đặc tuyến vào-ra của máy phát là một hàm phi tuyến

Các hệ số a, b, c được xác định bằng các phương pháp sau:

 Dựa vào thí nghiệm xác định hiệu suất của tổ máy

 Dựa vào các số liệu thống kê về việc vận hành của tổ máy

 Dựa vào thông số thiết kế của tổ máy do nhà sản xuất cung cấp

Khi có các tập thông số {Pgi(k), k=1,2,…} và {Ci(k), k=1,2,…K} của một tổ máy thứ I, các hệ số a,b,c được tính toán dựa trên nguyên lý bình phương tối thiểu (least square) Theo nguyên lý này, các hệ số được xác định sao cho tổng bình phương sai số là tối thiểu

2 2

1( ( ( )) ( ) ( ))

k

i gt i gt i i k





     → min (3.2)

3.2 Đặc điểm của nhà máy thủy điện

Mô hình một nhà máy thủy điện như minh họa trong hình 3.3 [6]

Hình 3.3 Các thành phần của nhà máy thủy điện

Một nhà máy thủy điện bao gồm một con đập ngăn nước, nhà máy thủy điện,

và kênh thoát nước hoặc ống thoát nước phía hạ lưu Năng lượng của nước ngăn bởi

đập chuyển đổi thành năng lượng điện là một hàm của độ cao của mặt nước hồ chứa so với mực nước cửa xả Mực nước tại cửa xả (afterbay) chịu ảnh hưởng của dòng chảy ra từ hồ chứa, bao gồm nước xả của nhà máy và nước xả tràn qua đầu đập tràn hoặc chảy tắt qua kênh dẫn nước (raceways) Trong điều kiện như lũ lụt,

tuyết tan vào mùa xuân, sự gia tăng mực nước ở cửa xả (afterbay) có thể có tác dụng có lợi và bất lợi đối với khả năng phát điện của nhà máy thủy điện

Để hiểu rõ các yêu cầu đối với hoạt động của các nhà máy thủy điện, người ta phải đánh giá những giới hạn hoạt động của các nguồn nước thông qua kiểm soát lũ, thuỷ sản, cấp nước, và các yêu cầu khác cũng như các đặc tính chuyển đổi năng lượng từ thế năng của nước lưu trữ biến đổi thành năng lượng điện

Công suất của nhà máy thủy điện phụ thuộc vào lưu lượng nước Q qua turbin

và chiều cao cột nước H:

P = 9.81QH (kW) (3.3)

Với:

Q: lưu lượng nước (m3/s)

H: chiều cao cột nước (m)

: hiệu suất, thông thườngkhoảng 70  90%

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của các nhà máy thủy điện là công suất tải (MW) Ở tải nhẹ, hiệu suất có thể giảm xuống dưới 70% (các phạm vi này thường bị hạn chế bởi các giới hạn rung động và xâm thực) và ở cửa xả nước mở hoàn toàn có thể tăng đến khoảng 87% Nếu sử dụng tốt nhất các tài nguyên nước thì vận hành nhà máy thủy điện tiến gần đến vị trí cửa xả có hiệu suất tốt nhất và gần mức thiết kế là cần thiết Điều này có nghĩa là đại lượng tải và sự kiểm soát mực nước hồ chứa (forebay) là cần thiết để sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên nước

Hình 3.4 Suất gia tăng nước so với sản lượng điện của máy phát

Hiệu suất nhà máy thủy điện còn bị ảnh hưởng của việc tăng xả nước ở phía cửa xả do tăng số tổ máy phát điện tại cùng một thời điểm Trong hình 3.4 là đường cong tổ hợp biểu diễn suất gia tăng nước so với sản lượng điện của bốn tổ máy vận hành tại nhà máy tác động lẫn nhau do sự gia tăng dòng chảy và gia tăng các tổn thất thủy lực ở cửa xả (afterbay) Phải thật lưu ý số lượng máy vận hành để đạt được công suất yêu cầu Một máy chạy ở hiệu suất tốt nhất sẽ thường sử dụng ít nước hơn

so với hai máy, mỗi máy chạy ở một nửa tải yêucầu

Các tổ máy thủy điện có các đặc điểm vào – ra tương tự như các tổ máy nhiệt điện Đầu vào là lưu lượng nước, đầu ra là công suất điện Hình 3.5 trình bày một đặc tuyến vào ra tiêu biểu của nhà máy thủy điện,

Hình 3.5 Đặc tuyến vào-ra của nhà máy thủy điện

Trong đó, mực nước hồ chứa là hằng số Đặc tuyến này biểu diễn đường cong của lưu lượng nước yêu cầu ở đầu vào đối với công suất điện ở đầu ra gần như là đường thẳng

Trong hình 3.6 trình bày đặc tuyến vào-ra của một nhà máy thủy điện có mực nước hồ chứa thay đổi

Khi hồ chứa có dung tích rất lớn, mực nước hồ chứa không thay đổi, hiệu suất

xả nước được xác định bởi biểu thức cấp hai sau:

qxi = x 2

Hi

P + yPHi + z (m3/MWh) (3.4) Trong đó x, y, z là các hệ số xả nước của nhà máy thủy điện

Như vậy với lưu lượng nước xả qua tua bin ta có thể tính được công suất phát

ra trong khoảng thời gian này là bao nhiêu Từ biểu đồ lưu lượng nước về và lượng nước còn lại trong hồ sau ngày trước đó, người vận hành thủy điện có được chế độ điều tiết lượng nước như kế hoạch đã đề ra Tổng lượng nước xả trong ngày được tính và xem như nó là dữ kiện đầu vào của bài toán

Hình 3.6 Đặc tuyến vào-ra của một nhà máy thủy điện

có mực nước hồ chứa thay đổi

Có thể phân biệt bốn loại thủy điện sau:

- Thủy điện loại dòng chảy không có hồ chứa hoặc hồ chứa có dung tích rất nhỏ Công suất của thủy điện phụ thuộc hoàn toàn vào dòng chảy của sông suối và không có khái niệm phân bố công suất tối ưu đối với loại thủy điện này

- Thủy điện độc lập có hồ chứa dung tích lớn Với loại thủy điện này phải xét vấn đề điều tiết lượng nước và phân bố công suất tối ưu

- Hệ thống nhiều thủy điện bậc thang trên cùng một dòng song, các thủy điện này phụ thuộc lẫn nhau và mỗi thủy điện có thể có một hồ chứa riêng Bài toán điều tiết và phân bố công suất tối ưu cho các thủy điện loại này rất khó khăn vì chúng có liên hệ cả về thủy năng và điện năng

- Thủy điện tích năng có hồ chứa trên và hồ chứa dưới Trong thời gian thấp điểm, thủy điện nhận điện để bơm nước từ hồ bên dưới lên hồ bên trên và thủy điện

sẽ phát điện trong giờ cao điểm

3.3 Sự cần thiết của việc điều phối kinh tế hệ thống thủy điện và nhiệt điện

Chi phí hoạt động của nhà máy nhiệt điện là rất cao, mặc dù chi phí vốn đầu tư cho nhà máy nhiệt điện là thấp Ngược lại, chi phí sản xuất của nhà máy thủy điện

thấp nhưng chi phí vốn cao Vì vậy, nó đã trở nên kinh tế như cũng thuận lợi khi có nhà máy nhiệt và thủy điện trong cùng một lưới Nhà máy thủy điện có thể khởi động một cách nhanh chóng với có độ tin cậy cao hơn và tốc độ đáp ứng lớn hơn

Do đó nhà máy thủy điện có thể cung cấp cho phụ tải thay đổi Nhưng sự khởi động của nhà máy nhiệt điện là chậm và tốc độ đáp ứng chậm Thông thường, các nhà máy nhiệt điện cung cấp điện cho các phụ tải nền (phụ tải không có dao động công suất) trong khi các nhà máy thủy điện cung cấp điện cho các phụ tải đỉnh

Tối thiểu chi phí sản xuất điện năng là mục tiêu của việc phân bố tối ưu nguồn phát trong hệ thống điện, bao gồm:

3.3.1 Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành

Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành bao gồm:

- Ưu tiên tăng lượng công suất phát ra tại các nhà máy nhiệt điện gần phụ tải nhằm giảm tổn hao truyền tải dẫn đến giảm chi phí tiêu hao nhiên liệu trong toàn hệ thống

- Ưu tiên tăng lượng công suất phát ra tại các nhà máy nhiệt điện có tiêu hao nhiên liệu thấp

- Triệt để sử dụng nguồn nước của nhà máy thủy điện, giảm đến nhỏ nhất lượng nước xả không qua tuabin

- Phối hợp sử dụng nước của nhà máy thủy điện với sử dụng các nhà máy nhiệt điện và phối hợp giữa các nhà máy nhiệt điện với nhau sao cho chi phí sản xuất điện năng là nhỏ nhất

Kế hoạch vận hành hệ thống điện được thực hiện như sau:

- Lập kế hoạch khai thác các thủy điện cho năm, lượng nước sử dụng trong từng tháng sau đó cho từng tuần lễ

- Lập kế hoạch vận hành chi tiết cho từng tuần lễ gồm: thành phần tổ máy tham gia vận hành, lượng nước sử dụng trong tuần, trong ngày, trong giờ

- Lập kế hoạch vận hành ngày đêm bằng cách xác định công suất phát từng giờ của từng nhà máy tham gia vận hành, kế hoạch ngừng và khởi động lại

Kế hoạch được lập trên cơ sở dự báo nước về các hồ chứa và dự báo phụ tải dài hạn, ngắn hạn

Kế hoạch sản xuất bao gồm cả kế hoạch bảo dưỡng định kỳ các tổ máy trong năm

Để lập được các kế hoạch trên có hai bài toán cơ sở phải sử dụng thường xuyên là phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy nhiệt điện và phân bố tối ưu

công suất giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện

3.3.2 Giảm tổn thất điện năng

Giảm tổn thất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong vận hành lưới điện Giảm tổn thất điện năng bao gồm các biện pháp cần thêm vốn đầu tư và các biện pháp không cần vốn đầu tư Có những biện pháp thực hiện một lần khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện như chọn dây dẫn chống tổn thất vầng quang; có biện pháp được chuẩn

bị trong quy hoạch thiết kế và được thực hiện trong vận hành như phân bố tối ưu

công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp

Các mục tiêu trên được thực hiện bằng cách:

- Qui hoạch thiết kế hệ thống điện với các chế độ kinh tế nhất và có đủ các trang thiết bị cần thiết để điều khiển các chế độ vận hành

- Trong vận hành, lập kế hoạch vận hành đúng đắn và thực hiện được kế hoạch

đó

3.4 Điều phối công suất phát giữa các nhà máy nhiệt điện và thủy điện

Việc điều phối hệ thống thủy- nhiệt điện thường phức tạp hơn vận hành kinh

tế của hệ thống mà toàn bộ máy phát là nhiệt điện Tất cả các hệ thống thủy đều không giống nhau do các đường phân nước trong tự nhiên khác nhau, khác nhau trong việc lưu trữ nước và các bộ phận điều tiết dòng chảy của con người, và rất nhiều loại khác nhau của tự nhiên và các ràng buộc của con người đặt ra đối với các

hệ thống thủy điện Sự điều phối vận hành của các nhà máy thủy điện liên quan đến lịch trình xả nước Theo lịch trình, hệ thống thủy có thể được chia ra thành lịch trình ngắn hạn hay dài hạn [5]-[ 6]

Lịch trình ngắn hạn căn cứ vào khoảng thời gian từ một ngày đến một tuần

Nó liên quan đến lịch trình hàng giờ của tất cả các máy phát của hệ thống thủy nhiệt điện để đạt được chi phí sản xuất thấp nhất (hay tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất) trong khoảng thời gian cho trước

Vấn đề căn bản của bài toán điều phối ngắn hạn thủy nhiệt điện là sử dụng khối lượng nước cho trước của nhà máy thủy điện để tối thiểu chi phí vận hành của nhà máy nhiệt điện

F T: Hàm chi phí sản xuất tổng

P T (j,t): Công suất phát của tổ máy nhiệt điện j trong khoảng thời gian t

F j (P T (j,t)): Chi phí sản suất để tạo ra công suất P T (j,t)

N: Số lượng tổ máy nhiệt điện

T: Số lượng các khoảng thời gian

Hàm chi phí của tổ máy nhiệt điện được biểu diễn như sau:

M: số lượng các tổ máy thủy điện

P H (i,t): Công suất phát của tổ máy thủy điện i ở khoảng thời gian t

P D (t): Phụ tải hệ thống yêu cầu ở khoảng thời gian t

P L (t): Tổng tổn thất của hệ thống ở khoảng thời gian t

 Tổn thất của hệ thống được biểu diễn bởi phương trình (công thức tổn thất Kron) như sau:

Trong đó,

min( )

T

P j : Công suất phát nhỏ nhất đối với tổ máy nhiệt điện j

max( )

T

P j : Công suất phát lớn nhất đối với tổ máy nhiệt điện j

min( )

H

P i : Công suất phát nhỏ nhất đối với tổ máy thủy điện i

max( )

3.4.2.3 Tổng số nước xả

1

T tot

V(i,t): Thể tích nước của hồ chứa i ở cuối khoảng thời gian t

q(i,t): Định mức nước xả của tổ máy thủy điện i suốt khoảng thời gian t

r(i,t): Định mức nước chảy vào hồ chứa i trong khoảng thời gian t

s(i,t): Định mức nước xả tràn của hồ chứa i trong khoảng thời gian t

n t : Độ dài khoảng thời gian t

3.4.2.5 Định mức xả nước

Giới hạn dòng chảy qmin  q i t ( , )  qmax (3.13)

r(i,t)

q(i,t) V(i,t)

s(i,t)

đa có thể xả ra ngoài trong khoảng thời gian Tmax (giờ)

3.5 Điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện

sử dụng phương pháp Lagrange

3.5.1 Bỏ qua tổn thất hệ thống

0min [ ( )]

T T

s

k k

Phương trình (3.31) là nguyên tắc gia tăng cân bằng của việc điều phối kinh tế

hệ thống thủy nhiệt điện Có nghĩa là khi nhà máy nhiệt điện gia tăng công suất đầu

ra một lượng ∆P, sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu sẽ là:

W

 (3.34) Trong đó  Là hệ số biến đổi nước tiêu thụ thành nhiên liệu Nói cách khác, lượng nước tiêu thụ của một nhà máy thủy điện nhân với  sẽ bằng với nhiên liệu tiêu thụ của một nhà máy nhiệt điện Do vậy nhà máy thủy điện tương đồng với nhà máy nhiệt điện

Nói chung, giá trị của  liên quan đến lượng nước tiêu thụ cho trước của một nhà máy thủy điện trong một khoảng thời gian (ví dụ 1 ngày) Nếu lượng nước tiêu thụ lớn, nhà máy thủy điện có thể tạo ra công suất đầu ra lớn hơn để cân bằng với công suất tải Trong trường hợp này, giá trị  nhỏ hơn sẽ được chọn Ngược lại, giá trị  sẽ được chọn Thủ tục tính toán của điều phối kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện như sau:

tất cả các khoảng thời gian theo phương trình (3.30)

nước tiêu thụ cho trước hay không, nghĩa là:

Nếu W k ( )  W có nghĩa là  đã được chọn quá lớn Đặt



 tổng số nước xả (3.38) Trong đó nk là thời lượng của khoảng thời gian thứ k (3.39)

Khi có xét đến tổn thất hệ thống, phương trình (3.22) trở thành:

, k=1,2,…,s (3.40)

(3.41) Điều kiện cần đối với cực trị của hàm Lagrange là

đó ε1 và ε2 lần lượt là sai số của điều kiện cân bằng tải và cân bằng nước

Sử dụng phương pháp Lagrange là phương pháp để giải bài toán điều phối

tối ưu công suất phát giữa nhà máy nhiệt điện và thủy điện sẽ rất phức tạp khi hệ

Chọn các giá trị ban đầu cho

dP  P 



 ( Hk) Lk

Hk Hk

dq P P n

s

k k k

Tìm được qk(PHk)

Sai

Đúng

Sai Đúng

Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật cho bài toán điều phối tối ưu công suất phát giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện có xét đến tổn thất hệ thống

thống có nhiều nhà máy nhiệt điện và thủy điện vì khi đó số lượng nhân tử Lagrange sẽ tăng lên và sau mỗi bước lặp phải kiểm tra điều kiện nước xả và hiệu chỉnh các hệ số γi (i=1 n, n là số lượng nhà máy thủy điện) của từng nhà máy thủy điện Việc hiệu chỉnh tăng hay giảm giá trị của các hệ số γi cũng tùy thuộc vào lượng nước xả cho phép của từng nhà máy thủy điện Từ các nhận xét trên, ta thấy rằng, hai thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) và PSO (Tối ưu hóa bầy đàn - Particle Swarm Optimization) là hai thuật toán có cơ chế tìm kiếm rất phù hợp (chương 4) để giải quyết bài toán điều phối công suất phát tối ưu