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

Các công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 2 Đồng Nai 3 Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5 là một nhóm các nhà máy trên lưu vực sông Đồng Nai Việc khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang thủy điện sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống Đề tài nghiên cứu lập mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện trên cùng một dòng sông Thành lập bài toán vận hành tối ưu cụ thể với thời gian khảo sát là ngày tuần năm cho các Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4 dựa trên mục tiêu cực đại doanh thu trong Thị trường điện với các ràng buộc bảo đảm đặc tính kỹ thuật nhà máy đặc tính vận hành hồ chứa lưu lượng tối thiểu và mức nước tối thiểu tối đa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai Giới thiệu phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải bài toán vận hành tối ưu Sử dụng phần mềm MATLAB xây dựng chương trình tính toán cho bài toán phân bố tối ưu công suất cho cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai trong thị trường điện phát điện cạnh tranh cụ thể là Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4 Kết quả chương trình tính toán thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của bài toán vận hành tối ưu các nhà máy Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4 có tính ứng dụng thực tiễn trong việc lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn phục vụ cho công tác chào giá hàng ngày trên thị trường điện

TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số : 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TẤN VINH

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Nguyễn Hữu Có

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN

BẬC THANG TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI

Học viên: Nguyễn Hữu Có Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa:33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

- Tóm tắt - Các công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và

Đồng Nai 5 là một nhóm các nhà máy trên lưu vực sông Đồng Nai Việc khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang thủy điện sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống Đề tài nghiên cứu lập mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện trên cùng một dòng sông Thành lập bài toán vận hành tối ưu cụ thể với thời gian khảo sát là ngày, tuần, năm cho các Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4, dựa trên mục tiêu cực đại doanh thu trong Thị trường điện với các ràng buộc bảo đảm đặc tính kỹ thuật nhà máy, đặc tính vận hành hồ chứa, lưu lượng tối thiểu và mức nước tối thiểu/tối đa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai Giới thiệu phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải bài toán vận hành tối ưu Sử dụng phần mềm MATLAB xây dựng chương trình tính toán cho bài toán phân bố tối ưu công suất cho cụm nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai trong thị trường điện phát điện cạnh tranh, cụ thể là Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4 Kết quả chương trình tính toán thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của bài toán vận hành tối ưu các nhà máy Đồng Nai 3 và Đồng Nai 4, có tính ứng dụng thực tiễn trong việc lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn phục vụ cho công tác chào giá hàng ngày trên thị trường điện

Từ khóa – Nhà máy thủy điện; thị trường phát điện cạnh tranh; quy hoạch tuyến tính; ràng

buộc; tối ưu

OPERATIONAL CALCULATION OF OPTIMAL OPERATIONS FOR THE COASTAL HYDROLOGY SYSTEM IN THE DONG NAI RIVER Abstract - The Dong

Nai 2, Dong Nai 3, Dong Nai 4 and Dong Nai 5 hydropower plants are a group of factories in the Dong Nai river The optimal exploitation of water resources on the hydropower step will lead to optimum exploitation of the system Research project to model optimal operation of hydropower ladder on the same river Established the optimal operation problem with the time of day, week, and year for Dong Nai 3 and Dong Nai 4 hydropower plants, based on the maximum revenue target in the electricity market with clear Assuring the plant's technical characteristics, reservoir operation characteristics, minimum flow and minimum / maximum water levels according to inter-reservoir operation procedures in the Dong Nai river basin Introduce linear planning method to solve the optimal operation problem Using MATLAB software to calculate the optimal distribution problem for the hydroelectric ladder of Dong Nai River in the competitive generation market, namely Dong Nai 3 and Dong Nai hydropower plants 4 The results of the calculation program satisfy the constraints of the optimum operation problem of Dong Nai 3 and Dong Nai 4 plants, which have practical application in short-term and long-term planning Daily Deals on the competitive generation market

Key words - hydropower plants ; competitive generation market ; condition; linear

programming; Optimal

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Đặt tên đề tài 2

7 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẬC THANG THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐỒNG NAI VÀ THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN 3

CẠNH TRANH HIỆN NAY 3

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI 3

1.1.1 Khái quát về các đặc điểm địa lý thủy văn 3

1.1.2 Khí tượng 3

1.1.3 Thủy văn 4

1.1.4 Nhiệt độ không khí 4

1.1.5 Độ ẩm 4

1.1.6 Mưa 4

1.1.7 Dòng chảy 5

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 VÀ ĐỒNG NAI 46 1.2.1 Tổng quan 6

1.2.1.1 Nhiệm vụ công trình 6

1.2.1.2 Đặc điểm công trình 6

1.2.1.3 Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4 7

1.2.2 Đặc tính vận hành hồ chứa 10

1.2.3 Đặc tính vận hành Turbine 11

1.2.3.1 Đặc tính vận hành turbine Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 11

1.2.3.2 Đặc tính vận hành turbine và máy phát NMTĐ Đồng Nai 4 11

1.3 THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH VIỆT NAM HIỆN NAY 12

1.3.1 Cơ cấu thị trường điện 12

1.3.2 Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ 13

1.3.3 Thống kê, đánh giá ảnh hưởng của các thông số TTĐ 15

1.3.3.1 Giá trần TTĐ 15

1.3.3.2 Giá điện năng thị trường SMP 15

1.3.3.3 Giá công suất CAN 16

1.3.3.4 Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng (vesting): 17

1.4 KẾT LUẬN 17

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG THỦY ĐIỆN19 2.1 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN BẬC THANG 19

2.2 MỤC TIÊU XÂY DỰNG BÀI TOÁN 19

2.3 MÔ HÌNH BÀI TOÁN 19

2.3.1 Ký hiệu sử dụng trong mô hình bài toán 19

2.3.2 Hàm mục tiêu 20

2.3.3 Thời gian khảo sát 20

2.3.4 Các giả thiết khi xây dựng bài toán 20

2.3.5 Các ràng buộc 21

2.3.5.1 Đặc tính phát của nhà máy 21

2.3.5.2 Phương trình cân bằng nước của hồ chứa 23

2.3.5.3 Giới hạn dung tích hồ chứa 24

2.3.5.4 Giới hạn lượng nước qua nhà máy 24

2.3.5.5 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du theo Quy trình liên hồ 25

2.3.5.6 Giới hạn công suất phát của nhà máy 25

2.3.5.7 Giới hạn mức nước tối thiểu/tối đa từng tháng theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai 25

2.4 LỰA CHỌN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA 25

CHƯƠNG 3 GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3, 4 27

3.1 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NĂM 27

3.2 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH TUẦN 28

3.3 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NGÀY 28

3.4 PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH 29

3.4.1 Phương pháp đơn hình 30

3.4.2 Phương pháp điểm trong 35

3.4.2.1 Xác định hướng giảm 35

3.4.2.2 Thành phần hướng tâm 36

3.4.2.3 Phương pháp căn chỉnh affine 36

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 38

4.1 LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NĂM 38

4.1.1 Dữ liệu đầu vào 38

4.1.2 Đặc tính thể tích hồ chứa 38

4.1.2.1 Thông số ban đầu của hồ chứa 41

4.1.2.2 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa 41

4.1.2.3 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/lớn nhất qua nhà máy 42

4.1.2.4 Thông số về đặc tính phát của các nhà máy 42

4.1.2.5 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du 43

4.1.2.6 Giới hạn mức nước tối thiểu và mức nước tối đa tháng 43

4.1.2.7 Giá điện thanh toán dự báo của thị trường 43

4.1.3 Dữ liệu đầu ra 44

4.2 LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH TUẦN 44

4.2.1 Dữ liệu đầu vào 44

4.2.1.1 Đặc tính thể tích hồ chứa 44

4.2.1.2 Thông số ban đầu của hồ chứa 44

4.2.1.3 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa 44

4.2.1.4 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy 45

4.2.1.5 Thông số về đặc tính phát của các nhà máy 45

4.2.1.6 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du 46

4.2.1.7 Giá điện thanh toán dự báo của thị trường 46

4.2.2 Dữ liệu đầu ra 47

4.3 LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NGÀY 47

4.3.1 Dữ liệu đầu vào 47

4.3.1.1 Đặc tính thể tích hồ chứa 47

4.3.1.2 Thông số ban đầu của hồ chứa 47

4.3.1.3 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ chứa 48

4.3.1.4 Thông số lưu lượng nhỏ nhất/ lớn nhất qua nhà máy 49

4.3.1.5 Thông số về đặc tính phát của các nhà máy 49

4.3.1.6 Lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du 49

4.3.1.7 Giá điện thanh toán dự báo của thị trường 50

4.3.2 Dữ liệu đầu ra 51

4.4 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 51

4.5 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 53

4.5.1 Kế hoạch năm 53

4.5.2 Diễn biến dung tích hồ theo thời gian 55

4.5.3 Kế hoạch tuần 56

4.5.3.1 Kết quả phân bố tối ưu công suất từng ngày cho các nhà máy được trình bày ở Bảng 4-29 và Hình 4-5 56

4.5.3.2 Diễn biến mức nước các hồ chứa theo từng ngày 57

4.5.3.4 Doanh thu từng ngày của các nhà máy 58

4.5.4 Kế hoạch ngày 58

4.5.4.1 Kết quả phân bố tối ưu công suất từng giờ cho các nhà máy được trình

bày ở Bảng 4-33 và Hình 4-8 58

4.5.4.2 Diễn biến mức nước các hồ chứa theo từng giờ 60

4.5.4.4 Doanh thu từng giờ của các nhà máy 62

4.6 KẾT LUẬN 63

KẾT LUẬN 64

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒN G, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN.

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Đặc trưng địa lý thủy văn 3 1.2 Đặc trung thủy văn các trạm lưu vực sông Đồng Nai 5 1.3 Thông số các công trình trên sông Đồng Nai 5 1.4 Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng

1.7 Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng 17 4.1 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Đồng Nai 3 nội suy 39 4.2 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Đồng Nai 4 nội suy 40 4.3 Thông số ban đầu của hồ chứa 41 4.4 Lưu lượng về tháng của các nhà máy (m3/s) 41 4.5 Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy 42 4.6 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 42 4.7 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 42 4.8 Bảng lưu lượng tối thiểu cấp nước hạ du 43 4.9 Mức nước tối thiểu từng tháng của các nhà máy (m) 43 4.10 Mức nước tối đa từng tháng của các nhà máy (m) 43 4.11 Giá điện thanh toán năm dự báo 43 4.12 Thông số ban đầu của hồ chứa 44 4.13 Lưu lượng về ngày của các nhà máy (m3/s) 45 4.14 Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy 45 4.15 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 46 4.16 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 46 4.17 Lưu lượng tối thiểu ngày cấp cho hạ du 46 4.18 Giá điện thanh toán ngày dự báo 47 4.19 Thông số ban đầu của hồ chứa 48 4.20 Lưu lượng về ngày của các nhà máy (m3/s) 48 4.21 Thông số lưu lượng tối thiểu/tối đa qua nhà máy 49 4.22 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 3 49 4.23 Thông số đặc tính phát nhà máy Đồng Nai 4 49 4.24 Giá điện thanh toán ngày dự báo 50 4.25 Phân bố tối ưu công suất tháng cho các nhà máy (MW) 53 4.26 Diễn biến mức nước từng tháng các hồ chứa (m) 54 4.27 Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) 55 4.28 Doanh thu của từng tháng các nhà máy (triệu đồng) 56

Số hiệu Tên bảng Trang

4.29 Phân bố tối ưu công suất tuần cho các nhà máy (MW) 56 4.30 Diễn biến mức nước từng ngày các hồ chứa (m) 57 4.31 Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) 58 4.32 Doanh thu của từng ngày các nhà máy (triệu đồng) 58 4.33 Phân bố tối ưu công suất giờ cho các nhà máy (MW) 58 4.34 Diễn biến mức nước từng giờ các hồ chứa (m) 60 4.35 Diễn biến dung tích các hồ chứa (106 m3) 61 4.36 Doanh thu của từng giờ các nhà máy (triệu đồng) 62

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Biểu đồ điều tiết hồ chứa Đồng Nai 3 10 1.2 Đặc tính vận hành turbine NMTĐ Đồng Nai 3 11 1.3 Đặc tính vận hành máy phát NMTĐ Đồng Nai 3 11 1.4 Đặc tính vận hành turbine NMTĐ Đồng Nai 4 12 1.5 Đặc tính vận hành máy phát thủy điện Đồng Nai 4 12 1.6 Cơ cấu công suất đặt theo loại hình tham gia TTĐ 13 1.7 Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ 14 1.8 Cơ cấu tham gia TTĐ của các loại hình nhà máy 14 1.9 Giá điện năng thị trường SMP 16

2.1 Mô hình thủy điện bậc thang 19 2.2 Đường cong hiệu suất của nhà máy 22 2.3 Tuyến tính hóa đường cong hiệu suất 22 4.1 Đặc tính thể tích hồ Đồng Nai 3 40

4.3 Phân bố tối ưu công suất tháng 54 4.4 Diễn biến mức nước hồ các tháng 55 4.5 Phân bố tối ưu công suất tuần 57 4.6 Diễn biến mức nước hồ các ngày trong tuần 57 4.7 Phân bố tối ưu công suất từng giờ 59

4.8 Diễn biến mức nước hồ các giờ trong ngày hồ Đồng Nai

4.9 Diễn biến mức nước hồ các giờ trong ngày hồ Đồng Nai

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

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

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

Cụm các nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và Đồng Nai 5

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

ty phát điện nói riêng

Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, việc nghiên cứu toán vận hành tối ưu cho

hệ thống các nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Đồng Nai là vấn đề cần thiết

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

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

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

* Đối tượng nghiên cứu

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

* Phạm vi nghiên cứu

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

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

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

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

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

- Xây dựng hàm mục tiêu là cực đại doanh thu trong thị trường điện vào cuối thời

gian khảo sát với các ràng buộc về mức nước mục tiêu, công suất phát… của các nhà máy thủy điện trên cùng bậc thang

- Ứng dụng thuật toán phù hợp để giải bài toán vận hành tối ưu trong kế hoạch vận hành ngày, tuần, năm hệ thống bậc thang thủy điện

- Xây dựng chương trình để giải bài toán vận hành tối ưu ngắn hạn và dài hạn hệ thống bậc thang thủy điện

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Xây dựng phương pháp tính toán để đưa ra chiến lược vận hành tối ưu về kỹ thuật cũng như kinh tế của các nhà máy thủy điện trên dòng sông Đồng Nai Qua đó, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của các Công ty Thủy điện trong Thị trường điện

6 ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI

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

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

7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn này gồm có 5 chương:

Chương 1 Tổng quan hệ thống bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai và Thị trường phát điện cạnh tranh hiện nay

Chương 2 Mô hình vận hành tối ưu bậc thang thủy điện

Chương 3 Giải bài toán phân bố tối ưu công suất cho Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3&4

Chương 4 Chương trình tính toán

Chương 5 Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẬC THANG THỦY ĐIỆN TRÊN

SÔNG ĐỒNG NAI VÀ THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN

CẠNH TRANH HIỆN NAY

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI

1.1.1 Khái quát về các đặc điểm địa lý thủy văn

Lưu vực sông Đồng Nai nằm trong khu vực khống chế bởi tọa độ 11000’ -

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

(không kể vùng châu thổ sông Đồng Nai), chiều dài 476 km

và độ hạ thấp khoảng 2000m

Sông Đồng Nai là một trong những con sông lớn nhất ở miền nam Việt Nam, bắt nguồn từ cao nguyên Lang Biang có độ cao khoảng 2000m và chảy vào biển Đông ở cửa Soài Rạp – Gò Công

Địa hình lưu vực sông Đồng Nai tương đối phức tạp, phần lớn diện tích lưu vực đều nằm trên cao nguyên Bảo Lộc có độ cao từ 1000 – 1500m Trong khi đó lòng sông thường có độ cao thấp hơn rất nhiều (400 m – 1200m), điều này chứng tỏ mức độ cắt

xẻ của lòng sông rất mạnh Một phần diện tích nằm trong vùng địa hình chuyển tiếp với cao nguyên có độ cao giảm nhanh tạo thành sườn đón gió Tây Nam gây mưa lớn trong khu vực này

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

Bảng 1.1 Đặc trưng địa lý thủy văn

1 Diện tích lưu vực (Có và không có Đại Ninh) km2 4374/2441

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

4 Độ cao trung bình của lưu vực m 1325

5 Độ dốc trung bình của sông % 8,8

quan trắc từ năm 1949 nhưng đa số tài liệu đã bị thất lạc

Phần trung và hạ lưu có trạm khí tượng Bảo Lộc, trạm khí tượng Đắk Nông, trạm

đo mưa Di Linh và trạm đo mưa Tà Lài

1.1.3 Thủy văn

Trên hệ thống dòng chính sông Đồng Nai có một số trạm thủy văn cơ bản là trạm thủy văn Thanh Bình, Dran, Đại Ninh, Đăk Nông và Tà Lài, trong đó các trạm thủy văn Thanh Bình, Đăk Nông và Tà Lài là trạm quan trắc mực nước và đo lưu lượng thường xuyên Độ tin cậy của tài liệu quan trắc cao

Nhìn chung hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Đồng Nai phân bố không đều, đặc biệt là hệ thống quan trắc thủy văn Các trạm chủ yếu đặt tại các phụ lưu, nơi gần đường giao thông, trong khi đó trên dòng chính của sông Đồng Nai đoạn từ Đại Ninh đến Tà Lài khoảng 7000 km2 không có một trạm quan trắc thủy văn nào

1.1.4 Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ trung bình hàng năm của không khí khá ổn định, dao động trong khoảng

từ 17,30C – 18,70C (Đà Lạt), 21,00C – 21,90C (Liên Khương), 21,80C – 23,60C (Đăk Nông)

Nhiệt độ trung bình hàng tháng thay đổi từ 15,80C – 19,40C (Đà Lạt), 19,40C – 22,80C (Liên Khương), 20,20C – 24,40C (Đăk Nông) Nhiệt độ trong ngày biến đổi lớn hơn nhiều, đặc biệt trong các tháng mùa khô biên độ nhiệt độ ngày đếm có thể lên tới

từ 100C – 120C

Tháng lạnh nhất thường là tháng 12 và tháng 1 Tháng nóng nhất thường là tháng

3, 4, 5

1.1.5 Độ ẩm

Giá trị trung bình năm, tháng của độ ẩm không khí trên lưu vực khá ổn định Trị

số độ ẩm tương đối trung bình tháng trong mùa mưa thay đổi từ 80 – 90%, trong mùa khô từ 70 – 80% Độ ẩm tương đối lớn nhật xảy ra vào thời kỳ mùa mưa với giá trị cực đại là 100%

Độ ẩm tương đối thấp xuất hiện vào thời kỳ mùa mưa với giá trị nhỏ nahats trong thời kỳ quan trắc là 3% (Đà Lạt), 5% (Liên Khương), 13% (Đăk Nông)

1.1.6 Mưa

Nằm trong vùng nhiệt đới, lưu vực chịu ảnh hưởng chính của hai cơ chế gió mùa: Gió mùa mùa hạ và gió mùa mùa đông, nên mưa được phân thành hai mùa rõ rệt, mùa mưa trùng với gió mùa mùa hạ (Tây Nam) từ tháng 7 đến tháng 11, mùa khô từ tháng

12 đến tháng 6 năm sau

Lượng mưa trong mùa mưa chiếm 80 – 90% lượng mưa toàn năm, số ngày mưa trong các tháng mùa mưa từ 24 – 30 ngày

1.1.7 Dòng chảy

Dòng chảy trong năm của sông Đồng Nai tương đối phức tạp: phần diện tích phía Đông Bắc (lưu vực sông Đa Nhim tại Đran) có mùa lũ từ tháng IX đến tháng XII, phần còn lại chủ yếu có mùa lũ từ tháng VII đến tháng XI Nếu công trình Đa Nhim và Đại Ninh không chuyển nước thì phân phối dòng chạy năm sẽ là kiểu tổ hợp của hai chế độ dòng chảy kể trên và có mùa lũ từ tháng VII đến giữa tháng XI, tháng VI, XII được coi

là các tháng chuyển tiếp từ mùa kiệt sang mùa lũ Nhưng do hai công trình Đa Nhim

và Đại Ninh đã chuyển nước sang lưu vực khác, nên chế độ dòng chảy trên dòng chính sông Đồng Nai có mùa lũ từ tháng VII đến tháng XI và tháng chuyển tiếp là tháng VI Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm thủy văn Tà Lài và Đran được tổng hợp như Bảng 1.2 và Bảng 1.3

Bảng 1.2 Đặc trung thủy văn các trạm lưu vực sông Đồng Nai

(nguồn TĐĐN) Bảng 1.3 Thông số các công trình trên sông Đồng Nai

Các chỉ

tiêu Đơn vị Đa

Nhim Đại Ninh Đồng

Nai 2

Đồng Nai 3

Đồng Nai 4

Đồng Nai 5

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 VÀ ĐỒNG NAI 4

Công trình thủy điện Đồng Nai 3&4 nằm trên 02 tỉnh Lâm Đồng và Đăk Nông Lưu vực sông Đồng Nai đến vị trí tuyến đập có diện tích 2.541km2

vùng hồ của thuỷ điện Đồng Nai 3, số lượng và mật độ dân cư thấp

1.2.1 Tổng quan

1.2.1.1 Nhiệm vụ công trình

Công trình có nhiệm vụ chính là phát điện lên lưới Quốc gia với công suất của nhà máy Đồng Nai 3 là 180MW, Đồng Nai 4 là 340 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.715 triệu kWh

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

- Góp phần giảm lũ cho hạ du;

- Góp phần tưới tiêu cho hạ du;

- Đảm bảo hiệu quả phát điện

1.2.1.2 Đặc điểm công trình

 Hồ chứa

Hồ chứa nằm trên sông Đồng Nai, có nhiệm vụ:

Tích nước thông qua đập chính để phát điện và điều tiết nước

Điều tiết và phân phối lượng nước theo đúng các quy định và bảo đảm yêu cầu,

an toàn cho vùng hạ du

 Đập tràn

Đập tràn có nhiệm vụ điều tiết mực nước trong hồ theo các quy trình vận hành hồ chứa và được bố trí ở phần giữa lòng sông của tuyến đập Đập tràn có năm khoang được ngăn cách bởi các trụ Pin Tại đập tràn có bố trí các cửa van cung và phai sửa chữa van cung

Trên đập tràn có nhà vận hành trung tâm đập tràn, từ đây có thể đóng/mở các cửa van cung đập tràn cũng như theo dõi hệ thống quan trắc đập và các thông số của hồ chứa

 Kênh dẫn và cửa lấy nước

Kênh dẫn nước là kênh đào

Cửa lấy nước là công trình đầu tiên trong tuyến năng lượng dẫn nước vào nhà máy, nó trực tiếp lấy nước từ hồ chứa vào nhà máy

Cửa lấy nước được bố trí gần tuyến đập, có dạng tháp, kết cấu bằng bê tông cốt thép Đầu vào cửa lấy nước có hai khoan được thiết kế theo dạng êlip để giảm thiểu tổn thất thủy lực và không gây ra xoáy ở cửa vào

Tại cửa lấy nước có bố trí: lưới chắn rác, van vận hành, van sửa chữa và cầu trục chân dê, ngoặm vớt rác

 Đường hầm áp lực

Đường hầm áp lực nối với cửa lấy nước đi ngầm trong lòng núi nối với tháp điều

áp (nếu có) và đường ống áp lực

Hầm được thiết kế với bê tông cốt thép và bê tông có lót thép

Có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa vào đường ống áp lực đồng thời tạo thêm cột

áp do độ dốc của đường hầm

 Đường ống áp lực

Đường ống áp lực là kiểu kín ở trong lòng đất, nối từ đoạn cuối của đường hầm

áp lực vào 2 tổ máy trong nhà máy Đường ống bố trí với độ dốc lớn, chịu áp lực nước lớn

 Nhà máy thủy điện

Mỗi nhà máy có 02 tổ máy, thiết kế kiểu hở

1.2.1.3 Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4

Thông số kỹ thuật về hồ chứa, đập dâng đập tràn, thiết bị cơ khí thủy công, thiết

bị điện của Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3&4 được trình bày ở Bảng 1 - 4:

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đồng Nai Đồng Nai 3&4

Hồ chứa

Diện tích lưu vực Km2 2441 2590

Lưu lượng trung bình nhiều năm m3/s 78,1 83,3

Mực nước dâng bình thường m 590 476

Thông số kỹ thuật Đơn vị Đồng Nai 3 Đồng Nai 4

Chiều dài đường hầm m 630,5 4175,59

Chiều cao tháp điều áp m Không có 85

Chiều dài đường ống lót thép m 286,7 + 48 x 2

nhánh

516 + 33 x 2 nhánh Đường kính đường ống lót thép m 7-5-4 7-5-4

Áp lực va tại cuối đường hầm Mpa 1,96 2,564

Tua bin thủy lực

Thông số kỹ thuật Đơn vị Đồng Nai 3 Đồng Nai 4

Số lượng cánh hướng tĩnh cánh 23 23

Số lượng cánh hướng động cánh 24 24

Chiều cao cánh hướng động mm 964 777,4

Số lượng servomotor cánh hướng 2 2

Đường kính ngoài trục turbin mm 850 1150

Cao trình đặt turbin m 471,2 281,4

đồng hồ

Cùng chiều kim đồng hồ

Chiều cao cực từ rotor mm 1400 2570

Khe hở rotor và stator mm 19 33

1.2.2 Đặc tính vận hành hồ chứa

Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định số 471/QĐ-TTg ngày 24 tháng 3 năm 2016 bao gồm các nội dung chính là đảm bảo an toàn công trình, cắt lũ trong mùa lũ và đảm bảo dòng chảy tối thiểu yêu cầu cấp nước cho hạ du trong mùa cạn

Biểu đồ vận hành hồ chứa Thủy điện Đồng Nai 3 được thể hiện như ở Hình 1-1:

Hình 1.1 Biểu đồ điều tiết hồ chứa Đồng Nai 3

Vùng I (Vùng cung cấp nâng cao): Khi mực nước trong hồ chứa nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện được phát với công suất cao hơn công suất đảm bảo trong thời

kỳ đó để tranh thủ sản xuất điện, tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống, tránh xả thừa Vùng II (vùng cung cấp đảm bảo): trong bất kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng cung cấp đảm bảo nhà máy thủy điện cung cấp cho hệ thống năng lượng đảm bảo

+ Nếu mực nước hồ thấp hơn giới hạn dưới của vùng này phải giảm công suất phát để đưa mực nước hồ về giới hạn dưới vùng này

+ Nếu mực nước hồ cao hơn giới hạn trên của vùng này, được phép tăng công suất phát để đưa mực nước hồ về đường giới hạn trên của vùng này

Vùng III (vùng cung cấp hạn chế 90% mức đảm bảo): trong bất kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện sử dụng lưu lượng bằng 90% lưu lượng đảm bảo để phát điện

Vùng IV (vùng cung cấp hạn chế 80% mức đảm bảo): trong bất kỳ thời điểm nào mực nước hồ nằm trong vùng này, nhà máy thủy điện sử dụng lưu lượng nhỏ hơn hoặc bằng 80% lưu lượng đảm bảo để phát điện

1.2.3 Đặc tính vận hành Turbine

Đặc tính vận hành turbine Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 [8]

Turbine thuỷ lực Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 kiểu HLD294A-LJ-340, loại turbine Francis

1.2.3.1 Đặc tính vận hành turbine Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.2.3.2 Đặc tính vận hành turbine và máy phát NMTĐ Đồng Nai 4

Turbine thuỷ lực NMTĐ Đồng Nai 4 kiểu HLD416A-LJ-355, loại turbine

Đặc tính vận hành máy phát thủy điện Đồng Nai 4 như Hình 1-5

Hình 1.5 Đặc tính vận hành máy phát thủy điện Đồng Nai 4

1.3 THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH VIỆT NAM HIỆN NAY

1.3.1 Cơ cấu thị trường điện

Tính đến hết T6/2017, toàn hệ thống điện có 120 nhà máy điện (NMĐ) đang vận

hành với tổng công suất đặt là 42.111 MW (chưa kể các nhà máy điện nhỏ, năng lượng tái tạo và NMĐ nhập khẩu…) Cơ cấu công suất đặt theo loại hình tham gia thị trường điện (TTĐ) như Hình 1-6 [7]:

Hình 1.6 Cơ cấu công suất đặt theo loại hình tham gia TTĐ

- 76 NMĐ trực tiếp tham gia TTĐ, thuộc 65 đơn vị có tổng công suất đặt là 20.728 MW (chiếm 49% tổng công suất đặt toàn hệ thống)

- 44 NMĐ gián tiếp tham gia TTĐ, có tổng công suất đặt gần 21.383 MW, chiếm 51% tổng công suất đặt toàn hệ thống, trong đó:

15 NMĐ tạm thời gián tiếp do chưa đủ điều kiện tham gia TTĐ với tổng công suất 2855 MW chiếm 7% tổng công suất đặt toàn hệ thống

18 nhà máy gián tiếp (không tham gia thị trường điện) với tổng công suất 7545

MW chiếm 18% tổng công suất đặt toàn hệ thống (các nhà máy chạy dầu, Cà Mau theo yêu cầu khai thác tối đa khí PM3, các nhà máy thuộc khu công nghiệp chỉ bán 1 phần sản lượng lên lưới, các nhà máy BOT đã ký hợp đồng nguyên tắc, các nhà máy

sử dụng nguồn năng lượng tái tạo);

11 nhà máy thủy điện chiến lược đa mục tiêu và các nhà máy phối hợp vận hành với nhà máy thủy điện chiến lược đa mục tiêu với tổng công suất 8442 MW chiếm 20% tổng công suất đặt toàn hệ thống

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

Công suất và số lượng các NMĐ trực tiếp tham gia TTĐ tăng trưởng hàng năm

so với thời điểm bắt đầu chạy TTĐ từ tháng 7/2012, cụ thể như Hình 1-7:

Hình 1.7 Tăng trưởng công suất, số lượng NMĐ tham gia TTĐ

Thời điểm bắt đầu chính thức vận hành VCGM (1/7/2012), mới chỉ có 31 NMĐ trực tiếp tham gia TTĐ có tổng công suất 9.212 MW chiếm 38 % tổng công suất đặt

hệ thống Sau 5 năm vận hành (1/7/2017), số lượng các NMĐ trực tiếp tham gia TTĐ

đã là 76 NMĐ với tổng công suất đặt 20.728 MW (tăng 2,3 lần), chiếm tỷ trọng 49% tổng công suất đặt toàn hệ thống Trung bình, mỗi năm có thêm khoảng 10 NMĐ với công suất khoảng 1.900 MW trực tiếp tham gia TTĐ

Cơ cấu tham gia TTĐ tính đến đầu T7/2017 như Hình 1-8:

81 Thủy điện

-16151 MW 38%

24 Nhiệt điện than - 14658 MW 35%

4 Nhiệt điện dầu - 1506 MW 4%

11 Tuabin khí

-7254 MW 17%

Khác - 2542 MW 6%

Hình 1.8 Cơ cấu tham gia TTĐ của các loại hình nhà máy

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

1.3.3.2 Giá điện năng thị trường SMP

Nhìn chung, diễn biến của giá TTĐ có ảnh hưởng của yếu tố mùa rõ rệt: có xu hướng thấp vào mùa lũ và cao vào mùa khô Năm 2016, do hiện tượng El-Nino tiếp tục kéo dài trong 9 tháng đầu năm, mùa lũ đến muộn và sự tăng cao nhu cầu điện cho phát triển kinh tế, giá TTĐ giai đoạn này luôn giữ ở mức cao từ 700-1000 đ/kWh Từ giữa T10/2016 trở đi, do có lũ lớn liên tiếp xảy ra, lưu lượng nước về các hồ miền Trung và miền Nam cao hơn nhiều so với giá trị TBNN, dẫn đến giá TTĐ giảm mạnh

và duy trì ở mức 400-500 đ/kWh

Ngược lại, 2017 mùa lũ lại đến sớm Ngay từ cuối T5, T6/2017, lưu lượng nước

về của các hồ miền Trung và miền Nam rất lớn, điển hình các hồ Krông H’năng, Sông

Ba Hạ, Đa Nhim đã phải xả mặc dù các NMĐ đã chủ động chào giá sàn, dẫn đến giá TTĐ bị giảm sâu xuống mức 574 đ/kWh mặc dù phụ tải đã tăng mạnh đặc biệt là ở khu vực miền Bắc do nắng nóng

Nhìn chung trong 2016 và 6 tháng đầu 2017, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến

sự tăng trưởng phụ tải và sản lượng phát của các NMTĐ dẫn đến sự thay đổi lớn diễn biến giá điện năng thị trường so với các năm trước

Biểu đồ thể hiện giá SMP và giá FMP qua các năm được thể hiện qua Hình 1-9:

Hình 1.9 Giá điện năng thị trường SMP

Độ phân tán giá SMP được thể hiện cụ thể qua độ lệch chuẩn và độ lệch chuẩn tương đối Độ lệch chuẩn càng cao thì mức độ phân tán của chuỗi dự liệu xung quanh giá trị trung bình càng lớn do đó mức độ rủi ro của các đơn vị tham gia TTĐ càng cao

Cụ thể như Bảng 1-6:

Bảng 1.6 Giá trần TTĐ các năm

Năm

SMP Trung bình (đ/kWh) (1)

Độ lệch chuẩn (*) (2)

Độ lệch chuẩn tương

đối (3)=(2)/(1)

1.3.3.3 Giá công suất CAN

Theo quy định, Giá công suất CAN được tính toán phân bổ phù hợp với dự kiến thu hồi chi phí của NMĐ điện tốt nhất (BNE) trong năm và tỷ lệ với phụ tải lớn nhất từng tháng nên có xu hướng tăng dần vào các tháng cuối năm và giảm vào các tháng

có các ngày nghỉ lễ kéo dài (như nghỉ Tết…) Mức giá CAN này cùng với mức giá trần TTĐ là hai thông số chính ảnh hưởng đến chi phí của EVN

Giá CAN trung bình, tổng số tiền thanh toán CAN (Rcan), Qcan các năm cụ thể như Hình 1-10:

Hình 1.10 Giá công suất CAN

Trong 4 năm đầu tiên vận hành thị trường điện, giá CAN được tính cho 18 chu

kỳ trừ những giờ thấp điểm (23h ngày hôm trước tới 4h ngày hôm sau) Theo quy định mới của thị trường điện, kể từ năm 2016 giá CAN đã được tính toán cho 24 chu kỳ trong cả ngày

1.3.3.4 Tỷ lệ cam kết qua hợp đồng (vesting):

Năm 2012, tỷ lệ cam kết cho tất cả các NMĐ là 90% và kể từ 2013 giảm xuống 80% cho các NMTĐ có hồ điều tiết trên 2 ngày (các hồ điều tiết dưới 2 ngày thì Qc được tính sau vận hành với tỷ lệ bằng 90% x Qmq), các NMNĐ tỷ lệ vesting vẫn là 90% Tỷ lệ cam kết thực tế từ 2012-2017 như Bảng 1-7:

Tỷ lệ vesting trung bình sau 5 năm vận hành của tất các các NMĐ than gia TTĐ

là 87% Tuy nhiên, tỷ lệ vesting từng giờ dao động lớn với tỷ lệ vesting thấp nhất là 40% (under-contracted), cao nhất là 220% (over-contracted) Hiện tượng này xảy ra chủ yếu là do tình hình thủy văn, sự cố nhà máy điện Tuy nhiên, tần suất xảy ra các giờ có tỷ lệ vesting quá cao hoặc quá thấp xảy ra rất ít Qua thống kê cho thấy khoảng 70% số giờ trong 5 năm vận hành tỷ lệ vesting trên 80%

1.4 KẾT LUẬN

Chương này giới thiệu tổng quan về lưu vực sông Đồng Nai, giới thiệu một số công trình nhà máy bậc thang thủy điện trên sông Đồng Nai Tổng quan về Nhà máy

Thủy điện Đồng Nai 3&4 Giới thiệu về thị trường phát điện canh tranh hiện nay, các kết quả đạt được

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

CHƯƠNG 2 LẬP MÔ HÌNH VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG THỦY ĐIỆN

2.1 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN BẬC THANG

Khi nói đến “bậc thang thủy điện” hay cụm thủy điện trên một dòng sông là nói đến hoạt động của các hệ thống hồ, đập nối tiếp nhau từ thượng lưu xuống hạ lưu Việc khai thác vận hành các hồ chứa ở thượng lưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng nước về ở các hồ hạ lưu, mà lưu lượng nước về hồ là yếu tố quyết định đến công suất và sản lượng phát của các nguồn phát thủy điện Nên cần tính toán để điều tiết lượng nước về của từng hồ trong toàn cụm các nhà máy thủy điện trên sông

Qn, Qxn

Hình 2.1 Mô hình thủy điện bậc thang

2.2 MỤC TIÊU XÂY DỰNG BÀI TOÁN

Tính toán phân bổ tối ưu công suất cho các nhà máy để đạt được doanh thu lớn nhất trong chu kỳ khảo sát

Bảo đảm thực hiện đúng các quy định về Thị trường điện, quy định vận hành hồ chứa theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

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

2.3 MÔ HÌNH BÀI TOÁN

2.3.1 Ký hiệu sử dụng trong mô hình bài toán

N n Số nhà máy trong mô hình tính toán, n là thứ tự nhà máy trên bạc thang

t Chu kỳ khảo sát (ngày, tuần, năm)

T Tổng số chu kỳ khảo sát, t = 1….T

λt Giá điện dự báo thanh toán của thị trường cho chu kỳ t (đ/MWh)

Pi,nt Công suất phát của tổ máy i thuộc nhà máy n trong chu kỳ t (MW)

Pnt Công suất phát của nhà máy thủy điện n trong chu kỳ t (MW)

Qi,nt Lượng nước tiêu thụ của tổ máy i thuộc nhà máy n trong chu kỳ t (m3)

Qnt Lượng nước tiêu thụ của nhà máy n trong chu kỳ t (m3

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

Nn là tập thủy điện bậc thang khảo sát;

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

T là tổng số chu kỳ khảo sát

2.3.3 Thời gian khảo sát

Thời gian khảo sát T được chia thành t chu kỳ Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, thời gian khảo sát T là năm, tuần, ngày ứng với số chu kỳ t là 12, 7, 24

2.3.4 Các giả thiết khi xây dựng bài toán

Trong thời gian khảo sát là ngày, tuần thì đối với những nhà máy có hồ chứa lớn, mức nước thượng lưu dao động không đáng kể Tuy nhiên đối với những nhà máy có

hồ điều tiết ngày, dung tích hữu ích nhỏ, chênh lệch giữa mức nước chết và mức nước dâng bình thường thấp nên suất tiêu hao thay đổi lớn Để tính toán dạng tổng quát và chính xác cho các nhà máy trong chu kỳ khảo sát là ngày, tuần, năm phải tính suất tiêu hao đối với từng cột nước của các nhà máy

Dựa vào chuổi số liệu thủy văn thiết kế công trình, tính lưu lượng nước về theo tần suất 65% (là tần suất thường được sử dụng tính toán kế hoạch sản lượng của các nhà máy thủy điện hàng năm của BCT)

Dựa vào chuỗi số liệu quá khứ, giá thị trường toàn phần trên thị trường điện cho từng chu kỳ trong thời gian khảo sát coi như đã biết trước

Các nhà máy thủy điện bậc thang có hồ chứa liền kề, không sử dụng nước vào mục đích khác, khoảng cách giữa các hồ ngắn, thượng lưu hồ chứa của nhà máy bậc dưới là hạ lưu của nhà máy bậc trên nên bỏ qua thời gian nước về hồ bậc dưới

Thời gian khởi động/dừng máy của các tổ máy thủy điện rất nhỏ so với thời gian khảo sát nên trong luận văn không xét đến thời gian này

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

- : hiệu suất tổ máy;

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

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

Cột áp tính toán của nhà máy:

Với: + Z tl là mức nước thượng lưu;

+ Z hl là mức nước hạ lưu;

+ H là tổn thất cột áp, gồm tổn thất cột áp của kênh, ống dẫn và chênh lệch

động năng của dòng chảy ở phía trước và sau nhà máy

Trong quá trình vận hành, mức nước hạ lưu thay đổi không đáng kể so với mức nước thượng lưu và tổn thất cột áp xem như không đổi nên cột áp tính toán của nhà máy có thể quy về mức nước thượng lưu

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

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

Từ những đặc điểm nêu trên, để thuận tiện trong quá trình tính toán, ta sẽ tuyến tính hóa từng đoạn đường cong hiệu suất, chính là đơn giản hóa đường cong hiệu suất,

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

Họ đường cong hiệu suất nhà máy n được giảm xuống còn ba đường ứng với hai

mức nước: mức cao (Z U ht, ) và mức thấp (Z L ht, ) được thể hiện như Hình 2-2

Hình 2.2 Đường cong hiệu suất của nhà máy

Nếu mức nước thượng lưu của hồ chứa n trong chu kỳ t, Z nt, là phía dưới Z L,nt

(mức thấp), thì đường cong (1) được sử dụng Nếu Z nt nằm giữa Z L ht, và Z U ht, (mức

trung bình), thì đường cong (2) được sử dụng Cuối cùng, nếu Z nt trên Z U ht, (mức cao), thì đường cong (3) được sử dụng Một cách tổng quát cho bất kỳ số lượng các đường cong hiệu suất cũng rất đơn giản

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

Hình 2.3 Tuyến tính hóa đường cong hiệu suất

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

P0 nt), đến lưu lượng qua nhà máy lớn nhất, Qmax,nt, được chia làm 3 đoạn bằng nhau

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

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

nhà máy n tại chu kỳ t

Với miền giới hạn:

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

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

2.3.5.2 Phương trình cân bằng nước của hồ chứa

Khi tính toán điều tiết dòng chảy cần thiết phải biết được trạng thái làm việc của

hồ chứa, như sự thay đổi mức nước, thể tích nước còn lại trong hồ… Rõ ràng, thể tích nước trong hồ phụ thuộc vào tương quan giữa các lượng nước chảy vào và chảy ra khỏi hồ, đồng thời có quan hệ mật thiết với mức nước thượng lưu Phương trình thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng trên gọi là phương trình cân bằng nước của hồ chứa

Theo nguyên lý cân bằng nước, tổng các lượng nước chảy vào hồ trong khoảng

thời gian t xác định, phải cân bằng với tổng các lượng nước chảy ra khỏi hồ cộng với

thể tích nước được giữ lại trong hồ cùng trong khoảng thời gian t

Với một hồ chứa bất kỳ n, trong trường hợp tổng quát (xét đến mọi lượng nước

có thể) lượng nước tích trữ của hồ vào cuối chu kỳ t bằng lượng nước tích trữ của hồ vào đầu chu kỳ t, cộng với lượng nước tự nhiên chảy về hồ trong chu kỳ t, cộng với lượng nước xả trực tiếp từ hồ thượng lưu liền kề về hồ n trong chu kỳ t, trừ cho lượng nước chạy máy trong chu kỳ t

Trong đó:

- V nt là lượng nước tích trữ của hồ n vào cuối chu kỳ t;

- V n,t-1 là lượng nước tích trữ của hồ n vào đầu chu kỳ t;

- Q nt là lượng nước chạy máy của nhà máy n trong chu kỳ t;

- Q vnt là lượng nước tự nhiên về hồ n trong chu kỳ t đã được dự báo trước; Đối

với hồ bậc trên cùng lấy theo tần suất 65% trong chu kỳ khảo sát Đối với hồ bậc dưới cho bằng 0 (như trình bày ở trên)

- Q k là lượng nước xả trực tiếp từ hồ thượng lưu liền kề về hồ n trong chu kỳ t

Trong công thức 2.12 bỏ qua lượng nước xả tràn, lượng nước mất mát do rò rỉ qua các công trình đập và lòng hồ, kể cả lượng nước bốc hơi

2.3.5.3 Giới hạn dung tích hồ chứa

Với mỗi hồ chứa, dung tích hữu ích là phần thể tích hồ nằm giữa MNDBT và

MNC [11] Dung tích hữu ích chính là thể tích có thể sử dụng để điều tiết dòng chảy

Trong điều kiện vận hành bình thường không được vận hành mức nước bên trên

MNDBT cũng như bên dưới MNC Đây là giới hạn dung tích hồ chứa trong điều tiết

dài hạn

Trong thời gian khảo sát tháng vào mùa mưa và mùa khô có giới hạn về mực nước cao nhất và thấp nhất theo Quy trình liên hồ chứa

Trong thời gian khảo sát tuần thì có mực nước giới hạn tuần do A0 công bố

Do vậy, dung tích hồ chứa n trong chu kỳ khảo sát t có giới hạn trên và giới

hạn dưới như sau:

trong đó, V min,n là giới hạn dưới và Vmax,n là giới hạn trên của hồ chứa n trong thời

gian khảo sát ngắn hạn đang xét

2.3.5.4 Giới hạn lượng nước qua nhà máy

Mỗi nhà máy n, lưu lượng qua turbine của nhà máy phải thỏa mãn lưu lượng nằm

trong phạm vi giới hạn cho phép theo biểu thức như sau:

min ,n nt max,n

trong đó, Q min,n và Qm ax ,n là giới hạn lưu lượng tối thiểu và tối đa của tua bin

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

Theo quy trình liên hồ chứa trên các dòng sông, ràng buộc hàng ngày phải xả nước về hạ du

Trong đó Qn là lưu lượng chạy máy nhà máy n, Qlhn là lưu lượng tối thiểu đáp ứng Quy trình liên hồ hoặc yêu cầu cấp nước hạ du nhà máy n

2.3.5.6 Giới hạn công suất phát của nhà máy

Các tổ máy phát thủy lực đều có vùng giới hạn công suất làm việc, vùng cấm vận hành như sau:

min,i,n i, tn max,i,n

Trong đó, Pmin ,n / Pmax ,nlà giới hạn công suất phát tối thiểu/ tối đa của nhà máy n

2.3.5.7 Giới hạn mức nước tối thiểu/tối đa từng tháng theo Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

Theo quy trình liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai, mỗi hồ chứa có các mức nước giới hạn thấp và cao nhằm đảm bảo yêu cầu cấp nước hạ du vào mùa khô và cắt giảm lũ vào mùa mưa Trong đề tài nghiên cứu kết hợp mức nước giới hạn quy đổi thành giới hạn dung tích hồ chứa của mỗi tháng

2.4 LỰA CHỌN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA

Hiện nay có nhiều thuật toán để giải bài toán tối ưu Thuật toán mà đề tài nghiên cứu sử dụng là bài toán tối ưu hóa bằng Phương pháp Quy hoạch tuyến tính Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi và phát triển mạnh trong kỹ thuật quy hoạch toán học Phương pháp này có những ưu và nhược điểm sau [6]:

* Nhược điểm:

- Khối lượng tính toán lớn

Đối với các bài toán mô hình hệ thống thực thì chủ yếu là phi tuyến, tuy nhiên trong quá trình tính toán ta có thể tuyến tính hóa [10]

Từ những phân tích trên, tác giả lựa chọn phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải bài toán

CHƯƠNG 3 GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3, 4

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

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

3.1 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NĂM

Trong mục này sẽ thiết lập bài toán vận hành tối ưu cho cụm 2 nhà máy (N n = 2), thời

gian khảo sát 01 năm, chu kỳ khảo sát là t = 1 tháng, như vậy số chu kỳ khảo sát T = 12

Hàm mục tiêu là cực đại tổng doanh thu của 02 nhà máy thủy điện vào cuối thời

gian khảo sát với giá điện dự báo của thị trường trong từng chu kỳ (từng tháng), λ t xem như đã biết trước:

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

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

3.2 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH TUẦN

Trong mục này sẽ thiết lập bài toán vận hành tối ưu cho cụm 2 nhà máy (N n = 2),

thời gian khảo sát 01 tuần, chu kỳ khảo sát là t = 01 ngày, như vậy số chu kỳ khảo sát

T = 7

Hàm mục tiêu là cực đại tổng doanh thu của 02 nhà máy thủy điện vào cuối thời

gian khảo sát với giá điện dự báo của thị trường trong từng chu kỳ (từng ngày) λ t xem như đã biết trước:

3.3 THÀNH LẬP BÀI TOÁN KẾ HOẠCH NGÀY

Trong mục này sẽ thiết lập bài toán vận hành tối ưu cho cụm 2 nhà máy (N n = 2),

thời gian khảo sát 01 ngày, chu kỳ khảo sát là t = 01 giờ, như vậy số chu kỳ khảo sát T

= 24

Hàm mục tiêu là cực đại tổng doanh thu của 02 nhà máy thủy điện vào cuối thời

gian khảo sát với giá điện dự báo của thị trường trong từng chu kỳ (từng giờ) λ t xem như đã biết trước:

Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc:

P P P (96 bất phương trình) Như vậy bài toán trên có 288 biến trạng thái: 48 biến P, 48 biến V, 48 biến Qt, 48 biến Q1t, 48 biến Q2t, 48 biến Q3t (mỗi biến cho một nhà máy, t=1:24); 144 phương trình và 576 bất phương trình ràng buộc

3.4 PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH

Nhiều vấn đề thực tế khác nhau dẫn tới việc giải bài toán cực trị sau:

f(x) min với các điều kiện:

thỏa mãn các ràng buộc gọi là tập phương án hay miền chấp nhận được của bài toán

trên Phương án x* thỏa mãn f(x*) f(x) với mọi phương án x gọi là phương án tối ưu hay lời giải của bài toán, f(x*) gọi là giá trị tối ưu

Nếu hàm mục tiêu f(x) và các hàm ràng buộc g i (x), h j (x) đều là các hàm tuyến

tính và X = Rn +, ta có bài toán quy hoạch tuyến tính

Mô hình tuyến tính là mô hình rất phổ biến trong thực tế, hơn nữa sự phụ thuộc tuyến tính là sự phụ thuộc đơn giản và dễ hiểu nhất Mặc khác, về lý thuyết ta có thể xấp xỉ với độ chính xác cao một bài toán quy hoạch phi tuyến bằng một dãy các bài toán quy hoạch tuyến tính Nói cách khác, các thuật toán giải bài toán quy hoạch tuyến tính là công cụ quan trọng để giải quyết các bài toán phức tạp hơn

Bài toán quy hoạch tuyến tính dạng tổng quát [5]: