Luận văn Điều độ kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều độ kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN NGUYÊN NHẬT ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 4 0 5 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN NGUYÊN NHẬT ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hƣớng dẫn khoa học: T.S LÊ CHÍ KIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: ĐOÀN NGUYÊN NHẬT Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán : Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 39/32H Quang Trung P.14 Q Gò Vấp TPHCM Email cá nhân: nguyennhat1711@gmail.com ĐTDĐ: 01699325638 II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2003 đến 7/2009 Nơi học : Đại học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh 2.Cao học Thời gian đào tạo từ 9/2011 đến 9/2013 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên luận văn tốt nghiệp: Điều độ kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện Thời gian bảo vệ luận văn tốt nghiệp: 10/2013, tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lê Chí Kiên III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 20010-NAY CÔNG TY TNHH P&G KỸ SƢ i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào. TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 Người thực hiện ii
5. LỜI CẢM TẠ Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn TS. Lê Chí Kiên, người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn TS. Trương Việt Anh – cố vấn học tập – đã hết lòng giúp đỡ tôi tromg thời gian qua. Xin cảm ơn Cha, Mẹ đã nuôi con khôn lớn, cho con sức mạnh và nghị lực để con luôn vượt qua những khó khăn trong cuộc sống, và để có được như ngày hôm nay. Xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hết mình để yên tâm học tập và hoàn thành luận án của mình.Nếu không những sự giúp đỡ này tôi khó có thể hoàn thành đề tài của mình. TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 Người thực hiện Đoàn Nguyên Nhật iii
6. TÓM TẮT Vận hành hệ thống có các nhà máy thủy điện và nhiệt điện đƣợc xem là một công việc phức tạp với mục tiêu đặt ra là cực tiểu chi phí vận hành tại các nhà máy nhiệt điện và sử dụng toàn bộ nguồn nƣớc sẵn có tại nhà máy thủy điện.Đây là bài toán đƣợc các nhà nghiên cứu tìm lời giải trong các thập niên gần đây. Với quan tâm về môi trƣờng cũng nhƣ ảnh hƣởng của nhà máy thủy điện lên đời sống của những ngƣời dân đang sống dọc theo dòng sông nơi mà các nhà máy thủy điện đƣợc xây dựng.Những ảnh hƣởng này phải đƣợc định giá và áp đặt trực tiếp vào giá bán điện cho các nhà máy thủy điện để đền bù cho những bất lợi mà nhà máy thủy điện đem đến cho con ngƣời.Do đó, hàm chi phí của nhà máy thủy điện đƣợc đề xuất và đƣợc xem nhƣ là mục tiêu cực tiểu chi phí cho toàn bộ hệ thống thủy-nhiệt điện. Luận văn đề xuất phƣơng pháp Hopfield Lagrange network (HLN) để giải bài toán tối ƣu hệ thống thủy nhiệt với giả sử chiều cao cột nƣớc không đổi tại các nhà máy thủy điện. Phƣơng pháp HLN kết hợp hàm Lagrangian và mạng nơ ron Hopfield liên tục, trong đó hàm Lagrangian đƣợc sử dụng trực tiếp nhƣ là hàm năng lƣợng cho mạng nơ ron Hopfield liên tục. Trong phƣơng pháp HLN , hàm năng lƣợng nhờ đƣợc tăng cƣờng bởi thành phần Hopfield từ mạng Hopfield liên tục nên khắc phục các dao động của mạng Hopfield liên tục cổ điển trong tiến trình hội tụ bài toán. Do đó phƣơng pháp đề xuất HLN có thể khắc phục các nhƣợc điểm của mạng Hopfield liên tục cổ điển để giải các bài toán tối ƣu với tiến trình giải nhanh hơn, chất lƣợng lời giải tốt hơn, thời gian hội tụ nhanh hơn và qui mô bài toán lớn hơn. iv
7. ASTRACT Operation of a system having hydro and thermal plants is seem to be a complex work with the objective of minimizing operation cost of thermal plants and using completely available water resource at the hydro plants.This is the problem that searchers have found for recent decades. With considers living along the river where the hydro plant built.These have been fixed a price and directly opposed on the selling electric price of hydro plants to compensate disadvantages that hydro plants bring up. Hence,fuel cost function of hydro of plant is proposed and is considered as objective of minimizing operation cost of global hydro-thermal system. In this thesis, a Hopfield Lagrange network (HLN) is proposed for solving economic load dispatch(ELD) problems. HLN is a combination of Lagrangian function and continuous Hopfield neural network where the Lagrangian function is directly used as the energy function for the continuous Hopfield neural network. In the HLN method, its energy function augmented by Hopfield terms from the continuous Hopfield network could damp out oscillation of the conventional Hopfield network during the convergence process. Consequently, the proposed HLN can overcome the disadvantages of the conventional Hopfield network in solving optimization problems for its simpler implementation, better global solution, faster convergence time, and larger scale applications. v
8. MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ASTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG x CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU 2 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4 1.5. ĐIỂM MỚI ĐỀ TÀI 4 1.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN 4 1.7. BỐ CỤC 4 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1. TỐI ƢU NGUỒN PHÁT VÀ VẬN HÀNH KINH TẾ 6 2.1.1. Phân bố tối ƣu và trao đổi công suất kinh tế 6 2.1.2. Yêu cầu và vai trò của vận hành kinh tế 6 2.1.2.1. Chất lƣợng phục vụ. 7 2.1.2.2. Chi phí sản xuất. 7 2.1.2.3. Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành 8 2.1.2.4. Giảm tổn thất điện năng 9 vi
9. 2.2. NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 9 2.2.1. Số liệu thủy văn 9 2.2.2. Phân loại điều tiết 10 2.2.2.1. Theo thời gian 11 2.2.3. Phân loại nhà máy thủy điện 15 2.2.3.1. Phân loại nhà máy thủy điện dựa vào chiều cao cột nƣớc 15 2.2.3.2. Phân loại nhà máy thủy điện dựa vào đặc tính tải. 16 2.2.3.3. Phân loại dựa vào vị trí 17 2.2.4. Mô hình toán học các nhà máy thủy điện 19 2.2.4.1. Mô hình Glimn-Kirchmayer 19 2.2.4.2. Mô hình Hildebrand 20 2.2.4.3. Mô hình Hamilton-Lamont 20 2.2.4.4. Mô hình Arvanitidis-Rosing 21 2.2.5. Lập kế hoạch phát điện 21 2.3. NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 23 2.3.1. Không xét đến hiệu ứng mở van 23 2.3.1.1. Đƣờng cong chi phí 23 2.3.1.2. Xây dựng hàm chi phí 24 2.3.2. Xét đến hiệu ứng mở van 28 2.4. PHỐI HỢP HỆ THỐNG HỆ THỐNG THỦY-NHIỆT ĐIỆN 29 2.4.1. Giới thiệu 29 2.4.2. Tính cần thiết của bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện 30 2.4.3. Ảnh hƣởng của nguồn nƣớc 30 2.4.4. Đặc tính hệ thống thủy-nhiêṭ điêṇ . 31 2.4.5. Phân loaị bài toán phối hơp̣ hê ̣thống thủy-nhiêṭ 34 2.4.6. Tƣơng quan công suất giữa các nhà máy trong hệ thống. 36 2.5. PHÂN BỐ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG THỦY-NHIỆT ĐIỆN 37 CHƢƠNG III: MÔ HÌNH TOÁN 42 3.1. GIỚI THIỆU 42 vii
10. 3.2. TÍNH CHẤT BÀI TOÁN 43 3.3. THÀNH LẬP BÀI TOÁN 44 3.3.1. Mô hình toán nhà máy nhiệt điện 44 3.3.2. Mô hình toán nhà máy thủy điện 45 3.3.3. Các ràng buộc 47 3.3.3.1. Ràng buộc cân bằng công suất 47 3.3.3.2. Ràng buộc đặc tính xả nƣớc, công suất phát của nhà máy thủy điện 47 3.3.3.3. Ràng buộc giới hạn vận hành máy phát 48 3.4. PHƢƠNG PHÁP GIẢI 48 3.4.1. Sử dụng HLN để giải bài toán thủy nhiệt điện 48 3.4.2. Lƣu đồ giải thuật. 51 CHƢƠNG 4 BÀI TOÁN MẪU 55 4.1. BÀI TOÁN 1 55 4.1.1 Phƣơng pháp Lagrangian 56 4.1.2 Bảng chi phí ở 57 4.1.3 Phƣơng pháp đề xuất 58 4.1.BÀI TOÁN 2 59 4.2.1 Phƣơng pháp Lagrangian: 61 4.2.2 Bảng chi phí ở 61 4.2.3Phƣơng pháp đề xuất (HLN): 62 4.3. BÀI TOÁN 3 64 4.3.1 Phƣơng pháp Lagrangian: 65 4.3.2 Bảng chi phí 66 4.3.3 Phƣơng pháp đề xuất (HLN) 67 CHƢƠNG 5: 71 KẾT LUẬN 71 5.1. KẾT LUẬN 71 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 71 viii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Số liệu thủy văn 9 Hình 2.2: Đồ thị nƣớc về và công suất phát 10 Hình 2.6: Đƣờng cong lũy tích nhiều năm. 14 Hình 2.7: Các nhà máy thủy điện trên các dòng sông khác nhau. 17 Hình 2.8: Các nhà máy thủy điện trên cùng dòng sông. 18 Hình 2.9: Các nhà máy thủy điện liên hồ. 19 Hình 2.10: Đƣờng cong nhiên liệu đầu vào-công suất đầu ra 23 Hình 2.11: Suất tăng nhiên liệu tƣơng ƣ́ ng với công suất phát 24 Hình 2.13: Mô hình hoạt động chu trình hỗn hợp 26 Hình 2.14: Đƣờng cong chi phí 27 Hình 2.16: Đƣờng cong chi phí xét đến hiệu ứng mở van 29 Hình 2.17: Lƣu lƣơṇ g nƣớc về và thể tích nƣớc trong hồ 31 Hình 2.18: Tƣơng quan chi phí nhiên liệu và công suất phát. 33 Hình 2.19: Hệ thống N nhà máy thủy điện, M nhà máy nhiệt điện 38 Hình 3.1. Hệ thống N nhà máy thủy điện, M nhà máy nhiệt điện. 42 Hình 3.2: Kế hoạch vận hành thủy điện trong bài toán phối hợp 43 Hình 3.3: Lƣu đồ giải thuật 51 Hình 4.4.1: Hệ thống một nhà máy thủy điện một nhà máy nhiệt điện 55 Hình 4.2: Hệ thống một nhà máy nhiệt điện-hai nhà máy thủy điện 60 Hình 4.4.3: Hệ thống hai nhà máy thủy điện hai nhà máy nhiệt điện 64 ix
12. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 4.1: Phụ tải điện trong 24 giờ 56 Bảng 4.2: Phân bố công suất theo các giờ 57 Bảng 4.3:Bảng chi phí của 3 phƣơng pháp 57 Bảng 4.4: Phân bố công suất theo các giờ 58 Bảng 4.5: Phân bố công suất theo các giờ so sánh với phƣơng pháp 59 Bảng 4.6: So sánh kết quả với các phƣơng pháp 59 Hình 4.2: Hệ thống một nhà máy nhiệt điện-hai nhà máy thủy điện 60 Bảng 4.7: Phụ tải điện trong 24 giờ 60 Bảng 4.8: Phân bố công suất theo các giờ 61 Bảng 4.9: Bảng chi phí của 3 phƣơng pháp 61 Bảng 4.10: Phân bố công suất theo các giờ 62 Bảng 4.11: Phân bố công suất theo các giờ so sánh với phƣơng pháp 63 Bảng 4.12: So sánh kết quả với các phƣơng pháp 63 Hình 4.4.3: Hệ thống hai nhà máy thủy điện hai nhà máy nhiệt điện 64 Bảng 4.13: Phụ tải điện trong 24 giờ 65 Bảng 4.14: Phân bố công suất theo các giờ 65 Bảng 4.15: Bảng chi phí của 3 phƣơng pháp 66 Bảng 4.16: Phân bố công suất theo các giờ 67 Bảng 4.17: Phân bố công suất theo các giờ so sánh với phƣơng pháp 68 Bảng 4.18: So sánh kết quả với các phƣơng pháp [9], [10]. 69 Bảng 4.19 : Kết quả so sánh các phƣơng pháp 69 x
13. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhƣ ta biết, trong hệ thống điện tính liên tục cung cấp điện luôn đƣợc đƣa lên hàng đầu, nó ảnh hƣởng đến tính kinh tế của một quốc gia hay vùng kinh tế sử dụng điện. Để có thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lƣợng cho việc phát triển kinh tế thì tăng trƣởng năng lƣợng điện phải gấp đôi tăng trƣởng kinh tế (Việt Nam). Từ đó, vấn đề đƣợc đặt ra với ngành điện là phải đảm bảo điều kiện làm việc cũng nhƣ các quy tắc an toàn về nguồn, đƣờng dây, bảo vệ, phụ tải .v.v. Bên cạnh tính đảm bảo năng lƣợng điện thì chi phí phát điện cũng là một bài toán không kém phần quan trọng. (Nếu có thể cực tiểu chi phí phát điện thì giá thành của điện năng cũng giảm và lợi nhuận của nhà đầu tƣ đƣợc gia tăng.) Nếu ta cứ tiếp tục xây dựng nguồn cung cấp để đáp ứng nhu cầu mà không quan tâm đến vấn đề kiểm toán năng lƣợng cũng nhƣ làm nhƣ thế nào để sử dụng tốt các nguồn sẵn có, các nguồn sẵn có này đã đƣợc sử dụng hiệu quả chƣa, có thể khắc phục đƣợc hay không. Vậy tính kỹ thuật đã đạt đƣợc nhƣng trong khi tính kinh tế lại bị bỏ qua với một sai sót lớn. Ở nƣớc ta, nguồn cung cấp công suất chủ yếu là các nhà máy thủy điện và nhiệt điện. Miền bắc phụ thuộc khá lớn vào các nhà máy thủy điện trong khi miền nam thì tỉ lệ nhiệt điện chiếm phần lớn hơn. Cơ bản là đáp ứng đủ nhu cầu phụ tải nhƣng vẫn còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết vì nguồn thủy điện chiếm tỷ lệ lớn so với tổng nguồn cung cấp. Nguồn nƣớc cho thủy điện bị hạn chế vào mùa khô, khi lƣợng mƣa ít. Còn nhà máy nhiệt điện thì nhiên liệu đƣợc xem nhƣ là sẵn sàng để tạo ra điện. Mặc dù hiện nay nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện vẫn còn dồi dào nhƣng đây là nguồn tài nguyên giới hạn và chi phí phát điện cũng cao so với các nguồn khác. Vấn đề đƣợc đặt ra là làm nhƣ thế nào để có thể giảm tối thiểu thời gian mất điện vào mùa khô, vì công suất phát vào mùa khô giảm nhiều từ các nhà máy thủy điện. Vậy lƣợng nƣớc trong hồ chứa phải đƣợc điều tiết một cách thích hợp nhằm đảm bảo an ninh năng lƣợng trong mùa khô và không phát quá nhiều công suất trong khi có thời gian lại ngừng hoạt động. Trong khi đó, nhiêm vụ còn lại là việc phát điện của các HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 1
14. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên nhà máy nhiệt điện hay các tổ máy trong nhà máy nhiệt điện nhƣ thế nào là tối ƣu, là cực tiểu chi phí phát có thể. Hệ thống thủy-nhiệt điện đƣợc nghiên cứu trong đề tài này nhằm cực tiểu chi phí phát điện của hệ thống thủy-nhiệt điện. Từ tính cần thiết này, bài toán “Tối ƣu kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện” đƣợc đặt ra và ứng dụng các thuật toán để tìm lời giải phân bố công suất tối ƣu giữa các nhà máy. Trong nghiên cứu của đề tài sẽ xét bài toán phối hợp trong thời gian ngắn với giả sử là các hồ thủy điện lớn có chiều cao cột nƣớc không thay đổi trong ngày. 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU Phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện đƣợc thực hiện nhằm tìm ra phân bố tối ƣu năng lƣợng nguồn nƣớc tại các nhà máy thủy điện sao cho chi phí vận hành và nhiên liệu hàng năm của hệ thống gồm các nhà máy thủy điện và nhiệt điện là nhỏ nhất. Trong những năm qua, bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện là đối tƣợng đƣợc thảo luận và đƣa ra nhiều phƣơng pháp giải với các giả thuyết, ràng buộc khác nhau [1-7]. Các phƣơng pháp toán đã dùng đƣợc trình bày ở [8]. Bài báo [8] đã phân tích ƣu và nhƣợc điểm của tất cả các phƣơng pháp áp dụng đem lại kết quả ở các mức độ khác nhau ở mức chấp nhận đƣợc,các phƣơng pháp gồm: Lagrangian relaxation [3], [16], Gen [1], lập trình tiến hóa [2], Tabu [7trí tuệ nhân tạo, chƣơng trình phi tuyến điểm nội và thuật toán Gen [12], mạng nơ ron nhân tạo [13], quy hoạch hỗn tạp số nguyên và còn nhiều phƣơng pháp khác v v Bài toán phối hợp thủy nhiệt điện bao gồm cực tiểu chi phí vận hành và chi phí nhiên liệu của hệ thống chịu bởi các phƣơng trình và bất phƣơng trình ràng buộc từ giới hạn thực tế về nguồn nƣớc, công suất phát cũng nhƣ an toàn năng lƣợng hệ thống v v Trong một nghiên cứu [9] giới thiệu phƣơng pháp tối ƣu hiệu quả hệ thống nhiệt điện kết hợp với các nhà máy thủy điện với cột nƣớc không đổi. Phƣơng pháp thực hiện tuyến tính hóa phƣơng trình kết hợp và giải ràng buộc nguồn nƣớc cho phép tại các nhá máy thủy điện riêng biệt. Sau khi nhân tử Lagrange tƣơng ứng với ràng buộc nguồn nƣớc đƣợc xác định, công suất phát của các nhà máy thủy nhiệt điện đƣợc tìm ra. Phƣơng pháp nghiên cứu dựa trên thuật toán PSO [10] đƣợc áp HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 2
15. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên dụng để giải bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện. Trong nghiên cứu này, bài toán điều độ đƣợc chia thành ba bài toán nhỏ, điều độ kinh tế, điều độ phát thải và điều độ kinh tế-phát thải. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, ta chỉ xét đến bài toán điều độ kinh tế. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất (PM) ở [10] đƣợc so sánh với hai phƣơng pháp là λ−γ iteration (LGM) và existing PSO (EPSO). Kết quả cho thấy phƣơng pháp PM cho kết quả tốt tốt hơn hai phƣơng pháp LGM và EPSO.Tuy nhiên, kết quả của phƣơng pháp PM lại không hiệu quả bằng phƣơng pháp trong tài liệu tham khảo [9] Từ các phân tích trên có thể thấy rằng các phƣơng pháp đều có ƣu và nhƣợc điểm. Từ đó, luận văn đề xuất phƣơng pháp Hopfield Lagrange network (HLN) ở [10] để giải bài toán tối ƣu hệ thống thủy nhiệt với giả sử chiều cao cột nƣớc không đổi tại các nhà máy thủy điện. Phƣơng pháp HLN kết hợp hàm Lagrangian và mạng nơ ron Hopfield liên tục, trong đó hàm Lagrangian đƣợc sử dụng trực tiếp nhƣ là hàm năng lƣợng cho mạng nơ ron Hopfield liên tục. Trong phƣơng pháp HLN , hàm năng lƣợng nhờ đƣợc tăng cƣờng bởi thành phần Hopfield từ mạng Hopfield liên tục nên khắc phục các dao động của mạng Hopfield liên tục cổ điển trong tiến trình hội tụ bài toán. Do đó phƣơng pháp đề xuất HLN có thể khắc phục các nhƣợc điểm của mạng Hopfield liên tục cổ điển để giải các bài toán tối ƣu với tiến trình giải nhanh hơn, chất lƣợng lời giải tốt hơn, thời gian hội tụ nhanh hơn và qui mô bài toán lớn hơn. HLN đƣợc kiểm tra hệ thông gồm các nhà máy nhiệt điên và thủy điện với các ràng buộc đẳng thức và bất đẳng thức. Các số liệu bài toán đƣợc sử dụng lấy từ tài liệu [9] và kết quả đƣợc so sánh với phƣơng pháp ở [9] và [10] từ kết quả cho thấy HLN là một phƣơng pháp hiệu quả để giải bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện với chiều cao cột nƣớc không đổi. 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Cực tiểu chi phí phát điện hệ thống thủy-nhiệt điện 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giải tích và mô phỏng toán học trên cơ sở hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí phát điện với thuật toán ứng dụng là nhân tử Lagrangian. HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 3
16. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Ứng dụng trong hệ thống chỉ với nhà máy thủy điện và nhiệt điện, không có các nhà máy khác. 2. Viêc̣ phối hơp̣ các nhà máy thủy điêṇ và nhiêṭ điêṇ chỉ thƣc̣ hiêṇ trong thời gian ngắn (1 ngày đêm), xem chiều cao côṭ nƣớc là hằng số , hàm xả nƣớc là hàm theo công suất phát. 1.5. ĐIỂM MỚI ĐỀ TÀI Sử dụng một phƣơng pháp mới để giải bài toán tối ƣu và phƣơng pháp này khá hiệu quả. 1.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN Nghiên cứu phƣơng thức vận hành các nhà máy điện trong hệ thống nhằm đáp ứng đủ nhu cầu phụ tải và có thể cực tiểu chi phí phát điện. Điều này có ý nghĩa to lớn cho nguồn năng lƣợng điện hiện nay khi nguồn tài nguyên khoáng sản đang đi đến hồi cạn kiệt và nguồn nƣớc trên thƣợng lƣu chảy về giảm dần theo thời gian. Chính vì vậy mà đề tài “điều độ kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện” sẽ góp phần giải quyết vấn đề này. Với kết quả nghiên cứu thì đề tài có thể: 1. Ứng dụng cho hệ thống thủy nhiệt điện trong hệ thống. 2. Sử dụng làm tài liệu cho môn vận hành nhà máy và hệ thống điện 3. Sử dụng thuật toán cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu cho các nghiên cứu khác. 1.7. BỐ CỤC Đề tài bao gồm 5 chƣơng. Chƣơng 1: Tổng quan. Tóm tắt những nghiên cứu trƣớc đây, trình bày các hƣớng nghiên cứu giống và khác với đề tài về phƣơng pháp cũng nhƣ dữ kiện đầu vào bài toán, trình bày phƣơng pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, điểm mới, ý nghĩa và bố cục của đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 4
17. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên Nêu rõ bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện, trình bày đặc tính của phối hợp và lợi ích đem lại. Nêu tóm tắt các loại nhà máy thủy điện, các bài toán phối hợp cùng với giả sử ban đầu mà trƣớc giờ đã nghiên cứu. Chƣơng 3: Mô hình toán Xây dựng mô hình toán học cho các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, từ đó xây dựng mô hình toán học cho hệ thống. Hàm mục tiêu, các ràng buộc đƣợc đặt ra, từ đó xây dựng phƣơng pháp HLN và thuật toán giải cho bài toán phối hợp hệ thống thủy nhiệt điện. Chƣơng 4: Bài toán mẫu Chƣơng 5: Kết luận. Đánh giá kết quả và nêu hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 5
18. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. TỐI ƢU NGUỒN PHÁT VÀ VẬN HÀNH KINH TẾ 2.1.1. Phân bố tố i ưu và trao đổi công suất kinh tế Phân bố tối ƣu nguồn phát là sự bố trí phát công suất tại các nguồn phát sao cho chi phí tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất, nhƣng phải đảm bảo về độ tin cậy cung cấp điện và chất lƣợng điện năng. Một trong những bài toán kinh tế - kỹ thuật khi vận hành và thiết kế hệ thống điện là: xác định sự phân bố tối ƣu công suất giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện nhằm đáp ứng giá trị phụ tải tổng cộng đã qui định. Việc nghiên cứu phƣơng thức phân bố tối ƣu công suất trong hệ thống điện không những nâng cao tính kinh tế trong vận hành mà còn đóng góp vào tính chính xác và hợp lí khi qui hoạch, thiết kế hệ thống điện Trao đổi công suất kinh tế thực chất là việc mua bán điện sao cho cả hai bên đều có lợi, việc trao đổi công suất kinh tế có thể diễn ra khi có sự chênh lệch có mức độ giữa suất tăng chi phí nhiên liệu của hai hệ thống. Trao đổi công suất kinh tế xảy ra khi có sự lựa chọn nguồn cung cấp điện cho phép, lấy ví dụ, trong việc sản xuất, bán hoặc mua điện. Trong những trƣờng hợp nhƣ vậy, quyết định mua hoặc không mua điện đƣợc dựa trên cơ sở tƣơng quan kinh tế trong mỗi trƣờng hợp và các chi phí tăng trƣởng kèm theo và các giá trị giảm phát, các tổn hao truyền tải (hệ số phạt) cũng đƣợc tính đến trong việc phân bố điện đến điểm kết nối giữa các hệ thống. 2.1.2. Yêu cầu và vai trò của vận hành kinh tế Yêu cầu vận hành kinh tế Tất cả các yêu cầu của vận hành hệ thống điện trực tuyến phải đƣợc thực hiện ngay lập tức, và việc sản xuất, phân phối năng lƣợng sẽ đƣợc vận hành với giá thành nhỏ nhất. Các yếu tố này thông thƣờng không đƣợc chú ý của cộng đồng dân chúng, và họ rất ít khi nghĩ đến hệ thống, trừ khi có rắc rối sự cố hay mất điện, dù là thoáng qua. HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 6
19. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên Các yếu tố kinh tế bị ảnh hƣởng bởi các tác động của ngƣời vận hành bao gồm phân bố tải cho thiết bị nguồn phát, thƣờng là của nhà máy nhiệt điện nơi mà các hiệu suất và giá thánh nhiên liệu là các yếu tố chính trong giá thành sản xuất điện. Việc vận hành trong các nhà máy thủy điện cũng có thể ảnh hƣởng đến giá thành phát điện, nơi mà các khoảng thời gian trong năm khả năng nguồn nƣớc lớn và các khoảng thời gian còn lại thì phải cân nhắc. Khả năng mua đƣợc điện và lịch đại tu hoặc sữa chữa thiết bị, tất cả có ảnh hƣởng đến giá thành vận hành. Ngƣời điều khiển hệ thống phải điều khiển một cách cân nhắc với những yếu tố này. 2.1.2.1. Chất lượng phục vụ. Chất lƣợng điện năng theo pháp định: Chất lƣợng tần số. Chất lƣợng điện áp. Độ tin cậy cung cấp điện hợp lý. 2.1.2.2. Chi phí sản xuất. Chi phí sản xuất bao gồm: - Chi phí nhiên liệu. - Tổn thất điện năng. - Chi phí bảo dƣỡng định kỳ. - Chi phí để khắc phục hậu quả, sửa chữa thiết bị hỏng do sự cố. - Chi phí tiền lƣơng. - Khấu hao thiết bị. Vai trò vận hành kinh tế Vận hành kinh tế có thể giảm đến mức nhỏ nhất chi phí sản xuất điện năng, mục tiêu của việc phân bố tối ƣu nguồn phát trong hệ thống điện, bao gồm: 1- Giảm chi phí do nhiên liệu. 2- Giảm tổn thất điện năng. Các mục tiêu trên đƣợc 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. HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 7
20. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên - Trong vận hành, lập kế hoạch vận hành đúng đắn và thực hiện đƣợc kế hoạch đó Tóm lại, yêu cầu của vận hành kinh tế hệ thống điện là đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện, đảm bảo chất lƣợng phục vụ, có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối thấp nhất. 2.1.2.3. Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành bao gồm: - Ƣu tiên tăng lƣợng 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. - Ƣu tiên tăng lƣợng công suất phát ra tại các nhà máy nhiệt điện có tiêu hao nhiên liệu thấp. - Triệt để sử dụng nguồn nƣớc của nhà máy thủy điện, giảm đến nhỏ nhất lƣợng nƣớc xả không qua turbine. - Phối hợp sử dụng nƣớc 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 đƣợc thực hiện nhƣ sau: - Lập kế hoạch khai thác các thủy điện cho năm, lƣợng nƣớc 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, lƣợng nƣớc 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 các tổ máy. Kế hoạch đƣợc lập trên cơ sở dự báo nƣớc về các hồ chứa và dự báo phụ tải dài hạn, ngắn hạn. Kế hoạch sản xuất bao gồm cả kế hoạch bảo dƣỡng định kỳ các tổ máy trong năm. Để lập đƣợc các kế hoạch trên có hai bài toán cơ sở phải sử dụng thƣờng xuyên là phân bố công suất tối ƣu giữa các nhà máy nhiệt điện và phân bố tối ƣu HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 8
21. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD:TS.Lê Chí Kiên công suất giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện. 2.1.2.4. Giảm tổn thất điện năng Giảm tổn thất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong vận hành lƣới điện. Giảm tổn thất điện năng bao gồm các biện pháp cần thêm vốn đầu tƣ và các biện pháp không cần vốn đầu tƣ. Có những biện pháp thực hiện một lần khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện nhƣ chọn dây dẫn chống tổn thất vầng quang; có biện pháp đƣợc chuẩn bị trong quy hoạch thiết kế và đƣợc thực hiện trong vận hành nhƣ phân bố tối ƣu công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp. 2.2. NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN [2] [19] [26] [27] 2.2.1. Số liệu thủy văn Lƣu lƣợng nƣớc về hàng năm là thông số hết sức quan trọng với nhà máy thủy điện trong vận hành hệ thống nhằm đảm bảo an ninh năng lƣợng cũng nhƣ kinh tế phụ thuộc dòng sông. Số liệu này gọi là số liệu thủy văn, là chuỗi số liệu quan sát và thống kê lƣu lƣợng nƣớc. Các trạm quan trắc thủy văn trên những vị trí khác nhau của dòng sông có thể ghi trị số lƣu lƣợng nƣớc đo hàng ngày trong nhiều năm liên tục. Dựa trên cơ sở chuỗi số liệu thủy văn ngƣời ta thiết lập các loại số liệu đặc trƣng khác nhau cho dòng sông. Để có đƣợc cơ sở chuỗi số liệu thủy văn, ngƣời ta quan sát liên tục từ 50 năm trở lên. Chuỗi số liệu thủy văn thƣờng đƣợc thể hiện dƣới dạng bảng số hay đồ thị. Hình 2.1. Số liệu thủy văn Có thể thấy rằng, dòng chảy tự nhiên trên các con sông phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu. HVTH: Đoàn Nguyên Nhật 9