Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Tối ưu hóa chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện việt nam (t...

Tài liệu Tối ưu hóa chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện việt nam (tt)

.PDF
27
469
60

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG --------------------------------- Ngô Văn Dũng TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 02 02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Xây dựng & Viện Khoa học năng lượng Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Vũ Hữu Hải 2. TS.NCVCC Ngô Tuấn Kiệt Phản biện 1: GSTS. Vũ Thanh Te Phản biện 2: GSTS. Lê Kim Truyền Phản biện 3: TS. Nguyễn Viết Phách Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận án tiến sĩ cấp trường tại Trường Đại học Xây dựng 55 Giải Phóng, Quận Hai Bà Trưng, Thành phố Hà Nội Vào hồi : ….. giờ, ngày……tháng ........năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Điện năng là sản phẩm hàng hóa đặc biệt, không tích trữ được, quá trình sản xuất và tiêu thụ diễn ra đồng thời theo thời gian thực. Các nguồn điện nói chung và nhà máy thủy điện nói riêng thường xa nhau và xa các trung tâm phụ tải. Các nguồn phát cung cấp điện cho hộ tiêu thụ thông qua hệ thống lưới điện và các trạm biến áp Thủy điện Việt Nam đến năm 2017 đã có 473 dự án được đưa vào khai thác vận hành, với tổng công suất là 21.229,3 MW, chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật của thủy điện. Việt Nam hiện đang nghiên cứu mở rộng các nhà máy thủy điện (NMTĐ) có khả năng điều tiết nước như Thác Mơ, Đa Nhim, Ialy, Hòa Bình, Trị An,… Xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng và đang rà soát phát triển các dự án thủy điện vừa và nhỏ. Theo quy hoạch điện 7 (QHĐ7) hiệu chỉnh tháng 03 năm 2016 giai đoạn 2015- 2030 mặc dù tổng công suất đặt của thủy điện sẽ tiếp tục gia tăng, song tỷ trọng công suất thủy điện của Việt Nam sẽ giảm từ 38% năm 2015 xuống 30,1% vào năm 2020, 21,1% năm 2025 và đạt 16,9% vào năm 2030 (tương đương với tỷ lệ trung bình của thủy điện thế giới) [31]. Kinh nghiệm và thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển và khai thác vận hành thủy điện trên thế giới cho thấy, ngoài những ưu điểm lớn như không tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, giá thành rẻ và linh hoạt trong vận hành…, thủy điện cũng đã bộc lộ một số nhược điểm cần khắc phục như ngập lụt do vận hành hồ chứa, tác động tiêu cực đến môi trường [42, 43, 38, 66]. Ở Việt Nam, trong điều kiện tỷ trọng phát triển nhiệt điện than ngày càng gia tăng. Vấn đề nghiên cứu xây dựng cơ sở phương pháp luận cũng như chương trình tính toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điên (NMTĐ) trong hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam, nhằm huy động hợp lý khả năng phát công suất phủ đỉnh của NMTĐ là vấn đề cấp thiết và cấp bách hiện nay. Vấn đề đặt ra thực tế cần nghiên cứu là cơ sở lý thuyết và thực tiễn để xây dựng mô hình toán học cho phép mô phỏng các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam với đầy đủ đặc trưng thực như (vị trí, quy mô, chi phí sản xuất điện theo chế độ huy động… và đường dây truyền tải) giữa nguồn phát và trung tâm phụ tải của HTĐ. Ngoài ra, cần xây dựng bộ chương trình tự động tính toán xác định chế độ vận hành hợp lý các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam theo thời gian thực với tổng chi phí sản xuất truyền tải và phân phối điện năng của HTĐ là nhỏ nhất. Với những lý do trình bày trên có thể nhận thấy, việc lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Tối ưu hóa chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam” có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích: Nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn về đặc tính nguồn phát, đường dây truyền tải và các vùng phụ tải. Xác định những yếu tố ảnh hưởng đến vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam. Nhiệm vụ nghiên cứu:  Xây dựng mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam với các đặc tính riêng của nguồn điện, đường dây truyền tải và các vùng phụ tải theo thực trạng và quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam.  Thiết lập chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam.  Áp dụng chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện đáp ứng nhu cầu phụ tải toàn quốc hoặc các vùng của HTĐ Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Là bài toán vận hành các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam với đầy đủ các đặc trưng hiện hữu trong hiện tại cũng như kịch bản phát triển trong tương lai theo Quy hoạch phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2011-2020, có xét đến 2030 đã được phê duyệt. Phạm vi nghiên cứu: Là bài toán tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam theo tiêu chuẩn tổng chi phí sản xuất và cung cấp điện năng của HTĐ là nhỏ nhất. 4. Phương pháp nghiên cứu Trong Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp thống kê: Cập nhật CSDL tiến hành phân tích, kiểm chứng và đánh giá tổng quan về hiện trạng và xu hướng phát triển HTĐ Việt Nam cũng như các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực mô hình hóa và tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ thống điện. - Phương pháp mô hình hóa: là phương pháp mô phỏng toán học các phần tử của HTĐ. Nguồn điện với đặc tính hiện hữu về vị trí, quy mô thông số kỹ thuật - kinh tế với đường dây truyền tải giữa nguồn phát và các hộ tiêu thụ điện. Sử dụng phương pháp tối ưu toán học để giải bài toán tối ưu vận hành HTĐ. 5. Đóng góp mới về khoa học và thực tiễn của Luận án Luận án sẽ đóng góp mới về lý thuyết và thực tiễn sau đây: 1. Luận án đã xây dựng được mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam để tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt nam. Mô hình có nhiều ưu điểm hơn các mô hình nhập khẩu và 3 các mô hình đã được áp dụng ở Việt Nam trước đây, đó là: (i) Mô hình không bị hạn chế về số lượng các nút và các loại nguồn phát; cấp điện áp truyền tải giữa nguồn phát và trung tâm phụ tải; (ii) Mô hình mô phỏng đầy đủ và sát với thực tế các đặc tính và chi phí sản xuất điện của các trạm phát trong hệ thống điện Việt Nam; (iii) Mô hình tự động thiết lập sơ đồ và tính toán chi phí truyền tải tương đương giữa các vùng trong hệ thống điện. 2. Luận án đã hoàn thiện thuật toán, trình tự giải bài toán theo mô hình tối ưu hoá chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính. Chương trình tính toán được lập theo hàm mục tiêu “tối thiểu hoá chi phí cung cấp điện của HTĐ với các ràng buộc về khả năng phát công suất và năng lượng, chi phí sản xuất và truyền tải của các nguồn phát, các ràng buộc về khả năng truyền tải giữa các nút phụ tải trong hệ thống điện. Chương trình cho chế độ vận hành hợp lý kết quả của các nguồn phát nói chung và các nhà máy thủy điện nói riêng. Đặc biệt chương trình cho xác định được tổng phát thải khí CO2 của HTĐ cho mỗi phương án tính toán. 3. Luận án đã xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu đầy đủ về vị trí, quy mô công suất, chế độ suất vận hành phát điện, chống lũ, cấp nước của các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam; Tính toán vận hành tối ưu các nhà áy thủy điện trong hệ thống điện Việt nam với các phương án 3, 5,8 nút và khu vực miền Trung – Tây Nguyên cho kết quả vận hành tin cậy phù hợp với thực tế. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi mô hình càng tăng số nút trong mô hình càng cho kết quả vận hành càng chính xác. Đây là cơ sở để áp dụng mô hình cho các bài toán tương lại trong hệ thống điện Việt Nam. 6. Kết cấu của Luận án Luận án được cấu trúc gồm phần Mở đầu, 4 chương & kết luận, kiến nghị, Phụ lục tính toán như sau: Chương 1: Tổng quan về vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện. Chương 3: Chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam. Chương 4: Tính toán chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam. Kết luận và kiến nghị: Tài liệu tham khảo và Phụ lục tính toán. 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1.1. Vai trò của các nhà máy thủy điện trong sản xuất điện năng 1.1.1. Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng trên thế giới Tiềm năng thủy điện của thế giới gần 14.400 tỷ kWh/năm, trong đó tiềm năng kinh tế khoảng 8.200 TWh/năm (khoảng 57%). Các nước công nghiệp phát triển đều đã khai thác hơn 70% tiềm năng kinh tế và hiện cũng đang tìm cơ hội khai thác thêm. Châu Á là châu lục có số lượng lớn nhất về phát triển thủy điện với các quốc gia dẫn đầu vẫn là Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Nga, Iran, …Những nước có nguồn thủy điện chiếm trên 50% tổng công suất điện của hệ thống điện rất nhiều như Na Uy (100%); Iceland (83%), Canada (70%), Áo (67%). Theo dự báo của IEA đến năm 2040 tỷ lệ thủy điện sẽ khoảng 16 – 20%. 1.1.2. Vai trò của thủy điện ở Việt Nam Với điều kiện địa hình và khí hậu có nhiều thuận lợi để phát triển thủy điện, Việt Nam có 2.360 sông lớn, dòng sông dài hơn 10 km. Bản đồ trữ năng kinh tế các lưu vực sông chính ở Việt Nam trình bày trên hình 1.1. Hình 1.1: Bản đồ trữ năng kinh tế các dòng sông chính ở Việt Nam Cho đến nay các dự án TĐ lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được khai thác hết. Kế hoạch xây dựng bổ sung từ nay tới 2030 từ nguồn thủy điện dự kiến 8.959 MW [3] được tổng hợp trên hình 1.2. Vai trò thủy điện có liên quan đến vấn đề cần nghiên cứu như sau: (1) Thủy điện lợi thế là nguồn năng lượng xanh, được phục hồi theo thời gian, giá thành thấp, tuổi thọ công trình dài, huy động công suất nhanh… 5 Hình 1.2: Tổng hợp nguồn thủy điện bổ sung vào HTĐ Việt Nam 2016 -2030 (2) Bài toán khai thác và sử dụng nguồn thủy điện hợp lý luôn là vấn đề được các nước kinh tế phát triển quan tâm, trong đó có Việt Nam. (3) Bài toán vận hành tối ưu các NMTĐ theo điều kiện thực tế với mục tiêu đảm bảo an toàn, hiệu quả… sử dụng tổng hợp nguồn nước, đặc biệt là hiệu quả phát điện có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đem lại hiệu quả cao. 1.2. Hiện trạng vận hành các NMTĐ lợi dụng tổng hợp nguồn nước 1.2.1. Khái niệm về vận hành các NMTĐ trong hệ thống Vận hành các NMTĐ là quá trình quản lý, khai thác vận hành hồ chứa và các công trình có liên quan theo các thông số kỹ thuật kinh tế nhằm đáp ứng yêu cầu của các nhiệm vụ đặt ra. 1.2.2. Hiện trạng vận hành các NMTĐ ở Việt Nam Đến năm 2017 Việt Nam đã có trên 473 dự án NMTĐ đang vận hành với tổng công suất lắp đặt hơn 21.229 MW, chiếm gần 40% tổng công suất đặt của HTĐ. Tỷ lệ công suất đặt tăng chậm theo QH7 (hình 1.2). 1.2.3. Thành tựu nghiên cứu tối ưu vận hành NMTĐ Bài toán vận hành hợp lý NMTĐ quy mô lớn và vừa, đặc biệt là các NMTĐ có hồ điều tiết ở Việt Nam luôn có tính thời sự và đã được các nhà khoa học chuyên ngành nghiên cứu. Các thành tựu nghiên cứu đã tạo cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy trong việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa, quy trình vận hành NMTĐ…[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22,23,24,25,26,27,28,29,30]. 1.3. Thành tựu nghiên cứu tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện 1.3.1. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài Hiện có khá nhiều chương trình phần mềm được sử dụng cho việc nghiên cứu cấu trúc phát triển hợp lý HTĐ và cũng được sử dụng để giải bài toán huy động hợp lý các nguồn điện đáp ứng nhu cầu phụ tải. Các mô hình hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và đã được áp dụng vào Việt Nam đang được sử dụng là: WASP III, EFOM-ENV, ENPEP - BALANCE, LEAP, 6 MARKAL, MESAP, MESSAGE, RETScreen, STRATEGIST-EVN, DPAT II, LP- ESPS cấp B của ETB, CORRECTIVE... Thực tế sử dụng các phần mềm nước ngoài cho thấy, dữ liệu đầu vào thường không đầy đủ, thiếu tin cậy, không phù hợp với HTĐ VN, kết quả nhận được cũng khó phát hiện ra những bất hợp lý hoặc lời giải không tối ưu. 1.3.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam Để khắc phục những bất hợp lý nêu trên các nghiên cứu ở Việt Nam đã đạt được một số thành tựu như: Nhóm các nhà khoa học của Viện Khoa học năng lượng, Viện năng lượng, Đại học Thủy lợi Hà Nội, Đại học Bách khoa Hà Nội (Đà Nẵng, Hồ Chí Minh… nhiều tác giả Ngô Đức Cường và Trần Vĩnh Tịnh (2002 – ĐHBK Hà Nội)… [14,27,28,29,31.]) 1.3.3. Một số nhận xét về thành tựu nghiên cứu tối ưu vận hành NMTĐ trong hệ thống điện - Các chương trình tính toán tối ưu nước ngoài hoặc đề xuất trong nước chưa đáp ứng được những đặc thù riêng của hệ thống điện Việt Nam. - Tỷ trọng các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam đang giảm dần đến năm 2030 sẽ đạt giá trị trung bình của thế giới là gần 20%. Vai trò của thủy điện đang chuyển dần thành nguồn phủ đỉnh đồ thị phụ tải. Chính vì vậy việc nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu các NMTĐ ở Việt Nam cần được giải quyết theo những điều kiện đặc thù riêng, phù hợp với nền KTXH quốc gia đang phát triển. 1.4. Luận cứ về nội dung nghiên cứu của luận án Đối với HTĐ Việt Nam để đạt được mục tiêu đặt ra, Luận án này đã tập trung nghiên cứu sâu về đặc tính của nguồn điện cũng như lưới điện, đặc biệt là thủy điện có ảnh hưởng đến tối ưu chế độ làm việc của các NMTĐ trong HTĐ. 1.4.1. Đặc điểm của nguồn điện ảnh hưởng đến tối ưu vận hành hệ thống điện a. Đặc điểm nguồn thủy điện Việt Nam: Đa dạng về quy mô, công suất đặt lớn hơn nhiều công suất đảm bảo, chi phí sản xuất điện nhỏ, độ linh hoạt cao; Các NMTĐ lớn và vừa là các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước, thủy điện nhỏ phát triển mạnh. b. Đặc điểm nguồn nhiệt điện: Suất chi phí nhiên liệu phụ thuộc không tuyến tính vào số giờ huy động công suất Tmax; Khả năng và hiệu quả huy động công suất thấp khi làm việc ở tỷ lệ phụ tải dưới 70%. 1.4.2. Ảnh hưởng của khả năng truyền tải chính giữa các vùng đến tối ưu phát triển và vận hành HTĐ Chi phí và tổn thất truyền tải với hệ thống lưới điện dài có ảnh hưởng lớn đến bài toán vận hành tối ưu HTĐ. 7 Trong luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống lưới truyền tải 500 kV và 220 kV giữa các nút và đường dây. Điện áp từ 110 kV trở xuống chỉ xem xét khi nghiên cứu vận hành HTĐ khu vực hoặc trong từng nút phụ tải. 1.5. Kết luận chương 1 HTĐ Việt Nam đã và đang phát triển với tốc độ cao và ngày càng trở thành một hệ thống lớn phức tạp. Bài toán vận hành các NMTĐ trong HTĐ tuy đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết cho điều kiện đặc thù nước ta đặt ra hướng nghiên cứu của Luận án. Chương 2 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1. Đặt vấn đề Như trên đã nêu, bài toán tối ưu vận hành các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam có tính cấp thiết nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí cung cấp điện của hệ thông điện. 2.2. Phương pháp xây dựng mô hình toán mô phỏng HTĐ Việt Nam 70 60 50 40 30 20 10 0 Phụ tải MW Trong Luận án, HTĐ VN được mô phỏng bằng mô hình toán nhiều nút. a.Mô tả nút: Nút được hiểu là một vùng phụ tải bao gồm các nguồn, đường dây truyền tải và phụ tải tại mỗi nút và toàn HTĐ được xem là đã biết và được đặc trưng bởi đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình như hình 2.1. 1 Biểu đồ phụ tải ngày đêm điển hình 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hình 2.1: Đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình Giờ Hình 2.2: Đồ thị phụ tải ngày đêm đỉển hình triển khai Để thuận lợi trong việc phủ biểu đồ phụ tải, biểu đồ phụ tải điển hình ngày đêm được sắp xếp theo thứ tự giảm dần (hình 2.2) được gọi là “đồ thị 8 phụ tải triển khai” với giá trị công suất giảm dần từ trái sang phải. Chênh lệch công suất giữa hai bậc thang liền kề gọi là “số gia công suất” P. Kết quả phủ đồ thị phụ tải cho biết nguồn điện nào tham gia cung cấp điện ở bậc nào của đồ thị phụ tải triển khai với số giờ làm việc bằng với số giờ của bậc đó (bậc trên cùng là 1 giờ và bậc dưới cùng là 24 giờ). Các biến số đưa vào mô hình tính chế độ vận hành tối ưu là số gia công suất P. Về lý thuyết, trong HTĐ N nút, một nguồn điện bất kỳ sẽ được mô tả thành “n” thành phần số gia công suất P tương ứng để cung cấp cho N nút của HTĐ và ta có “n” khả năng cung cấp điện cho N nút khác nhau. Giải pháp này là một giải pháp sáng tạo cho phép mô tả được tính chất phức tạp về chi phí nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện (N MN Đ ) cũ n g n h ư xác định vị trí làm việc của các NMTĐ trên đồ thị phụ tải. Sau khi có kết quả tính toán tối ưu chương trình sẽ tự động hoàn nguyên lại biểu đồ phụ tải theo thời gian thực ban đầu. b. Mô tả nguồn điện: Công suất và năng lượng của các nguồn điện được mô tả theo dạng bậc thang (tối đa 24 bậc, tương ứng với 24 h ngày đêm). Trong mỗi bậc, sẽ có n thành phần, tương ứng với N nút của HTĐ. Số thành phần công suất này mô tả n khả năng cung cấp điện từ một nguồn cho N nút của HTĐ. c. Mô tả đường dây truyền tải chính: Lưới điện truyền tải được giả thiết có cùng chi phí đơn vị và được mô tả thông qua hai chỉ tiêu chủ yếu khoảng cách và tổng năng lực truyền tải. 2.3. Bài toán tối ưu vận hành các NMTĐ trong hệ thống điện Việt Nam 2.3.1. Hàm mục tiêu Hệ thống điện có N nút, bài toán tổng quát cho HTĐ Việt Nam là: Tìm cực tiểu (min) của tổng chi phí sản xuất và truyền tải điện năng của các nhà máy điện trong hệ thống điện. Trong đó: N: Số nút của hệ thống; lj : Số nhà máy điện ở nút j; mi : Số nhà máy điện ở nút i; k : Số bậc phụ tải nút i; m : Tỷ lệ điện tự dùng của nhà máy m; τmk : Thời gian làm việc của nhà máy m tại bậc công suất k; l: Tỷ lệ điện tự dùng của nhà máy l; τlk: Thời gian làm việc của nhà máy l tại bậc công suất k; (2-1) ∆Pimk : Giá trị công suất gia tăng của nhà máy m, tại nút i, bậc k; ∆Pjlk : Giá trị công suất gia tăng của NM liên vùng l chuyển từ nút j đến nút i, bậc k; dd: Tổn thất khi truyền tải trên đường dây : Suất chi phí tính toán của nhà máy m đặt tại nút i, cung cấp điện cho bậc phụ tải k của chính nút i; : Suất chi phí tính toán của nhà máy liên vùng l đặt tại nút j, cung cấp điện cho bậc phụ tải k của nút i. 9 2.3.2. Các ràng buộc của bài toán 1. Ràng buộc về cân bằng công suất và điện năng cho từng nút của HTĐ Tại mỗi thời điểm t, tại một nút i bất kỳ phải thỏa mãn: - Ràng buộc về cân bằng công suất: M N 1 K   P m 1 k 1 ii imk     1   L K j 1 l 1 k 1 ji P ji jlk Pi nc  Pi dt (2-2) (i  1  N ) - Ràng buộc về cân bằng điện năng: (i =1…N );(2-3) Trong đó: Pinc: nhu cầu công suất nút i; Pidt: công suất dự trữ nút i; Einc: nhu cầu năng lượng nút i. ( Số cặp bất phương trình ràng buộc này bằng số nút của hệ thống). 2. Ràng buộc về giới hạn công suất nhà máy điện. (2-4) Trong đó:K=124 số bậc phụ tải; N: số nút hệ thống; Pkij: công suất sở tại và liên vùng của nhà máy m; Pmilm: công suất lắp máy nhà máy điện m; Pmitd: công suất tự dùng nhà máy điện m. 3. Ràng buộc về giới hạn điện năng trung bình ngày của nhà máy điện. Xét nhà máy điện m tại nút i: K N  P k 1 j 1 ng td  mk  Emi  Emi (2-5) kij Trong đó: K=124; N: số nút hệ thống; Pkij: công suất sở tại và liên vùng của nhà máy m; mk: Thời gian trên bậc công suất; Eming: năng lượng phát trung bình ngày của nhà máy m Emitd: năng lượng tự dùng của nhà máy ”m”. Số bất phương trình ràng buộc bằng số nhà máy điện của hệ thống. 4. Ràng buộc về giới hạn truyền tải của đường dây Xét đường dây ij: Giá trị tuyệt đối của tổng đại số công suất tải theo hai hướng trên đoạn đường dây đang xét nhỏ hơn hoặc bằng Pmax đường dây: K M K N abs( Pmkij  Pnkji )  Pij k 1 m 1 (2-6) k 1 m 1 Trong đó: Abs: Giá trị tuyệt đối công suất truyền tải giữa các nút ij; K = 24 : Số bậc phụ tải; M: Số nhà máy điện có khả năng truyền tải theo hướng ij; Pmkij: Công suất truyền tải nhà máy m bậc k từ i đến j; N: Số nhà máy điện có khả năng truyền tải theo hướng 10 ji; Pnkji: Công suất truyền tải nhà máy n bậc k từ j đến i ; & Pij: Công suất giới hạn của đường dây ij. Số ràng buộc loại này bằng số đoạn đường dây tương đương của hệ thống. 5. Ràng buộc liên thông đường dây Đây là yêu cầu phải đảm bảo dòng công suất truyền tải từ một nhà máy tới tất cả các vùng không chứa nhà máy đó được liền mạch hợp lý. K  (1   k L ki ) Pkim   Pilm Trong đó: m: bậc công suất; K: số đường dây có thể tải công suất từ nhà máy đang xét tới nút i; L: số đường dây có thể tải công suất của nhà máy đang xét từ nút i tới các nút khác; (2-7) l 1 Pkim: công suất nhà máy đang xét trên đường dây k tới nút i của bậc m; Pilm: công suất nhà máy đang xét trên đường dây l ra khỏi nút i của bậc m; ki: tỷ lệ tổn thất khi truyền tải trên đường dây ki. Tổng số ràng buộc này tối đa cho 1 nhà máy là [24 x (số vùng-1)]. 6. Ràng buộc hạn chế khả năng phát CS Pmax, Pmin của nhiệt điện Tổng công suất (phát đỉnh + bán đỉnh + bán đáy) nhỏ hơn hoặc bằng tích công suất phát đáy và hệ số giới hạn K P i 1 im i  Pm (2-8) Trong đó: K: Số bậc phụ tải; m = 24; Pi:Công suất của nhiệt điện đang xét trên bậc i; Pm : Công suất phát đáy của nhà máy nhiệt điện đang xét; : Hệ số giới hạn (thường  = 0,30,5) - Số ràng buộc loại này bằng số NM nhiệt điện. 7. Ràng buộc phát thải môi trường Ràng buộc này đảm bảo tổng phát thải khí nhà kính CO2 tương đương tất cả các nhà máy trong hệ thống không lớn hơn giá trị giới hạn. N  M K M J Z  ii ij (2-9) bmi (1   mi )   Pmik  ik   Pmijz  jz   At i 1  m 1 k 1 m 1 j 1 z 1  bmi: Hệ số phát thải CO2 tương đương ik: Thời gian bậc công suất k của nút i; của nhà máy m, tại nút i (tấn/MWh); J: Số vùng lân cận của nút i; N: Số nút của hệ thống; M: Số nhà máy ∆Pijmijz: Giá trị công suất liên vùng của nhà điện ở nút i; K: Số bậc phụ tải nút i; máy m, tải tới bậc z của nút j (MW); mi=: tỷ lệ tự dùng của nhà máy m nút i; jz: Thời gian bậc công suất z của nút j; At: ∆Piiimk: Giá trị công suất sở tại của Giới hạn tổng lượng phát thải. nhà máy m, tại bậc k của nút i; Hệ thống hàm mục tiêu và hệ thống các ràng buộc trên sẽ được áp dụng để phủ đồ thị phụ tải toàn quốc với số nút bất kỳ. 11 2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu vận hành các NMTĐ trong hệ thống điện Việt Nam 2.4.1. Lựa chọn phương pháp giải Luận án sử dụng phần mềm Lpsolve để giải bài toán tối ưu vận hành HTĐ bằng phương pháp QHTT. 2.4.2. Phủ đồ thị phụ tải của các nút hệ thống điện bằng thuỷ điện Quá trình phủ biểu đồ phụ tải được tiến hành theo hai nguyên tắc: (i) Nguyên tắc 1: Lựa chọn thứ tự ưu tiên của thuỷ điện; (ii) Nguyên tắc 2: Đảm bảo phương thức chung trong phủ đồ thị phụ tải khai triển cho một nhà máy thuỷ điện. Công suất và điện năng phủ đỉnh biểu đồ phụ tải của từng nút và toàn HTĐ theo phương pháp phủ đỉnh đồ thị phụ tải truyền thống. Hình 2.3: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải bằng phương pháp truyền thống Phương thức phủ hợp lý và xây dựng thuật toán phủ đồ thị phụ tải bằng thuỷ điện được trình bày trong sơ đồ khối hình 2-4. Hình 2.4 Sơ đồ logic phủ đồ thị phụ tải tích phân bằng thuỷ điện: 12 2.4.3. Trình tự giải bài toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thuỷ điện trong hệ thống điện Các bước thực hiện sẽ được tiến hành theo trình tự như sau: Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu HTĐ Bước 2: Chọn kịch bản nút của HTĐ Bước 3: Xử lý cơ sở dữ liệu cho các kịch bản mô phỏng HTĐ Bước 4: Phủ đỉnh đồ phụ tải các nhà máy thủy điện nhỏ và trung bình Bước 5: Hoàn thiện hàm mục tiêu và các ràng buộc Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp QHTT. Kết quả tính toán được biểu diễn thành các tệp bảng biểu, các biểu đồ thị phụ tải và cơ cấu nguồn trong HTĐ. Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam trên hình 2.5 Hình 2.5: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam 1-2017, TSTĐ 50%, PT thấp. 2.5. Phân tích kết quả Kết quả tính toán tối ưu vận hành các NMTĐ trong HTĐ cho phép xác định vị trí làm việc, công suất tham gia Pkd và điện năng của các nguồn điện đang vận hành trong HTĐ. 2.6. Kết luận Chương 2 Luận án đã làm rõ các nội dung liên quan đến cấu trúc và đặc trưng riêng của HTĐ Việt Nam làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình mô phỏng bài toán tối ưu vận hành các nguồn điện trong HTĐ Việt Nam. Đã lựa chọn sử dụng phương pháp QHTT để giải bài toán với số nút bất kỳ. Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3.1. Mục tiêu và yêu cầu xây dựng Chương trình tính Mục tiêu của mô hình là xây dựng chương trình tính theo mô hình đã được thiết lập ở chương 2. Chương trình tính toán cần có giao diện thân thiện, thuận lợi trong việc cập nhật dữ liệu đầu vào về đặc tính của các nguồn phát và đường dây truyền tải. 13 3.2. Chương trình tính toán chế độ vận hành tối ưu các NMTĐ trong hệ thống điện Việt Nam 3.2.1. Mô tả chương trình và các bước tính toán Hình 3.1: Các bước giải bài toán vận hành tối ưu. Các bước xây dựng chương trình được thiết kế một cách có hệ thống để giải quyết bài toán tối ưu tổng hợp với N nút, được thực hiện tự động cho các kết quả cân bằng cung và cầu của HTĐ. 3.2.2. Xây dựng các khối tính toán trong chương trình 1. Khối cơ sở dữ liệu (khối 2) và xây dựng dữ liệu tính toán (khối 6) Xây dựng khối cơ sở dữ liệu cho bài toán: (a). Cơ sở dữ liệu các nguồn phát điện; (b). Cơ sở dữ liệu truyền tải; (c). Cơ sở dữ liệu phụ tải;(d). CSDL giá nhiên liệu, giá điện 14 Toàn bộ cơ sở dữ liệu được trình bày trong phần phụ lục chương 1. 2. Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải bằng NMTĐ vừa và nhỏ (khối 7). 3.Xây dựng hàm mục tiêu, các ràng buộc (khối 8) và giải bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính bằng chương trình Lp Solve. 4. Xử lý và biểu diễn kết quả tính toán. (a).Xử lý kết quả: Kết quả tính toán được xử lý và đưa vào 3 file File 1: Kết quả tổng hợp chung - File 2: Kết quả tổng hợp nhà máy; File 3: Kết quả chi tiết nhà máy. (b). Biểu diễn các kết quả tính toán gồm: Các kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng dữ liệu số, hoặc đồ thị cung cầu của HTĐ trên biểu đồ phụ tải. 3.3. Giao diện chính của chương trình Giao diện chính chương trình & tổ chức cơ sở dữ liệu trên hình 3.2. Hình 3.2: Giao diện chương trình chính 3.4. Kiểm định chương trình tính toán Chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam được lập và tính toán kiểm tra sự phù hợp với các kết quả hiện có theo QHĐ7 và kế hoạch vận hành Ao của EVN năm 2017 mô hình 3 nút trên hình 3.3 15 Hình 3.3: Mô hình hóa HTĐ Việt Nam theo 03 nút. 3.4.1. Kết quả tính toán Kết quả tính toán xuất ra dưới dạng đồ thị trình bày trên hình 3.4, 3.5 và 3.6; kết quả dưới dạng số gồm: tổng chi phí nhỏ nhất của HTĐ; công suất phát và điện năng của các nguồn điện (nhiệt điện và thủy điện…) tham gia phủ đồ thị phụ tải 3 nút và HTĐ toàn quốc theo thời gian. Hình 3.4: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải miền Bắc bằng thủy điện trung bình và nhỏ TSTĐ 50%, PT thấp 16 Hình 3.5 : Kết quả phủ biểu đồ phụ tải miền Bắc 1-2017,TSTĐ 50%, PT thấp Hình 3.6: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ VN 1-2017, TSTĐ 50%, PT thấp Bảng 3.1a: Điện năng các NMTĐ & tỉ lệ trong HTĐ tháng 1 (2017-2030) Loại nguồn Thủy điện Tỉ lệ Thủy điện Điện năng ( 103 kWh/ th ) T 01-2017 T 01-2020 T 01-2025 T 01-2030 3,515,569 3,476,771 4,055,730 4,075,878 21.40% 16.06% 9.94% 5.10% Bảng 3.1b: Điện năng các NMTĐ & tỉ lệ trong HTĐ tháng 4 (2017-2030) Loại nguồn Thủy điện Tỉ lệ Thủy điện Điện năng ( 103 kWh) T 04-2017 T 04-2020 T 04-2025 T 04-2030 4,625,111 4,668,462 5,352,912 5,365,284 23.18% 17.84% 10.85% 5.79% Bảng 3.1c: Điện năng các NMTĐ & tỉ lệ trong HTĐ tháng 8 (2017-2030) Loại nguồn Điện năng ( 103 kWh) T 08-2017 T 08-2020 T 08-2025 T 08-2030 Thủy điện 7,314,763 7,835,657 8,794,956 8,805,931 Tỉ lệ Thủy điện 34.12% 28.44% 16.93% 9.03% 17 Bảng 3.1d: Điện năng các NMTĐ & tỉ lệ trong HTĐ tháng 11 (2017-2030) T 11-2017 Điện năng ( 103 kWh) T 11-2020 T11-2025 T 11-2030 Thủy điện 5,371,535 5,510,025 5,988,065 6,050,936 Tỉ lệ thủy điện 25.37% 20.09% 11.59% 6.13% Loại nguồn 3.4.2. So sánh kết quả tính toán với mô hình hóa HTĐ theo 3 nút Trong bảng 3.4 tổng hợp kết quả tính toán của Luận án với kết quả tính toán xây dựng kịch bản vận hành của Trung tâm điều độ HTĐ quốc gia A0 và QHĐ VII hiệu chỉnh đã được phê duyệt. Từ bảng 3.4 ta thấy, kết quả tính toán phù hợp với kế hoạch điều độ HTĐ Việt Nam A0 năm 2017, phù hợp QHĐ 7 đã được phê duyệt. Bảng 3.4: So sánh kết quả của Luận án với QĐ số 4711-BCT & QHĐ7 Năm 2017 2020 2025 2030 Tháng 1 LA QHĐ7 &Ao Sai lệch tháng 1 (%) Sai lệch tháng 4 (%) Sai lệch tháng 8 (%) Sai lệch tháng 11 (%) 3512 3477 4056 4076 3636 3658 3899 4047 3.40 4.95 -4.03 -0.72 -2.66 -1.99 -4.80 -1.19 3.36 -3.89 2.55 3.09 -3.03 -4.02 -3.13 -0.40 Enăm 204.387 288.873 433.053 624.123 3.5. Kết luận chương 3 Luận án đã xây dựng chương trình giải bài toán tối ưu vận hành các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam bằng phương pháp QHTT theo mô hình mô phỏng trong chương 2. Kết quả tính toán kiểm định cho trường hợp HTĐ Việt Nam 3 nút cho thấy sự tương đồng với kết quả tính toán của ngành điện. Chương 4 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 4.1. Tính toán chế độ vận hành tối ưu các NMTĐ trong HTĐ Việt Nam 4.1.1. Lựa chọn số nút tính toán trong nghiên cứu tối ưu vận hành HTĐ Nghiên cứu sinh đã phân tích, tổng hợp dữ liệu về hiện trang và quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam giai đoạn 2016-2030 để đề xuất phương án mô hình hoá HTĐ Việt Nam thành 5 nút và 8 nút. a. Mô hình 05 nút: Mô hình 5 nút được chọn dựa trên phân cấp quản lý của ngành điện gồm 5 tổng Công ty điện lực như trình bày trên hình 4.1. 18 Hình 4.1: Mô tả các nút theo mô hình quản lý tổng công ty Điện lực hiện nay. b. Mô hình 08 nút được chọn nhằm nghiên cứu riêng về tối ưu vận hành các NMTĐ, nên các nút chọn theo lưu vực sông lớn trên hình 4.2. như sau: 1. Vùng lưu vực sông Đà; 2.Vùng thượng lưu vực sông Hồng & Thái Bình; 3. Vùng hạ lưu vực sông Hồng & Thái Bình; 4. Vùng lưu vực sông Mã, Cả, Thạch Hãn, Gianh & sông
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan