(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều độ kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN NGUN 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

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-------o0o------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN NGUN 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

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: ĐỒN NGUN 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:

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 CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
20010-NAY

Nơi cơng tác

Cơng việc đảm nhiệm
KỸ SƢ

CƠNG TY TNHH P&G

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013
Người thực hiện

ii

Luan van


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 tơi có thể hồn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn TS. Trương Việt Anh – cố vấn học tập – đã hết lịng
giúp đỡ tơi 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 hơm
nay.
Xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tơi hết mình để n tâm học tập
và hồn thành luận án của mình.Nếu khơng những sự giúp đỡ này tơi khó có thể
hồn thành đề tài của mình.

TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013
Người thực hiện

Đoàn Nguyên Nhật

iii

Luan van


TĨM 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 tồn bộ nguồn nƣớc sẵn có tại nhà máy thủy điện.Đây là bài
tốn 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 dịng sơng 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 tồn 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 tốn. 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 mơ bài tốn lớn
hơn.

iv

Luan van


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

Luan van


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 tố i 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

Luan van


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. Mơ hình tốn học các nhà máy thủy điện ................................................19
2.2.4.1. Mơ hình Glimn-Kirchmayer .................................................................19
2.2.4.2. Mơ hình Hildebrand ..........................................................................20
2.2.4.3. Mơ hình Hamilton-Lamont ...............................................................20
2.2.4.4. Mơ 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 tốn 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-nhiê ̣t điê ̣n. ..........................................................31

2.4.5. Phân loa ̣i bài toán phố i hơ ̣p hê ̣ thố ng thủy-nhiê ̣t .....................................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: MƠ HÌNH TỐN .................................................................................. 42
3.1. GIỚI THIỆU ...................................................................................................42

vii

Luan van


3.2. TÍNH CHẤT BÀI TỐN ...............................................................................43
3.3. THÀNH LẬP BÀI TỐN .............................................................................44
3.3.1. Mơ hình tốn nhà máy nhiệt điện ............................................................44
3.3.2. Mơ hình tốn 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, cơng 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

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1. Số liệu thủy văn ...........................................................................................9
Hình 2.2: Đồ thị nƣớc về và cơng suất phát ..............................................................10
Hình 2.6: Đƣờng cong lũy tích nhiều năm. ...............................................................14
Hình 2.7: Các nhà máy thủy điện trên các dịng sơng khác nhau. ............................17
Hình 2.8: Các nhà máy thủy điện trên cùng dịng sơng. ...........................................18
Hình 2.9: Các nhà máy thủy điện liên hồ. .................................................................19
Hình 2.10: Đƣờng cong nhiên liệu đầu vào-cơng suất đầu ra ...................................23
Hình 2.11: Suất tăng nhiên liệu tƣơng ƣ́ng với cơng ś t phát .................................24
Hình 2.13: Mơ 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 lƣơ ̣ng nƣớc về và thể tích nƣớc trong hờ .........................................31
Hình 2.18: Tƣơng quan chi phí nhiên liệu và cơng 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 tốn 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

Luan van


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

Luan van


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 ln 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 đơi 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 tốn khơng 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 khơng. 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 cịn 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 khơ, khi lƣợng mƣa
ít. Cịn 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 khơ, vì cơng 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 cơng suất trong khi có thời
gian lại ngừng hoạt động. Trong khi đó, nhiêm vụ cịn lại là việc phát điện của các

HVTH: Đoàn Nguyên Nhật

1

Luan van


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 tốn “Tối ƣu kinh tế hệ thống thủy nhiệt điện” đƣợc đặt
ra và ứng dụng các thuật tốn 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 khơng 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 tốn 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 cịn nhiều phƣơng pháp khác…v…v
Bài tốn 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 khơng 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 tốn PSO [10] đƣợc áp

HVTH: Đồn Ngun Nhật

2

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

dụng để giải bài tốn 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 tốn. 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
tốn lớn hơn. HLN đƣợc kiểm tra hệ thơng 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 mơ phỏng toán học trên cơ sở hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí
phát điện với thuật tốn ứng dụng là nhân tử Lagrangian.

HVTH: Đoàn Nguyên Nhật

3

Luan van


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, khơng có
các nhà máy khác.
2. Viê ̣c phố i hơ ̣p các nhà máy thủy điê ̣n và nhiê ̣t điê ̣n chỉ thƣ̣c hiê ̣n trong thời
gian ngắ n (1 ngày đêm), xem chiề u cao cô ̣t nƣớc là hằ ng 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 tốn, 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

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

Nêu rõ bài tốn 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: Mơ hình tốn
Xây dựng mơ hình tốn học cho các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, từ đó xây
dựng mơ hình tốn 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

Luan van


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 cơng 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
khơng những nâng cao tính kinh tế trong vận hành mà cịn 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 cơng 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 cơng 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
thống qua.

HVTH: Đồn Ngun Nhật

6

Luan van


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 cịn 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 trị 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

Luan van


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 tồn 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

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

cơng 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 khơng 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

dịng sơng. 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 dịng sơng 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 dịng sơng. 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 sơng phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu.

HVTH: Đồn Ngun Nhật

9

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

Ngồi ra, lƣu lƣợng nƣớc này cịn có tính chu kì nhiều năm do ảnh hƣởng của địa hình, lực
hấp dẫn của mặt trăng.
Biểu đồ thủy văn có ý nghĩa lớn trong việc tính tốn thiết kế và vận hành nhà máy
thủy điện. Tuy nhiên, do đặc tính thay đổi ngẫu nhiên và khơng chắc chắn theo một quy
luật hay chu kì nào, các số liệu thủy văn chỉ có ý nghĩa trung bình xác suất. Giá trị thực tế
lƣu lƣợng nƣớc ở một thời điểm nào đó có thể sai lệch với giá trị đã đƣợc xác định theo
biểu đồ. Nhƣng sai số này khơng đáng kể nên biểu đồ vẫn có ý nghĩa lớn.
2.2.2. Phân loại điều tiết
Chế độ thay đổi của dòng chảy tự nhiên thƣờng không phù hợp với nhu cầu cung

cấp điện. Chẳng hạn, xét trong chu kỳ 1 năm thì lƣu lƣợng nƣớc trên sơng thay đổi
rất mạnh, tƣơng ứng với biểu đồ thuỷ văn (Hình 2.2a), nhƣ vậy vào mùa có lƣu
lƣợng nƣớc vế q nhiều, khơng thể sử dụng hết theo công suất vận hành các tổ
máy, cịn mùa cạn lƣợng nƣớc của dịng chảy q ít không đáp ứng đủ cho nhu cầu
phát điện. Xét trong phạm vi ngắn hơn, ví dụ một ngày đêm, thì lƣu lƣợng nƣớc hầu
nhƣ chƣa thay đổi, trong khi đó biểu đồ công suất phụ tải tổng hệ thống lại thay đổi
rất lớn theo ca làm việc của các nhà máy xí nghiệp và nhu cầu điện sinh hoạt.
Vấn đề đặt ra là có thể tận dụng tối đa khả năng tích nƣớc của hồ điều tiết lại dịng
chảy nhằm đáp ứng tốt nhất cho nhu cầu phát điện (chƣa nói đến các loại điều tiết
khác). Hồ càng lớn thì hiệu quả điều tiết càng cao.

Hình 2.2: Đồ thị nước về và cơng suất phát

HVTH: Đồn Ngun Nhật

10

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

Mục tiêu chung của bài tốn điều tiết dịng chảy là nhằm đem lại hiệu quả kinh tế
cao nhất, xét trong phạm vi toàn hệ thống. Tuy nhiên, tuỳ theo điều kiện ngƣời ta
thực hiện các bài toán khác nhau, mục tiêu cụ thể của mỗi trƣờng hợp có thể khơng
giống nhau, do chỉ khai thác đƣợc một phƣơng diện duy nhất của hiệu quả kinh tế.
2.2.2.1. Theo thời gian
Theo thời gian, ngƣời ta chia ra các loại điều tiết sau:

 Điều tiết ngày;
 Điều tiết tuần;
 Điều tiết năm;
 Điều tiết nhiều năm;
Việc phân loại theo thời gian là nhằm xác định khoảng thời gian thực hiện tính tốn
điều tiết. Với những khoảng thời gian khác nhau, mơ tả tốn học và hàm mục tiêu
của bài tốn có thể hồn tồn khác nhau. Đó là vì khả năng thực hiện điều tiết và
hiệu quả đem lại không giống nhau.
Điều tiết ngày.
Trong phạm vi một ngày đêm, lƣu lƣợng của dịng chảy hầu nhƣ khơng thay
đổi trong khi phụ tải hệ thống lại thay đổi nhiều, chỉ có thể đặt bài tốn điều chỉnh
cơng suất NMTĐ (cũng có nghĩa là thay đổi lƣu lƣợng dịng chảy) sao cho hệ thống
có lợi nhất. Khơng có khả năng làm tăng thêm sản lƣợng điện năng cho NMTĐ bởi
lƣợng nƣớc khơng đổi. Thực ra bài tốn điều tiết nƣớc cho NMTĐ trong trƣờng hợp
này nằm trong bài toán chung của hệ thống: phân bố tối ƣu cho các NMĐ với hệ
thống điện hỗn hợp thuỷ nhiệt điện. Tuy nhiên, xét riêng các NMTĐ ngƣời ta cũng
thƣờng áp dụng các phƣơng pháp riêng đơn giản hơn. Kết quả của bài tốn điều tiết
ngày cũng có dạng chung là điều chỉnh công suất NMTĐ theo phần đỉnh của biểu
đồ phụ tải tổng hệ thống (Hình 2.3). Khi đó các NMNĐ có khả năng làm việc với
biểu đồ phát bằng phẳng hơn.
Điều tiết tuần
Điều tiết tuần cũng có ý nghĩa tƣơng tự nhƣ điều tiết ngày . Lƣu lƣợng nƣớc
trên sông trong pha ̣m vi mô ̣t tuầ n cũng vẫn đƣợc coi nhƣ khơng đổi . Các ngày làm

HVTH: Đồn Nguyên Nhật

11

Luan van

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

viê ̣c (tƣ̀ thƣ́ 2 đến thứ 6) điê ̣n năng tiêu thu ̣ nhiề u hơn ngày thƣ́ 7 và chủ nhật. Điề u
tiế t tuầ n thƣ̣c chấ t là thay đổ i tri ̣số lƣu lƣơ ̣ng nƣớc trung bin
̀ h các ngày trong tuầ n
để đáp ứng sự tăng điê ̣n năng sƣ̉ du ̣ng các ngày làm viê ̣c

(đầ u tuầ n ) và giảm điện

năng trong các ngày nghỉ ć i t̀ n .
Trên hình 2.4.a,b,c minh ho ̣a sƣ̣ thay đổ i tri ̣số trung bin
̀ h ngày về công suấ t ,
lƣu lƣơ ̣ng và mƣ́c nƣớc trong hồ . Đƣờng mức n ƣớc vẽ bằng nét đứt trên hình 2.4.c
biể u thi ̣sƣ̣ thay đở i mƣ́c nƣớc cả trong pha ̣m vi ngày

. Mục tiêu của điều tiết tuần

cũng là giảm chi phí vận hành tổng trong hệ thống.
Trị số trung bình cơng suất, lƣu lƣợng nƣớc, mực nƣớc trong hồ thay đổi các giờ
trong ngày (hình 2.3), các ngày trong tuần (hình 2.4).
Điều tiết năm
So với điề u tiế t ngày và điề u tiế t tuầ n , điề u tiế t năm có nhƣ̃ng đă ̣c trƣng hoàn toàn
khác, không thể coi lƣu lƣơ ̣ng nƣớc trên sông là it́ thay đổ i

. Hơn nƣ̃a , đây còn là

nguyên nhân ha ̣n chế hiê ̣u quả khai thác thủy năng của NMTĐ

. Vì vậy nhiệm vụ

của điều tiết năm là làm cho dòng chảy đồng đều hơn nhằm khai thác tối đa năng
lƣơ ̣ng của dòng chảy .

HVTH: Đoàn Nguyên Nhật

12

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD:TS.Lê Chí Kiên

Hình 2.3:

Hình 2.4

Hình 2.5: Điều tiết nƣớc trong năm.

HVTH: Đoàn Nguyên Nhật

13

Luan van