Báo cáo Tối ưu hóa khai thác các nhà máy thủy điện bậc thang – Sông Sêsan - Đoàn Tiến Cường

TỐI ƢU HÓA KHAI THÁC
CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
BẬC THANG – SÔNG SÊSAN
Trình bày: Đoàn Tiến Cường
Công ty thủy điện Ialy, EVN


Nội Dung Chính
Tóm tắt nội dung
Lý do nghiên cứu và đặt vấn đề
Những nội dung trình bày
1. Tổng quan hệ thống thuỷ điện trên sông Sê San
2. Quy hoạch vận hành:
- Xây dựng bài toán
- Phƣơng pháp giải
3. Chƣơng trình tính toán

4. Kết quả và Kết luận


Tóm tắt
Hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San đóng
một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng và
giữ vững ổn định hệ thống điện Việt Nam. Việc đưa vào
vận hành các nhà máy trên cùng một lưu vực sông đặt ra
cho nhà máy những thách thức mới đó là tìm biện pháp sử
dụng một cách hiệu quả nguồn nước.
Để sử dụng tối ưu nguồn nước trên lưu vực sông Sê
San, thực tế vận hành đặt ra nhiều bài toán quy hoạch vận
hành trong đó có quy hoạch vận hành ngắn hạn

Tóm tắt (tt)
Trong khuôn khổ đề tài này, các tác giả đã đặt ra bài
toán vận hành tối ưu ngắn hạn các nhà máy thuỷ điện trên
sông Sê San. Với mục tiêu đó, đề tài tập trung vào việc
điều tra, khảo sát các số liệu về hệ thống các thiết bị công
trình; xây dựng các mô hình toán học về đặc tính vận hành
các hệ thống thiết bị, công trình; tìm phương pháp thích
hợp để xây dựng thuật toán giải; viết chương trình mô tả
thuật toán và áp dụng vào công tác hỗ trợ quyết định vận
hành tối ưu tại các nhà máy thuộc thuộc Công ty.


Lý Do Nghiên Cứu
Khi nói đến bậc thang thuỷ điện là nói đến hoạt
động của các hệ thống hồ, đập nối tiếp nhau từ
thượng lưu xuống hạ lưu. Việc khai thác vận hành
các hồ chứa ở thượng lưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
lưu lượng nước về ở các hồ hạ lưu, mà lưu lượng
nước về hồ là yếu tố quyết định đến sản lượng phát
của các nhà máy thuỷ điện.


Lý Do Nghiên Cứu
b1

s1

q1

b2

s2

bL
q2

sL

qL

Vấn đề đặt ra là cần tính toán để:
 Tối đa hóa lợi ích (sản lượng, doanh thu, lợi nhận)
 Thỏa mãn được các ràng buộc về pháp định, kỹ
thuật, môi trường, tập quán…


Lý Do Nghiên Cứu
Các công trình thuỷ điện trên bậc thang thuỷ điện
sông Sê San gồm Nhà máy thuỷ điện Ialy (năm
2000), Sêsan3 (năm 2006), Pleikrông (năm 2009),
Sêsan3A (năm 2006), Sêsan4 (2010), Sê San4A
(2010) Thượng Kontum (đang xây dựng) đã và sẽ
đưa vào vận hành. Việc đặt ra và giải bài toán khai
thác tối ưu vận hành thủy điện bậc thang nhằm
khai thác tối tài nguyên nước là cần thiết


Tổng quan hệ thống

CÁC NHÀ MÁY THUỘC CTY


Bài toán Quy hoạch vận hành
Ph trình cân bằng nước

Thuỷ văn

Ph trình cân bằng tải

Nhu cầu tải

Quản lý
vận hành

Đặc tính thiết bị

Thiết bị

Max (SL phát)

Quyết định

Chương trình tính toán


BÀI TOÁN QH VẬN HÀNH (TT)

 Hàm mục tiêu: Max sản lượng phát của hệ thống
 Các ràng buộc
 Biểu đồ phụ tải
 Công suất phát
 Mức nước, lưu lượng
 Đảm bảo phương trình liên tục dòng chảy
 Khác …

 Để hỗ trợ ra quyết định các phƣơng án vận hành


BÀI TOÁN QH VẬN HÀNH

B1,t

B0,tn

bk,t

bj,t
PleiKrông

B2

s0

Các hồ chứa trên

Ialy

Q2
B3

sj,t

Nhà máy
bl,t

SeSan3

s3

Hồ chứa dưới

SeSan3A

Q4

Nút l

B4

Qj,t

s2

Q3

B5

Q0

Nút k

s1

Nút j

Q1

T. Kontum

s4
SeSan4

Ql,t

sl,t

Qk,t

sk,t


Quy hoạch vận hành
 Thu thập số liệu và đặc tính các hồ chứa, turbine-máy
phát, tình hình thuỷ văn lưu vực sông Sê san.
 Mô hình toán học và đặc tính hồ chứa. Quan hệ cân
bằng nước giữa thể tích hồ chứa, lưu lượng nước về, lưu
lượng nước xả qua tràn và lưu lượng chạy máy .

 Mô hình toán học phương trình công suất tổ máy thuỷ
điện (quan hệ P với Q, H, eff, vùng cấm).
 Xây dựng giải thuật giải bài toán tối ưu.
 Thiết kế chương trình tin học giải bài toán quy hoạch
trên cơ sở giải thuật đã đề ra.
 Đánh giá, kiểm chứng các kết quả nhận được.


Quy hoạch vận hành

Để giải hàm mục tiêu trên, cần thiết phải xây dựng các phương trình toán
học biểu diễn các ràng buộc về cân bằng năng lượng, cân bằng nước của
hồ chứa, các đặc tính công suất của tổ máy, gồm:

 Ràng buộc về cân bằng năng lượng của hệ thống
 Ràng buộc về đảm bảo công suất dự phòng quay cho
hệ thống
 Phương trình về cân bằng nước ở nút bất kỳ hệ thống
 Các giới hạn trên và dưới của hồ chứa
 Các giới hạn trên và dưới của lưu lượng qua tổ máy
 Công suất phát của nhà máy là hàm của lưu lượng và
cột áp tương ứng
 Ràng buộc phương trình xả tràn…


Các yếu tố tính đến trong vận hành
 Lưu lượng nước về tự nhiên
 Lưu lượng bốc hơi và lượng nước thấm của các hồ

 Tốc độ tích nước và xả nước của các hồ

 Lưu lượng qua các cửa xả tràn (xả tự do, xả hạn chế...)
 Nước phục vụ cho các mục đích nông nghiệp, công
nghiệp, giao thông, tiêu dùng
 Cân bằng nước của các hồ chứa, chuyển dòng
 Lượng nước để phát điện của các nhà máy
 Tổn thất lưu lượng trong các kênh dẫn (kênh hở)
 Tổn thất cột áp trong các đường ống áp lực, kênh dẫn...


Các ký hiệu đƣợc sử dụng
 PD,t-nhu cầu phụ tải của hệ thống trong thời gian t, [MW]
 PR,t-Yêu cầu dự trữ quay trong thời gian t, [MW]
 Qi,l,t-lưu lượng nước chạy máy của tổ máy thứ i, thuộc nhà
máy l trong thời gian t, [m3/s]
 Ql,t-lưu lượng nước chạy máy nhà máy l thời gian t, [m3/s]
 vi,t -dung tích nước lưu trữ trong hồ i tại thời t, [triệu m3]
 ui,t -Số các tổ máy có khả năng nối lưới của nhà máy l trong
thời gian t, là số nguyên
 sl,t-lưu lượng xả tràn của hồ l trong thời gian t, [m3/s]
 Mq,Ms -các ma trận nối giữa các nút với phần tử mij=1 nếu
nhà máy j xả nước chạy máy (với Mq) hoặc xả tràn trực tiếp
đến hồ i, ngược lại mij=0


Các ký hiệu sử dụng
 Hl,t-Cột áp của nhà máy l tại thời điểm t [m]
 cl-Giá trị nước của hồ l trong thời gian khảo sát [VNĐ
hoặc MWh]
 hl,t-mức nước thượng lưu của nhà máy l trong thời gian t,
tính theo [m]

 bl,t-lưu lượng nước về tự nhiên của hồ l trong thời gian t,
tính bằng [m3/s]
 Pi,l,t-công suất phát của tổ máy thứ i, thuộc nhà máy l
trong thời gian t, tính theo [MW]
 Pl,t-công suất phát của nhà máy l trong thời gian t, tính
theo [MW]
 kQl-suất tiêu hao nước của hồ l, tính theo [m3/kWh].


Các giả thiết khi xây dựng bài toán
 Mục đích của bài toán là tối ưu năng lượng phát của hệ
thống trên cơ sở nhu cầu phụ tải do A0 cung cấp. Do đó,
biểu đồ phát cần huy động coi như đã biết trước.
 Lưu lượng tự nhiên của nước về các hồ được dự báo
qua các bản tin dự báo tình hình thuỷ văn ngắn hạn. Do
đó, lƣu lƣợng tự nhiên về từng hồ coi như đã biết.
 Trong thời gian khảo sát ngắn hạn, cột áp của các nhà
máy đƣợc coi là không đổi, nên không làm thay đổi
đặc tính phát điện. Các nhà máy không có hồ chứa coi
như vận hành trong điều kiện cột áp không đổi.


Các giả thiết khi xây dựng bài toán
 Các hồ nằm rải rác trên lưu vực sông, có quan hệ chặt
chẽ về thuỷ văn nhưng bỏ qua các tƣơng tác thuỷ lực.
Ví dụ ảnh hưởng thủy lực lớn nhất là giữa Ialy và
Sêsan3. Mức nước hạ lưu Ialy là 303m, mức nước
thượng lưu cao nhất của hồ Sêsan3 là 304,5m. Suy ra
ảnh hưởng thuỷ lực là 1,5m. Trong khi đó cột áp tính
toán của nhà máy Ialy là 190m. Tương ứng quan hệ

thuỷ lực là 1,5/190x100%=0,8% (bé, bỏ qua).
 Về truyền tải, bỏ qua tổn thất công suất từ các nhà
máy đến trạm phân phối so với công suất nhà máy vì
khoảng cách ngắn.


Các giả thiết khi xây dựng bài toán

 Thời gian khởi động/dừng máy của các tổ máy thuỷ điện
rất nhỏ so với thời gian khảo sát, nên bỏ qua.
 Các tổn thất bay hơi, thấm, tổn thất lưu lượng trong đường
ống áp lực, nước dùng cho các mục đích công nghiệp, nông
nghiệp, dân sinh không tính đến trong thời gian khảo sát


Kỹ thuật giải bài toán quy hoạch
 Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming)
 Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming)
 Quy hoạch động (Dynamic Programming)
 Giải thuật Gen (Genectic Algorithm)
 Kỹ thuật tôi luyện (Simulated Annealing)
 Mạng nơ ron (Artificial Neural Networks)
 ...

Phương pháp quy hoạch tuyến tính


Các phƣơng trình toán học
Hàm mục tiêu của bài toán:
L

L

I

f   (vl ,T  cl )   ( i ,l ,t )
l 1

l 1 i 1

 Thành phần thứ nhất là giá trị năng lượng điện. vl,T làø dung tích
nước sản xuất điện trong thời gian khảo sát. cl là trị của nước của
hồ thứ l trong thời gian khảo sát. Giá trị nước trong hồ tại thời
điểm t được tính cho một triệu m3 theo các biểu thức sau:
Thành phần thứ hai chi phí khởi động/dừng các tổ máy i, thời
gian t. Đối với hệ thống thuỷ điện có thể bỏ qua chi phí này.


Các phƣơng trình toán học (tt)

1. Phương trình cân bằng hệ thống
L

I

P
l 1

i 1

i ,l ,t

 PD ,t

2. Phương trình dự trữ quay
L

I

 P
l 1 i 1

L

i ,l ,t

I

  Pi ,l ,t  PR ,t
l 1 i 1

3. Phương trình cân bằng nước tại một hồ (nút) khi không
tính thời gian trễ:
I

KR
  Q j, t  (  Q i , l , t  s l , t )  ( v l , t  v l , t 1 )
 b l ,t
n
j l

i 1


Các phƣơng trình toán học (tt)
3a. Phương trình cân bằng nước tại một hồ có tính đến thời
I
gian trễ:
KR
 M q Qd (t , )  M s sd (t , )  ( Qi,l ,t  sl ,t )  (vl ,t  vl ,t 1 )
 bl ,t



n

i 1

trong đó:
 Qd(t,) =[Q1(t-1) Q2(t-2) … QL(t-L) ]T là lưu lượng
nước chạy máy bị trễ khi chảy xuống hồ dưới trực tiếp.
 sd(t,) =[s1(t-1) s2(t-2) … sL(t-L) ]T là lưu lượng nước
xả tràn bị trễ khi chảy xuống hồ dưới trực tiếp.
 KR là hệ số chuyển đổi dung tích qua lưu lượng, KR=104/36.
 vl,t là dung tích của hồ l tại thời điểm t, vl,t được xác định:
n

vl ,t 


i 1

pi h n  i