Nghiên cứu cơ sở khoa học nâng cao hiệu quả vận hành phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị trường điện cạnh tranh, áp dụng cho lưu vực sông chu tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ QUỐC HƢNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO HIỆU QUẢ
VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC THANG
TRONG THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH,
ÁP DỤNG CHO LƢU VỰC SÔNG CHU
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 9580202

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Phan Kỳ Nam
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Lê Văn Nghị

Phản biện 1: GS. TS. Hà Văn Khối – Hội Thủy lợi Việt Nam
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Danh Oanh – Viện Năng lượng
Phản biện 3: PGS.TS. Đỗ Văn Chiêu – Trường Đại học Xây dựng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học
Thủy lợi, vào lúc 13 giờ 30 phút, ngày 11 tháng 03 năm 2019.

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:
- Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, thủy điện đã được phát triển mạnh mẽ ở nước ta và
không ngừng được tăng lên trong các năm tiếp theo. Ngoài vấn đề phát triển
các nguồn điện từ gió, than, năng lượng mặt trời, khí..., cần nghiên cứu khai
thác hiệu quả các nhà máy thủy điện (NMTĐ) đã xây dựng để giảm bớt khó
khăn cung cấp điện cho sản xuất là một vấn đề quan trọng được đặt ra. Đi kèm
đó là việc xây dựng quy trình vận hành tích nước, xả lũ các hồ chứa nhằm vận
hành tối ưu các NMTĐ, đảm bảo hài hòa các lợi ích sử dụng nước, vừa tận
dụng tối đa nguồn thủy năng, giảm nhẹ lũ và hạn hán ở hạ lưu là bài toán đang
được xã hội quan tâm và luôn mang tính thời sự. Hiện nay, Chính phủ đã ban
hành quy trình vận hành liên hồ cho tất cả các hệ thống hồ chứa (HTHC) trên
lưu vực lớn của Việt Nam bao gồm cả lưu vực sông Mã. Tuy nhiên, vận hành
HTHC, mới chỉ quy định vận hành an toàn và lưu lượng tối thiểu cấp cho hạ
lưu mà chưa đề cập đến nâng cao hiệu quả vận hành và việc tham gia thị trường
điện cạnh tranh. Với các đòi hỏi như đã nêu thì đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa
học nâng cao hiệu quả vận hành phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị
trường điện cạnh tranh, áp dụng cho lưu vực sông Chu” là hết sức cần thiết
nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tiễn hiện nay ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình tính toán tối ưu doanh thu bán
điện cho hệ thống hồ chứa bậc thang trong điều kiện phát điện cạnh tranh,
nhằm đưa ra các chỉ dẫn vận hành kết hợp với biểu đồ điều phối (BĐĐP) đảm
bảo phát đủ sản lượng hợp đồng hàng năm và hướng đến doanh thu lớn nhất.

Phân tích xây dựng mối quan hệ giữa độ giảm và mức độ phân phối của giá bán
điện giờ, theo lũy tích thời gian trong từng tháng với sản lượng điện tháng và số
giờ giao dịch tháng, để làm cơ sở tính toán điều tiết năm nhằm nâng cao hiệu
quả phát điện, đem lại doanh thu lớn nhất cho các chủ đầu tư.
1


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống hồ chứa bậc thang điều tiết năm kết hợp phát
điện trên lưu vực sông Chu, trong điều kiện phát điện cạnh tranh ở Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu: Nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa điều tiết
năm Hủa Na và Cửa Đạt, kết hợp phát điện trong điều kiện phát điện cạnh tranh
ở Việt Nam. Luận án chọn thời đoạn tính toán cho điều tiết năm và nhiều năm
là tháng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
(1) Phương pháp kế thừa; (2) Phương pháp mô phỏng toán học; (3) Phương
pháp phân tích tổng hợp.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
(1) Góp phần hoàn thiện các luận cứ khoa học vận hành liên hồ chứa đa mục
tiêu với doanh thu phát điện lớn nhất. Lập được chương trình tính toán và
BĐĐP vận hành hồ chứa nâng cao hiệu quả phát điện trong thị trường điện
cạnh tranh ở Việt Nam.
(2) Kết quả tính toán phương án điều tiết và chỉ dẫn vận hành phát điện từng
tháng của từng hồ và liên hồ được các chủ hồ tham khảo, áp dụng trong vận
hành hệ thống hồ chứa với các ràng buộc là phạm vi mực nước phòng lũ, lưu
lượng cấp nước và mục tiêu là tối đa lợi ích doanh thu.
6. Những đóng góp mới của luận án
(1) Luận án đã xây dựng được bài toán và chương trình tính toán phối hợp liên
hồ nhằm đạt được doanh thu lớn nhất, nâng cao hiệu quả phát điện khi tham gia
thị trường điện cạnh tranh.

(2) Áp dụng chương trình tính toán cho bậc thang Hủa Na – Cửa Đạt trên lưu
vực sông Chu. Đề xuất biểu đồ điều phối phát điện với các ràng buộc của các
quy trình vận hành đa mục tiêu đáp ứng các yêu cầu của điều độ hệ thống điện.

2


7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, các kết quả nghiên cứu của luận án được trình
bày trong ba chương sau:
Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu vận hành bậc thang hồ chứa và thị trường
điện cạnh tranh.
Chương 2. Xây dựng cơ sở khoa học và thực tiễn nâng cao hiệu quả vận hành
phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị trường điện cạnh tranh.
Chương 3. Áp dụng tính toán và phân tích kết quả, xác định xu hướng vận hành
cho bậc thang hồ chứa trên lưu vực sông Chu.
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH BẬC

THANG HỒ CHỨA VÀ THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH
1.1

Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên thế giới

Afzali và nnk., (2008) đã nghiên cứu vận hành phối hợp hệ thống hồ thủy điện
Khersan, Iran bằng việc kết hợp mô hình mô phỏng và thuật toán tối ưu với
hàm mục tiêu là tổng sản lượng điện của hệ thống 4 hồ. Các tác giả đã áp dụng
quy hoạch tuyến tính cho riêng từng hồ và cho cả 4 hồ để so sánh. Kết quả đạt
được cho thấy nếu phối hợp vận hành hệ thống 4 hồ chứa theo hàm mục tiêu đề

ra sẽ cho sản lượng điện cao hơn khoảng 7,9% so với tổng sản lượng điện của 4
hồ khi vận hành riêng rẽ.
Daniel De Ladurantaye và nnk., (2009) đã nghiên cứu về Tối ưu hóa lợi nhuận
từ vận hành thủy điện. Nghiên cứu đã trình bày một mô hình toán học kết hợp
xác định và ngẫu nhiên để tối đa hóa lợi nhuận thu được bằng cách bán sản
lượng điện thông qua các đập và hồ chứa bậc thang tại một thị trường giao ngay
(trả tiền ngay). Mô hình đầu tiên dựa trên giá điện xác định trong khi mô hình
khác tích hợp ngẫu nhiên thông qua việc quản lý một cây các kịch bản giá
tiềm năng. Những kết quả bằng số dựa trên dữ liệu lịch sử chứng minh tính ưu
việt của mô hình ngẫu nhiên trên mô hình xác định. Nó cũng cho thấy rằng biến
động giá ảnh hưởng đến lợi nhuận thu được từ mô hình ngẫu nhiên.
3


1.2

Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa tại Việt Nam

Hồ Ngọc Dung (2017) nghiên cứu tính toán chế độ vận hành theo lợi ích lớn
nhất cho hai hồ Sơn La và Hòa Bình trong mùa cạn, xác định tập hợp đường
vận hành tối ưu, và sử dụng kết hợp biểu đồ điều phối để tập trung vào nghiên
cứu cơ sở khoa học, xây dựng thuật toán và mô hình bài toán tối ưu điều tiết
các hồ chứa của bậc thang thủy điện. Kết quả có thể phục vụ việc xây dựng quy
trình vận hành hợp lý và bền vững của hệ thống liên hồ chứa đảm bảo tối ưu
khai thác năng lượng, cấp nước hạ lưu ổn định và bền vững trong mùa cạn. Tuy
nhiên, hệ thống hồ chứa được chia lưới với mực nước thượng lưu của Sơn La là
0,5m và Hòa Bình là 0,2m sẽ khó phù hợp với các hồ chứa kết hợp phát điện có
dung tích và công suất nhỏ hơn. Nghiên cứu cũng mới chỉ dừng lại ở nghiên
cứu chế độ vận hành tối ưu cho hai hồ chứa Sơn La và Hòa Bình, còn hai hồ
chứa điều tiết năm phía thượng lưu Sơn La là thủy điện Bản Chát và thủy điện

Lai Châu chưa đưa vào tham gia tối ưu hệ thống mà sử dụng kết quả tính toán
của chúng trong giai đoạn thiết kế như một điều kiện biên để xét ảnh hưởng.
Lê Ngọc Sơn (2017) nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học kết hợp mô hình mô
phỏng – tối ưu – trí tuệ nhân tạo, xây dựng được chương trình mô hình tối ưu
quy hoạch động (QHĐ) để đề xuất phương án vận hành cận tối ưu cho hệ thống
hồ chứa có kể đến biến đổi thực tế của nguồn nước và nhu cầu sử dụng nước
nhằm nâng cao hiệu quả phát điện, đáp ứng các yêu cầu cấp nước hạ lưu cho
lưu vực sông Ba. Kết quả tính toán mô phỏng được kiểm chứng với kết quả vận
hành thực của trạm thủy điện Sông Hinh cho thấy mô hình mà tác giả đề xuất
mang lại hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên, thời đoạn tính toán trong mô hình không
chia nhỏ hơn thời đoạn tháng khó phù hợp với chu kỳ dự báo thủy văn ngắn hạn
trong 10 ngày. Nghiên cứu cũng chưa xem xét được tính ngẫu nhiên của các
nhu cầu dùng nước và hệ thống điện mà chỉ đưa vào các ràng buộc phải thỏa
mãn. Các ràng buộc vận hành về nhu cầu dùng nước và hệ thống điện trong thị
trường điện cạnh tranh cần tiếp tục nghiên cứu để đưa mô hình có thể thích ứng
tốt hơn nữa khi mà nhu cầu nước cho kinh tế - xã hội và các yếu tố thị trường
thay đổi.
4


1.3

Giới thiệu chung về thị trƣờng điện cạnh tranh

Thị trường điện cạnh tranh đã được hình thành và đang hoạt động hiệu quả ở
một số nước thuộc châu Âu, châu Mỹ và châu Úc. Theo kế hoạch thị trường
điện ở Việt Nam sẽ phát triển qua ba cấp độ và tiếp tục được hoàn thiện sau
mỗi lần thử nghiệm. Khi tham gia thị trường điện cạnh tranh, các NMTĐ có hồ
điều tiết dài hạn sẽ có ưu thế khi đưa ra giá chào cũng như linh hoạt vận hành
để nhằm bán được điện vào các khung giờ giá cao. Đây là lợi thế và cũng là bài

toán phức tạp đòi hỏi các chủ công trình cần tính đến khi lập kế hoạch phát điện
cũng như điều tiết hồ chứa phát điện, nhằm mang lại hiệu quả cao trong điều
kiện chế độ thủy văn biến đổi.
1.4

Định hƣớng nghiên cứu của luận án

Qua các nghiên cứu về vận hành hồ chứa ở Việt Nam và trên thế giới cho thấy,
các tác giả đều tập trung vào giải quyết các bài toán tối ưu phát điện, cấp nước
cũng như phòng lũ khi áp dụng các phương pháp tính tối ưu khác nhau. Một số
tác giả cũng đã xem xét vị trí làm việc của NMTĐ trong hệ thống điện quốc
gia. Tuy nhiên, hiện chưa có nghiên cứu nào xem xét đến việc tham gia thị
trường điện cạnh tranh khi tìm phương án vận hành tối ưu cho các hồ chứa phát
điện.
Qua phần tổng quan các nghiên cứu về hệ thống lưu vực sông Chu, hiện chưa
có một nghiên cứu cụ thể nào về phối hợp hệ thống bậc thang Hủa Na - Cửa
Đạt, trong quá trình vận hành phát điện. Đây là một khoảng trống, cần nghiên
cứu vì mỗi hệ thống có đặc thù riêng, không có mô hình tổng quát có thể áp
dụng được.
Về các phương pháp nghiên cứu, tổng quan cho thấy phương pháp QHĐ hoặc
các cải tiến của QHĐ thường được sử dụng nhiều trong nghiên cứu về vận hành
hồ chứa và tỏ ra có hiệu quả trong việc tìm nghiệm tối ưu toàn cục. Trong phạm
vi tính toán tối ưu doanh thu cho 2 hồ chứa bậc thang, luận án lựa chọn sử dụng
phương pháp đệ quy (QHĐ top-down) để tạo biên tính toán, và áp dụng phương
pháp QHĐ bottom-up trong xây dựng mô hình tính toán phù hợp với khả năng
5


xử lý của ngôn ngữ lập trình. Từ những phân tích về thị trường điện cạnh tranh,
luận án lựa chọn mô hình là tối ưu doanh thu lớn nhất cho các hồ chứa bậc

thang khi tham gia thị trường điện.

Hình 1.10 Sơ đồ thể hiện các bước nghiên cứu
1.5

Kết luận chƣơng 1

Hiện nay, trên lưu vực sông Mã nói riêng và các lưu vực sông lớn ở Việt Nam
nói chung, Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ đưa ra các quy tắc
vận hành. Tuy nhiên, các chủ hồ vẫn được quyền chủ động vận hành và phối
hợp vận hành trong các phạm vi hoặc ràng buộc cho phép.
Việc vận hành, theo quy trình mới hiện đang dừng lại ở việc đưa ra các ràng
buộc mực nước hoặc lưu lượng, nhằm đảm bảo an toàn công trình và cấp nước
tối thiểu, mà chưa đi đến tối ưu. Hơn nữa, cách vận hành là ở trạng thái “tương
đương với quá trình thiết kế và xây dựng quy trình” tức là các đường chỉ dẫn
6


vận hành trên biểu đồ điều phối vẫn tương đối cố định từ trước, có hồ còn chưa
cập nhật số liệu vận hành theo thời gian để điều chỉnh. Mặt khác, hàng năm các
nhà máy tham gia thị trường điện cạnh tranh đều được giao sản lượng khác
nhau, phân phối trong các tháng trong năm cũng thay đổi giữa các năm. Do đó,
cần phải có các phương thức vận hành thích hợp hơn cho hệ thống bậc thang hồ
chứa, để nâng cao hiệu quả phát điện kết hợp phòng lũ, cấp nước và khắc phục
những tồn tại khác trong vận hành hệ thống bậc thang thủy điện.
Phân tích những mặt chưa được giải quyết của các nghiên cứu trước đây trong
Chương 1 là cơ sở cho nội dung tính toán và hướng giải quyết bài toán vận
hành bậc thang hồ chứa phát điện của luận án. Do đó phương pháp giải quyết
và cách tiếp cận là bài toán phối hợp vận hành tối ưu phát điện trong thị trường
điện canh tranh của các bậc thang hồ chứa sẽ được giải quyết ở hai chương tiếp

theo là cần thiết.
CHƢƠNG 2

XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NÂNG

CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC
THANG TRONG THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH
2.1

Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu trong vận hành liên hồ chứa

Luận án tính toán vận hành liên hồ chứa bằng phương pháp QHĐ, tìm cách tối
ưu hóa mục tiêu trên cơ sở dòng chảy lịch sử và dữ liệu mua bán điện đã có. Từ
đấy xác định được các vị trí tối ưu trong vận hành và đưa đến kết quả các
hướng vận hành thực tế tại các thời điểm thấp/cao hơn, bám theo mực nước các
hồ tại từng thời điểm vận hành cho các chủ hồ, các hồ có thể vận hành đơn lẻ
hoặc kết hợp để cùng tăng doanh thu tổng cho hệ thống bậc thang
2.2
2.2.1

Phƣơng pháp giải bài toán QHĐ
Lựa chọn cách tiếp cận

QHĐ thường dùng một trong hai cách tiếp cận:

7


 top-down (từ trên xuống): Bài toán được chia thành các bài toán con. Các
bài toán con được giải và lời giải có thể được ghi nhớ để phòng trường hợp

cần dùng lại. Đây là đệ quy và lưu trữ được kết hợp với nhau.
 bottom-up (từ dưới lên): Tất cả các bài toán con có thể cần đến đều được
giải trước, sau đó được dùng để xây dựng lời giải cho các bài toán lớn hơn.
Cách tiếp cận này tốt hơn về không gian bộ nhớ dùng cho ngăn xếp và số
lệnh gọi hàm.
Để tránh việc phải giải đi giải lại nhiều bài toán con lặp nhau (QHĐ top-down),
luận án sử dụng phương pháp QHĐ bottom-up để tính toán và xác định hàm
mục tiêu doanh thu lớn nhất; Để xây dựng biên mực nước đảm bảo các yếu tố
an ninh năng lượng, luận án sử dụng phương pháp đệ quy (QHĐ top-down) với
tổ hợp điểm xuất phát quay ngược từ tổ hợp MNC cuối mùa kiệt các hồ.
2.2.2

Các đặc trưng của QHĐ

Hàm mục tiêu là mục tiêu tối đa hoặc tối thiểu cần đạt được. Đây là thước đo
hiệu quả, của việc ra quyết định ở mỗi thời đoạn. Hàm này sẽ phụ thuộc vào
biên trạng thái, trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ thống liên hồ. Hàm mục
tiêu, có thể là lợi ích lớn nhất cần đạt được như điện lượng mùa kiệt, hoặc điện
lượng năm hay nhiều năm, hoặc cũng có thể là chi phí thiệt hại hoặc thiếu hụt
nước là nhỏ nhất. Trong luận án, với đối tượng hồ chứa thuộc các chủ hồ là tư
nhân, hàm mục tiêu được lựa chọn là doanh thu liên hồ và từng hồ lớn nhất cho
các năm vận hành.
Quá trình chuyển thời đoạn (tính cho thời đoạn kế tiếp) cần phải ghi lại các giá
trị đường đi tạo ra hàm mục tiêu tại tất cả các mắt lưới (thuộc thời đoạn đang
tính) là tốt nhất. Tại mỗi cặp mắt lưới được chia (trường hợp 2 hồ), cần phải
xác định được đường đi phù hợp từ điểm xuất phát (cặp mắt lưới đầu tiên) đến
cặp mắt lưới đang xét.

8

2.3

Tính toán điều tiết tối ƣu hồ chứa nƣớc của trạm thủy điện bằng
QHĐ

2.3.1

Mô hình tính toán đơn hồ

Hình 2.2 Mô tả các hướng đi tìm đường tối ưu trong điều tiết hồ chứa
Bước 1: Chia chu kỳ tính toán T ra n thời đoạn ΔT.
Bước 2: Chia lưới mực nước thượng lưu thật mịn.
Bước 3: Đánh số các mắt lưới tương ứng với Zi,k với i là thời đoạn trong chu kỳ
tính toán T và k là vị trí mắt lưới.
Bước 4: Để thuật toán so sánh được thực hiện và gán giá trị mới (lớn hơn giá trị
cũ) tìm được vào các mắt lưới. Trong trường hợp tìm giá trị lớn nhất, với các
giá trị về độ gia tăng là dương, giá trị ban đầu tại các điểm lưới cần phải được
9


gán bằng một giá trị nhỏ hơn 0. Gán giá trị doanh thu tại tất cả các điểm trên
mắt lưới là Bj,k = –1.
Bước 5: Chọn điểm xuất phát và gán giá trị doanh thu tại điểm xuất phát Bo = 0.
Bước 6: Nối điểm Zo đến tất cả các điểm Z1,1; Z1,2; ... đến Z1,m-3; Z1,m-2; Z1,m-1;
Z1,m xác định được chênh lệch dung tích đầu và cuối thời đoạn cho mỗi điểm
ΔV1,1; ΔV1,2; ... đến ΔV1,m-3; ΔV1,m-2; ΔV1,m-1; ΔV 1,m.
(triệu m3/s)

∆𝑉1,𝑘 = 𝑉 𝑍1,𝑘 − 𝑉 𝑍𝑜

(2-6)

Với V(Z) là giá trị dung tích hồ ứng với mực nước thượng lưu Z, nội suy được
theo đường quan hệ mực nước và dung tích lòng hồ. Sử dụng chênh lệch dung
tích này, chương trình tính ra được lưu lượng đi ra khỏi hồ. Nếu lưu lượng đi ra
khỏi hồ âm, các giá trị tìm kiếm tại điểm đó được gán giá trị -1. Nếu lưu lượng
đi ra khỏi hồ đảm bảo lưu lượng tối thiểu của thời đoạn tương ứng, các giá trị
cột nước, công suất, điện lượng và doanh thu tại điểm đấy sẽ được lưu lại.
Bước 7: Xác định lưu lượng ra khỏi hồ tại các mắt lưới theo công thức tổng
quát sau:
𝑄1,𝑘 = 𝑄1đế𝑛 −

∆𝑉 1,𝑘
∆𝑇

(m3/s)

− 𝑄𝑡ổ𝑛_𝑡ℎấ𝑡

(2-7)

Với 𝑄1đế𝑛 là lưu lượng thực đến hồ thời đoạn 1; Qtổn_thất là lưu lượng tổn thất do
bốc hơi và thấm trong thời đoạn tương ứng.
𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢

Bước 8: Kiểm tra nếu điều kiện 𝑄1,𝑘 ≥ 𝑄1

thỏa mãn thì sẽ tính

toán thủy năng cơ bản để xác định được điện lượng gia tăng do mực nước thay
đổi từ Zo đến Z1,k trong thời đoạn 1.
(triệu kWh)

𝐸1,𝑘 = 𝑁1,𝑘 ∆𝑇

(2-8)

Bước 9: Xác định doanh thu tương ứng, bằng cách tính toán theo sản lượng
điện hợp đồng cho thời đoạn 1; giá hợp đồng; mức độ phân bố giờ phát điện
trong lịch sử mua bán điện; giá trần của thời đoạn 1. Sẽ gán được các giá trị B1,k
tại các mắt lưới Z1,k nếu tồn tại đường đi hợp lý từ Zo đến Z1,k. Trường hợp
không tồn tại đường đi hợp lý tại mắt lưới Z1,k, giá trị của B1,k vẫn bằng –1.
10


𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢

−1 𝑛ế𝑢 𝑡ạ𝑖 𝑚ắ𝑡 𝑥í𝑐ℎ 𝑘 𝑐ó 𝑄𝑜1,𝑘 < 𝑄1
𝐵1,𝑘 =

(2-9)
𝐵0 +

∆𝐵𝑜1,𝑘 𝑛ế𝑢

𝑡ạ𝑖 𝑚ắ𝑡 𝑥í𝑐ℎ 𝑘 𝑐ó

𝑄𝑜1,𝑘

≥

𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢
𝑄1

Bước 10: Xác định giá bình quân thời đoạn, dựa vào lượng điện phát ra (KB1)
hoặc số giờ lợi dụng công suất khả dụng của thời đoạn (KB2).
Bước 11: Xác định độ gia tăng doanh thu do mực nước thay đổi trong thời đoạn
1 từ Zo đến Z1,k là ∆𝑩𝟏,𝒌
𝒐 .
Bước 12: Cộng các giá trị doanh thu từ B tại Zo là Bo = 0, với độ gia tăng doanh
thu do mực nước thay đổi từ Zo đến Z1,k sẽ được B1,k tại mắt lưới Z1,k.
Kết quả thu được là tất cả các B1,k , là các giá trị dương nếu tồn tại đường đi từ
Zo đến Z1,k và là các giá trị -1, nếu không tồn tại đường đi từ Zo đến Z1,k. Tại
bước này, nếu các giá trị B1,k dương, đường đi tới Z1,k sẽ được lưu lại là xuất
phát từ Zo.
Bước 13: Lặp lại các bước từ 6 đến 12, cho thời điểm thứ ba. Với cách xác
định, xem đường đi nào mang lại doanh thu lớn nhất B2,k cho mắt lưới Z2,k. Tại
bước 13, nếu các giá trị B2,k > 0, đường đi tới Z2,k, sẽ được lưu lại là đường xuất
phát từ một trong các mắt lưới Z1,j nào đó thông qua so sánh.
𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢

−1 𝑛ế𝑢 ∀ 𝑗 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị

2,𝑘
𝑄1,𝑗
< 𝑄2
𝐵1,𝑗 < 0

𝐵2,𝑘 =

(2-10)
2,𝑘
𝑚𝑎𝑥 𝐵1,𝑗 + ∆𝐵1,𝑗
𝑛ế𝑢 ∃ 𝑗 𝑠𝑎𝑜 𝑐ℎ𝑜

2,𝑘
𝑄1,𝑗

𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢
𝑄2

≥
𝐵1,𝑗 ≥ 0

Bước 14: Lặp lại các bước từ 6 đến 13, cho đến cuối chu kỳ tính toán là Bn,k.
Biết được mực nước cần đạt (MNDBT, MNC hoặc một cao trình mực nước để
đảm bảo các điều kiện phòng lũ, cấp nước), ở thời đoạn cuối; từ hệ phương
trình mắt xích sẽ tìm được các trị số trước. Từ đó, xác định được đường vận
hành tối ưu đơn hồ nhằm thu được doanh thu lớn nhất cho chu kỳ tính toán T.

11


2.3.2

Mô hình tính toán hai hồ bậc thang

Tại mỗi bước tính toán (thời đoạn tính toán nằm giữa hai thời điểm tính toán
liên tiếp), ví dụ nếu có hai hồ bậc thang, chương trình coi cặp số mực nước

thượng lưu hồ trên và hồ dưới (Ztl_trên, Ztl_dưới) là một điểm đến từ nhiều điểm
(cặp mực nước thượng lưu) từ thời điểm trước, và cũng xét tất cả các hướng có
thể đến điểm đang xét. Sơ đồ được minh họa ở Hình 2.3.
Ztl_trên
Ztl_trên

thời gian

Ztl_trên

Ztl_dưới
Ztl_dưới
Ztl_dưới
Hình 2.3 Mô hình bậc thang tập hợp hướng đi ví dụ hai hồ

Kiểm tra lựa chọn giá trị gán vào các điểm mảng ở thời điểm j+1 khi xét
độ_gia_tăng riêng biệt do các hướng khác nhau đến nó từ thời điểm j. Ví dụ các
chỉ số được gán cho 2 hồ trong chương trình tính:
i là chỉ số năm; j là chỉ số thời đoạn trong năm; k1 là chỉ số mực nước hồ trên
đầu thời đoạn; k2 là chỉ số mực nước hồ trên cuối thời đoạn; l 1 là chỉ số mực
nước hồ dưới đầu thời đoạn; l2 là chỉ số mực nước hồ dưới cuối thời đoạn.
2.4

Mô hình tối ƣu cho các hồ chứa bậc thang

Hàm mục tiêu được thể hiện như sau:
𝐷𝑜𝑎𝑛ℎ 𝑡ℎ𝑢 = 𝑆ả𝑛 𝑙ượ𝑛𝑔 đ𝑖ệ𝑛 × 𝐺𝑖á 𝑏á𝑛 đ𝑖ệ𝑛 → 𝑚𝑎𝑥
𝑁

𝑀

(2-11)

𝐿

𝐸𝑖,𝑗,𝑙 × 𝑏𝑖,𝑗,𝑘 → 𝑚𝑎𝑥

(2-12)

𝑖=1 𝑗=1 𝑘=1

Trong đó: i là chỉ số năm; i = 1 ÷ N với N là số năm tính toán;
j là chỉ số thời đoạn trong năm; j = 1 ÷ M với M là tổng số thời đoạn trong năm;
12


k là chỉ số hồ trong bậc thang; k = 1 ÷ L với L là tổng số hồ trong bậc thang;
bi,j,k là giá bán điện bình quân thay đổi theo sản lượng điện phát ra Ei,j,k của hồ k
trong thời đoạn j của năm thứ i.
2.5

Phƣơng pháp xây dựng và giải bài toán vận hành liên hồ chứa lƣu
vực sông Chu

Trường hợp 1 có thể lấy biên về mực nước làm biên cứng, ràng buộc ưu tiên
đầu tiên. Biên về cấp nước hạ lưu là biên ưu tiên thứ hai. Nếu biên cấp nước hạ
lưu không đảm bảo mà mực nước đã hạ đến mức thấp nhất thì chỉ lấy giá trị có
thể có của cấp nước hạ du để tính tiếp.
Trường hợp 2 có thể ưu tiên biên cấp nước trước, nếu mực nước chưa chạm giá
trị MNC thì vẫn tiếp tục cấp nước đảm bảo yêu cầu. Nếu mực nước đã chạm

MNC, thì lưu lượng về hạ lưu chỉ bằng lưu lượng tới hồ.
Luận án xét hai trường hợp ưu tiên về biên lưu lượng hoặc mực nước và chọn
trường hợp ưu tiên về mực nước để xem xét tính toán các giá trị cung cấp nước
và tính toán phối hợp phát điện hai hồ chứa bậc thang theo các mục tiêu khác
nhau: doanh thu lớn nhất, điện lượng lớn nhất để so sánh và kiểm định kết quả.
Đối với trạm thủy điện điều tiết năm, cần chọn thời điểm xuất phát để tính toán.
Thời điểm này nên có mực nước thượng lưu ít biến động hoặc các thời điểm đã
được phân chia là đầu mùa lũ hoặc đầu mùa kiệt.
Trong phạm vi luận án, chọn thời đoạn tính toán là tháng và thời điểm 01/7 là
thời điểm bắt đầu mùa lũ để tính toán.
Luận án sử dụng phương pháp QHĐ top-down từ thời điểm 30/6 năm sau đến
ngày 01/7 năm trước, để xem xét xây dựng phạm vi biên cho đường vận hành
tối ưu và biểu đồ điều phối ứng với các trường hợp sản lượng điện hợp đồng
được giao các năm là khác nhau.

13


2.6

Sơ đồ khối và các hệ phƣơng trình tính toán thủy điện bậc thang

Quá trình tính toán bao gồm quá trình tính xuôi để tìm ra giá trị kết quả cuối
cùng (nhằm mục đích so sánh) và quá trình truy hồi quay ngược để lấy dữ liệu
tạo ra kết quả cuối cùng đó.
Quá trình tính xuôi: khi biết được mực nước đầu và cuối các thời đoạn của hồ
chứa hoặc bậc thang hồ chứa, các thông số như lưu lượng phát điện, cột nước
phát điện, công suất, điện lượng và doanh thu bán điện được tính ra. Tại quá
trình này thì quan hệ của phương trình cân bằng nước cho hệ thống cần được
tính toán nhằm tạo ra đầu vào về lưu lượng cho bậc thang hồ chứa phía dưới.

Các ràng buộc là các bất đẳng thức nhằm kiểm tra đảm bảo thỏa mãn các ràng
buộc về công suất, mực nước, lưu lượng và để lưu lại quá trình đảm bảo kết quả
tối ưu đã được so sánh với các cực trị đã xác định. Trong trường hợp ràng buộc
về lưu lượng tối thiểu tại một giai đoạn nào đó không thỏa mãn, nhưng mực
nước đầu và cuối thời đoạn đã là mực nước tối thiểu, chương trình vẫn tiếp tục
tính toán để đảm bảo tính liên tục giữa các thời đoạn.
Quá trình truy hồi, nhằm tìm lại đường đi đã lưu để doanh thu lũy tích cuối
cùng đạt được kết quả tối ưu. Nếu là điều tiết năm thì chỉ cần truy hồi theo năm.
Tính từ cuối năm là điểm kết thúc truy hồi ra điểm đầu năm. Nếu là điều tiết
nhiều năm thì phải cần truy hồi từ năm cuối ngược đến năm đầu tiên.
2.7

Xây dựng chƣơng trình tính toán

Sơ đồ khối tính toán chính được thể hiện ở Hình 2.6 trong đó có 05 vòng lặp
(01 vòng lặp là thời đoạn tháng trong năm/liệt năm tính toán, 04 vòng lặp tiếp
theo là trạng thái mực nước hồ bao gồm 2 vòng lặp mực nước đầu thời đoạn và
02 vòng lặp mực nước cuối thời đoạn) để tìm được giá trị hàm mục tiêu cuối
cùng lớn nhất. Khi bắt đầu so sánh, doanh thu tại mắt lưới cuối thời đoạn nếu
nhỏ hơn phần độ gia tăng doanh thu giữa hai mắt lưới cộng với doanh thu tại
mắt lưới đầu thời đoạn thì doanh thu mới sẽ được gán vào vị trí mắt lưới cuối
thời đoạn.

14


Hình 2.6 Sơ đồ khối tính toán doanh thu max 2 hồ

15

Hình 2.7 Sơ đồ khối tạo biên ràng buộc về mực nước cho đơn hồ

16


2.8

Kết luận chƣơng 2

Xây dựng được cơ sở khoa học cho mô hình tính toán tối ưu của hệ thống bậc
thang hồ chứa và áp dụng cụ thể cho hai hồ bậc thang, thể hiện qua tổ hợp mực
nước ở các mốc thời gian xác định, tính toán các giá trị về công suất, điện
lượng, giá bán điện bình quân của các thời đoạn để thu được kết quả là hàm
mục tiêu doanh thu lớn nhất. Ở đây, các điều kiện ràng buộc về cấp nước, mực
nước, công suất…v.v. đều được xét đến và tuân thủ đúng quy trình vận hành
liên hồ chứa trên lưu vực sông Mã-Chu do Thủ tướng Chính phủ ban hành. Một
trong những vấn đề nổi bật nhất của luận án là đã đưa vào bài toán vận hành tối
ưu liên hồ chứa yếu tố giá điện.
Luận án đã lập trình bằng ngôn ngữ Visual Basic 2010 trong hệ điều hành
Windows nhằm xử lý số liệu, đánh giá kết quả, liên kết số liệu vào ra nhằm đưa
ra đường vận hành tổng hợp, phối hợp phát điện liên hồ chứa trên lưu vực sông
Chu.
CHƢƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ XÁC
ĐỊNH XU HƢỚNG VẬN HÀNH CHO BẬC THANG HỒ CHỨA TRÊN
SÔNG CHU
3.1

Đặc điểm vận hành và các tồn tại trên lƣu vực sông Chu

Hiện tại trên Sông Chu có hai hồ chứa có khả năng điều tiết năm là hồ Hủa Na
và hồ Cửa Đạt. Đoạn sông Chu từ hạ du hồ Hủa Na đến hồ Cửa Đạt dài khoảng
40km địa hình khá dốc, hiện chưa có công trình khai thác, sử dụng nước trực
tiếp trên dòng chính sông Chu đoạn này.
3.2

Xây dựng biểu đồ điều phối kết hợp đảm bảo phát sản lƣợng hợp
đồng hai hồ chứa Hủa Na và Cửa Đạt trong thị trƣờng điện cạnh
tranh tại Việt Nam

Luận án áp dụng phương pháp QHĐ, điều tiết liên hồ chứa nhằm thu được kết
quả là đường chỉ dẫn vận hành các năm, phạm vi làm việc tối ưu khi mực nước
ít biến động. Để đạt doanh thu trong thị trường điện cạnh tranh, ngoài việc chủ

17


động phát điện, mỗi nhà máy cần xây dựng kịch bản tăng, giảm giá bán điện
bình quân theo sản lượng điện hoặc số giở bán điện hàng tháng.
Để hạn chế khối lượng tính toán, luận án xây dựng và sử dụng biểu đồ điều
phối kết hợp đường đảm bảo phát sản lượng hợp đồng để tạo biên mực nước
thượng lưu cho tính toán liên hồ chứa.
Luận án đề xuất hai kịch bản giá, áp dụng vào tính toán nhằm thu được các kết
quả khác nhau, từ đó phân tích đánh giá và lựa chọn kịch bản nào phù hợp với

Mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

trường hợp vận hành đang áp dụng.
245
240

235
230
225
220
215
210

III
II
II
IV

I

01-07 01-08 01-09 01-10 01-11 01-12 01-01 01-02 01-03 01-04 01-05 01-06 01-07
Quá trình thời gian năm 2016-2017 (tháng)

Mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

Hình 3.5 BĐĐP kết hợp đảm bảo phát Qc năm 2016-2017
245
240
235
230
225
220
215
210

III

II
I

IV

01-07 01-08 01-09 01-10 01-11 01-12 01-01 01-02 01-03 01-04 01-05 01-06 01-07
Quá trình thời gian năm 2017-2018 (tháng)

Hình 3.6 BĐĐP kết hợp đảm bảo phát Qc năm 2017-2018

18


Phạm vi BĐĐP hai năm 2016-2017 và 2017-2018 Hủa Na được thể hiện khác
nhau do Qc yêu cầu mỗi năm là khác nhau.
3.3

Các kịch bản giá

Các dữ liệu giá được thu thập thông qua từng giờ bán điện, tổng hợp các ngày
bán điện, tổng hợp các tháng bán điện và tổng hợp cả năm bán điện. Dựa vào
các dữ liệu này, có thể phân chia thành giá bình quân trong mùa lũ, giá bình
quân trong mùa kiệt, giá theo các tháng, phân chia theo khả năng tin cậy về
công suất phát điện, phân chia theo biến đổi về sản lượng. Ở trong phạm vi luận
án, có hai kịch bản biến đổi giá được xét đến là giá biến đổi theo sản lượng
tháng các mùa trong năm (KB1-tương quan thấp), xây dựng và sử dụng đường
duy trì giá bán điện theo lượng giờ phát ra trong tháng (KB2-tương quan cao).

Hủa Na

Mùa lũ
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

1400
1200
1000
800
600
400
200
0

y = -2.881x + 1101.
R² = 0.390
0

Cửa Đạt

Mùa cạn

50

100

150

y = 2.709x + 946.3
R² = 0.184
0

1000

1200

800

1000

20

40

60

80

800

600

600
400

400

y = -2.253x + 757.2
R² = 0.157

200

y = 4.174x + 628.0
R² = 0.274

200

0

0
0

20

40

60

80

0

20

40

60

Hình 3.13 đến 3.16: các tương quan giá tháng (đ/kWh trên trục tung) với điện
lượng tháng (triệu kWh trên trục hoành) trong mùa lũ và mùa cạn hai NMTĐ
Hủa Na và Cửa Đạt.
19


Kết quả tính toán Kịch bản 1 (giá biến đổi theo sản lƣợng điện phát
ra)

3.4

Do có các tương quan về giá tăng với điện lượng tăng trong các tháng mùa kiệt,
nên trong thực tế sẽ có các tháng mùa kiệt được dồn phát điện cao hơn các
tháng còn lại, hay xu hướng điều tiết là dồn điện lượng cao xen kẽ các tháng

Mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

điện lượng thấp.
245
240
235
230
225
220
215
210
01-07 01-08 01-09 01-10 01-11 01-12 01-01 01-02 01-03 01-04 01-05 01-06 01-07

Quá trình thời gian (tháng)

Mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

Hình 3.32 Phạm vi vận hành tối ưu Hủa Na có xét đến lưu lượng tối thiểu

115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
01-07 01-08 01-09 01-10 01-11 01-12 01-01 01-02 01-03 01-04 01-05 01-06 01-07
Quá trình thời gian (tháng)

Hình 3.33 Phạm vi vận hành tối ưu Cửa Đạt sau khi Hủa Na tối ưu doanh thu

20


3.5

Kết quả tính toán Kịch bản 2 (giá biến đổi theo lũy tích số giờ bán
điện)

Các hình vẽ cho thấy, đa số đường mực nước vận hành thực tế thấp hơn so với

đường biến đổi mực nước thượng lưu khi tính toán tối ưu. Như vậy, phương án

Cao trình mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

vận hành thực tế có năm có khoảng cách khá xa so với vận hành tối ưu.
245
240
235
230
225

Thực tế vận hành
Tổng doanh thu 2 hồ max
Doanh thu Hủa Na max
Điện lượng Hủa Na max
Điện lượng 2 hồ max

220
215
210
1/7

1/8

1/9

1/10

1/11

1/12

1/1

1/2

1/3

1/4

1/5

1/6

1/7

Quá trình thời gian (tháng)

Cao trình mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

Hình 3.37 Diễn biến mực nước hồ Hủa Na năm thủy văn 2015-2016 sử dụng
ước lượng giá năm thủy văn 2014-2015
245
240
235
230

Tổng doanh thu 2 hồ max

225

Doanh thu Hủa Na max

220

Điện lượng Hủa Na max

215

Thực tế vận hành

Điện lượng 2 hồ max

210
1/7

1/8

1/9

1/10

1/11

1/12

1/1

1/2

1/3

1/4

1/5

1/6

1/7

Quá trình thời gian (tháng)

Hình 3.38 Diễn biến mực nước hồ Hủa Na năm thủy văn 2016-2017 sử dụng
ước lượng giá năm thủy văn 2015-2016

21


Cao trình mực nƣớc thƣợng lƣu (m)

245
240
235
230
Tổng doanh thu 2 hồ max
Doanh thu Hủa Na max
Điện lượng Hủa Na max
Điện lượng 2 hồ max
Thực tế vận hành

225

220
215
210
1/7

1/8

1/9

1/10

1/11

1/12

1/1

1/2

1/3

1/4

1/5

1/6

1/7

Quá trình thời gian (tháng)

Hình 3.39 Diễn biến mực nước hồ Hủa Na năm thủy văn 2017-2018 sử dụng
ước lượng giá năm thủy văn 2016-2017
Kết quả tính toán theo kịch bản 2 với các năm thủy văn thu được cho thấy, việc
phối hợp vận hành liên hồ sẽ mang lại hiệu quả cao hơn khi vận hành đơn hồ
cũng như kết quả thực tế vận hành đã xảy ra.
3.6

Chọn kịch bản giá điện áp dụng cho bậc thang và chỉ dẫn vận hành
khi vận hành trong thị trƣờng điện cạnh tranh

Trên sơ cở việc phân tích xây dựng hàm giá theo 2 kịch bản, tác giả nhận thấy:
- Kịch bản 1: về sự phù hợp với giá thị trường thì chỉ phù hợp khi thu thập được
dữ liệu theo tháng; trong mùa kiệt, do một số tháng hệ thống thiếu điện nên giá
bán điện tăng. Do vậy, các trạm đều huy động nhiều đồng thời hệ số tương
quan giữa giá bán điện và điện năng phát thấp vì đôi khi giá cao lên nhưng
NMTĐ lại không có đủ nước để phát.
- Kịch bản 2 đã xét đến yếu tố thị trường khi xây dựng tương quan giá bán điện
với lũy tích số giờ phát điện cho từng tháng, đồng thời phản ánh đúng quy luật
của thị trường hơn so với KB1.
Do đó, kiến nghị chọn phương án giá bán bán điện theo kịch bản 2 để áp dụng
cho bậc thang thủy điện sông Chu.

22


3.7

Kết luận Chƣơng 3

Chương 3 đã sử dụng chương trình và thuật toán tối ưu được xây dựng trong
chương 2 để tính toán mô phỏng phối hợp vận hành cho hai NMTĐ Hủa Na và
Cửa Đạt.
Khi lựa chọn cùng một mục tiêu tối ưu nhưng khác nhau về cách tính: KB1
(doanh thu phát điện biến đổi theo sản lượng điện), hay KB2 (biến đổi theo số
giờ bán điện) sẽ đưa ra kết quả là các mô hình phối hợp vận hành có khác nhau.
Việc ứng dụng phụ thuộc vào việc thu thập được giá theo tháng hay giá theo
giờ.
Việc phối hợp vận hành liên hồ chứa sẽ làm tăng đáng kể doanh thu của hồ phía
dưới, do vậy khi phối hợp vận hành thì các hồ phía hạ lưu nên phân chia một
phần doanh thu tăng thêm cho các hồ phía thượng lưu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt đƣợc của luận án
Luận án đã xây dựng và trình bày cơ sở khoa học tính toán cho các hàm mục
tiêu khác nhau, xây dựng giá bán điện dựa trên dữ liệu mua bán điện hàng
tháng đã có trong lịch sử vận hành. Dựa vào đặc tính của hồ điều tiết năm, khả
năng của thiết bị cơ điện đã có sẵn và giá mua điện ở thời điểm cao trong ngày,
xây dựng hàm giá có tính đến khả năng phát điện tùy thuộc vào nhiệm vụ chính
của các hồ.
Luận án đã ứng dụng, tính toán, áp dụng cách tính toán cho hai hồ chứa chính
trên hệ thống Sông Chu, chỉ ra được phạm vi vận hành tối ưu, tính toán xác
định các điều tiết dài hạn tạo lợi thế cho nhà máy trong việc chào giá với thị
trường điện cạnh tranh ở Việt Nam.
Xây dựng được biểu đồ điều phối làm cơ sở để vận hành vừa đảm bảo cung cấp
điện theo hợp đồng vừa đảm bảo mang lại doanh thu cao nhất khi tham gia chào
giá cạnh tranh.
23