Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 9 - Phương thức vận hành tối ưu trong hệ thống điện

Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 9 - Phương thức vận hành tối ưu trong hệ thống điện được biên soạn với các nội dung chính sau: Phân phối tối ưu vận hành tức thời hệ thống gồm các nhà máy nhiệt điện; Phân phối tối ưu vận hành trong hệ thống có nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện; Lập kế hoạch chế độ làm việc các nhà máy trong hệ thống;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

CHƯƠNG PHƯƠNG THỨC VẬN HÀNH TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ▪ Đặt vấn đề: Tối ưu hóa quy hoạch phát triển (nguồn lưới) Tối ưu hóa vận hành ▪ Tối ưu hoá vận hành giải vấn đề phân phối phụ tải cho nhà máy nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải với chí tối thiểu cho hệ thống ▪ Tối ưu hoá vận hành: Khi nhà máy điện vận hành hay ngừng? Nhà máy nên vận hành lâu? Nhà máy nên mang tải bao nhiêu? ▪ Kế hoạch vận hành chia thành loại: Kế hoạch vận hành trung hạn - thường năm (Mid Term Scheduling) Kế hoạch vận hành ngày, tuần (Unit Commitment of Plant) Kế hoạch điều độ tức thời (Short Term Economic Dispatch) ▪ Chế độ vận hành nhà máy hệ thống: Xác định công suất cho nhà máy vị trí làm việc nhà máy đồ thị phụ tải hệ thống 9.1 Phân phối tối ưu vận hành tức thời hệ thống gồm nhà máy nhiệt điện 9.1.1 Phân phối tối ưu công suất tác dụng 9.1.1.1 Phương pháp xếp hạng (Merit order) ▪ Yêu cầu: - Biết tổng phụ tải hệ thống - Biết chi phí vận hành nhà máy ▪ Các nhà máy xếp theo trật tự chi phí vận hành tăng dần ▪ Phương pháp đơn giản, dễ thực ▪ Bỏ qua tổn thất truyền tải, phân phối phải giả thiết chi phí vận hành hệ thống không đổi 9.1.1.2 Phương pháp suất tăng chi phí (Incremental Cost) ▪ Suất tăng chi phí chi phí tăng thêm sản xuất tăng thêm đơn vị điện mức công suất định ▪ Sắp xếp nhà máy theo trật tự tăng dần suất tăng chi phí ▪ Bài tốn: Một hệ thống gồm (n) nhà máy nhiệt điện Phụ tải nhà máy (Pi) Chi phí sản xuất tương ứng với phụ tải nhà máy Fi(Pi) Tổng nhu cầu tức thời hệ thống (D) Hãy phân phối tối ưu phụ tải cho nhà máy hệ thống Bỏ qua tổn thất truyền tải phân phối hệ thống Giải: n TPC =  Fi ( Pi ) → ▪ Tổng chi phí sản xuất hệ thống: i =1 n ▪ Ràng buộc:  Pi = D Pi = Pimin  Pi  Pimax i =1 ▪ Sử dụng phương pháp Lagrăng: n   L =  Fi (Pi ) +  D -  Pi  → Min i =0 i =1   n ▪ Hàm Lagrăng đạt cực trị thỏa mãn điều kiện:  L  P =  i  L =    Fi ( Pi ) −λ =0   Pi  D −  Pi =   Fi (Pi ) =   Pi   Pi = D  F (P ) F1 (P1 ) F2 (P2 ) = = = n n =  P1 P2 Pn ▪ Điều kiện đạt cực trị: ▪ Giải trực tiếp thử dần ▪ Giải phương pháp thử dần: ▪ Chọn giá trị λ thay vào hệ phương trình, giải tìm Pi ▪ Tính thử ∑Pi ∑Pi < D tăng giá trị λ lên ngược lại ▪ Thử lại ∑Pi = D, vòng lặp dừng Unit A Unit B Unit A+B P (Mw) PA PB Unit A Unit B Unit C Unit D Unit C Ví dụ: Cho hệ thống gồm nhà máy có hàm chi phí: F1 ( P1 ) = P1 + 3,89 P1 + 0,406 F2 ( P2 ) = P22 + 3,51P2 + 0,444 Nếu phụ tải hệ thống yêu cầu 2,6 MW, phụ tải phân cho nhà máy để đảm bảo đáp ứng nhu cầu phụ tải với chi phí cực tiểu? Bỏ qua tổn thất Giải: Hàm chi phí hệ thống biểu diễn: TPC = F1(P1) + F2(P2) → Ràng buộc: P1 + P2 = D Hàm Lagrăng xây dựng L = F1(P1) + F2(P2) + D-P1-P2 →min Điều kiện đạt tối ưu khi: F1  L = −λ =0  P P1  F2  L = −λ =0  P2  P2  L  λ =  P1 + P2 = D   P1 + 3,89 =  (1)   P2 + 3,51 =  (2)  P + P = 2,6 (3)  Khi Pi < Pimin Pi > Pimax F1 =λ P1 F2 =λ P2  P1 − P2 = −0,38   P1 + P2 = 2,6 Pi = Pimin Pi = Pimax P∑ = P - Pimin P∑ = P - Pimax  P1 = 1,11   P2 = 1,49 Ví dụ: Sử dụng số liệu ví dụ ràng buộc phạm vi làm việc nhà máy P1 ≥ 0.3 P2 ≤ 2.4 yêu cầu giải phương pháp thử Giải: P1  0,3 P2  2,4  P1 + 3,89 =  (1)   P2 + 3,51 =  (2)  P + P = 2,6 (3)  P1 = −1.89 Chän λ =  kh « ng tho¶ m· n P2 = −1.51  P1 = 2.11 Tăng  =   P2 = 2.49 P2  2.4 → P2 = 2.4 Giảm  = P1 = 1.11  P2 = 1.49  P1* = 1,11  *  P2 = 1,49 P1 + P2 < D P1 + P2 = 2.6 = D 9.1.1.3 Phân phối tối ưu cơng suất tác dụng có xét đến tổn thất mạng Hàm chí phí hệ thống biểu diễn: n TPC =  Fi (Pi ) → i =1 Ràng buộc: n  P − P = D  i =1 i n D -  Pi + P = P = f(P1, P2, ,Pn) Tổng tổn thất mạng P = f(P, Q, U, R, cosφ) cosφ: Góc lệch pha véc tơ điện áp nút Hàm Lagrăng xây dựng có dạng: n   L =  Fi (Pi ) +   D −  Pi + P → i =1 Tìm phân phối tối ưu phụ tải thời kỳ ngày? Giả thiết việc phân phối tối ưu phụ tải theo phương pháp xếp hạng Bỏ qua tổn thất truyền tải phân phối hệ thống Giải: Phụ tải dự trữ yêu cầu thời kỳ ngày Phơ t¶i thêi kú I (8h) II (8h) III (8h) Phơ t¶i (MW) 10 16 Dự tr (MW) Tổng yêu cầu (MW) 12 19 Sự kết hợp nhà máy hệ thống đáp ứng yêu cầu phụ tải v d tr tng thi k Phụ tải yêu cầu Sự kết hợp nhà máy điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải (I) 7MW B AB AC BC ABC (II) 12MW AB BC ABC (III) 19MW ABC Sử dụng phương pháp quy hoạch động Bellman Giai đoạn 1, D = 7MW (1MW dự trữ) Chi phÝ chuyÓn dÞch Cij (n) f*i (n-1) fij = Cij + f*i B 1400 1400 A BC AB 1310 1310 ABC AC 1560 1560 ABC BC 1930 1930 ABC ABC 1840 1840 Trạng thái Trạng thái trớc Si hiƯn t¹i Sj ABC f*j (n) 1310 Giai đoạn 2, D = 12MW (2MW d tr) Trạng thái Trạng thái trớc Si Sj B AB AC BC ABC B AB AC BC ABC B AB AC BC ABC AB AB AB AB AB BC BC BC BC BC ABC ABC ABC ABC ABC Chi phÝ chun dÞch Cij (n) 1750 1600 1815 1765 1615 2370 2380 2530 2320 2330 2280 2130 2280 2230 2080 f*i (n-1) fij = Cij + f*i 1400 1310 1560 1930 1840 1400 1310 1560 1930 1840 1400 1310 1560 1930 1840 3150 2910 3375 3695 3455 3770 3690 4090 4250 4170 3680 3440 3840 4160 3920 f*j (n) 2910 3690 3440 Giai đoạn 3, D = 19MW (3MW dự trữ) AB ABC Chi phÝ chun dÞch Cij (n) 3250 BC ABC 3350 3690 7040 ABC ABC 3200 3440 6640 Trạng thái Trạng thái trớc Si Sj f*i (n-1) fij = Cij + f*i f*j (n) 2910 6160 6160 ▪ Chi phí cực tiểu hệ thống ngày 6160($) ▪ Kế hoạch làm việc nhà máy hệ thống theo thời gian ngày theo trật tự : AB → AB → ABC ▪ Phân phối công suất giai đoạn ngày: Giai đoạn (I) MW (1MW dự trữ) A = MW; B = MW (II) 12 MW (2MW dự trữ) A = MW; B = MW (III) 19 MW (3MW dự trữ) A = MW;B = 10 MW;C = 1MW ▪ Chi phí biên ngắn hạn hệ thống tương ứng với thời gian ngày MC1: 20 $/ MWh ; MC2 : 20$/ MWh ; MC3 : 40$/ MWh 9.4.2 Phân phối tối ưu phụ tải hệ thống trung hạn (1 năm) ▪ Cực tiểu hóa chi phí hệ thống thời kỳ ▪ Ràng buộc công suất lượng nước thời kỳ ▪ Dự trữ nước cuối thời kỳ đảm bảo yêu cầu phụ tải chi phí nhỏ cho trình ▪ Quá trình định liên tục động ▪ Giả thiết dòng chảy nhà máy thủy điện nhu cầu biết ▪ Bài toán: Giả thiết rằng, nhà máy thuỷ điện (X) đại diện cho tất nhà máy khác hệ thống hồ chứa dài hạn hợp lại theo trọng số hồ chứa toàn hệ thống Vấn đề phân phối tối ưu xem xét khoảng thời gian chia từ q trình tiến hành phân phối Mơ hình: St : Mức dự trữ lượng thuỷ điện cuối thời kỳ (t) Dt : Nhu cầu điện thời kỳ (t) Ht : Tổng lượng thuỷ điện phát thời kỳ (t) Ht = Si + It – Sj ht : Điện nhà máy thuỷ điện sản xuất thời kỳ (t) It : Dòng lượng thuỷ chảy vào nhà máy thời kỳ (t) t : Điện sản xuất nhà máy nhiệt điện thời kỳ (t) Xả thừa Spillt = Ht - ht Hiện tượng xả thừa xảy ra, công suất dự trữ hồ chứa không đủ Thường thường Ht  Dt nhà máy thuỷ điện sản xuất ht = Ht Hàm mục tiêu thể sau: T Min S , ST   (S ) t =1 t t Ví dụ: Cho hệ thống điện gồm nhà máy thuỷ điện nhiệt điện, nhu cầu điện dịng nước chảy dự tính có sẵn năm theo hai tháng một: C¸c thông số Nhu cầu Dt (Twh) Dòng nớc It (Twh) 5 Thêi kú (2 th¸ng) 3 6 5 ▪ Điện thuỷ điện nhà máy thuỷ điện hệ thống xem tương đương với hồ chứa tổng hợp với công suất dự trữ TWh Mức cực tiểu cho phép hồ chứa TWh ▪ Bốn nhà máy nhiệt điện với khả sản xuất nhà máy TWh thời kỳ với mức chi phí tương ứng cho Bảng sau: Nhà máy iện nng sản xuất kỳ (TWh) Chi phÝ (106$/ TWh) 11 13 16 10 (i) Xây dựng kế hoạch vận hành tối ưu cho nhà máy hệ thống Biết hệ thống bắt đầu hoạt động với TWh dự trữ hồ chứa yêu cầu mức dự trữ cuối TWh hồ chứa (ii) Chi phí biên ngắn hạn thời kỳ Giả thiết việc phân phối phụ tải cho nhà máy nhiệt điện hệ thống sử dụng phương pháp xếp hạng Giải: Bài toán yêu cầu phân phối tối ưu cho nhà máy hệ thống thời kỳ phải đảm bảo yêu cầu ràng buộc đặt Hàm mục tiêu biểu diễn sau: T   (S ) → t t Chi phí vận hành hệ thống: Nhu cÇu (TWh) Tổng nng lợng thuỷ điện nhà máy cã thĨ ph¸t kú ht (TWh) 10 0 0 0 21 10 0 0 34 21 10 0 0 50 34 21 10 0 * 50 34 21 10 0 * * 50 34 21 10 * * * 50 34 21 10 Bước 1, D= 6TWh (1) Sj(n) (2) Si(n-1) (3) Ij (4) (6) X¶ thõa Spillj (7) hi (5) hj j (8) Cij (9) fij(n) 4 3 5 (10) f j (n ) 21 21 21 3 34 34 34 2 50 50 50 1 * * * * 0 0 * * * * * * * * * * Bước 2, D= 5TWh (1) Sj(n) (2) Si(n-1) (3) Ij (4) hi (5) hj (7) j (8) Cij (9) fij(n) 5 5 5 (6) X¶ thõa Spillj 1 1 1 5 5 5 10 2 2 5 2 5 (10) 0 0 0 0 0 0 21 34 50 * * * 21 5 0 1 0 10 0 31 34 50 31 5 0 0 0 * * * f j (n ) Bước 2, D= 5TWh (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Sj(n) Si(n-1) Ij hi hj j Cij fij(n) 3 3 3 5 5 5 5 5 X¶ thõa Spillj 0 0 0 21 10 0 0 42 44 50 * * * 42 4 5 4 0 34 21 10 55 55 60 55 55 4 4 5 5 5 0 0 0 * * * 5 5 5 5 5 5 5 0 0 0 50 34 21 10 0 71 68 71 * * * 6 5 2 0 * * 50 34 * 84 84 6 6 5 5 0 21 10 * * * f j (n ) 68 84 84 Bước 3, D = 3TWh Bước 6, D = 7TWh (1) Sj(n) (2) Si(n-1) (3) Ij (4) (6) X¶ thõa Spillj (7) hi (5) hj j (8) Cij (9) fij(n) 1 2 2 3 1 (10) * * * 50 71 4 34 55 5 21 42 6 10 31 31 7 0 31 31 f j (n ) Dự trữ cuối giai đoạn 5 (Twh) 3 1 Thời kỳ Các phơng án 6 Mức dự tr cuối thời kỳ (TWh) → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → Lượng điện phát từ nhà máy nhiệt in: Phơng án iện phát từ nhiƯt ®iƯn thêi kú (TWh) 0 0 0 0 0 0 Chi phí biên ngắn hn ca h thng: Phơng án Chi phí biên ngắn hạn thời kỳ (106 $/ TWh) 11 0 10 11 0 10 11 0 0 10 11 0 0 10 .. .9. 1 Phân phối tối ưu vận hành tức thời hệ thống gồm nhà máy nhiệt điện 9. 1.1 Phân phối tối ưu công suất tác dụng 9. 1.1.1 Phương pháp xếp hạng (Merit order) ▪ Yêu cầu: - Biết tổng phụ tải hệ thống. .. Giải hệ tìm (P1, P2, Pn) (Q1, Q2 Qn) (1,2) 9. 2 Phân phối tối ưu vận hành hệ thống có nhà máy thủy điện nhà máy nhiệt điện ▪ Vận hành nhà máy thủy điện ảnh hưởng đến vận hành nhà máy nhiệt điện. .. công suất cho phép làm việc tổ máy hệ thống ▪ Bài toán: Xét hệ thống điện gồm (n) nhà máy nhiệt điện (m) nhà máy thuỷ điện Hãy phân phối tối ưu công suất cho hệ thống đảm bảo yêu cầu phụ tải Bỏ