Một số vấn đề vận hành kinh tế hệ thống điện

Một số vấn đề vận hành kinh tế hệ thống điện

Trường Đại học Bách khoa Hà Nôi

Bộ môn Hệ Thống Điện - Khoa Điện

===============================

PGS TS Lã Văn Út

Một số vấn đề về vận hành kinh tế hệ thống điện

===========

Hà Nội 10 - 2002

Nội dung

I BÀI TOÁN VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Các nội dung tính toán kinh tế kỹ thuật chủ yếu đối với HTĐ

1.2 Vài đặc điểm về hiện trạng và sự phát triển của HTĐ Việt Nam (trênquan điểm vận hành kinh tế)

1.3 Vai trò, ý nghĩa của các bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành của hệthống điện

II BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NGUỒN ĐIỆN

2.1 Nội dung bài toán

2.2 Đặc điểm bài toán vận hành tối ưu nguốn trong HTĐ Việt Nam Vấn

đề lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán

2.3 Hiệu quả áp dụng các phương pháp tính toán, vận hành tối ưu các nhàmáy điện trong HTĐ hợp nhất

2.4 Hiệu quả xây dựng mạch hai đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc Trung - Nam

-2.5 Đánh giá vai trò và hiệu quả của các dự án phát triển nguồn điện đốivới hệ thống

III VẤN ĐỀ VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

3.1 Giảm tổn thất điện năng - chỉ tiêu kinh tế chủ yếu trong vận hành tối

ưu hệ thống cung cấp điện

3.2 Đặc điểm bài toán vận hành tối ưu nguốn trong HTĐ Việt Nam Vấn

đề lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán

3.2 Vấn đề lựa chọn vị trí và dung lượng bù tối ưu công suất phản khángtrong hệ thống cung cấp điện

3.3 Các trang thiết bị mới và vấn đề điều khiển vận hành tối ưu hệ thốngcung cấp điện

IV VẤN ĐỀ KHAI THÁC TỐI ƯU NGUỒN THỦY NĂNG

4.1 Điều tiết dài hạn ở các NMTĐ

4.2 Hiệu quả của nhà máy thuỷ điện tích năng

Tài liệu tham khảo

I BÀI TOÁN VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Những đặc điểm của hệ thống điện Việt Nam cần quan tâm khi tính toán vận hành tối ưu hệ thống

1.1 Các nội dung tính toán kinh tế kỹ thuật chủ yếu đối với HTĐ.

1.2 Vài đặc điểm về hiện trạng và sự phát triển của HTĐ Việt Nam (trên quan điểm vận hành kinh tế).

1 Sự hình thành hệ thống điện hợp nhất

Hệ thống điện hợp nhất có những đặc điểm chính như sau:

Góp phần giảm được dự trữ tổng về công suất

Cho phép phối hợp khai thác hợp lý công suất và năng lượngcủa các nhà máy thủy điện nói riêng - các nhà máy điện nóichung và nâng cao tính kinh tế tổng hợp của chúng do có nhiềuphương án để lựa chọn

Giảm được phụ tải cực đại tổng của hệ thống điện hợp nhất

Quy hoạch, thiết kế Điều khiển, vận hành

Tối ưu hóa chế độ lưới điện

Phân tích kinh tế, tài

chính, lựa chọn phương

án khả thi

Xác định phương thức vận hành tối ưu (cực tiểu hóa chi

phí vận hành)

Cho phép hỗ trợ lẫn nhau giữa các hệ thống điện khi công suấtcác nhà máy điện thay đổi theo mùa nhất là đối với thủy điện,khi phụ tải các hệ thống điện khác nhau thay đổi khác nhau, khicần sửa chữa thiết bị và sự cố.

Hệ thống điện hợp nhất làm tăng sự liên kết giữa các phần tử,điều đó cũng có nghĩa là sự cố ở một nơi nào đó có thể dẫn đếnảnh hưởng ở một nơi rất xa

2 Sự tăng trưởng nhảy vọt về nhu cầu tiêu thụ điện

- Kể từ khi hợp nhất hệ thống điện, phụ tải toàn hệ thống và từngmiền tăng khá nhanh dẫn đến hệ thống điện Việt nam luôn phảivận hành trong tình trạng căng thẳng về nguồn

- Lưới cung cấp điện còn tồn tại nhiều vấn đề bất cập: có quánhiều cấp điện áp, tổn thất truyền tải cao, dung lượng bù côngsuất phản kháng rất thiếu,

3 Một số nét đặc thù riêng của hệ thống điện Việt Nam

- Có chiều dài lớn (trải dài theo lãnh thổ Bắc - Nam), có chiềungang nhỏ Điều này dẫn đến các đường dây tải điện tương đốidài

- Nguồn điện trong hệ thống điện Việt nam rất nhiều chủng loại:thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện dầu, tuabin khí chu trìnhđơn và chu trình hỗn hợp, điện diesel, với các đặc tính vậnhành rất khác nhau

- Nguồn phân bố không đều theo khu vực:

miền Bắc chủ yếu là các nhà máy thủy điện và nhiệt điệnthan;

miền Nam: bao gồm các nhà máy nhiệt điện dầu, tuabinkhí và tuabin khí hỗn hợp;

miền Trung: cho đến nay có ít nhà máy điện

- Lưới cung cấp điện có nhiều cấp điện áp (110, 66, 35, 22, 15,

10, 6 kV), cũ nát phi tiêu chuẩn (thiếu bù và các phương tiệnđiều chỉnh điện áp)

1.3 Vai trò, ý nghĩa của các bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành của hệ thống điện

Xét ví dụ đơn giản:

Hệ thống điện có 2 khu vực:

Khu vực 1 có: Nhiệt điện than 500 MW, thủy điện 1000 MW Khu vực 2 có: Nhiệt điện dầu 800 MW, nhiệt điện khí 400 MW,thủy điện nhỏ 200 MW

Liên kết qua đường dây siêu cao áp 500 kV, giới hạn truyền tảiPmin = 100 MW, Pmax= 400MW.

Tổn thất công suất 8% khi công suất truyền tải 500 MW (tỉ lệtheo xấp xỉ bậc 2)

Các số liệu nguồn:

vực

PmaxMW

PminMW

Chi phí vậnhành USD/

MWh

Giới hạn sảnlượng ngày(MWh)

N§D NĐK

ĐDSCA

2 Đường dây liên kết với giả thiết có công suất truyền tải khác nhau ảnhhưởng rất mạnh đến chi phí vận hành của toàn hệ thống Tuy nhiên khităng khả năng truyền tải đến một mức độ nào đó thì sự thay đổi giá trịcủa hàm mục tiêu không đáng kể.

3 Khi xét hệ thống như một khu vực thì giới hạn truyền tải công suất sẽ

có khả năng không đảm bảo Không cho phép vận hành

II BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NGUỒN ĐIỆN

2.1 Nội dung bài toán.

Bài toán vận hành tối ưu hệ thống điện cần được mô tả ở dạng quyhoạch tổng hợp, mô tả tổng quát như sau:

P C

Trong đó:

i = 1 k Khoảng thời gian tính toán, khảo sát

j = 1 m Số tổ máy có trong hệ thống điện

Cij (Pij) các hàm mô tả đặc tính chi phí theo công suất phát của

tổ máy phát điện SUCji Chi phí khởi động của tổ máy j ở giờ i

SDCji Chi phí dừng máy của tổ máy j ở giờ i

- Giới hạn truyền tải công suất trên một số nhánh của lưới điện

- Giới hạn công suất phát (tối đa, tối thiểu) của các tổ máy;

- Ràng buộc về tốc độ tăng giảm công suất của tổ máy;

- Ràng buộc về khởi động và dừng tổ máy: số giờ chạy máy tốithiểu, số lần khởi động nhiều nhất, số giờ dừng máy tối thiểu,các tổ máy phải chạy, phải dừng

Phân loại bài toán vận hành tối ưu:

Người ta thường phân loại bài toán theo khung thời gian khảo sát:

- Thời gian từ vài tháng đến vài năm là bài toán phương thức vậnhành dài hạn.

- Từ một ngày đến vài tuần là phương thức vận hành trung hạn

- Từ vài tiếng đến vài ngày là bài toán phương thức vận hànhngắn hạn

- Từ một vài phút đến một giờ là bài toán vận hành kinh tế thờigian thực gắn với hệ thống SCADA/EMS

2.2 Đặc điểm bài toán vận hành tối ưu nguốn trong HTĐ Việt Nam Vấn đề lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán.

1 Đặc điểm đầu tiên cần nhận thấy, đó là sự đa dạng về chủng loại cácnhà máy điện: thuỷ điện, nhiệt điện than, nhiệt điện dầu, nhiệt điện khí,nhiệt điện khí chu trình hỗn hợp, Diesel, Như trên đã nói, trong HTĐcàng đa dạng về chủng loại nguồn thì hiệu quả bài toán tối ưu hoá vậnhành càng có ý nghĩa cao hơn, bởi sẽ có khả năng lựa chọn các phương

án có hiệu quả rất khác nhau về chi phí vận hành

2 Tốc độ tăng trưởng nhảy vọt về nhu cầu tiêu thụ điện, đặt hệ thống vàocác tình huống căng thẳng về nguồn, dự trữ điện năng thấp, lựa chọnphương thức vận hành tối ưu khi đó càng có ý nghĩa quyết định Đôi khi

đó còn là cách duy nhất để tìm được phương án vận hành khả thi

3 Giới hạn truyển tải công suất giữa các khu vực đối với HTĐ Việt Namcũng là một yếu tố bắt buộc cần phải xét đến Nếu không xét giới hạnnày, lời giải sẽ hoàn toàn vô nghĩa (phương án vận hành không khả thi)

4 Tồn tại những đặc điểm riêng về nguồn ở một số nhà máy cũng là mộtyếu tố cần quan tâm giải quyết (vùng cấm vận hành trên đặc tính, giớihạn cung cấp khí theo biểu đồ )

Vần đề lựa chọn phương pháp giải

Với các đặc điểm đã nêu, mô hình bài toán vận hành tối ưu HTĐ ViệtNam cần được xét ở dạng đầy đủ của bài toán quy hoạch phi tuyến Nhữngchương trình tính toán lập trên cơ sở các phương pháp sau đều không ápdụng được (hoặc cần áp dụng có cải tiến):

- Phương pháp Lagrange;

- Phương pháp cân bằng suất tăng tương đối;

- Phương pháp quy hoạch động xét hệ thống như một khu vực

Thời gian vừa qua, Trung tâm Điều độ hệ thống điện quốc gia kếthợp với bộ môn Hệ thống điện trường đại học Bách khoa Hà Nội nghiên cứuthuật toán và xây dựng chương trình tính toán phân bố tối ưu công suất trong

hệ thống điện dựa trên cơ sở phương pháp quy hoạch phi tuyến xấp xỉ [3].Phương pháp tỏ ra có triển vọng áp dụng tốt

Ưu điểm của chương trình:

- Tính đến giới hạn công suất truyền tải giữa các khu vực;

- Xét đến mọi giới hạn kỹ thuật vận hành các tổ máy

- Xét đến tính phi tuyến của tổn thất trên đường dây, đặc tính tiêuhao nhiên liệu

- Xét đến giới hạn cung cấp khí theo biểu đồ

- Luôn cho lời giải duy nhất khi có nghiệm

Chương trình đã được ứng dụng thử lập biểu đồ vận hành ngày đêmcho HTĐ hợp nhất

2.3 Hiệu quả áp dụng các phương pháp tính toán, vận hành tối ưu các nhà máy điện trong hệ thống điện hợp nhất.

Dưới đây là một số kết quả so sánh chi phí vận hành (chủ yếu là chiphí nhiên liệu) phương thức tối ưu tính theo chương trình với phương thứcvận hành đã qua lập thep phương pháp chuyên gia (Trung tâm Điều độ hệthống điện quốc gia thực hiện)

(15/05/00)

Ngày mùa lũ (15/08/00) Ngày cuốimùa lũ

(15/09/00)

Ngày mùa khô (15/12/00) Tính theo phương pháp

35583 (5.5%)

1267 (0.1%)

Từ kết quả tính toán cho ta thấy sử dụng chương trình tính toán rất cólợi, chi phí nhiên liệu tiết kiệm được có thể chiếm một vài phần trăm của chiphí phát điện tổng.

2.4 Hiệu quả xây dựng mạch hai đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc Trung - Nam

-1 Nguyên tắc tính toán

- Để đánh giá hiệu quả của đường dây về mặt kinh tế cần so sánh chênhlệch chi phí vận hành hệ thống trong cùng điều kiện tải và nguồnphương án có và phương án không có mạch hai đường dây siêu cao áp

500 kV Hiệu giảm được chi phí do sự xuất hiện mạch hai là bởi 2nguyên nhân:

- Mở rộng giới hạn truyền tải công suất giữa các khu vực, nhờ thế

có thể phối hợp tốt hơn các nguồn phát điện, phương án tối ưu

có chi phí nhỏ hơn

- Giảm tổn thất truyền tải do có thêm mạch

- Thời điểm đưa đường dây vào vận hành được tính từ cuối năm 2000,còn hiệu quả kinh tế được tính toán trong 5 năm từ năm 2001 - 2005,theo chi phí của từng năm một, ứng với biểu đồ phụ tải dự báo (nhưnhau cho 2 phương án)

- Giới hạn truyền tải của đoạn đường dây Plâycu - Phú Lâm đượclấy để tính toán:

+ Khi chỉ có 1 mạch cũ : 700 MW+ Khi có thêm mạch thứ 2 : 1100 MW

- Tổn thất trên đường dây siêu cao áp được tính ra trên cơ sở trị

số vận hành hiện tại và coi là phụ thuộc bậc 2 với công suấttruyền tải cuối đường dây: PD = k PD2 ,

Với k là hệ số tổn thất; k = PD/PD  10% khi PD = 450 MW

- Biểu đồ phụ tải 3 miền từ năm 2001 đến 2005 lấy theo só liệu

dự báo trong Tổng sơ đồ 4 (mùa khô và mùa mưa)

- Các số liệu khác như công suất khả dụng các nhà máy điện tham giavận hành, chi phí điện năng thanh cái (tính theo nhiên liệu tiêu hao),lượng nước về hồ chứa các nhà máy thủy điện (mùa khô, mùa mưa) lấy theo số liệu của Viện Năng lượng Việt Nam

Nội dung và các bước tính toán đã được thực hiện như sau:

Sử dụng các số liệu đã thu thập tiến hành xác định chế độ vận hànhtối ưu của hệ thống từ năm 2001 đến năm 2005 Mỗi năm tính với biểu đồphụ tải và lượng nước mùa khô, mùa mưa Kết quả nhận được từ mỗiphương án là biểu đồ vận hành tối ưu từng nhà máy, chi phí nhiên liệu từngnhà máy và chi phí tổng cho hệ thống, tính bằng USD

Chênh lệch chi phí tổng trong 5 năm : 81.212.135 USD

Từ các kết quả tính toán có thể rút ra được các kết luận sau về hiệuquả kinh tế đường dây:

1 Đường dây có hiệu quả kinh tế ngay từ năm đầu tiên đưa vào vận hành,tuy nhiên 2 năm đầu hiệu quả chưa cao :

- Năm 2001 thu hồi 6,3 triệu USD;

- Năm 2002 là 3,5 triệu USD;

Các năm tiếp theo :

- Năm 2003 là 16,2 triệu USD;

- Năm 2004 là 27,8 triệu USD;

- Năm 2005 là 27,4 triệu USD

Như vậy có thể coi đường dây phát huy hiệu quả cao từ năm 2003 trởđi

2 Theo số liệu tính toán, sau 5 năm đường dây chưa thu hồi được vốn đầu

tư Tuy nhiên với mức hiệu quả tính như năm 2004, 2005 thì sau 6 nămđường dây sẽ thu hồi được vốn.Cũng có thể coi đó là một công trình cóhiệu quả kinh tế cao

Các tính toán trên đây được thực hiện vào năm 1998 Kết quả đãphần nào khẳng định phương án xây dựng mạch hai 500 kV Pleiku - PhúLâm Hiện nay, khi so sánh hiệu quả các phương án sơ đồ lưới điện khu côngnghiệp Dung Quất, các đoạn mạch hai khác của đường dây 500 kV, cũng cần

áp dụng các phương pháp tính toán so sánh hiệu quả kinh tế Rất tiếc các nộidung nay chưa được quan tâm đúng mức

2.5 Đánh giá vai trò và hiệu quả của các dự án phát triển nguồn điện đối với hệ thống

1 Nguyên tắc tính toán

Ngoài yêu cầu đảm bảo cân bằng công suất và điện năng hệ thống(có xét đến các loại dự phòng), về phương diện hiệu quả kinh tế vận hành hệ,một nguồn mới đưa vào có thể mang lại :

- Làm giảm chi phí vận hành, do đó giảm giá thành sản xuất điệnnăng bình quân của hệ thống; Lý do: giảm căng thẳng về côngsuất, có thể chuyển các nguồn kém kinh tế, hiệu suất thấp thànhcông suất dự phòng Hiệu quả này sẽ được chương trình tínhtoán phân bố tối ưu thiết lập

- Nâng cao công suất dự phòng, cho phép lập được kế hoạch sửachữa hợp lý hơn, giảm xác xuất thiếu hụt điện năng cho hệthống

Khi so sánh hiệu quả chủ yếu tính toán yếu tố đầu Cách thực hiệnnhư sau:

- Theo biểu đồ phụ tải ngày dự báo tăng trưởng qua các năm(thường cho theo mùa khô, mùa mưa) đưa vào chương trìnhnhằm thiết lập điều kiện cân bằng công suất và điện năng

- Theo lượng nước tính toán 2 mùa (khô và mưa) thiết lập cânbằng điện năng ngày cho các NMTĐ

- Xét đến mọi giới hạn về kỹ thuật công suất khả dụng của cácnguồn đã có

- Tính toán phân bố tối ưu công suất trong hệ thống, hai phương

án có và không có nguồn mới đưa vào

Các kết quả có thể nhận được:

- Chênh lệch chi phí vận hành tổng giữa hai phương án (tính chotừng năm) Từ đó tính ra hiệu quả vận hành tổng trong chu kỳtính toán

- Sự biến thiên giá điện sản suất bình quan của từng phương ántheo thời gian

- Thời gian sử dụng công suất lắp máy Tmax của nhà máy dựkiến đưa vào Các thông tin trên rất hữu ích để so sánh kinh tế

kỹ thuật dự án Nếu nhà máy có Tmax nhỏ thì cũng đã thể hiệnvai trò thấp trong kệ thống trong thời gian xét

Phương pháp tính vừa nêu đã được áp dụng tính toán luận chứng hiệuquả dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện Ô Môn và thủy điện Sơn La

III VẤN ĐỀ VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

3.1 Giảm tổn thất điện năng - chỉ tiêu kinh tế chủ yếu trong vận hành tối ưu hệ thống cung cấp điện.

Khi lưới điện đã vận hành thì việc giảm thấp tổn thất điện năng lànội dung cột yếu của bài toán vận hành Hiệu quả thể hiện:

- Giảm được giá thành điện năng truyền tải;

- Giảm vốn đầu tư phát triển công suất trạm

- Cải thiện chất lượng điện năng (tổn thất lớn thường kéo theo sụtđiện áp)

3.2 Đặc điểm bài toán vận hành tối ưu nguồn trong hệ thống điện Việt Nam Vấn đề lựa chọn mô hình và phương pháp tính toán.

Như trên đã nói lưới điện Việt Nam và nhất là lưới phân phối cónhiều vấn đề cần xem xét (do quá trình tăng trưởng quá nhanh của nhu cầucông suất):

- Lưới cũ nát;

- Quá nhiều cấp điện áp;

- Thiết kế thiếu quy chẩn,

- Thiếu dung lượng bù

Do đó tổn thất lớn là không tránh khỏi.

Ngoài nội dung cải tạo phát triển (quy hoạch thiết kế), Bài toán vậnhành kinh tế rất đáng được quan tâm Các lý do chính là:

- Các biện pháp vận hành kinh tế đòi hỏi đầu tư ít hơn;

- Hiệu quả phương pháp có ý nghĩa phổ cập bởi lưới phân phốitrải kháp mọi miền đát nước Tổn thất tổng trong lưới phân phốirất lớn Về nguyên tắc toàn bộ CS nguồn đều phải qua LPPtrước khi cung cấp cho phụ tải Do đó giảm được mộ vài phầntrăm tổn thất nhờ những phương pháp phổ cập sẽ đem lại hiệuquả kinh tế lớn

Về phương diện vận hành lưới điện phân phối thì vần đề bù công suấtphản kháng vẫn là nội dung có ý nghĩa lớn

3.2 Lựa chọn vị trí và dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng trong

hệ thống cung cấp điện.

1 Suất giảm chi phí đặt thêm dung lượng bù

Khi tính toán hiệu quả và xác định nhu cầu bù CSPK đối với các LPPđiện đang vận hành, khái niệm suất giảm chi phí tổn thất do đặt thêm thiết bị

bù rất có ý nghĩa

Trước hết hãy xét biểu thức xác định tổn thất công suất trên mộtnhánh có điện trở R và điện kháng X Công suất truyền tải cuối đường dâykhi chưa bù là P + jQ , sau bù là P + j(Q-Qb)

Tổn thất công suất tác dụng xét đến hiệu quả bù:

-jQ b

4 5 3