Giáo trình vận hành và điều khiển hệ thống điện phần 1

DAI HOC CONG NGHIEP TP HO CHi MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN GIÁO TRÌNH VAN HANH VA DIEU KHIEN HE THONG DIEN ` mMHÁUA TP HO CHi MINH 2008 Md EBOOKBKMT.COM Tài liệu kỳ thuật miễn phí LỜI NĨI ĐẦU Nhu cau sử dụng điện loài người ngày ling, địi hỏi lượng nguồn phát (số tơ máy) phải tăng theo Trong vấn đề khủng hoảng lượng triên nguồn hành tô quan trọng mặt mơi trường hai tốn cần xem xét hàng đầu phát lượng Bên cạnh phát triển thêm nguồn việc vận máy cho hiệu tin cậay tốn vơ Vận hành điều khiên tốt hệ thông điện không mang lại hiệu kinh tế mà cịn giúp phát triển ben vững cho ngn ,jượng vua Trước thực trạng nguôn tài liệu lĩnh vực khan hiếm, để dap ứng cho nhu cầu học tập nghiên cứu trong lĩnh vực vận hành điêu khiên hệ thống điện biên soạn cn giáo trình nhằm giúp bạn Sinh viên quý Thay, Cô cô đọng lại vấn đề cần thiết cho môn học Vận hành điêu khiển Hệ thống điện mơn học có liên quan Giáo trình xây dựng theo hướng chương trình hóa, phục vụ cho Sinh viên Bạn đọc mn tìm hiểu vận hành điều khiển hệ thơng điện Cụ thê, giáo trình tóm lượt vấn đề lý thuyết cần thiết, giải tốn thơng qua ví dụ giúp Sinh viên rèn luyện kỹ năng, tư tính tốn thơng qua số tập Các ví dụ tính tốn tập giáo trình có Các đoạn chương trình viết Matlab kèm để tiện cho việc kiêm tra kết Sinh viên Giáo trình đưa quy trình vận hành phần tử hệ thống điện Giáo trình trình bày chương phụ lục với nội dung sau: Chương 1: Trình bày vấn đề chung như: tính tất yếu môn học, lĩnh vực nghiên cứu mơn học vấn để liên quan; trình bày lịch sử phát triển mơ hình máy phát nhiệt điện qua thời kỳ, Chương bàn đặc tính tơ ) may phat, phuong pháp xây dựng đặt tinh tô máy phát cách giải toán tối ưu hàm phi tuyến Chương 2; Trinh bay điều độ kinh tế tô máy phát nhiệt điện bao gôm: vần đề chung điều độ kinh tế, điều độ kinh tế trường hợp khơng có ràng buộc, có buộc cơng suất tổ máy điều độ trường hợp có ràng buộc giới hạn công suất tổ máy tôn thất mạng Chương đưa giải thuật chương trình điều độ máy tính Chương 3: Phân tích q trình điều động dự trữ tô máy phát tron vận hành hệ thống điện Chương bàn vấn đề điều động dự trữ tô máy, dự trữ quay, ràng buộc điêu động tơ máy phát Ngồi nội dung chương trình bày phương pháp giải tốn điều động tổ máy cho tối ưu Chương 4: Phân tích trình điều độ kết hợp nhà máy nhiệt điện nhà máy thủy điện bao gôm vận hành nhà máy thủy điện, đặc tính lượng nhà máy thủy điện toán điều độ kết hợp Chương 5: Trình bày quy trình vận hành nhà máy nhiệt điện bao gồm quy trình vận hành turbine khí, quy trình vận hành máy phát, thuật ngữ chuyên dùng vận hành nhà máy điện lỗi thường gặp cách xử lý trình vận hành nhà máy nhiệt điện Chương 6: Trình bày quy trình vận hành nhà máy thủy điện bao gồm vấn đề thủy văn vận hành, quy trình vận hành khối tổ máy phát, chế độ vận hành không bình thường tổ máy Chương vấn đề chung xử lý có khối tổ máy phát đề cập đến Chương 7: Đề cập đến nội dung riêng biệt với chương khác vấn đề điều khiển hệ thống điện (điều khiển tô nguồn phát) Nội dung chương giới thiệu mô hình tốn hệ thống điều khiến máy phát, nguyên tắc điều khiển máy phát điện Trình bày tiết điều khiển máy phát bao gồm điều chỉnh điện áp (AVR) điều chỉnh công suất (LFC) Chương đưa mơ hình xây dựng Matlab nhằm mơ điêu khiển trường hợp khác Ngồi ra, giáo trình cịn có phần phụ lục bao gồm số chương trình tính tốn mơ viết Matlab đề phục vụ cho việc tính các ví dụ tập giáo trình Dây tảng để bạn Sinh viên Bạn đọc xây dựng chương trình lớn phục vụ cho học tập nghiên cứu sau Hy vọng tải liệu cơng cụ bơ ích dé bạn Sinh viên có thé tóm lược nơi dụng môn học Vận hành điêu khién Hệ thống điện, sở đê nghiên cứu vấn đề chuyên sau hệ thông điện Cho dù cố gắng nhiều tài liệu không tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp ý kiên từ phía quý Thay, Cé, cac ban Sinh viên bạn đọc để tài liệu hoàn thiện Mọi tiết xin liên hệ Bộ môn Hệ thống điện - Khoa Công nghệ Điện - Đại Học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, số 12 ~ Nguyễn Văn Bảo - F4 ~ Gò Vấp Thành Phố Hồ Chí Minh ~ Điện thoại 08.8940390 liên hệ trực tiếp với tác giả cảm ơn! “Xin chân thành Nguyễn Trung Nhân MUC LUC MO DAU Trang MUC LUC Chương 1: CÁC VÁN ĐÈ CHUNG 001 I.1 Mục tiêu mơn học 001 1.2 Tính cần thiết mơn học 002 1.3 Đặc tính máy phát vận hành hệ thống 1.3.1 Dac tinh turbine hoi 003 003 1.3.2 Đặc tính biến đổi va lich sử phát triển củaturbinehơi 006 1.3.3 Đặc tính turbine thủy điện 010 1.4 Phương pháp xây dựng đặc tính chi phí tổ máy phát 1.5 Phương pháp giải toán tối ưu hàm phi tuyến 1.5.1 Nhắc lại cực trị hàm nhiều biến 1.5.2 Bài tốn tối ưu khơng ràng buộc 1.5.3 Bài toán tối ưu với ràng buộc dạng đẳng thức 1.5.4 Bài tốn tơi wu với ràng buộc đạng bất đẳng thức 1.6 Câu hỏi tập 011 013 013 014 016 019 021 Chương 2: ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ GIỮA CÁC MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Vấn đề điều độ kinh tế Diều độ kinh tế bỏ qua tổn thất giới hạn cơng suất tổ máy Điều độ kinh tế tính đến giới hạn công suất tổ máy Điều độ kinh tế kể đến tổn thất giới hạn công suấttổmáy Chương trình điều độ tối ưu Phương pháp xác định hàm tổn that Pr, 2.7 Bai tap 023 023 024 029 031 038 041 046 Chuong 3: DIEU BONG VA DY TRU’ TO MAY TRONG VAN HANH 050 HE THONG DIEN 3.1 Vấn đề chung 050 3.2 Dự trữ quay 052 3.3 Ràng buộc điều động dự trữ tổ máy 055 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.4 Phương 3.4.1 3.4.2 3.5 Bai tap 055 057 057 058 058 058 059 061 Ràng buộc nhiệt độ tổ máy Ràng buộc tình hình thủy Tổ máy vận hành bắt buộc Ràng buộc nhiên liệu pháp giải toán điều động tổ máy Vẫn đề chung Phương pháp danh sách ưu tiên Chương 4: ĐIỀU ĐỘ KÉT HỢP GIỮA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN V THỦY ĐIỆN 064 4.1 Các vấn đề chung nhà máy thủy điện 4.1.1 Giới thiệu 4.1.2 Lịch vận hành nhà máy thủy điện 064 064 065 4.2 Đặc tính lượng turbine thủy điện 066 4.3 Bài toán điều 4.3.1 Phân 4.3.2 Điều 4.4 Bài toán điều 067 067 068 072 độ kết hợp loại độ điện độ kết hợp ngắn hạn Chương 5: QUY TRÌNH VẬN HÀNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 075 5.1 Quy trình vận hành turbine 075 5.1.1 Các thiết bị turbine khí 075 5.1.2 Kiểm tra trước khới động turbine khí 077 5.1.3 Vận hành turbine khí 082 5.1.4 Kiểm tra thao tác chạy turbine khí 083 5.1.5 Kiểm tra trước dừng turbine 085 5.1.6 Kiểm tra turbine ngừng dự phịng 086 5.1.7 Xử lý bất thường turbine khí 086 5.2 Quy trình vận hành máy phát 5.2.1 Đặc tính máy phát điện 100 100 5.2.2, Man hinh diéu khién may phat 5.2.3 Kiém tra trước chạy máy phát 5.2.4 Vận hành máy phát Š.2.5 Xử lý bất thường máy phát điện Chương 6: QUY TRÌNH VẬN HÀNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 6.1 Thơng tin nguồn nước 6.2 Quy trình vận hành kh: 6.2.1 may Các thiết bị Phương thức vận hành chế độ làm việc 6.2.3 Khởi động tổ máy 6.2.4 Dừng tổ máy 6.3 Chế độ vận hành khơng bình thường tổ máy phát 6.4 Xử lý có khối tổ máy Chuong 7: DIEU KHIEN HE THONG DIEN 7.1.Gi 7.2 Điều khiển tần số tải 2.1 Mơ hình máy phát điện điều khiển -2.2 Mơ hình động sơ cấp 2.3 Mơ hình tải 2.4 Mơ hình điều tốc 7.3 Tự độ điều 7.3.1 Tự 7.3.2 Tự 7.3.3 Tự 7.4 Điều khiển khiển công suất phát độ điều khiển công suất hệ thống cô độ điều khiển công suất hệ thống đa liên kết độ điều khiển công suất phát tối ưu công suất phản kháng điện áp 7.4.1 Mơ hình tốn khối AVR 7.4.2 Bộ AVR cải tiến 7.4.3 Bộ AVR tích hgp AGC 7.5 Bài tập Phục lục: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 101 104 105 107 HS 115 116 117 118 12 124 125 127 130 130 132 132 135 136 137 147 148 150 158 159 160 165 169 171 175 P1.1 Chương trình Matlab cho churong Ð1.2 Chương trình Matlab cho chương 175 176 'P1.3 Chương trình Matlab cho chương P.4 Chương trình Matlab cho chương ,PL.5 Một số chương trình ứng dụng 178 181 183 TÀI LIỆU THAM KHẢO 193 Chương 1: Các vấn đề chung CAC VAN DE CHUNG 1.1, Mục tiêu môn học Môn học phục vụ cho học viên ngảnh công nghệ kỹ thuật điện - chuyên ngành hệ thống với mục tiêu sau: Giới thiệu cho học viên hệ thống điện với vấn đẻ liên quan như: hệ thống nguồn phát, vận hành hệ thống nguồn phát chế độ khác nhau, điều khiển máy phát điện, vận hành hệ thống truyền tải, Hiểu đặc tính giới hạn quan trọng hệ thống nguồn phát loại nhiệt điện thủy điện Giới thiệu giải thuật toán tối ưu áp dụng toán vận hành hệ thống điện Giới thiệu phương pháp giải toán phức tạp liên quan đến giải tích mạng phân tích kinh tế Đưa mơ hình điều khiển hệ thống giới thiệu hệ thống điều khiển điển hình Giới thiệu qui trình vận hành phần tử hệ thống điện Môn học đề cập đến vấn để sau: Đặc tính hệ thống nguồn phát Điều độ kinh tế toán điều độ kinh tế Phương pháp giải toán điều độ kinh tế Tén that tối ưu tổn that hệ thông điện Bài tốn qui hoạch động © Chương |: Các van dé chung Bai toán điều độ tối ưu với ràng buộc hàm lượng ©_ Điều khiển hệ thng đ An ninh h thng in â ỏnh giỏ trạng thái hệ thống điện Lưu ý giảng trình bày vấn đề môn học, HẠ dung liên quan học viên phải tự tìm hiểu thơng qua tập lớn tiểu luận mơn học 1.2 Tính cần thiết mơn học Chúng ta biết phí lượng sơ cấp nên công nghiệp lớn, chiếm 20% tổng ngân khó quốc gia Vì vậy, hiệu tối ưu ràng buộc kinh tế tốn vận hành hệ thống nguồn phát ln chiếm giữ vị trí quan trọng nên cơng nghiệp lượng Lấy nước Mỹ làm ví dụ minh họa Vào thời kỳ trước năm 1973, tình trạng cam van dau làm giá dầu leo isang cách nhanh chóng Nước Mỹ pat chi khoang 20% téng ngan khé quéc gia cho nhiên liệu sơ cấp để sản xuất điện, đến năm 1980 40% Hơn nguồn lượng tự nhiên vô tận Do đó, hiệu tốn vận hành khơng mang lại hiệu kinh tế mà đem lại phát triển bền vững cho nhân loại Vấn đề cụ thể mà cần xem xét độ giảm phí có từ hiệu việc vận hành hiệu hệ thống lượng năm Nếu gọi Pmạy tải đỉnh đỗ thị phụ tải năm; k, hệ số tải; H; lượng nhiệt trung bình năm (do nhiên ` lu so cap tao ra) dé tao kWh dién nang; Cy, la chi phí trung bình đơn vị nhiệt lượng (nhiên liệu); đó: Tổng sản lượng điện tạo năm là: A,= §760*k,*P„„„ (1.01) F,= H,*A, (1.02) Lượng nhiệt (nhiên liệu) tiêu thụ năm: Chỉ phí nhiệt (nhiên liệu) năm: C=C2*F Ví dụ: lấy (1.03) hệ thống điện vừa phải có P„z= 10000MW; k=0.6; H.=10000Btu/k Wh (Btu: British thermal unit- don vị nhiệt lượng Anh tương đương với 1055J=252Calo); Chỉ phi Btu (Mbm) Khi đó: Tơng sản lượng điện tạo năm A,= 8760*0.6*10000*10”= 5256*10”kWh Lượng nhiên liệu tiêu thụ năm: F, = 10000*5256*10” = 5256*10"' Btu Chi phi nhiên liệu năm: C=2*105*5256*10!! = 10512*10” USD = 1.0512 tỷ USD 'Như vậy, việc tiết kiệm phí vận hành cho dù phần nhỏ ảnh hưởng đáng giá thành sản xuất điện lượng nhiên liệu phải tiêu tốn Ngày nay, cơng cụ hỗ trợ cho tốn vận hành kinh tế hệ thống, điện phát triển nhanh chóng Tuy nhiên, mở rộng hệ thống nhanh chóng khơng kém, việc tìm lời giải tối ưu hệ thống lớn với nhiều biến buộc vấn đẻ khó khăn cịn nhà nghiên cứu quan tâm Bài toán quan trọng vận hành hệ thống điện cực tiểu phí vận hành với buộc cho trước Việc giải tốn có nhiều cơng cụ tốn học với máy tính hỗ trợ; nhiên khơng phải lúc có nghiệm vật lý theo yêu cầu Hơn nữa, ngày buộc khí thải môi trường yếu tố quan tâm; cộng vào khái niệm an ninh hệ thống (security) lượng va phát triển nhiều loại nhà máy điện khác làm cho toán vận hành tối ưu hệ thống ngày công phức tạp Đây mãnh đất màu mỡ để kỹ sư tương lai lao vào nghiên cứu 1.3 Đặc tính máy phát vận hành hệ thống 1.3.1 Đặc tính cũa turbine 'Trong phân tích toán tổng hợp điều khiển vận hành hệ thống điện ln có nhiều thơng số phức tạp Với turbine bơi nước thông số đầu vào thông số nước, đầu lượng điện phát vào lưới phần cho tự ding (Auxiliary power system) nhà máy (Với turbine thông thường lượng điện chiếm từ đến 6% tổng sản lượng đầu turbine) Chuong 1; Cac van dé chung Turbine hoi nuéc Máy phát Hơi nước P đưa vào mạng Năng lượng tự dùng — AP Hình 1.1 Quá trình lượng turbine Quá trình xem xét đặc tính turbine bàn tỷ lệ tổng lượng đầu vào với tổng lượng đầu ra.Năng lượng đầu vào turbine đặc trưng lượng tiền bỏ (tính USD), số than giờ, thể tích khí dùng hay đại lượng tương tự Ngõ đặc trưng lượng cơng suất khả dụng có thê đưa vào hệ thống (bao gồm hệ thống tự dùng) Mối liên hệ ngõ vảo (đặc g Ì © © go £35 — tính vào — ra) minh họa đường cong hình 1.2 25 Ps ð | § sẵn Z Pmin P; (a) Pmax PIMW feild Pmm P, (b Hình 1.2: Mối liên hệ ngõ vào turbine Pme PIM MW] Trong thực tế thường người ta quan tâm đến suất tăng phí e (e đạo hàm phí nhiên liệu theo cơng suất phát e=dF/dP) Mối liên hệ suất tăng phí e công suất ngõ turbine minh họa gần để thị hình 1.3 Đồ thị suất tăng phí sử dụng phổ biến toán điều độ kinh tế hệ thống điện Nó lượng phí Chương l: Các vấn đề chung (nhiên liệu) tăng thêm để sản xuất thêm lượng điện tương ứng Thực tế mối liên hệ suất tăng phí cơng suất ngõ đường cong lõm từ giá trị P„¿ đến P„av với hệ số góc điểm P, tương ứng khơng lớn Do tính toán xem mối liên hệ tuyến tính (Btu, USD/k Wh) Suất tăng phí c TT hình I.3 Pri Prax P{MW] Hih 1.3: Méi liên hệ suất tăng phí cơng suất ngõ Dac tinh quan cuối turbine đặc tính suất tiêu hao nhiệt Đây đặc tính thể mối quan hệ nhiệt đầu vào so với công suất phát ngõ ra, đơi hiểu đặc tính hiệu suất làm Suất tiêu hao nhiệt việc máy minh họa hình 1.4 (Btu/kWh) Thyct® Prain Ga, ging Pax P[MW] Hình 1.4: Mối liên hệ suất tiêu hao nhiệt công suất ngõ Chúng ta cần phân biệt khác biệt suất tiêu hao nhiệt (suất nhiét-heat rate) va suat chi phi nhién liéu (incremental heat rate) cho di dai lượng biểu diễn hai trục tọa độ Suất phí nhiên liệu lượng nhiên liệu (nhiệt) thay đổi (tăng thêm) chia cho lượng thay đổi (tăng) công suất ngõ Suất nhiệt lượng nhiệt để tạo kWh điện Chuong 1: Cac van dé chung Hiệu suất làm việc turbine thông thường nằm khoảng 30 đến 35%, suất tiêu hao nhiệt chúng nằm khoảng 11400Btu/kWh đến 9800Btu/kWh (IkWh tạo nhiệt tương đương với 3412Btu) Đặc tính tiêu hao nhiệt turbine phụ thuộc vào thông số thiết kế điều kiện nước ban đầu, hệ thống hỏi nhiệt, áp suất nén, mức độ phức tạp chu trình ngưng tụ nước, Ngày nhờ phát triển công nghệ nên hiệu suất turbine nâng lên đáng kẻ Tóm lại, có nhiều dạng khác để xây dựng đặc tính vào turbine hình 1.2; liệu có từ thực nghiệm vận hành turbine từ thông số thiết kế ban đầu kỹ sư, từ có thẻ vẽ lên đường cong đại số Trong nhiều trường hợp sử dụng đường cong bậc hai đẻ làm đặc tính vào turbine Đơi đặc tính vào đoạn thăng gấp khúc nối tiếp dùng đến Tất nhiên dùng loại đặc tính vào khác có đặc tính suất tăng phí khác Khi đó, ứng với đặc tính suất tăng phí khác xây dựng tốn vận hành kinh tế hệ thống điện khác s z=! Ễ wy ba ~ ="5 (Btu, USD/kWh) Suất tăng phí e ˆ Ngõ vào (Btu/h) 1.3.2 Đặc tính biến đỗi lịch sử phát triển turbine P[MW] Hình 1.5: Mối liên hệ nhiên liệu vào cơng suất ngõ có van điều khiển Chương 1: Các vấn dé chung Với máy phát công suất lớn turbine chúng điều khiển nhiều đường khác (thông qua van điều khiển khác nhau) Khi đặc tính vào khơng thể hình 1.2 1.3; tùy thuộc vào số van điều khiển cấp cho turbine mà đặc tính khác mà đặc tính vào hình 1.5 (vé trường hợp có van điều khiển) Một vấn đề gặp phải sử dụng mô hình turbine nảy van mở trước ton hao tiết lưu van tăng lên nhanh chóng suất tăng phí tăng lên đột ngột Điều dẫn đến tính khơng liên tục đặc tính tăng lên (xem hình dùng thực tiễn 1.5) Do mơ hình khơng Một mơ hình sử dụng phỏ biến nhà máy nhiệt điện công suất lớn lò điều khiển nối chung cấp đồng thời cho lúc nhiều turbine Mô hình kiểu gọi tắt mơ hình dùng chung (command-header plant) minh họa sơ đỏ hình 1.6 Máy phát S%f—@ iM aH Turbine hơinước Năng lượng đưa vào mạng —w Bị T; Hinh 1.6 Mé hinh nha may dién turbine hoi dùng chung Trong mơ hình ln có turbine (turbine T;) lắp đầu “ngọn” chu trình (topping turbine) để tận dụng ngn thừa q trình vận hành “Tính hiệu mơ hình dùng chung khẩn định (vấn đề Steinberg Smith đề cập tiết Eeonomy Loading of Power Plant and Electric Systems xuất năm 1943) Tính hiệu cịn thể chỗ vừa tạo nguồn điện lớn cho hệ thống từ nhà máy: nhỏ vừa cung cấp nhiệt cho hệ thống sưởi ắm lảm lạnh khu dân cư đơng đúc, Sau chiến thứ hai mơ hình sử dụng rộng rãi nhà máy nhiệt điện Turbine Máy phát #|_—e)— HRSG HRSG + ø|—()- tu, Năng lượng HRSG |“ HRSG Turbine khi/hoi Hết — @)— Hình 1.7 Mơ hình nhà máy nhiệt chu trình kết hợp Đến trước năm thập kỉ 60 chúng gỡ bỏ thay thé nhà máy đại có hiệu suất cao Tuy nhiên, tốc độ thị hóa nhanh dẫn đến nhu cầu tải nhiệt tăng lên nhanh chóng mơ hình loại nhà máy dùng chung khơng bị gỡ bỏ mà phát triển nhanh Đến cuối năm 1960 mơ hình nhà máy nhiệt điện turbine chu trình két hgp (combined cycle plant) di M@t turbine khí thơng thường có hiệu suất làm việc nằm khoảng 25 đến 30% (nghĩa có suất nhiệt từ 13600 đến 11400Btu/kWh, cao hon turbine hơi) địi hỏi phải có nhiên liệu "hương1: Cúc vấn dé chung đầu vào dầu khí đốt ban đầu chúng dùng cho việc phủ đỉnh hệ thống điện Nhiệt tỏa turbine khí cao (thơng thường, khoảng 600°C) Vì việc kết hợp cde turbine khí có nhiệt độ tỏa lớn với turbine để tận dụng lượng nhiệt (mơ hình HRSG ~ heat Tecovery steam generators) sé lam cho hiệu suất tồn chu trình tăng lên đáng kể, Nhà máy nhiệt điện sử dụng mô hình minh họa hình 1.7 Đặc tính nhiệt loại nhà máy điện chu trình hỗn kết hợp họa hình 1.8 Với loại nhà máy ny suất nhiệt giảm xuống cịn 8500 BtwkWh hode thấp Với loại nhà máy điện việc xác định đặc tính suất tăng phí từ liệu sẵn có khó khăn Đường đặc tính suất tăng phí thường có dạng đơn điệu giảm (hoặc điểm cực tiểu) theo Suất nhiệt (Btu/kWh) cơng suất ngõ Hình 1.8: ' * seine niacin —* PIMW] Đặc tính nhiệt nhà máy nhiệt điện chủ trình kết hợp Nội cách khác đường đặc tính suất tăng phi loại nhà máy có hệ số góc âm khơng liên tục Điều khó khăn việc giải tốn van hành kinh tế máy phác Từ đặc tính hình 1.8 ta thấy phương án vận hành kinh tế nhà máy loại vận hành chế độ đầy tải suốt thời gian vận hành Một câu hỏi mở đặc có hay khơng loại nhà máy kiêu thiết kẻ để vận hành đầy tải khoảng thời gian 6000 đến 7000 năm 'Tắt nhiên chế độ phát công suất nhà máy phải phụ thuộc vào nhu cầu tải mối liên hệ nhà máy hệ thống điện với Chương 1: Các vấn đê chung Ngày việc thiết kế nhà máy nhiệt điện chu trình kết hợp cải tiến đáng kẻ, ví dụ mơ hình hai turbine gắng trục dé truyền động cho máy phát nhằm mục đích tận dụng lượng nhiệt thừa, hay việc tận dụng nguồn nhiệt thừa để phục vụ cho mục đích khác sưởi ấm, làm lạnh số q trình hóa lý khác vấn đề cần quan tâm 1.3.3 Đặc tính turbine thủy điện Turbine thủy điện (Hydroelectric) có đặc tính vào-ra tương tự turbine Ngõ vào turbine thủy điện lưu lượng nước Q(mỶ/h); ứng với lưu lượng nước vào turbine đơn vị thời gian có lượng cơng suất ngõ tương ứng Hình 1.9 mơ tả đặc tính vào-ra turbine thủy điện với giả thiết áp lực nước đưa vào turbine (tương ứng với chiều cao hiệu dụng cột nước) khơng đổi z-Í E "B $ ey š = e a - : ï` Pox [MW] Hình 1.9: Đặc tính vào-ra turbine thủy điện ————” Pou [MW] Hình I.10: Đặc tính suất tăng phi turbine thủy điện Nhìn chung đặc tính vào-ra turbine thủy điện đường thẳng phân lớn điểm vận hành máy phát mối liên hệ lưu lượng ngõ vào công suất ngõ đồng biến Tuy nhiên, vận hành máy phát vượt giá trị định mức độ đốc đường đặc tính vảo tăng nhanh (hiệu suất làm việc turbine lúc giảm xuống đáng kẻ) Đường cong suất tăng phí turbine thủy điện minh họa hình 1.10 Chú ý đơn vị lưu lượng hai đường cong 1.9 1.10 cho dạng mỲ⁄s, ftÌ⁄h ⁄s Chương 1; Cde vấn đề chưng Với turbine thủy điện đường cong đặc tính vào-ra khác độ cao hiệu dụng cột nước việc khác Thông thường dạng chúng tịnh tuyến theo chiều tăng dần lưu lượng ngõ vào độ cao hiệu dụng giảm dần minh họa hính 1.11 Í E )› Ễ ah Š Pou [MW] Hình 1.11: Đặc tính vào-ra turbine thủy điện theo độ cao cột nước Tuy nhiên, việc xem xét độ cao cột nước không đỗi vận hành có ý nghĩa lượng nước chạy tỗ máy nhà máy thủy điện nhỏ so với thếtích hiệu dụng hồ chứa thượng nguồn lượng nước chạy máy xấp xỉ với lượng nước bổ sung vào hồ chứa Khi điều kiện khơng thða mản việc vận hành máy phát thủy điện phải dựa vào nhiều đường định tính khác hình 1.11 Di nhién tốn vận hành lúc khó khăn khơng phải vận hành với nhiều đường đặc tính khác mà cịn cơng suất phát cực đại máy phát thay đổi Từ hình 1.11 ta thấy lưu lượng nước cần để trì cơng suất ngõ tăng lên độ cao hiệu dụng giảm tình trạng ngày tầm trọng (ảnh hưởng đến an ninh hệ thống điện) không khắc phục Một hướng giải trường hợp mô hình nhà máy thủy điện tích (pumped storage hydro plant) 1.4 Phương pháp xây dựng đặc tính phí tổ máy phát ll Chương!:_ Các vấn dé chung Như trình bày trên, suất phí turbine nhiệt điện minh họa gần phương trình bậc theo cơng suất phát ngõ sau: C=a+bP+eP? (1.04) Với máy phát thủy điện mối liên hệ hàm bậc theo công suất phát Việc điều minh theo xây dựng đặc tính cho tơ máy cần thiết; giúp cho tốn độ tối ưu Thơng thường nhà sản xuất cung cấp dạng tường cia đặc tuyến theo điều kiện vận hành khác Tuy nhiên, thời gian vận hành, đặc tuyến bị sai lệch đôi chút với đặc tuyến ban đầu nhà sản xuất cung cấp Do phải xây dựng lại đặc tuyến để đảm bảo tính xác tính tốn Phương pháp xác định thơng số phương trình suất phí sử dụng phô biến thống kê thực nghiệm Với phương pháp nảy, tiến hành đo lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình khoảng thời gian C; (thường khoảng | gid) ứng với giá trị cơng suất phát trung bình P; ngõ sau tiến hành giải hệ phương trình với tham số xác định theo phương pháp bình phương cực tiểu (least square) hệ phương trình xây dựng sau: an+b3P +c3P’ = IC, a&P +b3P? +c3P’ = ICP aSP’ +bSP’ +cEP* = CP’ (1.05) Trong đó: n số lần tiến hành đo; C; phí nhiên liệu trung bình khoảng thời gian thứ ¡ ứng cơng suất trung bình ngõ P, Giải hệ phương trình (1.05) tìm tham số phương trình (1.04) Vị dụ 1.1: Một tơ máy nhiệt điện có thơng đo trung bình ứng với cơng suất phát sau: Pout MW) C(USD/MWh) ì , 1071.5 : = th 100 “12175 | 1292 Bảng 1.1: Số liệu cho ví dụ 1.1 Hãy xác định tham số phương trình phí dạng hàm bậc 12 Chuong 1: Cac van dé chung Giai: Từ kết bảng số liệu ta tính tham số hệ phương trình (1.05) bảng 1.2 ECP, 400 5725 N1 33 ng _| 2R0*1( PSST atl pl -24354*10! 46530L =C;P; 38953700 Bảng 1.2: Kết tính tốn cho ví dụ 1.1 Thay giá trị vào phương trình (1.05) ta được: Ja + 400b + 33000c = 5725 400a + 330006 + 2800000¢ = 465300 33000a + 2800000b + 243540000c = 38953700 Giải hệ phương trình ta được: a=592; b=6.5 c=0.005 1.5 Phương pháp giải toán tối ưu hàm phi tuyến 1.5.1 Nhắc lại cực trị hàm nhiều biến Cho hàm z=f(x,y) xác định liên tục miền D chứa điểm M(xu„y,) ta nói hàm f{x,y) đạt cực đại điểm M(x,,y,) lân cận điểm M ta có: f(x,y)f{xu,yo) Các cực đại cực tiểu gọi chung cực trị Để ý lấy y=y, điều kiện cực trị viết lại: f{x,y,)fÑx¿,yo) ) Điều đồng nghĩa với hàm biến f{x,y„) đạt cực trị x=xu Theo định lý Phecma tồn đạo hàm riêng f„(x„„y,) đạo hàm phải khơng Cực trị trường hợp vừa nói thiết lập x, y biến thiên độc lập tồn miền xác định D gọi cực trị không điều kiện Trong trường hợp ta xét x, y không biến thiên tùy ý mà bị ràng buộc điều kiện (giả sử bị ràng buộc phương trình e(x,y)=0), tức điểm M(x,y) không chạy tùy ý miền D mà nằm nằm đường cong C Khi cực trị đạt gọi cực trị có điều kiện hay cực trị ràng buộc 13 Chương 1: Các vấn dé chung Dé tìm cực trị hàm đa biến khả vi thường dùng định lý Phecma; xác định đạo hàm thành phần tương ứng, giải hệ phương trình đạo hàm thành phần dé tìm giá trị tới hạn Phương pháp thứ hai sử dụng phổ biến toán kỹ thuật phương pháp nhân tử Lagrange (Largrange multiplier) Bay cing la phuong pháp chủ yêu sử dụng trọng tài liệu để giải bãi toán tối ưu Chú ý phương pháp nhân từ Lagrange ding dé tim cực trị trong trường hợp hàm số khơng có đạo hàm riêng cấp liên tục lân cận điểm cực trị điểm cực trị trùng với điểm kỳ dị hàm rạng buộc (người đọc tham khảo thêm tải liệu toán cao cấp) 1.5.2 Bài tốn tối ưu khơng ràng buộc Tối wu ham phi tuyén công cụ quan trọng tốn kỹ thuật (đặc biệt có trợ giúp máy tính ~ CAD-Computer-aided design) Xét cấp độ rộng tốn qui hoạch phi tuyến (nonline programming) Lý thuyết phương pháp giải đề cập nhiều sách (người đọc tự tham khảo thêm) Mục đích cụ thể việc áp dụng phương pháp tìm cực tiểu số đối tượng phi tuyến toán vận hành tối tu hệ thống, Cơng cụ tốn học để i tốn tối ưu không ràng buộc giải trực tiếp thông qua định lý Phecma dé tìm cực tiểu ham chi phi cy thé nao Xét hàm f gồm n biển có dạng ftxi, xạ, , xạ) cực tiểu hàm đạt khi: tines lí i=1,2, (1.06) Hay viét rút gọn dạng ký hiệu ta (107) đây: (108) hai cho bởi: (1.09) 14 "hương 1: Các vấn đề chung Phuong trình viết dạng ma trận gọi ma trận Hessian (Hessian matrix) Gid tri cye tiểu tìm điểm (Xe, Xzo, , Xạs)` phải thỏa hai điều kiện đạo hàm cấp điểm khơng ma trận Hessian phải có trị riêng (eigenvalue) đương điểm đánh gid (Xi Xem Xao) Nói cách khác hàm số đạt cực tiêu điểm M đạo ảm cấp điểm M không đạo hàm cấp hai điểm dương Trong trường hợp hàm f có hai biến xị, x; kiểm tra điều kiện cực tiểu điểm M sau: AE #M(xo, Xe); B2 CC Mi, Xa); Coan FE MCs Xa) Va D=AC-B* Khi dé néu D>0 hàm số có cực trị đạt cực tiểu A>0 (hay C>0) Tóm lại, việc tìm cực tiểu khơng điều kiện buộc hảm số tìm tập tất điểm để đạo hàm hàm số khơng; giải hệ phương trình để thơng số cần tìm kiểm tra điều kiện cực tiểu theo đạo hàm cấp hai Tuy nhiên tốn có cực tiểu cực tiể toản cục, trường hợp ngược lại phải xác định tất giá trị cực tiểu để tìm cực tiểu tồn cục bải tốn Ví dụ 1.2: Tìm cực tiểu hàm số: AUX Xap X3) = XI +2x;”+3x)”#xiXetxgxo-SXi=10xa-20xy+100 Đạo hàm bậc thành phần cho khơng ta có: # 2rr5=0 ẤcT & =xrHegtserl0 =0 = =xst6xy-20 =0 Hay viét dạng ma trận ta có: Chuong 1: Cac vấn dé chung 210)\x, 016||x¿| |20 141 |Ìx, |= |ao | hay H*X =A 210 với H ma trận Hessian va H=|/ ; |; + X=| x, 016 x, |; A=l !0 20 Giai phuong trinh trén ta duge: x,] [18750 x, |=| 1.2500 x, | | 3.1250 Sử dụng hàm eig(H) matlab ta xác định trị riêng ma trận H tương ứng là: 1.5505; 6.4495 Nhận thấy trị riêng ma trận H dương Nhu hàm f đạt giá trị cực tiểu (xạ, xa, x;) với giá trị cực tiểu f(1.8750, 1.2500, 3.1250) = 57.8125 1.5.3 Bài toán tối ưu với ràng buộc dạng đăng thức Dạng toán thường xuất hàm số phụ thuộc vào thông số cho trước Xét hàm số cần xác định cực tiểu có đạng: f(X1, Xa; , Xa) phương trình buộc có dạng: (1.10) @i(X1, X¿, , Xa) = mm} ,.„k (1.11) Trong trường hợp dùng phương pháp nhân từ Lagrange để chuyển từ tối ưu có ràng buộc khơng ràng buộc viết dạng sau: * L=f> Ag, (1.12) i=? Kết để có cực tiểu có điều kiện phải giải hai hệ phương trình: : ðL =x So, OL + == Ø¡i=0 3: A, ` og, = (1.13) (1.14) 16 Chương 1: Các vấn đề chung Chú ý phương trình (1.14) chi điều kiện ràng buộc ban đầu Từ hệ phương trình xác định giá trị cực trị Giá trị cực tiểu giá trị thỏa điều kiện: d°L >0 Với x=(Xị, di X2»y s Xn) (1.15) Trong trường hợp hàm f có hai biến xụ, x; kiểm tra điều kiện cực tiêu điểm M sau: đặt: gui A=-lg, 1„„ +, Lệ L tr xix? K L £”,„„„|tại điểm M(Xịo, Xạp) rự xln2 Khi nêu A>0 hàm số đạt cực tiểu có điều kiện điểm M Ví dụ 1.3: 6)ˆ=25 Tìm cực tiêu hàm số f{xạ, xạ) = xÊ+x;Ÿ với điều kiện (x;-8)'+(x;- Giải: Bài toán đưa dạng cực tiểu không điều kiện với hàm Lagrange nhu sau: X1"+x2"+A[(K1-8)'+(x2-6)"-25] thành phần đạo hàm cấp là: 0; 4;=" với ràng buộc g(Xx;, Xạ) = Xị†2x;z†4 = Bai tap 1.6: Tim cực | tiểu hàm s6 f(x), x2) = x ?+x;? với ràng buộc g(x, X2) = XỊ ? _6x)-x2" +17=0 Bai tap 1.7: Tim Cực tiêu hàm s6 f(x;, X:)= Xụ 245.7 véi ràng buộc g(x, X2) =X; _5xi-x¿? +20= va h(x), x2)= 2x;+x2> Chương 2: Điều độ kinh tế máy phát DIEU ĐỘ KINH TẾ GIỮA CÁC MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN 2.1 Vấn đề điều độ kinh tế Ching ta biết hệ thống điện máy phát liên kết với cung cấp công suất cho nhu cầu tải Hình vẽ mơ hình việc liên kết at T¡ G, G | Ty YZGPa) py Hình 2.1: Mơ hình kết nối máy phát nhiệt điện Mỗi máy phát có hàm phí nhiên liệu C¡ phát lượng công suất P, Khi nói chương 1, mối liên hệ C; P; có dạng hàm bật hai sau: C= a, +b PtP? 2.01) Suất tăng phí e¡ tổ máy phát xác định tương ứng: _ =bit2eP, Khi hàm tổng n tổ máy liên kết với có dạng: CitCzt +C, (2.03) Cơng suất nhà máy tạo công suất nhu cầu lưới Šh=Pp (204) Nhu viy, toán điều độ kinh tế tổ máy phát xác định aif te cục tiểu hàm phí theo lượng công suất nhu cầu ti Rảng buộc tốn tổng cơng suất phát tổ máy công suất nhu cầu tải: 200) = Pp SR =0 (2.08) Phương pháp giải bải toán dùng phương pháp nhân tir Lagrange trình bảy chương Hàm Lagrange lúc có dạng: L=Cr+A(Ps-Šz) (2.06) Điều kiện cần thiết để có điểm cực tiểu tốn phương trình đạo hàm cấp hàm Lagrange phải có nghiệm Trong trường hợp tốn có n+1 biến có n tổ máy phát tham gia vào toán 2.2 Điều độ kinh tế bỏ qua tốn thất giới hạn công suất tổ máy Đây trường hợp toán đơn giản bỏ qua tổn thất đường, dây truyền tải Nghĩa trường hợp không quan tâm đến cấu trúc mạng tổng trở đường, Lúc hàm Lagrange có dạng cơng thức (2.06); đạo hàm cấp khơng có dạng: aL a) a „ (2.07) (208) “Thay biểu thức hàm L vào ta có: a, 1) = sp *A(0-1)0 “Chương 2: ¡nh tế máy phát mặt khác: Cr= Cạ+C;+ +C„ nên ta có: aC, dC, a de Như điều kiện điều độ tối ưu toán là: Hay a, = A= voiiFl,2, (2.09) bạt26iPị = (2.10) $ (2.11) Điều kiện thứ hai từ phương trình (2.08) có nghĩa Phương trình (2.11) đẳng thức rảng buộc phải thực Một cách tổng quát tốn thất bỏ qua không giới hạn cơng suất phát tổ máy việc vận hành kính tế tổ máy cho chúng vận hành điểm cân suất tăng phí phải thỏa buộc phương trình (2.11) Khi lượng cơng suất phát tổ máy xác định theo biểu thức: (2.12) Phuong trình (2.12) biết phương trình phối hợp (coordination equations) Từ xác định suất tăng phí e theo tổng cơng, suất nhụ cầu sau: (2.13) Hay (2.14) ‘Thay e từ phương trình (2.14) vào (2.12) có giá trị tối ưu vận hành kinh tế máy phát điện Nhận thấy suất tăng phí tốn điều độ tối ưu nhân tử Lagrange Do vậy, dùng hai ký hiệu thay thé cho Trong trường hợp phương trình (2.13) khơng, có nghiệm giải tích sử dụng phương pháp giải lặp sau: Từ phương trình (2.13) viết lại sau: £04) = Po (2.15) 25 “hương 2: Điều độ ki rễ máy nh phát khai triển trái phương trình (2.15) theo chuỗi Taylor's va bd qua thành phần bậc cao ta kết bước lặp thứ k sau: fay (LA) ve) AA9=pPp hay (2.17) suy (2.18) “Công thức cập nhật À bước lặp thứ (k+1): chúý rằng: (2.16) 29 = 40 (2.19) AP9=Pp- Ép, (2.20) Quá trình giải lặp kết thúc AP' nhỏ giá trị sai số cho phép Vídụ2.1: Một nhà máy nhiệt điện gồm ba turbine với đường cong phí nhiên liệu (USD/h) tương ứng sau: C¡ =55016.5P,+0.003P,2 C¿ =350+6.2P;+0.004P;ˆ C¡ =250+5.8Py+0.008P;ˆ voi Pi, Po, Ps tính đơn vị MW; tổng công suất nhu cầu Po=800MW Bỏ qua tổn thất thất; không giới hạn công suất phát tổ máy Hãy tìm chế độ vận hành tối ưu tổng phí sản xuất phương pháp sau: 2) Phân tích cách dùng công thức (2.14) b) Dùng phương pháp đỗ thị ©) Giải phương pháp lặp 3) Từ công thức (2.14) ta xác định À sau: Chương 2: Diéu độ kinh tế máy phát sog+— 65 „62 _._ $8 1= 220.003 “HIẾM 2° 0.008 2*0.003 ` 2*0.004 ` 2*0.008 _ 3020.8333 354.1667 = 8.53USD/MWh œ wo co Y Suất tăng chi phi (MWh) 10 75 Femmes Hình 2.2: Hình vẽ họa cho ví dụ 2.1 Thay 2À vào phương trình phối hợp dạng (2.12) ta được: a 853-65 338 33 MW 2* 0.003 = 353-62 _ 49) 25 MW 2* 0.004 , = $339.8 2* 0,008 _ 179.625 MW b) Từ phương trình (2.09) ta có điều kiện cần đẻ có giá trị điều độ tối ưu là: aC) = 6.5+0.006P, =A dP, a; + ~ 6.2+0.008P; =a ^ dC — >? =5 8+ Ỷ 5.8+0.016P3 = =A Và điều kiện ràng buộc P¡+Pz+P; = Pp Từ vẽ đường thẳng P;, P2, P3 theo À hình 2,2 27 Chương2: Diéu độ kinh tế máy phát "Từ hình vẽ 2.2 ta nhận thấy với giá trị 2, tổng công suất phát tổ máy nhỏ Pọ phải tăng À; ngược lại phải giảm A Giá trị A t6i ưu đạt thỏa điều kiện tổng công suất phát công suất yêu cầu Pp Trong trường hợp ví dụ 2.1 cách xác định điểm giao (P›), (P›) (P;) với đường thing =8.53 xác định giá trị P, tối ưu tương ứng tổ máy phát nhưở câu a ©) Sử dụng phương pháp giải lặp với giả sử giá trị ước lượng ban đầu À=7 "Từ cơng thức (2.12) va (2.13) ta có giá trị P, bước lặp thứ sau: 65 —_ 83.3333 MW sang; Từ Pp=800, ta tính sai số AP theo cơng thức (2.20) ta có: AP = 800-(83.3333+100+75) = 541.6667 Tir céng thức (2.18) ta có: AM M2 2*0003 cập nhật : 341.6667 TT 2*0004 1.5294 2*0008 2) = OFAN = 741,529 = 8.5294 tiếp tục tính vịng lặp thứ hai, ta 8.529465_= 3382353 MW Pe 2)_ pane Lào 8.5294 -6.2 = 291.1765 MW 2° 0.004 pj@= 8:5294-3.8 = 170.5882 MW 2° 0.008 sai số AP? theo cơng thức (2.20) ta có: APO= 800-(338.2353+291.1765+170.5882) = Đến tốn tính lặp dừng giá trị cơng suất tối ưu là: P,=338.2353 MW; P;=291.1765 MW P;=170.5882 MW ứng với 'Tổng phí nhiên liệu tổ máy 28 Chương 2: Điều độ kinh tế máy phát Cị =C¡+C;†+C) = 550+6.5(338.2353)+0.003(338.2353)“+ 350 +6.2(291.1765) +0.004(291.1765)?+250+5.8( 170.5882)+0.008(1 70.5882)” = 7058.4 USD/h Chúng ta sử dụng đoạn chương trình Matlab sau để giải lặp toán: % Giai lap dung phuong phap Newton-Raphson a =(550; 350; 250); b = (6.5; 6.2; 5.8]; c=[.003, 004; 008}; PD=800; DelP = 10; lambda = input('Nhap vao gia trị uoc luong cua Lambda = *); fprintf('\n ') disp([ Lambda P1 P2 P3 DP grad Delambda]) sil = 0; while abs(DelP) >= 0.001 sii = sil + 1; P = (lambda - b)./(2"c); DelP =PD - sum(P), % Theo cong thuc (2.20) J = sum( ones(length(c), 1)./(2*c)); % Tong dao ham cap hai Delambda= DelP/J; % Theo cong thuc {2 18) disp([lambda, P(1), P(2), P(3), DelP, J, Delambda]) lambda = lambda + Delambda; % Cap nhat lamda end CT = sum(a + b."P + c.*P.^2) % Tong chi phi nhien lieu Kết chạy chương trình Nhap vao gia trí uoc luong cua Lambda = Lambda PI P2 P3 7,0000 83.3333 1000000 75.0000 541.6667 DP daoham2 354.1667 Deltalambda 1.5294 8.5294 338.2353 291.1765 170.5882 0.0000 354.1667 0.0000 CT = 7.0584e+003 2.3 Dieu a kinh tế tính đến giới hạn cơng suất tỗ máy bỏ qua tôn thất Công suất ngõ máy phát không vượt giá trị cho phép (chủ yếu giới hạn nhiệt cuộn dây) nằm giới hạn định (do buộc én định máy phát) Do vậy, công suất tô máy phải giới hạn khoản P„„ P„„ Bài toán điều độ tối ưu trường hợp tìm lượng cơng suất phát tổ máy nhà máy để tổng phí theo cơng thức (2.03) bé với rang buộc cho phương trình (2.04) va bat phuong trình ràng buộc cho công thức sau: P S Pi S Pigmaxy i=1, 2, ,n (2.21) 29 Chương2: Điều độ kinh tế máy phát với Pmm; Pạma¿ giới hạn công suất nhỏ lớn tổ máy phát thir i Theo điều kiện định lý Kuhn-Tucker tốn tối ưu dùng nhân tử Lagrange điều kiện để có nghiệm tối ưu bỏ qua tổn thất xác định sau: dc, A h “i