DANH SÁCH KÝ HIỆU ai, bi, ci Hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy i ei,fi Hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy i phản ánh hiệu ứng điểm van công suất aij , bij ,cij Hệ số chi phí của tổ má
GIỚI THIỆU CHUNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
Với mục tiêu tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống điện, tiết kiệm chi phí nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện là yếu tố then chốt Sự gia tăng liên tục của giá nhiên liệu khiến việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu trở thành ưu tiên hàng đầu, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất điện và đảm bảo hiệu quả kinh tế trong quá trình vận hành hệ thống điện.
Bài toán điều độ kinh tế các nhà máy nhiệt điện thực hiện việc phân bổ công suất phát đối với từng tổ máy trong hệ thống để đáp ứng tải một cách kinh tế nhất mà không vi phạm bất kỳ ràng buộc nào của hệ thống cũng nhƣ từng máy giúp giải quyết vấn đề này Để giải bài toán này thông thường giả định tất cả các máy phát ra công suất lớn hơn P min và nhỏ hơn P max và hàm chi phí nhiên liệu trơn, liên tục trong khoảng [P min , P max ] có dạng hàm bậc 2 của công suất ra Tuy nhiên, việc bỏ qua các ràng buộc như vùng cấm vận hành, giới hạn ramprate của tổ máy hay ảnh hưởng của điểm van công suất đến hàm chi phí phát điện… tuy giúp cho giải bài toán điều độ kinh tế dễ dàng nhƣng nhƣ vậy là thiếu thực tế Do đó, bài toán điều điều độ kinh tế trong thực tế là một bài toán tối ƣu phi tuyến nặng, phức tạp, có nhiều ràng buộc và thường không thể được giải bằng phương pháp tối ưu truyền thống mà thường phải dùng các giải thuật tối ƣu tìm kiếm ngẫu nhiên
Trong các giải thuật tối ƣu tìm kiếm ngẫu nhiên dựa vào tập hợp thì giải thuật GSA lấy cảm hứng từ lực trọng trường và tương tác giữa các vật thể có khối lượng
Giải thuật GSA lần đầu tiên đƣợc E.Rashedi công bố vào năm 2009 từ đó đến nay đã có nhiều cải tiến và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ điện, cơ khí , viễn thông…
Luận văn này nghiên cứu ứng dụng của GSA cổ điển và GSA cải tiến để giải bài toán vận hành kinh tế các nhà máy nhiệt điện có hàm chi phí nhiên liệu không lồi, không liên tục.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Bài toán điều độ kinh tế không lồi đƣợc xem xét trong luận văn bao gồm:
+ Hệ thống có 13, 40 máy phát nhiệt điện với hàm chi phí nhiên liệu có xét đến điểm van công suất
+ Hệ thống 15 máy phát với vùng cấm vận hành và giới hạn thay đổi công suất và tổn thất công suất trên lưới
+ Hệ thống có 10 máy phát với đặc tính đa nhiên liệu và điểm van công suất
+ Hệ thống lớn gồm 20, 40, 80, 160 máy phát được xây dựng trên trường hợp cơ bản 10 máy phát với đặc tính đa nhiên liệu và điểm van công suất.
MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƢỢC
Áp dụng thuật toán GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế với hàm chi phí nhiên liệu không liên tục, không lồi.
ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN
Hiện chưa có luận văn, nghiên cứu nào trong nước về thuật toán GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế.
KẾT CẤU LUẬN VĂN
Chương 1 Giới thiệu chung Chương 2 Bài toán điều độ kinh tế Chương 3 Giới thiệu về giải thuật GSA và GSA cải tiến Chương 4 Áp dụng giải thuật GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế
Chương 5 Kết quả Chương 6 Kết luận.
BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ
GIỚI THIỆU
Phân bổ tối ưu mức công suất phát của các tổ máy đang làm việc là một bài toán quan trọng nhất của vận hành hệ thống điện.
Bài toán điều độ kinh tế (ED) nhằm tìm công suất ra của các tổ máy để tối thiểu hóa chi phí phát điện, đồng thời đáp ứng các ràng buộc kỹ thuật của hệ thống điện Mục tiêu của ED là đảm bảo hệ thống điện hoạt động hiệu quả, ổn định và tiết kiệm chi phí nhất có thể.
Thông thường trong các phương pháp truyền thống hàm mục tiêu của bài toán có thể được xấp xỉ bằng hàm bậc 2 đơn giản và được giải bằng các phương pháp quy hoạch toán học, chẳng hạn như phương pháp lặp lambda, phương pháp quy hoạch động, quy hoạch tuyến tính, quy hoạch phi tuyến, kỹ thuật gradient, phương pháp lagrange… Khi xét đến các đặc tính thực tế của tổ máy thì bài toán ED trở thành một bài toán tối ưu phức tạp, có nhiều điểm cực trị địa phương, có nhiều ràng buộc, mà các phương pháp thông thường không giải được
Trong những năm gần đây, có nhiều cách tiếp cận để giải bài toán ED bằng phương pháp heuristic.
THÀNH LẬP BÀI TOÁN
Bài toán điều độ kinh tế nói chung về bản chất là một bài toán tối ƣu có ràng buộc với hàm mục tiêu và các ràng buộc
Mục tiêu của việc điều độ kinh tế trong các bài toán xét là tối thiểu chi phí nhiên liệu phát điện hoặc chi phí vận hành của tất cả các tổ máy thỏa mãn các ràng buộc của hệ thống Giả sử có N tổ máy cần phân bổ công suất thì tổng chi phí nhiên liệu F T dùng đề phát điện bằng:
(2.1) a Hàm chi phí thông thường
Chi phí phát điện là thành phần quan trọng nhất trong chi phí vận hành của nhà máy nhiệt điện, chiếm phần lớn trong tổng chi phí Mặt khác, chi phí bảo trì và nhân công chỉ chiếm một phần nhỏ Chi phí nhiên liệu để phát công suất Pi của tổ máy i, thường được biểu diễn bằng F i, thường được mô tả bằng hàm bậc 2.
Trong đó: a i , b i , c i là những hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy thứ i b Hàm chi phí khi xét đến ảnh hưởng của điểm van công suất
Trong nhà máy nhiệt điện, van đóng mở cho phép điều tiết công suất phát, duy trì cân bằng công suất Tuy nhiên, quá trình đóng mở van lại tạo ra sự biến động ngẫu nhiên trong hàm chi phí (ripple), khiến hàm mục tiêu trở nên phi tuyến cao Để mô hình hóa chính xác tác động của việc mở van đến chi phí nhiên liệu, hàm mục tiêu được bổ sung thành phần sin Hàm chi phí nhiên liệu của máy phát thứ i được định nghĩa như sau: (2.3)
F (P ) a P b P c e sin(f (P P )) (2.3) Trong đó: e i , f i là những hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy i có xét đến hiệu ứng của các điểm van
Hình 2.1 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy có 5 điểm van công suất c Hàm chi phí xét đến ảnh hưởng của nhiều loại nhiên liệu
Hàm chi phí tổ máy i gồm k đoạn bậc 2 thể hiện k loại nhiên liệu
2 min max ik i ik i ik ik 1 i i a P b P c ,fuel1, P P P a P b P c ,fuel2, P P P F (P ) a P b P c ,fuelk, P P P
Trong đó: aik, b ik , c ik là các hệ số chi phí của nhà máy i khi sử dụng nhiên liệu k d Hàm chi phí xét đến ảnh hưởng của nhiều loại nhiên liệu và điểm van công suất
2 min min max ik i ik i ik ik ik ik ik ik 1 i i a P b P c e sin(f (P P )) ,fuel1, P P P a P b P c e sin(f (P P )) ,fuel2, P P P F (P ) a P b P c e sin(f (P P )) ,fuelk, P P P
Hình 2.2 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy sử dụng 3 loại nhiên liệu
2.2.2 Các ràng buộc a Cân bằng công suất tác dụng
Tổng công suất tác dụng phát ra của các tổ máy P i phải bằng tổng công suất tiêu thụ của tải trong hệ thống P D cộng với lƣợng tổn thất P L
Tổn thất trên hệ thống có thể tính đƣợc nhờ sử dụng công thức tổn thất của Kron:
Trong đó: B ij , B i0 , B 00 gọi là các hệ số tổn thất b Giới hạn công suất thực phát ra
Giới hạn công suất tác dụng của một tổ máy là phạm vi nhỏ nhất và lớn nhất mà tổ máy có thể phát ra Giới hạn này phụ thuộc vào cấu trúc của máy phát điện, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của máy.
P P P , i 1, , N (2.8) c Vùng cấm vận hành của tổ máy
Máy phát có thể có một vùng nhất định mà vận hành là bị hạn chế do giới hạn vật lý của các thành phần máy, van hơi, rung trong trục … Xem xét vùng vận hành cấm này sẽ tạo ra sự không liên tục trong đường cong chi phí và chuyển các ràng buộc như bên dưới: min L i i i i,1
(2.9) Ở đây: Pi,k L ,P i,k U là giới hạn dưới và trên của vùng cấm vận hành thứ k của tổ máy thứ i, k là chỉ số của vùng cấm vận hành, zi là số vùng cấm vận hành
Hình 2.3 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy có 2 vùng cấm vận hành d Giới hạn tốc độ thay đổi công suất
Một giả thiết thường được đưa ra khi giải bài toán điều chỉnh công suất máy phát là xem xét thay đổi công suất xuất ra của các tổ máy tức thời Tuy nhiên, thực tế các giới hạn tốc độ thay đổi công suất làm hạn chế vận hành của tất cả các tổ máy trong hệ thống lưới điện Sự phát có thể được giảm hoặc tăng trong phạm vi tương ứng, tùy vào các tổ máy bị ràng buộc do giới hạn độ dốc như công thức: t_1^i
