Cực tiểu chi phí phát điện hệ thống thủy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang vii MC LC Trang tựa TRANG Quyt định giao đề tài Lý lịch khoa học i Li cam đoan ii Cm t iii Tóm tt lun văn iv Mục lục vii Danh sách các ch vit tt x Danh sách các ký hiu xi Danh sách các hình xii Danh sách các bng xiii Chng 1: TNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Các nghiên cu 2 1.3 Mục đích ca đề tƠi 3 1.4 Tầm quan trọng ca đề tài 3 1.5 Phm vi nghiên cu 4 1.6 Điểm mi đề tài 4 1.7 Giá trị thực tin 4 Chng 2: C S LÝ THUYT 5 2.1 Tối u ngun phát và vn hành kinh t 5 2.1.1 Phân bố tối u và trao đi công suất kinh t 5 2.1.2 Yêu cầu và vai trò ca vn hành kinh t 5 2.1.2.1 Yêu cầu vn hành kinh t 5 2.1.2.2 Chất lợng phục vụ 6 2.1.2.3 Chi phí sn xuất 6 2.1.2.4 Gim chi phí nhiên liu trong vn hành 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang viii 2.1.2.5 Gim tn thất đin năng 8 2.2 Nhà máy thy đin 8 2.2.1 Số liu thy văn 8 2.2.2 Phân loi điều tit 9 2.2.2.1 Theo thi gian 10 2.2.2.2 Theo tính chất điều tit 14 2.2.3 Phân loi nhà máy thy đin 15 2.2.3.1 Phân loi nhà máy thy đin dựa vào chiều cao ct nc 15 2.2.3.2 Phân loi nhà máy thy đin dựa vào đặc tính ti 15 2.2.3.3 Phân loi dựa vào vị trí 16 2.2.4 Mô hình toán học các nhà máy thy đin 18 2.2.4.1 Mô hình Glimn-Kirchmayer 18 2.2.4.2 Mô hình Hildebrand 19 2.2.4.3 Mô hình Hamilton-Lamont 19 2.2.4.4 Mô hình Arvanitidis-Rosing 20 2.3 Nhà máy nhit đin 20 2.3.1 Đng cong chi phí [17] 20 2.3.2 Ni suy đng cong chi phí 22 2.4 Phối hợp h thống hy nhit đin [18] 23 2.4.1 Gii thiu 23 2.4.2 Tính cần thit ca bài toán phối hợp h thống thy nhit đin 25 2.4.3 Đặc tính h thống thy-nhit đin 25 2.4.4 Phân loi bài toán phối hợp h thống thy-nhit 27 2.4.4.1 Bài toán phối hợp thi gian dài 27 2.4.4.2 Bài toán phối hợp thi gian ngn 29 2.4.5 Tng quan công suất gia các nhà máy trong h thống 29 2.5 Phân bố công suất cho h thống thy-nhit đin [19] 30 Chng 3 : THÀNH LP BÀI TOÁN 33 3.1 Hàm mục tiêu 33 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang ix 3.2 Các ràng buc bài toán 33 3.2.1 Ràng buc cân bằng công suất 33 3.2.2 Ràng buc về tng lu lợng nc x ti mỗi khong thi gian t m 34 3.2.3 Ràng buc về thể tích nc 34 3.2.4 Điều kin thể tích nc ban đầu và cuối 34 3.2.5 Gii hn thể tích nc 34 3.2.6 Gii hn lu lợng nc x 34 3.2.7 Ràng buc về gii hn công suất phát 35 3.2.8 Các ràng buc khác 35 3.3 Gii thut Cuckoo search cho bƠi toán điều đ kinh t trong h thống đin . 35 3.3.1 Vấn đề bài toán 35 3.3.2 Gii thiu thut toán cuckoo search 36 3.3.2.1 Hành vi chim Cuckoo 36 3.3.2.2 Đặc tính Lévy Flight 37 3.3.2.3 Thut toán Cuckoo Search 37 3.4 Áp dụng thut toán Cuckoo Search vào bài toán cụ thể 41 3.4.1 Bài toán 1 41 3.4.1.1 Thông số cƠi đặt cho thut toán CS 43 3.4.1.2 Các bc thực hin bài toán vi CSA 44 3.4.2 Bài toán 2 51 3.4.2.1 Thông số cƠi đặt cho thut toán CS 52 3.4.2.2 Các bc thực hin bài toán vi CSA 52 Chng 4: KT QU TÍNH TOÁN 60 4.1 Kt qu chy cho bài toán 1 60 4.2 Kt qu chy cho bài toán 2 64 Chng 5: TNG KT VÀ HNG NGHIÊN CU 66 5.1 Tng kt đề tài 66 5.2 Đề xuất hng nghiên cu 66 TÀI LIU THAM KHO 68 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang x DANH SÁCH CÁC CH VIT TT CSA: Cuckoo search algorithm ST-HTS: Short-term hydrothermal scheduling EP: Evolutionary programming technique GA: Genetic algorithm GS: Gradient search techniques SA: Gradient search techniques ED: Economic dispatch PSO: Particle Swarm Optimization ACO: Ant Colony Optimization BA: Bee Algorithm FA: Firefly Algorithm Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang xi DANH SÁCH CÁC KÝ HIU […] : Tài liu tham kho (…) : Biểu thc toán học a hj , b hj , c hj : Các h số x nc ca nhà máy thy đin th j. a si , b si , c si : Các h số chi phí nhiên liu ca nhà máy nhit đin th i. B ij , B 0i , B 00 : Ma trn tn thất công suất truyền ti B P D,m : Ti yêu cầu ca h thống ti khong thi gian m P hj,m : Công suất phát ca nhà máy thy đin th j trong khong thi gian m. P hj,max : Công suất phát ln nhất ca nhà máy thy đin th j. P hj,min : Công suất phát nhỏ nhất ca nhà máy thy đin th j. P L,m : Tn thất công suất truyền ti ti khong thi gian m. P si,m : Công suất phát ca nhà máy nhit đin th i trong khong thi gian m. P si,max : Công suất phát ln nhất ca nhà máy nhit đin th i. P si,min : Công suất phát nhỏ nhất ca nhà máy nhit đin th i. q j,m : Tốc đ nc chy ca nhà máy thy đin th j trong khong thi gian m. k : Là h số cp nht dựa trên xác xuất chim t ch phát hin ra trng l α : H số β : H số ca hàm phân phối Lévy N p : Số t chim N max : Số vòng lặp tối đa Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang xii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Số liu thy văn 9 Hình 2.2: Đ thị nc về và công suất phát 10 Hình 2.3: Điều tit nc trong ngày ………………… Hình 2.4: Điều tit nc trong tuần 12 Hình 2.5: Điều tit nc trong năm 12 Hình 2.6: Đng cong lũy tích nhiều năm 14 Hình 2.7: Các nhà máy thy đin trên các dòng sông khác nhau 17 Hình 2.8: Các nhà máy thy đin trên cùng dòng sông 17 Hình 2.9: Các nhà máy thy đin liên h 18 Hình 2.10: Đng cong nhiên liu đầu vào-công suất đầu ra 21 Hình 2.11: Suất tăng nhiên liu tng ng vi công suất phát 21 Hình 2.12: Giá trung bình theo công suất phát 22 Hình 2.13: Đng cong chi phí 22 Hình 2.14: Tng quan chi phí nhiên liu và công suất phát 26 Hình 2.15: H thống N nhà máy thy đin, M nhà máy nhit đin 32 Hình 3.1: Chim Cuckoo ln hn chim t ch 36 Hình 3.2: Lu đ gii thut cho thut toán CS 40 Hình 3.3: H thống 4 nhà máy thy đin bc thang 41 Hình 4.1: Đặc tính hi tụ khi gii bài toán 1 bằng phng pháp CSA 63 Hình 4.2: Đặc tính hi tụ khi gii bài toán 2 bằng phng pháp CSA 65 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang xiii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 2.1: Đặc tính ca các nhà máy thy đin và nhit đin 27 Bng 3.1: Công suất ti cho bài toán 1 (MW) 42 Bng 3.2: H số công suất phát thy đin cho bài toán 1 42 Bng 3.2: H số công suất phát thy đin cho bài toán 1 42 Bng 3.3: Lợng nc vào h cha cho bài toán 1 (×10 4 m 3 ) 43 Bng 3.4: Các gii hn thể tích nc, nc x, công suất phát và thể tích đầu cuối ca h cha cho bài toán 1 (×10 4 m 3 ) 43 Bng 3.5: Các gii hn thể tích nc, nc x, công suất phát và thể tích đầu cuối ca h cha cho bài toán 2 (×10 4 m 3 ) 51 Bng 3.6: Công suất ti cho bài toán 2 (MW) 52 Bng 4.1: Kt qu đt đợc bằng CSA cho bài toán 1 60 Bng 4.2: Công suất thy đin và nhit đin có đợc khi gii bài toán 1 bằng CSA 61 Bng 4.3: Lợng nc x mỗi gi có đợc khi gii bài toán 1 bằng CSA (×10 4 m 3 ) 62 Bng 4.4: So sánh kt qu có đợc khi gii bài toán 1 bằng CSA vi các phng pháp khác 63 Bng 4.5: Kt qu đt đợc bằng CSA cho bài toán 2 64 Bng 4.6: So sánh kt qu có đợc khi gii bài toán 2 bằng CSA vi các phng pháp khác 64 Bng 4.7: Kt qu tối u khi gii bài toán 2 bằng phng pháp CSA 65 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1 ĐT VN Đ Nh ta đã bit, h thống đin (HTĐ) đóng vai trò rất quan trọng đối vi sự phát triển kinh t ca mỗi quốc gia vì nó là mt trong nhng c s h tầng quan trọng nhất trong nền kinh t quốc dân. Do sự phát triển ca nền kinh t đặc bit là trong sn xuất công nghip và sự cn kit ngun tài nguyên thiên nhiên, áp lực môi trng, sự thay đi liên tục vƠ tăng nhanh ca nhu cầu phụ ti lƠm cho HTĐ ngƠy càng rng ln về quy mô cũng nh phc tp trong vn hành. Vì vy, tính liên tục cung cấp đin trong h thống đin đợc xem là yu tố hƠng đầu và vấn đề đặt ra cho ngƠnh đin lực là phi lƠm sao đm bo điều kin cung cấp đin cũng nh các quy tc an toƠn nh: An toƠn về ngun phát, đng dây, bo v…vv. Hn na vấn đề về chi phí phát đin cũng là mt vấn đề không kém phần quan trong. Có thể nói trong thực t các ngun tài nguyên thiên nhiên và nhiên liu tuy có sẵn trong tự nhiên nhng không phi là vô tn trong tng lai, nên bài toán cực tiểu chi phí phát đin tht sự đáng lu tơm. Vì nu có thể gim chi phí phát đin thì giá thành đin năng s gim, vừa to điều kin phát triển nền kinh t và tit kim ngun tài nguyên vốn dĩ đang ngày càng khan him. Bên cnh tính đm bo năng lợng thì chi phí phát đin cũng cần đợc xem xét. Vì nu chỉ đn thuần là ta tip tục xây dựng ngun cung cấp để đáp ng nhu cầu năng lợng mƠ không quan tơm đn vấn đề kiểm toán năng lợng, hay làm th nƠo để s dụng tốt các ngun sẵn có, các ngun nƠy đã thực sự đợc s dụng mt cách hiu qu hay cha…vv. Nu chỉ dừng li  mc đm bo tính kỹ thut mà bỏ qua tính kinh t thì đơy thực sự là mt sai sót ln.  Vit Nam ta, công suất ch yu là từ các nhà máy thy đin và nhit đin. Miền Bc phụ thuc khá ln vào các nhà máy thy đin, trong khi đó Miền Nam thì thy đin chim phần ln hn. Về mặt c bn thì đã đáp ng đ nhu cầu phụ ti nhng vn còn phụ thuc nhiều vào thi tit, điều này là hiển nhiên vì thy đin vn Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang 2 chim tỉ l cao hn nhiều trong tng các ngun cung cấp. Đáng lu ý là ngun nc cho thy đin bị hn ch vƠo mùa khô, khi lợng ma ít. Còn các nhà máy nhit đin thì ngun nguyên liu xem nh lƠ sẵn sƠng để to ra đin. Mặc dù hin nay nhiên liu cho nhit đin vn còn di dƠo nhng lƠ ngun tài nguyên gii hn và chi phí còn cao nên chi phí phát đin nhà máy nhit đin vn còn cao so vi các ngun khác. Vấn đề đặt ra là phi làm sao gim thiểu thi gian mất đin vào mùa khô ( vì công suất phát gim nhiều vào mùa khô từ các nhà máy thy đin). Vy lợng nc trong h phi đợc điều tit sao cho thích hợp đm bo an ninh năng lợng trong mùa khô và không phát quá nhiều công suất trong khi có thi gian li ngừng hot đng. Đối vi các nhà máy nhit đin thì đm nhim phát phân công suất còn li hay các t máy nhit đin phi phân bố công suất phát sao cho tối u, lƠm sao để cực tiểu chi phí phát  mc thất nhất có thể. H thống thy - nhit đin đã đợc nhiên cu trong đề tài này nhằm mục đích ắ cực tiểu chi phí phát đin h thống thy – nhit đin”. Từ nhng tính cần thit nƠy, đã có nhiều bài toán “ phối hợp phát đin gia các nhà máy thy đin và nhit đin” đợc đa ra vƠ ng dụng các phng pháp, thut toán để tìm li gii phân bố công suất tối u gia các nhà máy.Trong gii hn đề tài s chỉ xét đn bài toán phối hợp trong thi gian ngn vi gi thuyt là các h cha thy đin có chiều cao ct nc không thay đi trong ngày. 1.2 CÁC NGHIÊN CU Gii quyt bài toán thy – nhit đin ngn hn mục đích lƠ xác định công suất phát gia các nhà máy thy đin và nhit đin qua mt khong thi gian mt ngày hay mt tuần sao cho tng chi phí nhiên liu cho các nhà máy nhit đin là nhỏ nhất. Vi điều kin làm sao phi thỏa các phng trình cân bằng công suất, các đẳng thc về ràng buc tng lợng nc x và gii hn thể tích h cha cũng nh gii hn công suất các nhà máy thy đin, và các bất đẳng thc ràng buc công suất phát các nhà máy nhit đin [2]. Đã có nhiều phng pháp áp dụng vào bài toán thy nhit đin nh phng Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. VÕ NGỌC ĐIU HVTH: Đào Thanh Tâm Trang 3 pháp lp trình tin hóa EP [1-5], thut toán di truyền (GA) [6-7], phng pháp tìm kim Gradient (GS) [8], phng pháp mô phỏng luyn kim (SA) [9], vƠ phng pháp lựa chọn vô tính (CSA) [10]. Theo bài báo [1,2], bài toán thy nhit đin ngn hn bằng EP vi đt bin Gauss. Phng pháp cho kt qu hợp lý (gần điểm cực thun ca tối u toƠn cục) vi thi gian tính toán vừa phi. Tuy nhiên phng pháp này chỉ áp dụng gii cho nhng bài toán đn gin không có nhiều ràng buc [4]. Hn th na, phng pháp nƠy không phi lúc nào cũng cho kt qu gần điểm tối u toƠn cục. Phng pháp GS [8] thì đã đợc áp dụng gii bài toán vi mô hình nhà máy phát đin thy đin thông thng có từng khong tuyn tính hay đa thc gần đùng vi khong tăng đn điu . Tuy nhiên con số gần đùng nƠy dao đng nhiều nên xem nh không thực t [2]. So sánh kt qu theo [9] thì phng pháp SA có kt qu tốt hn GS. Nhng các thông số cƠi đặt cho SA rất khó tính và kt qu tính toán chm khi tính cho h thống ngun có kích thc thực t. Từ đó cho thấy vic tìm hiểu mt phng gii quyt bài toán tối u mt cách hiu qu lƠ điều mong muốn và thực t. Qua tìm hiểu về thut toán Cuckoo Search (CSA), đợc phát triển năm 2009 [12] bi Xin – She Yang Suash Deb, là mt thut toán lấy cm hng từ vic chim Cuckoo đẻ trng ca chúng vào trong t ch ca mt t chim loài khác. Kt qu cho thấy CSA là rất kh quan trong vic gii quyt bài toán tối u. Hn na kt qu tốt hn mt số phng pháp khác nh s trình bày trong chng 4. Tác gi xin đề xuất áp dụng thut toán này vào gii bài toán “ cực tiểu chi phí phát đin h thống thy – nhit đin”. 1.3 MC ĐệCH CA Đ TÀI Cực tiểu hóa chi phí phát đin ngun phát thy-nhit đin, gim thiểu  mc nhỏ nhất chi phí sn xuất ra đin năng đn ni tiêu thụ trong vn hành là mục tiêu ca bƠi toán điều đ kinh t trong h thống đin vi phng pháp đề xuất là áp dụng thut toán “Cuckoo Search” lp trình trên phần mềm Matlab. 1.4 TM QUAN TRNG CA Đ TÀI Hin cha có lun văn, công trình nghiên cu trong nc về áp dụng thut [...]... a các nhà máy th y đi n và nhi t đi n Đ c tính Nhi t đi n Th y đi n - Chi phí phát đi n cao, chi phí - Chi phí phát đi n thấp, chi gia tăng theo công suất tăng Chung phí gia tăng công suất không - Không thể dự tr đi n năng tăng - Có thể dự tr n c phát đi n Th i ng n gian - Phối hợp t máy phát quan - Kh năng điều chỉnh trọng do chi phí kh i đ ng công suất nhanh cao và th i gian kh i đ ng dài - Kh năng... đ ng cong chi phí Nhân trung bình v i các m c công suất ta đ ợc chi phí trong 1 gi Các điểm r i r c trên đố thị thể hi n mối quan h gi a công suất phát và chi phí trong 1 gi N i suy đ ng cong chi phí này cong về đ ng b c 2 chính lƠ đ ng đặc tuy n Hình 2.13: Đ HVTH: Đào Thanh Tâm ng cong chi phí Trang 22 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS VÕ NGỌC ĐI U Ta s làm rõ h n quy trình xấp xỉ đ ng cong chi phí về đ... ph đỉnh Phối hợp h thống th y-nhi t đi n là bài toán cấp thi t nhằm s dụng l u l ợng n c sẵn có các h th y đi n m t cách tối u trong khi chi phí phát đi n không đ ợc quan tâm theo công suất phát Do đó, t ng chi phí phát đi n c a h thống đ ợc xem nh chỉ là chi phí t i các nhà máy nhi t đi n Tuy nhiên, vấn đề ph c t p trong v n hành tối u h thống th y-nhi t đi n là lên k ho ch x n c, phát đi n trong kho... khiển h thống ph i điều khiển m t cách cân nh c v i nh ng y u tố này 2.1.2.2 Chất lượng phục vụ  Chất l ợng đi n năng theo pháp định:  Chất l ợng tần số  Chất l ợng đi n áp  Đ tin c y cung cấp đi n hợp lý 2.1.2.3 Chi phí sản xuất  Chi phí s n xuất bao g m  Chi phí nhiên li u  T n thất đi n năng  Chi phí b o d ỡng định kỳ  Chi phí để kh c phục h u qu , s a ch a thi t bị hỏng do sự cố  Chi phí. .. Arvanitidis-Rosing Công suất phát đ ợc định nghĩa : P  qh    e   A h  h0    (2.7) Trong đó : h : Chi u cao c t n c hi u qu (m) P : Công suất phát (MW) q : L u l ợng x qua turbine (m3/s) A : Di n tích h ch a h0 : Chi u cao c t n c nhỏ nhất α, β : Các h số 2.3 NHÀ MÁY NHI T ĐI N 2.3.1 Đ ng cong chi phí [17] Hàm chi phí mỗi máy phát đ ợc xây dựng nh vào quan h gi a công suất phát và chi phí nhiên li u đầu... h thống đi n là đ m b o an toàn tuy t đối cho h thống đi n, đ m b o chất l ợng phục vụ, có chi phí s n xuất, truyền t i và phân phối thấp nhất 2.1.2.4 Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành  Gi m chi phí nhiên li u trong v n hành bao g m:  u tiên tăng l ợng công suất phát ra t i các nhà máy nhi t đi n gần phụ t i nhằm gi m t n hao truyền t i d n đ n gi m chi phí tiêu hao nhiên li u trong toàn h thống. .. trung bình (hàng tháng) Bài toán th i gian dài có thể đánh giá chi phí gần nh là tối u trong khi bài toán th i gian trung bình có thể s dụng thông tin chi phí chi ti t h n (bài toán th i gian ng n s dụng h thống chi phí chi ti t nhất) Mục đích c a phối hợp trong th i gian dài là để cung cấp l i gi i tối u mà gần v i chi phí nhỏ nhất c a toàn b h thống trong th i gian dài Vi c gi i bài toán này rất khó thực... Luận văn thạc sĩ GVHD: TS VÕ NGỌC ĐI U Các nhà máy nhi t đi n có chi phí đầu t ban đầu thấp, tuy nhiên chi phí v n hành rất cao do chi phí nhiên li u đ t Ng ợc l i, chi phí v n hành t i các nhà máy th y đi n rất bé, có thể xem nh bằng không mặc dù chi phí đầu t ban đầu l n Vì th vi c ghép các nhà máy th y đi n và nhi t đi n thành m t h thống k t nối trên l i đi n lƠ điều vô cung cấp thi t Nhà máy th... đi n này mà tính liên tục cung cấp đi n c a h thống đ ợc n định và đáp ng đ ợc nhu cầu phụ t i Chi u cao c t n này t c c a các nhà máy ng đối l n, trên 100 mét Các nhà máy này đóng góp quan trọng cho h thống b i kh năng điều chỉnh công suất t c th i phát lên h thống c a chúng 2.2.3.2 Phân loại nhà máy thủy điện dựa vào đặc tính tải  Nhà máy thủy điện phát n n ( Base Load Plants) Lo i nhà máy này cung... chi phí s n xuất Chi phí s n xuất t i các nhà máy th y đi n đ ợc bỏ qua khi ngu n n c đ ợc xem nh là mi n phí Nh ng điều này có đ ợc là do sự so sánh gi a HVTH: Đào Thanh Tâm Trang 25 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS VÕ NGỌC ĐI U chi phí nhiên li u t i các nhà máy nhi t đi n và phí tài nguyên (n c) t i các nhà máy th y đi n, nhiên li u nhi t gấp rất nhiều lần so v i thu n c Các nhà máy nhi t đi n có chi phí . bài toán “ cực tiểu chi phí phát đin h thống thy – nhit đin”. 1.3 MC ĐệCH CA Đ TÀI Cực tiểu hóa chi phí phát đin ngun phát thy-nhit đin, gim thiểu  mc nhỏ nhất chi phí sn xuất. suất phát sao cho tối u, lƠm sao để cực tiểu chi phí phát  mc thất nhất có thể. H thống thy - nhit đin đã đợc nhiên cu trong đề tài này nhằm mục đích ắ cực tiểu chi phí phát đin h thống. cung cấp đin hợp lý. 2.1.2.3 Chi phí sản xuất  Chi phí sn xuất bao gm  Chi phí nhiên liu.  Tn thất đin năng.  Chi phí bo dỡng định kỳ.  Chi phí để khc phục hu qu, sa