Phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện

Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên vii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Abstract v Danh sách các chữ viết tắt vi Mục lục vii Mục lục hình ix Mục lục bảng xi Chương 0: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1 0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3 0.3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 3 0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 3 0.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 0.6. NỘI DUNG LUẬN VĂN 3 Chương I: TỔNG QUAN 5 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 5 1.1.1. Bài toán chọn tối ưu các tổ máy phát 6 1.1.2. Vai trò của chọn tối ưu các tổ máy phát trong hệ thống điện 6 1.2. MÔ TẢ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU 7 1.3. CÁC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 11 1.4. KẾT LUẬN 14 Chương II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 15 2.1. HƯỚNG TIẾP CẬN 15 2.1.1. Mô hình toán học 15 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên viii 2.1.2. Giải quyết bài toán 19 2.1.3. Nhận xét 23 2.1.4. Các phương pháp tính toán để giải quyết bài toán 24 2.2. GIẢI THUẬT BÀI TOÁN 32 2.2.1. Sơ đồ khối của bài toán 32 2.2.2. Lưu đồ thuật toán 35 2.2.3. Nhận xét 36 Chương III: KIỂM TRA CÁC VÍ DỤ MẪU VÀ NHẬN XÉT 37 3.1. BÀI TOÁN 1 37 3.1.1. Tính toán phân bố công suất tối ưu theo tài liệu 38 3.1.2. Tính toán theo phương pháp đề nghị của tác giả luận văn 41 3.2. BÀI TOÁN 2 44 Chương IV: KẾT LUẬN 71 4.1. KẾT LUẬN 71 4.2. HẠN CHẾ CỦA LUẬN VĂN 71 4.3. ĐỀ NGHỊ PHÁT TRIỂN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên ix MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Xác định lợi nhuận và chi phí ràng buộc chi phí nhiên liệu 8 Hình 1.2: Đường cong nhiên liệu đầu vào- công suất phát ra 9 Hình 2.1: Nguyên tắc phối hợp các tổ máy phát điện trên cơ sở giá điện thị trường 15 Hình 2.2: Quan hệ giữa Công suất và Giá điện 17 Hình 2.3: Sơ đồ trạng thái của tổ máy với )h(3T up i = và )h(4T down i = 19 Hình 2.4: Quan hệ giữa Giá điện – Trạng thái – Công suất và Lợi nhuận 22 Hình 2.5: Đồ thị giá điện 24 Hình 2.6: Công suất phát theo giá điện ( ) 24 Hình 2.7: Công suất phát theo khả năng thực tế của máy phát 25 Hình 2.8: Công suất phát thực tế của máy phát 26 Hình 2.9: Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận thực tế khả năng máy phát 27 Hình 2.9.1: Quan hệ giá điện và công suất 28 Hình 2.9.2: Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận 29 Hình 2.9.3: Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận thực tế khả năng máy phát 30 Hình 2.9.4: Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận sau khi điều chỉnh công suất 31 Hình 3.1: Đồ thị giá điện trong 24 giờ 46 Hình 3.2: Lợi nhuận của tổ máy 1 50 Hình 3.3: Lợi nhuận của tổ máy 2 50 Hình 3.4: Lợi nhuận của tổ máy 3 51 Hình 3.5: Lợi nhuận của tổ máy 4 51 Hình 3.6: Tổng lợi nhuận của 4 tổ máy 52 Hình 3.7: Lợi nhuận của Tổ máy 1 59 Hình 3.8: Lợi nhuận của Tổ máy 2 59 Hình 3.9: Lợi nhuận của Tổ máy 3 60 Hình 3.10: Lợi nhuận của Tổ máy 4 60 Hình 3.11: Tổng lợi nhuận của 4 Tổ máy 60 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên x Hình 3.12: Lợi nhuận của Tổ máy 1 66 Hình 3.13: Lợi nhuận của Tổ máy 2 66 Hình 3.14: Lợi nhuận của Tổ máy 3 67 Hình 3.15: Lợi nhuận của Tổ máy 4 67 Hình 3.16: Tổng lợi nhuận của 4 Tổ máy 67 Hình 3.17: Tổng công suất các Tổ máy trong 3 trường hợp vận hành 69 Hình 3.18: Giá điện trung bình trong 3 trường hợp vận hành 69 Hình 3.19: Tổng lợi nhuận các Tổ máy trong 3 trường hợp vận hành 69 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên xi MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: So sánh kết quả của 3 phương pháp điều chỉnh 32 Bảng 3.1: Dữ của các tổ máy 37 Bảng 3.2: Dữ liệu vận hành tổ máy 37 Bảng 3.3: Dữ liệu về thị trường giá điện trong khoảng thời gian 6 giờ. 37 Bảng 3.4: Dữ liệu tổ máy từ 39 Bảng 3.5: Kết quả tính toán 40 Bảng 3.6: Kết quả tính toán theo phương pháp đề nghị 43 Bảng 3.7: So sánh kết quả của 2 phương pháp giải 43 Bảng 3.8: Dữ của các tổ máy 44 Bảng 3.9: Dữ liệu vận hành tổ máy: 44 Bảng 3.10: Giá cho 24 giờ 45 Bảng 3.11: Chi phí khởi động của các tổ máy. 46 Bảng 3.12: Công suất tính toán và công suất phát của 4 tổ máy 47 Bảng 3.13: Trạng thái của các tổ máy 48 Bảng 3.14: Chi phí và lợi nhuận của các tổ máy 49 Bảng 3.15: Công suất phát của các tổ máy sau điều chỉnh DC1 55 Bảng 3.16: Trạng thái của các tổ máy sau điều chỉnh DC1 56 Bảng 3.17: Chi phí các tổ máy sau điều chỉnh DC1 57 Bảng 3.18: Lợi nhuận các tổ máy sau điều chỉnh DC 1 58 Bảng 3.19: Công suất phát của các tổ máy sau điều chỉnh DC 2 62 Bảng 3.20: Trạng thái của các tổ máy sau điều chỉnh DC 2 63 Bảng 3.21: Chi phí các tổ máy sau điều chỉnh DC 2 64 Bảng 3.22: Lợi nhuận các tổ máy sau điều chỉnh DC 2 65 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên 1 Chương 0 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay công nghiệp điện lực giữ vai trò rất quan trọng trong công cuộc xây dựng và bảo vệ đất nước. Đất nước ta đang tiến hành công nghiệp hoá để hiện đại hoá. Trong công nghiệp hoá thì điện khí hoá là nhiệm vụ rất quan trọng, tiến tới toàn dân đều có điện dùng, một lưới điện chằng chịt sẽ bao phủ từ Bắc đến Nam phục vụ cho đời sống và sản xuất. Bên cạnh đó với chính sách mở cửa của Nhà nước đã tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển ngày càng nhanh của các ngành công nghiệp… hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất, nhà máy ra đời và phát triển theo dây chuyền sản xuất khép kín và công nghệ hiện đại. Do vậy nhu cầu sử dụng điện dân dụng và công nghiệp của cả nước rất lớn, đòi hỏi hệ thống điện phải đáp ứng kịp thời nhu cầu phát triển đó. Có thể nói mọi lĩnh vực, mọi ngành nghề trong sản xuất và đời sống đều liên quan đến ngành công nghiệp điện lực. Điện năng được sử dụng rộng rãi, thuận tiện trong đời sống và sản xuất là bởi vì có thể truyền tải đi xa, nhanh, hiệu suất cao và dễ dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác. Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như các thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) nối liền với nhau thành hệ thống nhất làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. Nhiệm vụ của nhà máy điện (NMĐ) là sản xuất điện năng đáp ứng được nhu cầu phụ tải theo sự dự đoán với giá thành hợp lý nhất, liên tục, chất lượng và độ tin cậy cao nhất. Nước ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành theo cơ chế thị trường ở khâu phát điện (NMĐ), sẽ tiến tới thị trường bán buôn và sau đó là thị trường bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra (đang chuyển từ độc quyền Nhà nước sang cơ cấu thị trường cạnh tranh). Để tăng tính cạnh tranh, đòi hỏi vận hành các NMĐ không những đáp ứng yêu cầu đặt ra về về số lượng, chất lượng và độ tin cậy cao với giá thành thấp nhất mà còn chú ý đến các điều kiện ràng buộc khi phối hợp các tổ máy phát trong cùng một NMĐ, giữa các NMĐ. Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên 2 Quy hoạch chiến lược phát triển NMĐ là một nhiệm vụ rất khó khăn vì có quá nhiều yếu tố không thể xác định chính xác như ngân sách đầu tư, những khó khăn về nơi xây dựng, nguồn nhiên liệu cung cấp, dự đoán phụ tải… Với những đặc điểm luôn thay đổi trên, những nhà hoạch định chiến lược phát triển NMĐ dài hạn cấp quốc gia gặp rất nhiều khó khăn hiện nay ở các nước đang phát triển nói chung và Việt Nam nói riêng. Ở nước ta, nguồn phát điện chủ yếu bao gồm nhà máy thuỷ điện (NMTĐ) và nhà máy nhiệt điện (NMNĐ): nhiệt điện than và nhiệt điện dầu, tua bin khí So với NMNĐ thì NMTĐ có tổng công suất lớn hơn, giá thành thấp hơn do các NMTĐ không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu. Các NMTĐ cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số NMTĐ đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường nhưng sản lượng cung cấp không ổn định, phụ thuộc quá nhiều vào thời tiết, đặt biệt khi trong mùa khan nước, mùa khô kéo dài như ở nước ta, gây thiếu điện ảnh hưởng rất nhiều đến đời sống và quá trình sản xuất. Thời gian gần đây một số dự án sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời được ứng dụng nhiều hơn, góp phần tạo thêm ung cấp điện năng. Nhu cầu điện cho phát triển kinh tế - xã hội: năm 2010 đạt sản lượng từ khoảng 88 đến 93 tỷ kWh và năm 2020 đạt sản lượng từ 201 đến 250 tỷ kWh. Tổng công suất lắp đặt tính đến ngày 31/12/2010 là 21.250 MW, trong đó thủy điện chiếm 38%, nhiệt điện là 56%, diesel và nguồn điện nhỏ khác là 2% và điện nhập khẩu là 4%. Tổng công suất lắp đặt tính dự kiến đến 2020 là 32.000 MW, trong đó thủy điện chiếm 46%, nhiệt điện là 42%, điện hạt nhân 6% và điện nhập khẩu là 6%. Nguồn phát của các NMNĐ hiện nay chưa được qui động công suất phát tối đa do giá thành 1 kWh cao hơn rất nhiều so với giá thành của NMTĐ, nhưng khi đã bước vào thị trường điện sắp hình thành thì điều này phải cân nhắc, đặt ra mục tiêu Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên 3 cho các NMNĐ phải xác định được chi phí phát điện bé nhất của các tổ máy phát điện và dựa vào giá điện xác định trên thị trường, tính toán và phối hợp các tổ máy phát điện để đạt được lợi nhuận lớn nhất. Việc phối hợp các tổ máy phát điện phải dựa vào các ràng buộc từ các thông số đầu vào của các tổ máy, các thông số vận hành tổ máy phát điện và các giới hạn về công suất phát của các tổ máy phát… Việc vận hành sao cho kinh tế nhất trong việc phối hợp giữa các tổ máy trong NMNĐ, giữa các NMNĐ với nhau là một vấn đề cấp thiết cần xem xét. Xuất phát từ lý do trên, đề tài “Phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện” được nghiên cứu. 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu giải thuật cực tiểu chi phí phát điện trong cơ chế thị trường, thông qua việc xây dựng hàm mục tiêu với lợi nhuận cực đại của các tổ máy phát điện, có xét đến chi phí khởi động máy và chi phí tắt máy trong quá trình vận hành và sử dụng Hàm chi phí phát điện của tổ máy phát điện để giải quyết bài toán lợi nhuận nhằm đưa ra phương án vận hành tối ưu. 0.3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Xây dựng hàm mục tiêu của bài toán phối hợp các tổ máy phát. - Xây dựng các ràng buộc của các tổ máy phát. - Xây dựng hàm chi phí mở máy (lên máy) và tắt máy (xuống máy). - Xây dựng giải thuật cực tiểu hàm chi phí. - Kiểm tra trên ví dụ mẫu. 0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Giải tích toán học và mô phỏng 0.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Chỉ khảo sát trên các NMNĐ và vận hành ổn định (có công suất nhỏ). Công suất nguồn từ các NMNĐ luôn luôn đáp ứng đủ tải. 0.6. NỘI DUNG LUẬN VĂN 1. Chương 0: Giới thiệu 2. Chương 1: Tổng quan Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên 4 3. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học 4. Chương 3: Kiểm tra các ví dụ mẫu và nhận xét 5. Chương 4: Kết luận 6. Tài liệu tham khảo Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên 5 Chương I TỔNG QUAN 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trên thế giới, thị trường điện đã hình thành rất lâu, những quốc gia như Mỹ, Anh… đã phát triển trên 60 năm. Đến nay nhiều nước đã có thị trường điện phát triển ở mức độ cao và quy mô lớn, có thị trường bán lẻ điện đến hộ tiêu dùng. Thị trường điện không chỉ mua bán điện trong phạm vi nội bộ của một nước mà còn trao đổi mua điện giữa các nước trong vùng như Mỹ (trao đổi mua bán điện với Canada và Mexico), các nước Bắc Âu trao đổi mua bán điện với các nước Nga, Pháp, Đức… thông qua giá cả cạnh tranh để đạt lợi ích chung cho người bán và người tiêu dùng. Đến nay đã có hơn 120 quốc gia có thị trường điện. Đây là sự chuyển biến quan trọng trong khoa học quản lý lĩnh vực điện lực. Nước ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành theo cơ chế thị trường ở khâu phát điện (nhà máy điện - NMĐ), sẽ tiến tới thị trường bán buôn và sau đó là thị trường bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra (đang chuyển từ độc quyền Nhà nước sang cơ cấu thị trường cạnh tranh). Khi đã bước vào thị trường, để tăng tính cạnh tranh, đòi hỏi vận hành các NMĐ không những đáp ứng yêu cầu đặt ra về số lượng, chất lượng và độ tin cậy cao (đảm bảo năng lượng điện) thì chi phí phát điện cũng là một bài toán không kém phần quan trọng. Nếu ta cứ tiếp tục xây dựng mới các nguồn cung cấp (NMĐ mới) để đáp ứng nhu cầu mà không quan tâm đến vấn đề kiểm toán năng lượng, làm như thế nào để sử dụng tốt các nguồn sẵn có, các nguồn sẵn có này đã được sử dụng hiệu quả chưa, nếu chưa thì làm thế nào để hiệu quả hơn… Hay nói cách khác, chúng ta phải xét đến tính kinh tế khi mà tính kỹ thuật đã đảm bảo. Do đó, đứng ở góc độ nhà đầu tư thì phải tính toán chi phí phát điện của nhà máy sao cho thấp nhất để khi tham gia vào việc mua bán điện, chào giá và phát điện vào thị trường lớn nhất, nhằm thu được lợi nhuận tối đa, nhưng người sử dụng điện chi phí cho việc sử dụng điện với giá rẻ nhất có thể, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện do giá thành sản xuất 1 kW điện cao hơn so với các loại NMĐ khác. [...]... 2.1.1.1 Phối hợp tổ máy phát điện trong thị trường cạnh tranh Trong hình 2.1 trình bày phương pháp giải quyết vấn đề phối hợp tổ máy phát điện: T máy 2 T máy 1 Pt 1 P2t t t Ph i h p các t máy t t t PN Pt i T máy N T máy i Hình 2.1: Ngun tắc phối hợp các tổ máy phát điện trên cơ sở giá điện thị trường Mỗi tổ máy phát là một biến lagrange phức λt và ứng với mỗi tổ máy ta tìm tổng chi phí phát điện bé... này, bài tốn Phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện được đặt ra và ứng dụng các thuật tốn để tìm lời giải phân bố cơng suất tối ưu giữa các tổ máy trong nhà máy Trong nghiên cứu của đề tài sẽ xét trên các nhà máy nhiệt điện và vận hành ổn định (có cơng suất nhỏ) và xem cơng suất nguồn từ các nhà máy điện ln ln đáp ứng đủ tải 1.1.1 Bài tốn chọn tối ưu các tổ máy phát (UC –... Lê Chí Kiên Muốn được như vậy, các nhà máy phát nhiệt điện phải tính tốn đưa ra kế hoạch vận hành các tổ máy phát điện một cách hợp lý nhất Để giải quyết bài tốn vận hành tối ưu các tổ máy phát điện thì trước hết phải dựa vào hàm chi phí phát điện của từng tổ máy Từ đó, thành lập mơ hình tốn học để tính lợi nhuận tối đa của các tổ máy phát điện với giá điện trên thị trường xác định tại mỗi thời điểm... cho các tổ máy n Vì vậy lợi nhuận tổng cộng của tất cả các máy phát phải đạt cực đại, dựa vào đối tượng là các ràng buộc của tổ máy Giá điện trên thị trường thay đổi liên tục trong khoảng thời gian lập kế hoạch vận hành tối ưu của các tổ máy và cơng suất phát của từng tổ máy sẽ phụ thuộc vào tổng chi phí nhiên liệu cho tổ máy và các ràng buộc theo đó (như đã trình bày trong hình 1.1) Cơng việc vận hành. .. Kiên Trong hình 1.1 ta thấy trong các vùng mà giá điện thị trường nằm phía trên chi phí phát điện thì sẽ đạt lợi nhuận trong khoảng đó, nghĩa là tổng chi phí để tổ máy phát cơng suất lên lưới thấp hơn giá điện thị trường nên đạt lợi nhuận Còn các vùng mà giá điện thị trường nằm phía dưới chi phí phát điện thì khơng thu được lợi nhuận khi ta cho tổ máy phát cơng suất lên lưới, nghĩa là giá điện thị trường. .. nhất của tổ máy thứ i (Pmin): là cơng suất nhỏ nhất của tổ máy thứ i nếu tổ máy này muốn phát cơng suất lên lưới - Ràng buộc về thời gian lên máy và xuống máy của tổ máy thứ i: từ ràng buộc này cho phép ta tính tốn thời gian phát cơng suất của tổ máy cũng như thời gian xuống máy của tổ máy thứ i Vấn đề đặt ra trong q trình vận hành các tổ máy là: tại thời gian t, chi phí phát điện của các tổ máy lớn... tiếp theo Dựa vào các chi phí nhiên liệu của từng tổ máy và các ràng buộc của từng tổ máy, đề tài xây dựng giải thuật để giải bài tốn trên nhằm mục đích xác định cơng suất phát tại mỗi thời điểm ứng với từng giá điện thị trường để ra lệnh điều khiển các tổ máy phát điện sao cho lợi nhuận mang về trong q trình phối hợp là lớn nhất 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phối hợp các tổ máy phát điện sao cho đạt... thấp hơn chi phí phát điện của các tổ máy Yếu tố chính của chi phí vận hành máy phát là nhiên liệu đầu vào/giờ, trong khi đó các yếu tố còn lại chỉ góp phần nhỏ Chi phí nhiên liệu có ý nghĩa trong trường hợp nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện ngun tử, còn ngược lại với nhà máy thủy Chi phí vận hành (Rs/hr) Hay nhiên liệu (triệu kcl/hr) điện khi năng lượng là miễn phí thì chi phí vận hành khơng còn ý... của máy phát qua hình 2.9: Hình 2.9: Quan hệ giữa cơng suất và lợi nhuận thực tế khả năng máy phát Xét đồ thị (hình 2.5 và 2.9), từ thời điểm ban đầu giá điện thấp thì chi phí phát điện của tổ máy lớn hơn giá điện trên thị trường nên tổ máy sẽ khơng phát điện, nhưng đến thời điểm tiếp theo thì giá điện tiếp tục tăng nên tổ máy bắt đầu khởi động, tại thời điểm này tổ máy phát cơng suất lên thị trường. .. động các tổ máy, và tại thời điểm tiếp theo tổ máy tiếp tục phát cơng suất đến thời điểm t19 thì giá điện suất thấp hơn so với chi phí phát điện của tổ máy nên lợi nhuận tại thời điểm này < 0, và tổ máy bắt đầu ngừng phát cơng suất lên thị trường, vì cho thời gian xuống máy của tổ máy này là 1 giờ, do vậy đến t20 thì tổ máy mới dừng và khơng phát cơng suất lên lưới, các thời điểm tiếp theo giá điện . Tổng công suất các Tổ máy trong 3 trường hợp vận hành 69 Hình 3.18: Giá điện trung bình trong 3 trường hợp vận hành 69 Hình 3.19: Tổng lợi nhuận các Tổ máy trong 3 trường hợp vận hành 69 . từ các thông số đầu vào của các tổ máy, các thông số vận hành tổ máy phát điện và các giới hạn về công suất phát của các tổ máy phát Việc vận hành sao cho kinh tế nhất trong việc phối hợp. đa của các tổ máy phát điện với giá điện trên thị trường xác định tại mỗi thời điểm. Từ tính cần thiết này, bài toán Phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện được