Nghiên cứu vận hành tối ưu các nhà máy điện trong thị trường phát điện cạnh tranh

Trang 1

NGUYÊN PHÚ THẠCH

ENSO

NGHIEN CUU VAN HANH TOL UU

CAC NHA MAY DIEN TRONG THỊ TRƯỜNG

PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH

Chuyên ngành : Mạng và hệ thống điện

Mã số : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trang 2

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các sô liệu, kêt quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CAC BANG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ DAU

Chuong 1 :TONG QUAN VAN HANH TOI UU NHA MAY DIEN TRONG THI TRUONG DIEN

1.1 Giới thiệu chung về vận hành tối ưu các nhà máy điện

1.1.1 Phương pháp giải bài toán tối ưu với các điều kiện ràng

buộc

1.1.2 Công thức bài toán điều độ tối tru

1.2 Các thành phần tham gia thị trường điện

1.3 Cấu trúc thị trường điện 1.3.1 Mô hình tập trung 1.3.2 Mô hình song phương

1.3.3 Mô hình hễn hợp

1.4 Thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam

1.4.1 Mục tiêu của thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam 1.4.2 Các giai đoạn phát triển

1.4.3 Những nét cơ bản của VietPool

Chương 2 : VẬN HÀNH TÓI ƯU CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặc tính chi phí tổ máy nhiệt điện

Trang 4

2.1.4 Suất tăng chỉ phí nhiên liệu

2.1.5 Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của tổ lò hơi - tuabin 2.2 Thành lập bài toán phân bồ tối ưu công suất

2.2.1 Bài toán bỏ qua tốn thất

2.2.2 Bài toán xét đến tốn thất công suất

2.3 Giải bài toán phân bố kinh tế bằng phương pháp Lagrange 2.4 Giải bài toán bằng phương pháp quy hoạch động

Chương 3: VẬN HÀNH TÓI ƯU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG

HE THONG THUY - NHIET DIEN 3.1 Dat van dé

3.1.1 Bai toan van hanh dai han 3.1.2 Bài toán vận hành ngắn hạn

3.2 Mô hình nhà máy thủy điện

3.2.1 Các thành phần của nhà máy thủy điện 3.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng hiệu suất của tổ máy

3.3 Bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện và các phương pháp giải

3.3.1 Bài toán vận hành

3.3.2 Giải bài toán theo phương phap Lagrange 3.3.3 Giải bài toán theo phương pháp xấp xi Gradient

3.4 Phương pháp quy hoạch động để giải bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện trong hệ thống điện

3.4.1 Bài toán vận hành

Trang 5

4.1 Giới thiệu một số phần mềm mơ phỏn tính tốn 4.1.1 Phần mềm Max Hydro Power - gMHP 4.1.2 Phan mém Market simulation

4.1.3 PowerWorld Simulator (PWS) 4.1.4 PJM eFTR Tool va LMPSim

4.2 Bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện trong hệ thống thủy - nhiệt điện

4.3 Chương trình tính toán

4.4 Kết quả tính toán

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 6

VN : Tập đoàn Điện lực Việt Nam ISO : Đơn vị vận hành độc lập IPP :_ Nhà máy điện độc lập MD : Điều phối thị trường

MO : Đơn vị vận hành thị trường SB : Người mua duy nhất

Trang 7

Số hiệu Tên bảng Trang bảng „

2.1 ¡ Thông sô vận hành các tô máy 32

2.2 | Kết quả tính tốn của tơ máy thứ hai 33

2.3 | Kết quả tính toán với hàm f, 34

4.1 | Thông số vận hành của hệ thông trong hình 4.4 60 4.2 | Kết quả tính toán trong khoảng thời gian đầu 63

4.3 | Kết quả tính toán với khoảng thời gian thứ hai (j = 2) 66

4.4 | Kết quả tính toán với khoảng thời gian thứ ba (j = 3) 69

4.5 | Kết quả tính toán với khoảng thời gian thứ bốn (j = 4) 70 4.6 | Kết quả tính toán với khoảng thời gian thứ năm (j =5) 71 4.7 | Kết quả tính toán khoảng thời gian thứ sáu 72

Trang 8

hình Tên hình Trang

1.1 Một đoạn của mạng lưới thị trường địa phương 8 l2 Quan hệ giữa các thành phân tham gia trong thị trường 2

điện

1.3 | Mô hình thị trường điện tập trung 13

1.4 | Mô hình thị trường điện song phương 14 1.5 | Mô hình thị trường phát điện cạnh tranh 2005-2014 17

1.6 Mô hình thị trường bán buôn cạnh tranh 2015-2022 19 1.7 Mô hình thị trường bán lẻ cạnh tranh sau 2022 20

21 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu và chỉ phí nhiên liệu của nhà 24

máy nhiệt điện

2.2 | Suất tăng chỉ phí nhiên liệu 25

23 | Mô hình lò hơi tuabin 26

24 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của lò hơi và tuabin 2

2.5 | Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của tổ máy 27

2.6 |N tổ máy nhiệt điện cùng cung cấp cho phụ tải PLoa¿ 29 2.7 _ | Hệ thống N tổ máy cung cấp cho phụ tải có xét tôn thất 30

3.1 | Các thành phần nhà máy thủy điện 39

3.2 | Mức tăng tỷ lệ của cột nước với công suất đầu ra 40

3.3 | Hệ thống thủy - nhiệt điện 4I

3.4 | Biểu đồ vận hành tối ưu hệ thống thủy nhiệt điện 43

Trang 9

3.6 | Đề thị vào - ra tổ máy thủy điện với cột nước không đổi | 46

3.7 | Sơ đồ vòng lặp ^.- y hệ thống thủy nhiệt điện 48

38 Mô hình hệ thông thủy - nhiệt điện sử dụng trong minh 52 hoa quy hoạch động

3.9 | Các bước tính toán vận hành nhà máy thủy điện 54

4.1 | Mô hình tính toán phần mềm gMHP 55

4.2 | Giao dién phan mém Market simulation 56

4.3 | Giao dién phan mém eFTR 58

4.4 | Mô hình bài toán vận hành hệ thống thủy - nhiệt điện 58

4.5 | Suất tăng chỉ phí sản xuất nhà máy nhiệt điện 59 4.6 | Quan hệ q với Pụ của nhà máy thủy điện 59

4.7 Phân bố công suất của hệ thống thủy - nhiệt điện 61

4.8 | Giao diện chính của chương trình tính toán 6]

4.9 | Giao diện tính tốn thơng số của chương trình 62 4.10 | Giao diện tính toán cho các khoản thời gian 63 4.11 | Bước tính toán vận hành ban đầu của hệ thống 64

4.12 ! Bước tính toán vận hành thứ hai của hệ thống 65

4.13 | Bước tính toán vận hành thứ ba của hệ thống 67

4.14 | Bước tính toán vận hành thứ năm của hệ thống 70 4.15 | Bước tính toán vận hành cuỗi cùng của hệ thong 72 4.16 | Bước vận hành tối ưu của hệ thống thủy nhiệt điện 73

Trang 10

Hiện nay Việt Nam đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại

hóa đất nước Cùng với sự phát triển đó, ngành điện Việt Nam đã và đang xây dựng mô hình thị trường điện cạnh tranh để đảm bảo lợi ích cho các bên mua bán điện, và hơn nữa hòa nhập vào xu thế chung của thế giới hiện nay Với xu hướng chuyển đổi cơ chế độc quyền sang cơ chế thị trường đang diễn ra ở

nhiêu nước trên thế giới

Trong thị trường điện cạnh tranh không như các thị trường khác Sản

phẩm của thị trường điện là điện năng, một dạng hàng hóa đặc biệt không thể lưu trữ với số lượng lớn Sự phân phối điện năng từ các nhà máy phụ thuộc và sự tiêu thụ của phụ tải Công suất phát ra của các nhà máy điện phụ thuộc nhiều vào giá nhiên liệu đầu vào, và càng nhiều hơn khi giá nhiên liệu ngày càng leo thang như hiện nay Do vậy việc sử dụng các nguồn nhiên liệu sẵn có một cách hiệu quả cùng với sự vận hành tối ưu các nhà máy điện luôn giữ vị trí quan trọng trong ngành điện Cho nên sự vận hành tối ưu công suất các nhà máy điện để mang lại hiệu quả về kinh tế là vấn đề cần được quan tâm

Trong hệ thống điện quốc gia thì thủy điện đóng một vai trò hết sức

Trang 11

báo trên, nếu chỉ cần tăng 3% năng lượng nhờ sự khai thác hợp lý tài nguyên nước tại các trạm thủy điện, mỗi năm nước ta có thể tiết kiệm được gần 1,5 tỉ kWh, ứng với nó là một lượng nhiên liệu nhiệt điện to lớn sẽ được tiết kiệm; ngoài ra còn giảm được lượng chất độc hại tương ứng thải vào môi trường

thiên nhiên

Do đó vấn đề nghiên cứu sự tác động của thị trường điện cạnh tranh đến vận hành tối ưu công suất các nhà máy điện trong hệ thống trở nên cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn trong ngành điện hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu sự vận hành tối ưu của nhà máy điện trong thị trường phát điện cạnh tranh Xây dựng bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện trong hệ thống thủy - nhiệt điện

Ứng dụng phương pháp quy hoạch động để giải bài toán tối ưu 3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

- Các thành phần tham gia trong thị trường điện cạnh tranh

- Vận hành tối ưu công suất của nhà máy điện

- Bài toán vận hành tối ưu công suất nhà máy thủy điện

4 Đặt tên đề tài

Trang 13

TH] TRUONG DIEN

1.1 Giới thiệu chung về vận hành tối ưu các nhà máy điện

Để nâng cao hiệu quả kinh tế khi vận hành hệ thống điện, người ta

thường phải tìm các biện pháp để giảm giá thành điện năng và nâng cao tuổi thọ của các trang thiết bị Biện pháp hiệu quả nhất là tiết kiệm nhiên liệu

(năng lượng sơ cấp) cung cấp cho nhà máy điện, giảm tổn thất tự dùng và nâng cao hiệu suất làm việc của các tô máy

Đối với nhà máy điện để thực hiện các nội dung trên chúng ta cần phải

nghiên cứu kỹ lưỡng các đặc tính tiêu hao nhiên liệu và tìm biện pháp vận hành sao cho suất tiêu hao nhiên liệu tính cho một đơn vị điện năng phát trên

thanh cái tổng của nhà máy là ít nhất Vì vậy việc nghiên cứu phương thức

phân phối tối ưu công suất của các nhà máy điện không những nâng cao tính kinh tế trong vận hành mà còn góp vào tính chính xác và hợp lý khi quy hoạch, thiết kế hệ thống điện

Giá trị công suất phát ra từ các nhà máy điện không những nhằm thỏa

mãn nhu cầu của phụ tải mà còn là giá trị tối ưu theo nghĩa phải đạt được những chỉ tiêu sau:

- Chỉ phí nhiên liệu là cực tiểu

- Độ tin cậy cung cấp điện phải đủ lớn - Chất lượng điện năng phải đảm bảo

Vì vậy việc tìm hiểu bài toán vận hành tối ưu công suất của các nhà

máy điện để giải quyết chỉ tiêu quan trọng là cực tiểu hàm chỉ phí về nhiên liệu của nhà máy Bài toán vận hành tối ưu nguồn trong hệ thống điện Việt

Trang 14

Trong HTĐ càng đa dạng về chúng loại nguồn thì hiệu quả bài toán tối ưu hoá vận hành càng có ý nghĩa cao hơn, bởi sẽ có khả năng lựa chọn các phương án có hiệu quả rất khác nhau về chỉ phí vận hành

- Tốc độ tăng trưởng nhảy vọt về nhu cầu tiêu thụ điện, đặt hệ thống

vào các tình huống căng thẳng về nguồn, dự trữ điện năng thấp, lựa chọn

phương thức vận hành tối ưu khi đó càng có ý nghĩa quyết định Đôi khi đó

còn là cách duy nhất dé tim duoc phương án vận hành khả thi

- Giới hạn truyền tải công suất giữa các khu vực đối với HTĐ Việt Nam cũng là một yếu tố bắt buộc cần phải xét đến Nếu không xét giới hạn

này, lời giải sẽ hoàn toàn vô nghĩa (phương án vận hành không khả thị)

- Tén tai những đặc điểm riêng về nguồn ở một số nhà máy cũng là một yếu tế cần quan tâm giải quyết

Vấn đề đặt ra là vận hành công suất truyền tải giữa các thị trường địa phương sao cho việc vận hành hệ thống là kinh tế nhất Đây là bài toán tối ưu đa chỉ tiêu Nói cách khác phải xây dựng chế độ vận hành tối ưu của các nhà máy trong hệ thống điện sao cho đạt được cực tiểu hàm chí phí tính toán cho sản xuất điện năng, đồng thời phải đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện năng Thông thường phải giải quyết từng bài toán con, vì bài toán vận hành tối ưu công suất các nhà máy điện bước đầu thường được giải quyết theo một chỉ tiêu quan trọng là đạt cực tiểu hàm chỉ phí về nhiên liệu trong toàn hệ thống sau đó xét tiếp đến các chỉ tiêu khác,

1.1.1 Phương pháp giải bài toán tối wu với các điều kiện ràng buộc

Trong những bài toán kinh tế - kỹ thuật thường nảy sinh nhiều vấn đề

Trang 15

Lagrange, phương pháp qui hoạch tuyến tính, phương pháp qui hoạch phi tuyến, phương pháp qui hoạch động 1.1.1.1 Phuong phdp Lagrange Cơng thức tốn học chung của một bài toán tối ưu được phát biểu như Sau: fx)——> cựctiểu XeR thoả mãn điều kiện ràng buộc g(x)=0, ies h()<0, jel (1.1)

@ day, f(x) 14 ham mục tiêu Vectơ x là những biến mục tiêu được tính toán sao cho giá trị đầu ra của hàm mục tiêu là cực tiểu Những ràng buộc đẳng

thức được mô tả bởi phương trình BÚ), 1 £ ở đây e là tập hợp chỉ số của

ràng buộc đẳng thức Những ràng buộc bất đẳng thức được mô tả bởi bắt đẳng thức hị(x), j € 7 ở đây 7 là tập hợp chỉ số của ràng buộc bất đẳng thức

Trang 16

Lagrange ^ đối với ràng buộc đẳng thức Hàm Lagrange trở thành: l= fta-g, (1.7) Và điều kién Kuhn — Tucker 1a: af of og = 4421-0 ox ox +A ox oe 2A §, Ta có biểu thức đối với A như sau: of asthe ag, =0 (1.8)

Trong bài toán tối ưu chung, ^ cũng được gọi sự đo độ nhạy của hàm mục tiêu đối với ràng buộc đẳng thức Nếu phương trình này bị thay đổi bởi

một số lượng công suất thay đổi nhỏ là e thì một bài toán tối ưu mới tạo ra

kết quả sẽ là:

af

€

ở đây, ^ biểu thị sự thay đổi (tăng thêm / giảm bớt) trong hàm mục tiêu (giá,

chi phí, lợi nhuận, v.v ) vì sự thay đổi số lượng công suất giao dịch Bởi

vậy, trong một mô hình thị trường À được gọi giá gia tăng (hoặc chỉ phi, lợi

nhuận, v.v ) và đơn vị là [tiền tệ/đơn vị công suất] 1.1.2 Cơng thức bài tốn điều độ tối ưu

Chúng ta xét một hệ thống bao gồm n thị trường điện địa phương (hình 1.1) Chúng ta giả thiết rằng ở thị trường tht i (i = 1, , n) tại thời gian t những đặc trưng sau được biết:

Trang 17

- Những ràng buộc về POS Pa, S PE™,

- Những ràng buộc về dòng céng sudt P, tir thi trường thứ ¡ đến thị trường thứ j p"" < Pos pm - Tổn thất công suất được mô tả bởi hàm Lụ(Pp) L, P, =L, P, Pe (Pa)=LylP) rs

Hình 1.1 : Một đoạn của mạng lưới thị trường địa phương

Cân bằng năng lượng cho toàn bộ thị trường là:

SP, =Š + Š L0) ¬ =r (19)

Hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu này là hoặc tổng chỉ phí sản xuất của các nhà máy về công suất phát, những phụ tải hiện có trong mạng, hoặc lợi nhuận xã hội Trong cả hai hàm mục tiêu đều xuất hiện đường cong chi phí của những máy phát riêng lẻ như một hàm của công suất phát và đường cong chi phí của phụ tải cũng là một hàm của công suất tiêu thụ

* Hàm chỉ phí máy phát:

Đối với những máy phát mà các hệ số của những đường cong chỉ phí bậc hai đã cho trực tiếp thì hàm chỉ phí của một máy phát được tính toán như

sau:

Trang 18

* Hàm lợi nhuận phụ tải:

Ham chỉ phí của một phụ tải được cho bởi:

B,(P,, )=by +b, - Py +b, - P2 (1.12)

Như vậy hàm mục tiêu bắt nguồn từ lợi nhuận xã hội, đối với mô hình tôi ưu này là như sau :

/É.P„)=5C.()— ,B,(P„) —> cực tiểu (1.13)

thoả mãn điều kiện ràng buộc:

PE <P <P™ 1=] k (1.14)

Pm“ s Ps P™,j=1, ,m (1.15)

và cân bằng năng lượng của thị trường (1.9)

1.2 Các thành phần tham gia trong thị trường điện

Sự thay đổi từ các cơ chế độc quyền, trong đó từ khâu phát, đến truyền

tải, cho đến phân phối và đến khách hàng cuối cùng sử dụng điện năng, để có

một môi trường cạnh tranh trong thị trường điện cần có một số vấn đề trong tổ

chức và thảo luận, nghiên cứu về cấu trúc của thị trường

Nói chung, các thành phần tham gia kính doanh điện năng được chia ra làm 4 phần như sau: ® Phát điện e Truyén tai © Phân phối s® Tiêu thụ

Khâu phát điện có vai trò tạo ra điện năng từ các dạng năng lượng khác

nhau như hạt nhân, nhiệt điện và thủy điện Một khi điện năng được sản

Trang 19

phát điện đến khu vực tiêu dùng Để phân phối điện năng tới các khách hàng cuối cùng với hệ thống điện áp thấp ( hệ thống phân phối) là được sử dụng

Vai trò trong khâu tiêu thụ bao gồm quản lý các hợp đồng, hóa đơn thanh toán và các chức năng kết toán

Ngay cả sau khi phi điều tiết, kinh doanh truyền tải và phân phối được nhìn nhận vẫn là độc quyển tự nhiên Nói cách khác, có thể phát biểu rằng,

cần thiết để có một công ty riêng nắm quyền hệ thống đối với một khu vực cố

định Hệ thống có thê được vận hành bởi một đối tượng nào đó mà không nắm quyền đối với nó Từ khi hệ thống được sử dụng bới các công ty mà đang

vận hành trong việc kinh doanh ở khâu phát và tiêu thụ, người vận hành hệ

thống là một thực thể độc lập có khả năng đảm bảo sự công bằng và minh bạch của việc sử dụng hệ thống này

Điều cần thiết để có một công ty truyền tải độc quyền là kết quả quan

trọng để tối ưu kết cấu của hệ thống và tránh các cấu trúc không hiệu quả Các

thực thể truyền tải và phân phối là các công ty được điều tiết chung trên cơ sở thương lượng trước dựa trên sự công bằng Gần đây,trên thế giới hiện tượng các công ty truyền tải buôn bán đang tăng lên đối với một số sự án đặc biệt như là kết lưới DC giữa các khu vực với nhau Các dự án này không bị điều tiết và có thể thu nhiều lợi nhuận trong điều kiện của khu vực có tắc nghẽn cao Khâu phát điện và tiêu thụ là một phần của nền công nghiệp điện năng mà nói chung nên được tư nhân hóa và phi điều tiết

Sự giới thiệu về sự cạnh tranh và khả năng tạo ra lợi nhuận của một số thành viên mới tham gia thị trường là sự khuyến khích để tăng sự năng động của các công ty mới trong sự tham gia ở thị trường điện và để thu hút một

lượng lớn tài chính từ các nhà đầu tư Ở thị trường phát điện đôi khi được

xem như là thị trường bán buôn, là khâu đầu tiên của ngành điện được phi

Trang 20

choi méi ma tham gia choi trong thi trường bán buôn IPP là các đơn vị phát

công suất được xây dựng dựa trên các qui định của hợp đồng dài hạn: PPA (hợp đồng mua bán điện năng) Chủ sở hữu IPP muốn làm giảm bớt các rủi ro- đầu tư với một hợp đồng mà bảo đảm sự phục hồi của các rủi ro tiền tệ IPP được khuyến khích mạnh bởi các chính phủ trong cuối những năm 80

Đối tượng phát triển của một môi trường kinh doanh nhằm tạo sự thích

nghỉ để dễ dàng hoạt động trong sự cạnh tranh Sự bán lẻ (tiêu thụ) của thị

trường nói chung được phi điều tiết theo nhiều bước Lý do chính là sự bảo vệ cho các khách hàng nhỏ từ các rủi ro từ thị trường Trong bước đầu tiên, các khách hàng lớn có thể chọn nhà cung cấp và tham gia trực tiếp vào trong thị trường bán buôn Trong bước này, các công ty phân phối địa phương hoặc các thực thể được điều tiết khác như là một người mua duy nhất chịu trách nhiệm về nguồn cung tới khách hàng không đủ tư cách Trong bước tiếp theo, khi mà thị trường bán buôn đã “chín” (hoàn thiện), tất cả thị trường bán lẻ được mở

cửa đề cạnh tranh Vào thời điểm này, một số thực thể (thành phan) như là các

công ty bán lẻ, đối tượng cung cấp các dịch vụ năng lượng được thâm nhập vào thị trường

Thị trường bán buôn có thể được vận hành theo phương pháp song phương hoặc tập trung, Điều thuận tiện của việc có một thị trường tập trung là có khả năng tạo ra một tín hiệu giá minh bạch tới mọi thành phần tham gia thị

trường Sự giới thiệu về thị trường cũng là một sự khuyến khích cho các nhà

môi giới và người kinh doanh để thâm nhập tham gia vào trong việc kinh

doanh điện năng Các đối tượng này (môi giới và kinh doanh) có một vai trò khá quan trọng trong việc phát triển của một thị trường “chín muổi”: họ đảm bảo khả năng thanh toán và thông tin hữu ích cho các người chơi khác

Hình I.1 mô tả mối quan hệ giữa các người chơi (tham gia thị trường)

Trang 21

diện cho các hợp đồng và trao đổi tiền tệ; các đường liên tục mô tả công suất

trao đổi điện năng Khâu phát điện sử dụng lưới truyền tải và hệ thống phân

phối để cung cấp điện năng tới các khách hàng cuối cùng Các giao dịch tiền tệ có thể xảy ra giữa khâu phát, bán lẻ, người kinh đoanh và các cấu trúc thị trường Người vận hành lưới truyền tải thu thập các thông tin thị trường ( đường màu vàng) để đảm bảo Sự cung cấp (truyền tải) vật lý (tự nhiên) của điện năng ] Phát điện lL “we | IPP | | BOT | | NM khác Truyền tải Thị trường Phân phối Bán lẻ Công ty phân Khách hàng Khách hàng Khách hàng

Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần tham gia trong thị trường điện

1.3 Cấu trúc thị trường điện

1.3.1 Mô hình tập trung

Ở thị trường tập trung, người mua duy nhất mua tất cả điện năng và các

sản phẩm liên quan (tới điện năng) Các máy phát không được tự do chọn lựa

bên được ký hợp đồng và chúng bị ép buộc bán điện năng thông qua cơ cấu

Trang 22

cho đến năm 2001 Thị trường tập trung, cũng được biết như là thị trường bắt buộc, có thuận lợi để tập trung mọi quyền vận hành năng lượng vào tay của thị trường hoặc người vận hành lưới truyền tải; theo cách này nó thể tránh được một số vấn để của việc phối hợp thực hiện giữa các bên tham gia.Tuy nhiên với mức độ cao của sự điều tiết thì nó không cho thị trường phát triển toàn diện, điều này gây ra ảnh hưởng không tốt tới các khách hàng Ví dụ ở

Anh thì có thể nhận thấy được tập trung quyền lực của thị trường, sự cá cược

và giá không công bằng

kg J oe —

Hình 1.3 Mô hình thị trường điện tập trung

Thị trường tập trung hoạt động như sau:

Công ty phát điện chào thầu cung cấp một lượng điện nào đó với mức giá nhất định trong giai đoạn xem xét Giá chào thầu được xếp theo trật tự tăng giá Từ trật tự này, một đường cong biểu diễn giá chào thầu khi xây dựng một chức năng về số lượng giá chào bán luỹ tích Đường cong này là đường cung của thị trường

Trang 23

dùng đưa ra giá nêu rõ số lượng, đơn giá và sắp xếp giá này theo thứ tự giảm dần Vì nhu cầu về điện không co dãn lớn, bước này đôi khi bị loại bỏ và nhu cầu được lập ở mức giá trị quyết định bằng cách dự đoán phụ tải Tóm lại, đường cầu được xem là đường thẳng đứng tại giá trị phụ tải dự đoán được

Điểm giao nhau giữa đường cung và đường cầu là điểm cân bằng của

thị trường Giá chào đưa ra với mức giá thấp hơn hoặc bằng giá thị trường

được chấp nhận và máy phát điện phải hoạt động để phát công suất đáp ứng yêu cầu của giá đã được chấp nhận Tương tự, chấp nhận tất cả giá mua lớn

hơn hoặc bằng giá thị trường và người tiêu dùng được thông báo số lượng công suất mà họ đã dùng từ hệ thống

1.3.2 Mô hình song phương

Trong mô hình phi tập trung hoặc song phương thì toàn bộ điện năng được bán thông qua các hợp đồng song phương Loại thị trường này mang lại cho các công ty phát điện một mức cao về sự tự do nhưng nó lại tạo ra các

vấn đề về sự kết hợp giữa các người chơi trong thị trường Ví dụ một mô hình là NETA ở UK và ở Nhật Một vài sự trao đổi năng lượng hoặc dịch vụ môi

giới có thể được thực hiện trong cấu trúc của thị trường này nhưng chúng không bắt buộc và nói chung, chúng không có bất cứ trách nhiệm nào trong việc cung cập điện năng

=

Người ban Ñ -. > Nguoi mua

Ga ee

$

Hình 1.4 Mô hình thị trường điện song phương

Tuyỳ thuộc vào thời gian và số lượng mua bán, kinh doanh, bên mua và

bên bán phải sử dụng các hình thức kinh doanh song phương khác nhau:

- Hợp đồng dài hạn: Các điều khoản trong hợp đồng này phải linh hoạt

Trang 24

hai bên Hợp đồng thường liên quan đến việc bán một lượng công suất lớn (hàng trăm hay hàng ngàn MW) trong một thời gian dài (vài tháng đến vài năm)

- Thị trường giao dịch ngoại hối: Giao dịch này liên quan đến lượng điện năng nhỏ được phân phối theo mặt bằng tiêu chuẩn, nghĩa là, một định nghĩa tiêu chuẩn hoá về điện năng được phân phối trong suốt các giai đoạn khác nhau trong ngày và tuần,

- Giao dịch điện tử: Bên tham gia có thể yêu cầu mua điện và đấu giá

để bán điện trực tiếp trong một thương trường trên máy tính Tất cả những

người tham gia vào thị trường có thể quan sát số lượng và giá cả mời chào, nhưng không biết mỗi bên chào giá bao nhiêu Khi một bên đưa ra một giá

bán mới, phần mềm sẽ chạy chương trình kiểm tra việc đổi giá đó dé xem liệu

có phải là một giá chào thích hợp thì sẽ hiển thị giá và số lượng cho tất cả những người liên quan xem

Đặc điểm quan trọng của thị trường song phương này là giá của mỗi lần

giao dịch do các bên liên quan thiết lập một cách độc lập

1.3.3 Mô hình hỗn hợp

Trong mô hình hỗn hợp, một máy phát được tự do để bán điện năng của

mình tới khách hàng kí hợp đồng dựa vào giao dịch song phương cơ bản, nhưng nó cũng có thể quyết định bán điện năng của mình thông qua một người vận hành thị trường mà để hợp tác giao dịch và đảm bảo nhiều sự ổn

định và it rủi ro

Trang 25

thống truyền tải (PJM) hoặc hệ thống truyền tải có thể bị vận hành độc lập từ

thị trường (mô hình trước ở Cali)

1.4 Thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam

1.4.1 Mục tiêu của thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam

Tạo môi trường cạnh tranh rõ ràng trong khâu phát điện: Hoạt động của thị trường trong khâu phát điện thông qua các qui định cụ thể của các giao

dịch và quá trình thanh tốn, một mơi trường cạnh tranh sẽ được tạo ra để các

bên tham gia có cơ hội hoạt động theo cơ chế thị trường

Giảm chỉ phí sản xuất trên cơ sở phải cạnh tranh giá bán điện: Trong cơ chế thị trường, người sản xuất và cung cấp điện phải quan tâm đúng mức đến

đầu tư phát triển và nâng cao hiệu quả vận hành, nhằm mục tiêu giảm chỉ phí

nâng cao khả năng cạnh tranh của nhà máy điện

Nâng cao trách nhiệm của bên sản xuất điện: Tài sản của ngành điện hiện nay chủ yếu vẫn thuộc sở hữu của Nhà nước, cơ chế tổ chức quản lý tập trung nên trách nhiệm đối với hiệu quả sản xuất kinh doanh và phát triển của các nhà máy điện còn hạn chế Khi chuyến sang thị trường điện cạnh tranh, các nhà máy điện sẽ phải tự cân bằng thu chi, tức là phải chịu trách nhiệm bảo quản tài sản, chỉ tiêu tiền vốn, phát triển và nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng, kết quả hoạt động kinh doanh sẽ gắn liền với sự tồn tại của chính các nhà máy điện,

Thị trường phải tạo được môi trường hấp dẫn và khuyến khích các nhà

đầu tư: Hiện nay với tốc độ phát triển của phụ tải vào khoảng 17%/năm, theo

tính toán thì cần phải đầu tư khoảng 2 tỷ USD/năm cho đến năm 2020 Vì vậy

cần phải có một môi trường hấp dẫn để khuyến khích các nhà đầu tư vào

ngành điện

Thị trường điện cần đảm bảo cung và cầu điện năng cho nền kinh tế

Trang 26

Vì ngành điện có vai trò quan trọng cũng như ảnh hưởng một cách trực

tiếp đến nền kinh tế

1.4.2 Các giai đoạn phát triển

Theo EVN, lộ trình thị trường điện lực được hình thành và phát triển qua 3 cấp độ (mỗi cấp độ có một bước thí điểm và một bước hoàn chỉnh)

Cấp độ 1 : Thị trường phát điện cạnh tranh (2005-2014):

a- Bước I: Thị trường phát điện cạnh tranh thí điểm: Từ 2005-2008, sẽ

thực hiện thị trường phát điện cạnh tranh giữa các nhà máy điện thuộc EVN

theo mô hình một đơn vị mua duy nhất do EVN quản lý

Nhà máy điện của EVN Nhà máy điện khác

J

Trang 27

> : Ban leé dién

b- Bước 2: Thị trường phát điện cạnh tranh hoàn chỉnh: Từ 2009-2014 sẽ

thực hiện thị trường phát điện cạnh tranh hoàn chỉnh, các nhà máy điện độc lap (independent Power Plant: IPP) không thuộc sở hữu của EVN tham gia chào giá để bất đầu thị trường cạnh tranh hoàn chỉnh

Cấp độ 2: Thị trường bán buôn điện canh tranh (2015-2022):

a- Bước 1: Thị trường bán buôn điện cạnh tranh thí điểm (2015-2016)

sẽ thực hiện thị trường bán buôn điện cạnh tranh thí điểm khi các điều kiện được đáp ứng Hình thành một số đơn vị bán buôn mới để tăng cường cạnh tranh trong khâu mua bán điện Các đơn vị phân phối, vận hành, điều hành giao dịch thị trường điện do EVN quản lý

b- Bước 2: Thị trường bán buôn điện cạnh tranh hoàn chỉnh (2017-

2022):

Giai đoạn này cho phép các công ty phân phối điện thuộc EVN được

chuyển thành các công ty độc lập để mua điện trực tiếp từ các đơn vị phát

Trang 28

Điều độ hệ thống Ním EVN góp Nm độc lâp với EVN 3 a +Ã Thí trường mua bán điện giao ngay Điều 1L Tiết Đyvị bán buôn điện }

Công ty truyền tải điện , 1

Công ty phân phối điện af — Đvị bán lẻ điện - 4 Lý Khách hàng 4 A : | Khách hàng Hình 1.6 Mô hình thị trường bán buôn cạnh tranh 2015-2022 Chủ thích: +— > > t -p + + Điều độ theo phương thức Hợp đồng có thời hạn

Chào giá cạnh tranh

Mua, bán giao ngay

Điều hành giao dịch trên thị trường điện lực

Tác động của cơ quan điều tiết điện lực

Cấp độ 3: Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh(sau 2022):

Trang 29

đáp ứng Lúc đó sẽ lựa chọn một số khu vực lưới phân phối có gui mô thích

hợp để thí điểm

b- Bước 2: Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh hoàn chỉnh (sau 2024): Căn cứ mức độ tiêu thụ điện do Cục Điều tiết điện lực quy định, các khách hàng sử dụng điện trên toàn quốc được lựa chọn nhà cung cấp điện cho mình, hoặc mua điện trực tiếp từ thị trường 1 ¥ Ỳ Ỷ y

_ 4 _.| Công ty phát Phát điện của các thành phần

tự dignctaNN |“ >> >>> ' kinh tế trong và ngoài nước

` x !

Am — Am ở ‘

" x

vn Thị trường mua bán “ | _ Điều độ và

a dign giao ngay || điều hành thị

rt ~ ¡| trường

ry Dyj truyén tai điện '

tà Đyi PP điên Dvi PP dién |M ' .! Bán (ETT: fab 4 Ã Ỷ r Khách hàng Hình 1.7 Mô hình thị trường bán lẻ cạnh tranh sau 2022 Chú thích:

Trang 30

1.4.3 Những nét cơ bản của VietPool

Cuối tháng 9 năm 2006, Cục Điều tiết Điện lực (Bộ Công nghiệp) và Tư

vấn Soluziona (Tây Ban Nha) phối hợp tô chức hội thảo “Mô hình thị trường

phát điện cạnh tranh một người mua” nhằm tìm ra mô hình thích hợp trong quá trình cải tổ ngành điện và phát triển thị trường điện lực Theo đó, mỗi cấp

độ của thị trường điện sẽ thực hiện 2 bước là thí điểm và hoàn chỉnh Bước thí

điểm của thị trường phát điện cạnh tranh sẽ thực thực hiện mô hình thị truờng điện một người mua duy nhất (Single buyer: SB): cdc nha may ban dién cho SB va SB phân phối lại cho các công ty điện lực thống qua hệ thống truyền tải điện Các nhà máy tham gia thị truờng sẽ dành (90-95)% sản lượng điện để ký hợp đồng dài hạn với EVN; phần còn lại cung cấp trên nguyên tắc cạnh tranh phát điện Như vậy, các công ty điện lực sẽ phải mua một phần sản lượng trong giờ cao điểm theo giá thị trường để bù vào phần mua không được theo giá nội bộ Điều nảy sẽ tạo ra tín hiệu tích cực về giá của thị trường điện

để thu hút các nhà đầu tư Đối với các nhà máy độc lập, EVN sẽ dựa vào giá

hợp đồng mua bán điện và các điều khoản đã ký trong hợp đồng để lập bản giá Từ năm 2011 trở đi các nhà máy phát điện độc lập sẽ tham gia chào giá để bắt đầu thị trường phát điện cạnh tranh hoàn chỉnh, các đơn vị phát điện sẽ

bán điện lên thị trường thông qua các hợp đồng và chào giá cạnh tranh trên thị

trường

Để phù hợp với cấp độ 1, mô hình thị trường điện theo kiểu “ngày tới” được giới thiệu tại VN Trong đó EVN đóng vai trò như người mua duy nhất,

lên lịch hoạt động của các nhà máy, dự báo phụ tải cũng như việc định giá

giao dịch trên thị trường

Trang 31

hạn với EVN Thêm vào đó, để tránh sự mạo hiểm khi tham gia thị trường thì EVN đóng vai trò như là người mua duy nhất

Trang 32

CHƯƠNG 2

VẬN HÀNH TÓI ƯU CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1 Đặc tính chi phi tỗ máy nhiệt điện

2.1.1 Chỉ phí vận hành của tỗ máy nhiệt điện

Các yếu tố ảnh hướng trực tiếp đến hàm chỉ phí là hiệu quả vận hành máy phát điện, giá nhiên liệu và tôn thất điện năng truyền tải Một máy phát với hiệu suất cao trong hệ thống cũng khong đảm bảo cực tiểu hàm chỉ phí

nếu như máy phát đó đặt ở vùng có giá nhiên liệu cao Mặt khác nếu các nhà

máy nằm xa trung tâm phụ tai, ton thất điện năng truyền tải có thể rất cao và vì thế cũng có thể không kinh tế Nhự vậy vấn đề ở đây là xác định công suất

phát của các nhà máy sao cho tông chỉ phí vận hành là bé nhất

Mỗi máy phát điện được chế tạo với công nghệ khác nhau và có các thông số kỹ thuật khác nhau, do đó hiệu quả sử dụng sẽ khác nhau Hiệu quả

kinh tế này được đánh giá bằng lượng chỉ phí nhiên liệu cho việc phát ra một

đơn vị công suất Tại cùng một thời điểm do có sự khác nhau về giới hạn công suất, chế độ vận hành nên có sự khác nhau về chỉ phí nhiên liệu

Đại lượng đầu vào của nhà máy nhiệt điện có thể ở dạng tông nhiệt

lượng tốn hao trong một giờ có đơn vị Btu/h hoặc là tổng chỉ phí tiêu tốn qui

ra tiền trong một giờ C\$/h)

1Btu = 1055,056 J = 252 Calo = 0,2931 Wh

Trang 33

NI Chỉ phí C, Btu/h (/h) P (MW) P (MW) Hình 2.1 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu và chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện

Đầu ra là lượng công suất tác dụng phát vào hệ thống đơn vị là MW

Đặc tính tiêu hao nhiên liệu có thể được tính toán dựa trên thiết kế máy

phát hoặc đo đạc từ thực nghiệm và được thể hiện bằng các đường cong hay bảng số

2.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu

Giả sử tại một thời điểm làm việc công suất của tổ máy là P„ (MW)

tương ứng với tiêu hao nhiên liệu là B„ (kgNl⁄h) Suất tiêu hao năng lượng của

tổ máy khi làm việc tại điểm a là:

B

Pp (kgNI/MW) (2.1)

6, =

2.1.3 Suất tăng tiêu hao nhiên liệu

Chính là đạo hàm cấp một của đại lượng tiêu hao nhiên liệu với công

suất phát, giá trị này cho biết tốc độ thay đổi nhiên liệu khi thay đổi công suất

phát của tổ máy

E= SF tkeN MW) (2.2)

Ứng với công suất phát nhỏ thì ồ > s Khi tăng công suất phát lên thì ỗ

Trang 34

phát lúc này gọi là công suất kinh tế Py, vì tại đây suất tiêu hao nhiên liệu là

bé nhất

2.1.4 Suất tăng chỉ phí nhiên liệu

Suất tăng chỉ phí nhiên liệu là đạo hàm cấp một chủa lượng chỉ phí nhiên liệu theo công suất phát - Đặc tính chi phí nhiên liệu có dạng giống

như đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu và có đơn vị là $/h

Thực tế đặc tính chỉ phí nhiên liệu của máy phát thir i có thể cho dưới dạng hàm bậc hai C, =a, + BP + 7,P?($/h) (2.3) Khi đó suất tăng chi phí nhiên liệu có dạng: dc — =2yP + B ($/MWh) (2.4) dP, % a

Hình 2.2 Suất tăng chỉ phí nhiên liệu

2.1.5 Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của tổ lò hơi - tuabin P,

Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu e của nhà máy nhiệt điện được

xây dựng trên cơ sở các suất tăng tiêu hao nhiên liệu lò hơi e¡ và của tuabin

tị

Trước hết ta xét đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của tổ máy gồm

Trang 35

| Lo hoi

Hinh 2.3 M6 hinh 16 hoi tuabin

Trong đó: B là Nhiên liệu vào lò hơi, Q là nhiệt lượng và P là công suất cơ cho máy phát điện

Trang 36

Từ đặc tính e¡ ,sr xây dựng được đường đặc tính suất tăng tiêu hao nhiêu liệu e của tổ máy theo biểu thức (2.3) Đặc tính như trên hình 2.5

&

P

Hình 2.5 Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của tô máy

Việc thành lập đặc tính suất tăng chỉ phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt

điện phải dựa trên suất tăng chỉ phí nhiên liệu của tổ máy, và tuân theo nguyên lý cân bằng suất tăng = của các tổ máy nhằm đạt phân bố tối ưu công suất giữa chúng, khi công suất chung của cả nhà máy đã được qui định theo mục tiêu tối ưu toàn hệ thống

2.2 Thành lập bài toán phân bố tối ưu công suất 2.2.1 Bài toán bỏ qua tốn thất

Xét hệ thống gồm N tổ máy nhiệt điện cùng nối vào một hệ thống thanh

góp cung cấp điện cho phụ tải có công suất Proad- Đặc trưng cho nhiên liệu

đầu vào và công suất đầu ra của các tổ máy là F, và P, Tổng chỉ phí của hệ thống được tính bằng tổng chỉ phí của từng tổ máy riêng lẻ Ràng buộc cần thiết của về hoạt động của hệ thống này là tổng công suất phát ra của các tổ

máy phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải

Trang 37

của phụ tải Lưu ý rằng ton thất truyền tái được bỏ qua và các giới hạn vận hành đều không được xét đến khi giải bài toán này Fr=Fi + F¿ + F; + + EN (2.7) N =F) 11 N ®=P,„ — > P, =0 (2.8) 5 Phoad ~ -4 E< =*}<

Hình 2.6: N tổ máy nhiệt điện cùng cung cấp cho phụ tải Poa¿

Để xác định các điều kiện cần thiết của các giá trị hàm mục tiêu, thì

thêm ràng buộc vào hàm mục tiêu bằng cách nhân với ràng buộc một hệ số

chưa xác định Hàm này được biết là hàm Largrane :

L=Fr+Aœ (2.9)

Bài toán sẽ có N + 1 biến, với N ẩn là giá trị công suất của các tổ máy

nhiệt điện P„ ẩn còn lại là hằng số 1 Đạo hàm của hàm Lagrange theo hệ số nhân chưa xác định đơn thuần chỉ là trả lại hàm ràng buộc Mặt khác N phương trình còn lại là kết quả khi ta lấy đạo hàm của hàm Lagrange theo

công suất P, của N tổ máy, được viết như sau:

aL _ 4Œ) oP, dP

Trang 38

đẺ _ =0 dP, 1

Hoặc

2.2.2 Bai toán xét đến tốn thất công suất

Chúng ta vẫn xét bài toán N tổ máy nhiệt điện, khi xét đến tổn thất

công suất truyền tải từ nhà máy đến phụ tải thì ràng buộc bài toán được viết

lại như sau : N Proad + Prose _»P, =0 1l 1 cm n m9 (2.11) P — 2 loss L Re Ly l Oss | I † I Ploaa 1 I I =s | N —|{ }—— Fy” Py i

Hình 2.7 : Hệ thống N tổ máy cung cấp cho phụ tải có xét tổn thất

Trang 39

2.3 Giải bài toán phân bố kinh tế bằng phương pháp lagrange

Tu bai toan Lagrange ta co phuong trinh Lagrange :

LP) = FrŒ) + AD Điều kiện cực trị của hàm L(P,)

aL OF, , a®

— oP, oP, = +ArA—=0 OP,

OL AF 4 8 oP, oP, oP,

(2.13) 0

Với lượng tiêu hao nhiên liệu tổng F bằng tông các lượng tiêu hao nhiên liệu F(ŒP,) ở các tổ máy nhiệt điện Nên :

OF _OF®) 3FŒ,), ,2FŒ,)

oP, oP + oP t tC

Xem sy thay đổi tiêu hao nhiên liệu F(P;) của nhà máy thứ ¡ không phụ thuộc vào công suất phát ra P¿ từ nhà máy k, nghĩa là:

OF(P,) _ 0; i#k

9P, r (2.14)

9F) ¬ ca UA ke LA ht eta cas

pte : La suat tang tiéu hao nhién liéu cua nhà may i; ndéi lén nhip độ tăng nhiên liệu của nha may ¡ khi tăng công suất P; phát ra Giá trị e¡ phụ

Trang 40

Coi Pioss = const, nghia la tén that trong mạng điện không phụ thuộc

vào sự thay đổi công suất phát P; từ các tổ máy điện, vì vay:

2®

oP =1 (2.16)

Từ các biểu thức 2.13 sau khi khir gid tri A ta được:

€) = &) = = &y

Do đó khi không xét đến sự biến động của phụ tải Pụaa và coi tổn thất

công suất tác dụng trong mạng điện P;s„„ là không đổi thì công suất phát P; của các tổ máy điện nhận giá trị tối ưu khi thỏa mãn điều kiện cân bằng suất tiêu hao nhiên liệu s¡ giữa các tổ máy

Tiếp theo cần xác định điều kiện cực tiểu của hàm mục tiéu Fy: 2 ® È >0 hoặc đ?L > 0 aP Từ công thưc Lagrange ta có: PL = dF +Ad?b Trong đó: 2 2 2 dr= SG OP; „2 S0), ,2 FứN) 9P; aP2 (2.17) 3ˆ®Œ@,) 3ˆ®Œ,) 3?đ,) d?âđ=_1 te N-=0 2.18 oP? * ap? aa aP, (2.18) Do đó: Cỏ F đÌL= ap? Như vậy để tiêu hao nhiên liéu cé gid tri cuc tiéu, nghia 1a d°F > 0 thì À A ? ~ ` x x 5 A ~ A

phải thỏa mãn điêu kiện = >0, nghĩa là đường đặc tính suât tăng tiêu hao