Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông đà trong mùa cạn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Hồ Sỹ Dự Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Hà Văn Khối Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Duy Hạnh, Hội đập lớn Việt Nam Phản biện 2: GS.TS Lê Đình Thành, Trường Đại học Thủy lợi Phản biện 3: TS Nguyễn Viết Phách, Viện Năng lượng - Bộ Công Thương Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU T nh c p thi t củ t i Trong lĩnh vực phát triển thủy điện, vấn đề nghiên cứu quy trình vận hành tối ưu nhằm khai thác bền vững nguồn tài nguyên xu quan tâm cấp bách nhạy cảm tình hình khí hậu tồn cầu có biến đổi tiêu cực Chính phủ ban hành quy trình vận hành liên hồ chứa cho hệ thống sông lớn, nhiên quy trình vận hành liên hồ chứa xây dựng sở tính tốn đảm bảo an tồn cơng trình mùa lũ Việc xây dựng “Quy trình” khơng phải dựa nguyên lý tối ưu lợi ích ngành tham gia lợi dụng tổng hợp nguồn nước mà chủ yếu sở tính tốn điều tiết lũ đảm bảo an toàn chung cho hệ thống, giảm thiểu ngập lụt hạ lưu cơng trình Trong mùa mùa cạn “Quy trình vận hành liên hồ chứa” khơng quy định nguyên tắc cụ thể việc vận hành liên hồ, chưa xuất phát từ vận hành tối ưu hệ thống cơng trình lợi ích cơng trình tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu đưa quy định bắt buộc để đảm bảo dòng chảy tối thiểu hạ lưu hệ thống bậc thang Khi vấn đề an tồn cơng trình khơng bị đe dọa việc vận hành tối ưu hệ thống liên hồ cần thiết, đem lại lợi ích cho cơng trình cho tồn xã hội Do nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu, đặc biệt vận hành tối ưu mùa cạn cần thiết toán phức tạp chưa giải đầy đủ cần đầu tư nghiên cứu Nội dung nghiên cứu đề tài tập trung vào nghiên cứu sở khoa học, xây dựng thuật tốn mơ hình tốn tối ưu điều tiết hồ chứa bậc thang thủy điện Kết phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hợp lý bền vững hệ thống liên hồ chứa đảm bảo tối ưu khai thác lượng, cấp nước hạ lưu ổn định bền vững mùa cạn Việc nghiên cứu áp dụng kiểm nghiệm bậc thang thủy điện Sơn La – Hòa Bình hệ thống sơng Đà Lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sông Đà mùa cạn” với mong muốn nghiên cứu sở khoa học để xây dựng chế độ vận hành tối ưu hồ chứa bậc thang thủy điện nhằm nâng cao hiệu phát điện đảm bảo cấp nước hạ du Kết nghiên cứu sử dụng làm công cụ hỗ trợ định vận hành cơng trình hồ chứa bậc thang thủy điện nói chung Mục ti u nghi n cứu củ lu n n  Nghiên cứu sở khoa học nhằm xây dựng mơ hình tốn tối ưu điều tiết phát điện cấp nước hệ thống bậc thang thủy điện với mục đích sử dụng làm cơng cụ hỗ trợ định vận hành cơng trình hồ chứa bậc thang thủy điện  Phân tích tiêu chuẩn tối ưu áp dụng cho toán vận hành hệ thống bậc thang thủy điện có xét tới nhiệm vụ cân hệ thống điện nhằm nâng cao hiệu lợi dụng tổng hợp, đảm bảo cấp nước ổn định, an toàn hạ lưu  Áp dụng phương pháp tối ưu hóa luận án đề xuất cho hệ thống cụ thể nhằm kiểm chứng tính đắn hợp lý phương pháp kiến nghị Đối tượng v phạm vi nghi n cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện làm nhiệm vụ cấp nước phát điện cấp nước hạ du theo yêu cầu lợi dụng tổng hợp Phạm vi nghiên cứu: Bài tốn mơ tối ưu vận hành cho hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện có kết hợp cấp nước đáp ứng yêu cầu dòng chảy hạ du, tham gia cân lượng cho hệ thống điện Nghiên cứu tập trung vào toán vận hành thời kỳ mùa cạn áp dụng cho bậc thang thủy điện Sơn LaHòa Bình sơng Đà với nhiệm vụ phòng lũ khơng thuộc phạm vi nghiên cứu luận án Phư ng ph p nghi n cứu Luận án sử dụng phương pháp: Phương pháp kế thừa, Phương pháp phân tích tổng hợp, Phương pháp mơ hình tốn Nh ng ng g p m i củ lu n n  Phát triển thuật toán quy hoạch động chiều DP-DP áp dụng cho toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Xây dựng mơ hình phát triển phần mềm tính tốn tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện có cấu trúc bậc thang đơn, bước đầu áp dụng thành công cho hệ thống hồ chứa Sơn La-Hòa Bình sơng Đà  Đưa tiêu chuẩn lợi ích điện có xét đến chế độ làm việc trạm thủy điện cân phụ tải hệ thống điện vào mơ hình tốn tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang mùa cạn mang lại tính hợp lý hiệu việc vận hành tối ưu C u tr c củ lu n n Luận án gồm 136 trang, 18 bảng, 23 hình vẽ 81 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu lĩnh vực vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Chương 2: Cơ sở khoa học vận hành tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện Chương 3: Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện sông Đà mùa cạn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN 1.1 Nguy n lý chung v v n h nh hồ thủy iện 1.1.1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối Khi khả dự báo dòng chảy đến hồ khơng đủ tin cậy, để đảm bảo cho hồ chứa hệ thống hồ chứa cấp nước ổn định đáp ứng yêu cầu sử dụng nước hộ dùng theo mục đích sử dụng tổng hợp, tốt hết sử dụng biểu đồ điều phối Có loại biểu đồ điều phối sử dụng: (i) Biểu đồ điều phối thông thường: lập theo yêu cầu sử dụng nước không tối ưu hóa; (ii) Biểu đồ điều phối tối ưu: loại biểu đồ xây dựng sở nghiên cứu tối ưu trình vận hành hồ chứa; (iii) Biểu đồ điều phối hồ chứa thuộc hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp: loại biểu đồ điều phối xây dựng sở làm rõ vai trò cấp nước nhiệm vụ vận hành hệ thống Căn vào tài liệu dòng chảy lịch sử (số liệu thực đo kéo dài nhân tạo) xây dựng đường giới hạn quy định nguyên tắc vận hành hồ chứa hệ thống hồ chứa đảm bảo yêu cầu bắt buộc tối ưu mục tiêu sử dụng 1.1.2 Vận hành hồ chứa theo thời gian thực Khi có thơng tin dự báo lưu lượng dòng chảy đến đáng tin cậy thời đoạn tiếp theo, vào tình trạng hồ chứa biểu đồ điều phối người vận hành đưa định sở tính tốn hợp lý đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối vận hành theo thời gian thực, định vận hành xác lập kết tính tốn tối ưu (hợp lý) sở tài liệu dự báo dòng chảy đến tương lai, dự báo nhu cầu sử dụng nước ngành tham gia lợi dụng tổng hợp, trạng thái hồ chứa hồ chứa khác hệ thống, toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nước hạ du thời đoạn 1.2 Tổng qu n c c phư ng ph p xây dựng quy trình v n h nh hệ thống hồ mục ti u 1.2.1 Phương pháp mô Phương pháp mô giúp mô tả trạng thái hệ thống hoạt động quy hoạch thông qua biểu thức toán học tương ứng với trạng thái vận hành theo thời gian Việc mơ hình hóa trạng thái đặc trưng hệ thống giúp hiểu rõ hoạt động hệ thống từ rút quy luật để đề xuất quy trình quản lý hệ thống Một số mơ hình thông dụng: HEC-RESSIM (Resevoir System Simulation), HEC-5, MIKE11 … 1.2.2 Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa Trong trình vận hành trạng thái hệ thống thay đổi (theo thời gian) đánh giá cách lượng hóa chúng hàm mục tiêu Mơ hình mơ tả hàm mục tiêu gọi mơ hình tối ưu Các kỹ thuật tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa phát triển theo hướng sau đây:  Tối ưu tất định: Quy hoạch tuyến tính (LP); Quy hoạch phi tuyến (NLP); Quy hoạch động (DP) phát triển theo hướng khác nhau, bao gồm: Quy hoạch động vi phân (DDP), quy hoạch động sai phân (DDDP), Quy hoạch động xấp xỉ liên tục (DPSA) v.v…  Tối ưu ngẫu nhiên: Quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP); Quy hoạch động dựa quy luật mờ (DPFRB), v.v…  Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, bao gồm: Giải thuật di truyền (GA); Thuật tốn tiến hóa (EA); mạng Nơtron nhân tạo (ANN) phát triển theo nhiều hướng khác nhằm hồn thiện phương pháp tìm nghiệm tối ưu 1.3 Hiện trạng v n h nh hồ thủy iện hệ thống sông Hồng 1.3.1 Tổng quan nghiên cứu phục vụ vận hành cơng trình thủy điện- thủy lợi hệ thống sông Hồng thời kỳ mùa cạn Các hồ chứa lớn sơng Hồng có nhiệm vụ chống lũ điều tiết nước đảm bảo nhu cầu hạ lưu thời kỳ mùa cạn bao gồm hồ sau: Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà Tuyên Quang Đây hệ thống hồ chứa có quan hệ thủy lợi sử dụng đa mục tiêu, mục tiêu cấp nước, phát điện phòng lũ Các quy trình vận hành hồ chứa vận hành độc lập Quy trình vận hành liên hồ phần lớn tập trung quy định cụ thể cho thời kỳ mùa lũ nhằm bảo đảm an tồn cơng trình chống lũ cho hạ du Phần quy định vận hành phát điện mùa cạn tất quy trình chưa nghiên cứu đầy đủ, chưa xây dựng sở khoa học vững đảm bảo vận hành tối ưu cơng trình, đặc biệt cơng trình lợi dụng tổng hợp cơng trình hệ thống bậc thang thủy điện 1.3.2 Các quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sơng Hồng Chính phủ ban hành định số 1622/QĐ-TTg ngày 7/9/2015 “Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng” Quy trình đưa nguyên tắc vận hành liên hồ chứa mùa lũ mùa cạn hồ: Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tun Quang, Lai Châu, Bản Chát Huội Quảng Tuy nhiên, quy trình đưa quy định chung mực nước hồ chứa lưu lượng tối thiểu thời kỳ mùa cạn bậc cuối hệ thống bậc thang Nói chung q trình vận hành nhiều năm hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà mùa lũ tập trung nghiên cứu đầy đủ điều chỉnh phù hợp 1.3.3 Tổng quan quy trình vận hành hồ chứa mùa cạn ban hành Các cơng trình Sơn La, Hòa Bình, Tun Quang, Thác Bà vận hành theo quy trình riêng lập sở Quy trình vận hành liên hồ số 198/QĐ-TTg 1268/QĐ-TTg Quy trình vận hành liên hồ chứa kèm theo định số 1622/QĐ-TTg Thủ tướng phủ ban hành ngày 17/9/2015 Trong mùa lũ “Quy trình” gồm quy định phân phối dung tích phòng lũ đảm bảo an tồn cơng trình giảm lũ cho đồng sông Hồng Đối với mùa cạn, “Quy trình” cụ thể hóa u cầu cấp nước hạ lưu hệ thống cơng trình thành lưu lượng yêu cầu xả tối thiểu thời đoạn mùa cạn hạ lưu cơng trình bậc cuối nhánh sơng cấp I (Hòa Bình, Tun Quang, Thác Bà) Các quy định nhằm đảm bảo trì mực nước sơng Hồng thời kỳ cấp nước tăng cường vào tháng I II (thời kỳ đổ ải) 2,20m thời kỳ khác đảm bảo trì dòng chảy mơi trường giao thông 1,18m 1.4 Định hư ng nghi n cứu củ lu n n Xây dựng sở khoa học để xây dựng mơ hình tối ưu vận hành bậc thang hồ chứa thủy điện bao gồm nội dung: nghiên cứu phát triển thuật toán “Quy hoạch động” hai chiều, nghiên cứu xây dựng mơ hình tối ưu có xét đến hiệu ích tham gia cân phụ tải hệ thống điện trạm thủy điện Nghiên cứu áp dụng mơ hình cho bậc thang thủy điện Sơn La- Hòa Bình đề xuất ngun lý xây dựng vận hành biểu đồ điều phối tối ưu 1.5 K t lu n chư ng 1) Phương pháp “Quy hoạch động” có nhiều ưu điểm nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng tối ưu vận hành hồ chứa thủy điện để áp dụng giải toán tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện gặp nhiều khó khăn khối lượng phép tính lớn cần nghiên cứu phát triển phương pháp 2) Các mơ hình tối ưu vận hành hồ chứa chủ yếu xem xét tới mục tiêu lợi dụng tổng hợp điện sản xuất mục tiêu mà khơng xét đến mối liên hệ trạm phát điện với hệ thống điện lực 3) Các quy trình vận hành hồ chứa áp dụng cho hệ thống sông Hồng tập trung giải vấn đề an tồn cơng trình hạ du mùa lũ đảm bảo cấp nước tối thiểu hạ du mùa cạn mà chưa giải triệt để toán tối ưu CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN Khái quát v toán tối ưu mục tiêu 2.1.1 Hàm mục tiêu Hệ thống hồ chứa thủy điện loại cơng trình có nhiệm vụ đa mục tiêu, toán tối ưu quy hoạch vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện toán tối ưu đa mục tiêu mục tiêu phát điện 2.1.2 Các phương pháp giải toán tối ưu đa mục tiêu Để giải toán dạng (2-1) cần đưa tốn có nhiều hàm mục tiêu tốn tối ưu có hàm mục tiêu số phương pháp:  Phương pháp trọng số  Phương pháp đưa hàm mục tiêu biểu thức ràng buộc  Đưa tốn khơng ràng buộc cách thiết lập hàm Lagrange  Thiết lập hàm phạt biểu thức ràng buộc 2.1.3 Lựa chọn phương pháp tối ưu hóa Các phương pháp giải tốn tối ưu chia nhóm: Phương pháp tất định, phương pháp ngẫu nhiên phương pháp mơ hình trí tuệ nhân tạo Phương pháp tối ưu tất định coi phương pháp truyền thống bao gồm: phương pháp quy hoạch tuyến tính, phương pháp quy hoạch phi tuyến, phương pháp quy hoạch động kết hợp phương pháp Phương pháp quy hoạch động (DP) coi phương pháp hợp lý áp dụng việc giải toán tối ưu điều tiết hồ chứa thủy điện Để giảm bớt khó khăn việc ứng dụng phương pháp quy hoạch động, luận án phát triển thuật toán quy hoạch động chiều (DP-DP) để giải toán vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa, theo thuật toán quy hoạch động theo chiều thời gian giải theo mẫu toán tối ưu với biến trạng thái thuật tốn quy hoạch động theo khơng gian giải theo mẫu toán phân bổ tối ưu tài nguyên (dung tích trữ) hay trạng thái tối ưu mực nước hồ chứa hệ thống bậc thang thủy điện thời đoạn 2.2 Thi t l p toán v n hành tối ưu hệ thống hồ chứa b c thang thủy iện 2.2.1 Đặc điểm chế độ vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Các hồ chứa hệ thống bậc thang thủy điện có mối quan hệ thủy văn, thủy lực thủy lợi Quan hệ tồn đối hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện Các mối quan hệ trở nên phức tạp hệ thống hồ chứa có cấu trúc hỗn hợp Do có tồn mối quan hệ nên chế độ vận hành hồ chứa thượng nguồn tác động lớn đến khả phát điện hồ phía Ngồi ra, trạm thủy điện làm việc hệ thống điện nên chế độ vận hành chúng có liên quan với việc cân phụ tải hệ thống điện Vì vậy, nghiên cứu lựa chọn mục tiêu tối ưu cho hệ thống hồ chứa mang lại lợi ích tổng hợp hiệu phát điện toàn hệ thống bậc thang 2.2.2 Thiết lập toán vận hành tối ưu phạm vi nghiên cứu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện dòng chảy đến) - lưu lượng tổn thất bậc thứ i, thời đoạn j; - lưu lượng phát điện bậc thứ i-1, thời đoạn j; - lưu lượng xả không qua phát điện bậc thứ i-1, thời đoạn j; - lưu lượng cấp nước cho ngành lợi dụng tổng hợp lấy nước trực tiếp từ thượng lưu không qua phát điện hồ chứa i thời đoạn j - dung tích hồ chứa bậc thứ i thời đoạn thứ j, ( ); - dung tích hồ chứa bậc thứ i thời đoạn thứ j-1; - thời đoạn tính tốn tính (s),  ; Về dung tích hồ chứa: Dung tích hồ chứa xác định theo đường quan hệ dung tích mực nước thượng lưu hồ chứa: ( (2- 19) )  Các điều kiện giới hạn: + Lưu lượng xả xuống hạ lưu bậc thứ i, thời đoạn j không nhỏ lưu lượng yêu cầu tối thiểu theo yêu cầu cấp nước hạ lưu : (2- 1) + Điều kiện giới hạn làm việc turbin bậc i thời đoạn j (2- 2) + Điều kiện giới hạn mực nước: (2- 3) mực nước cao cho phép hồ chứa i thời đoạn j; nước thấp cho phép hồ chứa  Về cột nước: Cột nước trạm thủy điện xác định theo công thức: 11 mực (2- 4) Mực nước hạ lưu tuyến phụ thuộc vào lưu lượng xả xuống hạ lưu mực nước thượng lưu bậc cơng trình gối đầu xét đến điều kiện nước dềnh  Về chế độ làm việc hệ thống điện hiệu ích điện năng: Nhiệm vụ trạm phát điện đảm bảo cân lượng hệ thống điện Do để đánh giá chế độ điều tiết tối ưu hệ thống cần sử dụng tiêu chuẩn hiệu ích điện lớn (2-12) việc xác định giá trị điện phụ thuộc nhiều vào vị trí làm việc trạm thủy điện cân Hình 2-3: Sơ họa xác định vị trí làm việc TTĐ giá đơn giá công suất lượng biểu đồ phụ tải Thành phần đơn giá điện phụ thuộc vào vị trí làm việc trạm phát điện cân phụ tải điện Trên biểu đồ phụ tải ngày điển hình ngày làm việc, thứ bảy, chủ nhật) tháng tương ứng năm (hình 2-3) biết điện bảo đảm từ nguồn nước Ei,j công suất khả dụng TTĐ xác định vị trí làm việc TTĐ từ tính giá trị đơn giá trung bình Doanh thu từ điện là: (2- 5) ∑ Trong : - phần cơng suất công tác trạm thủy điện thứ i ngày tính tốn n ngày tuần: ngày làm việc, ngày thứ bảy ngày chủ nhật; - đơn giá điện thứ i ngày n tuần; giờ- khoảng thời gian tính tốn 12 = Giá điện bán điện trung bình ngày tháng khoảng thời gian tính tốn tương ứng với tháng tính theo cơng thức: (2- 6) ∑ Trong đó: tương ứng doanh thu điện số ngày làm việc tháng, doanh thu điện ngày thứ bảy số ngày thứ bảy tháng, doanh thu điện ngày chủ nhật số ngày chủ nhật tháng; ∑ - số ngày tháng tính tốn; - điện ngày trạm thủy điện thứ i; - đơn giá trung bình bán điện thời đoạn j bậc thứ i (phụ thuộc điện trung bình ngày thời đoạn công suất khả dụng) Công suất khả dụng hạn chế đặc tính turbin máy phát điện, xác định đường đặc tính vận hành tổ máy: (2- 7) - hiệu suất turbin xác định đường đặc tính turbin cách nội suy đường đặc tính vận hành hình (2-2); - hiệu suất máy phát điện lấy theo đặc tính máy phát Đối với tổ máy cơng suất lớn lấy trung bình 0,98; máy trạm thủy điện thứ i; 2.3 - số tổ - công suất lắp máy trạm thứ i Xây dựng thu t toán quy hoạch ộng DP ối v i hệ thống b c thang hồ chứa thủy iện 2.3.1 Nguyên lý chung giải toán tối ưu phương pháp quy hoạch động (DP) Bài toán quy hoạch động theo nguyên lý Bellman chia thành tập hợp toán (theo giai đoạn) thực phép tối ưu theo chuỗi giai đoạn 2.3.2 Thuật toán quy hoạch động DP-DP Để giảm bớt khối lượng phép tốn bước phân tích giải toán tối ưu lưu trữ nghiệm phục vụ bước truy hồi thuật toán Quy hoạch động ta chia tốn thành chuỗi tốn tối ưu theo nhóm trạng thái Mỗi nhóm trạng thái X bao gồm trạng thái có chung đặc điểm gọi “Trạng thái có điều kiện” Với bậc thang hồ chứa chia 13 nhóm trạng thái theo tổng dung tích trữ hồ chứa bậc thang thời điểm, có nghĩa thời điểm j trạng thái hồ chứa bậc thang nhóm tổng dung tích trữ chúng Hay hiểu thời điểm j với tổng dung tích trữ VSj (biến trạng thái) phân bổ cho m hồ chứa bậc thang với dung tính hồ Vi,j , i=1,2, , m Thuật tốn DP-DP sơ đồ hình 2-4 xem VSj tổng dung tích lượng nước trữ hồ chứa bậc thang thời điểm j biến trạng thái, j số giai đoạn ( thời gian) Biến trạng thái ( tổng dung tích) với giá trị từ VSmax đến VSmin chia thành nhiều nhóm có mức với VSi,1, VSi,2, , VSi,k, nhóm trạng thái giai đoạn j có thêm tốn phân bổ tối ưu dung tích tổng nút trạng thái (bài tốn khơng gian) tức phân chia tối ưu trạng thái trữ nước hồ bậc thang cho tổng dung tích hồ VSj,k hàm mục tiêu Fj(VSj,k,VSo) đạt giá trị lớn Thông qua quan hệ Z~V hồ chứa (biểu thức 2-19) biến trạng thái hệ thống chuyển đổi lẫn đặc trưng trạng thái mực nước hồ dung tích hồ chứa Theo thuật toán DP-DP, toán tối ưu dạng (2-11) (2-12) phân rã tích hợp lớp toán quy hoạch động: chiều thời gian (bài toán 1: Tìm trình trữ nước tổng cộng vào hệ thống hồ chứa cho hàm mục tiêu suốt thời gian vận hành đạt giá trị lớn nhất) chiều khơng gian (bài tốn 2: Tại thời đoạn tính tốn, phương án tổng dung tích trữ toán cần phân bổ cho hồ hệ thống cho hiệu phát điện tương ứng với phương án trữ lớn Đây mẫu toán phân bổ tối ưu tài nguyên) 2.3.3 Thuật toán quy hoạch động cho toán Gọi ( ) tổng lợi ích mang lại phát điện trạm thủy điện trình thay đổi tổng dung tích trữ hồ chứa từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối Cần tìm quỹ đạo thay đổi với k trạng thái thời đoạn cuối, cho hàm mục tiêu đạt giá trị lớn 14 nhất: ( (2-37) ) Ta chia thời kỳ t  tn nhiều thời đoạn nối tiếp nhau, thời đoạn Bài toán tối ưu dạng (2-37) giải theo nguyên lý tối ưu nhiều giai đoạn Bellman Ở thời đoạn thứ j ta có biểu thức tổng quát tốn tối ưu có điều kiện sau: ( Trong đó: ( ) ma [ ( ) ( (2-8) )] ) lợi ích thu thay đổi từ trạng thái đoạn j-1 sang trạng thái giai giai đoạn ) giá trị tối ưu hàm lợi ích thay đổi từ trạng thái ban đầu ( đến trạng thái ( Hình 2- 4: Sơ đồ mô tả thay đổi trạng thái theo chiều thời gian với biến trạng thái tổng dung tích trữ hồ chứa giai đoạn j-1 ) giá trị tối ưu lợi ích hay đổi từ trạng thái ban đầu trạng thái đến giai đoạn Đến thời đoạn cuối j = n giá trị hàm mục tiêu ( Với cặp quan hệ (2- 48) ) lập tất thời đoạn tính tốn, thực phép truy hồi ngược xác định quỹ đạo tối ưu toán tối ưu lập 2.3.4 Thuật toán quy hoạch động toán Trong biểu thức dạng tổng quát (2-41) giá trị ( ) thời đoạn tính tốn phụ thuộc vào phương án phân phối tổng lượng trữ mức bất 15 kỳ VSj,h cho hồ chứa hệ thống thời điểm Nhiệm vụ tốn tìm phương án phân bổ tối ưu tổng dung tích trữ cho VS j,h cho hồ chứa bậc thang thời đoạn xét j cho kết gia tăng hàm mục tiêu chuyển trạng thái từ nút đến nút trạng thái đạt giá trị lớn đạt giá trị lớn Gọi G giá trị hàm mục tiêu tối ưu phân bổ dung tích hồ chứa bậc thang, ta có: ( (2- 49) ) Để giải tốn phân bổ tối ưu dung tích trữ bậc thang hồ chứa thuật toán quy hoạch động ta tiến hành theo nguyên lý Bellman phân bổ tổng dung tích theo giai đoạn theo thứ tự i hồ chứa bậc thang Chiến lược phẩn bổ dung tích thực theo thứ tự từ hồ hệ thống bậc thang hồ Các điều kiện ràng buộc kiểm tra theo giai đoạn toán quy hoạch động DP Đến giai đoạn is mà có điều kiện ràng buộc tiên bị vi phạm quỹ đạo tối ưu đến giai đoạn bị hủy bỏ Như vậy, với phương án trữ nước ih is hồ đầu tiên, giá trị hàm lợi ích cho phương án phân bổ dung tích trữ is hồ là: ( Trong đó: ) ( ma [ ( ) ( )] (2- 54) ) giá trị tối ưu phương trữ nước is hồ chứa tương ứng với phương án trữ thứ ih; is hồ phương án trữ thứ ; mục tiêu tương ứng với phương án trữ nước phương án dung tích trữ is hồ trạng thái dung tích trữ ( ) giá trị tối ưu hàm is-1 hồ Mỗi xác định trạng thái dung tích trữ thỏa mãn điều kiện (2-52) 2.3.5 Thiết lập sơ đồ thuật tốn chương trình tính tốn Thuật tốn tối ưu tốn quy hoạch động giải theo hai bước: bước tính xi nhằm xác định trạng thái tối ưu có điều kiện, bước tính ngược 16 thực để tìm nghiệm tối ưu biến số Bài toán 2- tốn phân bổ tài ngun chương trình toán Sơ đồ khối thuật toán DP-DP trình bày hình 2-5 Hình 2- 5: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động toán điều tiết tối ưu bậc thang hồ chứa với thuật toán DP-DP (Bài tốn 1) Thuật tốn DP-DP trình bày sơ đồ hình 2-5 lập trình ngơn ngữ FORTRAN 77 2.4 K t lu n chư ng 1) Hàm mục tiêu tác giả đề xuất sử dụng để tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang thủy điện tổng lợi ích thu lớn từ việc bán điện 17 2) Giá bán điện bao gồm giá công suất phụ thuộc vào chế độ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải điện trạm phát điện nghiên cứu xây dựng thành toán độc lập sở biểu giá điện thị trường cạnh tranh 3) Thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP phát triển cho mơ hình điều tiết tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện tối ưu tổng dung tích trữ nước hồ chứa thời kỳ đồng thời phân phối tối ưu lượng nước trữ hồ chứa bậc thang Sử dụng thuật toán DP-DP giảm đáng kể khối lượng tính tốn thời gian thực q trình tính tốn nhằm mục đích vận hành hồ chứa theo thời gian thực CHƯƠNG 3.1 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Hiện trạng quy hoạch xây dựng cơng trình hồ chứa thủy lợithủy iện hệ thống sông Đ Hiện lưu vực sông Đà đưa vào vận hành cơng trình thủy điện lớn dòng (Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu, sơng nhánh Nậm Mu (phụ lưu cấp I) có cơng trình loại vừa: Bản Chát, Huội Quảng khoảng 15 công trình phụ lưu khác dung tích hồ chứa quy mô công suất không lớn, ảnh hưởng khơng nhiều đến chế độ điều tiết chung dòng chảy sơng Đà 3.2 Xây dựng mơ hình tốn v n hành tối ưu hệ thống b c thang thủy iện sông Đà Trên sở nghiên cứu quan chức năng, Chính phủ ban hành Quyết định số 1622/QĐ-TTg việc ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng” Tại văn quy định mùa cạn việc cung cấp nước chống hạn đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp khác trì dòng chảy mơi trường quy định theo mực nước hạ lưu Sơn Tây thời kỳ 15/9 đến 15/5 năm sau 1,18 m tương ứng lưu lượng 500 m³/s Trong mực nước Hà Nội thời kỳ cấp nước đổ ải vụ đông xuân (Thời kỳ tháng I+II hàng năm xác định theo lịch thời vụ hàng năm) 18 2,20 m tương ứng lưu lượng 1900 m³/s Lưu lượng tối thiểu phân chia mức tối thiểu hạ lưu hồ Hòa Bình hồ Tun Quang cho thời kỳ cụ thể Mơ hình toán tối ưu kết nối hệ thống hồ chứa, nhà máy thủy điện với hệ thống dòng chảy sơng, dòng chảy nhập lưu, khu sử dụng nước yêu cầu phải đáp ứng hạ du nút mơ hình Sơn Tây (Hình 3-2) 3.3 K t nghiên cứu t nh to n i u ti t tối ưu hệ thống b c thang hồ chứa thủy iện sông Đ Đề tài luận án chọn hệ thống hồ chứa sông Đà gồm 02 hồ: Sơn La Hòa Bình để tính tốn Hồ Lai Châu Bản Chát sử dụng số liệu hồ sơ TKKT tính tốn điều tiết với phương án thông dụng Kết tính tốn tối ưu với thuật tốn quy hoạch động lập trình ngơn ngữ FORTRAN 77 với hai phương án hàm mục tiêu tổng điện trình điều khiển lớn (Emax) tổng hiệu ích từ điện trình điều khiển lớn (Bmax) Tài liệu thủy văn 104 năm từ 1902 đến 2006 Kết tính tốn tổng hợp trình bày bảng (3-15) biểu thị qua biểu đồ hình 3-4 ÷ 3-7 có số đặc điểm bật sau: 1) Hiệu ích mơ hình vận hành tối ưu: Sử dụng mơ hình tối ưu tăng thêm khoảng 5-6 % lợi ích so với vận hành theo thiết kế (Bảng 3-15) Bảng 3- 1: Kết tính tốn điều tiết tối ưu theo tiêu chuẩn Bmax TT Tổng điện trung bình năm Đơn vị Tính theo tiêu chuẩn Bmax Theo hồ sơ TKKT Kết tính tốn Sơn La Hòa Bình Tổng cộng 106 kWh 9.702 11.195 20.897 106 kWh 9.282 10.505 19.787 2) Về trình đường mực nước hồ chứa: Từ kết tính tốn với tài liệu dòng chảy 104 năm, đường quan hệ mực nước hồ Sơn La hồ Hòa Bình ưu (hình 3-4, 3-5) cho thấy đường mực nước năm thủy văn mùa 19 cạn tương đối tập trung Trong năm kiệt mực nước mực nước hồ Sơn La gần mức nước chết MNC=175 m cuối thời kỳ mùa cạn, hồ Hòa Bình mực nước thấp lại mức 85- 92 m (mực nước chết thiết kế 80 m) Điều có ý nghĩa đến việc nghiên cứu khả nâng mực nước cuối mùa cạn hồ Hòa Bình lên mức 85,0 m cao mực nước chết Hình 3-4: Đường trình mực nước Hình 3-5: Đường trình mực nước hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Bmax hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Bmax Nếu thực tối ưu hóa theo tiêu chuẩn Bmax tiêu chuẩn Emax khoảng thời gian 15/6 đến 21/8 đường trình biến đổi mực nước năm khơng ổn định, có khác lớn năm khơng theo quy luật nào, đặc biệt khoảng thời gian từ 15/6 đến 15/9 Khoảng thời gian khoảng điều tiết chống lũ, bị giới hạn mực nước phòng lũ Vào khoảng 21/8 đường q trình mực nước năm gần hội tụ vào mực nước trước lũ Mực nước trung bình năm cuối mùa cạn 15/6 vào khoảng 185m hồ Sơn La (cao mực nước chết khoảng 10m) khoảng 9095m cao mực nước chết nhiều 3) Về công suất khả dụng: So sánh hai kết tính tốn theo hai tiêu chuẩn Emax Bmax cho thấy thời gian mực nước hồ xuống thấp vận hành tối ưu theo tiêu chuẩn Bmax cho kết mực nước hồ cao hơn, có nghĩa cột nước phát điện cơng suất khả dụng TTĐ lớn Điều ngồi hiệu ích gia tăng điện cho lợi ích cao 20 việc phủ đỉnh biểu đồ phụ tải (Hình 3-10,3-13) Hình 3-10: Đường trình mực Hình 3-13: Diễn biến công suất khả nước hồ Sơn La năm 2002-2003 theo dụng TTĐ Hòa Bình Sơn La tiêu chuẩn Bmax Emax năm 1949-1950 tính theo hai tiêu chuẩn Bmax Emax 3.4 Xây dựng quy trình v n hành hệ thống b c thang hồ S n L Hòa Bình Kết tính tốn điều tiết bậc thang hồ chứa thủy điện Sơn La- Hòa Bình cho thấy quỹ đạo mực nước 104 năm tính tốn tập trung, điều có nghĩa vẽ đường bao quỹ đạo cho ta giới hạn quỹ đạo tối ưu vận hành bậc thang hồ chứa Đưa thêm đường giới hạn công suất xả thừa vào đường bao ta có biểu đồ điều phối tối ưu để Hình 3-15: Biểu đồ điều phối hồ Thuỷ Hình 3-16: Biểu đồ điều phối tối ưu điện Sơn La hồ Thuỷ điện Hòa Bình Vùng I- Vùng làm việc với công suất bảo đảm; Vùng II- Vùng điều khiển tối ưu Vùng III- Vùng xả nước thừa; Vùng IV- Vùng hạn chế công suất bảo đảm; Đường 1- Đường hạn chế công suất; Đường 2- Đường vận hành tối ưu – giới hạn trên; Đường 3- Đường vận hành tối ưu – giới hạn dưới; Đường 4- Đường giới hạn xả thừa 21 điều khiển vận hành hồ chứa bậc thang thủy điện Các đường bao biểu đồ điều phối dùng làm giới hạn để tính tốn điều tiết phát điện có dự báo thủy văn thời gian thực (dự báo ngắn hạn) dự báo dài hạn khoảng thời gian năm Nếu sử dụng mơ hình tối ưu để tính tốn mơ hình ngồi điều kiện ràng buộc giới thiệu ta đưa thêm điều kiện ràng buộc mực nước giới hạn sở tính tốn tối ưu với năm thủy văn lịch sử 3.5 K t lu n chư ng 1) Kết tính tốn điều tiết tối ưu bậc thang thủy điện Sơn La- Hòa Bình với liệt 104 năm cho thấy điện lượng trung bình năm tăng khoảng % so với mức tính tốn thiết kế sử dụng kết tính tốn theo ngun lý thơng dụng (khơng tối ưu hóa) Điều cho thấy hợp lý mơ hình tin cậy phần mềm 2) Sử dụng tiêu chuẩn lợi ích điện lớn (Bnn→max) cho thấy hiệu kinh tế mang lại so với sử dụng tiêu chuẩn điện lượng năm lớn mà mơ hình tối ưu thường sử dụng (Enn→max) khoảng 1,7% Việc sử dụng hàm mục tiêu Bmax giải mối liên hệ việc tối ưu điện cân công suất hệ thống điện Việc sử dụng tiêu chuẩn lợi ích điện tồn q trình tính tốn cho thấy việc lựa chọn trạng thái ban đầu hệ thống bậc thang không ảnh hưởng đáng kể đến kết tính tốn 3) Kết tính tốn theo tiêu chuẩn tối ưu Bmax cho thấy mực nước hồ Hòa Bình cuối mùa cạn năm vận hành nên đặt mực nước cao mực nước chết biểu đồ điều phối sử dụng 4) Xây dựng biểu đồ điều phối tối ưu vận hành bậc thang hồ chứa Sơn La- Hòa Bình xây dựng quỹ đạo mực nước dẫn vận hành giúp cho việc vận hành hồ chứa thuận lợi trì quỹ đạo gần tối ưu 22 KẾT LUẬN Nh ng k t ạt ược củ lu n n 1) Luận án xây dựng sở khoa học, thuật toán chương trình tính tốn tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện Xây dựng mơ hình thuật tốn tối ưu phương pháp quy hoạch động hai chiều theo biến dung tích hồ chứa thực chất toán tối ưu phân phối tài nguyên (kho nước- tổng dung tích hồ chứa bậc thang) từ xác định trạng thái mực nước q trình biến đổi chúng Thuật tốn dựa nguyên lý truy hồi tối ưu Bellman theo hai chiều thời gian không gian 2) Trên sở thuật toán tối ưu miền (DP-DP) xây dựng phần mềm tính tốn cho sơ đồ bậc thang đơn áp dụng cho hai bậc thủy điện Hòa Bình Sơn La ngơn ngữ lập trình FORTRAN 77 3) Hàm mục tiêu sử dụng mô hình tối ưu xét đến yếu tố lợi ích chế độ cân hệ thống điện 4) Hiệu kinh tế mang lại sử dụng mơ hình tối ưu đề xuất so với thiết kế khoảng 4-5% Đồng thời kết phân tích hiệu việc lựa chọn tiêu chuẩn có xét đến yếu tố tham gia cân phụ tải cơng trình hệ thống điện lực Kiến nghị sử dụng tiêu chuẩn hiệu ích điện lớn (B→max) 5) Từ kết tính tốn tối ưu áp dụng cho bậc thang thủy điện Hòa Bình- Sơn La xây dựng biểu đồ điều phối tối ưu Phân chia biểu đồ điều phối mùa cạn theo đường định hướng tối ưu đề xuất ban đầu làm sở cho việc nghiên cứu vận hành tối ưu bậc thang thủy điện nói chung hồ thủy điện độc lập khác Hư ng ph t triển củ Lu n n Trong mơ hình, biên hạ lưu sử dụng dạng quy định ràng buộc lưu lượng từ “Quy trình vận hành liên hồ chứa” sông Hồng kèm theo Quyết định 1622/QĐ-TTg Việc nghiên cứu dừng lại mức bậc thang hồ chứa 23 lưu vực có liên quan trực tiếp thủy lực, chưa giải đồng thời tối ưu bậc thang với hồ chứa khác nhánh đảm bảo trì dòng chảy chung cho tồn hệ thống sơng Hồng Luận án phát triển theo hướng tối ưu biên hạ lưu Ki n nghị Những đề xuất chế vận hành mùa cạn hệ thống bậc thang hồ chứa Hòa Bình Sơn La luận án cần phải kiểm chứng thực tiễn Với phương pháp luận sở khoa học nêu luận án hướng nghiên cứu phát triển sâu để giải toán điều tiết liên hồ lợi dụng tổng hợp mà tính phức tạp chúng liên kết mặt thủy lực, thủy văn liên kết chung hệ thống điện lực 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Hồ Ngọc Dung “Nghiên cứu lựa chọn tiêu chuẩn tối ưu vận hành hồ chứa bậc thang thủy điện làm việc hệ thống điện lực”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Đại học Thủy lợi, 2017 Hồ Ngọc Dung “Nghiên cứu sở khoa học vận hành tối ưu hồ chứa bậc thang thủy điện”, Tạp chí Tài nguyên nước, vol 4, 2017 Hồ Sỹ Dự, Hồ Ngọc Dung, Hồ Sỹ Mão “Vận hành hiệu trạm thủy điện có hồ điều tiết ngắn hạn làm việc hệ thống điện lực”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên, Đại học Thủy lợi, 2014 Hà Văn Khối, Hồ Ngọc Dung “Xây dựng mơ hình tính tốn điều tiết phát điện cấp nước cho hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên, Đại học Thủy lợi, 2013 Hồ Sỹ Dự, Hồ Ngọc Dung, Hồ Sỹ Mão “Vận hành trạm thủy điện đường dẫn dài điều kiện giá bán điện theo chi phí tránh được”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên, Đại học Thủy lợi, 2013 Hồ Sỹ Dự, Hồ Ngọc Dung “Lựa chọn thông số cơng trình thủy điện nhỏ với giá bán điện theo chi phí tránh được”, Hội nghị quốc tế khoa học công nghệ, Đại học Điện lực, 2011 ... quan nghiên cứu lĩnh vực vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Chương 2: Cơ sở khoa học vận hành tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện Chương 3: Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hệ thống. .. vững mùa cạn Việc nghiên cứu áp dụng kiểm nghiệm bậc thang thủy điện Sơn La – Hòa Bình hệ thống sơng Đà Lựa chọn đề tài Nghiên cứu sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện. .. hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện sông Đà mùa cạn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN 1.1 Nguy n lý chung v v n h nh hồ thủy iện