Xây dựng chương trình tính toán vận hành tối ưu cho nhà máy thủy điện đại ninh trong thị trường điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐĂNG TUẤN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN Chuyên ngà

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐĂNG TUẤN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH

TÍNH TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU

CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH

TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TẤN VINH

Phản biện 1: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG

Phản biện 2: GS.TS NGUYỄN HỒNG ANH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03 tháng 03 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công trình Thủy điện Đại Ninh thuộc hệ thống bậc thang thủy điện của sông Đồng Nai; Nhà máy cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 260 km về phía Đông Bắc và cách thành phố Đà Lạt khoảng

45 km về phía Tây Nam Công trình thủy điện Đại Ninh được khởi công xây dựng vào ngày 10/05/2003; có nhiệm vụ phát điện cung cấp cho hệ thống điện Quốc Gia, và chuyển nước từ lưu vực sông Đồng Nai sang lưu vực sông Lũy để tưới và cấp nước cho tỉnh Bình Thuận

Đặc điểm của hồ chứa Đại Ninh có dung tích nhỏ (khoảng 320 triệu m3), tuy nhiên hàng năm cần phải đảm bảo cung cấp nước phục

vụ tưới tiêu khu vực tỉnh Bình Thuận (khoảng 500 triệu m3) Mặt khác lưu lượng nước về hồ trong những năm gần đây không thuận lợi, thấp hơn so với trung bình nhiều năm

Ngoài ra, giá điện hợp đồng của nhà máy thủy điện Đại Ninh rất thấp (chỉ khoảng hơn 400 đồng/kWh) do vậy cần tốt đa hóa doanh thu trong thị trường điện

Xuất phát từ những đặc điểm nêu trên, vấn đề “Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán vận hành tối ưu cho nhà máy thủy điện Đại Ninh trong thị trường điện.” cần được giải quyết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán vận hành tối ưu phục vụ công tác chào giá và vận hành nhà máy thủy điện Đại Ninh trong thị trường điện cạnh tranh và đảm bảo cấp nước vùng hạ du tỉnh Bình Thuận

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nhà máy thủy điện Đại Ninh

Phạm vi nghiên cứu: Kế hoạch vận hành tối ưu nhà máy

thủy điện Đại Ninh

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

Về lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu khoa học về vận hành các nhà máy thủy điện trong thị trường điện cạnh tranh; các quy định của thị trường phát điện cạnh tranh Xây dựng mô hình bài toán vận hành tối ưu (các hàm mục tiêu và các ràng buộc); Nghiên cứu các phương pháp để giải quyết bài toán tối ưu

Về thực nghiệm: thu thập dữ liệu vận hành của nhà máy thủy điện Đại Ninh và phần mềm Matlab để giải bài toán tối ưu

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

Vận dụng để tham khảo tính toán lập kế hoạch vận hành nhà máy thủy điện Đại Ninh

Vận dụng để tham khảo tính toán xây dựng chiến lược chào giá ngày tới trong thị trường phát điện cạnh tranh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ MÁY THỦY

ĐIỆN ĐẠI NINH TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

1.1 Tổng quan về lưu vực sông Đồng Nai và Dự án nhà máy thủy điện Đại Ninh

1.1.1 Giới thiệu về lưu vực sông Đồng Nai, đặc điểm lưu vực của

hồ chứa Đại Ninh

1.1.1.1 Tổng quan về hệ thống sông Đồng Nai

Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Đồng Nai (Nguồn: Hội đập lớn và

phát triển nguồn nước Việt Nam)

1.1.1.2 Đặc điểm tự nhiên

1.1.1.3 Đặc điểm thủy văn

1.1.2 Giới thiệu về tổng quan công trình chính, nhà máy và Trạm phân phối Đại Ninh

1.1.2.1 Tổng quan công trình thủy điện Đại Ninh

Công trình Thủy điện Đại Ninh thuộc hệ thống bậc thang thủy điện của sông Đồng Nai; Nhà máy cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 260 km về phía Đông Bắc và cách thành phố Đà Lạt khoảng

45 km về phía Tây Nam Công trình thủy điện Đại Ninh được khởi công xây dựng vào ngày 10/05/2003; có nhiệm vụ phát điện cung cấp cho hệ thống điện Quốc Gia, và chuyển nước từ lưu vực sông Đồng Nai sang lưu vực sông Lũy để tưới và cấp nước cho tỉnh Bình Thuận

1.1.2.2 Tuyến đầu mối:

1.1.2.3 Tuyến năng lượng

Gồm cửa nhận nước, đường hầm, giếng điều áp, nhà van và đường ống áp lực

1.2.2.2 Đập phụ:

1.2.2.3 Đập tràn:

1.2.2.4 Đập tràn sự cố

1.2.2.5 Kênh nối hai hồ:

1.2.2.6 Kênh dẫn vào cửa nhận nước:

1.3.1.1 Mục đích phát triển thị trường điện

1.3.1.2 Các cấp độ phát triển của thị trường

1.3.1.3 Thị trường phát điện cạnh tranh Việt Nam

1.3.1.4 Hệ thống các văn bản pháp luật liên quan đến thị trường điện

1.4 Hệ thống điện Việt Nam và khu vực Miền Nam

1.4.1 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam;

1.4.2 Tổng quan về hệ thống điện Miền Nam

1.4.3 Vị trí vai trò của dự án thủy điện Đại Ninh trong khu vực và

cơ hội trong thị trường phát điện cạnh tranh

1.5 Kết Luận

Chương này đã giới thiệu các đặc điểm của nhà máy thuỷ điện

Đại Ninh - Công trình thủy điện nằm trên lưu vực thuộc hệ thống sông Đồng Nai và đã trình bày các đặc điểm thủy văn của hệ thống sông Đồng Nai Do đặc điểm thủy văn biến đổi mạnh theo mùa như

đã nêu trên, rất khó khăn cho việc việc vận hành tối ưu nhà máy nên việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán chế độ vận hành tối

ưu cho nhà máy thủy điện Đại Ninh với mục tiêu tối đa hóa doanh thu trong thị trường điện, đồng thời đảm bảo được nhu cầu nước cho vùng hạ du trong các tháng mùa khô là điều cần thiết

Với nội dung trình bày liên quan đến thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam, chúng ta đã một phần nào khái quát các giai đoạn phát triển thị trường điện cạnh tranh ở Việt Nam và những thay đổi của chúng so với cơ chế độc quyền ngành dọc đang tồn tại Ngoài ra, một số nội dung tổng quan về HTĐ Việt Nam nhằm cung cấp thêm một số thông tin về việc phân tích, đánh giá phục vụ cho việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán tối ưu cho nhà máy Thủy điện Đại Ninh trong thị trường điện

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH BÀI TOÁN LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH

TỐI ƯU CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH

2.1 Mô hình nhà máy thủy điện

Mô hình nhà máy thủy điện được mô tả chi tiết như Hình 2.1

2.2 Mô hình bài toán lập kế hoạch vận hành tối ưu

2.2.1 Hàm mục tiêu

Nhà máy có mong muốn đạt doanh thu cao nhất trong thị trường trong một giai đoạn khảo sát Do đó hàm mục tiêu được xác định:

𝑓 = 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 ∑[𝜆𝑡(𝑃𝑡 ∆𝑡)]

𝑇 𝑡=1

(2.1)

Trong đó:

𝜆𝑡: là giá điện dự báo thanh toán của thị trường cho chu kỳ

t (đ/kWh) xem như đã biết trước

𝑃𝑡: là công suất của nhà máy điện trong chu kỳ t (MW); ∆𝑡: là thời gian trong 1 chu kỳ tính toán

𝑇: là số chu kỳ trong khoảng thời gian khảo sát

2.2.2 Các ràng buộc

2.2.2.1 Phương trình cân bằng nước của hồ chứa

𝑉𝑡+1= 𝑉𝑡+ ∆𝑡 (𝑄𝑣𝑒𝑡 − 𝑄𝑡− 𝑄𝑥𝑡) (2.2) Trong đó:

Vt là dung tích nước ở đầu chu kỳ t (m3),

Vt+1 là dung tích nước ở cuối chu kỳ t (m3),

∆𝑡 (s): là thời gian trong chu kỳ khảo sát

𝑄𝑣𝑒𝑡 (m3/s) là lưu lượng nước trong chảy vào hồ trong khoảng ∆t (từ đầu chu kỳ t đến cuối chu kỳ t),

Qt (m3/s) là lưu lượng nước phát điện (trung bình) trong chu kỳ t

𝑄𝑥𝑡 (m3/s) là lưu lượng nước xả tràn (trung bình) trong chu

𝑉 (m3) là dung tích ứng với MNGH trên của hồ chứa

2.2.2.3 Giới hạn lưu lượng qua turbine của tổ máy

2.2.2.4 Ràng buộc về giới hạn công suất phát của tổ máy

Pt:là công suất phát (trung bình) trong chu kỳ t của tổ máy phát thủy lực;

ηt, Qt, Ht lần lượt là hiệu suất (trung bình) trong chu kỳ t của tổ máy phát thủy lực, lưu lượng nước chạy máy (trung bình ) trong chu kỳ t và cột nước tính toán (trung bình) trong chu kỳ t của nhà máy

2.2.2.6 Ràng buộc về lưu lượng chạy máy tối thiểu để đảm

bảo nhu cầu nước hạ du theo quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

Trong đó: Q𝑡𝑦𝑐 (m3/s) là lưu lượng nước (trung bình) cấp cho

hạ lưu trong chu kỳ tính toán t

2.3 Kế hoạch vận hành tối ưu

2.3.1 Kế hoạch vận hành tối ưu dài hạn (kế hoạch hàng năm)

Mục tiêu của kế hoạch vận hành tối ưu dài hạn là đạt được doanh thu cực đại trong toàn chu kỳ kế hoạch Trong chu kỳ kế hoạch này, mục tiêu của công ty phát sẽ đưa ra được các quyết định

về lượng nước sẽ tích trữ trong hồ chứa và lưu lượng nước phát điện tối ưu trong từng bước thời gian khảo sát của chu kỳ (bước thời gian khảo sát là một tháng)

2.3.2 Kế hoạch vận hành tối ưu ngắn hạn (kế hoạch hàng tuần, ngày)

Kế hoạch vận hành tối ưu ngắn hạn bao gồm kế hoạch vận hành hàng tuần và kế hoạch vận hành hàng ngày Mục tiêu của Công

ty phát điện trong kế hoạch này là xác định điện năng hàng ngày, hàng giờ và diễn biến của hồ chứa phù hợp với những biến đổi của giá thị trường và dòng chảy tự nhiên dự báo

2.4 Kết luận

Chương này đã trình bày mô hình của nhà máy thủy điện và các đại lượng tính toán, xây dựng mô hình bài toán lập kế hoạch vận hành tối ưu và các nội dung chính về kế hoạch vận hành tối ưu nhà máy thủy điện Kế hoạch vận hành tối ưu dài hạn nhằm mục đích xác định dung tích nước tối ưu sẽ tích trữ trong hồ chứa và lưu lượng nước phát điện tối ưu trong từng tháng của chu kỳ kế hoạch Kế hoạch vận hành tối ưu ngắn hạn nhằm mục đích xác định sản lượng điện năng hằng tuần, hằng ngày và diễn biến của hồ chứa phù hợp với những biến đổi của giá thị trường và dòng chảy tự nhiên dự báo

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH

TÍNH TOÁN 3.1 Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu

Với những ưu điểm của phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải quyết bài toán tối ưu là có thể đưa các ràng buộc vào hệ các phương trình một cách dễ dàng bằng cách tăng số dòng của ma trận ràng buộc; việc hình thành bài toán rất đơn giản bằng cách tuyến tính hóa các phương trình ràng buộc phi tuyến

Từ những đặc điểm như trên, tác giả quyết định chọn phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải quyết bài toán

3.2 Phương pháp quy hoạch tuyến tính

3.2.1 Tổng quan

3.2.2 Các thuật toán

3.2.2.1 Thuật toán đơn hình

3.2.2.2 Ví dụ sử dụng thuật toán đơn hình để giải bài toán quy hoạch

3.3 Ngôn ngữ tính toán kỹ thuật Matlab

3.3.1 Tổng quan

3.3.2 Giải bài toán quy hoạch tuyến tính bằng phần mềm MATLAB

Cho bài toán quy hoạch tuyến tính:

Tìm nghiệm x để hàm mục tiêu f T x đạt giá trị cực tiểu; sao cho

thỏa mãn các điều kiện ràng buộc:

3.4.1 Thiết lập bài toán

3.4.1.1 Bài toán lập kế hoạch vận hành năm:

Hàm mục tiêu như công thức (2.1), Tuy nhiên để sử dụng hàm linprog trong Matlab với mục tiêu cực tiểu hóa, nên hàm mục tiêu của bài toán được viết lại:

𝑓 = 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 ∑[−𝜆𝑡(𝑃𝑡 ∆𝑡)]

𝑇

𝑡=1Hoặc: 𝑓 = 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 𝒄𝑇𝒙

Nghiệm số của bài toán là : x = [P; Q; V]

Thỏa mãn các ràng buộc sau:

3.4.1.2 Bài toán lập kế hoạch vận hành tuần:

Hàm mục tiêu như công thức (2.1), thỏa mãn các ràng buộc

3.4.1.3 Bài toán lập kế hoạch vận hành ngày:

Hàm mục tiêu như công thức (2.1), thỏa mãn các ràng buộc sau:

3.4.2 Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán

3.4.2.1 Thuật toán chương trình

3.4.2.2 Chương trình tính toán

BẮT ĐẦU

Nhập dữ liệu đầu vào

Giải bài toán bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính

- Tính toán dung tích tương ứng với các

thông số đầu vào MNH;

- Tính chọn đặc tính phát

Xây dựng vector c là các hệ số của hàm mục tiêu

Thành lập các vector cận của các biến lb

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán chương trình tính toán lập kế

hoạch vận hành tối ưu

Chương trình tính toán vận hành tối ưu cho nhà máy thủy điện Đại Ninh được tác giả viết bằng MATLAB

Hình 3.2: Giao diện giới thiệu chương trình

Hình 3.3: Giao diện chính của chương trình

3.5 Kết luận

Chương 3 đã trình bày lựa chọn phương pháp để giải bài toán tối ưu Sử dụng phần mềm để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán vận hành tối ưu cho nhà máy thủy điện Đại Ninh trong thị trường điện

CHƯƠNG 4

ÁP DỤNG TÍNH TOÁN LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH TỐI ƯU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH

4.1 Tính toán vận hành tối ưu năm, bước thời gian khảo sát là 1 tháng

4.1.1 Các dữ liệu của bài toán

4.1.1.1 Hàm mục tiêu

𝑓 = 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 ∑[𝜆𝑡(𝑃𝑡 ∆𝑡)]

𝑇 𝑡=1

(4.1)

4.1.1.2 Dữ liệu đầu vào

Mực nước hồ đầu năm

Lưu lượng nước về hồ trung bình từng tháng trong 12 tháng của năm:

Giá điện dự báo thị trường λ T trong 12 tháng của năm 4.1.1.3 Các ràng buộc

Phương trình cân bằng nước:

Giới hạn dung tích hồ chứa

Giới hạn lưu lượng qua turbine của tổ máy

Ràng buộc về giới hạn công suất phát của tổ máy

Đặc tính quan hệ giữa công suất và lưu lượng chạy máy Ràng buộc về lưu lượng chạy máy tối thiểu để đảm bảo nhu cầu nước hạ du theo quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

Ràng buộc về mức nước mục tiêu của tháng 12 để đảm bảo cấp nước trong mùa kiệt trong năm tiếp theo:

Ràng buộc về mực nước giới hạn tháng

4.1.1.4 Dữ liệu đầu ra

4.1.2 Áp dụng chương trình và kết quả tính toán

Sản lượng điện năng từng tháng

Lưu lượng chạy máy từng tháng

Hình 4.2: Biểu đồ điện năng từng tháng trong năm

Hình 4.3: Biểu đồ lưu lượng chạy máy trung bình trong năm

Diễn biến mực nước hồ và dung tích hồ

Hình 4.4: Đồ thị diễn biến MNH trong năm

4.1.2.3 Đánh giá kết quả tính toán

4.2 Xây dựng chương trình vận hành tối ưu tuần, bước thời gian khảo sát là 1 ngày

4.2.1 Các dữ liệu của bài toán

4.2.1.1 Hàm mục tiêu

𝑓 = 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 ∑[𝜆𝑡(𝑃𝑡 ∆𝑡)]

𝑇 𝑡=1

(4.2)

4.2.1.2 Dữ liệu đầu vào

Mực nước hồ đầu tuần

Lưu lượng nước về hồ trung bình từng ngày trong tuần

Giá điện dự báo thị trường λ T các ngày trong khảo sát 4.2.1.3 Các ràng buộc

Phương trình cân bằng nước:

Giới hạn dung tích hồ chứa

Giới hạn lưu lượng qua turbine của tổ máy

Ràng buộc về giới hạn công suất phát của tổ máy

Đặc tính quan hệ giữa công suất và lưu lượng chạy máy Ràng buộc về lưu lượng chạy máy tối thiểu để đảm bảo nhu cầu nước hạ du theo quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

Ràng buộc về mức nước giới hạn tuần:

Thời gian (Ngày)

Sản lượng điện năng từng ngày

Lưu lượng chạy máy từng ngày

Hình 4.7: Biểu đồ lưu lượng chạy máy TB ngày trong tuần

Diễn biến mực nước hồ và dung tích hồ

Hình 4.8: Đồ thị diễn biến mực nước hồ trong tuần

Thời gian (Ngày)

Hình 4.6: Biểu đồ sản lượng tuần

4.2.2.3 Đánh giá kết quả tính toán

4.3 Xây dựng chương trình vận hành tối ưu ngày, bước thời gian giờ

4.3.1 Các dữ liệu của bài toán

4.3.1.1 Hàm mục tiêu

𝑓 = 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑧𝑒 ∑[𝜆𝑡(𝑃𝑡 ∆𝑡)]

𝑇 𝑡=1

(4.3)

4.3.1.2 Dữ liệu đầu vào

Mực nước hồ lúc 0 giờ ngày khảo sát:

Là mực nước ban đầu của ngày khảo sát Z0 tương ứng với dung tích ban đầu V0 của ngày khảo sát Chọn Z0 = 874,5 m để đưa vào tính toán tối ưu ngày

Lưu lượng nước về hồ từng giờ trong ngày:

Chọn Qvtb = 15 m3/s để đưa vào tính toán tối ưu ngày

Giá điện dự báo thị trường λ T từng giờ của ngày thể hiện tại 4.3.1.3 Các ràng buộc

Phương trình cân bằng nước:

Giới hạn dung tích hồ chứa

Giới hạn lưu lượng qua turbine của tổ máy

Ràng buộc về giới hạn công suất phát của tổ máy

Đặc tính quan hệ giữa công suất và lưu lượng chạy máy Ràng buộc về mức nước mục tiêu của Công ty lúc 24h00 4.3.1.4 Dữ liệu đầu ra

4.3.2 Chương trình áp dụng và kết quả tính toán

4.3.2.1 Chương trình áp dụng

Chương trình tính toán vận hành tối ưu tuần cho nhà máy thủy điện Đại Ninh được tác giả viết bằng MATLAB