Tối ưu hóa chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện việt nam

Xây dựng mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam với các đặc tính riêng của nguồn điện (nhiệt điện, thủy điện…) và đường dây truyền tải theo thực trạng và quy hoạch phát triển HTĐ làm cơ sở cho việc thiết lập chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Ngô Văn Dũng

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Ngô Văn Dũng

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy

LỜI CAM ĐOAN

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

và kết quả trong Luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 25 tháng 8 năm 2018

TM Tập thể hướng dẫn khoa học

PGS TS VŨ HỮU HẢI

Tác giả luận án

NGÔ VĂN DŨNG

TS NCVCC Ngô Tuấn Kiệt và các Thầy giáo, Cô giáo khoa Công trình thủy, bộ môn Thủy lợi Thủy điện…, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Khoa học năng lượng, các cán bộ trong Viện đã tạo mọi điều kiện trao đổi và giúp đỡ về tài liệu, học thuật trong quá trình thực hiện Luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, các đồng nghiệp trong khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện, đã tạo điều kiện thời gian, giúp đỡ, động viên để tôi có thể hoàn thành được luận án

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình và người thân đã khuyến khích, động viên và là chỗ dựa tinh thần cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Hà Nội, ngày 25 tháng 8 năm 2018

Tác giả luận án

Ngô Văn Dũng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Đóng góp mới về khoa học và thực tiễn của Luận án 4

6 Kết cấu của Luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 6

1.1 Vai trò của các nhà máy thủy điện trong sản xuất điện năng 6

1.1.1 Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng trên thế giới 6

1.1.2 Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng ở Việt Nam 7

1.2 Hiện trạng vận hành nhà máy thủy điện lợi dụng tổng hợp nguồn nước 10

1.2.1 Khái niệm chung 10

1.2.2 Hiện trạng vận hành các nhà máy thủy điện ở Việt Nam 11

1.2.3 Thành tựu nghiên cứu tối ưu vận hành nhà máy thủy điện 13

1.3 Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện 14

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu tối ưu vận hành hệ thống điện và các nhà máy thuỷ điện trong hệ thống điện 14

1.3.2 Tổng quan chung về mô hình tối ưu 15

1.3.3 Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình tối ưu trên thế giới 16

1.3.4 Các kết quả nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam 19 1.3.5 Một số nhận xét về thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu vận hành nhà máy thủy điện trong hệ thống điện 21

1.4 Luận cứ về nội dung nghiên cứu của luận án 22

1.4.1 Đặc điểm của các nguồn điện có ảnh hưởng đến tối ưu vận hành HTĐ 22 1.4.2 Ảnh hưởng của khả năng truyền tải chính giữa các vùng đến tối ưu phát triển và vận hành hệ thống điện 25

1.5 Kết luận chương 1 26 Chương 2 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 27 2.1 Đặt vấn đề 27 2.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam 28 2.3 Bài toán tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam 31

2.3.1 Hàm mục tiêu 33 2.3.2 Các ràng buộc của bài toán 35

2.4 Phương pháp giải bài toán tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam 40

2.4.1 Lựa chọn phương pháp giải 40 2.4.2 Phủ đồ thị phụ tải của các nút HTĐ bằng thủy điện 42 2.4.3 Trình tự giải bài toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện 48

2.5 Phân tích kết quả 56 2.6 Kết luận chương 2 56 Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 58 3.1 Mục tiêu và yêu cầu xây dựng chương trình tính toán chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam 58 3.2 Chương trình tính toán chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong

hệ thống điện 58

3.2.1 Xây dựng sơ đồ trình tự giải và mô tả chương trình 58

3.2.2 Xây dựng các khối tính toán trong chương trình 61

3.3 Giao diện tính toán của chương trình 66

3.4 Kiểm định chương trình tính toán 68

3.4.1 Mô hình hóa HTĐ Việt Nam theo vùng miền (3 nút) 68

3.4.2 Kết quả tính toán 69

3.4.3 So sánh kết quả tính toán 74

3.5 Kết luận chương 3 76

Chương 4 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 78

4.1 Tính toán chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam 78

4.1.1 Lựa chọn số nút tính toán trong nghiên cứu tối ưu vận hành hệ thống điện78 4.1.2 Kết quả tính toán tối ưu vận hành HTĐ theo mô hình 5 nút 82

4.1.3 Kết quả tính toán vận hành hệ thống điện theo mô hình 8 nút 88

4.2 Tính toán chế độ vận hành các nhà máy thủy điện khu vực miền Trung - Tây Nguyên 93

4.2.1 Nghiên cứu vận hành tối ưu HTĐ miền Trung - Tây Nguyên 93

4.2.2 Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu đầu vào 95

4.2.3 Kết quả tính toán vận hành tối ưu HTĐ khu vực miền Trung - Tây nguyên 95

4.3 Nhận xét đánh giá về chương trình tính toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện 103

4.3.1 Ưu nhược điểm của chương trình 103

4.3.2 Một số vấn đề cần nghiên cứu phát triển tiếp theo 104

4.4 Kết luận chương 4 104

KẾT LUẬN CHUNG 105 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI A DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO B

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cơ cấu phát triển điện thế giới của IEA [1] (Tỷ kWh/năm) 7

Bảng 1.2: Kế hoạch xây dựng TĐ và TĐ tích năng theo QHĐ 7 (MW); [31] 9

Bảng 3.1a: Điện năng các trạm phát điện trong HTĐ tháng 1 (2017-2030) 72

Bảng 3.1b: Điện năng các trạm phát điện trong HTĐ tháng 4 (2017-2030) 73

Bảng 3.1c: Điện năng các trạm phát điện trong HTĐ tháng 8 (2017-2030) 73

Bảng 3.1d: Điện năng các trạm phát điện trong HTĐ tháng 11 (2017-2030) 73

Bảng 3.2: Điện năng trung bình năm các nhà máy thủy điện theo QHĐ7 74

Bảng 3.3: So sánh kết quả tính toán của LA với QĐ số 4711-BCT & QHĐ7 75

Bảng 4.1: Mô tả các nút theo mô hình quản lý tổng công ty Điện lực 82

Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam (MW) - KQ01 84

Bảng 4.3a: Công suất phát các NM thủy điện vùng 01- trích dẫn 11/51 nhà máy 84

Bảng 4.3b: Công suất phát các NM thủy điện vùng 02- trích dẫn 11/42 nhà máy 85

Bảng 4.3c: Công suất phát các NM thủy điện vùng 03- trích dẫn 09/15 nhà máy 86

Bảng 4.4: Tổng chi phí tính toán và phát thải CO2 87

Bảng 4.5: Cung cầu điện năng ngày của các nguồn (MWh) 87

Bảng 4.6: Mô tả các nút theo mô hình các lưu vực sông chính Việt Nam (8 nút) 89

Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam 8 nút - ( MW ) 90

Bảng 4.8: Kết quả tổng hợp tỉ lệ % nguồn điện tham gia các khu vực miền Trung - Tây Nguyên từ 2017 đến 2030 97

Bảng 4.9: Bảng tổng hợp điện năng, chi phí sản xuất, vận hành, phát thải CO2 của HTĐ khu vực miền Trung - Tây Nguyên 97

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bản đồ trữ năng kỹ thuật các dòng sông chính ở Việt Nam 8

Hình 1.2: Cơ cấu nguồn điện và sản lượng điện Việt Nam 2015 &2016 9

Hình 1.3: Tổng hợp nguồn thủy điện bổ sung vào HTĐ Việt Nam 2016 -2030 10

Hình 2.1: Đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình 29

Hình 2.2: Đồ thị phụ tải ngày đêm đỉển hình triển khai 29

Hình 2.3: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải bằng phương pháp truyền thống 45

Hình 2.4 : Sơ đồ logic phủ đồ thị phụ tải tích phân bằng thủy điện 48

Hình 2.5: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam 1-2017, TSTĐ 50%, PT thấp 55

Hình 2.6: Kết quả biểu đồ cơ cấu các nguồn tham gia HTĐ 1-2017, TSTĐ 50%, PT thấp 56

Hình 3.1: Các bước giải bài toán vận hành tối ưu .59

Hình 3.2: Cấu trúc menu hệ thống chương trình 67

Hình 3.3a: Giao diện chính 67

Hình 3.3b: Giao diện chính và cơ sở dữ liệu chương trình phần mềm 68

Hình 3.4: Mô hình hóa HTĐ Việt Nam theo ba nút 69

Hình 3.5a: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải miền Bắc bằng thủy điện trung bình và nhỏ 70

Hình 3.5b: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải miền Trung bằng thủy điện trung bình và nhỏ 70

Hình 3.5c: Phủ đỉnh biểu đồ phụ tải miền Nam bằng thủy điện trung bình và nhỏ 70

Hình 3.6a : Kết quả phủ biểu đồ phụ tải miền Bắc 1-2017 71

Hình 3.6b: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải miền Trung 1-2017 71

Hình 3.6c: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải miền Nam 1-2017 71

Hình 3.7: Kết quả phủ biểu đồ phụ tải HTĐ Việt Nam 1-2017 72

Hình 3.8: Kết quả biểu đồ cơ cấu các nguồn tham gia HTĐ 72

Hình 4.1 : Mô tả các nút theo mô hình quản lý Tổng Công ty Điện lực .80

Hình 4.2 : Phân vùng nút phụ tải theo các lưu vực sông của Việt Nam 81

Hình 4.3: Cơ sở dữ liệu chương trình 82

Hình 4.4: Kết quả chi tiết thủy điện Hòa Bình tham gia hệ thống - PA 8 vùng 92

Hình 4.5a: Nhu cầu phụ tải 2010 - 2017 của miền Trung - Tây Nguyên 93

Hình 4.5b: Nhu cầu phụ tải 2015-2030 khu vực miền Trung - Tây Nguyên 94

Hình 4.6: Phân vùng phụ tải khu vực miền Trung - Tây Nguyên - 03 nút .94

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASEAN Association of Southeast Asian Nations - Hiệp hội các

Quốc gia Đông Nam Á ĐBSH Đồng bằng sông Hồng

ĐBSMK Đồng bằng sông Mê kông

BTTƯ Bài toán tối ưu

DO Diesel Oil - Dầu Diesel

EFOM-ENV Energy Flow and Optimization Model - Environment

EU European Union - Liên minh Châu Âu

ETB Energy Toolbox

EVN Viet Nam Electricity - Tập đoàn điện lực Việt Nam

FO Fuel Oil - Dầu nhiên liệu

GDP Gross Domestic Product - Tổng sản phẩm quốc nội

GMS Greater Mekong Subregion - Hiệp hội các nước tiểu vùng sông

Mekong Các nước tiểu vùng sông Mê kông HTĐ Hệ thống điện

HTNL Hệ thống năng lượng

IE Institute of Energy - Viện năng lượng

IRR Internal Rate of Return - Suất thu lợi nội tại

KH&CN Khoa học và công nghệ

KNK Khí nhà kính

KTQD Kinh tế quốc dân

KTXH Kinh tế xã hội

LEAP Long - ramhge Energy Alternatives Planning system

MAED Model for Analysis of the Energy Demand

MARKAL Market Allocation

MESSAGE Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their

General Environmental Impacts

MAED Model for Analysis of the Energy Demand

MNDBT Mực nước dâng bình thường

MoIT Ministry of Industry and Trade - Bộ Công thương

MoST Ministry of Science and Technology - Bộ khoa học và Công nghệ

NĐD Nhiệt điện dầu

NĐT Nhiệt điện than

NĐK Nhiệt điện khí

NLTT Năng lượng tái tạo

NPV Net Present Value - Giá trị hiện tại thuần

NC; NCS Nghiên cứu; Nghiên cứu sinh

O&M Chi phí vận hành và bão dưỡng

OCT Oil Combustion Turbines

PVN Tập đoàn Dầu khí Việt Nam

TĐN Thủy điện nhỏ

PDP Power Development Planning - Quy hoạch điện

PDPAT Power Development Planning Assistant Tool

PP

QHĐ

Phương pháp QHĐ7 Qui hoạch điện VII

VHTƯ Vận hành tối ưu

VP Tổng công ty điện lực - Vinacomin

WASP Wien Automatic System Planning Package

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năm 2014 thủy điện đạt sản lượng 3.894 tỷ kWh/năm, chiếm 16,35% tổng điện năng sản xuất trên toàn thế giới Dự báo đến năm 2025 và năm 2040 điện năng sản xuất từ thủy điện sẽ đạt từ 4887 đến

4994 tỷ kWh/năm (16,54 - 18%) và 6.230 đến 6.890 TWh/năm (15,96 - 20,21%) [63] Những nước phát triển nhiều thủy điện là Na Uy (100% điện năng được sản xuất từ thủy điện), tiếp theo là Icela (83%), Áo (67%)… Canada đang là nước có sản lượng thủy điện lớn nhất thế giới (gần 400 tỷ kWh/năm, đáp ứng hơn 70% tổng nhu cầu điện năng)

Tổng tiềm năng kinh tế kỹ thuật của thủy điện Việt Nam được đánh giá khoảng 100 tỷ kWh/năm tương ứng với công suất khoảng 26.000MW Theo Bộ Công Thương, tính đến cuối năm 2012 cả nước có 1.237 dự án thủy điện với tổng công suất là 25.968,9 MW đã được quy hoạch [42] Để đáp ứng nhu cầu điện của đất nước, đến năm 2017, có 473 dự án được đưa vào khai thác vận hành, với tổng công suất là 21.229,3 MW, chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật của thủy điện Việt Nam hiện đang nghiên cứu mở rộng các nhà máy thủy điện có khả năng điều tiết nước như Thác Mơ, Đa Nhim, Ialy, Hòa Bình, Trị An, xây dựng các NMTĐ tích năng và rà soát phát triển các dự án thủy điện vừa và nhỏ

Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 03 năm 2016 giai đoạn 2015 -

2030 mặc dù tổng công suất đặt của thủy điện sẽ tiếp tục gia tăng, song tỷ trọng công suất thủy điện của Việt Nam sẽ giảm từ 38% năm 2015 xuống 30,1% vào năm

2020, 21,1% năm 2025 và đạt 16,9% vào năm 2030 (tương tự với tỷ lệ trung bình của thủy điện trên thế giới) [31]

Kinh nghiệm và thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển và khai thác vận hành thủy điện trên thế giới cho thấy, ngoài những ưu điểm lớn như không tiêu thụ nhiên liệu, giá thành rẻ và linh hoạt trong vận hành…, thủy điện cũng đã bộc lộ một số nhược điểm cần khắc phục như ngập lụt hồ chứa, tác động tiêu cực đến môi trường [ 42, 43, 38, 66 ] Vấn đề khai thác, vận hành hợp lý các nhà máy thủy điện hiện nay đang rất cấp thiết và đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm

nghiên cứu nhằm mục tiêu phát triển bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường an ninh năng lượng Đối với Việt Nam, trong điều kiện tỷ trọng phát triển nhiệt điện than ngày càng gia tăng, ngoài bài toán phát triển hợp lý các dự án thủy điện, vấn đề nghiên cứu xây dựng cơ sở phương pháp luận cũng như chương trình tính toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam, nhằm huy động hợp lý khả năng phát công suất phủ đỉnh của nhà máy thủy điện là vấn đề cần thiết và cấp bách hiện nay

Để giải quyết vấn đề đặt ra, cần nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực tiễn để xây dựng mô hình toán học cho phép mô phỏng HTĐ Việt Nam với đầy đủ đặc tính riêng của mỗi dạng nguồn điện (vị trí, quy mô, chi phí sản xuất điện năng theo chế

độ huy động…) với đường dây truyền tải giữa nguồn phát và trung tâm phụ tải của HTĐ nhiều nút Ngoài ra, cần xây dựng bộ chương trình tự động tính toán xác định chế độ vận hành hợp lý các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam theo thời gian thực với hàm mục tiêu tổng chi phí sản xuất truyền tải và phân phối điện năng trong HTĐ là nhỏ nhất

Với những lý do trình bày trên đây có thể nhận thấy, việc lựa chon đề tài

nghiên cứu: “Tối ưu hoá chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam” có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1) Nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn về đặc tính các nguồn phát điện và đường dây truyền tải, xác định những yếu tố ảnh hưởng đến vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam;

2) Xây dựng mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam với các đặc tính riêng của nguồn điện (nhiệt điện, thủy điện…) và đường dây truyền tải theo thực trạng

và quy hoạch phát triển HTĐ làm cơ sở cho việc thiết lập chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam;

3) Áp dụng chương trình để tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện (huy động tối ưu công suất và điện năng) đáp ứng nhu cầu phụ tải toàn quốc hoặc các vùng của hệ thống điện Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bài toán vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam với đầy đủ các đặc trưng hiện hữu trong hiện tại cũng như kịch bản phát triển trong tương lai theo Quy hoạch phát triển điện lực Việt Nam

hiệu chỉnh giai đoạn 2011-2020, có xét đến 2030 đã được phê duyệt Riêng thuỷ điện tích năng tuy có trong danh mục quy hoạch, song trên thực tế chưa có kế hoạch xây dựng và chưa có chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, nên trong luận án chưa đề cập

cụ thể

Phạm vi nghiên cứu của luận án là bài toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam theo tiêu chuẩn tổng chi phí sản xuất và cung cấp điện năng của hệ thống điện là nhỏ nhất Trong đó, đặc tính của các nhà máy thuỷ điện hiện có lấy theo quy trình vận hành thực tế đã được phê duyệt; các nhà máy thuỷ điện đang và sẽ xây dựng được tính toán dựa trên dữ liệu quy hoạch hoặc dự án đầu tư đã được phê duyệt (quy mô và quy trình điều tiết hồ chứa, loại tua bin, công suất lắp máy và công suất khả dụng theo tần suất nước (P = 50, 75 và 90%)

Bài toán tối ưu vận hành các nhà máy thuỷ điện trong HTĐ Việt Nam chỉ xét cho trường hợp vận hành ổn định, không tính đến các chế độ chuyển tiếp hoặc sự cố

rã lưới của HTĐ

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp thống kê: Cập nhật CSDL tiến hành phân tích, kiểm chứng

và đánh giá tổng quan về hiện trạng và xu hướng phát triển HTĐ Việt Nam cũng như các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực mô hình hóa và tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ thống điện

- Phương pháp mô hình hóa: Đó là phương pháp mô hình toán học các phần

tử của HTĐ: Nguồn điện với đầy đủ đặc tính hiện hữu về vị trí, quy mô thông số kỹ thuật - kinh tế với đường dây truyền tải giữa nguồn phát và các hộ tiêu thụ điện Sử dụng phương pháp mô hình toán tối ưu để giải bài toán tối ưu vận hành HTĐ

5 Đóng góp mới về khoa học và thực tiễn của Luận án

Luận án đã đạt được một số kết quả và đóng góp mới về lý thuyết cũng như thực tiễn sau đây:

Đóng góp 1

Luận án đã xây dựng được mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam

để tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt nam Mô hình có nhiều ưu điểm hơn các mô hình nhập khẩu và các mô hình đã được áp dụng ở Việt Nam trước đây, đó là:

(i) Mô hình không bị hạn chế về số lượng các nút và các loại nguồn phát; cấp điện áp truyền tải giữa nguồn phát và trung tâm phụ tải;

(ii) Mô hình mô phỏng đầy đủ và sát với thực tế các đặc tính và chi phí sản xuất điện của các trạm phát trong hệ thống điện Việt Nam;

(iii) Mô hình tự động thiết lập sơ đồ và tính toán chi phí truyền tải tương đương giữa các vùng trong hệ thống điện

Đóng góp 2

Luận án đã hoàn thiện thuật toán, trình tự giải bài toán theo mô hình tối ưu

hoá chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính Chương trình tính toán được lập theo hàm mục tiêu “tối

thiểu hoá chi phí cung cấp điện của HTĐ với các ràng buộc về khả năng phát công suất và năng lượng, chi phí sản xuất và truyền tải của các nguồn phát, các ràng buộc

về khả năng truyền tải giữa các nút phụ tải trong hệ thống điện Chương trình cho chế độ vận hành hợp lý kết quả của các nguồn phát nói chung và các nhà máy thủy điện nói riêng Đặc biệt chương trình cho xác định được tổng phát thải khí CO2 của

HTĐ cho mỗi phương án tính toán

Đóng góp 3

Luận án đã xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu đầy đủ về vị trí, quy mô công suất, chế độ suất vận hành phát điện, chống lũ, cấp nước của các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam; Tính toán vận hành tối ưu các nhà áy thủy điện trong hệ thống điện Việt nam với các phương án 3, 5,8 nút và khu vực miền Trung – Tây Nguyên cho kết quả vận hành tin cậy phù hợp với thực tế Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi mô hình càng tăng số nút trong mô hình càng cho kết quả vận hành càng

chính xác Đây là cơ sở để áp dụng mô hình cho các bài toán tương lại trong hệ thống điện Việt Nam

6 Kết cấu của Luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, Phụ lục và Tài liệu tham khảo Luận án được cấu trúc thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam

Chương 2: Nghiên cứu bài toán tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện

Chương 3: Chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện Việt Nam

Chương 4: Tính toán chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong

hệ thống điện Việt Nam

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

1.1 Vai trò của các nhà máy thủy điện trong sản xuất điện năng

1.1.1 Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng trên thế giới

Điện năng là sản phẩm hàng hóa đặc biệt, không tích trữ được, nên quá trình sản xuất và tiêu thụ diễn ra đồng thời theo thời gian thực Các nguồn điện nói chung

và nhà máy thủy điện nói riêng thường xa nhau và xa các trung tâm phụ tải Các nguồn phát cung cấp điện cho hộ tiêu thụ điện thông qua hệ thống lưới điện và các trạm biến áp Hệ thống điện có thể hiểu là tổ hợp thống nhất theo không gian và thời gian gồm các trạm phát điện (nguồn điện), các trạm biến áp (tăng và hạ áp), các đường dây truyền tải, đường dây phân phối điện và các hộ tiêu thụ điện

Hệ thống điện hợp nhất ở mỗi quốc gia đều có quy mô rất lớn và phức tạp với nhiều nhà máy nhiệt điện (than, dầu, khí), điện hạt nhân, các nhà máy thủy điện và thủy điện tích năng cũng như các nguồn phát điện khác từ năng lượng tái tạo như: điện gió, điện mặt trời, địa nhiệt, trạm điện thủy triều v.v…

Để giảm được giá thành sản xuất điện năng trung bình của HTĐ, giảm giá cung cấp điện đến hộ tiêu thụ, các nước đều quan tâm giải quyết bài toán tối ưu phát triển (quy hoạch phát triển HTĐ) Đây là bài toán tìm phương án cấu trúc hệ thống điện (nguồn và hệ thống lưới điện) hợp lý nhất theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ở từng giai đoạn quy hoạch Trong bài toán toán này, trên cơ sở kết quả dự báo nhu cầu phụ tải và kết quả tổng hợp, phân tích, đánh giá các nguồn nhiên liệu - năng lượng có thể khai thác, sẽ xây dựng các phương án (kịch bản) phát triển và tính toán giải bài toán tìm phương án tối ưu

Thủy điện với lợi thế không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và có giá thành sản xuất điện năng thấp, tuổi thọ cao, vận hành linh hoạt nên được tất cả các quốc gia trên thế giới quan tâm đầu tư phát triển từ rất sớm và luôn giữ vai trò quan trọng trong cung cấp điện năng trên thế giới Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) và Hội đồng Năng lượng Quốc tế (WEC) [43,63] thủy điện đang đóng góp khoảng gần

20% tổng công suất điện trên thế giới Tiềm năng kỹ thuật của thủy điện thế giới được đánh giá gần 14.400 tỷ kWh/năm, trong đó tiềm năng kinh tế khoảng 8.200 TWh/năm (khoảng 57%) Các nước công nghiệp phát triển đều đã khai thác hơn 70% tiềm năng kinh tế và hiện cũng đang tìm cơ hội khai thác thêm Các nước đang phát triển, mới khai thác được 20% tiềm năng kinh tế Châu Á là châu lục có số lượng lớn nhất về phát triển thủy điện, các quốc gia dẫn đầu về tốc độ vẫn là Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Iran, …Những nước có nguồn thủy điện chiếm trên 50% tổng công suất điện của hệ thống điện rất nhiều như Na Uy (100%); Icela (83%), Canada (70%), Áo (67%) Bảng 1.1 Tổng hợp dữ liệu của IEA về cơ cấu nguồn điện thế giới giai đoạn đến năm 2040 như sau: [63]

Bảng 1.1: Cơ cấu phát triển điện thế giới của IEA [1] (Tỷ kWh/năm)

1.1.2 Vai trò của thủy điện trong sản xuất điện năng ở Việt Nam

Với điều kiện địa hình khu vực phía Bắc và khu vực phía Tây có đồi núi cao, phía Đông là bờ biển dài, lại nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.800 đến 2.000mm, nên Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển thủy điện Trên hệ thống 2.360 sông lớn với độ dài hơn 10 km, tổng tiềm năng kỹ thuật thủy điện của nước ta được đánh giá vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại

miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam Bản đồ trữ năng kỹ thuật các lưu vực sông chính ở Việt Nam trình bày trên hình 1.1

Hình 1.1: Bản đồ trữ năng kỹ thuật các dòng sông chính ở Việt Nam

Cả nước hiện có gần 970 dự án thủy điện được quy hoạch, hàng năm có thể sản xuất hơn 100 tỷ kWh, trong đó nói riêng thủy điện nhỏ (TĐN) có tới 800 dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm

Nhiều công trình thủy điện đã được xây dựng trên cả nước, theo kế hoạch, đến năm 2017, có 473 dự án sẽ đưa vào khai thác vận hành, với tổng công suất là 21.229,3 MW, chiếm gần 82% tổng công suất tiềm năng kỹ thuật của thủy điện Năm 2012, các nhà máy TĐ đóng góp 48,26% (13.000 MW) và 43,9% (tương ứng

53 tỷ kWh) điện năng cho ngành điện Cơ cấu nguồn thủy điện năm 2015 & 2016 biểu diễn trên hình 1.2

Cho đến nay các dự án TĐ lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được đầu

tư xây dựng đưa vào khai thác Các dự án có vị trí thuận lợi, có chi phí đầu tư thấp cũng đã được triển khai thi công Trong tương lai gần, các dự án TĐ công suất nhỏ sẽ được đầu tư khai thác Từ 2016-2030 kế hoạch xây dựng bổ sung từ nguồn thủy điện

dự kiến 8.959 MW [3] được tổng hợp trong bảng 1.2 và biểu diễn trên hình 1.3

Từ những thông tin nêu trên ta thấy, TĐ hiện vẫn chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện Năm 2014, TĐ chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện và đến các năm 2020 và 2030 tỷ trọng TĐ vẫn còn khá cao gần 23%

Hình 1.2: Cơ cấu nguồn điện và sản lượng điện Việt Nam 2015 &2016

Bảng 1.2: Kế hoạch xây dựng TĐ và TĐ tích năng theo QHĐ 7 (MW); [31]

Thủy điện N Thủy điện N tích năng Tổng Tổng các DA

Hình 1.3: Tổng hợp nguồn thủy điện bổ sung vào HTĐ Việt Nam 2016 -2030

Từ những dữ liệu về vai trò thủy điện trong sản xuất điện năng thế giới và Việt Nam trình bày trên đây, có thể rút ra một số nhận xét có liên quan đến vấn đề cần nghiên cứu sau đây:

(1) Thủy điện với lợi thế là nguồn năng lượng xanh, luôn được phục hồi theo thời gian có giá thành thấp, tuổi thọ công trình dài, khả năng huy động công suất nhanh, đơn giản, nên đã được ưu tiên phát triển ở tất cả các quốc gia trên thế giới Nửa đầu của thế kỷ XXI, thủy điện đang và sẽ giữ tỷ trọng khoảng 20%

(2) Bài toán khai thác và sử dụng nguồn thủy điện hợp lý luôn là vấn đề cấp thiết được các nước kinh tế phát triển quan tâm giải quyết Các thành tựu đạt được

là cơ sở lý thuyết vững chắc thúc đẩy phát triển thủy điện ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam

(3) Trong quá trình khai thác và vận hành cũng đã phát hiện ra nhiều tác động tiêu cực của nhà máy thủy điện đến xã hội và môi trường, cần được nghiên cứu giải quyết Trong đó, quan trọng nhất là bài toán vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện theo mục tiêu đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng tổng hợp nguồn nước, đặc biệt là hiệu quả phát điện

1.2 Hiện trạng vận hành nhà máy thủy điện lợi dụng tổng hợp nguồn nước

1.2.1 Khái niệm chung

Vận hành các nhà máy thủy điện là quá trình quản lý, khai thác vận hành hồ chứa và các công trình có liên quan theo các thông số kỹ thuật thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ đặt ra Mục tiêu và nhiệm vụ vận hành nhà máy thủy điện là đảm bảo an toàn và tối đa hoá lợi nhuận tổng hợp, trong đó lợi ích từ phát điện chiếm tỷ trọng lớn nhất

Bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện về bản chất là bài toán tối ưu hoá các chỉ tiêu thông số kỹ thuật trong quá trình vận hành hồ chứa và nhà máy thủy điện nhằm đáp ứng tối đa và hài hoà những lợi ích sử dụng tổng hợp nguồn nước đã đặt ra trong quá trình quy hoạch, thiết kế và xây dựng;

Các nhà máy thủy điện thường được thiết kế, xây dựng với nhiệm vụ lợi dụng tổng hợp nguồn nước: phát điện, cấp nước, cắt, giảm hoặc làm chậm lũ và phát triển kinh tế xã hội khu vực với các mức độ khác nhau Bài toán vận hành nhà máy thủy điện cũng được xuất phát từ việc đảm bảo tốt nhất và hài hoà những mục đích, nhiệm vụ đặt ra Vì vậy, bài toán vận hành các nhà máy thủy điện trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng thường được phân thành hai nhóm chủ yếu là: (i) bài toán vận hành tối ưu nhà máy thủy điện theo mục tiêu và chỉ tiêu thiết

kế được phê duyệt; (ii) bài toán vận hành tối ưu (huy động hợp lý) các nhà máy thủy điện tham gia phủ đồ thị phụ tải hệ thống điện

1.2.2 Hiện trạng vận hành các nhà máy thủy điện ở Việt Nam

Như trên đã nêu, hệ thống điện Việt Nam đến 2017 có 473 dự án sẽ đưa vào khai thác vận hành, chiếm gần 40% tổng công suất đặt toàn hệ thống và sản lượng điện đóng góp hàng năm từ 30-40% sản lượng phát điện toàn quốc Trong các nhà máy thủy điện hiện hữu, có 81 nhà máy thủy điện lớn và vừa (trên 30 MW) với tổng công suất đặt 16.100 MW, trong đó có 41 nhà máy với tổng công suất 12.200 MW

có khả năng điều tiết trên 1 tuần, tổng dung tích hữu ích các hồ chứa là 33,39 tỷ m3, tương ứng sản lượng điện là 14,40 tỷ kWh

Việc vận hành các hồ chứa và nhà máy thủy điện hiện nay phải tuân theo quy trình quy trình vận hành hồ chứa (đơn hồ, liên hồ) do các cơ quan chức năng có thẩm quyền phê duyệt Đến nay Thủ tướng Chính phủ đã ban hành 11 quy trình vận

hành liên hồ chứa cho các lưu vực sông lớn trên cả nước Theo đó, nguyên tắc thứ

tự ưu tiên trong vận hành các hồ chứa là:

+ Trong mùa lũ: Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình thủy điện; góp phần cắt/giảm lũ cho hạ du và đảm bảo hiệu quả phát điện

+ Trong mùa cạn: Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình thủy điện; đảm bảo dòng chảy tối thiểu trên sông và nhu cầu sử dụng nước tối thiểu ở hạ du và đảm bảo hiệu quả phát điện

Trong thời gian qua công tác vận hành nhà máy thủy điện lợi dụng tổng hợp nguồn nước (quy mô lớn và vừa) tuy đã phát huy hiệu quả, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế cần sớm được khắc phục Trong đó, một số vấn đề khó khăn, tồn tại có thể nêu ra là : (1) Vấn đề bố trí dung tích phòng lũ hợp lý: quy định tăng dung tích phòng lũ

và duy trì dung tích này trong suốt 2,5 tháng mùa lũ làm giảm sản lượng hàng năm của nhà máy thủy điện so với thiết kế ban đầu Việc hạ thấp mức nước để đón lũ, khi “dự báo có bão khẩn cấp, áp thấp nhiệt đới gần bờ hoặc các hình thái thời tiết có khả năng gây mưa lũ” và phải đưa về giá trị này trong vòng 24 giờ đến 48 giờ có nhiều bất cập trong thực tế vận hành

(2) Vấn đề cấp nước hạ du còn những điểm chưa phù hợp với đặc tính tuabin của tổ máy phát điện, dẫn đến việc đáp ứng trong thực tế gặp khó khăn, đặc biệt trong những năm khô kiệt phải tính toán, cân đối giữa yêu cầu cấp nước hạ du với cung ứng điện Thời điểm yêu cầu nước hạ du và quy định cấp nước hạ du liên tục 24/24h của một số hồ chứa (Sê San 4A, Srepok 4…) hoặc phải vận hành vào những giờ thấp điểm (Sông Ba Hạ…) không những ảnh hưởng đến công suất khả dụng và

cơ hội trong thị trường của nhà máy điện mà còn làm giảm công suất dự phòng và tính tối ưu của hệ thống điện [9,10,13]

(3) Việc áp dụng các quy trình vận hành liên hồ chứa, bài toán cân bằng năng lượng sẽ phát sinh thêm nhiều ràng buộc, dẫn đến kết quả không còn tối ưu và phát sinh chi phí mua điện; quy định điều tiết hồ chứa theo thời đoạn 10 ngày, dẫn đến việc mô phỏng trong chương trình tính toán gặp nhiều khó khăn do khung thời gian tính toán theo các quy định hiện hành là năm, tháng, tuần Bên cạnh đó, việc áp dụng cứng mực nước theo từng thời đoạn dẫn đến việc điều tiết hồ không còn linh

hoạt, khả năng hỗ trợ công suất cho hệ thống điện quốc gia cũng như khu vực giảm thấp khá nhiều

(4) Trong giai đoạn mùa lũ, việc luôn duy trì mực nước hồ thấp (mực nước trước lũ) làm giảm công suất khả dụng của nhà máy cũng như hệ thống điện, ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải Thời kỳ mùa khô, việc yêu cầu lượng nước cấp cho hạ du khá lớn và kéo dài dẫn đến các hồ có thể về mực nước chết sớm, khiến dự phòng điện năng và công suất toàn hệ thống suy giảm, dẫn đến phải huy động các nguồn điện với giá thành cao, làm tăng chi phí mua điện toàn hệ thống, thậm chí có thể phải hạn chế tải để cân bằng cung cầu và dễ xảy ra trường hợp không đủ nước để đáp ứng cho hạ du trong các giai đoạn sau

(5) Đến nay chế độ vận hành nhà máy thủy điện trong hệ thống điện do Trung tâm điều độ quốc gia A0 điều hành dựa trên phương thức cân đối cung cầu theo tính toán với chu kỳ quy định là năm, tháng hoặc tuần với các kịch bản năm nhiều nước, ít nước và trung bình nước Do công tác dự báo thủy văn còn nhiều bất cập và hệ thống quan trắc dự báo mưa bão còn thiếu chính xác, cùng với những quy định chưa hợp lý

về phòng lũ và cấp nước cho hạ du, nên công tác vận hành các nhà máy thủy điện trong

hệ thống điện đang gặp nhiều khó khăn và không đạt kết quả tối ưu trong thực tế

1.2.3 Thành tựu nghiên cứu tối ưu vận hành nhà máy thủy điện

Từ những phân tích, tổng hợp nêu trên có thể nhận thấy bài toán vận hành nhà máy thủy điện quy mô lớn và vừa, đặc biệt là vấn đề điều tiết hồ chứa ở Việt Nam luôn có tính thời sự và đã có nhiều tác giả và nhóm các nhà khoa học nghiên cứu giải quyết Các thành tựu nghiên cứu đạt được đã tạo cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy trong việc xây dựng quy trình vận hành hồ chứa, quy trình vận hành nhà máy thủy điện [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]

Mục tiêu của bài toán đặt ra là thu được lợi ích tối đa từ các nhà máy thủy điện (phát được công suất và điện năng tối đa trong điều kiện thỏa mãn các ràng buộc đa mục tiêu khác như cấp nước, điều tiết lũ, đẩy mặn v.v…) Trong số các công trình nghiên cứu có thể kể đến là công trình nghiên cứu của Nguyễn Thượng Bằng [31] Tác giả đã nghiên cứu giải bài toán tối đa điện năng mùa cấp của nhà

máy thủy điện trên bậc thang theo phương pháp tối ưu đa mục tiêu Gần đây, nhóm tác giả trường Đại học thủy lợi là Hà Văn Khối, Hồ Ngọc Dung… [27,28,29] đã có những thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực điều tiết phát điện và cấp nước, tối ưu vận hành hồ chứa bậc thang thủy điện làm việc trong hệ thống điện,… Năm 2017 tác giả

Lê Hồng Sơn [21] đã nghiên cứu, phân tích lựa chọn cách tiếp cận và đề xuất phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng - tối ưu - trí tuệ nhân tạo, lập trình tối ưu và kết nối các mô hình để giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu

Ngoài ra, còn một số vấn đề nêu trên chủ yếu có tính quản lý điều hành và thuộc chức năng của các cơ quan quản lý an toàn đập đã và đang được các cơ quan quản lý ngành nghiên cứu giải quyết Ví dụ: nghiên cứu xem xét chia thời kỳ mùa lũ của hồ chứa thành các thời kỳ lũ sớm, lũ chính vụ và lũ muộn với mức nước trước lũ, mức nước đón lũ tương ứng phù hợp trong từng thời kỳ, nhằm tăng hiệu quả phát điện, đảm bảo việc tích nước cho các nhu cầu hạ du trong mùa khô trên cơ sở vận hành an toàn tuyệt đối cho công trình, đảm bảo hiệu quả cắt / giảm lũ cho hạ du v.v…

1.3 Tổng quan các kết quả nghiên cứu tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu tối ưu vận hành hệ thống điện và các nhà máy thuỷ điện trong hệ thống điện

Nghiên cứu tối ưu hoá vận hành hệ thống điện nói chung và các nhà máy thuỷ điện nói riêng trong HTĐ đã và đang triển khai theo phương pháp sử dụng mô

hình mô phỏng (simulation models) và mô hình toán tối ưu (optimization models)

Cả hai dạng mô hình nêu trên, những đặc tính của các phần tử trong HTĐ (nguồn phát và đường dây truyền tải) đều được mô tả đúng hoặc sát với đặc tính thực của chúng Trong luận án này, chúng ta chỉ xem xét các đặc tính có liên quan đến tối ưu chế độ vận hành tức là mô hình toán tối ưu

Chế độ vận hành tối ưu (hợp lý nhất) của các nhà máy thủy điện trong HTĐ

có thể xác định một cách tường minh từ cách tiếp cận tối ưu vận hành tổng thể hệ thống điện Mô hình toán tối ưu thường được xây dựng dựa trên các tiêu chí và ràng buộc cần thiết đối với mỗi bài toán cụ thể Khác với mô hình mô phỏng, mô hình tối

ưu vận hành HTĐ cần phải phân tích lựa chọn hàm tối ưu theo chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện đáp ứng nhu cầu của hộ tiêu thụ (phụ tải) liên tục ngày đêm, tuần, tháng và năm Hiện nay, bài toán tối ưu vận hành HTĐ nói chung và các nhà máy thuỷ điện trong HTĐ nói riêng trên thế giới và Việt Nam đều thực hiện bằng phương pháp cân bằng công suất và năng lượng của tất cả các nguồn phát với nhu cầu phụ tải theo thời gian thực, sao cho chi phí cung cấp điện đến tất cả các hộ tiêu thụ điện là nhỏ nhất

Trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình và thành tựu nghiên cứu

mô hình tối ưu và chương trình tính toán tối ưu vận hành HTĐ Dưới đây sẽ tóm tắt các kết quả nghiên cứu mô hình tối ưu vận hành và chương trình tính toán xác định chế độ vận hành tối ưu HTĐ nói chung và các nhà máy thuỷ điện nói riêng

1.3.2 Tổng quan chung về mô hình tối ưu

1.3.2.1 Bài toán tổng quát

Bài toán tối ưu dạng tổng quát thường có dạng: cực đại hoá (hoặc cực tiểu hoá) hàm mục tiêu:

Với các điều kiện:

gi(x) (, =, ) bi; i = (1.2)

D = {x  X gi(x) (, =, ) bi; i = } (1.3) Trong đó, các hàm gi(x), i = gọi là hàm ràng buộc, mỗi đẳng thức hoặc bất đẳng thức trong hệ (1.2) được gọi là một ràng buộc; Tập hợp: (1.3) gọi là miền ràng buộc (hay miền chấp nhận được) Mỗi điểm x = (x1, x2,…xn)  D được gọi là một phương án (hay một lời giải chấp nhận được) Một phương án x*  D đạt cực đại (hay cực tiểu) của hàm mục tiêu, cụ thể là:

f(x*)  f(x), x D (đối với bài toán max) f(x*)  f(x), x D (đối với bài toán min) được gọi là phương án tối ưu (lời giải tối ưu) Khi đó f(x*) được gọi là giá trị tối ưu của bài toán

m

,1

m

,1

m

,1

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu vận hành HTĐ và các nhà máy thủy điện trong HTĐ là hàm phi tuyến do các đặc tính nguồn phát (công suất và điện năng) là hàm phi tuyến Ví dụ: công suất và điện năng của nhà máy thủy điện phụ thuộc vào lưu lượng và cốt nước; của nhà máy nhiệt điện thì mối liên hệ giữa công suất phát

và suất tiêu hao nhiên liệu luôn là hàm phi tuyến Có nhiều phương pháp khác nhau

đã được sử dụng để giải bài toán tối ưu phi tuyến nêu trên Dưới đây sẽ giới thiệu một số mô hình chủ yếu đã và đang áp dụng trong tối ưu HTĐ

1.3.2.2 Các phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến

a Phương pháp quy hoạch tuyến tính (Linear Programming - LP) là một

phương pháp giải hiệu quả đối với các bài toán tối ưu cỡ lớn được sử dụng rộng rãi trong tính toán trên máy tính tử Để giải được các hàm của bài toán tối ưu phi tuyến thì các quan hệ phi tuyến trong hàm mục tiêu và các ràng buộc cần được tuyến tính hóa Các phương trình phi tuyến có thể được tuyến tính hóa từng phần sử dụng lưới

đa chiều Các thuật toán mở rộng của LP như nhị phân, biến nguyên hay hỗn hợp

Ưu điểm của LP là giải được bài toán quy mô lớn nhiều biến số, đạt được cực trị toàn cục và có phần mềm sẵn, có thể giải được nhiều phương trình trong bài toán tối

ưu phát triển và tối ưu vận hành HTĐ

b Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming - DP): Bellman đã

giới thiệu thuật toán Quy hoạch động từ năm 1957 với hàm truy hồi ngược là nền tảng cho thuật giải DP DP có thể sử dụng cho cả các hàm mục tiêu, ràng buộc tuyến tính và phi tuyến Do vậy, nó đã được áp dụng đối với bài toán tối ưu phát triển HTĐ Tuy nhiên, phương pháp này có khối lượng tính toán lớn và đối với bài toán tối ưu vận hành HTĐ phức tạp nhiều nút, thời gian tính toán rất dài

c Các phương pháp khác: Ngoài hai phương pháp chủ yếu nêu trên trong quá

trình nghiên cứu giải các bài toán riêng trong HTĐ người ta còn sử dụng một số phương pháp khác như: Thuật giải di truyền (Genetic Algorithm - GA); Mô hình nơ-ron nhân tạo (artificial neural network- ANN) trong các bài toán dự báo nhu cầu phụ tải; phương pháp nhân tử Lagrang trong bài toán tính toán HTĐ …

1.3.3 Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình tối ưu trên thế giới

Những nghiên cứu về qui hoạch, cân bằng năng lượng thường mang tính Quốc gia và đã được khởi xướng từ các nước có nền kinh tế kế hoạch hoá Lần đầu tiên, 1959 tại viện Hàn lâm khoa học Liên xô (cũ) đã có những công bố về nội dung này, tiếp theo nhiều công trình của các tác giả Kuznecop IU.A, Melenchiev, Macarop A.A …đã công bố Sau đó các nước như Bungari, Rumania, CHDC Đức, Tiệp Khắc…đều có công bố các kết quả nghiên cứu của mình

Những năm cuối thập kỷ 60 và đầu 70, nhu cầu năng lượng tăng nhanh, tình trạng thiếu năng lượng xuất hiện Hội nghị năng lượng thế giới lần thứ 7 (1968) tại Maxcova đã có những khuyến nghị về sử dụng hiệu quả năng lượng Đặc biệt sau khủng hoảng năng lượng 1973-1974 và 1978, hàng loạt nước phát triển và đang phát triển đã quan tâm nghiên cứu; phương pháp qui hoạch phát triển năng lượng đã xuất hiện ở nhiều nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Canađa [17, 19, 20, 21]

Hiện có khá nhiều chương trình phần mềm được sử dụng cho việc nghiên cứu cấu trúc phát triển hợp lý hệ thống điện và cũng được sử dụng để giải bài toán huy động hợp lý các nguồn điện đáp ứng nhu cầu phụ tải Hầu hết các phần mềm thương mại được phát triển hiện nay đều dựa trên cơ sở các mô hình toán học hiện đại khác nhau, dưới dạng phi tuyến như “quy hoạch lồi”, “quy hoạch động” và “lý thuyết quá trình tối ưu” Trong đó, các mô hình hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới có thể nêu ra là: WASP III, EFOM-ENV, ENPEP - Balance, LEAP, MARKAL, MESAP, MESSAGE, RETScreen, STRATEGIST-EVN nhập từ Mỹ, DPAT II, LP- ESPS cấp B của ETB, CORRECTIVE …[45,46,47,48, 50]

Một số chương trình phần mềm của nước ngoài được nhập khẩu và sử dụng trong nghiên cứu tối ưu phát triển và tối ưu vận hành hệ thống điện Việt Nam được giới thiệu tóm tắt dưới đây:

Chương trình WASP III: Bộ chương trình này được Viện Năng lượng sử

dụng cho bài toán quy hoạch nguồn điện Chương trình sử dụng phương pháp quy hoạch động để mô hình hoá hệ thống điện Tuy nhiên, chương trình WASP III đã xem toàn bộ hệ thống điện là một nút - (Bài toán một nút), không tính đến đường dây truyền tải Điều này phù hợp với lưới điện của các nước phát triển khi mật độ

phụ tải của các vùng phân bố tương đối đều, khoảng cách truyền tải gữa các trung tâm phụ tải và nguồn điện không dài [48]

Đối với Việt Nam nếu coi cả hệ thống điện là một điểm nút sẽ không phù hợp, vì lãnh thổ Việt Nam trải dài trên 2000km với 3 trung tâm phụ tải rõ rệt và khoảng cách từ trung này đến trung tâm khác khoảng trên 500km Như vậy, nghiên cứu cấu trúc phát triển hợp lý hệ thống điện của Việt Nam nhất thiết phải tính tới đường dây truyền tải Bắc - Trung - Nam

Viện Năng lượng gần đây đã sử dụng kết hợp 2 chương trình tính toán: WASP III và PDPAT II để nghiên cứu phát triển nguồn trong HTĐ Theo đó HTĐ Việt Nam được mô phỏng thành 2 hệ thống con liên kết gồm: HTĐ miền Bắc gồm

23 tỉnh miền Bắc; HTĐ Miền Trung - Nam gồm các tỉnh còn lại từ Quảng Bình trở vào Trình tự sử dụng như sau:

 Sử dụng WASP III giải bài toán tối ưu nguồn của các hệ thống đơn [48]

 Sử dụng PDPAT II mô phỏng hệ thống điện thành hai hệ thống con liên kết, tính toán chi phí hàng năm và công suất trao đổi giữa hai hệ thống con theo các phương án để xác định phương án tốt nhất

 Kết quả đưa ra từ 2 chương trình này mới xác định được lượng công suất truyền tải mà không xác định được khoảng cách truyền tải và do đó không xác định được tổn thất điện năng truyền tải cũng như chi phí truyền tải trên đường dây

Gần đây, đã xuất hiện báo cáo của nhóm quốc tế về sử dụng mô hình Balmorel để xây dựng kịch bản hệ thống điện cho Việt Nam Balmorel là một phần mềm thương mại và được phát triển bởi chuyên gia tư vấn quốc tế EA Energy Analysis Mô hình đã sử dụng cho một số dự án ở các nước phát triển như Đan Mạch, Anh và Bắc Mỹ

Tại Việt Nam, Balmorel được bắt đầu vào tháng 7 năm 2015, một phiên bản

dự thảo đã được xây dựng và chuyển giao vào tháng 9 năm 2015 Kể từ đó, phối hợp với Viện Năng lượng liên tục cập nhật, chuyển giao cho các chuyên gia và cán

bộ của Trung tâm điều độ Quốc gia, Đại học Điện lực và Cơ quan Quản lý Điện lực

Việt Nam Phần mềm này có cách tiếp cận tối ưu hóa theo mục tiêu chi phí thấp nhất trong trung và dài hạn

Thực tế sử dụng các phần mềm nước ngoài nhập khẩu vào Việt Nam vừa qua cho thấy, các mô hình luôn đòi hỏi những bộ dữ liệu đầu vào riêng kèm theo những điều kiện mà không phải nước nào cũng có khả năng đáp ứng Đối với nước ta những đặc thù HTĐ nêu trên hầu như không cho phép áp dụng trực tiếp các phần mềm thương mại nhập khẩu Vì vậy, khi sử dụng các phần mềm nhập khẩu buộc những nhà nghiên cứu phải có những giải pháp xử lý số liệu đầu vào khác nhau, nên không phải lúc nào cũng đáp ứng được yêu cầu đặt ra Mặt khác, do chương trình thương mại theo kiểu hộp đen, không thể tác động vào cấu trúc cũng như quá trình tính toán của nó, nên khi nhận được kết quả cũng khó phát hiện ra những bất hợp lý hoặc lời giải không tối ưu Vì vậy, kết quả thu được thường phải phải xem xét hiệu chỉnh cho phù hợp với điều kiện đặc thù Việt Nam theo kinh nghiệm của các nhóm nghiên cứu, tính toán

1.3.4 Các kết quả nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam

Bài toán xác định chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện là bài toán được giải cùng (và không thể tách rời) với bài toán tối ưu vận hành các nguồn điện và đường dây truyền tải của hệ thống Đây là bài toán huy động công suất và năng lượng hợp lý từ các nguồn phát tại thời kỳ xem xét nhằm thoả mãn nhu cầu tiêu thụ đã biết của hệ thống điện theo chu kỳ tính toán (năm, tháng, tuần hoặc ngày đêm) với tổng chi phí sản xuất và truyền tải, phân phối điện nhỏ nhất Một số công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này là:

Tác giả Ngô Đức Cường (2002 - ĐHBK Hà Nội ) đã sử dụng bài toán qui hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp xấp xỉ thuật toán để xây dựng được chương trình tính phân phối tối ưu công suất trong HTĐ có xét đến giới hạn truyền tải của các khu vực Bài toán tập trung giải quyết vấn đề tối ưu nguồn điện chưa xét đến một cách triệt để chi phí tuyền tải giữa các khu vực (nút) [3]

Tác giả: Trần Vĩnh Tịnh (2002 - ĐHBK Hà Nội) đã nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu quả vận hành cung cấp điện Tác giả đã áp dụng các phương pháp tối ưu hóa nhằm giải quyết một số bài toán trong lĩnh vực quản lý

vận hành kinh tế HTĐ Việt Nam Đối tượng nghiên cứu thuộc phạm vị nhỏ phục vụ quản lý vận hành độc lập của khu vực Quận, Huyên, Thị trấn, Thành phố [37]

Nhóm các nhà khoa học của Viện Khoa học năng lượng do cố GS.TSKH Nguyễn Hữu Mai lãnh đạo, năm 1993-1995 đã thành công trong việc nghiên cứu giải bài toán tối ưu phát triển HTĐ Việt Nam với mô hình 3 nút miền Bắc - miền Trung & miền Nam [50,52] Theo phương pháp này, bài toán đã lấy trạm 500 Hòa Bình là điểm tập trung của Nút 1; Nút 2 gộp trạm 500 Đà nẵng - KonTum và nút 3 lấy trạm 500 kV Phú Lâm [14]

Để tính chi phí và tổn thất truyền tải cự ly tính toáN nút1 - nút 2: 640 km ; nút 2 - nút 3: 557km; nút 1 - nút 3: 1.497 km Bài toán đã được giải theo phương pháp quy hoạch tuyến tính và thu được kết quả là cấu trúc tối ưu của HTĐ (vị trí, quy mô của các nguồn điện và đường dây truyền tải 500 kV của HTĐ Việt Nam); Hạn chế của bài toán là các nguồn điện đưa vào tính toán chỉ tập trung xem xét các nguồn phát lớn đấu nối trực tiếp với lưới điện truyền tải 500 kV và 220 kV

Năm 2005-2008 kế thừa thành tựu nghiên cứu của tập thể tác giả Trung tâm nghiên cứu khoa học kỹ thuật năng lượng, Viện Khoa học Việt Nam, nhóm cán bộ nghiên cứu của Viện Khoa học năng lượng Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã hoàn thiện mô hình tối ưu phát triển hệ thống điện có tính đến đặc tính nguồn phát và đường dây truyền tải Phần tư tưởng, thuật toán về cơ bản không có thay đổi, ngoại trừ phần giải bài toán tối ưu bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính

Tính năng của chương trình được hoàn thiện phục vụ cho bài toán tối ưu phát triển và tối ưu vận hành hệ thống điện như sau:

- Hệ thống điện Quốc gia được mô phỏng theo mô hình 3 nút: Miền Miền Trung-Miền Nam

Bắc Đã kể tới truyền tải điện giữa các nút, và xét đến giới hạn tải của các đường dây liên kết 500 kV và 220 kV

- Dựa trên nhu cầu phụ tải dự báo và phương án phát triển nguồn cho trước, chương trình tính toán huy động các nhà máy điện và truyền tải trên đường dây liên kết 3 nút để xác định tổ hợp vận hành kinh tế nhất đáp ứng nhu cầu phụ tải cho trước của hệ thống điện

- Với phương án phát triển nguồn hợp lý kết quả tính toán đảm bảo đáp ứng yêu cầu thực tế, có kể đến vai trò và đặc điểm của các nguồn tham gia phủ biểu đồ

- Chương trình được xây dựng trên môi trường Window, dễ sử dụng và thuận tiện và biểu diễn kết quả tính toán bằng các dạng biểu đồ trực quan, phong phú, đa dạng & biểu diễn dạng file text

- Có khả năng giải quyết bài toán tối ưu với dữ liệu lớn, song còn nhiều hạn chế về số biến và các ràng buộc, nên phải giản hoá một số biến

1.3.5 Một số nhận xét về thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu vận hành nhà máy thủy điện trong hệ thống điện

Từ những trình bày trên đây có thể nhận thấy, bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện nói chung và các nhà máy thủy điện nói riêng thuộc dạng bài toán kinh điển có ý nghĩa to lớn về khoa học và thực tiễn, nên đã được nhiều tổ chức, cá nhân nghiên cứu và đạt được những thành tựu to lớn Các mô hình mô phỏng và phần mềm tính toán đã cho phép các quốc gia trên thế giới giải bài toán phát triển tối ưu

và vận hành hợp lý hệ thống điện

Trong thực tiễn, các tổ chức vận hành hệ thống điện thường sử dụng các chương trình phần mềm nghiên cứu bài toán phát triển để giải bài toán tối ưu vận hành Điều khác biệt khi sử dụng là dự báo phụ tải được xây dựng cho giai đoạn ngắn (năm, tháng hoặc tuần) và cơ cấu của hệ thống điện được coi là đã biết Xét trên quan điểm bài toán vĩ mô, về nguyên lý, phương pháp giải bài toán như trên có thể chấp nhận được Điều cần lưu ý ở đây là hệ cơ sở dữ liệu đầu vào và kết quả đầu

ra cần xây dựng lại cho phù hợp với thời điểm tính toán và mục tiêu đặt ra

Điều cần lưu ý là, bài toán vận hành tối ưu hệ thống điện cần được xem xét theo các cấp độ khác nhau: theo vùng, miền (nút phụ tải), theo dạng nguồn phát (nhiệt điện thủy điện …), cấp điện áp truyền tải (500 kV, 220 kV v.v…) Tuy nhiên, thực tế sử dụng các chương trình phần mềm hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu cấp thiết trên và còn một số vấn đề cần quan tâm giải quyết là:

(1) Các phương pháp và chương trình tính toán tối ưu được nhập khẩu hoặc

đề xuất trong nước chưa đồng bộ, chưa đáp ứng được những đặc thù riêng của hệ thống lớn năng lượng Việt Nam nói chung và hệ thống điện nói riêng

(2) Về tổng thể các phần mềm và chương trình tính toán trong và ngoài nước cho đến thời điểm hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào phù hợp cho tính toán xây dựng kịch bản vận hành HTĐ khi xét cùng một lúc cả chi phí sản xuất điện năng & chi phí truyền tải Hơn nữa, chương trình thương mại thường theo kiểu hộp đen, bộ

dữ liệu đầu vào khó đáp ứng và không thể tác động vào cấu trúc cũng như quá trình tính toán của nó Vì vậy, khi nhận được kết quả tính toán cũng khó phát hiện ra những bất hợp lý hoặc lời giải chưa tối ưu

(3) Tỷ trọng các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam đang giảm dần, song vẫn còn lớn cho đến năm 2030, [31] Vai trò của thủy điện đang chuyển dần từ nguồn phát điện chính, sang nguồn phủ đỉnh đồ thị phụ tải Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện ở Việt Nam cần được giải quyết theo những điều kiện đặc thù riêng của điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội Việt Nam

1.4 Luận cứ về nội dung nghiên cứu của luận án

Từ những trình bày trên đây có thể nhận thấy, bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện nói chung và các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện nói riêng, tuy đã được quan tâm, song do tính đa dạng và có nhiều điều kiện đặc thù riêng ở mỗi quốc gia, nên đến nay bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện chưa có mô hình và phần mềm chung Tùy điều kiện đặc thù của mỗi nước, bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện được giải quyết riêng

Đối với HTĐ Việt Nam, để đạt được mục tiêu đặt ra, trong Luận án này sẽ

đi sâu nghiên cứu những đặc tính của các nguồn điện (thủy điện, nhiệt điện…) , của lưới điện truyền tải & các trung tâm phụ tải có ảnh hưởng đến tối ưu chế độ làm việc của hệ thống điện để luận cứ xây dựng mô hình toán học mô phỏng HTĐ Việt Nam

1.4.1 Đặc điểm của các nguồn điện có ảnh hưởng đến tối ưu vận hành HTĐ

a Nguồn nhiệt điện: Các nhà máy nhiệt điện, suất tiêu hao nhiên liệu để sản xuất ra một kWh phụ thuộc không tuyến tính vào số giờ sử dụng (Tmax) và công suất đặt của tổ máy (Plm) Từ đó, suất chi phí nhiên liệu (là tích số giữa giá nhiên liệu với lượng tiêu hao nhiên liệu) phụ thuộc không tuyến tính vào số giờ huy động công

suất Tmax (tức là tỷ số giữa lượng điện năng phát ra trong năm với Plm) Như vậy, đối với các loại nhà máy nhiệt điện, trong bài toán tối ưu phát triển cũng như tối ưu vận hành HTĐ, ngoài biến số công suất Plm cần phải tìm, thì số giờ sử dụng công suất đặt Tmax cũng là biến số cần xác định Nói cách khác, suất tiêu hao nhiên liệu của một nhà máy phụ thuộc vào vị trí làm việc của nó trong đồ thị phụ tải HTĐ

Độ linh hoạt của nhà máy nhiệt điện sẽ được đặc trưng bởi khoảng điều chỉnh linh hoạt công suất phát Độ linh hoạt là khả năng thay đổi khoảng điều chỉnh công suất từ giá trị cao nhất (Pmax) đến giá trị thấp nhất (Pmin) kể cả khả năng ngừng và khởi động lại tổ máy khi phải phục vụ các chế độ khác nhau của phụ tải ngày đêm và tuần lễ Các loại nhà máy điện khác nhau sẽ có độ linh hoạt khác nhau.Khoảng điều chỉnh này, phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thiết bị và tính chất của nhà máy điện Chẳng hạn với nhiệt điện than khoảng điều chỉnh công suất này thường không quá 60%; với tuabin khí và tuabin khí hỗn hợp thì có thể lên tới 70  80%

Tốc độ nhận tải và sa thải phụ tải khi sự cố của các nhà máy khác nhau cũng khác nhau Để khởi động tổ máy từ trạng thái lạnh đến phụ tải định mức, với thủy điện xem như tức thời (35 phút), tuabin khí và tua bin khí hỗn hợp từ 20 25 phút, còn nhiệt điện ngưng hơi thì phải mất 58 giờ Do đó, về nguyên tắc, muốn đòi hỏi nhà máy nhiệt điện than bảo đảm công suất Pmax và Pmin vào giờ cao và thấp điểm của phụ tải ngày đêm với hệ số độ linh hoạt đ cao hơn qui định, thì trong điều kiện

đó, vào giờ thấp điểm buộc một số lò máy phải chạy ở dạng "dấm lò" (không tải),

để sao cho tỷ số giữa công suất Pmax vào giờ cao điểm của nhà máy (bao gồm tất cả các lò máy mang tải và "dấm lò") với công suất cực tiểu cho phép Pmin chỉ của lò máy mang tải vào giờ thấp điểm đạt trị số đ yêu cầu của phụ tải Rõ ràng bắt nhà máy làm việc ở chế độ này sẽ làm tăng đáng kể chi phí vận hành (chi phí nhiên liệu) của nhà máy

b Nguồn thủy điện Ưu điểm cơ bản của thủy điện là độ linh hoạt trong điều chỉnh (hầu như tức thời) theo yêu cầu của phụ tải Công suất lắp máy (Plm) của thủy điện thông thường lớn gấp nhiều lần công suất bảo đảm Điều này dẫn đến sự gia tăng công suất trùng trong HTĐ khi nguồn thủy điện có tỷ lệ cao, đồng thời tạo điều

kiện thuận lợi cho việc dự phòng nóng và là nguồn phủ đỉnh có hiệu quả cao trong vận hành HTĐ Đây là vấn đề cần được đặc biệt lưu ý trong quá trình thiết lập mô hình mô phỏng và giải bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện Vì vậy, khi xét hiệu quả của thủy điện cần xem xét đầy đủ, đồng bộ các chỉ tiêu liên quan đến khả năng phát công suất và điện năng trong hệ thống điện như:

- Công suất lắp máy của thủy điện (Plm), là tổng công suất danh định của các

tổ máy trong nhà máy thủy điện, nó biểu thị khả năng phát cực đại của thủy điện, tương ứng với mực nước trong hồ xấp xỉ mực nước dâng bình thường (MNDBT)

- Công suất khả dụng của thủy điện (Pkd), là công suất phát lớn nhất của thủy điện, trong các điều kiện làm việc khi mực nước hồ thấp hơn quy định, Pkd thường nhỏ hơn công suất đặt (Pkd < Plm) Pkd thường giảm trong các tháng mùa kiệt, trước mùa lũ Khi đó, để sử dụng tối đa lượng nước hữu ích còn lại trong hồ trước khi lũ đến, thường cho thủy điện vận hành phát hết dung tích hữu ích, cho đến khi mực nước hồ giảm xuống gần mực nước chết, cột nước làm việc thấp, làm giảm công suất phát của tổ máy Ngoài ra, đối với những thủy điện, về mùa lũ cần dành một phần đáng kể dung tích hữu ích để phòng lũ vào những tháng phòng lũ, mực nước làm việc của hồ có thể quá thấp so với MNDBT, thì cũng thường xảy ra hiện tượng này (Pkd  Plm)

- Công suất phát trung bình tháng (Ptbt), thường phụ thuộc vào mùa trong năm Nó là thông số cho trước và được xác định bởi chu kỳ thủy văn Ptbt thường được xác định cho năm trung bình nước và năm ít nước, ứng với từng năm này ta sẽ

có 12 giá trị Ptbt của 12 tháng thuộc năm đó Công suất này là chỉ tiêu cơ bản để xác định lượng điện năng trung bình ngày, tháng và mùa trong năm của thủy điện, tham gia vào phủ đồ thị phụ tải các nút HTĐ Đối với đặc tính thủy văn của hệ thống sông ngòi Việt Nam, thì công suất trung bình tháng của thủy điện rất khác nhau giữa mùa khô và mùa lũ (trong năm) và giữa năm ít nước và năm nhiều nước Các thông số này được xem như là điều kiện biên để đánh giá hiệu quả kinh tế khi huy động công trình thủy điện vào vận hành trong HTĐ

- Công suất cực tiểu mà nhà máy thủy điện phải đảm bảo (Pmin) Giá trị bé nhất Pmin được xác định xuất phát từ nhu cầu tưới tiêu và giao thông vận tải vào mùa khô ở hạ lưu của nhà máy thủy điện

- Số giờ sử dụng công suất lắp máy (Ttđ ) của thủy điện trong năm được xác định bằng lượng điện năng sản xuất trung bình nhiều năm của thủy điện chia cho công suất lắp máy

- Thủy điện Việt Nam có những đặc điểm tương đối đặc biệt so với thế giới Các công trình thủy điện Việt Nam, ngoài nhiệm vụ phát điện còn phải dự phòng một dung tích hữu ích đáng kể để chống lũ, đặc biệt nhất là các nhà máy thủy điện trên hệ thống lưu vực sông Hồng, chúng sẽ ảnh hưởng lớn đến HTĐ do việc phát

Pkd và Ptbt thấp đi vào mùa lũ

- Do đó, việc lựa chọn phương pháp toán học và mô hình có khả năng mô tả được những đặc điểm và điều kiện trên là một vấn đề rất quan trọng và cần được quan tâm thích đáng trong quá trình lựa chọn và xây dựng mô hình tối ưu phát triển cũng như tối ưu vận hành HTĐ

1.4.2 Ảnh hưởng của khả năng truyền tải chính giữa các vùng đến tối ưu phát triển

và vận hành hệ thống điện

Như trên đã nêu hệ thống điện Việt Nam đã phát triển và hình thành nhiều trung tâm phụ tải, trong đó có 2 trung tâm phụ tải chính cách nhau hàng ngàn km là miền Bắc và miền Nam Nguồn năng lượng sơ cấp cho phát điện ở mỗi vùng miền

có sự khác nhau (thủy điện và nhiệt điện than chủ yếu ở miền Bắc, miền Nam sử dụng nguồn khí và miền Trung là thủy điện và nhiệt điện than…) Ngoài ra, sự phát triển nhanh của các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ sẽ làm thay đổi đáng kể dòng công suất truyền tải giữa các vùng miền Các đặc thù nêu trên đòi hỏi mô hình bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện giai đoạn 10 - 15 năm tới, phải tính không chỉ những vị trí đặt các nguồn phát, mà còn phải tính được cả chi phí truyền tải của các nguồn phát này đến các trung tâm phụ tải chính ở các vùng miền

Theo quy định hiện hành, lưới điện 220 kV và 500 kV thuộc hệ thống lưới truyền tải, lưới điện 110 kV trở xuống thuộc lưới phân phối Luận án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống lưới truyền tải giữa các nút và đường dây 110 kV trở xuống chỉ xem xét khi nghiên cứu vận hành HTĐ khu vực hoặc trong từng nút phụ tải

1.5 Kết luận chương 1

Để đảm bảo điện năng cho phát triển kinh tế xã hội, HTĐ Việt Nam đã và đang phát triển nhanh và ngày càng trở thành một hệ thống lớn phức tạp với nhiều nguồn phát điện đa dạng về chủng loại cũng như về chủ sở hữu và đường dây truyền tải, phân phối, cung cấp điện năng cho nhiều trung tâm phụ tải lớn Sự lớn mạnh của HTĐ về quy mô và sự thay đổi cấu trúc nguồn phát (chuyển dần từ thủy điện sang nhiệt điện than) đã làm thay đổi về chất bài toán tối ưu vận hành HTĐ Việt Nam

Bài toán tối ưu phát triển HTĐ lớn đã được nhiều chuyên gia trong và ngoài nước nghiên cứu giải quyết theo hai nhóm phương pháp chính là phương pháp qui hoạch động và phương pháp qui hoạch tuyến tính nguyên với hàm mục tiêu là tối thiểu hoá chi phí của toàn hệ thống điện

Do đặc điểm nguồn điện của HTĐ Việt Nam đa dạng và phân bố không đều trên phạm vi cả nước; lưới điện truyền tải trải dài theo chiều dài đất nước và nhất là

sự hình thành phát triển các trung tâm phụ tải lớn khá nhanh, đòi hỏi thực tiễn phải

có những nghiên cứu bài toán tối ưu phát triển và tối ưu vận hành theo phương pháp tiếp cận mới: Xây dựng mô hình mô phỏng HTĐ Việt Nam theo các đặc tính nguồn phát và đường dây truyền tải đến các vùng phụ tải

Từ những vấn đề trên có thể khẳng định việc nghiên cứu vận hành tối ưu các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam trong hiện tại và thời gian tới là vấn đề hết sức cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Những vấn đề trình bày ở Chương 1 chính là cơ sở và tiền đề cho nội dung Luận án này Việc đưa ra mô hình, hướng tiếp cận, phương pháp giải sẽ được NCS giải quyết ở các chương tiếp theo

Chương 2 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Đặt vấn đề

Từ nghiên cứu tổng quan có thể nhận thấy HTĐ Việt Nam đã phát triển mạnh

và trở thành một hệ thống lớn về quy mô với cấu trúc nguồn đa dạng và hệ thống lưới điện truyền tải dài phức tạp Để nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí cung cấp điện cho phát triển kinh tế xã hội cần phải giải bài toán vận hành tối ưu HTĐ Việt Nam theo phương pháp tiếp cận mới là xây dựng mô hình toán học mô phỏng HTĐ Việt Nam theo đặc tính của các nguồn phát và đặc thù của hệ thống đường dây truyền tải Một trong những hướng nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí cung cấp điện cho HTĐ

là khai thác và sử dụng hợp lý các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam

Một đặc điểm quan trọng nhất cần đặc biệt lưu ý của HTĐ Việt Nam là sự đa dạng và sự phân bố không đều về địa lý của các nguồn năng lượng sơ cấp theo vùng miền và khu vực kinh tế Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ Bắc vào Nam có tới 63 đơn vị hành chính cấp tỉnh, thành phố kèm theo nhiều vùng kinh tế đặc thù, nguồn nhiên liệu năng lượng phân bố không đều, đã tạo ra những trung tâm phát điện cũng như các trung tâm phụ tải cách xa nhau Miền Bắc và khu vực miền Trung - Tây Nguyên có tiềm năng thủy điện lớn đã xây dựng nhiều nhà máy thủy điện quy mô lớn, trong khi miền Nam đã và đang tập trung phát triển các trung tâm nhiệt điện Sự hình thành và phát triển hệ thống lưới điện truyền tải 500 và 220 kV nối liền các trung tâm phát điện

và hộ tiêu thụ điện đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát huy những lợi thế của sự đa dạng nguồn phát và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Trong HTĐ lớn, phụ tải thường xuyên thay đổi thì các nhà máy thủy điện có vai trò rất quan trọng ngoài việc cung cấp năng lượng còn tham gia điều tần cho HTĐ Do thủy điện chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện khí tượng, thủy văn, vì vậy phát huy tối đa hiệu quả của các nhà máy thủy điện trong HTĐ là bài toán rất cần thiết trong hiện tại và tương lai Dưới góc độ tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam cần xem xét một số đặc thù sau:

HTĐ Việt Nam đang phát triển mạnh theo hướng chuyển dịch vai trò của các nhà máy thủy điện từ vị trí đáy và lưng (giai đoạn đến năm 2015) lên lưng và

đỉnh (giai đoạn 2015-2025) và sẽ chủ yếu ở đỉnh của đồ thị phụ tải giai đoạn sau năm 2025

Phát triển kinh tế theo cơ chế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa đã và đang hình thành nhiều vùng kinh tế trọng điểm tập trung với nhu cầu điện năng lớn trên khắp đất nước Điều này đã dẫn đến sự thay đổi về chất bài toán cung cấp điện năng cho nhu cầu của các khu kinh tế, làm xuất hiện nhiều vùng sản xuất và tiêu thụ điện năng Bước vào thể kỷ XXI, Việt Nam được chia thành 03 vùng kinh tế trọng điểm: Miền Bắc, miền Trung và miền Nam và HTĐ Việt Nam cũng hình thành 03 trung tâm phụ tải với hệ thống đường dây truyền tải 500 kV liên kết giữa các vùng, các nguồn phát chủ yếu là một số nhà máy máy nhiệt điện và thủy điện lớn Những năm gần đây và trong tương lai, để đáp ứng nhu cầu phụ tải của các khu công nghiệp lớn, tập trung, Việt Nam đã đang và sẽ xây dựng nhiều trung tâm nhiệt điện than, mở rộng các nhà máy thủy điện có hồ điều tiết và khuyến khích phát triển nguồn điện từ năng lượng tái tạo Điều này dẫn đến sự gia tăng số nút phụ tải trong BTTƯ vận hành HTĐ Việt Nam, trong đó bài toán quan trọng nhất là tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện theo mô hình nhiều nút phụ tải thay cho mô hình 03 nút phụ tải trước đây

2.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán mô phỏng hệ thống điện Việt Nam

Bài toán tối ưu vận hành các nhà máy thủy điện trong HTĐ Việt Nam được tiếp cận trong bài toán vận hành tổng thể hệ thống điện với đầy đủ các thành phần nguồn phát, đường dây truyền tải và nhu cầu phụ tải của các vùng, miền Nội dung chủ yếu cần giải quyết của bài toán là cân bằng công suất và điện năng hợp lý của các nhà máy nhiệt điện, thủy điện … đáp ứng nhu cầu phụ tải của HTĐ có xét đến những đặc tính của nguồn phát và tổn thất trên đường dây truyền tải trên cơ sở mô hình hóa HTĐ [14]

Trên cơ sở phân tích những đặc điểm của hệ thống điện Việt Nam, kế thừa các nghiên cứu về mô hình toán mô phỏng HTĐ trong và ngoài nước, Nghiên cứu sinh đã tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực tiễn để mô hình hóa hệ thống điện Việt Nam Trong luận án, hệ thống điện Việt Nam được chia thành những vùng, miền, khu vực theo vị trí địa lý thực Mỗi vùng, miền được mô hình hóa thành một nút trong mô hình tối ưu Tại mỗi nút đều cập nhật các loại nguồn điện, đồ thị phụ tải và đặc tính của hệ thống đường dây tải điện 500kV, 220kV liên lạc giữa các nút và đường dây 110 kV trong nội bộ mỗi nút Mô hình cụ thể được mô tả như sau:

a Mô tả nút:

Nút được xem đại diện cho một vùng phụ tải Lãnh thổ Việt Nam được chia thành các vùng theo khu vực (vị trí địa lý hoặc lưu vực sông ), mỗi vùng coi là một nút trong mô hình Hệ thống điện trong mỗi nút của mô hình được mô tả đúng theo hiện trạng và quy hoạch phát triển đã được phê duyệt, bao gồm những nguồn điện,

hệ thống lưới điện vùng và nhu cầu tiêu thụ điện theo thời gian Cụ thể như sau:

Về phụ tải và phủ đồ thị phụ tải: Nhu cầu tiêu thụ điện theo thời gian thực

của mỗi vùng được mô tả bằng đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình (năm, tháng, tuần hoặc ngày theo mục đích tính toán) Như vậy, phụ tải của HTĐ toàn quốc sẽ được

mô tả thông qua n đồ thị phụ tải ngày điển hình 24h của N nút trong hệ thống Đồ thị phụ tải điển hình ngày đêm của một nút bất kỳ được biểu diễn trên hình 2.1

Hình 2.1: Đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình

Việc cân bằng công suất và điện năng của các nguồn phát khi phủ đồ thị phụ tải theo biểu đồ (hình 2.1) sẽ gặp khó khăn do các nguồn phát, đặc biệt là nhà máy thủy điện không phát điện cả 24h mà chỉ một số giờ nhất định trong ngày Để giải quyết vấn đề này, biểu đồ phụ tải điển hình ngày đêm được sắp xếp theo thứ tự giảm dần như hình 2.2

Hình 2.2: Đồ thị phụ tải ngày đêm đỉển hình triển khai