Bài viết khảo sát công suất phát tổ máy nhiệt điện với chi phí tiêu hao nhiên liệu và lượng khí phát thải ô nhiễm, đồng thời khảo sát công suất phát thủy điện với các tham số ngẫu hợp về thời gian và không gian, cùng với lợi ích liên hợp điều độ giữa tổ máy thủy điện - nhiệt điện.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 49 KHẢO SÁT THỦY ĐIỆN BẬC THANG TRONG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU ĐỘ TIẾT KIỆM HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐIỆN ENNERGY - SAVING GENERATION SCHEDULIING OF HYDRO-THERMAL POWER SYSTEM CONSIDERING CASCADED HYDROPOWER PLANTS Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh Trường Đại học Điện lực; 1928178522@qq.com, sanhlx@epu.edu.vn Tóm tắt - Trên sở khảo sát công suất phát tổ máy nhiệt điện với chi phí tiêu hao nhiên liệu lượng khí phát thải ô nhiễm, đồng thời khảo sát công suất phát thủy điện với tham số ngẫu hợp thời gian khơng gian, với lợi ích liên hợp điều độ tổ máy thủy điện - nhiệt điện, để xây dựng mơ hình điều độ tiết kiệm đa mục tiêu bao gồm: cực tiểu lượng nước tràn hệ thống thủy điện bậc thang, chi phí tiêu hao nhiên liệu nhiệt điện lượng khí phát thải nhiễm, v.v Thông qua việc mô hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang ba nhà máy nhiệt điện, kết tối ưu hóa nghiệm chứng tính khả thi thuật toán hiệu tiết kiệm minh chứng rõ ràng Abstract - Considering the overall benefit among generating unit output, energy consumption cost and pollution emission of thermal power plants and that between output of cascaded hydropower stations and hydraulic coupling parameters as well as that between hydropower generating units and thermal power generating units, a comprehensive multi-objective energy-saving scheduling model, in which the minimized spillage water quantity of cascaded hydropower stations, the lowest energy consumption cost of thermal power plants and minimized pollution emission are taken as the objectives Through the simulation of a hydropower-thermal power system containing four cascaded hydropower stations and three thermal power plants, the feasibility of the modified optimization algorithm is validated by optimization results In addition, simulation results also show that using the proposed method helps achieve obvious energy-saving effects Từ khóa - điều độ kinh tế; điều độ phát điện tiết kiệm; hệ thống thủy - nhiệt điện; quy hoạch phi tuyến; thủy điện bậc thang Key words - economic dispatch; schedule energy - saving generation; hydrothermal power system; nonlinear programing; cascaded hydropower stations Giới thiệu Vấn đề tối ưu liên hợp điều độ phát hệ thống thủy - nhiệt điện xuất kèm với cục diện đồng thời cung cấp điện cho xã hội hệ thống thủy nhiệt điện Học giả Pháp Ricard học giả giới quan tâm đến vận hành kinh tế hệ thống thủy - nhiệt điện Trên sở nghiên cứu vấn đề này, lần vào năm 1940, ơng đề xuất mơ hình tốn học chặt chẽ vấn đề tối ưu liên hợp điều độ vận hành kinh tế hệ thống thủy điện nhiệt điện, trở thành mô tả khoa học kinh tế hệ thống thủy - nhiệt điện giới Kể từ đó, vấn đề tối ưu liên hợp điều độ hệ thống điện thủy - nhiệt điện bắt đầu thu hút ý giới, phương trình tối ưu liên hợp cho thủy - nhiệt dựa toán học cổ điển nghiên cứu rộng rãi Cho đến nay, với phát triển nhanh chóng lý thuyết tốn học đại xuất nhiều mô hình tối ưu hóa mà vấn đề trở thành chủ đề nghiên cứu nóng học giả nước [1] Tối ưu điều độ hệ thống thủy - nhiệt xét đến thủy điện bậc thang vấn đề tối ưu đa mục tiêu phức tạp, nhiều hạng số, phi lồi, phi tuyến, nhiều thời đoạn thời gian trễ Đối với lĩnh vực tối ưu hồ chứa, bên cạnh lý thuyết hệ thống kỹ thuật máy tính khơng ngừng phát triển, mơ hình phương pháp giải khơng ngừng xuất hiện, phương pháp thường dùng gồm hai loại lớn Một phương pháp tối ưu truyền thống, bao gồm phương pháp quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, phương pháp đoán, phương pháp đẳng suất gia tăng, phương pháp nhân tử Lagrange, v.v… [2] Phương pháp truyền thống hàm số mục tiêu nghiệm xuất phát có yêu cầu chặt chẽ, xử lý toán tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện dễ gặp phải nghiệm cục Hai phương pháp đại, bao gồm: phương pháp quy hoạch ngẫu nhiên, phương pháp nội điểm, phương pháp di truyền, phương pháp mô luyện kim, phương pháp mạng thần kinh nhân tạo, phương pháp quy hoạch mờ v.v… Thủy điện bậc thang tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện thuộc vấn đề tối ưu tổ hợp nhiều giai đoạn, phi tuyến, ràng buộc chặt chẽ Ràng buộc phức tạp, tồn đẳng thức bất đẳng thức điều kiện ràng buộc Vì vậy, báo trình bày mơ hình “tối ưu điều độ hệ thống thủy - nhiệt điện xét đến thủy điện bậc thang”, lấy mục tiêu tối ưu cực tiểu chi phí phát điện, cực tiểu lượng khí nhiễm phát thải hệ thống nhiệt điện cực tiểu tổng lượng nước tràn hệ thống thủy điện bậc thang Đồng thời, thông qua việc mô hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang ba nhà máy nhiệt điện, kết tối ưu hóa nghiệm chứng tính tin cậy thực tiễn mơ hình Điều độ phát điện tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện 2.1 Đặc tính ngẫu hợp thủy lực thủy điện bậc thang Công suất phát cấp nhà máy thủy điện không phụ thuộc vào yếu tố thân dung tích hồ chứa, đặc tính máy phát, lượng nước tự nhiên đến hồ chứa mà có quan hệ mật thiết với lượng nước tràn lưu lượng nước phát điện thủy điện cấp Cũng nói, thủy điện bậc thang tồn đặc tính thủy lực ngẫu hợp khơng gian thời gian Hình thể liên hệ thủy lực thủy điện bậc thang 50 Trần Hồng Hiệp, Lê Xn Sanh Cơng suất phát tổ máy thủy điện i phụ thuộc vào dung tích hồ chứa lưu lượng nước phát điện, tính theo công thức: Pi,t = c1iVi,2t + c2iQi,2t + c3iVi,t Qi,t +c4iVi,t + c5i Qi,t + c6i (5) Trong đó, c1i ， c2i ， c3i ， c4i ， c5i ， c6i hệ số đặc trưng cho chuyển hóa nước - điện Điều độ tối ưu thủy điện bậc thang thông thường lựa chọn tổng lượng phát điện cực đại, lượng tích nước hồ chứa cực đại, lượng nước tiêu hao cực tiểu, lượng nước tràn cực tiểu làm mục tiêu tối ưu Trong tối ưu tiết kiệm bảo vệ môi trường, lựa chọn lượng nước tràn cực tiểu làm mục tiêu tối ưu, biểu thị sau: Hình Liên hệ thủy lực thủy điện bậc thang Trong đó, qi(t) nước tự nhiên đến hồ chứa; Qi(t) lưu lượng nước phát điện (m3/s); yi(t) lượng nước tràn; 𝜏 thời gian dòng chảy từ thủy điện cấp xuống cấp dưới, tức thời gian trễ dòng chảy 2.2 Tối ưu điều độ tiết kiệm thủy điện bậc thang Giữa lưu vực thủy điện bậc thang không tồn quan hệ thủy lực mà có quan hệ điện lực, đồng thời thủy điện bậc thang phải đảm nhận phối hợp với phương diện khác sử dụng nước như: thủy lợi, tưới tiêu, phòng chống lũ lụt, sản xuất nước sinh hoạt, v.v Trong tối ưu điều độ, quan hệ thể điều kiện ràng buộc như: cân lượng nước, yêu cầu công suất phát, giới hạn mức tích nước, hạn chế lưu lượng nước phát điện, ràng buộc dốc (ràng buộc tốc độ tăng, giảm công suất phát tổ máy nhiệt điện nội chu kỳ điều độ), lượng khí thải nhiễm, v.v [3] a Ràng buộc cân lượng nước Vi,t = Vi,t −1 + (q i,t − Qi,t − yi,t ) Ruk + (Qk,t − ki + yk,t − ki ) (1) k =1 Trong đó, qi,t, yi,t lượng nước tự nhiên đến nước tràn thủy điện i thời đoạn điều độ t; ki thời gian trễ dòng chảy thủy điện k i; Ruk tập hợp thủy điện thượng lưu có liên hệ nước trực tiếp với thủy điện i b Ràng buộc lượng tích nước hồ chứa lưu lượng nước phát điện V i Vi,t V i (2) Q i Qi,t Q i (3) Trong đó, V i , V i dung tích cực tiểu cực đại hồ chứa thủy điện i; Q , Qi lưu lượng nước phát điện cực i tiểu cực đại tổ máy thủy điện i c Ràng buộc công suất phát Pi Pi,t Pi t =1 i =1 (6) −Qi, − Vi,t ) 2.3 Khảo sát thủy điện bậc thang tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện Thơng thường, chi phí sản xuất vận hành nhiệt điện bao gồm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành, khấu hao thiết bị, chi phí trả lương, v.v Trong đó, chi phí nhiên liệu ảnh hưởng đến việc sản xuất điện Do đó, hàm số mục tiêu thơng thường chọn cực tiểu chi phí nhiên liệu hệ thống điện khảo sát Đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy nhiệt điện tính cơng thức sau: T f1 ( Pj,t ) = (a j + b j Pj ,t + c j Pj2,t ) (7) t =1 j=1 Trong đó, T chu kỳ điều độ; Pj,t công suất phát tổ máy nhiệt điện; aj, bj, cj hệ số đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy phát nhiệt điện Trong trình vận hành, nhà máy nhiệt điện sinh chất thải nhiễm, chủ yếu bao gồm: khí SO2, loại khí NOx bụi bẩn Trong khn khổ báo khảo sát lượng khí nhiễm phát thải SO2 NOx Lượng khí phát thải nhiệt điện biểu thị sau: T f ( Pj,t ) = ( j + j Pj,t + j Pj,2t ) (8) t =1 j =1 Trong đó, j , j , j hệ số đặc trưng cho hàm phát thải khí nhiễm nhiệt điện Các tổ máy nhiệt điện phải thỏa mãn điều kiện ràng buộc riêng như: giới hạn công suất phát, ràng buộc dốc Ngồi phải thỏa mãn ràng buộc hệ thống liên hợp điều độ với thủy điện (cân cơng suất, dự phòng cơng suất phát hệ thống) [4] a Ràng buộc công suất phát Pj Pj,t Pj (9) Pj,t − Pj,t −1 Pjup (10) b Ràng buộc dốc (4) Trong đó, Pi , Pi công suất phát cực tiểu cực đại tổ máy i T f = (Vi,t −1 + qi,t +Qi-1,t - +yi-1,t - Pj,t −1 − Pj,t P down j (11) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển up j Trong đó, P down j ,P P + P i ,t i =1 Bảng Hệ số đặc tính chuyển hóa điện - nước hạn chế tốc độ tăng giảm công suất phát tổ máy nhiệt điện thời đoạn điều độ c Ràng buộc cân công suất hệ thống Trong thời đoạn điều độ, tổng công suất phát thủy điện phải cân công suất yêu cầu phụ tải, tức là: j ,t j =1 (12) − Pt = D 51 No C1 C2 -0,004 -0,42 0,03 -0,004 -0,3 0,015 -0,003 -0,3 0,025 -0,003 -0,31 0,027 C3 C4 C5 C6 0,9 10 -50 1,14 9,5 -70 1,05 10,5 -80 1,44 14 -90 Bảng Thời gian trễ dòng chảy thủy điện D Trong đó, Pt công suất phụ tải yêu cầu No d Ràng buộc dự phòng hệ thống t(h) 4 _ P +P j =1 j i =1 j Pt D + Rt (13) Trong đó, Rt dự phòng cơng suất phát hệ thống Quy nạp lại, khảo sát thủy điện bậc thang mơ hình tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện, hàm mục tiêu là: T f (x) = (a j + b j Pj ,t + c j Pj2,t ) t =1 j=1 T min f (x) = ( j + j Pj,t + j Pj,t ) t =1 j =1 T f3 (x) = (Vi,t −1 + q i,t +Qi -1,t - +yi -1,t - t =1 i =1 −Qi, − Vi,t ) (14) 10 11 12 15 12 12 19 18 18 8,5 9,4 11 8,6 7,7 12 8,2 17 19 18 14 11 8,4 14 13 8,1 11 6,9 13 12 6,6 1,2 1,7 0 2,1 1,1 3,1 t(h) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 8,5 11 8,8 16 6,4 8,6 Vmin Vmax V(0) V(T) Qmax Qmin 100 120 150 2,45 2,32 2,1 c Pmin Pmax ($/MW2h) (MW) (MW) 0,0012 0,001 0,0015 20 40 50 175 300 500 t(h) 780 700 650 670 800 950 110 10 11 12 13 14 15 16 Phụ tải 1.090 1.080 1.100 1.150 1.110 1.030 1.010 1.060 (MW) 4,4 5,1 12 2,1 5,4 0 1,1 1,6 0 0 4,3 Bảng Giới hạn thông số thủy điện bậc thang No b ($/MWh) t(h) Ký hiệu thủy điện 11 12 10 9,7 18,9 7,6 8,2 7,9 19 10,8 a ($/h) Phụ tải 750 (MW) Bảng Nước tự nhiên đến hồ chứa (104m3) Ký hiệu thủy điện No Bảng Thông số phụ tải u cầu hệ thống Tính tốn phân tích kết Lựa chọn hệ thống gồm trạm thủy điện bậc thang nhà máy nhiệt điện, chi tiết thơng số tính tốn tham khảo tài liệu [5] Cụ thể, tham số tính tốn trạm thủy điện cho Bảng - 4; thông số đặc tính tiêu hao nhiên liệu phát thải khí nhiễm cho Bảng - t(h) Bảng Thông số giới hạn công suất hệ số hàm chi phí nhiệt điện Pmin Pmax (104m3) (104m3) (104m3) (104m3) (104m3) (104m3) (MW) (MW) t(h) 17 18 19 20 21 22 23 24 Phụ tải 1.050 1.120 1.070 1.050 910 (MW) 860 850 800 Bài báo sử dụng phần mềm tối ưu GAMS\BARON (General Algebaic Modeling System\ Branch and Reduce Optimization Navigator) để giải toán liên hợp điều độ thủy - nhiệt điện với mô hình tốn học số liệu để tính tốn GAMS hệ thống mơ hình tốn học cao cấp [6], lần Ngân hàng Thế giới Brooke, Kendrickm Meeraus nghiên cứu phát triển năm 1992, dùng để giải tốn thuộc vấn đề: quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch phi tuyến (NLP), quy hoạch hỗn hợp số nguyên (MIP), quy hoạch hỗn hợp số nguyên phi tuyến (MINLP), v.v Giao diện tảng GAMS thân thiện, linh hoạt, cần người dùng có kỹ xây dựng mơ hình tốn học tốt, chuẩn xác theo quy phạm, nhanh chóng dễ dàng tạo sửa đổi mơ hình tảng giao diện, chọn cơng cụ giải để thực nhiệm vụ giải toán cách dễ dàng GAMS cho phép người dùng tập trung nhiều vào q trình mơ hình hóa tốn học, điều có tác dụng lớn đến việc nâng cao hiệu tính tốn người dùng Nhìn chung, so với cơng cụ mơ hình hóa khác, chẳng hạn LINGO, UNDO AMPL, trình tính tốn GAMS đòi hỏi thời gian có kết tính tốn tốt, đánh giá cao, kết tính tốn sau: 80 150 120 120 15 500 60 160 90 70 20 500 100 240 170 170 10 30 500 Chi phí nhiên liệu Nhiệt điện (USD) Lượng khí thải (kg) Nước tràn (104m3) 70 300 120 180 30 500 18.976,033 2.651,934 0,715 Bảng Kết tính tốn hàm số mục tiêu 52 Trần Hồng Hiệp, Lê Xn Sanh Hình Cơng suất phát nhiệt điện (Pj/MW) Từ biểu đồ công suất phát nhiệt điện (Hình 2), ta thấy: Nhiệt điện phát công suất lớn nhất, điều có hàm chi phí tiêu hao nhiên liệu thấp điều phù hợp với mục tiêu tối ưu Đối với trạm thủy điện bậc thang (Hình 4), thủy điện bậc thang cấp cấp phát công suất tương đối ổn định khả điều tiết nước phát điện tốt từ ảnh hưởng liên hợp điều độ với thủy điện thượng lưu, hoàn toàn phù hợp với thực tế điều độ hệ thống điện Cuối cùng, Hình cho thấy thủy điện đóng góp cơng suất phát lớn thủy điện để tận dụng tối đa việc sử dụng tài nguyên lượng tái tạo, giảm lượng than đốt phát điện, từ nâng cao tính hiệu kinh tế phát điện, ngồi thể tính phủ đỉnh điều độ cách rõ ràng Kết luận Khảo sát thủy điện bậc thang điều độ tối ưu hệ thống thủy - nhiệt điện vấn đề tối ưu phức tạp, nhiều điều kiện ràng buộc, nhiều hạng số, phi lồi, phi tuyến, nhiều thời đoạn Bài báo xây dựng mơ hình tối ưu điều độ kinh tế tiết kiệm với đa mục tiêu tối ưu: cực tiểu lượng nước tràn thủy điện, cực tiểu chi phí tiêu hao nhiên liệu lượng khí phát thải ô nhiễm.Thông qua việc mô hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang ba nhà máy nhiệt điện, kết tối ưu hóa nghiệm chứng tính khả thi thuật toán mục tiêu tối ưu minh chứng rõ ràng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Cơng suất phát thủy điện (Pi/MW) Hình Cơng suất phát thủy điện, nhiệt điện phụ tải hệ thống (P/MW) [1] Thang Trung Nguyen, Dieu Ngoc Vo, “Solving Short-Term Cascaded Hydrothermal Scheduling Problem Using Modified Cuckoo Search Algorithm”, International Journal of Grid and Distributed Computing, Vol 9, No 1, 2016, pp 67-78 [2] Wu Jiekang, Tang Litao, Huang Huan, et al., “Multi-objective Economic Scheduling for Hydrothermal Power Systems Based on Genetic Algorithm and Data Envelopment Analysis”, Power System Technology, 35(5), 2011 (in Chinese), pp 76-81 [3] Christoforos E, Anastasios B G, John V P B., “A Genetic Algorithm Solution Approach to The Hydrothermal Coordination Problem”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 19, Iss 3, 2004, pp 1356-1364 [4] Johannesen A, Gjelsvik A, Fosso O B, “Optimal Short Term Hydro Scheduling Including Security Constraints”, IEEE Trans on Power Systems, Vol 6, Iss 2, 1991, pp 576-583 [5] Basu M., “An Interactive Fuzzy Satisfying Method Based on Evolutionary Programming Technique for Multi-objective Shortterm Hydrothermal Scheduling”, Electric Power Systems Research, Vol 69, 2004, pp 277-285 [6] Richard E Rosenthal., GAMS – A User’s Guide, GAMS Development Corporation, Washington, DC, USA, 9.2014 (BBT nhận bài: 11/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 16/5/2018) ... t =1 i =1 (6) −Qi, − Vi,t ) 2.3 Khảo sát thủy điện bậc thang tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện Thơng thường, chi phí sản xuất vận hành nhiệt điện bao gồm chi phí nhiên liệu,... hiệu kinh tế phát điện, ngồi thể tính phủ đỉnh điều độ cách rõ ràng Kết luận Khảo sát thủy điện bậc thang điều độ tối ưu hệ thống thủy - nhiệt điện vấn đề tối ưu phức tạp, nhiều điều kiện ràng buộc,... ưu Đối với trạm thủy điện bậc thang (Hình 4), thủy điện bậc thang cấp cấp phát công suất tương đối ổn định khả điều tiết nước phát điện tốt từ ảnh hưởng liên hợp điều độ với thủy điện thượng lưu,