Bài viết Một mô hình toán vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa thuỷ điện trình bày mô hình toán điều tiết vận hành hệ thống bậc thang, hàm mục tiêu ở đây là sản lượng điện năng đạt cực đại. Ứng dụng quy hoạch động thiết lập thuật toán và xây dựng chương trình tính vận hành điều tiết năm hồ chứa bậc thang bằng ngôn ngữ lập trình Delphi. Mời các bạn cùng tham khảo.
MộT MÔ HìNH TOáN VậN HàNH ĐIềU TIếT TốI ƯU HƯ THèNG Hå CHøA TH §IƯN Lê Hùng Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Trong báo trình bày mơ hình tốn điều tiết vận hành hệ thống bậc thang, hàm mục tiêu sản lượng điện đạt cực đại Ứng dụng Quy hoạch động thiết lập thuật toán xây dựng chương trình tính vận hành điều tiết năm hồ chứa bậc thang ngơn ngữ lập trình Delphi Áp dụng chương trình tính vận hành điều tiết hồ chứa thủy điện bậc thang sông Bung sông Bung nằm hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn, Tĩnh Quảng Nam, với chuỗi dòng chảy đến mô theo Phương pháp Monte Carlo để kéo dài chuỗi dòng chảy lịch sử Đặt vấn đề Vấn đề điều tiết vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang vấn đề đáng quan tâm nước ta nay, hồ chứa nước thủy điện thường nằm hệ thống bậc thang, cơng suất trạm thủy điện hồ chứa phụ thuộc vào diễn biến mực nước hạ lưu, phụ thuộc vào lưu lượng xả xuống hạ lưu nước đến hồ phía Nhưng giá trị lại phụ thuộc vào chế độ vận hành hồ khác Bởi vậy, giá trị tham số hồ chứa phụ thuộc lẫn nhau, việc vận hành điều tiết hồ chứa đơn lẻ không phản ánh thực tế vận hành Mục tiêu báo thiết lập mơ hình toán điều tiết hồ chứa bậc thang, Áp dụng kỹ thuật tối ưu quy hoạch động để thiết lập chương trình tính, ứng dụng để giải cho hệ thống sơng Bung (bao gồm hồ chứa điều tiết năm sông Bung sơng Bung 4) Thuật tốn Quy hoạch động Nguyên lý tối ưu Bellman: Dựa nguyên tắc chia q trình giải tốn tối ưu thành nhiều giai đoạn tiến hành tìm phương án tối ưu qua giai đoạn khác Tổng hợp phương án tối ưu cục ta phương án tối ưu tồn Hình Sơ đồ mơ tả trình nhiều giai đoạn Phương trình đệ quy quy hoạch động sử dụng để xác định lời giải tối ưu tất định F j*1 ( S j 1 ) Max TEPj ( S j , S j 1 ) F j* ( S j ) Rj j=1, 2, , N 98 Với F j*1 ( S j 1 ) Maximum tổng giá trị hàm mục tiêu từ giai đoạn đến giai đoạn j+1, trạng thái giai đoạn j+1 Sj+1 Mơ hình tốn vận hành hệ thống hồ chứa với mục đích phát điện suốt thời đoạn j, (106m3); Ri,j=lượng xả từ hồ chứa i suốt thời đoạn j, (106m3); Vi,j=dung tích hồ chứa i thời đoạn j, (106m3), i=1, 2, j=1,2 12 Begin Tra d÷ liêu MN[j] đầu MN[k] cuối Tra liêu MN2[j2] đầu MN2[k2] cuối Hỡnh S h thng h cha Tra Wđầu W2đầu ứng với mực nuớc đầu MN[j], MN2[j2] Hàm mục tiêu maximize tổng lượng nhà máy thủy điện OF Maximize E j 9.81Q i , j H i , j t j / 10 (Mwh) Tra Wcuèi, W2cuèi øng víi mùc nuíc cuèi MN[k], MN2[k2] TÝnh WXả-i=Wtháng-i+Wđầu-i -Wcuối-i-WEV-i Tính W2Xả-i=W2tháng-i+W2đầu-i -W2cuối-i- W2EV-i+WXả-i Wxả-i>Qmax-iTi W2xả-i>Q2max-iT2i (1) False False j 1 WE-i=Qmax -i-Ti WE-i=Wx¶-i W2E-i=Q2max-i-T2i W2E-i=W2x¶-i Wx¶-i>0 W2x¶-i>0 True Với ràng buộc H i , j Z TL i , j Z HL i , j H i , j True WE-i=Wx¶-i Qbq-i=WE-i/Ti W2E-i=W2x¶-i Q2bq-i=W2E-i/Ti (2) Z TLi = f1[(Vi + Vi+1)/2] Vmin i , j Vi , j Vmax i , j (3) (4) R yc i , j Ri , j Ri , j , max (5) V1,j+1=V1,j+Qđến1,j-EV1,j-R1,j-O1,j (6) V2,j+1=V2,j+Qđến2,j-EV2,j-R2,j+R1,j+O1,j-O2,j (7) Nmin Ni Ngh-i,j (8) Qmin-i,j Qi,j Qmax-i,j (9) E i , j E i , j E max i , j (10) Z HL i , j = f2[Ri,j/Ti,j] (11) Gi¶ thiÕt gt-i, gt-i TÝnh Hbq-i=Zbqtl-i-Zbqhl-i-Htt-i TÝnh H2bq-i=Z2bqtl-i-Z2bqhl-i-H2tt-i gt-igt-i gt-igt-i False gt-i-tt-i=f(Ni,Hi)N2đb True In Kết MN hồ, Who, Ni, Ei, EltMax In KÕt qu¶ MN hå2, W2ho , N2i, E2i, E2ltMax End Ngh- i = f3( H i , j ) i , j f ( N i , j, H i, j ) (12) (13) Hình Sơ đồ thuật tốn tính điện lượng EltMax Trong đó: H i , j = cột nước phát điện trung bình thời đoạn ứng với hồ chứa i; ZTL-i,j= cao trình mực nước thượng lưu thời đoạn j ứng với hồ chứa i (m); ZHL-i,j = mực nước hạ lưu thời đoạn j ứng với hồ chứa i; Hi,j = cột nước tổn thất thời đoan j ứng với hồ chứa i; Qi,j = lưu lượng qua turbine suốt thời đoạn j ứng với hồ chứa i (m3/s); ti = bước thời gian tính tốn hồ chứa i; T= tổng số bước thời gian (các tháng); Vmin-i,j = dung tích nhỏ cho phép hồ chứa i; Vmax-i,j = dung tích lớn cho phép hồ chứa i; EVi,j = bốc từ hồ chứa i suốt thời đoạn j,(106m3); Qđến-i,j= dòng chảy đến hồ chứa i suốt thời đoạn j, (106m3); Oi,j=dòng chảy tràn từ hồ chứa i Hình Giao diện chương trình tính vận hành tối ưu hồ chứa thủy điện 99 Mơ tả cơng tình hồ chứa nước thủy điện sông Bung sông Bung Sông Bung nhánh sông lớn nằm bên trái hệ thống sông Vu Gia, bắt nguồn từ vùng biên giới Việt - Lào, từ vùng núi cao 1800m phía Tây Bắc huyện Hiên địa phận tỉnh Quảng Nam Ở huyện Hiên, sông chảy theo hướng từ Tây sang Đơng, sau sơng chảy theo hướng Nam, qua huyện Nam Giang sông chuyển hướng từ Tây Nam sang Đông Bắc Sau hợp lưu với sông A Vương, sông Bung tiếp tục đổ vào hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn Vị trí tuyến cơng trình thủy điện Sơng Bung nằm địa bàn xã Lăê huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà Nẵng theo đường quốc lộ 14D khoảng 165km hướng Tây Nam Tọa độ địa lý tuyến đập dự kiến 1541’45’’vĩ Bắc, 10724’00’’ trình nằm địa bàn xã Tà BHing xã ZuôiH thuộc huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà Nẵng theo đường chim bay khoảng 75km hướng Tây - Nam Tọa độ địa lý tuyến đập dự kiến 1542’19’’vĩ Bắc, 10738’28’’ kinh Đông Nhà máy nằm địa phận xã Tà BHing huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, có tọa độ 150 43’38” vĩ Bắc, 1070 38’58” kinh Đông Theo sơ đồ khai thác bậc thang hệ thống sông Vu Gia -Thu Bồn, thuỷ điện Sông Bung bậc thang thứ hệ thống bậc thang thuỷ điện dòng sơng Bung Nhà máy nằm địa phận xã ZiH huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, có tọa độ 107029’31” kinh Đông; 15042’57” vĩ Bắc Bảng Các thơng số cơng trình thủy điện sơng Bung sông Bung Mô tả thông số hồ chứa nước Sông Bung Hồ chứa Mực nước dâng bình thường (MNDBT) Dung tích hữu ích (Whi) Mực nước chết (MNC) Dung tích chết (Wc) Diện tích lưu vực Nhà máy Thủy điện Lưu lượng lớn qua nhà máy Loại Turbine Công suất lắp máy Số tổ máy Cột nước tính tốn Cột nước lớn Cột nước nhỏ Mô tả thông số hồ chứa nước Sông Bung Hồ chứa Mực nước dâng bình thường (MNDBT) Dung tích hữu ích (Whi) Mực nước chết (MNC) Dung tích chết (Wc) Diện tích lưu vực Nhà máy Thủy điện Lưu lượng lớn qua nhà máy Loại Turbine Công suất lắp máy Số tổ máy Cột nước tính tốn Cột nước lớn Cột nước nhỏ 100 Giá trị Đơn vị 605 73,9 565 20.4 334 m 106 m3 m 106 m3 km2 34,5 Tâm trục 100 330.0 377.1 301.6 Giá trị m3/s 222,5 233,99 205 276,81 1448 m 106 m3 m 106 m3 km2 166,0 Francis 156 106 125.0 91.0 m3/s MW m m m Đơn vị MW m m m Chuỗi dòng chảy đến tháng kéo dài phương pháp mơ Monte-Carlo thơng qua chương trình Crystal Ball, hàm phân phối xác suất chọn dạng phân phối tam giác Số liệu chuỗi dòng chảy hai hồ chứa dài 29 năm (từ năm 1977-2006), mô thực đến 20000 lần, kết cho bảng 2a,b sau: Bảng 2a Lưu lượng dòng chảy đến sơng Bung theo tần suất sau mô theo phương pháp Monte Carlo Tần suất 90% 75% 50% 25% 10% 5.36 7.31 9.46 11.77 13.84 4.49 5.76 7.26 8.39 9.06 10 3.94 3.62 5.49 6.12 5.45 6.72 9.06 12.45 4.59 4.53 7.52 9.79 6.95 8.73 12.63 21.62 5.79 6.29 11.37 17.19 9.85 12.45 19.57 39.04 7.41 8.56 16.58 26.90 13.60 17.41 28.82 62.45 8.83 10.57 21.15 35.45 17.03 21.78 36.78 82.38 11 11.12 17.45 29.58 45.62 59.90 12 8.21 11.94 18.44 26.91 34.43 Bảng 2b Lưu lượng dòng chảy đến sơng Bung theo tần suất sau mô theo phương pháp Monte Carlo Tần suất 90% 75% 50% 25% 10% 17.63 23.91 31.15 38.80 45.76 14.71 19.09 23.93 27.68 29.83 13.01 15.28 19.27 24.43 29.12 12.03 15.04 20.62 28.14 34.80 18.04 24.67 37.78 54.71 70.06 20.05 32.23 55.69 87.38 116.49 Kết thảo luận - Dựa bảng dòng chảy đến sau mơ theo phương pháp Monte Carlo (bảng 2a, 17.88 22.74 32.30 45.12 56.24 22.11 28.65 41.04 57.48 71.87 29.61 41.39 64.44 94.07 120.00 10 40.91 70.32 127.42 204.66 271.48 11 35.56 56.91 97.71 150.67 196.18 12 26.34 39.70 61.81 89.41 114.74 2b), áp dụng chương trình tính tốn ứng với tần suất p=25%, p=50%, p=75% Bảng Kết sản lượng điện hồ chứa thủy điện sông Bung sông Bung Tháng P=25% P=50% P=75% Điện lượng trung bình Điện lượng trung bình Tổng sản lượng điện năm hồ chứa Sông năm hồ chứa Sông hồ chứa sông Bung Bung 2(106kwh) Bung 4(106kwh) sông Bung 775,20 561,96 1337,16 403,54 554,01 975,55 253,69 348,63 602,33 Bảng 4a Cao trình mực nước hồ chứa chứa thủy điện sông Bung ứng với tần suất P=25%, P=50%, P=75% Tháng 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 P=25% 605.0 605.0 604.0 603.0 602.0 602.0 602.0 594.0 565.0 P=50% 605.0 605.0 603.0 599.0 595.0 595.0 595.0 595.0 565.0 P=75% 605.0 604.0 601.0 597.0 592.0 590.0 590.0 587.0 565.0 1-10 565.0 584.0 573.0 1-11 605.0 605.0 593.0 1-12 1-1 605.0 605.0 605.0 605.0 602.0 605.0 101 Bảng 4b Cao trình mực nước hồ chứa chứa thủy điện sông Bung ứng với tần suất P=25%, P=50%, P=75% Tháng 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 P=25% 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 217.5 205.0 P=50% 222.5 222.5 222.5 221.5 220.5 221.5 222.5 217.5 205.0 P=75% 222.5 221.5 220.5 218.5 216.5 215.5 216.5 215.5 205.0 Hình 5a Mực nước hồ dao động hồ chứa thủy điện sông Bung 2, ứng với tần suất (P=25%, P=50%, P=75%) Hình 5b Mực nước hồ dao động hồ chứa thủy điện sông Bung 4, ứng với tần suất (P=25%, P=50%, P=75%) 1-10 205.0 212.5 207.5 1-11 219.5 222.5 215.5 1-12 1-1 222.5 222.5 222.5 222.5 220.5 222.5 Kết biểu đồ vận hành cho ta thấy để đạt sản lượng điện cao biểu đồ vận hành thường trì mực nước cao, nhiên kết tính tốn lấy hiệu suất trung bình, ta đưa bảng hiệu suất vào kết đường vận hành có xu hướng thấp theo bảng đường đặc tính TuaBin cột nước tính tốn cao hiệu suất thấp Kết luận - Khi tính tốn quy trình vận hành theo phương pháp qui hoạch động truyền thống, việc dò tìm tồn miền tính tốn cho ta kết nghiệm tối ưu tồn cục, việc tìm nghiệm theo phương pháp quy hoạch động tự động kiểm tra ràng buộc loại bỏ dễ dàng phương án không khả thi - Trên kết nghiên cứu bước đầu toán hệ thống bậc tháng hồ chứa Để áp dụng kết nghiên cứu bậc thang vào thực tế phải nhiều thời gian, hệ thống điện quốc gia nước ta vận hành chưa ổn định, hệ thống bậc thang hồ chứa nước ta nay, có nhiều chủ đầu tư khác nhau, chủ đầu tư quan tâm tới lợi ích riêng cơng trình mình, mà khơng quan tâm đến lợi ích chung Tài liệu tham khảo [1] Lê Hùng (2010), “Một mô hình tốn vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa với mục đích phát điện”, Đề tài Khoa học công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng [2] Nguyễn Thế Hùng, Lê Hùng (2008), “Ứng dụng Quy hoạch động xây dựng chương trình tính tốn điều tiết năm theo mơ hình tất định hồ chứa nhà máy thủy điện làm việc độc lập”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 3, pp 66-72 [3] K D W Nandalal and Janos J Bogardi (2007), Dynamic programming based operation of reservoirs, Cambridge University press, New York 102 [4] Larry W Mays Yeou-Koung Tung (1992), Hydrosystems engineering & management, MrGraw- Hill, United States [5] S Vedula, P.P and Mujumdar (2007), Water Resources Systems : Modelling Techniques and Analysis, Tata-McGraw Hill, New Delhi Abstract A MATHEMATICAL MODEL FOR OPTIMUM OPERATION AND REGULATION THE SYSTEM OF HYDROELECTRIC POWER RESERVOIRS Le Hung Danang University of Technology, The University of Danang In this paper, the author presents a mathematical model for optimum regulation and operation the system of coordinated hydroelectric power stations (or hydroelectric power plant chains) The objective function, here, is the maximum of total hydro-energy generation Application of Dynamic Programming establishs the algorithm and builds the programme for calculation the optimum operation and regulation of five coordinated reservoirs (or five chained reservoirs) by using Delphi program language Then, application of established programme for optimum operation and regulation the hydroelectricity reservoirs which includes steps (2 chains): River Bung and River Bung hydroelectricity power plants located on the VuGia-ThuBon river system, QuangNam province; The input flow sequence is simulated by Monte-Carlo method in order to extend the past flow sequence 103 ... (11) Gi¶ thiÕt gt-i, gt-i TÝnh Hbq-i=Zbqtl-i-Zbqhl-i-Htt-i TÝnh H2bq-i=Z2bqtl-i-Z2bqhl-i-H2tt-i gt-igt-i gt-igt-i False gt-i-tt-i=f(Ni,Hi)Q2max-iT2i (1) False False j 1 WE-i=Qmax -i-Ti WE-i=Wx¶-i W2E-i=Q2max-i-T2i W2E-i=W2x¶-i Wx¶-i>0 W2x¶-i>0 True Với ràng... tham khảo [1] Lê Hùng (2010), Một mơ hình tốn vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa với mục đích phát điện , Đề tài Khoa học công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng [2] Nguyễn Thế Hùng, Lê Hùng (2008),