Nghiên cứu tiêu chuẩn chọn mực nước chết cho trạm thủy điện khi tham gia thị trường điện

Bài viết trình bày cơ sở khoa học, từ đó đưa ra tiêu chuẩn và phương pháp chọn Mực nước chết cho TTĐ điều tiết năm nhằm nâng cao lợi ích cho TTĐ và giảm căng thẳng trong huy động nguồn của hệ thống. Kết quả thu được từ áp dụng tính toán kiểm nghiệm cho trạm thủy điện Pleikrong trên sông Sê San cho đã thấy tính hiệu quả của phương pháp đưa ra.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN CHỌN MỰC NƯỚC CHẾT CHO TRẠM THỦY ĐIỆN KHI THAM GIA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN Hồng Cơng Tuấn Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Việc lựa chọn tiêu chuẩn để chọn thông số thiết kế để chọn phương thức điều khiển hồ chứa vận hành cho phép đánh giá hiệu nguồn thủy điện làm việc hệ thống điện Mực nước chết thông số hồ chứa chủ chốt trạm thủy điện Mực nước chết vừa định đến tiêu lượng, lợi ích trạn thủy điện, vừa định đến khả tham gia vào cân lượng hệ thống điện ảnh hưởng đến tham gia nguồn khác Do có thay đổi phụ tải điện, thị trường điện cấu nguồn điện nên cần có cách tiếp cận việc chọn mực nước chết cho phù hợp Bài báo trình bày sở khoa học, từ đưa tiêu chuẩn phương pháp chọn Mực nước chết cho TTĐ điều tiết năm nhằm nâng cao lợi ích cho TTĐ giảm căng thẳng huy động nguồn hệ thống Kết thu từ áp dụng tính tốn kiểm nghiệm cho trạm thủy điện Pleikrong sông Sê San cho thấy tính hiệu phương pháp đưa Từ khóa: Thủy điện; Thị trường điện; Điều tiết dài hạn; Hệ thống điện Summary: The selection of the right criterion to select parameters in the design as well as to select the method of hydropower resource exploitation will allow to properly assess the operational efficiency of hydropower in the electricity system Dead water level is one of the important reservoir parameters of the hydropower station This water level determines the energy targets and benefits of hydropower station, and the ability to participate in the electricity system and thus affecting the participation of other electricity sources Due to a change of the electricity demand, electricity market and electricity source structure, an accordant approach should be taken to select the dead water level The article presents the scientific basis, which provides criterion and method to select the dead water level for the long-term scheduled hydropower station in order to improve the operational efficiency of hydropower, at the same time reducing difficulty in mobilizing electricity resources of the system The obtained results from application for Pleikrong hydropower station in Sesan rivers show the effectiveness of the methodology Keywords: Hydropower; Electricity market; Long-term scheduled; Electricity system ĐẶT VẤN ĐỀ* Mực nước chết (MNC) thông số hồ chứa quan trọng trạm thủy điện (TTĐ) Lựa chọn MNC ảnh hưởng đến tiêu lượng TTĐ mà ảnh hưởng đến khả tham gia làm việc TTĐ hệ thống điện Do đó, MNC định đến lợi ích thân TTĐ chi Ngày nhận bài: 09/7/2019 Ngày thông qua phản biện: 13/8/2019 phí chung tồn hệ thống Các TTĐ vừa lớn nước ta hầu hết có hồ điều tiết dài hạn có vai trị quan trọng hệ thống Việc xác định MNC hồ thủy điện điều tiết năm trước thường dựa tiêu chuẩn điện năm mùa kiệt hay điện lượng năm lớn [1] Do phụ tải điện thay đổi không dự báo theo hướng bất lợi cho thủy điện hệ thống Thị trường điện chuyển sang thị trường điện cạnh Ngày duyệt đăng: 20/8/2019 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ tranh nên TTĐ vận hành theo kết tính MNC trước vừa làm cho lợi ích TTĐ bị giảm, vừa hạn chế khả phát công suất tháng cuối mùa kiệt đầu mùa lũ dẫn đến cho việc huy động công suất tham gia vào hệ thống trở nên khó khăn Khi đó, để đảm bảo nhu cầu phụ tải hệ thống phải huy động công suất nguồn điện khác có chi phí cao có ảnh hưởng tới mơi trường Vì thế, việc nghiên cứu sở khoa học để đưa tiêu chuẩn phương pháp chọn MNC cho TTĐ điều tiết năm phù hợp với phụ tải điện thị trường điện nhằm nâng cao lợi ích cho TTĐ giảm khó khăn huy động nguồn hệ thống thiết thực ý nghĩa Phương pháp nghiên cứu áp dụng để tính tốn chọn MNC cho TTĐ Pleikrong sông Sê San nhằm kiểm chứng tính hiệu phương pháp đưa CƠ SỞ NGHIÊN CỨU TIÊU CHUẨN CHỌN MỰC NƯỚC CHẾT 2.1 Đặc điểm phụ tải điện Trước đây, phụ tải lớn thường rơi vào cuối năm dương lịch, tháng 11 tháng 12 (Hình, trái) Thời gian thường đầu mùa kiệt hầu hết sông nên mực nước hồ TTĐ mức cao có khả phát cơng suất lớn nên việc huy động cơng suất khơng khó khăn Hơn nữa, theo Quy hoạch điện V (năm 2003) VI (năm 2007) trước đây, dự báo biểu đồ phụ tải (BĐPT) lớn năm phụ tải lớn rơi vào tháng cuối năm Tuy nhiên, theo thời gian phụ tải điện có thay đổi đáng kể khơng cịn dự báo Theo đó, thay đổi lại theo hướng bất lợi cho thủy điện hệ thống Những năm gần đây, phụ tải yêu cầu cao lại rơi vào tháng giao mùa (Hình, phải), cuối mùa kiệt đầu mùa lũ (các tháng 6, 7, 8), thời gian mà mực nước hồ hầu hết TTĐ mức thấp (xung quanh MNC) nên khả phát công suất thủy điện bị hạn chế cột nước giảm nhỏ 40,000 10000 9000 35,000 8000 30,000 6000 Pmax (MW) Pmax (MW) 7000 5000 4000 3000 25,000 20,000 15,000 2000 1000 10,000 10 11 12 10 11 12 Tháng Tháng Hình 1: BĐPT lớn HTĐ toàn quốc năm 2004 (trái) năm 2018 (phải) [2] Điều đáng lưu ý tháng phụ tải cao khả phát cơng suất hay cơng suất khả dụng (Nkd) thủy điện lại bị hạn chế Nhất đại đa số TTĐ lớn, có vai trò quan trọng hệ thống Sơn La, Hòa Bình, Yaly, Trị An, Lai Châu… sử dụng Tuabin Tâm trục – loại Tuabin mà công suất khả dụng giảm nhanh cột nước giảm (nhỏ cột nước tính tốn) Điều khơng ảnh hưởng đến hiệu ích thủy điện mà cịn gây khó khăn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ việc huy động nguồn dẫn đến tăng chi phí cho hệ thống Nhiều thơng số thiết kế, có MNC, TTĐ tính theo biểu đồ phụ tải (BĐPT) dự báo trước khơng cịn phù hợp vận hành theo yêu cầu phụ tải Vì thế, việc lựa chọn mực nước chết cho có lợi cho thân TTĐ làm tăng Nkd có ý nghĩa cấp độ thị trường điện lực Việt Nam Theo đó, Thị trường điện lực Việt Nam hình thành phát triển qua cấp độ: 2.2 Thị trường điện chế giá điện - Cấp độ (từ sau 2022): thị trường bán lẻ điện cạnh tranh Trên giới, số nước châu Âu, châu Mỹ, châu Úc, thị trường điện cạnh tranh áp dụng hiệu mang lại nhiều lợi ích sản xuất kinh doanh điện, đầu tư vào nguồn lưới điện, dịch vụ điện Tại Việt Nam, Chính phủ Quyết định [3, 4] phê duyệt lộ trình, điều kiện hình thành phát triển - Cấp độ (2005 - 2014): thị trường phát điện cạnh tranh - Cấp độ (2015 - 2022): thị trường bán buôn điện cạnh tranh Trên thực tế, thị truờng phát điện cạnh tranh bắt đầu vận hành thí điểm từ tháng năm 2012 Đến năm 2018, có 127 nhà máy điện bao gồm trực tiếp, gián tiếp dự kiến tham gia thị trường điện cạnh tranh, chiếm tỷ lệ công suất tham gia 85% [5] 240 240 220 220 CAN (đ/kWh) CAN (đ/kWh) 200 180 160 140 120 200 180 160 140 120 100 7 11 Giờ 13 15 10 17 19 11 21 23 12 100 10 11 12 Tháng Hình 2: Giá cơng suất (CAN) theo (trái) theo tháng (phải) năm 2017 Thành phần giá điện theo chế thị trường điện cạnh tranh bao gồm giá điện giá công suất [6] Phương pháp tính giá điện dựa sở giá trị nước có xét đến phụ tải điện Theo Quy trình tính giá trị nước, giá xác định sở khối phụ tải tuần có xét đến cơng suất khả dụng Giá cơng suất thay đổi theo ngày theo tháng năm (Hình 2) Hình dáng biểu đồ giá cơng suất gần giống hình dáng biểu đồ phụ tải theo ngày theo năm Như vậy, giá công suất cao thường tập trung vào có phụ tải cao ngày tháng có phụ tải cao năm Vì thế, tính tốn lựa chọn thơng số cho TTĐ nói chung mực nước chết nói riêng cần lưu ý tới đặc điểm 2.3 Tiêu chuẩn Phương pháp chọn mực nước chết Trước đây, việc lựa chọn MNC cho hồ điều tiết năm thường dựa tiêu chuẩn điện mùa kiệt (Emk) điện lượng năm lớn Điều phù hợp mà nhu cầu sử dụng điện cao vào mùa kiệt, phụ tải lớn thường tháng đầu mùa kiệt hầu hết nhà máy điện làm việc chung hệ thống TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ điều phối Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia Theo tiêu chuẩn điện mùa kiệt lớn nhất, tính MNC thường cho giá trị thấp [7] Với chế giá điện thị trường điện cạnh tranh với thay đổi phụ tải điện nêu trên, trình vận hành năm TTĐ đưa mực nước hồ cuối mùa kiệt MNC làm cho cột nước phát điện tháng cuối mùa kiệt đầu mùa lũ giảm nhỏ, làm giảm công suất khả dụng, dẫn đến làm giảm lợi ích TTĐ giảm khả tham gia ( )= = ∆ℎ => (1) Nt = 9,81.t.Qt.Ht (2) Ht = Ztlt - Zhlt - hwt (3) Qt = Qtnt ± Qht - Qttt - Qxt - Qldtht (4) t (5) tbt mft ; t = f (Qt, Ht) Trong đó: + B lợi ích hay doanh thu TTĐ + Nt, t, Qt, Ht công suất, hiệu suất tổ máy, lưu lượng phát điện, cột nước phát điện TTĐ thời đoạn t (tháng thứ t) + Ztlt, Zhlt, hwt: mực nước thượng lưu, mực nước hạ lưu, tổn thất cột nước + Qtnt, Qht, Qttt, Qxt, Qldtht: lưu lượng đến hồ, lưu lượng cấp/trữ, lưu lượng tổn thất, lưu lượng xả, lưu lượng lợi dụng tổng hợp + tbt, mft: hiệu suất Tuabin, hiệu suất phát máy + ht số thời đoạn + n số thời đoạn chu kỳ tính tốn Nếu tính cho năm n = 12 tháng + gt giá điện thời đoạn t thị trường điện cạnh tranh Đây tốn có nhiều biến, biến lại phụ thuộc lẫn dạng phi tuyến Các thông số cần phải thỏa mãn yêu cầu TTĐ vào cân cơng suất hệ thống, từ gây khó khăn cho hệ thống việc huy động nguồn Việc lựa chọn MNC phù hợp giai đoạn vừa nâng cao hiệu ích phát điện cho thân TTĐ vừa giảm căng thẳng cho hệ thống Do đó, tiêu chuẩn chọn MNC cho TTĐ phù hợp trường hợp tối đa lợi ích phát điện theo hàm mục tiêu (1), đồng thời đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp ràng buộc lưu lượng, mực nước, công suất… Để giải toán cần lựa chọn phương pháp phù hợp Tài liệu thủy văn dùng tính tốn chọn MNC dòng chảy năm kiệt thiết kế Do chế độ thủy văn không ổn định, cần chọn số năm thuỷ văn có phân bố lưu lượng khác nhau, có lượng nước gần lượng nước năm kiệt thiết kế, sau quy chúng điều kiện năm kiệt thiết kế Để thuận tiện tính tốn, chọn mực nước thượng lưu Ztl theo thời đoạn làm biến số độc lập, thơng số cịn lại thơng số phụ thuộc Tiến hành tính tốn thủy theo hàm mục tiêu (1) cho năm chọn để xác định đường thay đổi mực nước hồ theo thời gian Ztl(t) Kết thu nhóm đường Ztl(t) Từ vẽ đường bao nhóm đường xác định MNC điểm thấp đường bao Đối với hồ thủy điện có yêu cầu lợi dụng tổng hợp chọn MNC cuối cần xét đến ràng buộc 2.4 Kết áp dụng tính tốn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC 2.4.1 Tổng quan TTĐ nghiên cứu TTĐ áp dụng tính tốn kiểm nghiệm TTĐ Pleikrong sơng Sê San Đây TTĐ có hồ điều tiết năm, có thơng số theo thiết kế: MNDBT = 570m, MNC = 537m, Nlm = 100 MW Các cột nước đặc trưng: Hmax = 57,5 m; Htb = 45,0 m; Htt = 34,0 m; Hmin = 22,2 m TTĐ Pleikrong dạng TTĐ có cột nước trung bình thấp, với tỷ lệ hct/Hmax = 0,57 cao Đây đại lượng đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng chế độ mực nước hồ đến cột nước Tỷ lệ cao nghĩa dao động mực nước hồ có ảnh hưởng lớn đến cột nước phát điện, nên để tăng cơng suất địi hỏi có phương thức vận hành cho mực nước hồ trì mức cao Các số liệu sử dụng tính toán TTĐ bao gồm: Số liệu thủy văn; Các thơng số chính; Quan hệ đặc trưng hồ chứa, Quan hệ mực nước hạ lưu nhà máy, tổn thất cột nước, bốc hơi, đặc tính thiết bị Các số liệu lấy từ tài liệu thiết kế TTĐ Pleikrong Số liệu thị trường phát điện cạnh tranh theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL [6] CÔNG NGHỆ Từ phương pháp luận nêu trên, để so sánh đánh giá tính hiệu phương pháp chọn MNC đưa Đầu tiên, việc xác định MNC tính theo tiêu chuẩn trước đây, tức MNC chọn thông qua tiêu chuẩn điện mùa kiệt lớn (Emk => max) MNC cho phép lấy MNC theo thiết kế Kết tính tốn tìm MNC = 537 m Kết trùng với MNC thiết kế Như vậy, trước thiết kế tiêu chuẩn Emk => max áp dụng để chọn MNC cho TTĐ Pleikrong Tiếp theo, áp dụng phương pháp đề xuất, với tiêu chuẩn B => max mơ hình tốn trình bày Hình thể kết đường mực nước hồ (Ztl) theo thời gian cho sáu năm thủy văn khác Các năm có lượng nước gần với lượng nước năm thiết kế thu phóng lượng nước năm kiệt thiết kế Từ đó, xác định MNC = 542,0 m điểm thấp đường bao nhóm đường Giá trị MNC lựa chọn có xét đến yêu cầu lợi dụng tổng hợp theo quy trình vận hành hồ Pleikrong Như vậy, theo tiêu chuẩn B => max cho kết MNC cao so với tiêu chuẩn Emk => max 2.4.2 Kết tính tốn 570 Năm 565 Năm 560 Ztl Năm 555 Năm 550 Năm 545 Năm 540 Min 535 10 11 12 Tháng Hình 3: Kết đường Ztl năm để chọn MNC theo tiêu chuẩn B = max TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Để đánh giá tính hiệu của phương án MNC chọn (MNC = 542,0 m) so với phương án MNC theo thiết kế (MNC = 537,0 m), tiến hành tính tốn thủy cho năm thủy văn thiết kế để xác định lợi ích (B) công suất khả dụng (Nkd) tháng Kết tính tốn tổng hợp Bảng Bảng 1: Bảng kết thơng số phương án MNC Tiêu chuẩn Emk => max Tháng 10 11 12 Tổng H Nkd (m) (Mw) 54,31 50,39 45,42 39,35 31,76 25,91 25,10 31,02 44,69 53,82 57,06 56,96 100 100 100 100 91,03 67,09 64,08 88,10 100 100 100 100 E (10^6 kwh) 31,187 26,216 26,383 23,084 18,936 14,864 12,851 16,944 22,993 28,217 28,844 32,632 283,15 Tiêu chuẩn B => max B H Nkd (10^9 đ) (m) (Mw) 44,293 37,752 37,879 33,394 27,348 21,716 18,712 24,586 33,467 41,067 42,186 47,557 409,96 Kết Bảng cho thấy, với phương án MNC chọn theo tiêu chuẩn B=> max cho phép tăng cột nước phát điện, tháng cuối mùa kiệt đầu mùa lũ làm tăng Nkd tháng Đây tháng có yêu cầu phụ tải lớn Việc tăng Nkd thủy điện vào thời gian phụ tải cao làm tăng khả tham gia vào hệ thống TTĐ, dẫn đến làm giảm công suất tham gia nhiệt điện, từ làm giảm chi phí đầu tư thêm vào nhiệt điện Ngoài ra, phương án MNC làm tăng đáng kể doanh thu TTĐ: tăng 37,0 tỷ đồng (khoảng 9.0%) so với phương án MNC tính theo tiêu chuẩn Emk => max Đặc biệt, mà nguồn nhiên liệu ngày cạn kiệt, giá nhiên liệu nhập ngày tăng phát triển nóng nhiệt điện để lại hệ lụy cho mơi trường điều lại có ý nghĩa thiết thực 56,92 100 54,44 100 51,24 100 46,71 100 40,84 100 33,38 97,53 30,40 85,62 37,60 100 47,52 100 54,18 100 57,05 100 58,15 100 E (10^6 kwh) 24,520 23,336 25,152 27,436 26,491 28,794 15,784 11,736 35,860 37,184 29,729 22,349 308,37 B (10^9 đ) 34,824 33,605 36,113 39,690 38,260 42,068 22,981 17,029 52,196 54,117 43,480 32,571 446,93 ∆Nkd (Mw) 0,00 0,00 0,00 0,00 8,97 30,44 21,54 11,90 0,00 0,00 0,00 0,00 KẾT LUẬN Nghiên cứu đưa tiêu chuẩn xây dựng phương pháp chọn MNC cho TTĐ điều tiết năm nhằm nâng cao hiệu ích cho thân TTĐ, tăng công suất khả dụng vào tháng phụ tải yêu cầu cao, góp phần giảm khó khăn huy động nguồn hệ thống, giảm tham gia nguồn điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm hệ lụy xấu đến môi trường Khi yếu tố như: thị trường điện, phụ tải điện, cấu nguồn thay đổi cần lựa chọn tiêu chuẩn phương pháp chọn MNC cho phù hợp Với TTĐ điều tiết năm có MNC chọn theo tiêu chuẩn trước vận hành thị trường điện cạnh tranh để nâng cao hiệu khai thác nguồn thủy điện không thiết năm phải đưa mực nước hồ cuối mùa kiệt MNC thiết kế Tiêu chuẩn phương pháp chọn MNC đưa nghiên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC cứu áp dụng để kiểm tra định lại MNC cho TTĐ, TTĐ có dao động mực nước hồ ảnh hưởng lớn đến cột nước phát điện, để làm sở trình vận hành Việc lựa chọn MNC theo tiêu chuẩn CÔNG NGHỆ cần kết hợp với yêu cầu ràng buộc lợi dụng tổng hợp phòng lũ, cấp nước… không làm ảnh hưởng tới phận cơng trình thiết kế trước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Thủy (1974), Bộ môn Thủy điện, Nhà xuất Nông thôn [2] BCT,http://minhbach.moit.gov.vn/?page=electricity_define&key=electricity_ congsuat&menu_id=47 [3] Chính phủ, Quyết định số 26/2006/QĐ-TTg, Phê duyệt lộ trình, điều kiện hình thành phát triển cấp độ thị trường điện lực Việt Nam 2006 [4] Chính phủ (2013) Quyết định số 63/2013/QĐ-TTg, Quy định lộ trình, điều kiện cấu ngành điện để hình thành phát triển cấp độ thị trường điện lực VN [5] Cục điều tiết điện lực (2017), Quyết định, 95/QĐ-ĐTĐL, ban hành Danh sách nhà máy điện tham gia Thị trường phát điện cạnh tranh năm 2018 [6] Cục điều tiết điện lực (2016) Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL Về việc phê duyệt Kế hoạch vận hành Thị trường phát điện cạnh tranh (VCGM) năm 2017 [7] Hồng Cơng Tuấn (2017) Nghiên cứu chế độ huy động nguồn thủy điện dài hạn hệ thống điện Việt Nam Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường, số 57, 06/2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 ... lựa chọn thơng số cho TTĐ nói chung mực nước chết nói riêng cần lưu ý tới đặc điểm 2.3 Tiêu chuẩn Phương pháp chọn mực nước chết Trước đây, việc lựa chọn MNC cho hồ điều tiết năm thường dựa tiêu. .. giảm tham gia nguồn điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm hệ lụy xấu đến môi trường Khi yếu tố như: thị trường điện, phụ tải điện, cấu nguồn thay đổi cần lựa chọn tiêu chuẩn phương pháp chọn. .. nguồn điện khác có chi phí cao có ảnh hưởng tới mơi trường Vì thế, việc nghiên cứu sở khoa học để đưa tiêu chuẩn phương pháp chọn MNC cho TTĐ điều tiết năm phù hợp với phụ tải điện thị trường điện