II. Các ph−ơng pháp gả
b. Các ràng buộc:
i tli ri xi i si i i V Q Q Q Q Q t V − −1 =( − − − − )Δ (13) - Các quan hệ hμm tính toán cho các đại l−ợng trong mỗi khoảng i :
+ Mức n−ớc th−ợng l−u trung bình: Ztb i = 0,5.(Zi+Zi-1) ; + Đặc tính thể tích: Vi = f(Zi) ;
+ Đặc tính mức n−ớc hạ l−u: Zhli = ψ(Qi+Qxi) ; (14) + Đặc tính tổn thất cột n−ớc: ΔHi = ξ(Qi) ;
+ Đặc tính hiệu suất : ηi= χ(Qi,Hi) ; - Các giới hạn :
+ Mức n−ớc th−ợng l−u: Zmin(ti) ≤ Zi≤ Zmax(ti) ; + L−u l−ợng vận hμnh tối thiểu: Qmin i ≤ Qi ≤ Qmax i . (15)
+ Giới hạn điện năng cung cấp : Emin ti≤ΔEti ≤ Emax ti ΔEti = 9,81.η. Δti .(Ztb i - Zhl - ΔHi).Qi .
Các rμng buộc (13) - (15) t−ơng ứng với i = 1, 2, ..., N.
Để áp dụng các ph−ơng pháp giải QHPT (ví dụ thuật toán gradien) ng−ời ta th−ờng xấp xỉ các hμm thực nghiệm f, ψ, ξ, χ bằng biểu thức giải tích (hiệu suất η còn đ−ợc coi lμ hằng số).
Ưu điểm của ph−ơng pháp QHPT lμ có mô tả toán học đơn giản. Nh−ợc điểm chung lμ có khả năng không hội tụ đến lời giải hoặc chỉ nhận đ−ợc lời giải tối −u cục bộ. Tuy nhiên với bμi toán điều tiết dμi hạn dòng chảy, các quan hệ hμm không phức tạp lắm nên nh−ợc điểm trên ít gây khó khăn trong các tính toán ứng dụng.
Ch−ơng 5
chế độ lμm việc ngμy của nhμ máy thủy điện trong hệ thống điện (điều tiết ngắn hạn)
5.1. Khái niệm chung
1. Khi thực hiện điều tiết dμi hạn dòng chảy kết quả nhận đ−ợc chỉ lμ trị số l−u l−ợng n−ớc vận hμnh tối −u ở trong những khoảng thời gian t−ơng đối dμi (th−ờng từ một tuần trở lên). Đó lμ vì độ tin cậy của các số liệu đầu vμo cũng nh− độ chính xác của lời giải không cho phép tính toán chi tiết hơn. Hơn nữa, điều tiết dμi hạn vμ ngắn hạn khác nhau hẳn về mục tiêu, không thể nhập chung trong một mô hình bμi toán để giải. Tuy nhiên, hai bμi toán đ−ợc thực hiện trên cùng thời gian (xét với những khoảng thời gian ngắn), nên phải có những quan hệ nhất định. Dễ thấy lμ, nếu bμi toán điều tiết ngắn hạn đ−ợc thực hiện sau thì phải đảm bảo giữ nguyên trị số l−u l−ợng n−ớc trung bình tối −u đã xác định đ−ợc của bμi toán điều tiết dμi hạn vμ không lμm phát sinh thêm l−u l−ợng n−ớc xả. Điều kiện nμy có thể dễ dμng đảm bảo đ−ợc trong mùa cạn, bởi hồ còn vơi, có thể dâng n−ớc lên cao thêm (do giảm công suất vμo giờ thấp điểm) rồi lại hạ xuống ngay trong ngμy (sử dụng n−ớc hồ để phát tăng c−ờng trong giờ cao điểm). Đối với các NMTĐ có hồ nhỏ, không có khả năng điều tiết năm thì điều kiện đặt ra lμ sử dụng hết (hoặc tối đa) l−ợng n−ớc đến trong ngμy, trong khi tận dụng thể tích hồ để điều tiết ngắn hạn.
2. Bμi toán điều tiết ngắn hạn đ−ợc áp dụng phổ biến nhất lμ điều tiết ngμy. Khi đó thực chất của bμi toán lμ xác định biểu đồ phát công suất ngμy tối −u của NMTĐ đang lμm việc trong hệ thống. Thực ra đây lμ bμi toán đã đ−ợc đặt ra d−ới dạng chung: phân bố tối −u công suất cho các NMĐ trong HTĐ hỗn hợp thủy nhiệt điện (xét với chu kỳ ngắn hạn - một ngμy đêm). Tuy nhiên với mỗi NMTĐ bμi toán vẫn đ−ợc quan tâm xét riêng bởi các lý do sau:
- Biểu đồ phát công suất tối −u của NMTĐ có những đặc tr−ng riêng về hồ chứa (rất khó đ−a vμo bμi toán chung) cần đ−ợc xét đến khi vận hμnh. Ví dụ, cần xét đến điều kiện giới hạn về dung tích hồ, ảnh h−ởng biến động của mức n−ớc th−ợng l−u, hạ l−u đến cột n−ớc...
- Trong nhiều tr−ờng hợp, do đặc thù hệ thống vμ ph−ơng pháp giải, ở bμi toán chung ng−ời ta chỉ xây dựng biểu đồ phát công suất tối −u cho từng NMNĐ. Các NMTĐ đ−ợc nhận một phần biểu đồ chung vμ tự phân chia nội bộ.
3. Theo cách nhìn tổng quát, bμi toán phân bố tối −u công suất cho các NMĐ có thể đ−ợc hiểu nh− bμi toán phân chia biểu đồ phụ tải tổng hệ thống (có kể đến tổn thất) cho từng NMĐ. Yêu cầu về cân bằng công suất vμ điện năng trong hệ thống đ−ợc thể hiện nh− lμ sự trùng khít của tổng biểu đồ công suất phát với biểu đồ phụ tải hệ thống. Tính tối −u đ−ợc thể hiện bởi hình dạng vμ vị trí của biểu đồ của mỗi NMĐ. Cũng theo một cách nhìn sơ bộ (nh−ng rất có ý nghĩa) thì biểu đồ phát công suất của các NMNĐ cμng bằng phẳng cμng tốt, nhất lμ những nhμ máy ít có khả năng điều chỉnh vμ hiệu suất giảm nhiều ra ngoμi vùng lμm việc kinh tế. Với các NMTĐ thì biểu đồ cần lựa chọn tùy thuộc theo mùa. Mùa cạn hồ vơi, có ít n−ớc để sử dụng, biểu đồ có thể thay đổi tùy ý nên −u tiên lμm việc thay đổi giống nh− phần ngọn của biểu đồ. Mùa n−ớc, các NMTĐ cần vận hμnh th−ờng xuyên với công suất lớn (thậm chí, đầy tải 24/24 giờ) nhằm giảm tối đa l−ợng n−ớc xả. Nh− vậy phần cố định của nó chỉ có thể chọn ở đáy của biểu đồ phụ tải tổng. Nói khác đi về mùa lũ NMTĐ cần nhận biểu đồ ở vị trí thấp. Tuy nhiên do khả năng điều tiết tốt của NMTĐ (ít ảnh h−ởng hiệu suất) biểu đồ của mỗi nhμ máy luôn luôn đ−ợc coi lμ nằm ở vị trí cμng cao cμng tốt trong biểu đồ phụ tải tổng hệ thống.
Khi thực hiện tính toán điều tiết riêng cho các NMTĐ (điều tiết ngμy) theo các ph−ơng pháp đơn giản ng−ời ta còn coi các điều kiện trên chính lμ tiêu chuẩn để xây dựng biểu đồ công suất phát tối −u vμo hệ thống.
5.2. Đ−ờng cong năng l−ợng
Phục vụ mục đích xây dựng biểu đồ công suất vận hμnh cho NMTĐ ng−ời ta th−ờng xây dựng một đ−ờng cong bên cạnh biểu đồ công suất phụ tải tổng hệ thống, gọi lμ đ−ờng cong năng l−ợng. Đ−ờng cong đ−ợc xây dựng nh− sau.
- Xuất phát từ đỉnh của biểu đồ công suất vẽ một đ−ờng thẳng nằm ngang. Đ−ờng thẳng nμy sẽ đ−ợc dùng lμm trục tọa độ tính l−ợng điện năng (MWh).
- Sử dụng các đ−ờng thẳng nằm ngang chia biểu đồ thμnh những dải hẹp. Các đ−ờng thẳng đ−ợc đặt cách nhau những bậc công suất đủ nhỏ (so với công suất lớn nhất của biểu đồ), ký hiệu lμ ΔP1, ΔP2, ΔP3, ..., ΔPn.
- Tính diện tích của từng dải hẹp biểu đồ (trong đơn vị MWh). Đó cũng chính lμ những phần điện năng t−ơng ứng của các dải hẹp, ký hiệu lμ ΔE1, ΔE2, ΔE3, ...,
ΔEn.
Dựa vμo các cặp số (ΔP1,ΔE1), (ΔP2,ΔE2), (ΔP3,ΔE3), ..., (ΔPn,ΔEn) vẽ đ−ợc tọa độ của các điểm t−ơng ứng trên đ−ờng cong năng l−ợng. Nối chúng lại ta đ−ợc toμn bộ đ−ờng cong (hình 5.1).
Với đ−ờng cong năng l−ợng ta dễ dμng xác định đ−ợc l−ợng điện năng ΔE của một phần bất kỳ biểu đồ nằm giới hạn giữa 2 đoạn thẳng nằm ngang, ng−ợc lại có thể cắt phần biểu đồ t−ơng ứng với l−ợng điện năng cho tr−ớc (xem hình vẽ). Đó cũng chính lμ những thao tác xác định biểu đồ công suất vận hμnh ngμy của NMTĐ theo ph−ơng pháp đồ thị. Hình 5.1 P MW E MWh t h 24 0 ΔE ΔE ΔE1 ΔE2 ΔE3 ΔP1 ΔP2 ΔP3 ΔE1 ΔE2 ΔE3 ETĐ
5.3. ph−ơng pháp đồ thị xây dựng biểu đồ công suất vận hành ngày của nhà máy thủy điện làm việc trong hệ thống
I. Bài toán
Các số liệu cần đ−ợc cho tr−ớc gồm:
- Biểu đồ phụ tải tổng của hệ thống (đ−ợc dự báo trong phạm vi một ngμy đêm); - L−u l−ợng n−ớc trung bình (Qtb) vμ cột n−ớc trung bình (Htb) tối −u, đã xác định đ−ợc từ lời giải của bμi toán điều tiết dμi hạn;
- Công suất lớn nhất có thể vận hμnh của NMTĐ (Nkd);
- Dung tích điều tiết ngμy của hồ (Vng).
Cần phải xây dựng biểu đồ công suất vận hμnh ngμy (PTĐ(t)) của NMTĐ sao cho giảm đ−ợc chi phí vận hμnh của hệ thống xuống mức thấp nhất.
Nh− đã nói trên, tiêu chuẩn tối −u ở đây đ−ợc hiểu theo ý nghĩa tìm vị trí cao nhất cho biểu đồ NMTĐ trong biểu đồ phụ tải tổng hệ thống. Nhμ máy phải đảm bảo sử dụng hết l−ợng n−ớc trong ngμy, tính theo lời giải của bμi toán điều tiết dμi hạn.
II. Ph−ơng pháp giải
Bμi toán đ−ợc giải theo ph−ơng pháp đồ thị, sử dụng đ−ờng cong năng l−ợng. Cần chia ra các tr−ờng hợp khác nhau tùy thuộc vμo t−ơng quan l−ợng n−ớc với dung tích hồ vμ công suất đặt (hay công suất khả dụng) của NMTĐ.
1. Tr−ờng hợp NMTĐ không bị giới hạn về dung tích hồ và công suất nhà máy
Đó lμ tr−ờng hợp tính toán cho mùa cạn, khi l−ợng n−ớc dòng chảy rất ít, hồ vơi, có thể đảm bảo thỏa mãn chế độ điều tiết tối −u không hạn chế. Các b−ớc thực hiện nh− sau:
- Đầu tiên, với biểu đồ phụ tải tổng hệ thống đã cho, xây dựng đ−ờng cong năng l−ợng (theo ph−ơng pháp trong mục 5.2).
- Tiếp theo, tính l−ợng điện năng có thể sản xuất ra trong một ngμy đêm của NMTĐ. Với giả thiết tổn thất do điểu chỉnh lμ bé có thể bỏ qua (xem phần sau), ta có thể tính l−ợng điện năng nμy theo các giá trị trung bình (nh− không điều chỉnh):
ETĐ = 24. Ptb = 24. 9,81.η. Htb.Qtb = 9,81.η. Htb.Wng
Nh− vậy, l−ợng điện năng tính đ−ợc theo công thức trên cũng chính lμ l−ợng điện năng cần phái phát trong ngμy đối với nhμ máy, theo yêu cầu của điều tiết dμi hạn. - Biểu đồ vận hμnh của NMTĐ đ−ợc xây dựng bằng cách xác định phần ngọn của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống t−ơng ứng với diện tích bằng ETĐ.
Khi đã có đ−ờng cong năng l−ợng thì việc xác định phần biểu đồ nh− vậy rất đơn giản: chỉ cần đặt đoạn có chiều dμi bằng ETĐ trên trục năng l−ợng (tính từ điểm gốc 0), dóng xuống đ−ờng cong năng l−ợng, rồi dóng ngang sang biểu đồ (hình 5,2,a). Dễ nhận thấy, trong tr−ờng hợp nμy, việc lựa chọn biểu đồ công suất vận hμnh cho NMTĐ (hình 5.2,b) theo cách nêu trên lμ hợp lý. Tr−ớc hết biểu đồ đảm bảo sử dụng vừa đúng l−ợng n−ớc đã cho (xác định theo lời giải bμi toán điều tiết dμi hạn). Có thể khẳng định điều nμy vì l−ợng điện năng sản xuất ra trong ngμy đúng bằng ETĐ (đã đ−ợc tính theo l−ợng n−ớc). Biểu đồ chiếm vị trí cao nhất trên phần ngọn của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống, nên phần biểu đồ còn lại bằng phẳng, đảm bảo cho các NMNĐ lμm việc với hiệu suất cao, giảm đ−ợc chi phí nhiên liệu (t−ơng ứng với mục tiêu của điều tiết ngắn hạn). Ngoμi ra, cách lựa chọn biểu đồ nh− trên còn cho phép NMTĐ tham gia tối đa vμo cân bằng công suất hệ thống giờ cao điểm (còn gọi lμ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải).
Hình 5.2 P MW E MWh t h 24 0 ETĐ ETĐ a) 0 Eđt Nkd b) P MW t 24 h 0 t1 t2 Eđt Ptb Pmax Nkd
Tuy nhiên biểu đồ xây dựng nh− trên cũng chỉ có thể vận hμnh đ−ợc nếu không vi phạm các giới hạn về công suất phát vμ dung tích điều tiết của hồ (nh− đã giả thiết). Cần kiểm tra lại các điều kiện sau:
Pmax≤ Nkd ; Wđt≤ Vng .
Trong đó, Pmax - lμ trị số công suất phát lớn nhất theo biểu đồ;
Wđt - lμ thể tích n−ớc lớn nhất cần tích vμo hoặc lấy ra từ hồ chứa trong phạm vi một ngμy đêm.
Wng - Dung tiết ngμy của NMTĐ tại thời gian tính toán (xác định theo mức n−ớc trung bình trong hồ vμ đặc tính thể tích).
Trị số Pmax có thể xác định trực tiếp từ biểu đồ (sau đó so sánh với Nkd để kiểm tra điều kiện). Trị số Wđt cần phải xác định qua các công thức tính toán.
Giả thiết đ−ờng công suất trung bình cắt biểu đồ tại các thời điểm t1 vμ t2. Công suất nμy t−ơng ứng với l−u l−ợng n−ớc vận hμnh không đổi bằng Qtb. Nh− vậy, theo biểu đồ vận hμnh, trong các khoảng thời gian từ 0 đến t1 vμ từ t2 đến 24 giờ n−ớc đ−ợc tích vμo hồ (l−u l−ợng n−ớc vận hμnh nhỏ hơn Qtb), còn từ t1 đến t2 n−ớc đ−ợc lấy ra để phát nâng cao công suất. L−ợng n−ớc tích vμo vμ lấy ra bằng nhau (bằng Wđt), ta tính đ−ợc: . . . 81 , 9 1 ) ( . . 81 , 9 1 ) ( 2 1 2 1 dt tb t t tb TD tb t t tb dt E H dt P P H dt Q Q W
η
η
= − ≈ − =∫
∫
Trong đó, ký hiệu Eđt lμ l−ợng điện năng t−ơng ứng với phần ngọn biểu đồ (phần nằm bên trên trị số công suất trung bình). L−ợng điện năng nμy có thể tính trực tiếp theo diện tích phần ngọn biểu đồ hoặc tính theo đ−ờng cong năng l−ợng (hình 5.2,a), thay vμo biểu thức trên ta tính đ−ợc Wđt. So sánh Wđt với Vhi để kiểm tra điều kiện giới hạn về dung tích hồ. Nếu có điều kiện nμo đó không thỏa mãn, cần phải xác định lại biểu đồ để tính đến điều kiện nμy.
2. Tr−ờng hợp NMTĐ bị giới hạn về công suất phát, dung tích hồ chứa đủ lớn
Đây có thể lμ tr−ờng hợp tính toán cho mùa n−ớc trung bình. Hồ có dung tích lớn, đủ để có thể tập trung toμn bộ l−ợng n−ớc phủ đỉnh biểu đồ phụ tải nh− tr−ờng hợp trên. Tuy nhiên, với l−ợng n−ớc nhiều hơn, đỉnh nhọn của biểu đồ phụ tải có thể lμm cho nhμ máy không đáp ứng giới hạn về công suất phát.
Để tránh xảy ra khả năng nμy cần phải giới hạn chiều cao phần ngọn của biểu đồ. Đó lμ phần công suất phát lên trên trị số công suất trung bình, tham gia phủ đỉnh biểu đồ phụ tải. Phần còn lại của biểu đồ (gọi lμ phần gốc) đ−ợc lựa chọn sao cho sử dụng hết l−ợng n−ớc còn lại.
Giả thiết công suất tối đa có thể phát của nhμ máy lμ Nkd (còn gọi lμ công suất khả dụng), trị số có thể bằng công suất đặt Nđ hoặc nhỏ hơn (bị giảm do điều kiện kỹ thuật hoặc do yêu cầu hệ thống). Công suất trung bình tính đ−ợc theo l−ợng n−ớc:
Ptb = 9,81.η. Htb.Qtb .
Khi đó công suất đỉnh (do điều tiết) : Pđ = Nkd - Ptb. Công suất nμy xác định phần ngọn biểu đồ công suất NMTĐ trên đỉnh của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống. Phần ngọn có l−ợng điện năng t−ơng ứng (ký kiệu lμ Eđt) có thể tính đ−ợc nhờ đ−ờng cong năng l−ợng (hình 5.3,a).
Hình 5.3 b) P MW t 24 h 0 Ptb Pmax Pđt Eđt Nđ P MW E MW h t h 24 0 Eđt ETĐ-Eđt a) 0 Ptb ETĐ-Eđt Eđt Pđ
Phần gốc của biểu đồ đ−ợc xây dựng bằng cách sử dụng một tam giác vuông có cạnh góc vuông nằm ngang chiều dμi bằng ETĐ-Eđt, cạnh góc vuông thẳng đứng bằng Ptb. Dịch chuyển tam giác vuông dọc theo đ−ờng cong năng l−ợng (giữ nguyên ph−ơng của các cạnh) sao cho có một đỉnh của cạnh huyền tr−ợt theo đ−ờng cong. Vị trí mμ cả hai đỉnh thuộc cạnh huyền cùng nằm trên đ−ờng cong năng l−ợng sẽ xác định phần gốc biểu đồ (dóng 2 đỉnh cạnh huyền sang biểu đồ để có các giới hạn trên vμ d−ới - hình 5.3,a).
Biểu đồ vừa xây dựng đ−ợc (hình 5.3,b) thỏa mãn điều kiện sử dụng đúng l−ợng n−ớc đã cho, bởi l−ợng điện sản suất ra (t−ơng ứng với diện tích biểu đồ) bằng ETĐ. Biểu đồ cũng đã nằm ở các vị trí cao nhất có thể đ−ợc trong biểu đồ phụ tải tổng hệ thống.
Với cách xây dựng nh− trên, điều kiện giới hạn về công suất sẽ luôn luôn thỏa
mãn, bởi Pmax = Pđ +(Nđ-Pđ) = Nkd . Chỉ còn cần kiểm tra điều kiện giới hạn về dung
tích hồ. T−ơng tự nh− tr−ờng hợp tr−ớc, điều kiện cần kiểm tra lμ:
Wđt≤ Vng.
Trong đó Wđt - lμ thể tích n−ớc lớn nhất cần tích vμo hoặc lấy ra từ hồ, trị số có thể tính theo công thức: dt tb dt E H w . . 81 , 9 1
η
= ,với Eđt - lμ điện năng phần ngọn của biểu đồ đã xác định đ−ợc. So sánh Wđt với Vng để kiểm tra giới hạn về dung tích hồ. Nếu điều kiện không thỏa mãn, cần phải xây dựng lại biểu đồ có xét đến điều kiện nμy.
Trong tr−ờng hợp đang xét, ng−ời ta còn hay xây dựng biểu đồ theo cách khác (hình 5.4). Để khống chế chiều cao biểu đồ, ng−ời ta sử dụng một tam giác vuông có cạnh góc vuông thẳng đứng bằng Nđ còn cạnh góc vuông nằm ngang bằng ETĐ.
