Khi dung tích hồ lớn có thể tận dụng để điều tiết nhiều năm. Ph−ơng pháp đồ thị giải bμi toán điều tiết nhiều năm hoμn toμn t−ơng tự nh− điều tiết năm. Vì hồ lớn ng−ời ta th−ờng áp dụng ban đầu theo ph−ơng pháp sợi chỉ căng. Nếu trong mùa lũ nμo đó, theo ph−ơng pháp sợi chỉ căng nhận đ−ợc giá trị QT > QTmax thì cũng phải hiệu chỉnh lại vì có xả trμn. Trên hình 4.9 minh họa đ−ờng cong điều tiết điều tiết nhiều năm khi hồ có dung tích hạn chế, t−ơng ứng với số liệu của hình 4.5.
năm t
1 2 3 4 5 6 7
W m3
Vhi san bằng dòng chảy nhiều năm
Đ−ờng Qtb nhiều năm QS
Hình 4.5 Đ−ờng cong kiểm tra
Vhi
QT xả
Ngoμi các tính toán theo đặc tr−ng thời gian (sử dụng chuỗi số liệu l−u l−ợng n−ớc thống kê theo lịch thời gian), với điều tiết nhiều năm ng−ời ta còn thực hiện tính toán theo đặc tr−ng xác suất. Một trong các bμi toán thuộc loại nμy lμ xây dựng quan hệ giữa xác suất đảm bảo n−ớc p cho l−ợng n−ớc sử dụng Wp với dung tích hữu ích của hồ Vhi. Các đại l−ợng th−ờng đ−ợc tính trong hệ đơn vị t−ơng đối:
0 0 ; W W W Wp hi = = β α
Trong đó: W0 - lμ l−ợng n−ớc trung bình nhiều năm, đ−ợc lấy lμm l−ợng cơ bản tính toán thể tích n−ớc.
Quan hệ giữa các đại l−ợng trên đ−ợc xây dựng cho dòng sông cụ thể, đã biết tr−ớc các đặc tr−ng dòng chảy nh− đ−ờng cong tần suất đảm bảo n−ớc (cũng tính trong hệ đơn vị t−ơng đối), độ ổn định dòng Cv, độ không đối xứng Cs . Khi đó, nếu cho tr−ớc 2 trong 3 đại l−ợng (α, β, p) sẽ xác định đ−ợc ngay đại l−ợng thứ 3. Ví dụ cho tr−ớc thể tích hữu ích của hồ β, xác xuất đảm bảo n−ớc p, từ đ−ờng cong quan
hệ: β = f(α,p)
có thể xác định đ−ợc l−ợng n−ớc đảm bảo (tần suất p) lμ α, với trị số : Wp = αW0. Ng−ời ta cũng xây dựng quan hệ tổng hợp hơn, xét đến cả sự thay đổi của hệ số Cv ( vμ coi Cs = 2Cv) xây dựng đ−ờng cong quan hệ dạng:
) , , ( C p f α v β = .
Hệ số α th−ờng đ−ợc chọn xây dựng từ 0,2 đến 0,9 còn p trong pham vi từ 75% đến 97%. Đ−ờng cong sau khi xây dựng đ−ợc có thể dùng vμo nhiều mục đích tính toán khác nhau xét đến các đặc tr−ng xác suất của dòng chảy.
4.3. Biểu đồ điều phối hồ chứa
Nh− đã biết (trong ch−ơng 2), các đặc tr−ng thủy văn đ−a ra vμ sử dụng cho các tính toán điều tiết dòng chảy đều dựa vμo chuỗi các số liệu thống kê quá khứ. Các đặc tr−ng nμy nói chung chỉ có ý nghĩa trung bình xác xuất, bởi dòng chảy có đặc tính ngẫu nhiên. Trong vận hμnh NMTĐ th−ờng không có đ−ợc các dự báo dμi hạn tin cậy nên có thể dẫn đến những sai khác đáng kể, ảnh h−ởng đến hiệu quả khai thác thủy năng vμ độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống. Để xử lý các tình huống
sai lệch ng−ời ta nghiên cứu các quy tắc vận hμnh hồ chứa theo trạng thái hiện thực của hồ. Một trong những quy tắc vận hμnh nh− vậy đ−ợc thể hiện d−ới dạng biểu đồ gọi lμ biểu đồ điều phối n−ớc của hồ chứa. Biểu đồ giúp cho ng−ời vận hμnh chủ động trong mọi tình huống, xử lý đúng, khắc phục đ−ợc những biến động bất th−ờng của dòng chảy cũng nh− những yêu cầu đột xuất về nhu cầu n−ớc vμ nhu cầu năng l−ợng.
Trục hoμnh của biểu đồ điều phối biểu thị thời gian trong năm (theo lịch), trục tung biểu thị thể tích n−ớc hoặc mức n−ớc trong hồ.
Với các đ−ờng cong giới hạn xây dựng đ−ợc, biểu đồ điều phối chia ra thμnh các vùng sau (hình 4.6):
I- Vùng chống xả thừa (vận hμnh với công suất tối đa);
II- Vùng vận hμnh bình th−ờng (phát công suất nâng cao trên mức đảm bảo theo điều tiết tối −u);
III- Vùng phát theo công suất đảm bảo;
1 2 3 4 5 Z m t
Hình 4.6. Biểu đồ điều phối
5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tháng I II III IV I
IV- Vùng cung cấp điện hạn chế (giảm thấp xuống d−ới công suất đảm bảo). Để phân chia các vùng trên, cần xây dựng các đ−ờng đồng mức sử dụng l−u l−ợng n−ớc (hay cùng công suất phát trung bình ngay đêm) của NMTĐ.
Đ−ờng giới hạn quan trọng nhất lμ đ−ờng đồng mức phát công suất đảm bảo (đ−ờng 2 trên hình 4.6). Mức n−ớc ở d−ới đ−ờng nμy không cho phép NMTĐ phát lên trên công suất đảm bảo tính toán, nhằm duy trì phát công suất đ−ợc ổn định lâu dμi (không bị thiếu n−ớc). Công suất đảm bảo tính toán lμ công suất phát thấp nh−ng có độ tin cậy cao (với tần xuất đảm bảo n−ớc 90%) có xét đến khả năng điều tiết tối −u dòng chảy (của năm n−ớc điển hình tính toán). Công suất nμy, giả thiết đã tính đ−ợc vμ t−ơng ứng với l−u l−ợng n−ớc đảm bảo Qp. Để xây dựng đ−ờng giới hạn nói trên cần dựa vμo số liệu dòng chảy của các năm có l−ợng n−ớc gần với l−ợng n−ớc của năm tính toán (ký hiệu lμ Wp). Số liệu dòng chảy của năm thứ i, đ−ợc quy chuẩn bằng cách nhân với tỉ số Wp/Wi (Wi lμ l−ợng n−ớc của năm thứ i đã lựa chọn). Nửa đ−ờng cong phía mùa cạn đ−ợc xây dựng bằng cách giải bμi toán điều tiết ng−ợc (từ cuối mùa cạn) với giả thiết cuối mùa cạn hồ hết n−ớc (ở mức n−ớc chết) vμ l−u l−ợng n−ớc sử dụng giữ không thay đổi bằng Qp. Nửa đ−ờng cong t−ơng ứng với mùa lũ cũng đ−ợc thực hiện t−ơng tự nh−ng xuất phát từ cuối mùa lũ, với mức n−ớc dâng bình th−ờng (đ−ờng 1 trên hình vẽ). Kết quả sẽ nhận đ−ợc các đ−ờng cong khác nhau (cho mỗi năm). Vẽ đ−ờng bao phía trên các đ−ờng cong nμy, ta đ−ợc đ−ờng cong giới hạn 2 cần vẽ.
Gặp những năm đặc biệt ít n−ớc (t−ơng ứng với tần suất trên 90%) cần vận hμnh với l−u l−ợng n−ớc hạn chế để không phải giảm đột biến khả năng cung cấp điện của NMTĐ. Th−ờng tính với khả năng vận hμnh bằng 0,8Qp. Để xây dựng đ−ờng cong giới hạn trong tr−ờng hợp nμy cần chọn ra các năm ít n−ớc đặc biệt trong chuỗi thống kê. Quy đổi l−u l−ợng n−ớc mỗi năm về năm tính toán vμ thực hiện tính toán điều tiết ng−ợc từ cuối mùa cạn, giữ l−u l−ợng n−ớc không đổi bằng 0,8Qp. Kết quả nhận đ−ợc đ−ờng cong 3 nh− trên hình vẽ (lμ đ−ờng bao phía trên của các đ−ờng cong đã tính toán). Đôi khi ng−ời ta còn xây dựng thêm đ−ờng giới hạn ứng với l−u l−ợng bằng 0,6Qp để áp dụng cho những năm quá ít n−ớc. Cách
xây dựng cũng t−ơng tự. Mức n−ớc hồ xuống d−ới đ−ờng cong nμy cần giảm công suất chỉ còn 60% so với công suất đảm bảo (đ−ờng 4).
Đ−ờng cong phân chia ra vùng vận hμnh chống xả thừa nằm bên trên vùng phát công suất nâng cao. Khi mức n−ớc nằm trên đ−ờng giới hạn nμy (trong vùng chống xả thừa) cần cho nhμ máy vận hμnh với l−u l−ợng n−ớc tối đa QTmax. Đây lμ vùng, theo tính toán, nếu không vận hμnh tối đa chắc chắn phải xả thừa. Đ−ờng cong đ−ợc xây dựng dựa vμo số liệu các năm n−ớc to (tần suất d−ới 10%). Số liệu đ−ợc quy đổi về năm có tần suất (1-p), nghĩa lμ nhân với tỉ số W(1-p)/Wi. Đ−ờng giới hạn trong tr−ờng hợp nμy t−ơng ứng với đ−ờng bao phía d−ới của các đ−ờng cong tính
toán. Đ−ờng cong xây dựng đ−ợc th−ờng chỉ tồn tại trong mùa cạn vμ đầu mùa lũ (đ−ờng 4 trên hình 4.6), bởi trong mùa lũ công suất th−ờng phải phát nâng cao đến tối đa mới đảm bảo tối −u (để l−ợng n−ớc xả ít nhất). Vùng phát nâng cao vμ vùng chống xả thừa trong mùa lũ trùng nhau. Hơn nữa, cuối mùa lũ còn có thể có cả khoảng thời gian phải xả thừa bắt buộc, không thể vận hμnh chống xả thừa.
Biểu đồ xây dựng đ−ợc nh− trên mới chỉ lμ cơ sở cho biểu đồ điều phối. Trong thực tế để áp dụng thμnh quy trình vận hμnh ng−ời ta còn xem xét thêm lời giải tối −u của bμi toán điều tiết các năm (quá khứ) để hiệu chỉnh các đ−ờng cong, cũng nh− hiệu chỉnh theo kinh nghiệm vận hμnh lâu năm cho biểu đồ điều phối. Lý do có thể hiệu chỉnh các đ−ờng cong giới hạn lμ vì có những phần ranh giới không chắc chắn (giữa đ−ờng bao phía trên vμ phía d−ới các đ−ờng cong). Ngoμi ra xuất phát từ đặc điểm hệ thống công suất yêu cầu đảm bảo có thể khác nhau. Mục đích cuối cùng của việc hiệu chỉnh lμ giữ cho công suất vận hμnh ổn định (ít bị phá vỡ xuống d−ới công xuất yêu cầu) vμ sản l−ợng điện năng thu đ−ợc tối đa.
Dễ nhận thấy rằng, nếu tuân thủ biểu đồ điều phối thì chỉ tồn tại vùng t−ơng đối hẹp giữa đ−ờng 2 vμ đ−ờng 5 (vùng phát nâng cao) cần xác định công suất phát cụ thể theo tính toán tối −u cũng nh− các yêu cầu khác của hệ thống.
4.4. Tính toán điều tiết dài hạn theo các ph−ơng pháp số
I. Bài toán
Để tính toán điều tiết dμi hạn dòng chảy theo các ph−ơng pháp số ng−ời ta th−ờng mô tả bμi toán d−ới dạng mô hình điều khiển tối −u.
1. Hàm mục tiêu (cực đại hóa sản l−ợng điện năng trong chu kỳ tính toán): ∫ ⇒ =TPTD t dt Max E 0 ) ( (1) Biểu thức của PTĐ trong hμm mục tiêu có dạng:
PTĐ = 9,81.η.H.Q = 9,81.η.(Z - Zhl - ΔH).Q
Tùy theo mức độ chính xác, hiệu suất η, mức n−ớc hạ l−u Zhl vμ tổn thất cột n−ớc ΔH cần đ−ợc mô tả theo các hμm quan hệ với l−u l−ợng n−ớc (trong rμng buộc). 2. Các ràng buộc
a- Ph−ơng trình cân bằng n−ớc của hồ (theo 3.7):
tl r x s Q Q Q Q Q dt dZ Z F( ) = − − − − (2) b- Các đ−ờng cong quan hệ: + Đặc tính diện tích mặt hồ: F = φ(Z) ; + Đặc tính mức n−ớc hạ l−u: Zhl = ψ(Q+Qx) ; + Đặc tính tổn thất cột n−ớc: ΔH = ξ(Q) + Đặc tính hiệu suất : η= χ(Q,H) c- Các giới hạn vận hμnh:
+ Mức n−ớc th−ợng l−u: Zmin(t) ≤ Z(t) ≤ Zmax(t) ; (3) Mức n−ớc cực đại phụ thuộc nhiều vμo yêu cầu điều tiết lũ, còn mức n−ớc cực tiểu th−ờng phụ thuộc các nhu cầu về lợi ích tổng hợp nguồn n−ớc. Tr−ờng hợp riêng Zmin(t) = Zch, Zmax(t) = Zdbt ;
+ L−u l−ợng vận hμnh: Qmin≤Q(t) ≤ QTmax .
Giới hạn tối thiểu Qmin th−ờng phụ thuộc yêu cầu đảm bảo mức n−ớc hạ l−u, QTmax t−ơng ứng với chế độ phát cực đại công suất của các tổ máy.
+ Giới hạn công suất phát: PTĐmin(t) ≤PTĐ(t) ≤ PTĐmax(t) .
Giới hạn tối thiểu của công suất phát th−ờng đ−ợc đặt ra theo yêu cầu hệ thống, còn giới hạn tối đa theo công suất khả phát của các tổ máy. Với các tua bin kiểu Francis vμ Kaplan ng−ời ta th−ờng sử dụng quan hệ gần đúng cho giới hạn công suất khả phát:
⎩ ⎨ ⎧ < < + ≥ = TK TK TK TD aH b khi H H H H H khi P t P min max max( )
Trong đó: Pmax TK lμ công suất định mức phát theo cột n−ớc thiết kế HTK .
a , b - lμ những hệ số tính theo đ−ờng cong giới hạn vận hμnh tua bin. + Giới hạn điện năng cung cấp :
Emin ti≤ΔEti≤ Emax ti (4) ở đây, các l−ợng điện năng cung cấp đ−ợc tính cho những khoảng thời gian xác định (ngμy, tuần hoặc tháng). Đây lμ giới hạn rất quan trọng phụ thuộc vμo yêu cầu huy động công suất của hệ thống, đặc biệt lμ trị số Emin trong các tháng mùa khô. Trị số Emin không thể yêu cầu lớn hơn điện năng đảm bảo của NMTĐ, nh−ng có thể chấp nhận trị số nhỏ hơn nếu hệ thống có dự phòng lớn. Khi đó hiệu quả kinh tế điều tiết sẽ cao hơn.
Khi điều tiết phối hợp các NMTĐ trên các bậc thang dòng sông (xây dựng nối tiếp) hoặc có nhiều NMTĐ trong hệ thống, mô hình vẫn có dạng t−ơng tự. Sự khác nhau chủ yếu lμ mô tả hμm mục tiêu (theo điện năng tổng) vμ các quan hệ l−u l−ợng của các NMTĐ xây dựng nối tiếp (nh− trong ph−ơng pháp đồ thị).
Cũng cần nói thêm lμ, cách mô tả bμi toán nh− trên nhằm thể hiện tr−ờng hợp chung nhất. Thực tế, phụ thuộc vμo đặc điểm của ph−ơng pháp giải, ng−ời ta có thể thay đổi mô hình bμi toán. Phổ biến nhất lμ cách chia khoảng thời gian tính toán (coi các thông số vận hμnh không đổi trong từng khoảng thời gian). Khi đó hμm mục tiêu (1) đ−ợc đ−a về dạng: Max t t P E N i i i TD Δ Δ ⇒ =∑ =1 ) ( (5) Trong đó, Δti có thể chọn lμ các tháng trong năm (hoặc ngắn hơn). Thời điểm cuối mỗi khoảng chia th−ờng đ−ợc đánh số thứ tự trùng với số thứ tự của khoảng.
Trong tr−ờng hợp nμy rμng buộc cân bằng n−ớc đ−ợc sử dụng trên cơ sở (3.6) vμ đ−a về dạng: i tli ri xi i si i Q Q Q Q Q t V = − − − − Δ Δ ( ) (6)
Các trị số l−u l−ợng n−ớc trong ph−ơng trình đ−ợc hiểu lμ trị số trung bình trong khoảng Δti. Thể tích n−ớc ΔVi tích lại trong hồ bằng hiệu thể tích n−ớc hồ tại thời điểm ti (cuối khoảng Δti) vμ thời điểm ti-1:
1
−
− =
ΔVi Vi Vi (7) Với ph−ơng trình cân bằng n−ớc dạng (6) vμ (7) thì sử dụng đặc tính thể tích hồ sẽ thuận lợi hơn đặc tính diện tích. Có thể tính đ−ợc thể tích n−ớc hồ tại thời điểm đầu vμ cuối khoảng xét theo các mức n−ớc th−ợng l−u:
) ( ) ( 1 1 − −== i i i i Z f V Z f V (8)