4. Phương pháp nghiên cứu
2.5. Mô tả bài toán nghiên cứu
Yêu cầu của vận hành kinh tế hệ thống điện là đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện, đảm bảo chất lượng phục vụ, có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối thấp nhất. Do đó, việc giảm tối thiểu chi phí sản xuất điện năng là mục tiêu của việc phân bố tối ưu nguồn phát trong hệ thống điện, đặc biệt khi đã bước vào thị trường cạnh tranh đang từng bước hình thành như ở nước ta hiện nay. Chi phí sản xuất điện bao gồm:
- Chi phí nhiên liệu. - Tổn thất điện năng.
- Chi phí bảo dưỡng định kỳ.
- Chi phí để khắc phục hậu quả, sửa chữa thiết bị hỏng do sự cố. - Chi phí tiền lương.
- Khấu hao thiết bị.
Để giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành, thì chú ý đến các vấn đề sau:
Ưu tiên tăng lượng công suất phát tại các nguồn gần phụ tải nhằm giảm tổn hao truyền tải dẫn đến giảm chi phí tiêu hao nhiên liệu trong toàn hệ thống.
Ưu tiên tăng lượng công suất phát ra tại các nguồn có tiêu hao nhiên liệu thấp. Lập kế hoạch vận hành chi tiết cho từng tuần lễ gồm: thành phần tổ máy tham gia vận hành trong ngày, trong giờ.
Lập kế hoạch vận hành ngày đêm bằng cách xác định công suất phát từng giờ của từng nhà máy tham gia vận hành, kế hoạch ngừng và khởi động lại các tổ máy.
Kế hoạch sản xuất bao gồm cả kế hoạch bảo dưỡng định kỳ các tổ máy trong năm. Vấn đề giảm tổn thất điện năng: việc này có ý nghĩa rất lớn trong vận hành lưới điện. Giảm tổn thất điện năng bao gồm các biện pháp cần thêm vốn đầu tư và các biện pháp không cần vốn đầu tư. Có những biện pháp thực hiện một lần khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện như khi chọn dây dẫn kết hợp điều kiện tổn thất vầng quang; có biện pháp được chuẩn bị trong quy hoạch thiết kế và được thực hiện trong vận hành như phân bố tối ưu công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp.
Bài toán sẽ phối hợp vận hành kinh tế các tổ máy phát điện để đạt lợi nhuận cực đại. Từ các số liệu ban đầu của từng tổ máy như: công suất cực đại, công suất cực tiểu, các hằng số chi phí nhiên liệu của tổ máy, khả năng tăng công suất, khả năng giảm công suất của tổ máy,... và giá điện sàn trên thị trường.
Trong quá trình tính toán để giải quyết bài toán, giả thuyết thị trường điện là thị trường cạnh tranh hoàn hảo, không có sự chi phối của EVN, không có sự làm giá của các nhà máy điện có công suất lớn (có khả năng chi phối đến an ninh hệ thống), tổng nguồn điện của hệ thống là dư thừa mà các nhà máy điện cạnh tranh phát điện một cách công bằng dựa vào giá điện trên thị trường điện.
Lợi nhuận phát điện chính bằng số dư của giá bán trừ cho chi phí phát điện, để lợi nhuận tối đa thì chi phí phát điện phải tối thiểu, quan hệ này được thể hiện qua biểu thức sau: 24 1 1 1 N N t t t t t i i i m t i i LN P C P P (2.8) Trong đó
λk giá điện do cục điều tiết đưa ra trong từng thời điểm trong ngày Ci công suất phát của nguồn thứ i
Pi chi phí vận hành của nguồn phát i
Pm Công suất mua từ công ty điện phân phối khi nguồn điện phân tán không đủ cung cấp cho phụ tải
N số nguốn phát 1 N t t i i P
tổng doanh thu của công ty điện trong một giờ
1 N i i i C P
chi phi sản xuất điện năng
t t m P
chi phí mua điện từ thì trường điện phân phối khi các nguồn điện phân tán không đủ đáp ứng nhu cầu phụ tải
Chi phí nhiên liệu của từng tổ máy được xác định theo công thức (2.3):
2 1 N t i i i i i i i i C C P a P b P c
Giá điện thị trường là ( )t giá điện này ta xét có sự thay đổi theo từng giờ (Δt =
1). Nên khi xét suất tăng công suất ta cũng phải xét theo từng thời điểm (giờ).
Hình 2.5. Lợi nhuận và chi phí
Trong hình 2-5 ta thấy trong các vùng mà giá điện thị trường nằm phía trên chi phí phát điện thì sẽ đạt lợi nhuận trong khoảng đó, nghĩa là tổng chi phí để tổ máy phát công suất lên lưới thấp hơn giá điện thị trường nên đạt lợi nhuận. Còn các vùng mà giá điện thị trường nằm phía dưới chi phí phát điện thì không thu được lợi nhuận khi ta cho tổ máy phát công suất lên lưới, nghĩa là giá điện thị trường tại thời điểm xét thấp hơn chi phí phát điện của các tổ máy.
Yếu tố chính của chi phí vận hành máy phát là nhiên liệu đầu vào/giờ, trong khi đó các yếu tố còn lại chỉ góp phần nhỏ. Chi phí nhiên liệu có ý nghĩa trong trường hợp nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện nguyên tử, còn ngược lại với các nguồn năng lượng tái tạo là miễn phí thì chi phí vận hành không còn ý nghĩa nữa. Lúc này các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo sẽ là các phụ tải âm (nghĩa là tùy theo điều kiện tự nhiên tại thời điểm đó, các nguồn năng lượng này luôn phát hết công suất có thế.
Công suất phát ra (MW)
Hình 2.6. Đường cong nhiên liệu đầu vào- công suất phát ra
Đường cong đầu vào đầu ra của 1 tổ máy có thể được thể hiện bằng đơn vị triệu kilocalo mỗi giờ, ngược lại đầu ra được sử dụng đơn vị MW. Đường cong chi phí này có thể được thực hiện bằng thực nghiệm. Đường cong điển hình được biểu diễn trong hình 1.2, trong đó (MW)min là công suất phát nhỏ nhất của tổ máy phát, và (MW)max là công suất phát lớn nhất của tổ máy phát, đường cong nhiên liệu đầu vào-công suất đầu ra không liên tục.
Các ràng buộc của từng tổ máy:
Ràng buộc về suất tăng công suất từng tổ máy trong quá trình khởi động tổ máy (UR). Phụ thuộc vào từng loại tổ máy khác nhau. Giả sử tại thời điểm t với giá điện là λ(t) thì tổ máy thứ i phát công suất là Pt, tại thời điểm (t +1) giả sử với giá điện λ(t +1) > λ(t) thì lúc bây giờ tổ máy này sẽ phát công suất là P(t+1) vì ràng buộc về suất tăng công suất nên P ti UR P t i( 1).
Ràng buộc về suất giảm công suất từng tổ máy trong quá trình xuống máy tổ máy (DR). Giả sử tại thời điểm t với giá điện là λ(t) thì tổ máy thứ i phát công suất là Pt, tại thời điểm (t +1) giả sử với giá điện λ(t +1) < λ(t) và với giá điện này thì không đủ để chi phí nhiên liệu cho tổ máy nghĩa là lúc này nếu ta phát công suất thì phải chịu lỗ như vậy ta phải giảm công suất phát hay dừng tổ máy này lại. Nếu như Pmax > DR thì muốn dừng tổ máy ta phải giảm công suất phát của tổ máy từng cấp DR (tức P(t+1) > Pt + DR) cho đến khi công suất phát = 0.
-Ràng buộc về công suất phát cực đại của tổ máy thứ i (Pmax): là công suất phát lớn nhất của tổ máy thứ i có khả năng phát khi thỏa mãn các điều kiện ràng buộc.
-Ràng buộc về công suất nhỏ nhất của tổ máy thứ i (Pmin): là công suất nhỏ nhất của tổ máy thứ i nếu tổ máy này muốn phát công suất lên lưới.
-Ràng buộc về thời gian lên máy và xuống máy của tổ máy thứ i: từ ràng buộc này cho phép ta tính toán thời gian phát công suất của tổ máy cũng như thời gian xuống máy của tổ máy thứ i.
Vấn đề đặt ra trong quá trình vận hành các tổ máy là: tại thời gian t, chi phí phát điện của các tổ máy lớn hơn so với giá điện thị trường nhưng trong các khoảng thời gian khác thì chi phí phát điện thấp hơn so giá điện thị trường, vậy tại thời điểm t là xuống máy hay chấp nhận chịu lỗ để sau đó phát bù lại khoảng thời gian phát công suất bị lỗ này. Để giải quyết vấn đề này ta phải xét tiếp đến chi phí khởi động và thời gian lên máy của tổ máy thứ i. Lúc đó không những tính lợi nhuận của tổ máy thứ i tại thời điểm t mà phải tính lợi nhuận của tổ máy trong khoảng thời gian Δt = tkđ Nghĩa là ta phải cộng lợi nhuận trong khoảng thời gian Δt. Nếu lợi nhuận này nhỏ hơn 0 thì ta không phát công suất tại thời điểm t mà xuống máy, còn nếu lợi nhuận này lớn hơn 0 thì ta chấp nhận chịu lỗ tại thời để t mà không cần phải xuống máy. Ta chấp nhận chi phí nhiên liệu tại thời điểm này nhằm đáp ứng cho khả năng phát công suất tại thời điểm tiếp theo.
Dựa vào các chi phí nhiên liệu của từng tổ máy và các ràng buộc của từng tổ máy, đề tài xây dựng giải thuật để giải bài toán trên nhằm mục đích xác định công suất phát tại mỗi thời điểm ứng với từng giá điện thị trường để ra lệnh điều khiển các tổ máy phát điện sao cho lợi nhuận mang về trong quá trình phối hợp là lớn nhất.