Khảo sát thủy điện bậc thang trong chiến lược điều độ tiết kiệm hệ thống thủy điện và nhiệt điện

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1<br /> <br /> 49<br /> <br /> KHẢO SÁT THỦY ĐIỆN BẬC THANG TRONG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU ĐỘ<br /> TIẾT KIỆM HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐIỆN<br /> ENNERGY - SAVING GENERATION SCHEDULIING OF HYDRO-THERMAL POWER<br /> SYSTEM CONSIDERING CASCADED HYDROPOWER PLANTS<br /> Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh<br /> Trường Đại học Điện lực; 1928178522@qq.com, sanhlx@epu.edu.vn<br /> Tóm tắt - Trên cơ sở khảo sát công suất phát tổ máy nhiệt điện<br /> với chi phí tiêu hao nhiên liệu và lượng khí phát thải ô nhiễm, đồng<br /> thời khảo sát công suất phát thủy điện với các tham số ngẫu hợp<br /> về thời gian và không gian, cùng với lợi ích liên hợp điều độ giữa<br /> tổ máy thủy điện - nhiệt điện, để xây dựng mô hình điều độ tiết<br /> kiệm đa mục tiêu bao gồm: cực tiểu lượng nước tràn hệ thống thủy<br /> điện bậc thang, chi phí tiêu hao nhiên liệu nhiệt điện và lượng khí<br /> phát thải ô nhiễm, v.v. Thông qua việc mô phỏng một hệ thống điện<br /> thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang và ba nhà<br /> máy nhiệt điện, các kết quả tối ưu hóa đã nghiệm chứng tính khả<br /> thi của thuật toán và hiệu quả tiết kiệm được minh chứng rõ ràng.<br /> <br /> Abstract - Considering the overall benefit among generating unit<br /> output, energy consumption cost and pollution emission of thermal<br /> power plants and that between output of cascaded hydropower<br /> stations and hydraulic coupling parameters as well as that between<br /> hydropower generating units and thermal power generating units,<br /> a comprehensive multi-objective energy-saving scheduling model,<br /> in which the minimized spillage water quantity of cascaded<br /> hydropower stations, the lowest energy consumption cost of<br /> thermal power plants and minimized pollution emission are taken<br /> as the objectives. Through the simulation of a hydropower-thermal<br /> power system containing four cascaded hydropower stations and<br /> three thermal power plants, the feasibility of the modified<br /> optimization algorithm is validated by optimization results. In<br /> addition, simulation results also show that using the proposed<br /> method helps achieve obvious energy-saving effects.<br /> <br /> Từ khóa - điều độ kinh tế; điều độ phát điện tiết kiệm; hệ thống<br /> thủy - nhiệt điện; quy hoạch phi tuyến; thủy điện bậc thang.<br /> <br /> Key words - economic dispatch; schedule energy - saving<br /> generation; hydrothermal power system; nonlinear programing;<br /> cascaded hydropower stations.<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Vấn đề tối ưu liên hợp điều độ phát giữa hệ thống thủy<br /> - nhiệt điện xuất hiện đi kèm với cục diện của sự đồng thời<br /> cung cấp điện cho xã hội của hệ thống thủy và nhiệt điện.<br /> Học giả Pháp Ricard là một trong những học giả đầu tiên<br /> trên thế giới quan tâm đến vận hành kinh tế của hệ thống<br /> thủy - nhiệt điện. Trên cơ sở nghiên cứu về vấn đề này, lần<br /> đầu tiên vào năm 1940, ông đề xuất mô hình toán học chặt<br /> chẽ của vấn đề tối ưu liên hợp điều độ trong vận hành kinh<br /> tế hệ thống thủy điện và nhiệt điện, trở thành một mô tả<br /> khoa học đầu tiên về kinh tế hệ thống thủy - nhiệt điện trên<br /> thế giới. Kể từ đó, vấn đề tối ưu liên hợp điều độ giữa hệ<br /> thống điện thủy - nhiệt điện đã bắt đầu thu hút sự chú ý của<br /> thế giới, các phương trình tối ưu liên hợp cho thủy - nhiệt<br /> dựa trên toán học cổ điển đã được nghiên cứu rộng rãi. Cho<br /> đến nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết<br /> toán học hiện đại và sự xuất hiện của nhiều mô hình tối ưu<br /> hóa mới mà vấn đề này trở thành chủ đề nghiên cứu nóng<br /> của các học giả trong và ngoài nước [1].<br /> Tối ưu điều độ hệ thống thủy - nhiệt khi xét đến thủy<br /> điện bậc thang là một vấn đề tối ưu đa mục tiêu phức tạp,<br /> nhiều hạng số, phi lồi, phi tuyến, nhiều thời đoạn và thời<br /> gian trễ. Đối với lĩnh vực tối ưu hồ chứa, bên cạnh lý<br /> thuyết hệ thống và kỹ thuật máy tính không ngừng phát<br /> triển, các mô hình mới và phương pháp giải mới cũng<br /> không ngừng xuất hiện, phương pháp thường dùng gồm<br /> hai loại lớn. Một là phương pháp tối ưu truyền thống, bao<br /> gồm phương pháp quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động,<br /> phương pháp phỏng đoán, phương pháp đẳng suất gia<br /> tăng, phương pháp nhân tử Lagrange, v.v… [2]. Phương<br /> pháp truyền thống đối với hàm số mục tiêu và nghiệm<br /> <br /> xuất phát có yêu cầu chặt chẽ, do đó trong xử lý bài toán<br /> tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện dễ gặp<br /> phải nghiệm cục bộ. Hai là phương pháp hiện đại, bao<br /> gồm: phương pháp quy hoạch ngẫu nhiên, phương pháp<br /> nội điểm, phương pháp di truyền, phương pháp mô phỏng<br /> luyện kim, phương pháp mạng thần kinh nhân tạo,<br /> phương pháp quy hoạch mờ v.v…<br /> Thủy điện bậc thang trong tối ưu điều độ tiết kiệm hệ<br /> thống thủy - nhiệt điện thuộc về vấn đề tối ưu tổ hợp nhiều<br /> giai đoạn, phi tuyến, ràng buộc chặt chẽ. Ràng buộc này rất<br /> phức tạp, tồn tại đẳng thức và bất đẳng thức điều kiện ràng<br /> buộc. Vì vậy, bài báo trình bày mô hình “tối ưu điều độ hệ<br /> thống thủy - nhiệt điện khi xét đến thủy điện bậc thang”,<br /> lấy mục tiêu tối ưu là cực tiểu chi phí phát điện, cực tiểu<br /> lượng khí ô nhiễm phát thải hệ thống nhiệt điện và cực tiểu<br /> tổng lượng nước tràn hệ thống thủy điện bậc thang. Đồng<br /> thời, thông qua việc mô phỏng một hệ thống điện thủy điện<br /> - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang và ba nhà<br /> máy nhiệt điện, các kết quả tối ưu hóa đã nghiệm chứng<br /> tính tin cậy và thực tiễn của mô hình.<br /> 2. Điều độ phát điện tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện<br /> 2.1. Đặc tính ngẫu hợp thủy lực của thủy điện bậc thang<br /> Công suất phát mỗi cấp nhà máy thủy điện không chỉ<br /> phụ thuộc vào yếu tố bản thân dung tích hồ chứa, đặc tính<br /> máy phát, lượng nước tự nhiên đến hồ chứa mà còn có<br /> quan hệ mật thiết với lượng nước tràn và lưu lượng nước<br /> phát điện của thủy điện cấp trên. Cũng có thể nói, giữa<br /> các thủy điện bậc thang tồn tại đặc tính thủy lực ngẫu hợp<br /> về không gian và thời gian. Hình 1 thể hiện liên hệ thủy<br /> lực thủy điện bậc thang.<br /> <br /> 50<br /> <br /> Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh<br /> <br /> Công suất phát tổ máy thủy điện i phụ thuộc vào dung<br /> tích hồ chứa và lưu lượng nước phát điện, được tính theo<br /> công thức:<br /> <br /> Pi,t = c1iVi,2t + c2iQi,2t + c3iVi,t Qi,t<br /> +c4iVi,t + c5i Qi,t + c6i<br /> <br /> (5)<br /> <br /> Trong đó, c1i ， c2i ， c3i ， c4i ， c5i ， c6i là các hệ<br /> số đặc trưng cho sự chuyển hóa nước - điện.<br /> Điều độ tối ưu giữa các thủy điện bậc thang thông<br /> thường lựa chọn tổng lượng phát điện cực đại, lượng tích<br /> nước hồ chứa cực đại, lượng nước tiêu hao cực tiểu, lượng<br /> nước tràn cực tiểu làm mục tiêu tối ưu. Trong tối ưu tiết<br /> kiệm và bảo vệ môi trường, lựa chọn lượng nước tràn cực<br /> tiểu làm mục tiêu tối ưu, được biểu thị như sau:<br /> <br /> Hình 1. Liên hệ thủy lực thủy điện bậc thang<br /> <br /> Trong đó, qi(t) là nước tự nhiên đến hồ chứa; Qi(t) là<br /> lưu lượng nước phát điện (m3/s); yi(t) là lượng nước tràn;