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 49 KHẢO SÁT THỦY ĐIỆN BẬC THANG TRONG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU ĐỘ TIẾT KIỆM HỆ THỐNG THỦY ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐIỆN ENNERGY - SAVING GENERATION SCHEDULIING OF HYDRO-THERMAL POWER SYSTEM CONSIDERING CASCADED HYDROPOWER PLANTS Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh Trường Đại học Điện lực; 1928178522@qq.com, sanhlx@epu.edu.vn Tóm tắt - Trên cơ sở khảo sát công suất phát tổ máy nhiệt điện với chi phí tiêu hao nhiên liệu và lượng khí phát thải ô nhiễm, đồng thời khảo sát công suất phát thủy điện với các tham số ngẫu hợp về thời gian và không gian, cùng với lợi ích liên hợp điều độ giữa tổ máy thủy điện - nhiệt điện, để xây dựng mô hình điều độ tiết kiệm đa mục tiêu bao gồm: cực tiểu lượng nước tràn hệ thống thủy điện bậc thang, chi phí tiêu hao nhiên liệu nhiệt điện và lượng khí phát thải ô nhiễm, v.v. Thông qua việc mô phỏng một hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang và ba nhà máy nhiệt điện, các kết quả tối ưu hóa đã nghiệm chứng tính khả thi của thuật toán và hiệu quả tiết kiệm được minh chứng rõ ràng. Abstract - Considering the overall benefit among generating unit output, energy consumption cost and pollution emission of thermal power plants and that between output of cascaded hydropower stations and hydraulic coupling parameters as well as that between hydropower generating units and thermal power generating units, a comprehensive multi-objective energy-saving scheduling model, in which the minimized spillage water quantity of cascaded hydropower stations, the lowest energy consumption cost of thermal power plants and minimized pollution emission are taken as the objectives. Through the simulation of a hydropower-thermal power system containing four cascaded hydropower stations and three thermal power plants, the feasibility of the modified optimization algorithm is validated by optimization results. In addition, simulation results also show that using the proposed method helps achieve obvious energy-saving effects. Từ khóa - điều độ kinh tế; điều độ phát điện tiết kiệm; hệ thống thủy - nhiệt điện; quy hoạch phi tuyến; thủy điện bậc thang. Key words - economic dispatch; schedule energy - saving generation; hydrothermal power system; nonlinear programing; cascaded hydropower stations. 1. Giới thiệu Vấn đề tối ưu liên hợp điều độ phát giữa hệ thống thủy - nhiệt điện xuất hiện đi kèm với cục diện của sự đồng thời cung cấp điện cho xã hội của hệ thống thủy và nhiệt điện. Học giả Pháp Ricard là một trong những học giả đầu tiên trên thế giới quan tâm đến vận hành kinh tế của hệ thống thủy - nhiệt điện. Trên cơ sở nghiên cứu về vấn đề này, lần đầu tiên vào năm 1940, ông đề xuất mô hình toán học chặt chẽ của vấn đề tối ưu liên hợp điều độ trong vận hành kinh tế hệ thống thủy điện và nhiệt điện, trở thành một mô tả khoa học đầu tiên về kinh tế hệ thống thủy - nhiệt điện trên thế giới. Kể từ đó, vấn đề tối ưu liên hợp điều độ giữa hệ thống điện thủy - nhiệt điện đã bắt đầu thu hút sự chú ý của thế giới, các phương trình tối ưu liên hợp cho thủy - nhiệt dựa trên toán học cổ điển đã được nghiên cứu rộng rãi. Cho đến nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết toán học hiện đại và sự xuất hiện của nhiều mô hình tối ưu hóa mới mà vấn đề này trở thành chủ đề nghiên cứu nóng của các học giả trong và ngoài nước [1]. Tối ưu điều độ hệ thống thủy - nhiệt khi xét đến thủy điện bậc thang là một vấn đề tối ưu đa mục tiêu phức tạp, nhiều hạng số, phi lồi, phi tuyến, nhiều thời đoạn và thời gian trễ. Đối với lĩnh vực tối ưu hồ chứa, bên cạnh lý thuyết hệ thống và kỹ thuật máy tính không ngừng phát triển, các mô hình mới và phương pháp giải mới cũng không ngừng xuất hiện, phương pháp thường dùng gồm hai loại lớn. Một là phương pháp tối ưu truyền thống, bao gồm phương pháp quy hoạch tuyến tính, quy hoạch động, phương pháp phỏng đoán, phương pháp đẳng suất gia tăng, phương pháp nhân tử Lagrange, v.v [2]. Phương pháp truyền thống đối với hàm số mục tiêu và nghiệm xuất phát có yêu cầu chặt chẽ, do đó trong xử lý bài toán tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện dễ gặp phải nghiệm cục bộ. Hai là phương pháp hiện đại, bao gồm: phương pháp quy hoạch ngẫu nhiên, phương pháp nội điểm, phương pháp di truyền, phương pháp mô phỏng luyện kim, phương pháp mạng thần kinh nhân tạo, phương pháp quy hoạch mờ v.v Thủy điện bậc thang trong tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện thuộc về vấn đề tối ưu tổ hợp nhiều giai đoạn, phi tuyến, ràng buộc chặt chẽ. Ràng buộc này rất phức tạp, tồn tại đẳng thức và bất đẳng thức điều kiện ràng buộc. Vì vậy, bài báo trình bày mô hình “tối ưu điều độ hệ thống thủy - nhiệt điện khi xét đến thủy điện bậc thang”, lấy mục tiêu tối ưu là cực tiểu chi phí phát điện, cực tiểu lượng khí ô nhiễm phát thải hệ thống nhiệt điện và cực tiểu tổng lượng nước tràn hệ thống thủy điện bậc thang. Đồng thời, thông qua việc mô phỏng một hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang và ba nhà máy nhiệt điện, các kết quả tối ưu hóa đã nghiệm chứng tính tin cậy và thực tiễn của mô hình. 2. Điều độ phát điện tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện 2.1. Đặc tính ngẫu hợp thủy lực của thủy điện bậc thang Công suất phát mỗi cấp nhà máy thủy điện không chỉ phụ thuộc vào yếu tố bản thân dung tích hồ chứa, đặc tính máy phát, lượng nước tự nhiên đến hồ chứa mà còn có quan hệ mật thiết với lượng nước tràn và lưu lượng nước phát điện của thủy điện cấp trên. Cũng có thể nói, giữa các thủy điện bậc thang tồn tại đặc tính thủy lực ngẫu hợp về không gian và thời gian. Hình 1 thể hiện liên hệ thủy lực thủy điện bậc thang. 50 Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh Hình 1. Liên hệ thủy lực thủy điện bậc thang Trong đó, qi(t) là nước tự nhiên đến hồ chứa; Qi(t) là lưu lượng nước phát điện (m3/s); yi(t) là lượng nước tràn; 𝜏 là thời gian dòng chảy từ thủy điện cấp trên xuống cấp dưới, tức là thời gian trễ dòng chảy. 2.2. Tối ưu điều độ tiết kiệm thủy điện bậc thang Giữa lưu vực các thủy điện bậc thang không chỉ tồn tại quan hệ về thủy lực mà còn có quan hệ về điện lực, đồng thời các thủy điện bậc thang còn phải đảm nhận và phối hợp với các phương diện khác về sử dụng nước như: thủy lợi, tưới tiêu, phòng chống lũ lụt, sản xuất nước sinh hoạt, v.v... Trong tối ưu điều độ, các quan hệ này được thể hiện bằng các điều kiện ràng buộc như: cân bằng lượng nước, yêu cầu công suất phát, giới hạn mức tích nước, hạn chế lưu lượng nước phát điện, ràng buộc dốc (ràng buộc tốc độ tăng, giảm công suất phát tổ máy nhiệt điện trong nội chu kỳ điều độ), lượng khí thải ô nhiễm, v.v... [3]. a. Ràng buộc cân bằng lượng nước uk ki ki i, i, 1 i, i, i, k, k, 1 (q ) ( ) t t t t t R t t k V V Q y Q y  − − − = = + − − + + (1) Trong đó, qi,t, yi,t lần lượt là lượng nước tự nhiên đến và nước tràn của thủy điện i tại thời đoạn điều độ t; ki là thời gian trễ dòng chảy giữa thủy điện k và i; Ruk là tập hợp các thủy điện thượng lưu có liên hệ nước trực tiếp với thủy điện i. b. Ràng buộc lượng tích nước hồ chứa và lưu lượng nước phát điện i, ii tV V V  (2) i,t ii Q Q Q  (3) Trong đó, iV , iV là dung tích cực tiểu và cực đại hồ chứa thủy điện i; i Q , iQ là lưu lượng nước phát điện cực tiểu và cực đại tổ máy thủy điện i. c. Ràng buộc công suất phát i i,t iP P P  (4) Trong đó, iP , iP là công suất phát cực tiểu và cực đại của tổ máy i. Công suất phát tổ máy thủy điện i phụ thuộc vào dung tích hồ chứa và lưu lượng nước phát điện, được tính theo công thức: 2 2 i, 1i i, 2i i, 3 i, i, 4 i, 5 i, 6 t t t i t t i t i t i P c V c Q c V Q c V c Q c = + + + + + (5) Trong đó, 1ic ， 2ic ， 3ic ， 4ic ， 5ic ， 6ic là các hệ số đặc trưng cho sự chuyển hóa nước - điện. Điều độ tối ưu giữa các thủy điện bậc thang thông thường lựa chọn tổng lượng phát điện cực đại, lượng tích nước hồ chứa cực đại, lượng nước tiêu hao cực tiểu, lượng nước tràn cực tiểu làm mục tiêu tối ưu. Trong tối ưu tiết kiệm và bảo vệ môi trường, lựa chọn lượng nước tràn cực tiểu làm mục tiêu tối ưu, được biểu thị như sau: 4 i, 1 i, i-1, - i-1, - t 1 i 1 i, i, min ( q + + ) T t t t t t f V Q y Q V  − = = = + − −  (6) 2.3. Khảo sát thủy điện bậc thang tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện Thông thường, chi phí sản xuất và vận hành của nhiệt điện bao gồm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành, khấu hao thiết bị, chi phí trả lương, v.v... Trong đó, chi phí nhiên liệu là ảnh hưởng nhất đến việc sản xuất điện năng. Do đó, hàm số mục tiêu thông thường được chọn là cực tiểu chi phí nhiên liệu của hệ thống điện khảo sát. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy nhiệt điện được tính bởi công thức sau: 3 2 1 j, , , t 1 j 1 ( ) ( ) T t j j j t j j tf P a b P c P = = = + + (7) Trong đó, T là chu kỳ điều độ; Pj,t là công suất phát tổ máy nhiệt điện; aj, bj, cj là các hệ số đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy phát nhiệt điện. Trong quá trình vận hành, các nhà máy nhiệt điện sinh ra chất thải ô nhiễm, chủ yếu bao gồm: khí SO2, các loại khí NOx và bụi bẩn. Trong khuôn khổ bài báo chỉ khảo sát lượng khí ô nhiễm phát thải SO2 và NOx. Lượng khí phát thải nhiệt điện được biểu thị như sau: 3 2 2 j, j, j, t 1 1 ( ) ( ) T t j j t j t j f P P P   = = = + + (8) Trong đó, j , j , j là các hệ số đặc trưng cho hàm phát thải khí ô nhiễm của nhiệt điện. Các tổ máy nhiệt điện phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc riêng như: giới hạn công suất phát, ràng buộc dốc. Ngoài ra còn phải thỏa mãn các ràng buộc hệ thống khi liên hợp điều độ với các thủy điện (cân bằng công suất, dự phòng công suất phát hệ thống) [4]. a. Ràng buộc công suất phát j,j t j P P P  (9) b. Ràng buộc dốc ,j, j 1 up tt jP P P−−  (10) j, 1 j, down t t jP P P− −  (11) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 51 Trong đó, up jP , down jP là hạn chế tốc độ tăng và giảm công suất phát tổ máy nhiệt điện trong một thời đoạn điều độ. c. Ràng buộc cân bằng công suất hệ thống Trong mọi thời đoạn điều độ, tổng công suất phát của các thủy điện phải cân bằng công suất yêu cầu của phụ tải, tức là: 4 3 , , 1 1 + 0Di t j t t i j P P P = = − =  (12) Trong đó, D tP là công suất phụ tải yêu cầu. d. Ràng buộc dự phòng hệ thống 4 3 _ 1 1 D j j t t j i P P P R = = +  +  (13) Trong đó, Rt là dự phòng công suất phát hệ thống. Quy nạp lại, khảo sát thủy điện bậc thang trong mô hình tối ưu điều độ tiết kiệm hệ thống thủy - nhiệt điện, hàm mục tiêu là: 3 2 1 , , t 1 j 1 3 2 2 j, j, t 1 1 4 3 i, 1 i, i -1, - i -1, - t 1 i 1 i, i, min (x) ( ) min (x) ( ) min (x) ( q + + ) T j j j t j j t T j j t j t j T t t t t t f a b P c P f P P f V Q y Q V      = = = = − = =  = + +   = + +    = +   − −    (14) 3. Tính toán và phân tích kết quả Lựa chọn hệ thống gồm 4 trạm thủy điện bậc thang và 3 nhà máy nhiệt điện, chi tiết các thông số tính toán tham khảo tài liệu [5]. Cụ thể, tham số tính toán 4 trạm thủy điện được cho trong Bảng 1 - 4; thông số đặc tính tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí ô nhiễm cho trong Bảng 5 - 6. Bảng 1. Nước tự nhiên đến hồ chứa (104m3) t(h) Ký hiệu thủy điện t(h) Ký hiệu thủy điện 1 2 3 4 1 2 3 4 1 15 12 12 13 13 11 8,5 9 0 2 19 18 18 12 14 12 11 4,4 0 3 8,5 9,4 4 6,6 15 7 6 4 1,1 4 7 9 11 1,2 16 10 8,8 2 0 5 8,6 8 3 0 17 9,7 7 5,1 1,6 6 7,7 7 12 1,7 18 18,9 16 12 0 7 8,2 17 7 0 19 7,6 7 6 0 8 19 18 14 0 20 8,2 6,4 4 0 9 11 8 8,4 2,1 21 7,9 9 2,1 0 10 14 7 6 1,1 22 6 4 2 0 11 13 9 8,1 0 23 19 8,6 5,4 4,3 12 11 8 6,9 3,1 24 10,8 8 2 0 Bảng 2. Giới hạn thông số thủy điện bậc thang No Vmin (104m3) Vmax (104m3) V(0) (104m3) V(T) (104m3) Qmax (104m3) Qmin (104m3) Pmin (MW) Pmax (MW) 1 80 150 120 120 5 15 0 500 2 60 160 90 70 6 20 0 500 3 100 240 170 170 10 30 0 500 4 70 300 120 180 6 30 0 500 Bảng 3. Hệ số đặc tính chuyển hóa điện - nước No C1 C2 C3 C4 C5 C6 1 -0,004 -0,42 0,03 0,9 10 -50 2 -0,004 -0,3 0,015 1,14 9,5 -70 3 -0,003 -0,3 0,025 1,05 10,5 -80 4 -0,003 -0,31 0,027 1,44 14 -90 Bảng 4. Thời gian trễ dòng chảy các thủy điện N o 1 2 3 4 t(h) 2 3 4 0 Bảng 5. Thông số giới hạn công suất và các hệ số hàm chi phí nhiệt điện No a ($/h) b ($/MWh) c ($/MW2h) Pmin (MW) Pmax (MW) 1 100 2,45 0,0012 20 175 2 120 2,32 0,001 40 300 3 150 2,1 0,0015 50 500 Bảng 6. Thông số phụ tải yêu cầu hệ thống t(h) 1 2 3 4 5 6 7 8 Phụ tải (MW) 750 780 700 650 670 800 950 110 t(h) 9 10 11 12 13 14 15 16 Phụ tải (MW) 1.090 1.080 1.100 1.150 1.110 1.030 1.010 1.060 t(h) 17 18 19 20 21 22 23 24 Phụ tải (MW) 1.050 1.120 1.070 1.050 910 860 850 800 Bài báo sử dụng phần mềm tối ưu GAMS\BARON (General Algebaic Modeling System\ Branch and Reduce Optimization Navigator) để giải quyết bài toán liên hợp điều độ thủy - nhiệt điện với mô hình toán học và số liệu ở trên để tính toán. GAMS là một hệ thống mô hình toán học cao cấp [6], lần đầu tiên được Ngân hàng Thế giới do Brooke, Kendrickm và Meeraus nghiên cứu và phát triển năm 1992, có thể dùng để giải quyết các bài toán thuộc về vấn đề: quy hoạch tuyến tính (LP), quy hoạch phi tuyến (NLP), quy hoạch hỗn hợp số nguyên (MIP), quy hoạch hỗn hợp số nguyên phi tuyến (MINLP), v.v... Giao diện nền tảng GAMS thân thiện, linh hoạt, chỉ cần người dùng có kỹ năng xây dựng mô hình toán học tốt, chuẩn xác theo quy phạm, có thể nhanh chóng và dễ dàng tạo và sửa đổi các mô hình trong nền tảng giao diện, và cũng có thể chọn bất kỳ công cụ giải nào để có thể thực hiện nhiệm vụ giải quyết bài toán một cách dễ dàng. GAMS cho phép người dùng tập trung nhiều hơn vào quá trình mô hình hóa toán học, điều này có tác dụng lớn đến việc nâng cao hiệu quả tính toán của người dùng. Nhìn chung, so với các công cụ mô hình hóa khác, chẳng hạn như LINGO, UNDO và AMPL, quá trình tính toán GAMS đòi hỏi ít thời gian hơn và có kết quả tính toán tốt, được đánh giá cao, kết quả tính toán như sau: Bảng 7. Kết quả tính toán hàm số mục tiêu Chi phí nhiên liệu Nhiệt điện (USD) Lượng khí thải (kg) Nước tràn (104m3) 18.976,033 2.651,934 0,715 52 Trần Hoàng Hiệp, Lê Xuân Sanh Hình 2. Công suất phát nhiệt điện (Pj/MW) Hình 3. Công suất phát thủy điện (Pi/MW) Hình 4. Công suất phát thủy điện, nhiệt điện và phụ tải hệ thống (P/MW) Từ biểu đồ công suất phát của nhiệt điện (Hình 2), ta thấy: Nhiệt điện 1 phát công suất là lớn nhất, điều này là do nó có hàm chi phí tiêu hao nhiên liệu thấp nhất và điều này phù hợp với mục tiêu tối ưu. Đối với các trạm thủy điện bậc thang (Hình 4), thủy điện bậc thang cấp 2 và cấp 3 phát công suất tương đối ổn định là do khả năng điều tiết nước phát điện tốt từ ảnh hưởng liên hợp điều độ với các thủy điện thượng lưu, hoàn toàn phù hợp với thực tế điều độ hệ thống điện. Cuối cùng, Hình 4 cho thấy thủy điện đóng góp công suất phát lớn hơn thủy điện để tận dụng tối đa việc sử dụng tài nguyên năng lượng tái tạo, giảm lượng than đốt phát điện, từ đó nâng cao tính hiệu quả kinh tế phát điện, ngoài ra nó còn thể hiện tính phủ đỉnh trong điều độ một cách rõ ràng. 4. Kết luận Khảo sát thủy điện bậc thang trong điều độ tối ưu hệ thống thủy - nhiệt điện là một vấn đề tối ưu phức tạp, nhiều điều kiện ràng buộc, nhiều hạng số, phi lồi, phi tuyến, nhiều thời đoạn. Bài báo đã xây dựng mô hình tối ưu điều độ kinh tế và tiết kiệm với đa mục tiêu tối ưu: cực tiểu lượng nước tràn thủy điện, cực tiểu chi phí tiêu hao nhiên liệu và lượng khí phát thải ô nhiễm.Thông qua việc mô phỏng một hệ thống điện thủy điện - nhiệt điện bao gồm bốn thủy điện bậc thang và ba nhà máy nhiệt điện, các kết quả tối ưu hóa đã nghiệm chứng tính khả thi của thuật toán và mục tiêu tối ưu được minh chứng rõ ràng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thang Trung Nguyen, Dieu Ngoc Vo, “Solving Short-Term Cascaded Hydrothermal Scheduling Problem Using Modified Cuckoo Search Algorithm”, International Journal of Grid and Distributed Computing, Vol. 9, No. 1, 2016, pp. 67-78. [2] Wu Jiekang, Tang Litao, Huang Huan, et al., “Multi-objective Economic Scheduling for Hydrothermal Power Systems Based on Genetic Algorithm and Data Envelopment Analysis”, Power System Technology, 35(5), 2011 (in Chinese), pp. 76-81. [3] Christoforos E, Anastasios B G, John V P B., “A Genetic Algorithm Solution Approach to The Hydrothermal Coordination Problem”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, Iss. 3, 2004, pp. 1356-1364. [4] Johannesen A, Gjelsvik A, Fosso O B, “Optimal Short Term Hydro Scheduling Including Security Constraints”, IEEE Trans on Power Systems, Vol. 6, Iss. 2, 1991, pp. 576-583. [5] Basu M., “An Interactive Fuzzy Satisfying Method Based on Evolutionary Programming Technique for Multi-objective Short- term Hydrothermal Scheduling”, Electric Power Systems Research, Vol. 69, 2004, pp. 277-285. [6] Richard E. Rosenthal., GAMS – A User’s Guide, GAMS Development Corporation, Washington, DC, USA, 9.2014. (BBT nhận bài: 11/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 16/5/2018)