Tối ưu hóa chế độ hệ thống điện - Chương 1: Giới thiệu vận hành hệ thống điện

Chương 1 GIỚI THIỆU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN Th.S Phạm Năng Văn Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI EE 4108 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN 1NỘI DUNG
Cấu trúc hệ thống điện
Giới thiệu vận hành và điều khiển hệ thống điện
Giới thiệu một số bài toán vận hành hệ thống điện
Các trạng thái làm việc của hệ thống điện
Tiêu chuẩn vận hành hệ thống điện
Vận hành hệ thống điện trong môi trường cạnh tranh 21.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN
Cấu trúc nguồn điện
Cấu trúc lưới điện truyền tải
Cấu trúc lưới điện phân phối 31.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN 41.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN 51.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN 61.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN
Hệ thống điện: nguồn điện + mạng lưới điện + phụ tải
Hệ thống điện tập trung: khoảng cách liên kết ngắn
Hệ thống điện hợp nhất: liên kết bằng các đường dây tải điện dài.
Liên kết chặt (Liên kết mạnh)
Liên kết lỏng (Liên kết yếu)
Lợi ích của hệ thống điện hợp nhất? 71.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN
Cấu trúc thừa: dự phòng lớn
Cấu trúc vận hành
Cấu trúc vận hành tối ưu
Hệ thống điện được phân cấp để quản lý và vận hành 81.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Nhiệt điện:
Công suất phát tối thiểu cỡ 40% công suất định mức
Công suất khả phát (gần đúng bằng công suất định mức)
Tốc độ thay đổi công suất phát chậm
Độ linh hoạt thấp
Chủ động về mặt nhiên liệu
Hiệu suất thấp (cỡ 40%)
Chi phí sản xuất cao
Lượng điện tự dùng lớn
Gây ô nhiễm môi trường 91.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Nhiệt điện:
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu 10 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Nhiệt điện:
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu 11 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Nhiệt điện:
Phương án giá điện của các nhà máy nhiệt điện than VN 2013 STT Nhà máy điện Chủ sở hữu Loại hình Giá biến đổi (đồng/kWh) Giá cố định (đồng/kWh) Giá toàn phần hợp đồng CfD (đồng/kWh) 1 Cẩm Phả VINACOMIN NĐ than 430.73 480.90 911.63 2 Cao Ngạn Vinacomin NĐ than 388.05 455.40 843.45 3 Formosa FOREIGN INVESTORS NĐ than 1,518.36 4 Hải Phòng EVN GENCO 2 NĐ than 546.90 656.02 1,202.92 5 Mạo Khê VINACOMIN NĐ than 491.18 481.95 973.13 6 Na Dương VINACOMIN NĐ than 372.80 465.87 838.67 7 Ninh Bình EVN GENCO 3 NĐ than 973.47 404.60 1,378.07 8 Phả Lại 1 EVN GENCO 2 NĐ than 733.50 291.00 1,024.40 9 Phả Lại 2 EVN GENCO 2 NĐ than 514.30 429.00 943.30 10 Quảng Ninh EVN GENCO 1 NĐ than 511.70 534.47 1,046.17 11 Sơn Động VINACOMIN NĐ than 531.22 431.70 962.92 12 Uông Bí 1 EVN GENCO 1 NĐ than 876.00 408.70 1,284.70 13 Uông Bí MR EVN GENCO 1 NĐ than 521.90 739.00 1,260.90 12 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Thủy điện:
Công suất phát tối thiểu xấp xỉ 0
Công suất khả phát (gần đúng bằng công suất định mức)
Tốc độ thay đổi công suất phát nhanh
Độ linh hoạt cao
Phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết
Hiệu suất cao (cỡ 85%)
Giá thành điện năng thấp
Lượng điện tự dùng nhỏ 13 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Thủy điện:
Công suất phát của thủy điện
Đặc tính tiêu hao nước = η F P 9,81.Q.H. 14 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Thủy điện:
Phương án giá điện của các nhà máy thủy điện VN 2013 STT Nhà máy điện Chủ sở hữu Pđặt Loại hình Giá toàn phần hợp đồng CfD (đồng/kWh) 1 Cần Đơn TCty Sông Đà 77 Thủy điện 937.26 2 Chiêm Hóa ICT 48 Thủy điện 769.38 3 Đa Nhim EVN GENCO 1 635 Thủy điện 343.70 4 Hàm Thuận - Đa Mi EVN GENCO 1 635 Thủy điện 631.80 5 Đắc Mi 4a JSC 144 Thủy điện 890.00 6 Đắc Mi 4b JSC 42 Thủy điện 890.00 7 Đắc Mi 4c JSC 9 Thủy điện 890.00 8 Đại Ninh EVN GENCO 1 300 Thủy điện 571.70 9 Đồng Nai 3 EVN GENCO 1 340 Thủy điện 1,267.20 10 Đồng Nai 4 EVN GENCO 1 180 Thủy điện 1,267.20 15 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Điện gió:
Năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường
Giá thành đắt
Tốc độ gió thay đổi theo thời gian
Khó khăn trong vấn đề điều chỉnh tần số và điện áp 16 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Điện gió:
Công suất phát của điện gió
Đặc tính công suất theo tốc độ gió π = ρ 2 3 F 1 d P v 2 4 v – tốc độ gió (m/s) ρ – mật độ không khí (kg/m3) d – đường kính rotor (m) 17 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Điện gió:
Thay đổi công suất phát theo thời gian (Đức, 2004) 18 1.1.1 Đặc điểm nguồn điện
Nhiệm vụ quan trọng của nhà máy điện là điều chỉnh tần số.
Các máy phát điện có trang bị bộ điều tốc, bộ điều tần.
Ngoài ra, các máy phát điện còn có bộ tự động điều chỉnh điện áp. 19 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải 20 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Lưới điện thụ động (Passive grid)
Lưới điện linh hoạt (Flexible grid)
Lưới điện thông minh (Smart grid) 21 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Sự phát triển của lưới điện truyền tải 22 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Các công nghệ lưới điện truyền tải tương lai TSO (Transmission System Operators 23 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Các công nghệ lưới điện truyền tải tương lai TSO (Transmission System Operators 24 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Các giai đoạn phát triển công nghệ lưới điện truyền tải tương lai (EU) FCLs (Fault Current Limiters 25 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Áp dụng tích trữ năng lượng trong hệ thống điện 26 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Khả năng tải của đường dây 27 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Thiết bị FACTS 28 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Thiết bị FACTS 29 1.1.2 Cấu trúc lưới điện truyền tải
Lợi ích của thiết bị FACTS:
Điều khiển dòng công suất theo ý muốn
Nâng cao công suất truyền tải
Giảm dự trữ công suất toàn hệ thống
Phòng ngừa sự cố lan truyền
Giảm nghẽn mạch trong lưới điện
Nâng cao ổn định tĩnh, ổn định động, ổn định điện áp
Giảm dao động điện áp 30 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối 31 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Thiết kế kín, vận hành hở
Thiết bị phân đoạn: dao cách ly, máy cắt, Recloser.
Lựa chọn điểm mở tối ưu.
Lựa chọn vị trí & dung lượng tụ bù ngang.
Điều khiển tối ưu mức điện áp trong lưới phân phối có nguồn điện phân tán.
Lựa chọn vị trí và công suất tối ưu của nguồn phân tán. Reference: S. S. Venkata, etc. What future distribution engineers need to learn. IEEE Transaction on Power Systems, vol. 19, no. 1, Feb. 2004. 32 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Lưới điện thông minh 33 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Hình cây mô tả lưới điện thông minh 34 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
So sánh lưới điện truyền thống với lưới điện thông minh 35 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Sự phát triển của lưới điện phân phối thông minh 36 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Tối ưu hóa điều khiển điện áp/công suất phản kháng LPP 37 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối
Microgrid (Lưới rất nhỏ): lưới điện kết nối các nguồn điện phân tán, bao gồm tải. 38 1.2 GIỚI THIỆU VẬN HÀNH HTĐ 39 1.2 GIỚI THIỆU VẬN HÀNH HTĐ
Các đặc điểm yêu cầu của hệ thống điện
Hệ thống quản lý năng lượng (EMS – Energy Management System)
Hệ thống quản lý phân phối điện (DMS – Distribution Management System)
Thứ tự thời gian của các bài toán vận hành và điều khiển hệ thống điện 40 1.2.1 Các đặc điểm yêu cầu của HTĐ
Cung cấp đủ công suất cho phụ tải tại mọi vị trí và tất cả các thời điểm
Cung cấp điện năng cho phụ tải với chất lượng tốt
Có tính kinh tế
Phải thỏa mãn các yêu cầu về an toàn (security) 41 1.2.2 Hệ thống quản lý năng lượng 42 1.2.3 Hệ thống quản lý phân phối điện 43 1.2.4 Thứ tự thời gian các bài toán vận hành HTĐ 44 1.3 CÁC BÀI TOÁN VẬN HÀNH HTĐ
Điều chỉnh chất lượng điện năng
Phân bố tối ưu công suất (ED, OPF, SCOPF)
Lựa chọn tổ máy vận hành (UC)
Dự báo phụ tải
Sa thải phụ tải (LS)
Chế độ tách đảo “islanding”
Đánh giá trạng thái (SE) 45 1.3.1 Điều chỉnh chất lượng điện năng
Điều chỉnh điện áp và tần số là cần thiết để hệ thống điện làm việc hiệu quả.
Điều chỉnh tần số có tính hệ thống, được thực hiện tại các nhà máy điện.
Điều chỉnh điện áp có tính cục bộ, được thực hiện tại nhiều vị trí trong hệ thống điện. 46 1.3.1 Điều chỉnh chất lượng điện năng
Khoảng thời gian của điều chỉnh chất lượng điện năng 47 1.3.1 Điều chỉnh chất lượng điện năng
Hai vòng điều khiển f và U của máy phát điện 48 1.3.2 Phân bố tối ưu công suất (OPF)
Được quan tâm sau khi chất lượng điện năng đạt yêu cầu
Giới thiệu lần đầu vào năm 1962.
Mục tiêu:
Tổng chi phí sản xuất của toàn hệ thống nhỏ nhất khi thỏa mãn các ràng buộc.
Tổng các tác động điều khiển nhỏ nhất
Tổng lợi ích toàn xã hội lớn nhất
Bài toán phức tạp nhưng có nhiều ứng dụng.
Phải sử dụng phương pháp tối ưu để giải bài toán. 49 1.3.3 Lựa chọn tổ máy vận hành (UC)
Xác định số tổ máy vận hành và công suất phát của các tổ máy để tổng chi phí sản xuất của toàn hệ thống nhỏ nhất (hoặc tổng lợi ích toàn xã hội lớn nhất) trong một khoảng thời gian (thường là 1 ngày, 1 tuần).
Bài toán có nhiều ràng buộc, có các biến nguyen, rất phức tạp.
OPF và UC có liên quan đến nhau? 50 1.3.3 Lựa chọn tổ máy vận hành (UC) 51 1.3.4 Dự báo phụ tải (load forecasting)
Căn cứ dữ liệu trong quá khứ
Dự báo công suất cực đại và đồ thị phụ tải
Dự báo phụ tải dài hạn (long-term forecasting)
Dự báo phụ tải ngắn hạn (short-term forecasting) 52 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Căn cứ theo mức độ an toàn (security degree) 1. Chế độ xác lập 2. Chế độ xác lập sau sự cố 3. Chế độ quá độ 4. Chế độ sự cố xác lập 53 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Trạng thái làm việc bình thường (normal state):
Cân bằng công suất giữa nguồn và tải
Các giới hạn (máy phát, đường dây, ) được thỏa mãn.
Trạng thái phòng ngừa (alert state):
Không có giới hạn bị vi phạm
Tiêu chuẩn an toàn không được thỏa mãn
Trạng thái khẩn cấp (emergency state):
Giới hạn bị vi phạm
Trạng thái khôi phục (restoration state): khôi phục các phụ tải đã bị sa thải. 54 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Căn cứ theo mức độ an toàn (security degree) 55 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Căn cứ theo mức độ an toàn (security degree) 56 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Thuật toán giám sát, đánh giá và điều khiển an toàn hệ thống điện 57 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Ví dụ: Hệ thống điện có các thông số như sau: 58 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Ví dụ: Trạng thái bình thường
Các giới hạn được thỏa mãn
Tổng chi phí sản xuất toàn hệ thống là 2800$/h 59 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Ví dụ: Trạng thái khẩn cấp
Đường dây 1-3 bị quá tải
Điện áp nút bị vi phạm 60 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Ví dụ: Trạng thái khẩn cấp
Đường dây 1-3 bị quá tải
Điện áp nút bị vi phạm
Biện pháp khắc phục? (corrective control) 61 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Ví dụ: Trạng thái làm việc an toàn (preventive control)
Chi phí sản xuất của hệ thống tăng lên (3300 $/h)
Mục tiêu chi phí sản xuất và an toàn thường không xảy ra đồng thời. 62 1.4 CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC HTĐ
Bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất có xét đến ràng buộc an toàn (Security – Constrained Optimal Power Flow, SCOPF).
Hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điện (SCADA) rất quan trọng.
Công cụ đánh giá trạng thái (State Estimators).
Nhân viên vận hành cần phải đưa ra các quyết định phòng ngừa (preventive control), quyết định hiệu chỉnh (corrective control), sa thải phụ tải, khôi phục hệ thống 63 1.5 CÁC TIÊU CHUẨN VẬN HÀNH HTĐ
Tham khảo:
Tiêu chuẩn điện áp:
Độ lệch điện áp so với điện áp định mức
Độ dao động điện áp
Độ không đối xứng
Độ không sin
Tiêu chuẩn tần số:
Độ lệch tần số so với tần số định mức
Độ dao động tần số
Tiêu chuẩn được quy định cho các trạng thái bình thường (normal state) và sau sự cố (post contingency). 64 1.5 CÁC TIÊU CHUẨN VẬN HÀNH HTĐ
Quy định tần số HTĐ Việt Nam SƠ ĐỒ PHÂN CẤP ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN Vùng tần số dao động cho phép Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 1 Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 1 Tác động của Kỹ sư điều hành HTĐ QG Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 2 Tự khởi động theo tần số Tự động sa thải phụ tải theo tần số Tác động của Kỹ sư điều hành HTĐ QG Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 2 5049.849.54948.5 50.5 5150.2 5049.849.549 50.5 5150.248.5 Tự động cắt tổ máy 65 1.6 GIỚI THIỆU THỊ TRƯỜNG ĐIỆN
Sự cần thiết hình thành thị trường điện
Các mô hình thị trường điện
Một số bài toán trong hoạt động thị trường 66 1.6.1 Sự cần thiết hình thành thị trường điện
Cải thiện hiệu quả trong hoạt động kinh doanh, đầu tư
Nâng cao chất lượng dịch vụ
Giảm giá thành sản xuất và truyền tải
Giải quyết bài toán để huy động vốn để đầu tư xây dựng hệ thống điện, 67 1.6.2 Các mô hình thị trường điện
Mô hình phát điện cạnh tranh
IPP (Independent Power Producer) 68 1.6.2 Các mô hình thị trường điện
Mô hình bán buôn cạnh tranh
IPP (Independent Power Producer)
LC (Large customers) 69 1.6.2 Các mô hình thị trường điện
Mô hình bán lẻ cạnh tranh 70 1.6.3 Một số vấn đề vận hành trong TTĐ
Chiến lược chào giá của các nhà máy điện (Price – based UC)
Thanh toán trong hoạt động thị trường (Financial Market, Marginal Locational Price, ).
Dịch vụ điều chỉnh tần số và điện áp
Đánh giá khả năng truyền tải công suất (ATC – Available Transfer Capability)
Quản lý nghẽn mạch lưới điện truyền tải
Phân chia chi phí tổn thất điện năng
Xác định chi phí sử dụng lưới điện truyền tải
Dự trữ công suất tối ưu & phân bố tối ưu dự trữ công suất
Phí bảo đảm dịch vụ truyền tải (FTR – Financial Transmission Rights). 71 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Đường cung
Đường cầu 72 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Thặng dư đơn vị bán
Thặng dư đơn vị bán = Tổng doanh thu [P(Q*) x Q*] – Tổng chi phí để cung cấp lượng Q* 73 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Thặng dư đơn vị mua
Thặng dư đơn vị mua = Tổng lợi ích – Tổng thanh toán [P(Q*) x Q*] 74 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Tổng thặng dư
Tổng thặng dư = Thặng dư đơn vị bán + Thặng dư đơn vị mua 75 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Tổng thặng dư đạt giá trị lớn nhất.
Tổng lợi ích của đơn vị bán và đơn vị mua đạt giá trị lớn nhất (Tổng lợi ích toàn xã hội)
Hàm mục tiêu trong thị trường điện (tùy theo cấp độ phát triển của thị trường): 1. Tối đa hóa tổng thặng dư của toàn xã hội 2. Tối đa hóa (tổng lợi ích đơn vị mua – tổng chi phí đơn vị bán) 3. Tối thiểu hóa (tổng chi phí đơn vị bán – tổng lợi ích đơn vị mua) 76 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Cân bằng cung cầu thị trường
Giá biên hệ thống (SMP – System Marginal Price)
Giá biên nút (LMP – Locational Marginal Price)
Thanh toán trong hoạt động thị trường điện có thể dựa trên LMP hoặc dựa trên giá chào (marginal and pay-as-bid pricing). 77 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Tổng chi phí của đơn vị bán 78 1.6.4 Lý thuyết kinh tế cơ bản
Tổng lợi ích của đơn vị mua 79 1.7 Các lĩnh vực phân tích hệ thống điện 80 1.8 Lý thuyết toán tối ưu
Quy hoạch tuyến tính (LP)
Thuật toán đơn hình (Simplex method)
Thuật toán điểm trong (Interior Point Method – IPM)
Quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp (MILP)
Phương pháp nhánh – cận (the Branch – bound method)
Phương pháp lát cắt Gomory (Gomory cuts method)
Quy hoạch phi tuyến (NLP)
Điều kiện tối ưu Karush – Kuhn – Tucker
Thuật toán điểm trong (IPM)
Quy hoạch động (Nguyên lý Bellman)
Quy hoạch ngẫu nhiên (Stochastic Programming)
Adaptive Robust Optimization