Vận hành tối ưu nhà máy thủy điện Sê San

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô của bộ môn Hệ Thống Điện thuộc khoa Kỹ Thuật Điện–Điện Tử đã dạy dỗ tôi trong thời gian học cao học tại trường Bách khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt tôi bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc đến thầy Hồ Đắc Lộc, người đã tận tình hướng dẫn trực tiếp để tôi hoàn thành luận văn này. Để hoàn thành luận văn, không thể không có các số liệu về đặc tính các hệ thống thiết bị, công trình làm cơ sở cho tính toán, tôi xin chân thành cám ơn Giám đốc nhà máy thuỷ điện Ialy đã cho phép tôi thu thập và công bố các số liệu của các nhà máy thuộc hệ thống sông Sê San. Tôi xin gửi lời cám ơn các bạn bè học lớp cao học K15, các đồng nghiệp làm việc tại nhà máy thuỷ điện Ialy đặc biệt là các trưởng ca vận hành nhà máy Ialy, Sê San 3, Pleikrông đã góp ý kiến về tính thực tiễn của đề tài. Cho phép tôi gửi lời cám ơn ban Giám đốc nhà máy thuỷ điệân Ialy đã tạo mọi điều kiện để cho tôi được tham dự lớp học trong điều kiện Nhà máy còn nhiều khó khăn khi mới đưa vào vận hành nhà máy Ialy (6 năm), vừa thử nghiệm đưa vào vận hành nhà máy Sê San 3, vừa giám sát nghiệm thu và chuẩn bị vận hành các nhà máy Pleikrông, Sê San 4 Cuối cùng tôi xin cám ơn mẹ tôi đã cho tôi sức mạnh tinh thần để vượt qua các khó khăn trong công việc và học tập. TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2006 Đoàn Tiến Cường eB oo k f or Yo u -ii- TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị cạn kiệt và giá cả tăng lên hằng ngày, đồng thời trong điều kiện Việt Nam đang bị thiết điện trầm trọng như hiện nay và nhiều năm tới, thì việc khai thác các nguồn nước trên các lưu vực sông để phát điện là việc làm hết sức cần thiết để giảm lệ thuộc vào năng lượng nhập khẩu và ổn định sản xuất cho nền kinh tế. Hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng và giữ vững ổn định hệ thống điện Việt Nam. Việc đưa vào vận hành các nhà máy trên cùng một lưu vực sông cũng đặt ra cho các công ty, nhà máy vận hành thuỷ điện những thách thức mới đó là tìm biện pháp sử dụng một cách hiệu quả nguồn nước. Để sử dụng tiết kiệm nguồn nước trên các lưu vực sông, thực tế vận hành đặt ra nhiều bài toán quy hoạch vận hành: quy hoạch vận hành ngắn hạn, vận hành dài hạn và chiến lược điều tiết nguồn nước trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đã đặt ra bài toán vận hành tối ưu ngắn hạn các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San. Với mục tiêu đó, luận văn tập trung vào việc điều tra, khảo sát các số liệu về hệ thống các thiết bị công trình; xây dựng các mô hình toán học về đặc tính vận hành các hệ thống thiết bị, công trình; tìm phương pháp thích hợp để xây dựng thuật toán giải; viết chương trình mô tả thuật toán và áp dụng vào công tác hỗ trợ quyết định vận hành tối ưu tại các nhà máy thuộc bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San. Hướng mở rộng của luận văn là ngoài việc áp dụng trước mắt cho cụm các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San, có thể mở rộng áp dụng cho bài toán vận hành tối ưu của các bậc thang thuỷ điện khác và hướng đề tài đến việc phục vụ cho việc hỗ trợ quyết định vận hành các cụm thuỷ điện trong thị trường cạnh tranh nguồn phát. Sau đây, các chương 1-6 sẽ lần lược giải quyết nội dung của luận văn. eB oo k f or Yo u -iii- MỤC LỤC 1. CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU...........................................................................................1 1.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................1 1.2 Phân bố công suất tối ưu hệ thống bậc thang thuỷ điện ..............................2 1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài ..............................................3 1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.....................................................................4 1.5 Những nội dung chính của đề tài .................................................................5 1.6 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài.......6 1.7 Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................6 2. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THUỶ ĐIỆN TRÊN SÔNG SÊ SAN ..7 2.1 Đặc điểm và tiềm năng thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San ......................8 2.1.1 Đặc điểm tự nhiên.................................................................................8 2.1.2 Địa hình .................................................................................................8 2.1.3 Khí hậu ..................................................................................................9 2.1.4 Độ ẩm và bốc hơi ..................................................................................9 2.1.5 Dòng chảy .............................................................................................9 2.1.6 Năng lực thuỷ điện trên lưu vực sông Sê San.....................................10 2.2 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông, đặc tính các hồ chứa trên sông Sêsan..12 2.2.1 Đặc trưng thuỷ văn lưu vực sông Sê San ............................................12 2.2.2 Đặc tính các hồ chứa trên sông Sê San...............................................12 2.2.3 Đặc tính các công trình tràn của hồ chứa............................................14 2.3 Chính sách quản lý-điều tiết hồ chứa ........................................................15 2.4 Đặc điểm thiết bị và đặc tính các nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan ....18 2.5 Vai trò của hệ thống thuỷ điện trên sông Sêsan đối với hệ thống điện ....21 2.6 Phân tích khả năng khai thác tối ưu ngắn hạn công suất, năng lượng theo các hồ chứa trên sông Sêsan.................................................................................22 2.7 Kết luận......................................................................................................22 3. CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG BẬC THANG THUỶ ĐIỆN ....................24 3.1 Mô tả hệ thống bậc thang thuỷ điện ..........................................................24 3.2 Hệ thống điện.............................................................................................25 eB oo k f or Yo u -iv- 3.3 Lựa chọn thuật toán....................................................................................25 3.4 Các giả thiết chính khi xây dựng bài toán .................................................27 3.5 Xây dựng mô hình hệ thống và hình thành bài toán..................................28 3.5.1 Mô hình thời gian ................................................................................28 3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian của hệ thống thuỷ điện ..................................29 3.5.3 Xây dựng mô hình bậc thang thuỷ điện ..............................................29 3.5.4 Xấp xỉ tuyến tính hoá từng đoạn thành phần phi tuyến......................31 3.5.5 Các ký hiệu sẽ dùng trong phần xây dựng mô hình ...........................34 3.5.6 Xây dựng mô hình toán học các biểu thức ràng buộc ........................35 3.5.7 Xây dựng hàm phạt do vi phạm mức nước mục tiêu của hồ ..............42 3.5.8 Xây dựng hàm mục tiêu......................................................................45 3.6 Kết luận......................................................................................................46 4. CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT ..................................................................................................................................47 4.1 Phạm vi tính toán .......................................................................................47 4.2 Thiết lập bài toán .......................................................................................48 4.3 Phương pháp quy hoạch tuyến tính ............................................................49 4.4 Các thuật toán ............................................................................................50 4.5 Ngôn ngữ mô hình đại số. Ngôn ngữ tính toán kỹ thuật Matlab................59 4.6 Các dữ liệu của bài toán ............................................................................60 4.6.1 Dữ liệu đầu vào..........................................................................................60 4.6.2 Dữ liệu đầu ra.............................................................................................72 4.7 Kết quả chương trình..................................................................................72 4.7.1 Phân bố công suất theo thời gian ...............................................................72 4.7.2 Diễn biến mức nước hồ theo thời gian.......................................................73 4.7.3 Diễn biến dung tích hồ theo thời gian........................................................73 4.7.4 Diễn biến xả tràn các hồ chứa ...................................................................74 4.8 Phân tích các kết quả .................................................................................74 4.9 Kết luận......................................................................................................75 5. CHƯƠNG 5. CHƯƠNG TRÌNH ÁP DỤNG ........................................................76 eB oo k f or Yo u -v- 5.1 Xây dựng chương trình và hướng dẫn áp dụng ..........................................76 5.2 Đánh giá kết quả chương trình...................................................................79 5.3 Kết luận......................................................................................................79 6. CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN.....................................................................................80 6.1 Các nội dung đề tài đã giải quyết ..............................................................80 6.2 Triển vọng phát triển đề tài .......................................................................81 6.2.1 Các yếu điểm bộc lộ từ đề tài....................................................................81 6.2.2 Hướng phát triển mở rộng đề tài................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................83 Phụ lục 1. Sơ đồ hệ thống bậc thang thuỷ điện trên sông Sê San................... PL1-1 Phụ lục 2. Các chương trình được sử dụng trong luận văn .............................. PL2-1 eB oo k f or Yo u -vi- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San (nguồn: Ily, 2003) ....1 Hình 2.1 Quá trình điều tiết hồ chứa..............................................................16 Hình 2.2 Đặc tính vận hành turbine Pleikrông (nguồn: Ily, 2006) .................18 Hình 2.3 Đặc tính vận hành máy phát Pleikrông ...........................................19 Hình 2.4 Đặc tính vận hành turbine Ialy (nguồn: Ily, 1998) ..........................19 Hình 2.5 Đặc tính vận hành máy phát Ialy (nguồn Ily,1998) .........................20 Hình 2.6 Đặc tính vận hành turbine Sê San 3 (nguồn Ily, 2005) ....................20 Hình 2.7 Đặc tính vận hành máy phát Sê San 3 (nguồn Ily, 2005) .................21 Hình 3.1 Hệ thống bậc thang thuỷ điện..........................................................24 Hình 3.2 Mô tả hệ thống điện.........................................................................25 Hình 3.3 Mô hình hệ thống mạng thuỷ điện ...................................................30 Hình 3.4 Xấp xỉ tuyến tính hoá từng đoạn hàm phi tuyến...............................31 Hình 3.5 Đặc tính phát của tổ máy.................................................................38 Hình 3.6 Đặc tính xả tràn của hồ chứa ..........................................................41 Hình 3.7 Mô tả các dạng đặc tính hàm phạt do vi phạm mức nước mục tiêu.43 Hình 3.8 Đặc tính tuyến tính hoá hàm phạt....................................................44 Hình 4.1 Phạm vi tính toán.............................................................................47 Hình 4.2 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Plk ........63 Hình 4.3 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Ily .........65 Hình 4.4 Quan hệ dung tích theo mức nước hồ và sai số nội suy hồ Ss3 ........66 Hình 4.5 Lưu lượng nước tự nhiên về các hồ (nguồn: Ily) ..............................67 Hình 4.6 Đặc tính hiệu suất turbine của Plk (nguồn: Ily, 2006).....................68 eB oo k f or Yo u -vii- Hình 4.7 Đặc tính hiệu suất turbine của Ily (nguồn: Ily, 1998)......................69 Hình 4.8 Đặc tính hiệu suất turbine của Ss3 (nguồn: Ily, 2005).....................69 Hình 4.9 Thay đổi mức nước hồ trong một năm (đối với hồ điều tiết năm)....70 Hình 4.10 Biểu đồ huy động công suất và yêu cầu dự trữ công suất (nguồn: Ily) ..................................................................................................................72 Hình 4.11 Kết quả phân bố công suất của các nhà máy ................................72 Hình 4.12 Diễn biến mức nước các hồ theo thời gian....................................73 Hình 4.13 Diễn biến dung tích các hồ theo thời gian ....................................73 Hình 4.14 Xả tràn của các hồ chứa................................................................74 Hình 5.1 Giao diện chính của chương trình....................................................76 Hình 5.2 Bảng nhập thông số các hồ chứa và thời gian khảo sát ..................77 Hình 5.3 Bảng nhập các dữ liệu dạng bảng (Pd, Pr, B)...............................77 Hình 5.4 Kiểm tra dữ liệu đầu vào .................................................................78 Hình 5.5 Trình đơn xem kết quả tối ưu của chương trình ...............................78 eB oo k f or Yo u -viii- DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Sê San (nguồn: PECC1,2002) ......8 Bảng 2.2 Thông số các công trình chính trên sông Sê San (nguồn: PECC1).10 Bảng 2.3 Đặc trưng thuỷ văn các hồ chứa lưu vực sông SêSan (nguồn: PECC1) ..........................................................................................................12 Bảng 2.4 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Pleikrông (nguồn: Ily).............13 Bảng 2.5 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Ialy (nguồn: Ily) ......................13 Bảng 2.6 Quan hệ mức nước và dung tích hồ Sê San 3 (nguồn: Ily)...............14 Bảng 4.1 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Plk...............................62 Bảng 4.2 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Ily ................................64 Bảng 4.3 Nội suy quan hệ mức nước và dung tích hồ Ss3...............................66 Bảng 4.4 Các thông số hồ chứa (nguồn: Ily)..................................................67 Bảng 4.5 Đặc tính xả tràn các hồ chứa..........................................................67 Bảng 4.6 Đặc tính phát nhà máy Plk (nguồn Plk, 2006) ................................71 Bảng 4.7 Đặc tính phát nhà máy Ily (nguồn Ily, 2006)...................................71 Bảng 4.8 Đặc tính phát nhà máy Ss3 (nguồn Ily, 2006) .................................71 eB oo k f or Yo u -ix- CÁC ĐƠN VỊ THƯỜNG DÙNG h giờ, W Watt, kW kilôWatt=1000 watt, MW mêgaWatt=1 000 000 watt, kWh kilôWatt giờ, m mét, l lít, km2 kilômét vuông, m3/s mét khối trên giây, l/s.km2 lít trên giây ứng với một kilômét vuông, eB oo k f or Yo u -x- CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT A0 Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia, PECC1 Công ty tư vấn xây dựng điện 1, IEEE Viện các kỹ sư kỹ thuật điện-điện tử quốc tế, LP quy hoạch truyến tính, NLP quy hoạch phi tuyến, DP quy hoạch động, GAMS Ngôn ngữ mô hình đại số tổng hợp, Tkt Nhà máy thuỷ điện Thượng Kon Tum, Plk Nhà máy thuỷ điện Pleikrông, Ily Nhà máy thuỷ điện Ialy, Ss3 Nhà máy thuỷ điện Sê San 3 S3a Nhà máy thuỷ điện Sê San 3A Ss4 Nhà máy thuỷ điện Sê San 4 MNDBT Mực nước dâng bình thường MNC Mực nước chết eB oo k f or Yo u -1- 1. CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Nước được coi là nguồn than trắng cho sản xuất điện, không những là dạng năng lượng rẻ tiền, tái sinh, mà trong bối cảnh giá cả các loại năng lượng hoá thạch truyền thống (dầu, ga, than) đang leo thang từng ngày và nhiệm vụ chống ô nhiễm môi trường đang đặt lên hàng đầu. Thì việc khai thác tối ưu các nguồn nước cho sản xuất năng lượng điện là việc làm cần thiết. Khi nói đến “bậc thang thuỷ điện” hay cụm thuỷ điện trên một dòng sông là nói đến hoạt động của các hệ thống hồ, đập nối tiếp nhau từ thượng lưu xuống hạ lưu. Việc khai thác vận hành các hồ chứa ở thượng lưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng nước về ở các hồ hạ lưu, mà lưu lượng nước về hồ là yếu tố quyết định đến công suất và sản lượng phát của các nguồn phát thuỷ điện. Nên cần tính toán để điều tiết lượng nước về của từng hồ trong toàn cụm các nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan. Việt Nam còn nghèo, nguồn vốn đầu tư cho phát triển nguồn điện phải dựa vào vốn vay nước ngoài, do đó việc tìm biện pháp sử dụng tối ưu, tiết kiệm nguồn nước của bậc thang các hồ thuỷ điện đã xây dựng trên các lưu vực sông là việc làm quốc sách. Hình 1.1 Sơ đồ các nhà máy thuỷ điện trên sông Sê San (nguồn: Ily, 2003) eB oo k f or Yo u -2- Các công trình thuỷ điện trên bậc thang thuỷ điện sông Sêsan (hình 1.1) gồm Nhà máy thuỷ điện Ialy (đã vận hành từ năm 2000), Sêsan 3 (năm 2006), Pleikrông (năm 2006), Sêsan 3A (năm 2006), Sêsan 4 (2008), Thượng Kontum (2009) đã và sẽ lần lượt đưa vào vận hành. Việc đặt ra và giải bài toán khai thác tối ưu nguồn nước trên bậc thang sẽ dẫn đến khai thác tối ưu sản lượng cho hệ thống. Cụm các Nhà máy thuỷ điện trên sông Sêsan có tổng công suất lắp đặt 1730MW (sản lượng điện trung bình năm khoảng 8,5 tỉ kWh), sẽ cung cấp điện trực tiếp đến trạm 500kV Pkieku là “điểm giữa” của hệ thống điện. Việc cung cấp một lượng công suất đáp ứng nhu cầu của hệ thống với sản lượng điện tối ưu trong năm tại