Tài liệu Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông đà trong mùa cạn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Hồ Sỹ Dự Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Hà Văn Khối Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Duy Hạnh, Hội đập lớn Việt Nam Phản biện 2: GS.TS. Lê Đình Thành, Trường Đại học Thủy lợi Phản biện 3: TS. Nguyễn Viết Phách, Viện Năng lượng - Bộ Công Thương Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU 1. T nh c p thi t củ t i Trong lĩnh vực phát triển thủy điện, vấn đề nghiên cứu các quy trình vận hành tối ưu nhằm khai thác bền vững nguồn tài nguyên đang là một xu thế quan tâm cấp bách và nhạy cảm trong tình hình khí hậu toàn cầu có những biến đổi tiêu cực. Chính phủ đã ban hành các quy trình vận hành liên hồ chứa cho các hệ thống sông lớn, tuy nhiên các quy trình vận hành liên hồ chứa hiện nay về cơ bản được xây dựng trên cơ sở tính toán đảm bảo an toàn công trình trong mùa lũ. Việc xây dựng các “Quy trình” này không phải dựa trên nguyên lý tối ưu lợi ích các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp nguồn nước mà chủ yếu trên cơ sở tính toán điều tiết lũ đảm bảo an toàn chung cho hệ thống, giảm thiểu ngập lụt hạ lưu các công trình. Trong mùa mùa cạn các “Quy trình vận hành liên hồ chứa” không quy định một nguyên tắc cụ thể của việc vận hành liên hồ, chưa xuất phát từ vận hành tối ưu hệ thống công trình và lợi ích của các công trình tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu đưa ra quy định bắt buộc để đảm bảo dòng chảy tối thiểu hạ lưu của hệ thống bậc thang. Khi vấn đề an toàn công trình không còn bị đe dọa thì việc vận hành tối ưu của hệ thống liên hồ là cần thiết, đem lại lợi ích cho các công trình và cho toàn xã hội. Do đó nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu, đặc biệt là vận hành tối ưu trong mùa cạn rất cần thiết và đây là bài toán phức tạp chưa được giải quyết đầy đủ và cần được đầu tư nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu của đề tài là tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học, xây dựng thuật toán và mô hình bài toán tối ưu điều tiết các hồ chứa của bậc thang thủy điện. Kết quả có thể phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hợp lý và bền vững của hệ thống liên hồ chứa đảm bảo tối ưu khai thác năng lượng, cấp nước hạ lưu ổn định và bền vững trong mùa cạn. Việc nghiên cứu sẽ được áp dụng kiểm nghiệm đối với bậc thang thủy điện Sơn La – Hòa Bình của hệ thống sông Đà. Lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn” với mong muốn 1 nghiên cứu cơ sở khoa học để xây dựng chế độ vận hành tối ưu các hồ chứa bậc thang thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và đảm bảo cấp nước hạ du. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ chứa bậc thang thủy điện nói chung. 2. Mục ti u nghi n cứu củ lu n n  Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm xây dựng mô hình toán tối ưu điều tiết phát điện và cấp nước của hệ thống bậc thang thủy điện với mục đích sử dụng làm công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ chứa bậc thang thủy điện.  Phân tích các tiêu chuẩn tối ưu áp dụng cho bài toán vận hành hệ thống bậc thang thủy điện có xét tới nhiệm vụ cân bằng hệ thống điện nhằm nâng cao hiệu quả lợi dụng tổng hợp, đảm bảo cấp nước ổn định, an toàn hạ lưu.  Áp dụng phương pháp tối ưu hóa do luận án đề xuất cho một hệ thống cụ thể nhằm kiểm chứng tính đúng đắn và hợp lý của phương pháp kiến nghị. 3. Đối tượng v phạm vi nghi n cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện làm nhiệm vụ cấp nước phát điện và cấp nước hạ du theo yêu cầu lợi dụng tổng hợp. Phạm vi nghiên cứu: Bài toán mô phỏng và tối ưu vận hành cho hệ thống các hồ chứa bậc thang thủy điện có kết hợp cấp nước đáp ứng yêu cầu dòng chảy hạ du, tham gia cân bằng năng lượng cho hệ thống điện. Nghiên cứu tập trung vào bài toán vận hành thời kỳ mùa cạn áp dụng cho bậc thang thủy điện Sơn LaHòa Bình trên sông Đà với nhiệm vụ phòng lũ không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án. 4. Phư ng ph p nghi n cứu Luận án sử dụng các phương pháp: Phương pháp kế thừa, Phương pháp phân tích tổng hợp, Phương pháp mô hình toán. 5. Nh ng ng g p m i củ lu n n  Phát triển thuật toán quy hoạch động 2 chiều DP-DP áp dụng cho bài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Xây dựng mô hình và 2 phát triển phần mềm tính toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện có cấu trúc bậc thang đơn, bước đầu áp dụng thành công cho hệ thống hồ chứa Sơn La-Hòa Bình trên sông Đà.  Đưa tiêu chuẩn lợi ích điện năng có xét đến chế độ làm việc của các trạm thủy điện trong cân bằng phụ tải của hệ thống điện vào mô hình bài toán tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang trong mùa cạn mang lại tính hợp lý và hiệu quả của việc vận hành tối ưu. 6. C u tr c củ lu n n Luận án gồm 136 trang, 18 bảng, 23 hình vẽ và 81 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu trong lĩnh vực vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Chương 2: Cơ sở khoa học vận hành tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện Chương 3: Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện sông Đà trong mùa cạn. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN 1.1. Nguy n lý chung v v n h nh hồ chứ thủy iện 1.1.1. Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối Khi khả năng dự báo dòng chảy đến hồ không đủ tin cậy, để đảm bảo cho hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa cấp nước ổn định đáp ứng yêu cầu sử dụng nước của các hộ dùng theo mục đích sử dụng tổng hợp, tốt hơn hết là sử dụng biểu đồ điều phối. Có 3 loại biểu đồ điều phối được sử dụng: (i) Biểu đồ điều phối thông thường: lập theo yêu cầu sử dụng nước không được tối ưu hóa; (ii) Biểu đồ điều phối tối ưu: là loại biểu đồ được xây dựng trên cơ sở nghiên cứu tối ưu quá trình vận hành hồ chứa; (iii) Biểu đồ điều phối của hồ chứa thuộc hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp: là loại biểu đồ điều phối được xây dựng trên cơ sở làm rõ vai 3 trò cấp nước và nhiệm vụ vận hành của nó trong hệ thống. Căn cứ vào tài liệu dòng chảy lịch sử (số liệu thực đo hoặc kéo dài nhân tạo) xây dựng các đường giới hạn quy định các nguyên tắc vận hành của hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa đảm bảo các yêu cầu bắt buộc và tối ưu mục tiêu sử dụng. 1.1.2. Vận hành hồ chứa theo thời gian thực Khi có thông tin dự báo lưu lượng dòng chảy đến đáng tin cậy ở thời đoạn tiếp theo, căn cứ vào tình trạng hiện tại của hồ chứa và biểu đồ điều phối người vận hành có thể đưa ra quyết định trên cơ sở tính toán hợp lý đảm bảo các yêu cầu lợi dụng tổng hợp. Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối khi vận hành theo thời gian thực, các quyết định vận hành được xác lập bởi kết quả tính toán tối ưu (hợp lý) trên cơ sở tài liệu dự báo dòng chảy đến trong tương lai, các dự báo về nhu cầu sử dụng nước của các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp, trạng thái hiện tại của hồ chứa và các hồ chứa khác trong hệ thống, đối với bài toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nước hạ du ở thời đoạn tiếp theo. 1.2. Tổng qu n c c phư ng ph p xây dựng quy trình v n h nh hệ thống hồ chứ mục ti u 1.2.1. Phương pháp mô phỏng Phương pháp mô phỏng giúp mô tả các trạng thái của hệ thống đang hoạt động hoặc được quy hoạch thông qua các biểu thức toán học tương ứng với các trạng thái vận hành theo thời gian. Việc mô hình hóa các trạng thái và đặc trưng của hệ thống giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống và từ đó rút ra được những quy luật để đề xuất quy trình quản lý hệ thống. Một số mô hình thông dụng: HEC-RESSIM (Resevoir System Simulation), HEC-5, MIKE11 …. 1.2.2. Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa Trong quá trình vận hành các trạng thái của hệ thống thay đổi (theo thời gian) 4 và được đánh giá bằng cách lượng hóa chúng bằng các hàm mục tiêu. Mô hình mô tả hàm mục tiêu được gọi là mô hình tối ưu. Các kỹ thuật tối ưu trong vận hành hệ thống hồ chứa được phát triển theo 3 hướng chính sau đây:  Tối ưu tất định: Quy hoạch tuyến tính (LP); Quy hoạch phi tuyến (NLP); Quy hoạch động (DP) được phát triển theo các hướng khác nhau, bao gồm: Quy hoạch động vi phân (DDP), quy hoạch động sai phân (DDDP), Quy hoạch động xấp xỉ liên tục (DPSA) v.v…  Tối ưu ngẫu nhiên: Quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP); Quy hoạch động dựa trên quy luật mờ (DPFRB), v.v…  Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, bao gồm: Giải thuật di truyền (GA); Thuật toán tiến hóa (EA); mạng Nơtron nhân tạo (ANN) cũng được phát triển theo nhiều hướng khác nhau nhằm hoàn thiện phương pháp tìm nghiệm tối ưu. 1.3. Hiện trạng v n h nh hồ chứ thủy iện hệ thống sông Hồng 1.3.1. Tổng quan những nghiên cứu phục vụ vận hành các công trình thủy điện- thủy lợi hệ thống sông Hồng trong thời kỳ mùa cạn Các hồ chứa lớn trên sông Hồng có nhiệm vụ chống lũ và điều tiết nước đảm bảo nhu cầu hạ lưu trong thời kỳ mùa cạn bao gồm các hồ sau: Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang. Đây là hệ thống các hồ chứa có quan hệ thủy lợi sử dụng đa mục tiêu, trong đó 3 mục tiêu chính là cấp nước, phát điện và phòng lũ. Các quy trình vận hành các hồ chứa vận hành độc lập cũng như Quy trình vận hành liên hồ phần lớn tập trung quy định cụ thể cho thời kỳ mùa lũ nhằm bảo đảm an toàn công trình và chống lũ cho hạ du. Phần quy định vận hành phát điện trong mùa cạn trong tất cả các quy trình đều chưa được nghiên cứu đầy đủ, chưa xây dựng được cơ sở khoa học vững chắc đảm bảo vận hành tối ưu công trình, đặc biệt là các công trình lợi dụng tổng hợp và các công trình trong hệ thống bậc thang thủy điện 1.3.2. Các quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sông Hồng Chính phủ đã ban hành quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 7/9/2015 về “Quy 5 trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng”. Quy trình này đã đưa ra nguyên tắc vận hành liên hồ chứa trong mùa lũ và mùa cạn của các hồ: Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, Lai Châu, Bản Chát và Huội Quảng. Tuy nhiên, quy trình mới đưa ra các quy định chung về mực nước hồ chứa và lưu lượng tối thiểu các thời kỳ mùa cạn của các bậc cuối của các hệ thống bậc thang. Nói chung trong quá trình vận hành nhiều năm hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà về mùa lũ đã được tập trung nghiên cứu đầy đủ và điều chỉnh phù hợp. 1.3.3. Tổng quan về các quy trình vận hành hồ chứa trong mùa cạn đã ban hành Các công trình Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà hiện đang vận hành theo quy trình riêng được lập cơ sở Quy trình vận hành liên hồ số 198/QĐ-TTg và 1268/QĐ-TTg. Quy trình vận hành liên hồ chứa kèm theo quyết định số 1622/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ được ban hành ngày 17/9/2015. Trong mùa lũ “Quy trình” gồm các quy định về phân phối dung tích phòng lũ đảm bảo an toàn công trình và giảm lũ cho đồng bằng sông Hồng. Đối với mùa cạn, “Quy trình” đã cụ thể hóa yêu cầu cấp nước hạ lưu các hệ thống công trình thành lưu lượng yêu cầu xả tối thiểu trong các thời đoạn mùa cạn tại hạ lưu các công trình bậc cuối của các nhánh sông cấp I (Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà). Các quy định như trên nhằm đảm bảo duy trì mực nước sông Hồng tại thời kỳ cấp nước tăng cường vào tháng I và II (thời kỳ đổ ải) là 2,20m và các thời kỳ khác đảm bảo duy trì dòng chảy môi trường và giao thông là 1,18m. 1.4. Định hư ng nghi n cứu củ lu n n Xây dựng cơ sở khoa học để xây dựng mô hình tối ưu vận hành bậc thang hồ chứa thủy điện bao gồm các nội dung: nghiên cứu phát triển thuật toán “Quy hoạch động” hai chiều, nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu có xét đến hiệu ích tham gia cân bằng phụ tải của hệ thống điện đối với các trạm thủy điện. 6 Nghiên cứu áp dụng mô hình cho bậc thang thủy điện Sơn La- Hòa Bình và đề xuất nguyên lý xây dựng và vận hành biểu đồ điều phối tối ưu . 1.5. K t lu n chư ng 1 1) Phương pháp “Quy hoạch động” có nhiều ưu điểm được nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng trong tối ưu vận hành các hồ chứa thủy điện nhưng để áp dụng khi giải bài toán tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện gặp nhiều khó khăn do khối lượng phép tính quá lớn cần nghiên cứu phát triển phương pháp. 2) Các mô hình tối ưu vận hành hồ chứa chủ yếu xem xét tới mục tiêu lợi dụng tổng hợp trong đó điện năng sản xuất là mục tiêu chính mà không xét đến mối liên hệ của các trạm phát điện với hệ thống điện lực. 3) Các quy trình vận hành các hồ chứa đang áp dụng cho hệ thống sông Hồng mới chỉ tập trung giải quyết vấn đề an toàn công trình và hạ du trong mùa lũ và đảm bảo cấp nước tối thiểu hạ du trong mùa cạn mà chưa giải quyết triệt để bài toán tối ưu. CHƯƠNG 2 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN Khái quát v bài toán tối ưu mục tiêu 2.1.1. Hàm mục tiêu Hệ thống hồ chứa thủy điện là loại công trình có nhiệm vụ đa mục tiêu, do vậy các bài toán tối ưu trong quy hoạch và vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện là bài toán tối ưu đa mục tiêu trong đó mục tiêu chính là phát điện. 2.1.2. Các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu Để giải bài toán dạng (2-1) cần đưa bài toán có nhiều hàm mục tiêu về bài toán tối ưu có 1 hàm mục tiêu bằng một số phương pháp:  Phương pháp trọng số  Phương pháp đưa các hàm mục tiêu về biểu thức ràng buộc  Đưa về bài toán không ràng buộc bằng cách thiết lập hàm Lagrange  Thiết lập hàm phạt đối với các biểu thức ràng buộc 7 2.1.3. Lựa chọn phương pháp tối ưu hóa Các phương pháp giải bài toán tối ưu có thể chia ra 3 nhóm: Phương pháp tất định, phương pháp ngẫu nhiên và phương pháp mô hình trí tuệ nhân tạo. Phương pháp tối ưu tất định được coi như phương pháp truyền thống bao gồm: phương pháp quy hoạch tuyến tính, phương pháp quy hoạch phi tuyến, phương pháp quy hoạch động và sự kết hợp giữa các phương pháp. Phương pháp quy hoạch động (DP) được coi là một phương pháp hợp lý áp dụng trong việc giải các bài toán tối ưu điều tiết hồ chứa thủy điện.. Để giảm bớt khó khăn trong việc ứng dụng phương pháp quy hoạch động, luận án đã phát triển thuật toán quy hoạch động 2 chiều (DP-DP) để giải bài toán vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa, theo đó thuật toán quy hoạch động theo chiều thời gian được giải theo mẫu bài toán tối ưu với biến trạng thái còn thuật toán quy hoạch động theo không gian được giải theo mẫu bài toán phân bổ tối ưu tài nguyên (dung tích trữ) hay trạng thái tối ưu mực nước của các hồ chứa trong hệ thống bậc thang thủy điện tại từng thời đoạn. 2.2 Thi t l p bài toán v n hành tối ưu hệ thống hồ chứa b c thang thủy iện 2.2.1. Đặc điểm chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện Các hồ chứa trong hệ thống bậc thang thủy điện có mối quan hệ thủy văn, thủy lực và thủy lợi. Quan hệ này luôn tồn tại đối mỗi hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện. Các mối quan hệ trên càng trở nên phức tạp đối với hệ thống hồ chứa có cấu trúc hỗn hợp. Do có sự tồn tại các mối quan hệ trên nên chế độ vận hành của các hồ chứa thượng nguồn sẽ tác động lớn đến khả năng phát điện của các hồ phía dưới. Ngoài ra, các trạm thủy điện cùng làm việc trong cùng một hệ thống điện nên chế độ vận hành của chúng có liên quan với nhau trong việc cân bằng phụ tải của hệ thống điện. Vì vậy, nghiên cứu lựa chọn mục tiêu tối ưu cho hệ thống hồ chứa sẽ mang lại lợi ích tổng hợp về hiệu quả phát điện toàn hệ thống bậc thang. 2.2.2. Thiết lập bài toán vận hành tối ưu và phạm vi nghiên cứu đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện 8 2.2.2.1. Lựa chọn hàm mục tiêu Bài toán tối ưu vận hành phát điện hệ thống bậc thang hồ chứa được các tác giả sử dụng trước đây thường dưới dạng tổng điện năng sản xuất lớn nhất: ∑ (∑ (2-11) ) Trong đó: m là số hồ chứa thủy điện trong hệ thống; n là số thời đoạn tính toán vận hành tối ưu; là điện năng phát được của trạm thủy điện gắn với hồ chứa thứ i tại thời đoạn tính toán j đã phân chia. Với mô hình bài toán (2-11) không xét đến khả năng tham gia cân bằng công suất của hệ thống điện lực. Việc tối ưu chế độ làm việc của hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện cần phải xét đến hiệu ích chung của toàn hệ thống điện liên quan đến cân bằng phụ tải điện ở các thời kỳ. Trong luận án hàm mục tiêu đề xuất có dạng (2-12) trong đó yếu tố cân bằng phụ tải của hệ thống điện lực thông qua thành phần giá công suất trong giá điện năng trên thị trường cạnh tranh. Hàm mục tiêu có dạng (2-12). (∑ ∑ ) (2- 12) Trong đó: - là tổng lợi ích điện năng thu được trong suốt thời gian vận hành, là tổng số tiền thu được do bán điện trong suốt quá trình vận hành; - là điện lượng của hồ thứ i tại thời đoạn tính toán thứ j; (2- 13) (2- 14) Trong đó: n là số thời đoạn tính toán; m là số hồ chứa trên hệ thống bậc thang; là công suất phát điện trung bình đạt được tại thời đoạn j của trạm thủy điện gắn với hồ thứ i; là lưu lượng trung bình qua nhà máy i tại thời đoạn j của trạm thủy điện gắn với hồ thứ i; là cột nước trung bình của trạm thủy điện gắn với hồ chứa thứ i: (2- 15) 9 với là mực nước hồ thứ i tại thời đoạn j ; thủy; - tổn thất cột nước; tính toán (giờ); là mực nước hạ lưu tại trạm là hiệu suất trung bình TTĐ; là thời đoạn là đơn giá điện năng trung bình (bao gồm thành phần giá công suất) thời đoạn j bậc i [đ/kWh] Việc xác định của trạm phát điện trong một thời đoạn tính toán nhất định dựa trên cơ sở vị trí làm việc của các trạm thủy điện trên biểu đồ phụ tải ngày của từng thời kỳ. 2.2.3. Phạm vi nghiên cứu của bài toán tối ưu Vận hành tối ưu theo mục tiêu phát điện là một quá trình liên tục trong năm bao gồm quá trình tích nước đến mực nước dâng bình thường và vận hành điều tiết cấp nước cho trạm thủy điện trong thời kỳ nước ít. Đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà, thời gian nghiên cứu áp dụng bài toán vận hành tối ưu sẽ không bao gồm thời kỳ vận hành phòng lũ từ 15/6 đến 20/8 hàng năm (khoảng hơn 2 tháng). Trong thời kỳ này tính toán điều tiết phát điện sẽ được thực hiện theo công suất khả dụng. Luận án nghiên cứu bài toán vận hành tối ưu đối với hệ thống bậc thang hồ chứa có cấu trúc đơn. 2.2.4. Cân bằng nước và các ràng buộc của hệ thống  Về lưu lượng: Lưu lượng sử dụng để phát điện của trạm thủy điện bậc thang thứ i trong thời đoạn j sẽ xác định từ phương trình cân bằng nước: (2- 17) Trong đó: - lưu lượng phát điện của trạm thủy điện bậc thứ i, trong thời đoạn j. - lưu lượng xả không qua phát điện của bậc thứ i, trong thời đoạn j. - lưu lượng dòng nhập lưu khu giữa của bậc thứ i, trong thời đoạn j (nếu phía trên không có công trình có hồ điều tiết thì đây là lưu lượng tự nhiên của 10 dòng chảy đến). - lưu lượng tổn thất của bậc thứ i, trong thời đoạn j; - lưu lượng phát điện của bậc thứ i-1, trong thời đoạn j; - lưu lượng xả không qua phát điện của bậc thứ i-1, trong thời đoạn j; - lưu lượng cấp nước cho các ngành lợi dụng tổng hợp lấy nước trực tiếp từ thượng lưu không qua phát điện của hồ chứa i ở thời đoạn j - dung tích hồ chứa bậc thứ i tại thời đoạn thứ j, ( ); - dung tích hồ chứa bậc thứ i tại thời đoạn thứ j-1; - thời đoạn tính toán tính bằng (s),  ; Về dung tích hồ chứa: Dung tích của các hồ chứa được xác định theo đường quan hệ dung tích và mực nước thượng lưu hồ chứa: ( (2- 19) )  Các điều kiện giới hạn: + Lưu lượng xả xuống hạ lưu ở bậc thứ i, thời đoạn j không nhỏ hơn lưu lượng yêu cầu tối thiểu theo yêu cầu cấp nước hạ lưu : (2- 1) + Điều kiện giới hạn làm việc của turbin tại bậc i thời đoạn j (2- 2) + Điều kiện giới hạn về mực nước: (2- 3) là mực nước cao nhất cho phép của hồ chứa i ở thời đoạn j; nước thấp nhất cho phép của hồ chứa.  Về cột nước: Cột nước của trạm thủy điện được xác định theo công thức: 11 là mực (2- 4) Mực nước hạ lưu tuyến là phụ thuộc vào lưu lượng xả xuống hạ lưu và có thể là mực nước thượng lưu của bậc tiếp theo các công trình gối đầu hoặc khi xét đến điều kiện nước dềnh.  Về chế độ làm việc trong hệ thống điện và hiệu ích điện năng: Nhiệm vụ các trạm phát điện là đảm bảo cân bằng năng lượng của hệ thống điện. Do đó để đánh giá chế độ điều tiết tối ưu của hệ thống cần sử dụng tiêu chuẩn hiệu ích điện năng lớn nhất (2-12) trong đó việc xác định giá trị điện năng phụ thuộc rất nhiều vào vị trí làm việc của các trạm thủy điện trong cân bằng năng Hình 2-3: Sơ họa xác định vị trí làm việc của TTĐ và giá đơn giá công suất lượng trên biểu đồ phụ tải. Thành phần đơn giá điện năng phụ thuộc vào vị trí làm việc của các trạm phát điện trên cân bằng phụ tải điện. Trên biểu đồ phụ tải ngày điển hình ngày làm việc, thứ bảy, chủ nhật) của từng tháng tương ứng trong năm (hình 2-3) biết điện năng có thể bảo đảm từ nguồn nước Ei,j và công suất khả dụng của TTĐ có thể xác định được vị trí làm việc của các TTĐ và từ đó tính được giá trị đơn giá trung bình . Doanh thu từ điện năng là: (2- 5) ∑ Trong đó : - phần công suất công tác của trạm thủy điện trong giờ thứ i của ngày tính toán n là các ngày trong tuần: ngày làm việc, ngày thứ bảy và ngày chủ nhật; - là đơn giá điện năng trong giờ thứ i của ngày n trong tuần; 1 giờ- khoảng thời gian tính toán. 12 = Giá điện bán điện trung bình ngày trong tháng hoặc trong khoảng thời gian tính toán tương ứng với các tháng tính theo công thức: (2- 6) ∑ Trong đó: tương ứng là doanh thu điện năng và số ngày làm việc trong tháng, doanh thu điện năng ngày thứ bảy và số ngày thứ bảy trong tháng, doanh thu điện năng ngày chủ nhật và số ngày chủ nhật trong tháng; ∑ - số ngày trong tháng tính toán; - điện năng ngày của trạm thủy điện thứ i; - đơn giá trung bình bán điện thời đoạn j của bậc thứ i (phụ thuộc điện năng trung bình ngày trong thời đoạn và công suất khả dụng). Công suất khả dụng do hạn chế bởi đặc tính turbin và máy phát điện, được xác định trên đường đặc tính vận hành của tổ máy: (2- 7) min - hiệu suất turbin xác định trên đường đặc tính turbin bằng cách nội suy trên đường đặc tính vận hành hình (2-2); - hiệu suất máy phát điện lấy theo đặc tính máy phát. Đối với tổ máy công suất lớn lấy trung bình bằng 0,98; máy trạm thủy điện thứ i; 2.3 - số tổ - công suất lắp máy của trạm thứ i. Xây dựng thu t toán quy hoạch ộng DP ối v i hệ thống b c thang hồ chứa thủy iện 2.3.1. Nguyên lý chung giải bài toán tối ưu bằng phương pháp quy hoạch động (DP) Bài toán quy hoạch động theo nguyên lý Bellman được chia thành tập hợp bài toán con (theo giai đoạn) và thực hiện phép tối ưu theo chuỗi giai đoạn kế tiếp. 2.3.2. Thuật toán quy hoạch động DP-DP Để giảm bớt khối lượng các phép toán trong các bước phân tích giải bài toán tối ưu và lưu trữ nghiệm phục vụ các bước truy hồi trong thuật toán Quy hoạch động ta có thể chia bài toán thành chuỗi bài toán con rồi tối ưu theo nhóm trạng thái. Mỗi nhóm trạng thái X bao gồm các trạng thái có chung một đặc điểm nào đó được gọi là “Trạng thái có điều kiện”. Với bậc thang hồ chứa có thể chia 13 nhóm trạng thái theo tổng dung tích trữ của các hồ chứa trong bậc thang ở cùng thời điểm, có nghĩa là tại thời điểm j các trạng thái của các hồ chứa trong bậc thang sẽ cùng một nhóm nếu tổng dung tích trữ của chúng bằng nhau. Hay có thể hiểu rằng ở thời điểm j với một tổng dung tích trữ VSj (biến trạng thái) được phân bổ cho m hồ chứa trong bậc thang với dung tính từng hồ Vi,j , i=1,2,..., m. Thuật toán DP-DP trên sơ đồ hình 2-4 xem VSj là tổng dung tích lượng nước trữ trong các hồ chứa của bậc thang tại thời điểm j là biến trạng thái, j là chỉ số giai đoạn ( thời gian). Biến trạng thái ( tổng dung tích) với giá trị từ VSmax đến VSmin được chia thành nhiều nhóm có mức với VSi,1, VSi,2, ..., VSi,k, và mỗi nhóm trạng thái tại giai đoạn j có thêm bài toán phân bổ tối ưu dung tích tổng tại mỗi nút trạng thái (bài toán không gian) tức là phân chia tối ưu trạng thái trữ nước của các hồ trong bậc thang sao cho tổng dung tích các hồ bằng VSj,k và hàm mục tiêu Fj(VSj,k,VSo) đạt giá trị lớn nhất. Thông qua quan hệ Z~V của từng hồ chứa (biểu thức 2-19) biến trạng thái của hệ thống có thể chuyển đổi lẫn nhau giữa đặc trưng trạng thái mực nước hồ và dung tích của hồ chứa. Theo thuật toán DP-DP, bài toán tối ưu dạng (2-11) và (2-12) được phân rã và tích hợp của 2 lớp bài toán quy hoạch động: chiều thời gian (bài toán 1: Tìm quá trình trữ nước tổng cộng vào các hệ thống hồ chứa sao cho hàm mục tiêu trong suốt thời gian vận hành đạt giá trị lớn nhất) và chiều không gian (bài toán 2: Tại mỗi thời đoạn tính toán, mỗi phương án tổng dung tích trữ đối với bài toán 1 cần được phân bổ cho các hồ trên hệ thống sao cho hiệu quả phát điện tương ứng với phương án trữ lớn nhất. Đây là mẫu bài toán phân bổ tối ưu tài nguyên). 2.3.3. Thuật toán quy hoạch động cho bài toán 1 Gọi ( ) là tổng lợi ích mang lại do phát điện của các trạm thủy điện trong quá trình thay đổi tổng dung tích trữ của các hồ chứa từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng . Cần tìm quỹ đạo thay đổi với k là trạng thái bất kỳ tại thời đoạn cuối, sao cho hàm mục tiêu đạt giá trị lớn 14 nhất: ( (2-37) ) Ta chia thời kỳ t 0  tn ra nhiều thời đoạn nối tiếp nhau, thời đoạn. Bài toán tối ưu dạng (2-37) được giải theo nguyên lý tối ưu nhiều giai đoạn của Bellman. Ở thời đoạn bất kỳ thứ j ta có biểu thức tổng quát của bài toán tối ưu có điều kiện như sau: ( Trong đó: ( ) ma [ ( ) ( (2-8) )] ) là lợi ích thu được khi thay đổi từ trạng thái đoạn j-1 sang trạng thái ở giai ở giai đoạn . ) là giá trị tối ưu của hàm lợi ích do thay đổi từ trạng thái ban đầu ( đến trạng thái ( Hình 2- 4: Sơ đồ mô tả sự thay đổi trạng thái theo chiều thời gian với biến trạng thái là tổng dung tích trữ của các hồ chứa ở giai đoạn j-1. ) là giá trị tối ưu của lợi ích do hay đổi từ trạng thái ban đầu trạng thái đến ở giai đoạn . Đến thời đoạn cuối cùng j = n giá trị của hàm mục tiêu sẽ là ( Với các cặp quan hệ (2- 48) ) đã lập ở tất cả các thời đoạn tính toán, thực hiện phép truy hồi ngược sẽ xác định được quỹ đạo tối ưu của bài toán tối ưu đã lập. 2.3.4. Thuật toán quy hoạch động của bài toán 2 Trong biểu thức dạng tổng quát (2-41) các giá trị ( ) tại thời đoạn tính toán phụ thuộc vào phương án phân phối tổng lượng trữ ở mức bất 15 kỳ VSj,h cho các hồ chứa của hệ thống tại thời điểm đó. Nhiệm vụ của bài toán 2 là tìm một phương án phân bổ tối ưu tổng dung tích trữ cho VS j,h cho các hồ chứa trên bậc thang tại thời đoạn đang xét j sao cho kết quả gia tăng của hàm mục tiêu khi chuyển trạng thái từ nút đến nút trạng thái đạt giá trị lớn nhất đạt giá trị lớn nhất. Gọi G là giá trị hàm mục tiêu tối ưu phân bổ dung tích các hồ chứa trong bậc thang, ta có: ( (2- 49) ) Để giải bài toán phân bổ tối ưu dung tích trữ của bậc thang hồ chứa bằng thuật toán quy hoạch động ta tiến hành theo nguyên lý Bellman phân bổ tổng dung tích theo từng giai đoạn theo thứ tự i của hồ chứa trong bậc thang. Chiến lược phẩn bổ dung tích được thực hiện theo thứ tự từ hồ trên cùng của hệ thống bậc thang cho đến hồ dưới cùng. Các điều kiện ràng buộc được kiểm tra theo từng giai đoạn của bài toán quy hoạch động DP. Đến một giai đoạn is nào đó mà có một trong các điều kiện ràng buộc tiên quyết bị vi phạm thì quỹ đạo tối ưu đến giai đoạn đó bị hủy bỏ. Như vậy, với mỗi phương án trữ nước ih của is hồ đầu tiên, giá trị hàm lợi ích cho các phương án phân bổ dung tích trữ is hồ đầu tiên là: ( Trong đó: ) ( ma [ ( ) ( )] (2- 54) ) là giá trị tối ưu đối với các phương trữ nước của is hồ chứa đầu tiên tương ứng với phương án trữ thứ ih; của is hồ đầu tiên của phương án trữ thứ ; mục tiêu tương ứng với phương án trữ nước phương án dung tích trữ của is hồ đầu tiên là trạng thái dung tích trữ ( ) là giá trị tối ưu hàm của is-1 hồ đầu tiên. Mỗi xác định được duy nhất 1 trạng thái dung tích trữ thỏa mãn điều kiện (2-52). 2.3.5. Thiết lập sơ đồ thuật toán và chương trình tính toán Thuật toán tối ưu bài toán quy hoạch động được giải theo hai bước: bước tính xuôi nhằm xác định các trạng thái tối ưu có điều kiện, bước tính ngược được 16 thực hiện để tìm nghiệm tối ưu đối với các biến số. Bài toán 2- bài toán phân bổ tài nguyên là chương trình con trong bài toán 1. Sơ đồ khối thuật toán DP-DP được trình bày trên hình 2-5. Hình 2- 5: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán điều tiết tối ưu bậc thang hồ chứa với thuật toán DP-DP (Bài toán 1). Thuật toán DP-DP trình bày trên sơ đồ hình 2-5 được lập trình bằng ngôn ngữ FORTRAN 77. 2.4 K t lu n chư ng 2 1) Hàm mục tiêu tác giả đề xuất sử dụng để tối ưu chế độ vận hành hệ thống bậc thang thủy điện là tổng lợi ích thu được lớn nhất từ việc bán điện. 17 2) Giá bán điện bao gồm giá công suất phụ thuộc vào chế độ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải điện của trạm phát điện nghiên cứu được xây dựng thành bài toán độc lập trên cơ sở biểu giá điện năng trên thị trường cạnh tranh. 3) Thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP được phát triển cho mô hình điều tiết tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện là tối ưu tổng dung tích trữ nước của các hồ chứa trong từng thời kỳ và đồng thời phân phối tối ưu lượng nước trữ trong các hồ chứa của bậc thang. Sử dụng thuật toán DP-DP giảm được đáng kể khối lượng tính toán và do đó thời gian thực hiện quá trình tính toán nhằm mục đích vận hành hồ chứa theo thời gian thực. CHƯƠNG 3 3.1 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Hiện trạng quy hoạch và xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợithủy iện trên hệ thống sông Đ Hiện nay trên lưu vực sông Đà đã đưa vào vận hành 3 công trình thủy điện lớn trên dòng chính (Hòa Bình, Sơn La, Lai Châu, trên sông nhánh Nậm Mu (phụ lưu cấp I) có 2 công trình loại vừa: Bản Chát, Huội Quảng và khoảng 15 công trình ở các phụ lưu khác nhưng dung tích hồ chứa và quy mô công suất không lớn, ảnh hưởng không nhiều đến chế độ điều tiết chung của dòng chảy sông Đà. 3.2 Xây dựng mô hình toán v n hành tối ưu hệ thống b c thang thủy iện sông Đà Trên cơ sở các nghiên cứu của các cơ quan chức năng, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1622/QĐ-TTg về việc ban hành “Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng”. Tại văn bản này quy định trong mùa cạn việc cung cấp nước chống hạn và đảm bảo các yêu cầu lợi dụng tổng hợp khác cũng như duy trì dòng chảy môi trường được quy định theo mực nước hạ lưu tại Sơn Tây thời kỳ 15/9 đến 15/5 năm sau là 1,18 m tương ứng lưu lượng 500 m³/s. Trong đó mực nước tại Hà Nội thời kỳ cấp nước đổ ải vụ đông xuân (Thời kỳ tháng I+II hàng năm được xác định theo lịch thời vụ hàng năm) là 18