Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện lựa chọn vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy điện sử dụng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vận hành tối ưu tổ máy nhà máy điện bằng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Nhân
• Người hướng dẫn: TS. Lê Kỷ
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Lựa chọn vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy điện sử dụng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận Văn Thạc Sĩ: Tối Ưu Vận Hành Tổ Máy Nhà Máy Điện Bằng Phương Pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến Và Quy Hoạch Toàn Phương tập trung vào việc giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy điện. Bài toán này nhằm mục đích xác định lịch trình làm việc cho các tổ máy, đảm bảo đáp ứng nhu cầu phụ tải với các ràng buộc kỹ thuật và kinh tế. Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương được đề xuất để tối ưu hóa chi phí vận hành và thời gian tính toán. Luận văn này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh ngày càng gay gắt.

1.1. Bài toán vận hành kinh tế công suất phát

Bài toán vận hành kinh tế công suất phát là một trong những bài toán cơ bản nhất trong ngành hệ thống điện. Mục tiêu của bài toán là xác định công suất phát cho mỗi tổ máy sao cho chi phí nhiên liệu được tối thiểu hóa. Phương pháp này dựa trên việc sắp xếp chi phí sản xuất của các tổ máy để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Các phương pháp cổ điển như Lagrange Relaxation, Quy Hoạch Tuyến Tính, và Quy Hoạch Toàn Phương đã được áp dụng để giải quyết bài toán này.

1.2. Vận hành tối ưu các tổ máy

Bài toán vận hành tối ưu các tổ máy (Unit Commitment - UC) phức tạp hơn so với bài toán vận hành kinh tế công suất phát. Nó không chỉ xác định công suất phát mà còn quyết định thời điểm khởi động hoặc dừng các tổ máy. Bài toán này đòi hỏi phải tính toán các ràng buộc kỹ thuật như thời gian ngừng/khởi động tối thiểu, dự trữ công suất, và giới hạn tốc độ tăng/giảm công suất. Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương được đề xuất để giải quyết bài toán này một cách hiệu quả.

II. Phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương

Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương được đề xuất để giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng một thuật toán mới, kết hợp giữa việc sắp xếp thứ tự ưu tiên các tổ máy và tối ưu hóa chi phí vận hành. Thuật toán này được áp dụng trên mô hình hệ thống điện của nhà máy nhiệt điện Ô Môn – Cần Thơ, mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm thời gian tính toán.

2.1. Phương pháp danh sách ưu tiên cổ điển

Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cổ Điển dựa trên việc sắp xếp các tổ máy theo thứ tự ưu tiên dựa trên hiệu suất và chi phí vận hành. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế trong việc xử lý các ràng buộc kỹ thuật phức tạp và không đảm bảo tính tối ưu toàn cục. Do đó, phương pháp này cần được cải tiến để phù hợp với các bài toán vận hành hiện đại.

2.2. Đề xuất phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến

Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến được đề xuất để khắc phục các hạn chế của phương pháp cổ điển. Phương pháp này kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương để tối ưu hóa chi phí vận hành và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật. Thuật toán này được xây dựng dựa trên việc hiệu chỉnh chi phí khởi động và tắt các tổ máy, đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả trong vận hành.

III. Áp dụng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương

Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương được áp dụng để giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy nhiệt điện Ô Môn – Cần Thơ. Kết quả tính toán cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương pháp vận hành thực tế. Phương pháp này cũng giúp tiết kiệm thời gian tính toán và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật trong vận hành.

3.1. Kết quả tính toán cho nhà máy nhiệt điện Ô Môn Cần Thơ

Kết quả tính toán dựa trên phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến và Quy Hoạch Toàn Phương cho thấy chi phí vận hành được giảm thiểu đáng kể so với phương pháp vận hành thực tế. Phương pháp này cũng đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật như thời gian ngừng/khởi động tối thiểu và dự trữ công suất. Kết quả này khẳng định tính hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp đề xuất.

3.2. So sánh kết quả tính toán với thực tế

So sánh kết quả tính toán theo phương pháp đề xuất với thực tế vận hành của nhà máy nhiệt điện Ô Môn – Cần Thơ cho thấy phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến và Quy Hoạch Toàn Phương mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Phương pháp này giúp giảm chi phí vận hành và đảm bảo tính an toàn trong vận hành các tổ máy.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã đề xuất một phương pháp mới để giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy điện. Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến kết hợp với Quy Hoạch Toàn Phương mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm thời gian tính toán. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, là nền tảng để phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực vận hành nhà máy điện.

4.1. Kết luận

Phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến và Quy Hoạch Toàn Phương đã chứng minh tính hiệu quả trong việc giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy. Phương pháp này giúp giảm chi phí vận hành và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển của đề tài là ứng dụng phương pháp Danh Sách Ưu Tiên Cải Tiến và Quy Hoạch Toàn Phương cho các nhà máy điện khác, đồng thời nghiên cứu cải tiến thuật toán để tối ưu hóa hơn nữa chi phí vận hành và thời gian tính toán.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Thực hiện theo Quyết định số 63/2013/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 08/11/2013 phê duyệt lộ trình, các điều kiện và cơ cấu ngành điện để hình thành và phát triển các cấp độ thị trường điện lực tại Việt Nam, Theo đó, ba Tổng công ty Phát điện được thành lập, thị trường điện Việt Nam vận hành và phát triển theo ba cấp độ, hiện nay đang trong giai đoạn vận hành theo cơ chế thị trường phát điện cạnh tranh, từ đó, các Tổng công ty Phát điện đã đưa ra nhiều chủ trương, trong đó xác định thực hiện 3 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS. Lê Kỷ chủ trương tối ưu hóa chi phí trong sản xuất kinh doanh, giảm chi phí sản xuất, đem lại lợi nhuận cao nhất cho Tổng công ty là yếu tố then chốt quyết định khả năng cạnh tranh và sự tồn tại lâu dài, để thực hiện được các vấn đề nêu trên, một trong các giải pháp để giảm chi phí vận hành, góp phần tăng lợi nhuận là vận hành tối ưu các tổ máy trong một nhà máy từ đó đưa ra chiến lược chào giá tốt nhất cho từng tổ máy ở các dãy công suất khác nhau là một vấn đề quan trọng được đặt ra.5 Tính cấp thiết của đề tài Nhà máy nhiệt điện Cần Thơ – Ô Môn bao gồm các tổ máy như sau: Tổ máy S1 có công suất lắp đặt 330 MW. Tổ máy S4 có công suất lắp đặt 33 MW. Tổ máy GT1 có công suất lắp đặt 34 MW.

Tổ máy GT2 có công suất lắp đặt 34 MW. Tổ máy GT3 có công suất lắp đặt 34 MW. Tổ máy GT4 có công suất lắp đặt 34 MW. Chi phí sản xuất nói chung bao gồm chi phí cố định và chi phí biến đổi.

Chi phí cố định rất quan trọng trong việc quyết định giá công suất khi thương thảo các hợp đồng. Phần lớn là chi phí biến đổi (chi phí vận hành) là những chi phí liên quan đến việc huy động các tổ máy và phụ thuộc vào các chế độ khác nhau của hệ thống điện. Các chi phí biến đổi phụ thuộc vào các quyết định vận hành của nhân viên vận hành. Chi phí biến đổi bao gồm: chi phí nhiên liệu, chi phí khởi động, dừng máy và chi phí dừng dự phòng.

Chính vì thế, để tối ưu hóa chi phí cần có một công cụ giúp cho điều hành viên theo dõi, giám sát, ra quyết định để lựa chọn phù hợp các tổ máy phát nhằm giảm chi phí vận hành, giảm sự cố, để tối ưu hóa lợi nhuận. Trước tình hình thực tế như vậy, tôi quyết định chọn đề tài “ Lựa chọn vận hành tối ưu các tổ máy trong nhà máy điện sử dụng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương” với mục đích xây dựng lịch trình vận hành tối ưu các tổ 4 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS. Lê Kỷ máy trong nhà máy điện, từ đó tối ưu hóa chi phí sản xuất tiến đến đưa ra chiến lược chào giá tối ưu.6 Mục tiêu của đề tài Bài toán ED( economic dispatch) đã có lịch sử phát triển từ lâu đời, nó có ý nghĩa quan trọng trong quy hoạch và điều khiển hệ thống điện. Tuy nhiên cho đến nay nhiều vấn đề liên quan đến bài toán ED vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện.

Chẳng hạn như sự đảm bảo tính hội tụ và tìm đến lời giải tối ưu đối với bài toán ED không lồi dạng tổng quát cũng như độ tin cậy của thuật toán mà các phương pháp cổ điển và hiện tại chưa giải quyết được. Bài toán điều độ tối ưu sử dụng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương là sự kết hợp hoàn hảo trong việc giải quyết những vấn đề như tối ưu chi phí sản xuất, vận hành an toàn, tin cậy. Xây dựng lịch trình khởi động, vận hành và ngừng các tổ máy phát trong nhà máy điện sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất để giúp cho các kỹ sư vận hành ra các quyết định lựa chọn vận hành tối ưu các tổ máy đáp ứng các yêu cầu phụ tải. Một trong những hỗ trợ đó là một chương trình dựa trên phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương để lập lịch huy động, cải thiện phân bố công suất tối ưu.

Việc tính toán có khả năng thông báo, cập nhật cho các vận hành viên các kịch bản huy động các tổ máy. Đề tài sẽ là công cụ cơ sở cho các vận hành viên ra quyết định vận hành cho các tổ máy trong nhà máy.7 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu Nghiên cứu điều độ tối ưu dùng phương pháp danh sách ưu tiên cải tiến và quy hoạch toàn phương để áp dụng cho việc điều độ nhà máy điện Cần Thơ – Ô Môn. Với số liệu thiết kế, các thông số vận hành thực tế và kinh nghiệm vận hành trong các năm qua của nhà máy điện Cần Thơ – Ô Môn sẽ được sử dụng để làm số liệu đầu vào cho bài toán. 5 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS.

Lê Kỷ Mô hình hóa các số liệu để đảm bảo sự phối kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Đảm bảo tính đúng đắn của các kịch bản nhằm tạo tiền đề cho các nghiên cứu chuyên sâu và áp dụng thực tế. Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng tính toán và phân tích, đánh giá kết quả.8 Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả nghiên cứu đề xuất được một thuật toán mới để giải quyết bài toán vận hành tố ưu các tổ máy phát. Thuật toán mới này thể hiện tính ưu việt khi tìm lời giải tối ưu cho bài toán lựa chọn vận hành tối ưu.9 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài là nền tảng để phát triển việc lập lịch huy động tối ưu áp dụng cho nhiều tổ máy phục vụ công tác vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất điện, tối ưu hóa chi phí của các nhà máy điện.

6 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS. Lê Kỷ CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC TỔ MÁY PHÁT 2.1 Giới thiệu chung Bài toán vận hành tối ưu các tổ máy là một trong những bài toán trọng tâm của việc vận hành hệ thống điện. Do tổng công suất phụ tải của hệ thống theo từng ngày, từng tuần là khác nhau và giá trị phụ tải đỉnh giữa các ngày cũng không giống nhau, vì vậy người vận hành cần phải xác định được những tổ máy nào cần được huy động và huy động công suất bao nhiêu để đáp ứng được bài toán kinh tế. Đã có rất nhiều các phương pháp được áp dụng để giải quyết bài toán này, ta có thể điểm qua một vài phương pháp như sau: thứ tự ưu tiên (priority list), quy hoạch động (dynamic programming), Lagrange relaxation,.

Mỗi phương pháp đều có những ưu và khuyết điểm riêng khi áp dụng vào bài toán. Phần trình bày trong chương này sẽ giới thiệu sơ lược một số phương pháp cũng như ưu và khuyết điểm của nó.2 Các phương pháp cổ điển 2.1 Phương pháp quy hoạch động (dynamic programming) Phương pháp này được áp dụng khi cần vận hành tối ưu một hệ thống được phân cấp. Nó phù hợp khi một quyết định ở cấp sau không ảnh hưởng gì đến quyết định ở các cấp trước đó. Dynamic programming dựa trên nguyên tắc vận hành tối ưu do Bellman đưa ra năm 1957.

Trong nguyên tắc vận hành này thì quyết định chia thành nhiều cấp và một quyết định đưa ra không ảnh hưởng đến các cấp phía trước nó mà chỉ ảnh hưởng đến các cấp phía sau. Nguyên tắc và phương pháp nghiên cứu dựa vào cách đi đường truyền dẫn. Chọn sơ đồ đường truyền như hình dưới đây. Giá trị trên đường truyền là chi phí truyền dẫn 7 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS.

Lê Kỷ dọc theo đường truyền. Giả sử G là điểm muốn đến từ các điểm A, B, C, D, E, F. Chiều dịch chuyển theo hướng mũi tên. E 1 F 6 1 1 A H G 1 3 2 B 3 C 2 D Chi phí đến G như sau: Từ D đến G CDG  3  CDG 0 Từ H đến G thông qua D 0 CHG  CHD  CDG 0  1 3  4 Từ C đến G thông qua D 0 CCG  CCD  CDG 0  235 Tương tự vậy 0 CFG  min(CFG , CFH  CHG 0 )  min(6,1  4)  5 0 CEG  min(CEF  CFG 0 , CEC  CCG 0 )  min(1  5, 4  5)  6 theo EFHDG 0 CBG  min(CBC  CCG 0 )  min(3  5)  8 theo BCDG 0 C AG  min(C AB  CBG 0 , C AE  CEG 0 )  min(2  8,1  6)  7 theo AEFHDG 8 HVTH: Nguyễn Hữu Nhân CBHD: TS.

Lê Kỷ Ta có thể tìm chi phí nhỏ nhất từ điểm P đến điểm R thông qua điểm Q như sau: 0 CPR  CPQ  CQR 0 với CPQ là chi phí đi từ P tới Q và CQR 0 là chi phí tối ưu (nhỏ nhất) để đi từ Q đến R. Chi phí tối ưu tại Q là : 0 CQR  min(CQ1R , CQ 2 R ,., QNR là N đường có thể đi từ R tới Q.2 Phương pháp cận và nhánh Ý tưởng cơ bản của phương pháp cận – nhánh là chia bài toán ban đầu thành nhiều bài toán nhỏ và liệt kê chúng theo một trật tự logic. Quá trình tìm kiếm được tổ chức thành một “cây cận – nhánh”, trong đó mỗi nhánh là một bài toán nhỏ được phân chia từ bài toán ban đầu và mỗi “lá” là một giải pháp khả dĩ cho bài toán lớn. Kết quả tối ưu của mỗi bài toán nhỏ tạo nên cận dưới cho các nhánh con của nó, đồng thời giá trị cực tiểu của hàm mục tiêu là cận trên của các nhánh con.

Nếu tại thời điểm nào đó, cận dưới của nhánh con lớn hơn cận trên thì nhánh con đó sẽ không được xem xét tiếp. Quá trình tìm kiếm kết thúc khi ta tìm được nhánh có cận trên bằng cận dưới. Phương pháp cận – nhánh đã được áp dụng để giải quyết bài toán UC.3 Phương pháp quy hoạch tuyến tính Phương pháp quy hoạch tuyến tính đã được sử dụng từ rất lâu để giải quyết các bài toán vận hành trong hệ thống điện. Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản và hiệu quả của nó.