MỞ ĐẦU I. Giới thiệu chung: Vận hành kinh tế là công tác rất quan trọng trong hệ thống năng lượng, nhằm thu hồi lợi nhuận từ vốn đầu tư ban đầu. Do sức ép từ giá cả năng lượng và việc bảo tồn nguồn nguyên liệu, nên các nhà máy cần phải cực đại hiệu suất sản xuất nhằm giảm thiểu chi phí cho mỗi kilowat giờ đến người tiêu dùng và các công ty phân phối. Vận hành kinh tế bao gồm quá trình sản xuất và quá trình phân phối vì vậy nó được chia thành 2 phần.
Phần thứ 1 là cực tiểu chi phí sản xuất hay còn gọi là bài toán vận hành kinh tế công suất phát và phần thứ 2 là cực tiểu năng lượng tổn thất trong quá trình truyền tải năng lượng từ các nhà máy đến phụ tải. Mục tiêu của bài toán vận hành kinh tế công suất phát là xác định công suất phát cho mỗi nhà máy (và cho mỗi tổ máy trong nhà máy) nhằm cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu cần thiết phục vụ cho hệ thống phụ tải. Vì vậy, những bài toán vận hành kinh tế công suất phát tập trung vào việc sắp xếp chi phí sản xuất của tất cả các tổ nhà máy trong hệ thống sao cho tối ưu về kinh tế nhất. Bài toán cực tiểu tổn thất có rất nhiều dạng phụ thuộc vào cách thức điều khiển dòng công suất trong hệ thống.
Cả 2 bài toán cực tiểu chi phí lẫn cực tiểu tổn thất năng lượng đều được giải quyết dựa trên khả năng phân bố tối ưu công suất. Ta có thể thấy bài toán vận hành kinh tế công suất phát là một trong những bài toán cơ bản nhất của ngành hệ thống, từ xưa đến nay các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra những phương pháp tính toán tối ưu và tiết kiệm thời gian nhất. Ta có thể điểm qua một vài phương pháp cổ điển như: Lagrange Relaxation, Newton – Raphson, quy hoạch tuyến tính, quy hoạch toàn phương, … và những phương pháp hiện đại như: mạng neuron, lý thuyết mờ, thuật toán di truyền,… 14 Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Phúc Khải 2. Bài toán vận hành kinh tế công suất phát: Đây là ạng toán xuất hiện sớm nhất, nó xuất phát từ yêu cầu cung cấp năng lượng sao cho hiệu quả nhất cho các phụ tải ánh sáng.
Khi phụ tải tăng, năng lượng sẽ được cung cấp bởi tổ máy có hiệu suất cao nhất cho đến lượng công suất đạt đến giá trị hiệu suất lớn nhất của tổ máy có thể đạt được. Sau đó, phụ tải lại tiếp tục tăng, ta phải thêm vào hệ thống những tổ máy mới. Và cũng theo quy tắc đó, tổ máy thứ 3 sẽ không được huy động công suất nếu tổ máy thứ 2 chưa đạt đến điểm cực đại hiệu suất. Rõ ràng thậm chí khi bỏ qua công suất tổn hao trong truyền tải thì phương pháp này cũng thất bại trong việc cực tiểu hóa chi phí sản xuất.
Để xác định sự phân bố công suất kinh tế giữa các loại tổ máy khác nhau, chi phí vận hành của mỗi tổ máy phải được biểu diễn theo giá trị công suất phát. Trong các nhà máy nhiệt điện hóa thạch, chi phí nhiên liệu chiếm tỷ lệ lớn trên tổng chi phí vận hành của nhà máy. Đối với nhà máy điện nguyên tử, chi phí nguyên liệu nguyên tử cũng được tính toán theo công suất phát. Như vậy, ta nhận thấy rằng tất cả các chi phí vận hành, bao gồm cả chi phí cho nhiên liệu, đều được biểu diễn theo công suất phát.
Khi đó, ta hình thành đường đặc tuyến biểu diễn mối quan hệ giữa công suất phát ra và chi phí nguyên liệu vào. Nếu đường đặc tính được biểu diễn theo hàm bậc 2 thì ta có thể viết biểu thức chi phí nguyên liệu như sau: fi ai bi .1) cũng là biểu thức tính toán chi phí nguyên liệu thông dụng nhất trong hầu hết các bài toán vận hành kinh tế công suất phát hiện nay. Trong luận văn này, biểu thức (1.1) cũng được sử dụng để tính toán chi phí cho các tổ máy. Vận hành tối ưu các tổ máy: Bởi vì tổng phụ tải của hệ thống điện thay đổi liên tục trong ngày và có thể đạt giá trị đỉnh khác nhau trong những ngày khác nhau.
Do đó, người vận hành hệ thống phải quyết định những tổ máy nào được huy động công suất, khi nào kết nối nó vào lưới, khi 15 Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Phúc Khải nào dừng kết nối,… Một tổ máy được vận hành như vậy ta nói nó được vận hành tối ưu và chương trình máy tính giúp ta quyết định chuỗi vận hành của tổ máy ta gọi là vận hành tối ưu các tổ máy (Unit commitment – UC). Ở đây ta chỉ xem xét vận hành tối ưu các tổ máy nhiệt điện hóa thạch. Không giống như bài toán vận hành kinh tế công suất phát, bài toán vận hành tối ưu các tổ máy thường phức tạp hơn rất nhiều. Đối với bài toán vận hành kinh tế công suất phát, tại mỗi thời điểm xét, ta chỉ cần chú ý đến phụ tải hệ thống hiện đang hoạt động.
Trong khi bài toán vận hành tối ưu các tổ máy lại quyết định thời điểm kinh tế nhất để khởi động hoặc dừng tổ máy, đồng thời vẫn phải đảm bảo tính kinh tế trong từng thời điểm vận hành. Như vậy bài toán vận hành tối ưu các tổ máy ngoài ý nghĩa là sự cộng hợp của nhiều bài toán vận hành kinh tế công suất trong mỗi thời điểm xét, dạng toán này còn xét đến các điều kiện ràng buộc khác đảm bảo các tổ máy phát cũng như hệ thống điện vận hành an toàn như thời gian tắt/mở máy tối thiểu, dự trữ công suất, độ dốc giới hạn khi tăng/giảm công suất phát, các điều kiện giới hạn về nhân lực,… Bên cạnh đó, khi vận hành tối ưu các tổ máy phát ta cũng phải tính đến dự báo phụ tải của hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định. Nói chung bài toán vận hành tối ưu các tổ máy phát là dạng toán mang tính thực tế cao, có khối lượng tính toán lớn, không tuyến tính và phức hợp nhiều biến số ảnh hưởng lẫn nhau. Giải bài toán là quá trình đưa ra những quyết định phức tạp nhằm thoả mãn nhiều yêu cầu.
Mục tiêu nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài: 1. Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm ra một phương pháp xây ựng lịch trình vận hành các tổ máy phát sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất. Phương pháp được sử dụng ở đây là thuật toán thứ tự ưu tiên kết hợp với mạng neuron Lagrange – Hop iel tăng cường. Dựa vào các mô hình bài toán vận hành tối ưu các tổ máy phát đã được công bố rộng rãi 16 Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Phúc Khải trong các tạp chí, bài báo khoa học, chúng tôi áp dụng thuật toán o mình đề xuất để giải quyết các bài toán trên, đồng thời so sánh kết quả với các phương pháp đã được áp dụng.
Kết quả so sánh chú trọng vào 2 yếu tố chính là kết quả tính toán tối ưu và thời gian giải quyết bài toán. Từ đó, chúng tôi rút ra kết luận về hiệu quả của phương pháp o mình đề xuất. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu và giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy phát nhiệt điện dựa trên sự cải tiến về mạng neuron Hop iel. Các bài toán được thử nghiệm tăng ần tính phức tạp, từ 4 tổ máy lên đến 100 tổ máy với thời gian vận hành trong mỗi trường hợp là 24 giờ.
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 và, đặc biệt, thuật toán có thời gian tính toán rất nhanh hoàn toàn vượt trội so với các phương pháp khác. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài là nền tảng để phát triển các chương trình phần mềm phục vụ cho công tác vận hành, điều độ hệ thống điện, phục vụ cho các công ty sản xuất điện. 17 Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Phúc Khải Chương 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC MÁY PHÁT I.
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 diểm qua một vài phương pháp như sau: thứ tự ưu tiên (priority list), quy hoạch động (dynamic programing), 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. Các phương pháp cổ điển: 1. Phương pháp thứ tự ưu tiên: Phương pháp thứ tự ưu tiên là phương pháp đơn giản và được áp ụng sớm nhất để giải bài toán vận hành kinh tế các tổ máy. Kể từ khi ra đời, phương pháp thứ tự ưu tiên đã không ngừng được cải tiến cũng như kèm thêm các điều kiện ràng buộc cho bài toán vận hành kinh tế tổ máy.
Từ bài toán đơn giản ban đầu với hàm chi phí khởi động và thời gian tắt máy, phương pháp thứ tự ưu tiên đã xem xét thêm các điều kiện ự trữ công suất,… Để tăng khả năng tính toán cho các bài toán lớn, phương pháp thứ tự ưu tiên cũng được kết hợp với thuật toán tìm kiếm hiện đại. Ý tưởng chính của phương pháp thứ tự ưu tiên là ựa vào một chỉ tiêu kinh tế nào đó, ta xây ựng lịch trình khởi động các tổ máy sao cho phương án tiết kiệm nhất được đưa lên đầu, tiếp theo sau là các phương án có chi 18 Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Phúc Khải phí cao hơn.