Nghiên Cứu Mô Hình Toán Quy Hoạch Nguồn Ảnh Hưởng Đến Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện

Khám phá luận văn thạc sĩ về thiết bị mạng và nhà máy điện, mô hình toán giải bài toán quy hoạch nguồn và ảnh hưởng của các thông số.

• Tác giả: Phạm Hoàng Nam Mân
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Quy Hoạch Nguồn Tối Ƣu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Hướng tiếp cận của đề tài
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về quy hoạch nguồn
• 2.2. Tổng quan về các phương pháp giải bài toán quy hoạch
• 2.2.1. Phương pháp đơn hình
• 2.2.2. Phương pháp đơn hình cải biên
• 2.2.3. Phương pháp Karmarkar
• 2.2.4. Phương pháp Lagrange
• 2.2.5. Hệ chuyên gia (Expert System)
• 2.2.6. Thuật toán GEN
• 2.2.7. Thuật toán PSO
• 2.3. Tổng quan về các loại nhà máy điện
• 2.3.1. Nhà máy thủy điện
• 2.4. Tổng quan về bài toán tối ưu
• 3. CHƯƠNG 3: THÀNH LẬP BÀI TOÁN
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC MÔ HÌNH QUY HOẠCH TỐI ƯU
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 6. CHƯƠNG 6: NHỮNG ĐỊNH HƯỚNG TƯƠNG LAI

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Mô hình toán quy hoạch nguồn trong thiết bị mạng và nhà máy điện là một lĩnh vực quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia. Quy hoạch nguồn tối ưu không chỉ giúp xác định loại nhà máy điện nào cần xây dựng mà còn xác định công suất và thời điểm lắp đặt. Việc này đòi hỏi một mô hình toán học chính xác để đáp ứng nhu cầu phụ tải trong tương lai mà không gây lãng phí đầu tư. Mô hình này cần xem xét nhiều yếu tố như chi phí lắp đặt, vận hành và ảnh hưởng của các thông số đến kết quả bài toán. Đặc biệt, việc dự báo phụ tải là khâu then chốt, quyết định sự thành công của quy hoạch. Nếu dự báo không chính xác, hệ thống có thể gặp phải tình trạng thiếu hụt hoặc dư thừa công suất, gây lãng phí. Do đó, việc xây dựng mô hình toán học với các điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tế là rất cần thiết.

1.1 Đặt vấn đề

Quy hoạch phát triển nguồn điện là một nhiệm vụ phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố như tình hình kinh tế, chính trị và các chính sách vĩ mô. Việc không thực hiện tốt quy hoạch có thể dẫn đến tình trạng mất cân đối trong cung cấp điện, ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế. Mô hình toán học được đề xuất trong luận văn này nhằm giải quyết bài toán quy hoạch nguồn tối ưu, với mục tiêu giảm thiểu chi phí và đảm bảo cung cấp điện liên tục, ổn định.

II. Tổng quan về quy hoạch nguồn

Quy hoạch nguồn điện là một phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đòi hỏi các nhà máy điện phải được quy hoạch một cách hợp lý. Quy hoạch này không chỉ bao gồm việc xác định loại nhà máy mà còn phải tính đến các yếu tố như chi phí, độ tin cậy và tác động đến môi trường. Các phương pháp quy hoạch hiện nay như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch nguyên và quy hoạch động đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa chi phí và đảm bảo cung cấp điện hiệu quả. Đặc biệt, việc dự báo phụ tải là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến quyết định quy hoạch.

2.1 Tổng quan về quy hoạch nguồn

Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người rất đa dạng và lớn. Quy hoạch nguồn điện cần phải đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Hệ thống điện hiện nay bao gồm nhiều thành phần như nhà máy phát điện, mạng truyền tải và phân phối. Việc quy hoạch cần phải xem xét đến các yếu tố như chi phí, công suất và vị trí lắp đặt. Nếu không có một quy hoạch hợp lý, hệ thống điện có thể gặp phải tình trạng thiếu hụt hoặc dư thừa công suất, gây lãng phí và ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế.

III. Các mô hình quy hoạch tối ưu

Các mô hình quy hoạch tối ưu được sử dụng để giải quyết bài toán quy hoạch nguồn điện. Mô hình này cần phải xem xét nhiều yếu tố như chi phí lắp đặt, vận hành và các ràng buộc về công suất, điện năng và môi trường. Việc áp dụng các phương pháp như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch nguyên và quy hoạch động sẽ giúp tìm ra giải pháp tối ưu cho bài toán. Mỗi phương pháp có những ưu điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa chi phí và đảm bảo cung cấp điện hiệu quả. Đặc biệt, việc xây dựng mô hình toán học với các điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tế là rất cần thiết.

3.1 Phương pháp quy hoạch tuyến tính

Phương pháp quy hoạch tuyến tính là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong quy hoạch nguồn. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng một hàm mục tiêu và các ràng buộc để tìm ra giải pháp tối ưu. Việc áp dụng phương pháp này giúp xác định được cấu trúc tối ưu cho nguồn điện, từ đó giảm thiểu chi phí và đảm bảo cung cấp điện hiệu quả. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế, đặc biệt là khi áp dụng cho các bài toán phi tuyến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quy hoạch phát triển nguồn điện là một trong những trụ cột then chốt bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia và duy trì tốc độ tăng trưởng kinh tế bền vững. Tại các quốc gia đang phát triển, nhu cầu phụ tải điện thường tăng trưởng ở mức từ 8% đến 12% mỗi năm, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tối ưu hóa dòng vốn đầu tư hạ tầng phát điện. Nếu công tác quy hoạch dự báo sai lệch chỉ 5% công suất đỉnh, hệ thống có thể đối mặt với tình trạng thiếu hụt năng lượng gây mất ổn định lưới điện hoặc dư thừa hàng nghìn megawatt công suất gây lãng phí hàng triệu USD vốn đầu tư công.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là giải quyết bài toán quy hoạch phát triển nguồn dài hạn: xác định chính xác loại hình nhà máy điện, quy mô công suất lắp đặt, thời điểm đưa vào vận hành và địa điểm bố trí tối ưu nhằm đáp ứng trọn vẹn biểu đồ phụ tải dự báo. Luận văn thiết lập mục tiêu giảm thiểu tổng chi phí toàn vòng đời dự án (gồm chi phí đầu tư xây dựng, chi phí nhiên liệu vận hành và chi phí bảo dưỡng cố định - biến đổi), đồng thời thỏa mãn các điều kiện ràng buộc kỹ thuật và giới hạn phát thải môi trường.

Nghiên cứu tập trung vào mô hình hệ thống điện một nút trong khung thời gian quy hoạch dài hạn từ 10 đến 20 năm, tích hợp các ràng buộc thực tiễn như độ dự trữ công suất hệ thống từ 15% đến 25% và giới hạn phát thải khí CO2 dưới 1,0 kg CO2/kWh. Kết quả của đề tài mang lại ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn to lớn, cung cấp mô hình toán học giải quyết triệt để tính rời rạc của số lượng tổ máy, giúp tiết kiệm từ 6% đến 10% tổng chi phí đầu tư cho toàn hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết tối ưu hóa toán học và lý thuyết kinh tế hệ thống điện động lực. Mô hình toán học tổng quát được xây dựng với hàm mục tiêu giảm thiểu tổng chi phí Ctotal = Cinv + Cfuel + CO&M + CENS, quy đổi dòng tiền về thời điểm hiện tại thông qua hệ số chiết khấu tài chính r dao động từ 8% đến 10%.

Khung lý thuyết tích hợp ba khái niệm cốt lõi trong quy hoạch nguồn:

1. Độ dự trữ công suất yêu cầu (Reserve Margin): Bảo đảm tổng công suất phát luôn lớn hơn phụ tải đỉnh một tỷ lệ an toàn từ 15% đến 20% nhằm bù đắp sự cố ngắt máy ngoài kế hoạch và công tác bảo dưỡng định kỳ.
2. Suất tiêu hao và giới hạn nhiên liệu: Mô hình hóa mối quan hệ phi tuyến giữa sản lượng điện phát ra và lượng nhiên liệu sơ cấp (than đá, khí thiên nhiên, dầu diesel) có sẵn theo từng giai đoạn.
3. Cân bằng kinh tế - môi trường: Đưa giới hạn phát thải khí nhà kính (CO2, SOx, NOx) thành các hàm ràng buộc bất phương trình trực tiếp, bắt buộc hệ thống chuyển đổi từ nhiệt điện than truyền thống có mức phát thải 1,2 đến 1,3 kg CO2/kWh sang công nghệ tiên tiến có mức phát thải dưới 1,0 kg CO2/kWh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm phục vụ tính toán được thu thập từ các báo cáo khảo sát kỹ thuật của Công ty Tư vấn Thiết kế điện 2 và Công ty Tư vấn Thiết kế điện 3. Bộ dữ liệu mẫu bao gồm 6 nhóm công nghệ nguồn điện đại diện: Thủy điện (suất đầu tư lớn với chi phí xây dựng chiếm 60% tổng vốn, hiệu suất 85 - 90%), Nhiệt điện than (hiệu suất 30 - 40%), Tua-bin khí chu trình hỗn hợp (hiệu suất 55 - 60%), Điện diesel, Điện hạt nhân thế hệ III+ và Phong điện (hiệu suất vận hành khoảng 60% với công suất tỷ lệ bậc 3 theo vận tốc gió).

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm lựa chọn 15 kịch bản cấu hình tổ máy tối ưu trên thị trường năng lượng. Thay vì sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính làm tròn số học vốn tạo ra sai số lớn và vi phạm các ràng buộc biên, luận văn lựa chọn phương pháp quy hoạch nguyên (Integer Programming) kết hợp thuật toán mặt phẳng cắt Gomory và quy hoạch động (Dynamic Programming). Lý do lựa chọn là thuật toán Gomory cho phép thu hẹp miền khả thi liên tục thành đa diện lồi mới chứa đúng các điểm nguyên tối ưu thông qua các lát cắt phụ, bảo đảm tính hội tụ hữu hạn và phản ánh chính xác số lượng nguyên vẹn của từng tổ máy phát điện đưa vào vận hành hàng năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình quy hoạch nguồn tối ưu ứng dụng thuật toán mặt phẳng cắt Gomory và quy hoạch động đã mang lại những kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, việc áp dụng mô hình biến nguyên hoàn toàn đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nghiệm phân số (như 1,5 tổ máy hay 2,3 tổ máy), giúp giảm lãng phí vốn đầu tư khoảng 8,5% so với phương pháp quy hoạch tuyến tính làm tròn thông thường. Hệ thống xác định chính xác số lượng nguyên các tổ máy nhiệt điện và tua-bin khí cần bổ sung theo từng mốc thời gian cụ thể.

Thứ hai, việc đưa ràng buộc môi trường với ngưỡng phát thải CO2 giảm dần từ 1,3 kg CO2/kWh xuống 1,0 kg CO2/kWh đã tạo ra sự chuyển dịch cấu trúc nguồn điện rõ rệt. Tỷ trọng tua-bin khí chu trình hỗn hợp tăng thêm 18% nhờ hiệu suất cao 55 - 60% và lượng khí thải thấp hơn 40% so với nhiệt điện than truyền thống.

Thứ ba, nghiên cứu làm rõ tính chất phi tuyến của suất đầu tư thủy điện. Chi phí xây đập và tạo hồ chứa chiếm tới 60% tổng chi phí công trình bất kể quy mô công suất ban đầu. Khi tính toán theo hệ số mùa nước β, thủy điện phát huy tối đa 100% công suất trong mùa mưa để chạy nền và chỉ phát phủ đỉnh trong mùa khô, giúp giảm 14% tổng chi phí nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện phụ trợ.

Thứ tư, nguồn phong điện thể hiện tiềm năng giảm chi phí vận hành dài hạn khi khai thác tại các khu vực có cấp gió từ cấp 4 đến cấp 6 (tốc độ gió đạt từ 5,6 m/s đến 7,0 m/s ở độ cao 10m). Do công suất phát tăng gấp 8 lần khi tốc độ gió tăng gấp đôi, việc bổ sung 10% công suất điện gió vào cơ cấu nguồn giúp hệ thống tiết kiệm ước tính 12 triệu USD chi phí nhiên liệu hàng năm.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện của đề tài phản ánh đúng bản chất kỹ thuật và kinh tế của quá trình vận hành hệ thống điện thực tế. Khác với các thuật toán suy nghiệm trí tuệ nhân tạo như Thuật toán Di truyền (GA) hay Thuật toán Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) thường gặp khó khăn về hội tụ cục bộ trong các bài toán quy mô lớn có nhiều ràng buộc khắt khe, phương pháp toán học Gomory kết hợp quy hoạch động luôn đảm bảo tìm được nghiệm tối ưu toàn cục.

Trong báo cáo thực tế, toàn bộ kết quả phân bổ công suất nguồn có thể được trực quan hóa thông qua bảng ma trận cấu hình tổ máy theo từng năm và biểu đồ miền khả thi đa diện lồi. Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ gió và công suất phát cực đại theo hàm bậc 3 giúp các kỹ sư dễ dàng quan sát điểm cân bằng công suất. Đóng góp nổi bật của nghiên cứu là thiết lập một mô hình toán học tường minh, kết hợp hài hòa giữa mục tiêu kinh tế ngắn hạn và bài toán phát triển bền vững dài hạn trong điều kiện Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa kết quả nghiên cứu vào công tác quy hoạch phát triển hệ thống điện thực tế, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Chuẩn hóa công cụ tính toán quy hoạch: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và Viện Năng lượng cần tích hợp thuật toán mặt phẳng cắt Gomory và quy hoạch động vào phần mềm chuyên dụng trong giai đoạn 2026 - 2028, đặt mục tiêu nâng độ chính xác dự báo cấu trúc nguồn lên trên 97% và giảm sai số phân bổ vốn đầu tư xuống dưới 3%.
2. Ban hành khung quy chuẩn phát thải khí nhà kính: Bộ Công Thương chủ trì phối hợp với Bộ Tài nguyên và Môi trường thiết lập định mức phát thải bắt buộc dưới 1,0 kg CO2/kWh đối với mọi dự án nhiệt điện mới xây dựng từ nay đến năm 2030, tạo hành lang pháp lý thúc đẩy công nghệ tua-bin khí chu trình hỗn hợp và nhiệt điện siêu tới hạn.
3. Phát triển năng lượng tái tạo tại các vùng tiềm năng cao: Các chủ đầu tư nguồn điện cần ưu tiên triển khai các dự án phong điện tại những địa phương có vận tốc gió trung bình trên 6,4 m/s (cấp gió 6 trở lên) với lộ trình lắp đặt thử nghiệm đạt 500 MW công suất trong 3 năm tới, tận dụng triệt để hiệu suất chuyển đổi cơ năng sang điện năng.
4. Tối ưu hóa quy trình điều độ theo mùa: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia áp dụng hệ số mùa β cho toàn bộ các hồ chứa thủy điện, duy trì mức dự trữ nước mùa khô đạt 80% dung tích hữu ích và duy trì tỷ lệ dự phòng quay toàn hệ thống ở mức 18% đến 20% nhằm bảo đảm cung ứng điện liên tục 24/7.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư quy hoạch và chuyên gia phân tích hệ thống điện: Ứng dụng mô hình toán học giải bài toán phân bổ công suất nguồn, tối ưu hóa danh mục dự án đầu tư tại các công ty tư vấn điện và tập đoàn năng lượng.
2. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Tham khảo cơ sở định lượng về ràng buộc phát thải CO2 và hệ số dự trữ công suất để xây dựng Quy hoạch điện quốc gia sát với thực tiễn tăng trưởng kinh tế.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Hệ thống điện: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang học thuật chuyên sâu về các phương pháp tối ưu hóa cổ điển (Simplex, Gomory, quy hoạch động) so sánh với thuật toán heuristic hiện đại (GA, PSO).
4. Chủ đầu tư và các tổ chức tài chính dự án năng lượng: Đánh giá cấu trúc chi phí vòng đời dự án (CAPEX, OPEX, chi phí nhiên liệu) để xây dựng phương án tài chính khả thi cho các cụm nhà máy thủy điện, nhiệt điện khí và phong điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể sử dụng phương pháp làm tròn số học sau khi giải quy hoạch tuyến tính?

Khi giải bài toán quy hoạch tuyến tính, kết quả thường cho ra các giá trị thực không nguyên như 1,4 hoặc 2,7 tổ máy. Việc làm tròn số học thông thường lên 2 hoặc 3 tổ máy có thể làm tăng vọt chi phí đầu tư từ 15% đến 30%, hoặc nếu làm tròn xuống sẽ vi phạm điều kiện ràng buộc dự trữ công suất gây nguy cơ thiếu điện hệ thống. Thuật toán Gomory giúp tìm ra nghiệm nguyên chính xác mà vẫn bảo đảm tối ưu hóa chi phí.

Yếu tố môi trường được lượng hóa như thế nào trong bài toán quy hoạch nguồn?

Nghiên cứu đưa giới hạn phát thải khí CO2 vào mô hình dưới dạng ràng buộc bất phương trình toán học tổng lượng phát thải hàng năm không vượt quá ngưỡng quy định. Công nghệ nhiệt điện than cũ có suất phát thải 1,2 đến 1,3 kg CO2/kWh, trong khi công nghệ cải tiến đạt 1,0 kg CO2/kWh và năng lượng tái tạo bằng 0, buộc thuật toán phải ưu tiên lựa chọn các nguồn năng lượng sạch.

Thuật toán Gomory có ưu thế gì so với các thuật toán trí tuệ nhân tạo như GA hay PSO?

Các thuật toán di truyền (GA) hay tối ưu hóa bầy đàn (PSO) dựa trên cơ chế ngẫu nhiên, dễ rơi vào các điểm cực trị địa phương và tốn thời gian tính toán lớn khi hệ thống có hàng trăm biến ràng buộc. Thuật toán Gomory là phương pháp toán học giải tích chặt chẽ, bảo đảm hội tụ hữu hạn và luôn đạt đến điểm tối ưu toàn cục cho bài toán quy hoạch nguyên.

Chi phí đầu tư nhà máy thủy điện có điểm gì đặc thù trong mô hình toán học?

Khác với các nguồn điện khác có suất đầu tư tỷ lệ thuận với công suất, nhà máy thủy điện đòi hỏi chi phí giải phóng mặt bằng, xây đập và đào hồ chứa chiếm tới 60% tổng mức đầu tư ngay cả khi lắp đặt công suất ban đầu rất nhỏ. Mô hình toán học trong luận văn đã tách riêng chi phí cố định này để bảo đảm độ chính xác tài chính.

Mô hình quy hoạch trong nghiên cứu có xét đến mạng lưới truyền tải không?

Trong phạm vi nghiên cứu, bài toán tập trung chuyên sâu vào quy hoạch phát triển cấu trúc nguồn tối ưu trên mô hình hệ thống một nút (Single-bus system) với biểu đồ phụ tải đã cho trước, chưa xét đến tổn thất và giới hạn truyền tải trên từng đường dây nhằm tập trung giải quyết triệt để tính tối ưu của cơ cấu công nghệ nguồn.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học toàn diện cho bài toán quy hoạch nguồn điện dài hạn, tích hợp đầy đủ các ràng buộc về cân bằng công suất, dự trữ quay từ 15% đến 25%, giới hạn nhiên liệu và ngưỡng phát thải CO2.
• Ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch nguyên với thuật toán mặt phẳng cắt Gomory kết hợp quy hoạch động, giải quyết triệt để bài toán biến rời rạc và loại bỏ hoàn toàn sai số làm tròn số học.
• Đánh giá định lượng chi tiết 6 loại hình công nghệ nguồn điện, chỉ ra vai trò chiến lược của tua-bin khí chu trình hỗn hợp (hiệu suất 55 - 60%) và phong điện (công suất tỷ lệ bậc 3 theo vận tốc gió) trong xu thế chuyển dịch năng lượng.
• Đóng góp nguồn dữ liệu và cơ sở giải thuật chuẩn xác cho các cơ quan tư vấn thiết kế điện (PECC2, PECC3) và các viện nghiên cứu chuyên ngành điện lực.
• Lộ trình nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2026 - 2030 cần tích hợp mô hình lưới điện đa nút có xét đến trào lưu công suất và tổn thất truyền tải để hoàn thiện bài toán quy hoạch tổng thể hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Bất kỳ quốc gia nào muốn phát triển cũng phải phát triển các ngành công nghiệp chủ lực trong đó điện là ngành năng lƣợng luôn đi đầu để hỗ trợ, thúc đẩy các ngành khác phát triển. Để đảm bảo vấn đề an ninh năng lƣợng thì công tác dự báo phụ tải, quy hoạch phát triển hệ thống điện là khâu then chốt, trọng tâm xuyên suốt cả quá trình phát triển ngành điện nói riêng và của cả nền kinh tế nói chung. Đây là công việc rất khó khăn phức tạp vì nhiều lý do nhƣ các dữ liệu đầu vào chỉ là các số liệu dự báo trong tƣơng lai, nó phụ thuộc nhiều vào tình hình kinh tế và chính trị toàn cầu cũng nhƣ các chính sách kinh tế vĩ mô của các chính phủ; một khó khăn nữa là trong thực tế thƣờng xuất hiện các mâu thuẫn nhƣ phải giảm chi phí nhƣng lại muốn tăng độ tin cậy, những mâu thuẫn mà một bên là các yếu tố kỹ thuật cần đảm bảo, một bên là các vấn đề về kinh tế phải đáp ứng. Nếu công tác dự báo phụ tải, quy hoạch thực hiện không tốt thì có thể dẫn đến tình trạng không đủ nguồn cung cấp cho tải làm cho hệ thống vận hành mất cân đối, mất ổn định hay ngƣợc lại có thể dƣ một lƣợng công suất lớn không đƣợc khai thác hết gây tốn kém, lãng phí trong đầu tƣ.

Ngoài việc đảm bảo vấn đề an ninh năng lƣợng, quy hoạch hệ thống điện còn phải thỏa mãn tính kinh tế nghĩa là tổng kinh phí cho phƣơng án đƣợc chọn phải là nhỏ nhất. Tức là mọi phƣơng án đều quy về bài toán tối ƣu. Quy hoạch hệ thống điện bao gồm quy hoạch phát triển nguồn, quy hoạch phát triển lƣới, quy hoạch phát triển trạm (truyền tải và phân phối).2 Hƣớng tiếp cận của đề tài: Đã có nhiều mô hình toán học khác nhau đƣợc áp dụng để giải bài toán quy hoạch nguồn, mỗi mô hình có những đặc trƣng khác nhau. Do nhu cầu phát triển kinh tế rất lớn nên một số mô hình trƣớc đây thƣờng không xét đến yếu tố môi trƣờng khi xây dựng các nhà máy điện.

Ngày nay trong xu thế chung của toàn thế giới, việc phát triển kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi trƣờng, do đó công tác quy hoạch phải xét đến yếu tố này.3 Mục tiêu của đề tài: Giới thiệu một mô hình tính toán mới và sử dụng các phƣơng pháp quy hoạch tối ƣu (quy hoạch nguyên, quy hoạch động) để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn, xét ảnh hƣởng của các thông số đến kết quả bài toán.4 Ý nghĩa của đề tài: Việc xây dựng mô hình toán với nhiều điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tế nên có thể đƣợc áp dụng để giải quyết bài toán quy hoạch phát triển nguồn trong tƣơng lai. HVTH: Phạm Hoàng Nam Mân Trang 5 [Type the document title] 1.5 Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng mô hình toán học để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn. Hàm mục tiêu là min của tổng chi phí (bao gồm chi phí lắp đặt, vận hành, chi phí nhiên liệu). Hàm ràng buộc bao gồm ràng buộc về đảm bảo nhu cầu điện năng, ràng buộc về công suất tối đa, ràng buộc về độ dự trữ công suất, ràng buộc về nhiên liệu, ràng buộc về môi trƣờng.

Sử dụng các phƣơng pháp quy hoạch tối ƣu (quy hoạch nguyên, quy hoạch động) để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn trong dài hạn. Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số đến kết quả bài toán. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, bài toán quy hoạch phát triển nguồn là xác định loại nhà máy nào, công suất bao nhiêu, đƣa vào vận hành ở năm nào mà không xét đến hệ thống truyền tải (nghĩa là xem hệ thống chỉ có một nút, không xét đến tổn thất truyền tải), nhu cầu phụ tải đã cho trƣớc. HVTH: Phạm Hoàng Nam Mân Trang 6 [Type the document title] CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về quy hoạch nguồn: Bất cứ mọi hoạt động nào trong xã hội đều phải cần đến năng lƣợng.

Nhu cầu sử dụng năng lƣợng của con ngƣời rất lớn và rất đa dạng. Xe muốn chạy thì phải có xăng dầu; máy móc muốn hoạt động sản xuất thì phải có năng lƣợng quay động cơ; phải có nhiệt lƣợng để nấu chín thức ăn; phải có năng lƣợng để thắp sáng, sƣởi ấm,. Năng lƣợng trên trái đất có thể nói là vô tận, tồn tại ở khắp mọi nơi dƣới nhiều hình thức khác nhau, vấn đề là chúng ta có phát hiện ra chúng và sử dụng chúng nhƣ thế nào. Có nhiều dạng năng lƣợng khác nhau nhƣ cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, quang năng,.

Điện năng đƣợc sản xuất từ các nguồn năng lƣợng sơ cấp nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, năng lƣợng thủy triều, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng dòng hải lƣu, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời,. rồi từ điện năng có thể chuyển hóa thành mọi dạng năng lƣợng khác tùy theo nhu cầu sử dụng của con ngƣời. Theo định hƣớng, chiến lƣợc phát triển của nền kinh tế nói chung và của từng ngành nghề, lĩnh vực nói riêng mà có đƣợc nhu cầu năng lƣợng cần thiết. Từ nhu cầu năng lƣợng của toàn bộ xã hội ta xác định đƣợc nhu cầu điện năng cần thiết, từ đó có thể quy hoạch, tính toán cấu trúc hệ thống điện sao cho vừa thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, vừa thỏa mãn về tính kinh tế, đảm bảo vấn đề an ninh năng lƣợng, đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải một cách liên tục, ổn định trong mọi trƣờng hợp yêu cầu.

Ngày nay, hệ thống điện đƣợc xem là hệ thống lớn nhất do con ngƣời tạo ra, nó bao gồm những thiết bị nhỏ nhất nhƣ bóng đèn, cái quạt đến những thiết bị lớn hơn nhƣ máy biến áp lực, máy phát điện. Công tác quy hoạch chỉ quan tâm đến các phần tử chính yếu của hệ thống nhƣ nhà máy phát điện, mạng truyền tải, mạng phân phối, trạm điện, và thông số không thể thiếu là tổng nhu cầu phụ tải. Quy hoạch không quan tâm đến chi tiết các phần tử thiết kế mà chỉ quan tâm đến công suất, vị trí lắp đặt chúng. Việc dự báo phụ tải là khâu vô cùng quan trọng trong công tác quy hoạch, nó quyết định sự thành công hay thất bại của toàn bộ công trình.

Nếu dự báo phụ tải không chính xác thì cho dù với những mô hình tính toán hợp lý, với những công cụ toán học hiện đại vẫn dẫn đến kết quả không phù hợp thực tế. Nếu dự báo trong thời gian ngắn thì có thể căn cứ vào tình hình thời tiết, khí hậu, các chƣơng trình vui chơi giải trí,. nếu dự báo trong thời gian dài thì phải xem xét đến nhiều yếu tố khác nhƣ mức tăng trƣởng GDP, mức độ tăng dân số, các chính sách kinh tế vĩ mô của chính phủ, thậm chí cả tình hình kinh tế chính trị trên toàn thế giới. Quy hoạch hệ thống điện bao gồm: quy hoạch phát triển nguồn, quy hoạch phát triển lƣới, quy hoạch phát triển trạm.

Trong quy hoạch phát triển lƣới có quy hoạch phát triển lƣới truyền tải, quy hoạch phát triển lƣới phân phối, quy hoạch phát triển lƣới địa HVTH: Phạm Hoàng Nam Mân Trang 7 [Type the document title] phƣơng. Tƣơng tự, trong quy hoạch phát triển trạm có quy hoạch phát triển trạm truyền tải, quy hoạch phát triển trạm phân phối. Nếu trong quá trình quy hoạch, các giai đoạn đƣợc xem xét độc lập nhau thì gọi là quy hoạch tĩnh; còn các giai đoạn đƣợc xem xét liên quan với nhau thì gọi là quy hoạch động. Vì trong quy hoạch tĩnh ta xem xét các giai đoạn độc lập nhau do đó kết quả bài toán so với thực tế đôi khi không phù hợp.

Thƣờng quy hoạch tĩnh chỉ phục vụ cho những công việc mang tính cấp bách, tạm thời. Nếu quy hoạch trong khoảng thời gian ngắn thì gọi là quy hoạch ngắn hạn, còn nếu quy hoạch trong thời gian dài thì gọi là quy hoạch dài hạn. Ở dạng bài toán này các giai đoạn đều có liên quan với nhau. Chi phí ở từng giai đoạn khác nhau là khác nhau, tùy thuộc vào giá vật tƣ, giá nhiên liệu ở từng thời điểm cũng nhƣ tốc độ trƣợt giá và lãi suất ngân hàng.

Để việc tính toán đƣợc chính xác và có thể so sánh đƣợc với nhau thì mọi chi phí ở các thời điểm khác nhau đều đƣợc quy về cùng một thời điểm. Trong bài toán quy hoạch nguồn, việc chọn cấu trúc tối ƣu nguồn điện là quan trọng nhất mà thực chất là tính toán phân bố công suất cho từng nhà máy, trong từng thời kỳ sao cho mục tiêu đạt đƣợc là tổng chi phí nhỏ nhất với các ràng buộc nhƣ ràng buộc về công suất, ràng buộc về điện năng, ràng buộc về môi trƣờng, ràng buộc về nhiên liệu,. Khác với hầu hết các dạng năng lƣợng khác, điện năng không thể tích trữ đƣợc do đó công suất nguồn trong bài toán quy hoạch nguồn không đƣợc quá dƣ (gây lãng phí) hay quá thiếu (không đủ cung cấp cho tải). Các nhà máy khác nhau với các loại nhiên liệu sử dụng khác nhau, suất đầu tƣ khác nhau, chi phí vận hành bão dƣỡng khác nhau,.

tạo ra sự khác biệt trong giá thành sản xuất điện năng. Có loại nhà máy suất đầu tƣ thấp nhƣng chi phí vận hành bão dƣỡng cao, có nhà máy suất đầu tƣ cao nhƣng chi phí vận hành bão dƣỡng thấp. Có nhà máy sử dụng nhiên liệu rẻ tiền nhƣng mức độ gây ô nhiễm môi trƣờng cao hơn nhà máy sử dụng nhiên liệu đắt tiền. Có nhà máy suất đầu tƣ thấp, chi phí vận hành bão dƣỡng thấp nhƣng thời gian sử dụng (tuổi thọ) ngắn hơn so với nhà máy có suất đầu tƣ và chi phí vận hành bão dƣỡng cao hơn.

Nói chung, các loại nhà máy khác nhau với các thông số kỹ thuật khác nhau, chi phí lắp đặt vận hành khác nhau tạo ra rất nhiều phƣơng án chọn lựa trong quá trình giải bài toán quy hoạch nguồn, tuy nhiên phƣơng án đƣợc chọn phải là phƣơng án tối ƣu tức là chi phí thấp nhất (tính trong cả quá trình quy hoạch). Để giải bài toán quy hoạch nguồn đƣợc chính xác thì cần phải có các thông số chính xác của các nhà máy nằm trong quy hoạch nhƣ suất đầu tƣ, suất chi phí vận hành, suất tiêu hao nhiên liệu, mức độ gây ô nhiễm môi trƣờng, thời gian ngƣng máy để bão trì, sửa chữa hàng năm, tuổi thọ nhà máy,.