Luận văn thạc sĩ: Phương pháp GSA cải tiến trong điều độ kinh tế nhà máy điện

Luận văn thạc sĩ kinh tế nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện áp dụng phương pháp gsa cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Bá Hà
• Người hướng dẫn: TS. Võ Ngọc Điều
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Nâng Cao Hiệu Quả Điều Độ Kinh Tế Trong Nhà Máy Điện Với Phương Pháp GSA Cải Tiến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về điều độ kinh tế trong nhà máy điện

Điều độ kinh tế trong nhà máy điện là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong ngành điện lực. Mục tiêu chính của điều độ kinh tế là phân bổ công suất phát điện một cách tối ưu nhằm giảm thiểu chi phí phát điện trong khi vẫn đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật. Hiệu quả điều độ không chỉ ảnh hưởng đến chi phí vận hành mà còn đến năng suất lao động và quản lý tài nguyên. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu như phương pháp GSA và cải tiến GSA giúp giải quyết bài toán này một cách hiệu quả hơn. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa chi phí vận hành có thể giảm thiểu đáng kể chi phí phát điện, từ đó nâng cao hiệu suất nhà máy.

1.1. Tầm quan trọng của điều độ kinh tế

Điều độ kinh tế không chỉ là một bài toán tối ưu mà còn là một yếu tố quyết định trong việc quản lý và vận hành hệ thống điện. Việc tối ưu hóa chi phí vận hành giúp các nhà máy điện tiết kiệm chi phí nhiên liệu, từ đó nâng cao hiệu quả điều độ. Các yếu tố như tổn thất truyền tải và giới hạn thay đổi công suất cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các ràng buộc kỹ thuật không bị vi phạm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp GSA có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của quá trình điều độ kinh tế.

II. Phương pháp GSA và GSA cải tiến

Phương pháp GSA (Gravitational Search Algorithm) là một trong những phương pháp tối ưu hóa hiện đại, được phát triển dựa trên nguyên lý lực hấp dẫn giữa các vật thể. GSA cải tiến đã được áp dụng để giải quyết bài toán điều độ kinh tế trong các nhà máy điện. Phương pháp này cho phép tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian đa chiều, giúp giải quyết các bài toán phi tuyến phức tạp. Cải tiến GSA không chỉ nâng cao hiệu suất nhà máy mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GSA cải tiến có thể đạt được kết quả tốt hơn so với các phương pháp truyền thống trong việc tối ưu hóa chi phí phát điện.

2.1. Nguyên lý hoạt động của GSA

GSA hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa các vật thể trong không gian. Mỗi vật thể đại diện cho một giải pháp khả thi cho bài toán tối ưu. Các vật thể sẽ tương tác với nhau thông qua lực hấp dẫn, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Phân tích dữ liệu cho thấy rằng GSA có khả năng tìm kiếm các điểm cực trị địa phương và toàn cục một cách hiệu quả. Việc áp dụng GSA trong điều độ kinh tế giúp cải thiện đáng kể hiệu quả điều độ và giảm thiểu chi phí vận hành.

III. Ứng dụng GSA trong điều độ kinh tế

Việc áp dụng GSA và GSA cải tiến trong bài toán điều độ kinh tế đã cho thấy những kết quả khả quan. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GSA có thể giải quyết các bài toán với số lượng tổ máy lớn, từ 20 đến 160 tổ máy, mà vẫn đảm bảo tính chính xác và thời gian tính toán nhanh. Quản lý năng lượng hiệu quả hơn nhờ vào việc tối ưu hóa chi phí phát điện, từ đó nâng cao hiệu suất nhà máy. Kết quả cho thấy rằng GSA cải tiến không chỉ giúp giảm thiểu chi phí vận hành mà còn tăng cường khả năng ổn định của hệ thống điện.

3.1. Kết quả đạt được từ ứng dụng GSA

Kết quả từ việc áp dụng GSA cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc tối ưu hóa chi phí phát điện. Các bài toán điều độ kinh tế được giải quyết một cách hiệu quả, với chi phí phát điện giảm đáng kể. Phân tích hiệu suất cho thấy rằng GSA cải tiến có thể đạt được kết quả tốt hơn so với các phương pháp truyền thống, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của phương pháp này trong ngành điện lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Vận hành hệ thống điện thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật với chi phí thấp nhất luôn là mục tiêu quan trọng của công nghiệp điện lực. Trong các chi phí vận hành thì chi phí phát điện trong các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch là rất cao nên vấn đề tiết kiệm đƣợc chi phí nhiên liệu phát điện là rất quan trọng. Bài toán điều độ kinh tế các nhà máy nhiệt điện thực hiện việc phân bổ công suất phát đối với từng tổ máy trong hệ thống để đáp ứng tải một cách kinh tế nhất mà không vi phạm bất kỳ ràng buộc nào của hệ thống cũng nhƣ từng máy giúp giải quyết vấn đề này. Để giải bài toán này thông thƣờng giả định tất cả các máy phát ra công suất lớn hơn Pmin và nhỏ hơn Pmax và hàm chi phí nhiên liệu trơn, liên tục trong khoảng [Pmin, Pmax] có dạng hàm bậc 2 của công suất ra.

Tuy nhiên, việc bỏ qua các ràng buộc nhƣ vùng cấm vận hành, giới hạn ramprate của tổ máy hay ảnh hƣởng của điểm van công suất đến hàm chi phí phát điện… tuy giúp cho giải bài toán điều độ kinh tế dễ dàng nhƣng nhƣ vậy là thiếu thực tế. Do đó, bài toán điều điều độ kinh tế trong thực tế là một bài toán tối ƣu phi tuyến nặng, phức tạp, có nhiều ràng buộc và thƣờng không thể đƣợc giải bằng phƣơng pháp tối ƣu truyền thống mà thƣờng phải dùng các giải thuật tối ƣu tìm kiếm ngẫu nhiên. Trong các giải thuật tối ƣu tìm kiếm ngẫu nhiên dựa vào tập hợp thì giải thuật GSA lấy cảm hứng từ lực trọng trƣờng và tƣơng tác giữa các vật thể có khối lƣợng. Giải thuật GSA lần đầu tiên đƣợc E.Rashedi công bố vào năm 2009 từ đó đến nay đã có nhiều cải tiến và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ điện, cơ khí , viễn thông… Luận văn này nghiên cứu ứng dụng của GSA cổ điển và GSA cải tiến để giải bài toán vận hành kinh tế các nhà máy nhiệt điện có hàm chi phí nhiên liệu không lồi, không liên tục.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Bài toán điều độ kinh tế không lồi đƣợc xem xét trong luận văn bao gồm: + Hệ thống có 13, 40 máy phát nhiệt điện với hàm chi phí nhiên liệu có xét đến điểm van công suất.

+ Hệ thống 15 máy phát với vùng cấm vận hành và giới hạn thay đổi công suất và tổn thất công suất trên lƣới. + Hệ thống có 10 máy phát với đặc tính đa nhiên liệu và điểm van công suất. + Hệ thống lớn gồm 20, 40, 80, 160 máy phát đƣợc xây dựng trên trƣờng hợp cơ bản 10 máy phát với đặc tính đa nhiên liệu và điểm van công suất.3 MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƢỢC Áp dụng thuật toán GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế với hàm chi phí nhiên liệu không liên tục, không lồi.4 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN Hiện chƣa có luận văn, nghiên cứu nào trong nƣớc về thuật toán GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế.5 KẾT CẤU LUẬN VĂN Chƣơng 1. Giới thiệu chung Chƣơng 2.

Bài toán điều độ kinh tế Chƣơng 3. Giới thiệu về giải thuật GSA và GSA cải tiến Chƣơng 4. Áp dụng giải thuật GSA và GSA cải tiến để giải bài toán điều độ kinh tế. Kết quả Chƣơng 6.

BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ 2.1 GIỚI THIỆU Phân bổ tối ƣu mức công suất phát của các tổ máy đang làm việc là một trong những bài toán quan trọng nhất của vận hành hệ thống điện. Bài toán điều độ kinh tế (ED) đƣợc định nghĩa là xác định công suất ra của các tổ máy để tối thiểu chi phí phát điện của các máy phát nhƣng thỏa mãn những ràng buộc kỹ thuật của toàn hệ thống. Thông thƣờng trong các phƣơng pháp truyền thống hàm mục tiêu của bài toán có thể đƣợc xấp xỉ bằng hàm bậc 2 đơn giản và đƣợc giải bằng các phƣơng pháp quy hoạch toán học, chẳng hạn nhƣ phƣơng pháp lặp lambda, phƣơng pháp quy hoạch động, quy hoạch tuyến tính, quy hoạch phi tuyến, kỹ thuật gradient, phƣơng pháp lagrange… Khi xét đến các đặc tính thực tế của tổ máy thì bài toán ED trở thành một bài toán tối ƣu phức tạp, có nhiều điểm cực trị địa phƣơng, có nhiều ràng buộc, mà các phƣơng pháp thông thƣờng không giải đƣợc. Trong những năm gần đây, có nhiều cách tiếp cận để giải bài toán ED bằng phƣơng pháp heuristic.2 THÀNH LẬP BÀI TOÁN Bài toán điều độ kinh tế nói chung về bản chất là một bài toán tối ƣu có ràng buộc với hàm mục tiêu và các ràng buộc.1 Hàm mục tiêu Mục tiêu của việc điều độ kinh tế trong các bài toán xét là tối thiểu chi phí nhiên liệu phát điện hoặc chi phí vận hành của tất cả các tổ máy thỏa mãn các ràng buộc của hệ thống.

Giả sử có N tổ máy cần phân bổ công suất thì tổng chi phí nhiên liệu FT dùng đề phát điện bằng: N FT   Fi (Pi ) (2. Hàm chi phí thông thường Thành phần quan trọng nhất của chi phí vận hành đối với các nhà máy nhiệt điện là chi phí phát điện. Chi phí này chiếm tỷ lệ lớn trong chi phí vận hành còn các chi phí bảo trị, chi phí nhân công chỉ chiếm phần nhỏ. Thông thƣờng chi phí nhiên liệu dùng để phát công suất Pi của tổ máy i là Fi thƣờng đƣợc biểu diễn bởi hàm bậc 2 nhƣ sau: Fi (Pi )  a i Pi2  bi Pi  ci (2.2) Trong đó: ai, bi, ci là những hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy thứ i.

Hàm chi phí khi xét đến ảnh hưởng của điểm van công suất Trong nhà máy nhiệt điện thƣờng sử dụng các van đóng mở để thay đổi công suất phát, viêc đóng mở các van này giúp để duy trì cân bằng công suất tác dụng nhƣng chính việc này tạo ra ripple trong hàm chi phí (cost function) và làm cho hàm mục tiêu phi tuyến cao. Để mô hình chính xác ảnh hƣởng của việc mở van gây thay đổi đột ngột chi phí nhiên liệu thì hàm mục tiêu đƣợc cộng thêm vào thành phần sin. Hàm chi phí nhiên liệu của máy phát thứ i đƣợc cho bởi (2.3): Fi (Pi )  a i Pi2  bi Pi  ci  ei .3) Trong đó: ei, fi là những hệ số chi phí nhiên liệu của tổ máy i có xét đến hiệu ứng của các điểm van.1 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy có 5 điểm van công suất. Hàm chi phí xét đến ảnh hưởng của nhiều loại nhiên liệu Hàm chi phí tổ máy i gồm k đoạn bậc 2 thể hiện k loại nhiên liệu  a i1Pi2  bi1Pi  ci1,fuel1, Pimin  Pi  Pi1   a i2 Pi  bi2 Pi  ci2 ,fuel2, Pi1  Pi  Pi2 2 Fi (Pi )   (2.4)  a ik Pi2  bik Pi  cik ,fuelk, Pikmin 1  Pi  Pi max Trong đó: aik, bik, cik là các hệ số chi phí của nhà máy i khi sử dụng nhiên liệu k.

Hàm chi phí xét đến ảnh hưởng của nhiều loại nhiên liệu và điểm van công suất  a i1Pi2  bi1Pi  ci1  ei1.(Pi1min  Pi1 )) ,fuel1, Pimin  Pi  Pi1   a i2 Pi2  bi2 Pi  ci2  ei2 .5)   a ik Pi  bik Pi  cik  eik .(Pik  Pik )) ,fuelk, Pik 1  Pi  Pi 2 min min max 6 Hình 2.2 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy sử dụng 3 loại nhiên liệu. Cân bằng công suất tác dụng Tổng công suất tác dụng phát ra của các tổ máy Pi phải bằng tổng công suất tiêu thụ của tải trong hệ thống PD cộng với lƣợng tổn thất PL N P  P  P i 1 i D L (2.6) Tổn thất trên hệ thống có thể tính đƣợc nhờ sử dụng công thức tổn thất của Kron: N N N PL   Pi .7) i 1 i 1 i 1 Trong đó: Bij, Bi0, B00 gọi là các hệ số tổn thất. Giới hạn công suất thực phát ra Mỗi tổ máy đều có giới hạn công suất tác dụng nhỏ nhất và lớn nhất có thể phát ra, vì nó phụ thuộc vào cấu trúc của máy phát. 7 Pimin  Pi  Pimax ,i  1,.

Vùng cấm vận hành của tổ máy Máy phát có thể có một vùng nhất định mà vận hành là bị hạn chế do giới hạn vật lý của các thành phần máy, van hơi, rung trong trục … Xem xét vùng vận hành cấm này sẽ tạo ra sự không liên tục trong đƣờng cong chi phí và chuyển các ràng buộc nhƣ bên dƣới: Pi  Pimin  Pi  Pi,1L 1  Pi  Pi,k U L Pi,k (2.9) U Pi,zi  Pi  Pimax L U Ở đây: Pi,k , Pi,k là giới hạn dƣới và trên của vùng cấm vận hành thứ k của tổ máy thứ i, k là chỉ số của vùng cấm vận hành, zi là số vùng cấm vận hành.3 Hàm chi phí nhiên liệu của tổ máy có 2 vùng cấm vận hành d. Giới hạn tốc độ thay đổi công suất Một giả thiết thiếu thực tế khi giải bài toán ED đó là việc xem việc điều chỉnh công suất ra của các tổ máy tức thời. Nhƣng trong thực tế các giới hạn tốc độ 8 thay đổi công suất làm hạn chế vận hành tất cả các tổ máy nối lƣới. Sự phát có thể thể giảm hoặc tăng trong vùng tƣơng ứng sao cho các tổ máy đƣợc ràng buộc do giới hạn độ dốc nhƣ dƣới: Pi  Pit 1  UR i (2.10) Pit 1  Pi  DR i Khi Ramp Rate Limits đƣợc xem xét, giới hạn vận hành đƣợc hiệu chỉnh nhƣ sau: Max(Pimin , Pi0  DR i )  Pi  Min(Pimax , Pi0  UR i ) (2.11) Điểm vận hành trƣớc của máy phát thứ i là Pi0 DRi và URi là giới hạn độ đốc xuống và dốc lên (MW/h).3 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ 2.1 Giới thiệu Bài toán điều độ kinh tế về bản chất là một bài toán tối ƣu nhƣng có một số đặc điểm riêng của nó.

Các nghiên cứu về bài toán này chủ yếu tập trung vào các giải thuật tối ƣu với các mức độ quan tâm khác nhau.