Nâng Cao Hiệu Quả Vận Hành Phát Điện Các Hồ Chứa Bậc Thang Trong Thị Trường Điện Cạnh Tranh

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

Danh mục các từ viết tắt

Giải thích các thuật ngữ

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Ý nghĩa thực tiễn

Cấu trúc của luận án

1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH BẬC THANG HỒ CHỨA VÀ THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH

1.1. Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên thế giới

1.1.1. Các bƣớc xây dựng mô hình toán học

1.1.2. Các nghiên cứu tối ƣu và mô hình hóa hệ thống hồ chứa

1.2. Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa tại Việt Nam

1.2.1. Một số nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam

1.2.2. Một số nghiên cứu liên quan đến lƣu vực sông Mã và sông Chu

1.2.3. Các quy trình vận hành liên hồ chứa trên hệ thống sông Mã

1.3. Giới thiệu chung về thị trƣờng phát điện cạnh tranh

1.3.1. Tổng quan về thị trƣờng điện cạnh tranh trên thế giới

1.3.2. Tổng quan về thị trƣờng điện cạnh tranh ở Việt Nam

1.3.3. Tổng quan về giá bán điện trên thị trƣờng điện cạnh tranh ở Việt Nam

1.3.4. Quá trình tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh của NMTĐ Hủa Na và Cửa Đạt

1.3.5. Một số tồn tại và khó khăn của các NMĐ khi tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh

1.4. Định hƣớng nghiên cứu của luận án

1.5. Kết luận chƣơng 1

2. CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC THANG TRONG THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH

2.1. Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu trong vận hành liên hồ chứa

2.1.1. Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu

2.1.2. Các dạng bài toán vận hành liên hồ chứa

2.2. Phƣơng pháp giải bài toán QHĐ

2.2.1. Lựa chọn cách tiếp cận

2.2.2. Các đặc trƣng của QHĐ

2.3. Tính toán điều tiết tối ƣu hồ chứa nƣớc của trạm thủy điện bằng QHĐ

2.3.1. Mô hình tính toán đơn hồ

2.3.2. Mô hình toán hai hồ bậc thang

2.4. Mô hình tối ƣu cho các hồ chứa bậc thang

2.4.1. Các vấn đề cần giải quyết

2.4.2. Hàm mục tiêu

2.4.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

2.5. Phƣơng pháp xây dựng và giải bài toán vận hành liên hồ chứa lƣu vực sông Chu

2.5.1. Xây dựng bài toán tối ƣu vận hành bậc thang hồ chứa phát điện trong điều kiện tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh

2.5.2. Lựa chọn thời đoạn tính toán, năm tính toán và giá bán điện

2.6. Sơ đồ khối và các hệ phƣơng trình tính toán thủy điện bậc thang

2.6.1. Các bƣớc tính toán khi biết mực nƣớc đầu và cuối thời đoạn:

2.6.2. Thời đoạn tính toán

2.6.4. Cách chuyển giai đoạn tính cho các thời đoạn kế tiếp

2.7. Xây dựng chƣơng trình tính toán

2.7.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình

2.7.2. Mô tả các khối tính toán

2.7.3. Mô tả khối tính toán chính

2.7.4. Mô tả khối tính toán tạo biên mực nƣớc

2.8. Kết luận chƣơng 2

3. CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH XU HƢỚNG VẬN HÀNH CHO BẬC THANG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG CHU

3.1. Đặc điểm vận hành và các tồn tại trên lƣu vực sông Chu

3.1.1. Đặc điểm dòng chảy

3.1.2. Hệ thống các hồ chứa trên lƣu vực

3.1.3. Nhu cầu dùng nƣớc trên lƣu vƣc sông Chu

3.1.4. Các yếu tố tác động đến vận hành hồ chứa trên lƣu vƣc sông Chu

3.2. Xây dựng BĐĐP kết hợp đảm bảo phát Qc để tạo biên mực nƣớc thƣợng lƣu cho tính toán liên hồ chứa

3.2.1. Hồ sơ thiết kế và quy trình hiện hành

3.2.2. Đề xuất và áp dụng mô hình tính toán liên hồ chứa trong thị trƣờng điện cạnh tranh

3.3. Xây dựng và sử dụng đƣờng đảm bảo phát Qc để tạo biên mực nƣớc thƣợng lƣu cho tính toán liên hồ chứa

3.3. Các kịch bản giá

3.3.1. Giá biến đổi theo sản lƣợng (Kịch Bản 1)

3.3.2. Giá biến đổi theo lũy tích số giờ bán điện (Kịch Bản 2)

3.4. Kết quả tính toán Kịch bản 1 (giá biến đổi theo sản lƣợng điện tháng)

3.4.1. Đƣờng diễn biến mực nƣớc thƣợng lƣu

3.4.2. Các tổ hợp mực nƣớc đầu tháng

3.4.3. Sử dụng kết quả để vận hành đơn hồ (trong mùa cạn)

3.4.4. Sử dụng kết quả để vận hành đơn hồ (trong mùa lũ)

3.4.5. Sử dụng kết quả để vận hành liên hồ (trong mùa cạn)

3.4.6. Sử dụng kết quả để vận hành liên hồ (trong mùa lũ)

3.4.7. Tổng doanh thu và sản lƣợng điện khi áp giá biến đổi theo Kịch bản 1

3.4.8. So sánh kết quả của hai hàm mục tiêu tổng doanh thu liên hồ và đơn hồ lớn nhất

3.5. Kết quả tính toán Kịch bản 2 (giá biến đổi theo lũy tích số giờ bán điện)

3.5.1. Diễn biến mực nƣớc một số năm gần đây

3.5.2. So sánh kết quả vận hành tối ƣu liên hồ chứa với thực tế

3.6. Chọn kịch bản giá điện áp dụng cho bậc thang và chỉ dẫn vận hành khi vận hành trong thị trƣờng điện cạnh tranh

3.6.1. Chọn kịch bản giá điện

3.6.2. Chỉ dẫn vận hành

3.7. Kết luận chƣơng 3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Những kết quả đạt đƣợc của luận án

Những đóng góp mới của luận án

Những hạn chế của luận án và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Vận Hành Hồ Chứa Bậc Thang Thị Trường Điện

Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Theo quy hoạch, tổng công suất thủy điện sẽ đạt 27.800 MW vào năm 2030, chiếm tỷ trọng đáng kể trong cơ cấu nguồn điện. Việc khai thác hiệu quả các nhà máy thủy điện (NMTĐ) hiện có, đồng thời xây dựng quy trình vận hành tối ưu, là vấn đề cấp thiết. Điều này bao gồm việc cân bằng các lợi ích sử dụng nước, tận dụng tối đa nguồn thủy năng, và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hạ lưu. Thị trường điện cạnh tranh (VCGM) ở Việt Nam đã chính thức vận hành từ năm 2012, tạo cơ hội cho các NMTĐ chủ động điều tiết để tối đa hóa doanh thu, đồng thời tuân thủ các quy định pháp lý. Tuy nhiên, thị trường điện Việt Nam có những đặc thù riêng, đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu để nâng cao hiệu quả vận hành.

1.1. Nghiên cứu Vận Hành Hồ Chứa Bậc Thang Trên Thế Giới

Các nghiên cứu trên thế giới tập trung vào xây dựng mô hình toán học, tối ưu hóa hệ thống hồ chứa, và mô hình hóa thủy lực. Các phương pháp như Quy hoạch động (QHĐ), Quy hoạch phi tuyến (QHPT), và các thuật toán tối ưu hóa được áp dụng rộng rãi. Mục tiêu là tìm ra phương án vận hành tối ưu, cân bằng giữa phát điện, cấp nước, và phòng lũ. Các nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm quý báu cho việc nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.

1.2. Nghiên Cứu Vận Hành Hồ Chứa Bậc Thang Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào vận hành hồ chứa đơn lẻ và liên hồ chứa trên các lưu vực sông lớn như sông Mã và sông Chu. Các nghiên cứu này xem xét các yếu tố đặc thù của từng lưu vực, như đặc điểm dòng chảy, nhu cầu sử dụng nước, và quy trình vận hành liên hồ chứa. Tuy nhiên, việc tích hợp yếu tố thị trường điện cạnh tranh vào các mô hình vận hành vẫn còn hạn chế, đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu hơn.

II. Thách Thức Vận Hành Hồ Chứa Trong Thị Trường Điện Cạnh Tranh

Mặc dù thị trường điện cạnh tranh tạo cơ hội cho các NMTĐ chủ động điều tiết, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức. Các hồ chứa phải tuân thủ các quy trình vận hành, đặc biệt là các quy trình liên hồ chứa, vốn có tính ràng buộc cao. Việc dự báo giá điện thị trường, quản lý rủi ro vận hành, và đảm bảo an toàn đập là những vấn đề cần được giải quyết. Ngoài ra, các yếu tố như biến đổi khí hậu, tác động môi trường, và nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng cũng gây áp lực lên việc vận hành hồ chứa. Cần có các giải pháp đồng bộ để giải quyết các thách thức này, đảm bảo hiệu quả vận hành và phát triển bền vững.

2.1. Ràng Buộc Từ Quy Trình Vận Hành Liên Hồ Chứa

Các quy trình vận hành liên hồ chứa, như Quy trình 214/QĐ-TTg, quy định các nguyên tắc chung cho việc vận hành hệ thống hồ chứa, nhằm đảm bảo an toàn đập, cấp nước hạ du, và phòng lũ. Tuy nhiên, các quy trình này có thể hạn chế khả năng điều tiết của các NMTĐ trong thị trường điện cạnh tranh. Cần có sự điều chỉnh linh hoạt để các NMTĐ có thể tận dụng tối đa cơ hội thị trường, đồng thời tuân thủ các quy định pháp lý.

2.2. Dự Báo Giá Điện Thị Trường Quản Lý Rủi Ro

Giá điện thị trường biến động liên tục, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cung cầu điện, thời tiết, và chính sách. Việc dự báo giá điện chính xác là rất quan trọng để các NMTĐ có thể đưa ra quyết định vận hành tối ưu. Đồng thời, cần có các biện pháp quản lý rủi ro hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực của biến động giá điện đến doanh thu.

2.3. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu Nhu Cầu Nước

Biến đổi khí hậu gây ra sự thay đổi về lượng mưa và dòng chảy, ảnh hưởng đến khả năng phát điện của các NMTĐ. Nhu cầu sử dụng nước cho nông nghiệp, công nghiệp, và sinh hoạt ngày càng tăng, tạo ra sự cạnh tranh về nguồn nước. Cần có các giải pháp thích ứng với biến đổi khí hậu và quản lý nhu cầu nước hiệu quả để đảm bảo vận hành bền vững các hồ chứa.

III. Phương Pháp Tối Ưu Vận Hành Hồ Chứa Bậc Thang Phát Điện

Để nâng cao hiệu quả vận hành phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị trường điện cạnh tranh, cần áp dụng các phương pháp tối ưu hóa hiện đại. Các phương pháp này bao gồm xây dựng mô hình toán học mô phỏng hệ thống hồ chứa, xác định hàm mục tiêu và các ràng buộc, và sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm ra phương án vận hành tối ưu. Hàm mục tiêu có thể là tối đa hóa doanh thu bán điện, tối thiểu hóa chi phí vận hành, hoặc cân bằng giữa các mục tiêu khác nhau. Các ràng buộc bao gồm quy trình vận hành, khả năng phát điện của nhà máy, và nhu cầu sử dụng nước.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Vận Hành Liên Hồ Chứa

Mô hình toán học cần mô phỏng chính xác các đặc tính thủy lực của hệ thống hồ chứa, bao gồm quan hệ giữa mực nước, dung tích, và lưu lượng xả. Mô hình cũng cần tích hợp các yếu tố thị trường điện, như giá điện, sản lượng hợp đồng, và các quy định thị trường. Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng có thể được sử dụng để xây dựng và chạy mô hình.

3.2. Lựa Chọn Hàm Mục Tiêu Các Ràng Buộc

Hàm mục tiêu cần phản ánh mục tiêu chính của việc vận hành hồ chứa, ví dụ như tối đa hóa doanh thu bán điện. Các ràng buộc cần đảm bảo rằng phương án vận hành tuân thủ các quy định pháp lý, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước, và đảm bảo an toàn đập. Việc lựa chọn hàm mục tiêu và các ràng buộc phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả tối ưu.

3.3. Áp Dụng Thuật Toán Tối Ưu Hóa

Các thuật toán tối ưu hóa, như Quy hoạch động (QHĐ), Thuật toán di truyền (TTDT), và các thuật toán metaheuristic, có thể được sử dụng để tìm ra phương án vận hành tối ưu. Việc lựa chọn thuật toán phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình và yêu cầu về thời gian tính toán. Cần có sự đánh giá kỹ lưỡng để lựa chọn thuật toán phù hợp nhất.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Vận Hành Hồ Chứa Trong Thị Trường Điện

Mô hình vận hành hồ chứa có thể được ứng dụng để hỗ trợ các quyết định vận hành hàng ngày, hàng tuần, và hàng tháng. Mô hình có thể giúp các nhà máy thủy điện dự báo sản lượng điện, tối ưu hóa kế hoạch phát điện, và quản lý rủi ro. Ngoài ra, mô hình cũng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các chính sách và quy định liên quan đến thị trường điện và quản lý tài nguyên nước. Việc ứng dụng mô hình cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà máy thủy điện, các cơ quan quản lý nhà nước, và các đơn vị liên quan.

4.1. Hỗ Trợ Quyết Định Vận Hành Hàng Ngày Hàng Tuần

Mô hình có thể giúp các nhà máy thủy điện dự báo sản lượng điện dựa trên thông tin về mực nước, dòng chảy, và giá điện thị trường. Từ đó, các nhà máy có thể điều chỉnh kế hoạch phát điện để tối đa hóa doanh thu và đáp ứng nhu cầu của thị trường.

4.2. Tối Ưu Hóa Kế Hoạch Phát Điện Hàng Tháng

Mô hình có thể giúp các nhà máy thủy điện xây dựng kế hoạch phát điện hàng tháng, dựa trên dự báo về thời tiết, nhu cầu điện, và giá điện thị trường. Kế hoạch này cần cân bằng giữa mục tiêu tối đa hóa doanh thu và tuân thủ các quy định về cấp nước và phòng lũ.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Chính Sách Quy Định

Mô hình có thể được sử dụng để đánh giá tác động của các chính sách và quy định liên quan đến thị trường điện và quản lý tài nguyên nước. Ví dụ, mô hình có thể giúp đánh giá tác động của việc thay đổi giá điện, quy trình vận hành, hoặc chính sách khuyến khích năng lượng tái tạo.

V. Nghiên Cứu Vận Hành Bậc Thang Hồ Chứa Sông Chu Kết Quả

Nghiên cứu trên lưu vực sông Chu cho thấy việc áp dụng mô hình tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa có thể mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Mô hình giúp các nhà máy thủy điện Hủa Na và Cửa Đạt tối đa hóa doanh thu bán điện, đồng thời đảm bảo cấp nước hạ du và phòng lũ. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc dự báo giá điện thị trường và quản lý rủi ro là rất quan trọng để đạt được hiệu quả vận hành tối ưu. Các kết quả này có thể được sử dụng để xây dựng quy trình vận hành linh hoạt hơn, phù hợp với điều kiện thị trường điện cạnh tranh.

5.1. Tối Ưu Hóa Doanh Thu Bán Điện Cho Hủa Na Cửa Đạt

Mô hình giúp xác định phương án vận hành tối ưu cho hai nhà máy thủy điện Hủa Na và Cửa Đạt, dựa trên thông tin về mực nước, dòng chảy, giá điện thị trường, và các quy định vận hành. Kết quả cho thấy việc phối hợp vận hành hai nhà máy có thể mang lại doanh thu cao hơn so với vận hành độc lập.

5.2. Đảm Bảo Cấp Nước Hạ Du Phòng Lũ

Mô hình đảm bảo rằng phương án vận hành tuân thủ các quy định về cấp nước hạ du và phòng lũ. Điều này được thực hiện bằng cách đưa các ràng buộc về lưu lượng xả tối thiểu và tối đa vào mô hình.

5.3. Tầm Quan Trọng Của Dự Báo Giá Điện Quản Lý Rủi Ro

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc dự báo giá điện thị trường và quản lý rủi ro là rất quan trọng để đạt được hiệu quả vận hành tối ưu. Các nhà máy thủy điện cần có các công cụ và kỹ năng để dự báo giá điện và quản lý rủi ro hiệu quả.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vận Hành Hồ Chứa Bậc Thang

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả vận hành phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị trường điện cạnh tranh. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có thể được ứng dụng để xây dựng quy trình vận hành linh hoạt hơn, phù hợp với điều kiện thị trường điện cạnh tranh. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tích hợp các yếu tố biến đổi khí hậu, tác động môi trường, và nhu cầu sử dụng nước vào mô hình vận hành. Đồng thời, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà máy thủy điện, các cơ quan quản lý nhà nước, và các đơn vị liên quan để đảm bảo vận hành bền vững các hồ chứa.

6.1. Đóng Góp Mới Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã xây dựng mô hình tối ưu hóa vận hành liên hồ chứa trong thị trường điện cạnh tranh, áp dụng cho lưu vực sông Chu. Mô hình đã được kiểm chứng bằng dữ liệu thực tế và cho thấy hiệu quả kinh tế đáng kể. Nghiên cứu cũng đã đề xuất các giải pháp để giải quyết các thách thức liên quan đến quy trình vận hành, dự báo giá điện, và quản lý rủi ro.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tích hợp các yếu tố biến đổi khí hậu, tác động môi trường, và nhu cầu sử dụng nước vào mô hình vận hành. Đồng thời, cần có sự phát triển các công cụ dự báo giá điện chính xác hơn và các biện pháp quản lý rủi ro hiệu quả hơn.

6.3. Hợp Tác Để Vận Hành Bền Vững

Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà máy thủy điện, các cơ quan quản lý nhà nước, và các đơn vị liên quan để đảm bảo vận hành bền vững các hồ chứa. Sự hợp tác này cần bao gồm việc chia sẻ thông tin, phối hợp vận hành, và xây dựng các chính sách và quy định phù hợp.

Nghiên Cứu Nâng Cao Hiệu Quả Vận Hành Phát Điện Các Hồ Chứa Bậc Thang Trong Thị Trường Điện Cạnh Tranh