Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn" do nghiên cứu sinh Hồ Ngọc Dung thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi (Bộ Giáo dục và Đào tạo – Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hồ Sỹ Dự và GS.TS Hà Văn Khối. Luận án thuộc chuyên ngành Xây dựng công trình thủy, mã số chuyên ngành 62 58 40 01, bảo vệ năm 2017 tại Hà Nội.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong quá trình phát triển kinh tế, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam tăng trưởng nhanh. Theo "Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030" (Tổng sơ đồ VII), cơ cấu nguồn điện của Việt Nam được quy hoạch qua các giai đoạn cụ thể như sau:

Giai đoạn Tổng công suất nguồn điện (MW) Tỷ trọng thủy điện (gồm thủy điện tích năng) Tỷ trọng nhiệt điện than Tỷ trọng nhiệt điện khí Năng lượng tái tạo và nguồn khác
Năm 2020 ~60.000 21.600 MW (36,0%) 42,7% 14,9% 6,4%
Năm 2025 ~96.500 24.600 MW (25,5%) 49,3% 16,5% 8,7%
Năm 2030 ~129.500 27.800 MW (21,5%) 42,6% 14,7% 21,2%

Toàn quốc có hơn 2.200 hệ thống sông có chiều dài trên 10 km. Trữ năng kỹ thuật của các trạm thủy điện vừa và lớn (công suất trên 30 MW) ước tính khoảng 123 tỷ kWh (trên tổng trữ năng lý thuyết 300–320 tỷ kWh), tương đương công suất lắp đặt khoảng 31.000 MW; thủy điện nhỏ (công suất dưới 30 MW) đạt khoảng 4.000 MW (16,4 tỷ kWh). Tính đến thời điểm nghiên cứu, công suất lắp đặt tại các trạm thủy điện đang vận hành đạt khoảng 17.000 MW, chiếm 49% tiềm năng kỹ thuật.

Hệ số phụ tải dự báo trong tương lai của biểu đồ phụ tải Việt Nam ở mức tương đối thấp, xấp xỉ 65%, với hai khoảng cao điểm và một khoảng thấp điểm trong ngày. Đặc điểm này đòi hỏi sự linh hoạt cao trong vận hành các nhà máy thủy điện để tham gia phủ đỉnh và điều tần hệ thống. Tuy nhiên, các hệ thống bậc thang thủy điện lớn như sông Đà, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Ba hầu như chưa có quy trình vận hành chung tối ưu cho toàn hệ thống mang tính sử dụng tổng hợp nguồn nước trong mùa cạn.

Các quy trình vận hành liên hồ chứa do Chính phủ ban hành (như Quyết định số 198/QĐ-TTg năm 2011, Quyết định số 1287/QĐ-TTg năm 2014 và Quyết định số 1622/QĐ-TTg năm 2015) chủ yếu tập trung vào mục tiêu phòng chống lũ và đảm bảo an toàn công trình trong mùa mưa. Trong thời kỳ mùa cạn, các quy trình này chủ yếu đưa ra các quy định có tính chất bắt buộc về duy trì lưu lượng tối thiểu và mực nước hồ tối thiểu ở hạ lưu, chưa xây dựng cơ sở khoa học để vận hành tối ưu hóa lợi ích kinh tế năng lượng kết hợp với an toàn cấp nước. Khoảng trống nghiên cứu chính là sự thiếu vắng một công cụ toán học và thuật toán tối ưu giải quyết đồng thời bài toán điều tiết liên hồ bậc thang theo không gian và thời gian trong mùa cạn, gắn với biểu giá thị trường điện cạnh tranh và biểu đồ phụ tải thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm xây dựng mô hình toán tối ưu điều tiết phát điện và cấp nước của hệ thống bậc thang thủy điện nhằm mục đích sử dụng làm công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ chứa bậc thang thủy điện.
  2. Phân tích các tiêu chuẩn tối ưu áp dụng cho bài toán vận hành hệ thống bậc thang thủy điện có xét tới nhiệm vụ cân bằng hệ thống điện nhằm nâng cao hiệu quả lợi dụng tổng hợp, đảm bảo cấp nước ổn định, an toàn hạ lưu.
  3. Áp dụng phương pháp tối ưu hóa do luận án đề xuất cho một hệ thống cụ thể nhằm kiểm chứng tính đúng đắn và hợp lý của phương pháp kiến nghị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện thực hiện nhiệm vụ cấp nước phát điện và cấp nước hạ du theo yêu cầu lợi dụng tổng hợp nguồn nước.
  • Phạm vi nghiên cứu: Bài toán mô phỏng và tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện có kết hợp cấp nước đáp ứng yêu cầu dòng chảy hạ du, tham gia cân bằng năng lượng cho hệ thống điện trong thời kỳ mùa cạn. Ứng dụng tính toán thực tế được thực hiện trên bậc thang thủy điện Sơn La – Hòa Bình trên lưu vực sông Đà. Các nhiệm vụ phòng lũ mùa mưa không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trên thế giới theo hai xu hướng quản lý vận hành chính (theo biểu đồ điều phối và theo thời gian thực), chia thành ba nhóm phương pháp giải thuật:

  1. Phương pháp mô phỏng:

    • Bill S. Eichert (1973) xây dựng mô hình HEC-5 thuộc Trung tâm Thủy văn Công trình Quân đội Hoa Kỳ. Về sau mô hình được phát triển thành HEC-RESSIM gồm 3 mô đun: Watershed Setup, Reservoir Network và Simulation, kết hợp cơ sở dữ liệu HEC-DSS.
    • Mô hình MIKE11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) ứng dụng mô phỏng thủy lực 1 chiều qua mô đun HD. Các mô hình khác được điểm lại gồm SSARR, WRAP, MIKE BASIN.
    • Gebresenbet (2010) sử dụng phần mềm Powersim trên nền tảng Windows để mô phỏng vận hành trạm thủy điện Melka Wakana (lưu vực sông Wabi Shebelle, Ethiopia) dựa trên chuỗi số liệu lưu lượng tháng 36 năm. Kết quả cho thấy sản lượng điện bình quân tăng 25,97 GWh/năm và độ lệch dao động giữa tháng cao nhất và thấp nhất giảm từ 8,97 GWh xuống 1,88 GWh.
    • Cheng Chun-tian và cộng sự (2010) phát triển mô hình hỗ trợ ra quyết định trên nền tảng Java, Oracle và JBuilder 9.0 cho hệ thống thủy điện quy mô lớn tại Trung Quốc, giải quyết các kế hoạch dài hạn, trung hạn và ngắn hạn.

  2. Phương pháp tối ưu hóa tất định và ngẫu nhiên:

    • Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992), Wurbs (1993) tổng kết các kỹ thuật tối ưu hóa trong quản lý tài nguyên nước.
    • Young (1967) đề xuất phương pháp quy hoạch động Monte-Carlo kết hợp phân tích hồi quy tuyến tính.
    • Larson (1968), Larson và Kosak (1970) đề xuất và chứng minh sự hội tụ của thuật toán quy hoạch động xấp xỉ liên tục (DPSA) cho hệ thống 4 hồ chứa giả định.
    • Hall (1969) đề xuất thuật toán quy hoạch động tăng (IDP); Heidari (1971) phát triển quy hoạch động sai phân rời rạc (DDDP); Giles và Wunderwich (1981) ứng dụng thuật toán IDPSA cho hệ thống hồ chứa lưu vực sông Tennessee (TVA, Hoa Kỳ).
    • Marino và cộng sự (1984) mở rộng mô hình của Becker và Yeh (1974), kết hợp quy hoạch tuyến tính (LP) và quy hoạch động (DP) cho hồ Shasta thuộc Dự án Thung lũng Trung tâm California.
    • Datta và Bunges (1984) thiết lập chính sách vận hành ngắn hạn cho hồ đa mục tiêu. Changchit và Terrell (1993) áp dụng quy hoạch đa mục tiêu với dòng chảy ngẫu nhiên tại Oklahoma.
    • Mousavi và Karamouz (2003) nghiên cứu mở rộng quy mô DP cho quy hoạch dài hạn; Nagesh Kumar và Baliarsingh (2003) đề xuất thuật toán "Thư mục DP" để khắc phục khó khăn trong việc chọn quỹ đạo ban đầu của các biến thể IDP, DDDP, DPSA, IDPSA.
    • Zahraie và Karamouz (2004) mô hình hóa 2 hồ chứa song song theo chu kỳ dài hạn, trung hạn (dùng SDP) và ngắn hạn (dùng DDP). Reis và cộng sự (2005) kết hợp thuật toán di truyền (GA) và LP. Catalão và cộng sự (2008) phát triển quy hoạch phi tuyến cho hệ thống thủy điện tại Bồ Đào Nha. Guedes và cộng sự tối ưu hóa lợi ích bán điện dùng phương pháp hàm phạt (penalty function).
    • Safayat Ali Shaikh (2014) phát triển thuật toán DDDP cho hệ thống hồ Damodar Valley (Ấn Độ). Heydari và cộng sự (2015) dùng quy hoạch tuyến tính số nguyên cho hệ thống hồ Laar, Latian và Karaj, làm giảm 21,7% lượng nước xả tràn và tăng 11,6% lượng nước cấp.
    • Các nghiên cứu quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP): Buras (1985), Estalrich và Buras (1991), Rashid và cộng sự (2007, tính cho hồ Dokan ở Iraq), El-Shafe và El-Manadely (2011, kết hợp ANN và SDP cho đập Aswan ở Ai Cập), Talukdar và cộng sự (2012, hồ Sardar Sarovar tại Ấn Độ). Jairaj và Vedula (2000), Regulwar và Kamodkar (2010), Draper (2001), Mousavi và cộng sự (2005, mô hình DPFRB), Guolei và cộng sự (2010), Raje và Mujumdar (2010, hồ Hirakud tại Ấn Độ), Goulter và Tai (1985), Karamouz và Vasiliadis (1992), Côté và Leconte (2015), Côté và cộng sự (2011), Desreumaux và cộng sự (2014) nghiên cứu độ rời rạc biến trạng thái và yếu tố bất định thủy văn.

  3. Phương pháp trí tuệ nhân tạo và thuật toán tiến hóa:

    • Chang Jian-Xia và cộng sự (2004) áp dụng GA cho tối ưu hóa hồ chứa. Liong Shie-Yui và cộng sự (2004) áp dụng NSGA-II cho hệ thống 5 hồ trên sông Chaliyar (Ấn Độ).
    • Juran Ali Ahmed và Sarma (2005) dùng GA cho hồ trên sông Pagladia. D. Nagesh Kumar và M. Jan Reddy (2006) ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy kiến (Ant Colony) cho hồ Hirakud, so sánh hiệu quả vượt trội so với GA; Jan Reddy và D. Nagesh Kumar (2006) nghiên cứu thuật toán tiến hóa đa mục tiêu tìm tập nghiệm Pareto.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

  • Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ (2007) ứng dụng HEC-RESSIM mô phỏng điều tiết lũ lưu vực sông Hương tại trạm Kim Long và Phú Ốc.
  • Nguyễn Hữu Khải và Lê Xuân Cầu (2009) thực hiện đề tài KC.30/06-10 sử dụng HEC-RESSIM và MIKE 11 cho hệ thống liên hồ sông Ba; nghiên cứu xây dựng đường cong chuẩn quy tắc vận hành mùa cạn bằng thuật toán GA.
  • Lê Hùng và Tô Thúy Nga ứng dụng HEC-RESSIM cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
  • Ngô Lê Long (2006, 2007, 2008) ứng dụng phần mềm AUTOCAL kết hợp MIKE 11 và giải thuật tối ưu SCE tối ưu hóa vận hành hồ Hòa Bình, giúp tăng sản lượng điện khoảng 0,4 triệu kWh/năm.
  • Nguyễn Hữu Khải (2007-2008) ứng dụng HEC-RESSIM và MIKE 11 cho liên hồ Hòa Bình – Tuyên Quang đảm bảo mực nước Hà Nội không dưới 2,3–2,5 m.
  • Nguyễn Thế Hùng và Lê Hùng (2009) dùng GA và mô phỏng Monte Carlo cho hồ Ea Krong Rou (Khánh Hòa); năm 2011 áp dụng quy hoạch động trên ngôn ngữ Delphi tính toán cho hồ Định Bình, A Vương, và hệ thống 2 bậc sông Bung 2 – sông Bung 4.
  • Hà Ngọc Hiến (2010) nghiên cứu phương pháp dò tìm tối ưu điều hành liên hồ chứa thời gian thực.
  • Hoàng Thanh Tùng và cộng sự (2013) ứng dụng phần mềm Crystal Ball phân tích rủi ro kinh tế và tối ưu hóa vận hành các hồ Thác Bà, Tuyên Quang, Sơn La, Hòa Bình.
  • Các đề tài cấp bộ và cấp nhà nước: Viện Quy hoạch Thủy lợi (2005 dùng GAMS trên lưu vực sông Thái Bình; 2007 cho sông Đà – sông Lô); Trường Đại học Thủy lợi do GS.TS Lê Kim Truyền chủ nhiệm (2004-2006) nghiên cứu cơ sở khoa học cấp nước mùa cạn đồng bằng sông Hồng; Đề tài Bộ Tài nguyên và Môi trường do TS Nguyễn Lan Châu chủ nhiệm (2008-2010) nghiên cứu dự báo dòng chảy mùa cạn và công nghệ GAMS; Đề tài cấp nhà nước do PGS.TS Bùi Nam Sách làm chủ nhiệm (2014) áp dụng mô hình MOPHONG, GAMS và Crystal Ball cho liên hồ Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang duy trì mực nước Hà Nội 2,2 m (thời kỳ đổ ải tháng I+II) và 1,18 m (các tháng khác).

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ đặt hàm mục tiêu tối đa hóa tổng sản lượng điện năng ($E_{\max}$), chưa phản ánh được giá trị kinh tế của thủy điện khi tham gia phủ biểu đồ phụ tải và thị trường điện cạnh tranh. Về mặt thuật toán, phương pháp DP truyền thống gặp trở ngại bùng nổ phép tính khi số lượng hồ tăng lên, còn các thuật toán ngẫu nhiên (GA, EA) không đảm bảo nghiệm tối ưu toàn cục duy nhất.

Luận án kế thừa ý tưởng phân tách bài toán không-thời gian từ nghiên cứu của Hall và Shepard (1967) để phát triển thuật toán quy hoạch động 2 chiều (DP-DP), đồng thời xây dựng hàm mục tiêu tối đa hóa doanh thu phát điện có xét đến biểu giá công suất phủ đỉnh phụ tải ($B_{\max}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và nguyên lý Bellman: Áp dụng nguyên lý tối ưu hóa quy hoạch động Bellman, chia bài toán điều tiết hệ thống bậc thang nhiều thời đoạn và nhiều hồ chứa thành chuỗi các bài toán con tối ưu từng bước theo thời gian và không gian.
  • Lý thuyết cân bằng phụ tải hệ thống điện: Đánh giá giá trị công suất và điện năng của nhà máy thủy điện dựa trên vị trí làm việc trên biểu đồ phụ tải ngày (vùng đáy, vùng lưng hoặc vùng đỉnh).
  • Cơ chế thị trường phát điện cạnh tranh: Sử dụng mô hình thanh toán điện năng kết hợp giá công suất khả dụng ($SN$) và giá điện năng thị trường.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp kế thừa: Thu thập tài liệu chuỗi dòng chảy thủy văn lịch sử thực đo, các đường đặc tính hồ chứa ($Z-V, Z-F$), đặc tính tuabin và đường cong mực nước - lưu lượng hạ lưu ($Q-Z_{hl}$) của các công trình Sơn La và Hòa Bình.
  2. Phương pháp phân tích hệ thống: Đánh giá các ràng buộc liên kết thủy lực giữa hồ thượng lưu và hạ lưu trên cùng bậc thang, các ràng buộc dòng chảy tối thiểu hạ du và nhu cầu dùng nước.
  3. Phương pháp mô hình hóa toán học và thuật toán DP-DP: Xây dựng mô hình toán và phần mềm tính toán chia làm 2 giai đoạn quy hoạch động lồng ghép:
    • Bài toán 1: Quy hoạch động theo chiều thời gian để xác định đường phân phối tổng dung tích trữ của toàn hệ thống qua các thời đoạn.
    • Bài toán 2: Quy hoạch động theo chiều không gian tại mỗi nút trạng thái thời gian để phân bổ dung tích trữ giữa các hồ chứa thành phần.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Chuỗi số liệu thủy văn lịch sử dòng chảy đến hồ Sơn La và Hòa Bình (chuỗi nhiều năm, năm thiết kế $P_{tk}$ 1930-1931, các năm điển hình 1949-1950, 2002-2003).
  • Biểu giá công suất thị trường điện cạnh tranh năm 2017 ban hành theo Quyết định số 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 của Cục Điều tiết Điện lực.
  • Dự báo biểu đồ phụ tải hệ thống điện các ngày điển hình theo các tháng năm 2020.
  • Quy chuẩn và quy định mực nước, lưu lượng khống chế theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg ngày 17/9/2015 của Thủ tướng Chính phủ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN

Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý luận và thực tiễn về quản lý vận hành hồ chứa thủy điện:

  • Trình bày hai phương thức điều hành cơ bản: vận hành theo biểu đồ điều phối (gồm biểu đồ thông thường, biểu đồ tối ưu, và biểu đồ liên hồ) và vận hành theo thời gian thực dựa trên thông tin dự báo thủy văn. Trên biểu đồ điều phối bắt buộc phải xác định các vùng: vùng đảm bảo an toàn công trình, vùng làm việc với lưu lượng đảm bảo, vùng làm việc với lưu lượng lớn hơn lưu lượng đảm bảo và vùng làm việc với lưu lượng nhỏ hơn lưu lượng đảm bảo.
  • Phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các phương pháp mô phỏng (HEC-5, HEC-RESSIM, MIKE11, SSARR, Powersim) và các kỹ thuật tối ưu hóa tất định (LP, NLP, DP, DPSA, DDDP, IDP), tối ưu ngẫu nhiên (SDP, DPFRB) cùng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (GA, EA, PSO, NSGA-II).
  • Khảo sát hiện trạng vận hành các hồ chứa trên lưu vực sông Hồng (Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang). Phân tích quá trình ban hành và thực hiện các quy trình vận hành liên hồ chứa theo Quyết định số 198/QĐ-TTg (2011), Quyết định số 1287/QĐ-TTg (2014) và Quyết định số 1622/QĐ-TTg (2015).
  • Chỉ ra hạn chế của các quy trình hiện hành: chủ yếu tập trung điều tiết cắt giảm lũ mùa mưa, trong mùa cạn chỉ dừng lại ở các chỉ tiêu tĩnh về lưu lượng và mực nước tối thiểu, chưa có công cụ tối ưu hóa lợi ích kinh tế năng lượng. Xác định định hướng nghiên cứu phát triển thuật toán DP-DP và thiết lập hàm mục tiêu tối đa hóa lợi ích kinh tế phát điện ($B_{\max}$).

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học và thuật toán điều tiết tối ưu:

  • Thiết lập hàm mục tiêu: Luận án so sánh tiêu chuẩn cực đại sản lượng điện ($E_{\max}$) và tiêu chuẩn cực đại lợi ích điện năng có xét đến biểu đồ phụ tải hệ thống ($B_{\max}$). Hàm mục tiêu $B_{\max}$ biểu thị tổng doanh thu từ bán điện năng và bán công suất khả dụng trên thị trường điện cạnh tranh: $$\max B = \sum_{t=1}^{T} \sum_{i=1}^{M} \left[ P_{i,t} \cdot C_{P,t} + E_{i,t} \cdot C_{E,t} \right] \Delta t$$ Trong đó $P_{i,t}$ là công suất huy động, $E_{i,t}$ là điện năng sản xuất, $C_{P,t}$ là đơn giá công suất khả dụng (theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL), $C_{E,t}$ là giá điện năng của trạm $i$ tại thời đoạn $t$.

  • Hệ thống ràng buộc của mô hình:

    1. Cân bằng nước: $$V_{i,t+1} = V_{i,t} + \left[ Q_{den,i,t} + Q_{xa,i-1,t} - Q_{nm,i,t} - Q_{xatran,i,t} - Q_{tonthat,i,t} \right] \cdot \Delta t$$
    2. Ràng buộc mực nước và dung tích: $$Z_{MNC,i} \le Z_{i,t} \le Z_{MNDBT,i} \quad \Leftrightarrow \quad V_{chet,i} \le V_{i,t} \le V_{bt,i}$$
    3. Ràng buộc công suất trạm thủy điện: $$N_{min,i} \le N_{i,t} \le N_{kd,i}(H_{i,t}) \le N_{lm,i}$$
    4. Ràng buộc lưu lượng xả và dòng chảy tối thiểu hạ lưu: $$Q_{xa,i,t} \ge Q_{min,t}^{ha_du}$$

  • Xây dựng thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP:

    • Bài toán 1 (Theo chiều thời gian): Biến trạng thái là tổng dung tích trữ của toàn hệ thống bậc thang $W_t = \sum V_{i,t}$. Hàm truy hồi Bellman xác định quỹ đạo tối ưu của tổng dung tích qua các bước thời gian $t = 1, 2, \dots, T$.
    • Bài toán 2 (Theo chiều không gian): Tại mỗi nút trạng thái thời gian với tổng dung tích $W_t$ xác định, bài toán quy hoạch động thứ hai được giải để phân bổ dung tích trữ tối ưu cho từng hồ thành phần ($V_{1,t}, V_{2,t}$) nhằm đạt lợi ích lớn nhất tại bước đó.
    • Sơ đồ khối thuật toán được số hóa và xây dựng thành phần mềm chuyên dụng phục vụ tính toán điều tiết bậc thang.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN

Chương 3 áp dụng mô hình toán và thuật toán DP-DP vào tính toán thực nghiệm cho bậc thang Sơn La – Hòa Bình:

  • Đặc điểm công trình và nhu cầu hạ du: Phân tích quan hệ thủy lực bậc thang Sơn La (thượng lưu) và Hòa Bình (hạ lưu). Nhu cầu dùng nước hạ du sông Hồng được đưa vào mô hình tính toán bao gồm: thời kỳ cấp nước đổ ải vụ Đông Xuân (tháng I và tháng II) duy trì mực nước Hà Nội không dưới 2,20 m; các tháng còn lại duy trì mực nước tối thiểu 1,18 m đảm bảo giao thông thủy và môi trường.

  • Thiết lập các kịch bản tính toán: Luận án thực hiện tính toán điều tiết cho nhiều chuỗi thủy văn mùa cạn, so sánh trực tiếp giữa hai tiêu chuẩn tối ưu $B_{\max}$ (doanh thu cực đại) và $E_{\max}$ (điện lượng cực đại):

Chỉ tiêu so sánh Tiêu chuẩn $E_{\max}$ (Cực đại điện lượng) Tiêu chuẩn $B_{\max}$ (Cực đại lợi ích phụ tải) Đánh giá / Chênh lệch
Mục tiêu ưu tiên Tối đa hóa tổng điện năng sản xuất $\sum E$ Tối đa hóa doanh thu (điện năng + công suất phủ đỉnh) $B_{\max}$ bám sát biểu đồ phụ tải và giá thị trường điện
Chế độ mực nước hồ Duy trì mực nước cao để tăng cột nước phát điện Điều tiết dung tích linh hoạt để tối đa công suất sẵn sàng giờ cao điểm Hồ Sơn La và Hòa Bình hạ/tích nước phù hợp theo chu kỳ phụ tải
Công suất khả dụng ($N_{kd}$) Phân bố đều theo dòng chảy tự nhiên Tập trung nâng cao công suất khả dụng vào các tháng cao điểm mùa khô Giảm áp lực thiếu công suất đỉnh cho hệ thống điện quốc gia
Đáp ứng cấp nước hạ du Đáp ứng ràng buộc lưu lượng tối thiểu Đáp ứng ràng buộc lưu lượng tối thiểu kết hợp tối ưu xả phát điện phủ đỉnh Đảm bảo mực nước Hà Nội $\ge 2,20$ m (tháng I-II) và $\ge 1,18$ m (các tháng khác)
  • Kết quả điều tiết cụ thể:
    • Đã phân tích đường quá trình mực nước, công suất phát điện và công suất khả dụng trong các năm thủy văn điển hình như năm thiết kế $P_{tk}$ (1930-1931), năm 1949-1950, năm 2002-2003. Kết quả chứng minh tiêu chuẩn $B_{\max}$ giúp tăng giá trị kinh tế tổng hợp và nâng cao hiệu quả huy động công suất khả dụng của hệ thống bậc thang Sơn La – Hòa Bình trong những thời đoạn phụ tải căng thẳng.
  • Xây dựng biểu đồ điều phối tối ưu:
    • Xác lập cơ sở khoa học và vẽ biểu đồ điều phối tối ưu cho hồ Thủy điện Sơn La và hồ Thủy điện Hòa Bình.
    • Tính toán và xác định bảng tọa độ các đường giới hạn trên biểu đồ điều phối (gồm đường hạn chế phát điện, đường phát công suất bảo đảm, đường phát công suất tăng cường và đường mở rộng xả thừa).
    • Đề xuất quy trình và phương pháp vận hành phát điện theo biểu đồ điều phối tối ưu và phương thức điều hành theo thời gian thực.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Phát triển thành công thuật toán quy hoạch động 2 chiều (DP-DP) áp dụng cho bài toán vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Thuật toán phân tách hiệu quả bài toán không-thời gian, giải quyết được sự bùng nổ về số chiều tính toán trong quy hoạch động truyền thống mà vẫn đảm bảo tính toàn cục của nghiệm tối ưu.
  2. Thiết lập cơ sở khoa học và đưa tiêu chuẩn tối ưu hóa lợi ích kinh tế điện năng ($B_{\max}$) có xét đến khả năng phủ biểu đồ phụ tải và cơ chế thị trường phát điện cạnh tranh vào bài toán vận hành hồ chứa bậc thang trong mùa cạn, thay thế cho cách tiếp cận truyền thống chỉ xét đơn mục tiêu sản lượng điện lớn nhất ($E_{\max}$).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Xây dựng phần mềm chuyên dụng tính toán điều tiết tối ưu hệ thống bậc thang thủy điện cấu trúc đơn, áp dụng tính toán thành công cho hệ thống hồ chứa Sơn La – Hòa Bình trên sông Đà.
  2. Xây dựng bộ biểu đồ điều phối tối ưu kèm theo bảng tọa độ các đường giới hạn cho hồ Sơn La và Hòa Bình trong mùa cạn, cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định phục vụ vận hành thực tế tại các nhà máy và điều độ hệ thống điện quốc gia.
  3. Đề xuất luận cứ khoa học phục vụ việc hoàn thiện và bổ sung các quy định vận hành mùa cạn trong "Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng".

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu chỉ tập trung vào bài toán vận hành tối ưu trong thời kỳ mùa cạn; mối quan hệ phối hợp giữa nhiệm vụ phòng lũ mùa mưa và tích nước cuối mùa lũ chưa được tích hợp đồng thời trong cùng một mô hình toán học tổng thể.
  • Phạm vi áp dụng chi tiết mới thực hiện cho hệ thống bậc thang đơn gồm 2 hồ chính trên sông Đà (Sơn La và Hòa Bình), chưa mở rộng tính toán đồng thời cho tất cả các công trình thủy điện lớn trên toàn lưu vực sông Hồng (như Lai Châu, Bản Chát, Huội Quảng, Tuyên Quang, Thác Bà).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thuật toán DP-DP và mô hình toán tối ưu cho hệ thống bậc thang phức hợp gồm nhiều nhánh sông và nhiều bậc hồ chứa liên kết thủy lực phức tạp trên lưu vực sông Hồng cũng như các lưu vực sông khác (sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Ba).
  • Tích hợp mô hình dự báo dòng chảy thời gian thực hạn ngắn và hạn vừa vào mô hình điều hành tối ưu trực tuyến, nâng cao tính thích ứng của biểu đồ điều phối khi có biến động bất thường về thủy văn do biến đổi khí hậu.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy, Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy điện và Năng lượng tái tạo có thể tham khảo phương pháp luận về thuật toán DP-DP, cách thiết lập bài toán tối ưu liên hồ chứa và mô hình hàm mục tiêu kinh tế năng lượng.
  • Kỹ sư vận hành và chuyên viên điều độ: Tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0/EVN), Công ty Thủy điện Sơn La, Công ty Thủy điện Hòa Bình có thể sử dụng các kết quả tính toán biểu đồ điều phối tối ưu và phương pháp xác định công suất khả dụng để lập kế hoạch vận hành mùa cạn.
  • Cơ quan quản lý nhà nước: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Công Thương, Cục Điều tiết Điện lực có thể sử dụng các luận cứ của đề tài để rà soát, điều chỉnh Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng thời kỳ mùa cạn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn hàm mục tiêu cực đại lợi ích điện năng ($B_{\max}$) thay vì cực đại sản lượng điện ($E_{\max}$)?

Đối với các nhà máy thủy điện lớn có dung tích điều tiết năm và chiếm tỷ trọng công suất cao trong hệ thống điện, giá trị của thủy điện không chỉ nằm ở tổng điện năng phát ra mà còn ở khả năng phát công suất vào các giờ cao điểm của biểu đồ phụ tải (khi giá điện và giá công suất thị trường cao nhất). Tiêu chuẩn $B_{\max}$ gắn kết chặt chẽ chế độ thủy lực hồ chứa với nhu cầu của hệ thống điện lực và biểu giá công suất cạnh tranh, giúp hệ thống điện giảm chi phí vận hành các nguồn nhiệt điện đắt tiền mà vẫn đảm bảo nhiệm vụ cấp nước hạ du.

2. Nguyên lý hoạt động của thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP là gì?

Thuật toán DP-DP chia bài toán tối ưu không-thời gian thành 2 cấp quy hoạch động:

  • Chiều thời gian: Biến trạng thái là tổng dung tích trữ $W_t$ của toàn bộ hệ thống bậc thang, dùng phương pháp quy hoạch động để tìm quỹ đạo phân bổ tổng lượng nước trữ qua từng tháng/thời đoạn của mùa cạn.
  • Chiều không gian: Tại mỗi trạng thái tổng dung tích $W_t$ ở từng bước thời gian, một bài toán quy hoạch động thứ hai được thực hiện để tìm cách phân chia lượng nước trữ tối ưu cho từng hồ (Sơn La và Hòa Bình) sao cho tổng lợi ích phát điện tại bước đó đạt cực đại.

3. Ràng buộc cấp nước hạ lưu sông Hồng được đưa vào mô hình như thế nào?

Mô hình đưa vào các ràng buộc bất đẳng thức nghiêm ngặt về lưu lượng và mực nước hạ du tại các nút kiểm soát theo Quyết định số 1622/QĐ-TTg:

  • Thời kỳ đổ ải vụ Đông Xuân (tháng I và tháng II): Hồ Hòa Bình phải xả nước tăng cường đảm bảo duy trì mực nước tại trạm thủy văn Hà Nội không thấp hơn 2,20 m.
  • Các tháng còn lại trong mùa cạn: Duy trì dòng chảy môi trường và giao thông thủy tương ứng mực nước tại Hà Nội không thấp hơn 1,18 m.

4. Kết quả nghiên cứu áp dụng cho bậc thang Sơn La – Hòa Bình chỉ ra điều gì?

Kết quả tính toán qua các kịch bản năm thủy văn (như năm thiết kế $P_{tk}$ 1930-1931, năm 1949-1950, năm 2002-2003) cho thấy khi vận hành theo tiêu chuẩn $B_{\max}$, mực nước và công suất khả dụng của hai hồ được điều tiết linh hoạt, đáp ứng tối đa vào các thời điểm phụ tải căng thẳng, đem lại tổng doanh thu bán điện và hiệu ích hệ thống cao hơn so với tiêu chuẩn $E_{\max}$, trong khi vẫn thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu cấp nước hạ du.

5. Biểu đồ điều phối tối ưu xây dựng trong luận án có cấu trúc gồm những vùng nào?

Biểu đồ điều phối tối ưu của hồ Sơn La và Hòa Bình bao gồm 4 vùng chức năng chính được phân định bởi các đường giới hạn tính toán theo tọa độ thời gian:

  1. Vùng hạn chế phát điện (vận hành với công suất nhỏ hơn công suất đảm bảo khi hồ thiếu nước).
  2. Vùng phát công suất bảo đảm.
  3. Vùng phát công suất tăng cường (lớn hơn công suất bảo đảm nhằm tận dụng nước).
  4. Vùng mở rộng xả thừa/đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hồ Ngọc Dung đã giải quyết cơ sở khoa học cho bài toán vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trong mùa cạn thông qua việc phát triển thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP và thiết lập hàm mục tiêu cực đại hóa lợi ích kinh tế năng lượng ($B_{\max}$). Kết quả áp dụng tính toán thực nghiệm trên bậc thang Sơn La – Hòa Bình đã chứng minh tính khả thi của thuật toán, nâng cao hiệu quả phát điện phủ đỉnh phụ tải gắn với thị trường điện cạnh tranh và đảm bảo an toàn cấp nước hạ du sông Hồng. Công trình cung cấp bộ công cụ toán học, chương trình tính toán và biểu đồ điều phối tối ưu có giá trị khoa học và thực tiễn đối với công tác quản lý, khai thác nguồn nước và vận hành hệ thống điện tại Việt Nam.