Chương I TỔNG QUAN 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trên thế giới, thị trường điện đã hình thành rất lâu, những quốc gia như Mỹ, Anh… đã phát triển trên 60 năm. Đến nay nhiều nước đã có thị trường điện phát triển ở mức độ cao và quy mô lớn, có thị trường bán lẻ điện đến hộ tiêu dùng. Thị trường điện không chỉ mua bán điện trong phạm vi nội bộ của một nước mà còn trao đổi mua điện giữa các nước trong vùng như Mỹ (trao đổi mua bán điện với Canada và Mexico), các nước Bắc Âu trao đổi mua bán điện với các nước Nga, Pháp, Đức… thông qua giá cả cạnh tranh để đạt lợi ích chung cho người bán và người tiêu dùng.
Đến nay đã có hơn 120 quốc gia có thị trường điện. Đây là sự chuyển biến quan trọng trong khoa học quản lý lĩnh vực điện lực. Nước ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành theo cơ chế thị trường ở khâu phát điện (nhà máy điện - NMĐ), sẽ tiến tới thị trường bán buôn và sau đó là thị trường bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra (đang chuyển từ độc quyền Nhà nước sang cơ cấu thị trường cạnh tranh). Khi đã bước vào thị trường, để tăng tính cạnh tranh, đòi hỏi vận hành các NMĐ không những đáp ứng yêu cầu đặt ra về số lượng, chất lượng và độ tin cậy cao (đảm bảo năng lượng điện) thì chi phí phát điện cũng là một bài toán không kém phần quan trọng.
Nếu ta cứ tiếp tục xây dựng mới các nguồn cung cấp (NMĐ mới) để đáp ứng nhu cầu mà không quan tâm đến vấn đề kiểm toán năng lượng, làm như thế nào để sử dụng tốt các nguồn sẵn có, các nguồn sẵn có này đã được sử dụng hiệu quả chưa, nếu chưa thì làm thế nào để hiệu quả hơn… Hay nói cách khác, chúng ta phải xét đến tính kinh tế khi mà tính kỹ thuật đã đảm bảo. Do đó, đứng ở góc độ nhà đầu tư thì phải tính toán chi phí phát điện của nhà máy sao cho thấp nhất để khi tham gia vào việc mua bán điện, chào giá và phát điện vào thị trường lớn nhất, nhằm thu được lợi nhuận tối đa, nhưng người sử dụng điện chi phí cho việc sử dụng điện với giá rẻ nhất có thể, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện do giá thành sản xuất 1 kW điện cao hơn so với các loại NMĐ khác. 5 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên Muốn được như vậy, các nhà máy phát nhiệt điện phải tính toán đưa ra kế hoạch vận hành các tổ máy phát điện một cách hợp lý nhất.
Để giải quyết bài toán vận hành tối ưu các tổ máy phát điện thì trước hết phải dựa vào hàm chi phí phát điện của từng tổ máy. Từ đó, thành lập mô hình toán học để tính lợi nhuận tối đa của các tổ máy phát điện với giá điện trên thị trường xác định tại mỗi thời điểm. Từ tính cần thiết này, bài toán “Phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện” được đặt ra và ứng dụng các thuật toán để tìm lời giải phân bố công suất tối ưu giữa các tổ máy trong nhà máy. Trong nghiên cứu của đề tài sẽ xét trên các nhà máy nhiệt điện và vận hành ổn định (có công suất nhỏ) và xem công suất nguồn từ các nhà máy điện luôn luôn đáp ứng đủ tải.
Bài toán chọn tối ưu các tổ máy phát (UC – Unit Commitment) Phân bố tối ưu các tổ máy phát điện (nguồn phát) là sự bố trí phát công suất tại các nguồn phát sao cho chi phí tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất, nhưng phải đảm bảo về độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng. Một trong những bài toán kinh tế – kỹ thuật khi vận hành và thiết kế hệ thống điện là: xác định sự phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện nhằm đáp ứng giá trị phụ tải tổng cộng đã qui định. Việc nghiên cứu phương thức phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện không những nâng cao tính kinh tế trong vận hành mà còn đóng góp vào tính chính xác và hợp lí khi qui hoạch, thiết kế hệ thống điện. Vai trò của chọn tối ưu các tổ máy phát trong hệ thống điện Yêu cầu của vận hành kinh tế hệ thống điện là đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện, đảm bảo chất lượng phục vụ, có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối thấp nhất.
Do đó, việc giảm tối thiểu chi phí sản xuất điện năng là mục tiêu của việc phân bố tối ưu nguồn phát trong hệ thống điện, đặc biệt khi đã bước vào thị trường cạnh tranh đang từng bước hình thành như ở nước ta hiện nay. Chi phí sản xuất điện bao gồm: - Chi phí nhiên liệu. - Tổn thất điện năng. - Chi phí bảo dưỡng định kỳ.
6 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên - Chi phí để khắc phục hậu quả, sửa chữa thiết bị hỏng do sự cố. - Chi phí tiền lương. - Khấu hao thiết bị.
Các yếu tố cấu thành chi phí sản xuất điện thì yếu tố chính của nhà máy là chi phí nhiên liệu, trong khi đó các yếu tố còn lại chỉ góp phần nhỏ. Chi phí nhiên liệu có ý nghĩa đặc biệt trong trường hợp nhà máy nhiệt điện. Trong đó, việc giảm chi phí sản xuất điện năng chủ yếu liên quan đến việc giảm chi phí nhiên liệu và giảm tổn thất điện năng. Để giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành, thì chú ý đến các vấn đề sau: - Ưu tiên tăng lượng công suất phát tại các nhà máy gần phụ tải nhằm giảm tổn hao truyền tải dẫn đến giảm chi phí tiêu hao nhiên liệu trong toàn hệ thống.
- Ưu tiên tăng lượng công suất phát ra tại các nhà máy nhiệt điện có tiêu hao nhiên liệu thấp. - Lập kế hoạch vận hành chi tiết cho từng tuần lễ gồm: thành phần tổ máy tham gia vận hành trong ngày, trong giờ. - Lập kế hoạch vận hành ngày đêm bằng cách xác định công suất phát từng giờ của từng nhà máy tham gia vận hành, kế hoạch ngừng và khởi động lại các tổ máy. Kế hoạch sản xuất bao gồm cả kế hoạch bảo dưỡng định kỳ các tổ máy trong năm.
Vấn đề giảm tổn thất điện năng: việc này có ý nghĩa rất lớn trong vận hành lưới điện. Giảm tổn thất điện năng bao gồm các biện pháp cần thêm vốn đầu tư và các biện pháp không cần vốn đầu tư. Có những biện pháp thực hiện một lần khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện như khi chọn dây dẫn kết hợp điều kiện tổn thất vầng quang; có biện pháp được chuẩn bị trong quy hoạch thiết kế và được thực hiện trong vận hành như phân bố tối ưu công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp. MÔ TẢ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU Bài toán sẽ phối hợp vận hành kinh tế các tổ máy phát điện để đạt lợi nhuận cực đại.
Từ các số liệu ban đầu của từng tổ máy như: công suất cực đại, công suất cực tiểu, các hằng số chi phí nhiên liệu của tổ máy, khả năng tăng công suất, khả năng giảm công suất của tổ máy,… và giá điện sàn trên thị trường. 7 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên Trong quá trình tính toán để giải quyết bài toán, giả thuyết thị trường điện là thị trường cạnh tranh hoàn hảo, không có sự chi phối của EVN, không có sự làm giá của các nhà máy điện có công suất lớn (có khả năng chi phối đến an ninh hệ thống), tổng nguồn điện của hệ thống là dư thừa mà các nhà máy điện cạnh tranh phát điện một cách công bằng dựa vào giá điện trên thị trường điện. Lợi nhuận phát điện chính bằng số dư của giá bán trừ cho chi phí phát điện, để lợi nhuận tối đa thì chi phí phát điện phải tối thiểu, quan hệ này được thể hiện qua biểu thức sau: Lợi nhuận = Giá bán x Lượng điện năng được bán - chi phí phát điện Trong đề tài, giá bán là giá thị trường hoặc giá ước lượng.
Chi phí nhiên liệu của từng tổ máy được xác định theo công thức: C i (Pit ) = a i (Pit ) 2 + b i (Pit ) + c i với: ai, bi, ci là các hằng số phụ thuộc vào nhiên liệu Pit là công suất phát của tổ máy i tại thời điểm t Giá điện thị trường là λ(t), giá điện này ta xét có sự thay đổi theo từng giờ (∆t = 1). Nên khi xét suất tăng công suất ta cũng phải xét theo từng thời điểm (giờ).1: Xác định lợi nhuận và chi phí ràng buộc chi phí nhiên liệu 8 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên Trong hình 1. ta thấy trong các vùng mà giá điện thị trường nằm phía trên chi phí phát điện thì sẽ đạt lợi nhuận trong khoảng đó, nghĩa là tổng chi phí để tổ máy phát công suất lên lưới thấp hơn giá điện thị trường nên đạt lợi nhuận.
Còn các vùng mà giá điện thị trường nằm phía dưới chi phí phát điện thì không thu được lợi nhuận khi ta cho tổ máy phát công suất lên lưới, nghĩa là giá điện thị trường tại thời điểm xét thấp hơn chi phí phát điện của các tổ máy. Yếu tố chính của chi phí vận hành máy phát là nhiên liệu đầu vào/giờ, trong khi đó các yếu tố còn lại chỉ góp phần nhỏ. Chi phí nhiên liệu có ý nghĩa trong trường hợp nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện nguyên tử, còn ngược lại với nhà máy thủy điện khi năng lượng là miễn phí thì chi phí vận hành không còn ý nghĩa nữa. Hay nhieân lieäu (trieäu kcl/hr) Chi phí vaän haønh (Rs/hr) Công suất phát ra (MW) Hình 1.2: Đường cong nhiên liệu đầu vào- công suất phát ra Đường cong đầu vào đầu ra của 1 tổ máy có thể được thể hiện bằng đơn vị triệu kilocalo mỗi giờ, ngược lại đầu ra được sử dụng đơn vị MW.
Đường cong chi phí này có thể được thực hiện bằng thực nghiệm. Đường cong điển hình được biểu diễn trong hình 1.2, trong đó (MW)min là công suất phát nhỏ nhất của tổ máy phát, và (MW)max là công suất phát lớn nhất của tổ máy phát, đường cong nhiên liệu đầu vào-công suất đầu ra không liên tục tại các quá trình mở van hơi. 9 Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS. Lê Chí Kiên Các ràng buộc của từng tổ máy: - Ràng buộc về suất tăng công suất từng tổ máy trong quá trình khởi động tổ máy (UR).
Phụ thuộc vào từng loại tổ máy khác nhau.