Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng điện năng tại Việt Nam tăng trưởng mạnh mẽ, với sản lượng điện tiêu thụ năm 2010 đạt khoảng 88-93 tỷ kWh và dự kiến tăng lên 201-250 tỷ kWh vào năm 2020. Tổng công suất lắp đặt đến cuối năm 2010 là 21.250 MW, trong đó nhà máy nhiệt điện chiếm 56%, thủy điện 38%, còn lại là diesel và các nguồn khác. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao, hệ thống điện quốc gia phải vận hành hiệu quả, đặc biệt trong giai đoạn chuyển đổi từ cơ chế độc quyền nhà nước sang thị trường điện cạnh tranh theo lộ trình Chính phủ đề ra.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện cạnh tranh nhằm tối ưu hóa lợi nhuận và giảm chi phí phát điện. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học và giải thuật để phân bố công suất tối ưu giữa các tổ máy phát, xét đến các ràng buộc vận hành như công suất tối đa, tối thiểu, suất tăng giảm công suất, chi phí khởi động và tắt máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nhà máy nhiệt điện vận hành ổn định với công suất nhỏ, trong điều kiện công suất nguồn luôn đáp ứng đủ tải.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành các nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm giá thành sản xuất điện, tăng tính cạnh tranh trên thị trường điện, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong lập kế hoạch vận hành hàng ngày, tuần và dài hạn cho các nhà máy nhiệt điện, hỗ trợ nhà đầu tư và nhà quản lý trong việc ra quyết định tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Bài toán chọn tối ưu các tổ máy phát (Unit Commitment - UC): Xác định sự phân bố công suất giữa các tổ máy sao cho chi phí nhiên liệu và chi phí vận hành tổng thể là thấp nhất, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện năng. Đây là bài toán kinh tế-kỹ thuật quan trọng trong vận hành hệ thống điện.

  • Mô hình hàm chi phí phát điện: Chi phí nhiên liệu của từng tổ máy được mô hình hóa bằng hàm bậc hai:
    $$C_i(P_{it}) = a_i P_{it}^2 + b_i P_{it} + c_i$$
    trong đó $P_{it}$ là công suất phát của tổ máy $i$ tại thời điểm $t$, các hệ số $a_i, b_i, c_i$ phụ thuộc vào loại nhiên liệu và đặc tính tổ máy.

  • Mô hình lợi nhuận tối đa: Lợi nhuận của tổ máy được xác định bằng hiệu số giữa doanh thu từ bán điện theo giá thị trường và chi phí phát điện, bao gồm chi phí nhiên liệu, chi phí khởi động và chi phí tắt máy. Mục tiêu là tối đa hóa tổng lợi nhuận của toàn bộ hệ thống tổ máy.

  • Ràng buộc vận hành tổ máy: Bao gồm giới hạn công suất tối đa, tối thiểu, suất tăng giảm công suất theo giờ, thời gian lên máy và xuống máy, trạng thái hoạt động của tổ máy (đang chạy hoặc dừng), và các chi phí liên quan đến khởi động lạnh, khởi động nóng.

  • Phương pháp giải thuật: Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa như quy hoạch động, Lagrangian relaxation, giải thuật di truyền, mạng neuron nhân tạo và giải thuật mờ để tìm lời giải tối ưu cho bài toán phân bố công suất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu đầu vào bao gồm đặc tính kỹ thuật và chi phí của từng tổ máy phát nhiệt điện, dữ liệu giá điện thị trường theo từng giờ trong ngày, các ràng buộc vận hành tổ máy và thông số kỹ thuật liên quan.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xây dựng mô hình toán học hàm chi phí và lợi nhuận của từng tổ máy dựa trên các tham số đầu vào.
    • Áp dụng các ràng buộc vận hành để giới hạn phạm vi công suất và trạng thái tổ máy.
    • Sử dụng thuật toán tối ưu hóa để phân bố công suất phát điện sao cho tổng lợi nhuận của hệ thống đạt cực đại.
    • Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab để kiểm tra và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung trên hệ thống gồm 4 tổ máy phát nhiệt điện với dữ liệu vận hành trong khung thời gian 24 giờ. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong suốt khóa học cao học từ năm 2012 đến 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố công suất tối ưu theo giá điện thị trường:
    Kết quả mô phỏng cho thấy công suất phát của từng tổ máy biến động theo giá điện thị trường từng giờ. Khi giá điện cao hơn chi phí phát điện, tổ máy được vận hành với công suất tăng dần, ngược lại khi giá điện thấp hơn chi phí, tổ máy sẽ giảm công suất hoặc ngừng hoạt động. Ví dụ, trong khoảng thời gian từ giờ 3 đến giờ 19, tổ máy phát công suất tối đa đạt lợi nhuận cao nhất, trong khi các giờ khác tổ máy giảm công suất hoặc dừng hẳn.

  2. Ảnh hưởng của ràng buộc suất tăng giảm công suất:
    Suất tăng công suất thực tế của tổ máy bị giới hạn bởi khả năng kỹ thuật, do đó công suất phát không thể tăng đột ngột mà phải theo từng bước nhỏ. Điều này được thể hiện qua đồ thị công suất thực tế, cho thấy sự điều chỉnh công suất theo từng khoảng thời gian 30 phút phù hợp với giới hạn suất tăng công suất.

  3. Tác động của chi phí khởi động và tắt máy:
    Chi phí khởi động tổ máy ảnh hưởng đáng kể đến quyết định vận hành, đặc biệt khi giá điện thấp trong một khoảng thời gian. Nếu lợi nhuận dự kiến trong thời gian khởi động nhỏ hơn chi phí khởi động, tổ máy sẽ không được khởi động lại để tránh lỗ. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tính toán chi phí khởi động giúp tối ưu hóa kế hoạch vận hành, tránh các tổ máy hoạt động không hiệu quả.

  4. So sánh các phương pháp điều chỉnh công suất:
    Ba phương pháp điều chỉnh công suất được so sánh về tổng công suất phát, chi phí và lợi nhuận. Phương pháp điều chỉnh phân bố lại công suất giữa các tổ máy (DC1) đạt lợi nhuận cao nhất và chi phí thấp nhất so với các phương pháp chỉ ngừng tổ máy có lợi nhuận âm (DC2) hoặc không điều chỉnh (VH). Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc tối ưu phân bố công suất trong vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về bài toán chọn tối ưu tổ máy phát trong thị trường điện cạnh tranh. Việc áp dụng mô hình hàm chi phí bậc hai và các ràng buộc vận hành giúp mô phỏng sát thực tế vận hành các nhà máy nhiệt điện. Các đồ thị biểu diễn quan hệ giữa giá điện, công suất và lợi nhuận cung cấp cái nhìn trực quan về hiệu quả vận hành.

So với các phương pháp truyền thống, giải thuật tối ưu được đề xuất trong luận văn cho phép tính toán nhanh chóng và chính xác hơn, phù hợp với yêu cầu vận hành trong điều kiện thị trường điện biến động liên tục. Việc xem xét chi phí khởi động và tắt máy giúp tránh các quyết định vận hành không kinh tế, nâng cao lợi nhuận tổng thể.

Tuy nhiên, nghiên cứu còn giới hạn ở phạm vi các nhà máy nhiệt điện công suất nhỏ và giả định công suất nguồn luôn đáp ứng đủ tải. Trong thực tế, sự biến động của phụ tải và các nguồn năng lượng tái tạo có thể ảnh hưởng đến kế hoạch vận hành, đòi hỏi mở rộng mô hình và thuật toán cho các hệ thống phức tạp hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình tối ưu hóa trong lập kế hoạch vận hành hàng ngày:
    Các nhà máy nhiệt điện nên sử dụng mô hình và giải thuật phối hợp tổ máy để lập kế hoạch phát điện theo giờ, nhằm tối đa hóa lợi nhuận và giảm chi phí nhiên liệu. Thời gian thực hiện: ngay trong các chu kỳ vận hành hàng ngày. Chủ thể thực hiện: Ban vận hành nhà máy và phòng kế hoạch.

  2. Tích hợp dữ liệu giá điện thị trường và dự báo phụ tải chính xác:
    Cần xây dựng hệ thống thu thập và cập nhật liên tục dữ liệu giá điện thị trường và dự báo phụ tải để mô hình vận hành phản ánh sát thực tế, nâng cao hiệu quả tối ưu. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty phát điện và các đơn vị quản lý thị trường điện.

  3. Nâng cấp phần mềm và công cụ tính toán:
    Đầu tư phát triển phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa dựa trên Matlab hoặc các nền tảng tương tự, tích hợp thuật toán giải bài toán phối hợp tổ máy để hỗ trợ quyết định vận hành. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm điều độ hệ thống điện và các nhà cung cấp phần mềm.

  4. Đào tạo nhân sự vận hành và quản lý:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình toán học, thuật toán tối ưu và vận hành thị trường điện cho cán bộ kỹ thuật và quản lý nhà máy nhiệt điện. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý và điều hành hệ thống điện:
    Giúp hiểu rõ cơ chế vận hành tối ưu các tổ máy phát trong thị trường điện cạnh tranh, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch vận hành hiệu quả.

  2. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện:
    Cung cấp kiến thức về mô hình chi phí, ràng buộc vận hành và thuật toán tối ưu phân bố công suất, hỗ trợ ra quyết định vận hành hàng ngày.

  3. Nhà đầu tư và chuyên gia tài chính ngành điện:
    Hỗ trợ đánh giá hiệu quả kinh tế của các tổ máy phát, tối ưu hóa lợi nhuận đầu tư trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh.

  4. Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điện:
    Là tài liệu tham khảo về ứng dụng mô hình toán học và thuật toán tối ưu trong lĩnh vực kỹ thuật điện, đặc biệt về vận hành hệ thống điện và thị trường điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện?
    Phối hợp vận hành giúp tối ưu hóa phân bố công suất giữa các tổ máy, giảm chi phí nhiên liệu và tăng lợi nhuận tổng thể, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện năng trong hệ thống.

  2. Các ràng buộc vận hành tổ máy gồm những gì?
    Bao gồm công suất tối đa và tối thiểu, suất tăng giảm công suất theo giờ, thời gian lên máy và xuống máy, chi phí khởi động và tắt máy, cùng trạng thái hoạt động của tổ máy.

  3. Làm thế nào để xác định công suất phát tối ưu của từng tổ máy?
    Dựa vào hàm chi phí phát điện bậc hai và giá điện thị trường từng giờ, áp dụng đạo hàm để tìm công suất tối ưu thỏa mãn các ràng buộc vận hành và tối đa hóa lợi nhuận.

  4. Chi phí khởi động tổ máy ảnh hưởng thế nào đến kế hoạch vận hành?
    Chi phí khởi động cao có thể khiến tổ máy không được khởi động lại khi giá điện thấp, tránh lỗ do chi phí vận hành vượt quá doanh thu, từ đó ảnh hưởng đến lịch trình vận hành và lợi nhuận.

  5. Phương pháp nào được sử dụng để giải bài toán tối ưu phân bố công suất?
    Luận văn sử dụng mô hình toán học kết hợp với thuật toán tối ưu hóa dựa trên quy hoạch động và các giải thuật heuristic, được triển khai trên phần mềm Matlab để tìm lời giải tối ưu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình toán học và giải thuật phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện cạnh tranh, tập trung vào tối ưu hóa lợi nhuận và giảm chi phí phát điện.

  • Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố công suất phát điện phù hợp với biến động giá điện thị trường, đồng thời xét đến các ràng buộc kỹ thuật và chi phí khởi động, tắt máy.

  • So sánh các phương pháp điều chỉnh công suất cho thấy phương pháp phân bố lại công suất giữa các tổ máy đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.

  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả vận hành các nhà máy nhiệt điện, hỗ trợ nhà đầu tư và quản lý trong việc ra quyết định tối ưu trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh.

  • Đề xuất triển khai ứng dụng mô hình và giải thuật trong thực tế vận hành, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống điện phức tạp hơn trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình vào vận hành thực tế, phát triển phần mềm hỗ trợ và đào tạo nhân sự để nâng cao hiệu quả quản lý vận hành nhà máy nhiệt điện.