Nghiên Cứu Vận Hành Các Tổ Máy Phát Nhiệt Điện Trong Thị Trường Điện Tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute phối hợp vận hành các tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong

• Tác giả: Lưu Hoàng Viên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phối Hợp Vận Hành Các Tổ Máy Phát Nhiệt Điện Trong Thị Trường Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
• 0.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 0.2. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
• 0.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 0.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 0.5. NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. BÀI TOÁN CHỌN TỐI ƯU CÁC TỔ MÁY PHÁT
• 1.3. VAI TRÒ CỦA CHỌN TỐI ƯU CÁC TỔ MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.4. MÔ TẢ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU
• 1.5. CÁC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 2.1. HƯỚNG TIẾP CẬN. MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 2.2. GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỂ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN
• 2.4. GIẢI THUẬT BÀI TOÁN
• 2.5. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BÀI TOÁN
• 3. CHƯƠNG 3: KIỂM TRA CÁC VÍ DỤ MẪU VÀ NHẬN XÉT
• 3.1. TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU THEO TÀI LIỆU
• 3.2. TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ NGHỊ CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. HẠN CHẾ CỦA LUẬN VĂN
• 4.2. ĐỀ NGHỊ PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nước ta đang trong giai đoạn chuyển đổi sang cơ chế thị trường trong lĩnh vực phát điện. Vận hành máy phát điện không chỉ cần đáp ứng yêu cầu về số lượng và chất lượng mà còn phải tối ưu hóa chi phí. Đặc biệt, tổ máy phát điện cần được phối hợp một cách hợp lý để đảm bảo hiệu suất cao nhất. Việc này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất điện mà còn nâng cao tính cạnh tranh trong thị trường điện. Theo nghiên cứu, nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng, tuy nhiên, chi phí sản xuất 1 kWh điện từ nhiệt điện thường cao hơn so với các loại nhà máy khác. Do đó, việc tối ưu hóa quản lý năng lượng và phân tích thị trường điện là rất cần thiết.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thị trường điện đã hình thành và phát triển ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Việc chuyển từ độc quyền nhà nước sang cơ cấu thị trường cạnh tranh đòi hỏi các nhà máy điện phải hoạt động hiệu quả hơn. Phân tích thị trường điện cho thấy rằng, để tăng tính cạnh tranh, các nhà máy điện cần phải tối ưu hóa chi phí phát điện. Điều này không chỉ giúp các nhà đầu tư thu được lợi nhuận tối đa mà còn đảm bảo người tiêu dùng có thể sử dụng điện với giá rẻ nhất. Việc tối ưu hóa vận hành các tổ máy phát điện là một trong những giải pháp quan trọng để đạt được mục tiêu này.

II. Xây dựng mô hình toán học

Mô hình toán học được xây dựng nhằm tối ưu hóa vận hành máy phát điện trong thị trường điện. Mô hình này dựa trên hàm chi phí phát điện của từng tổ máy, từ đó xác định được lợi nhuận tối đa. Việc xây dựng mô hình không chỉ giúp các nhà máy điện có thể tính toán chi phí một cách chính xác mà còn giúp họ đưa ra quyết định hợp lý trong việc phối hợp các tổ máy. Công nghệ phát điện hiện đại cho phép áp dụng các thuật toán tối ưu để phân bố công suất giữa các tổ máy một cách hiệu quả. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn đảm bảo rằng công suất phát luôn đáp ứng đủ tải.

2.1 Hướng tiếp cận

Hướng tiếp cận trong nghiên cứu này là xây dựng một mô hình toán học có thể phản ánh chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành máy phát điện. Mô hình sẽ bao gồm các ràng buộc về chi phí, công suất và độ tin cậy. Việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa quá trình quản lý năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động của các tổ máy phát điện. Mô hình này sẽ được kiểm tra và điều chỉnh dựa trên các ví dụ thực tế để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong thực tế.

III. Kiểm tra các ví dụ mẫu và nhận xét

Việc kiểm tra các ví dụ mẫu là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các ví dụ sẽ được sử dụng để đánh giá tính hiệu quả của mô hình toán học đã xây dựng. Kết quả từ các ví dụ sẽ cho thấy rõ ràng hơn về khả năng tối ưu hóa vận hành của các tổ máy phát điện. Qua đó, có thể rút ra những nhận xét về tính khả thi của mô hình trong thực tế. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp các nhà máy điện tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao khả năng cạnh tranh trong thị trường điện.

3.1 Tính toán phân bố công suất tối ưu

Tính toán phân bố công suất tối ưu giữa các tổ máy phát điện là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu. Kết quả cho thấy rằng, việc áp dụng mô hình toán học giúp giảm thiểu chi phí phát điện một cách đáng kể. Các tổ máy phát điện có thể hoạt động hiệu quả hơn khi được phối hợp một cách hợp lý. Điều này không chỉ mang lại lợi ích cho các nhà đầu tư mà còn đảm bảo rằng người tiêu dùng có thể sử dụng điện với giá thành hợp lý.

IV. Kết luận

Nghiên cứu về vận hành tổ máy phát nhiệt điện trong thị trường điện đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa chi phí phát điện là rất cần thiết. Mô hình toán học được xây dựng không chỉ giúp các nhà máy điện tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao tính cạnh tranh trong thị trường. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu sẽ giúp phân bố công suất giữa các tổ máy một cách hiệu quả. Từ đó, có thể đạt được lợi nhuận tối đa cho các nhà đầu tư và giá điện hợp lý cho người tiêu dùng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển bền vững trong ngành điện lực.

4.1 Đề nghị phát triển

Để nâng cao hiệu quả trong quản lý năng lượng, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình toán học mới. Việc áp dụng công nghệ thông tin và các phương pháp tính toán hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa hơn nữa quá trình vận hành máy phát điện. Đồng thời, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà máy điện để đảm bảo rằng công suất phát luôn đáp ứng đủ tải và chi phí phát điện được tối ưu hóa.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.