Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:131

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng" được hoàn thành với mục tiêu nhằm xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn để nâng cao hiệu quả khai thác thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng trong bối cảnh lưu lượng nước luôn thay đổi; Xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định trên cơ sở thuật toán lập lịch, các mô-đun xử lý số liệu vào ra, kết nối các mô hình; tối ưu mô hình bể chứa nhằm giải quyết bài toán.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 Tiểu ban hƣớng dẫn: 1. PGS.TS NGUYỄN ĐỨC KHOÁT 2. TS HÀ NGỌC TUẤN Hà Nội – Năm 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Hà Văn Thủy
ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát và TS. Hà Ngọc Tuấn đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các cấp lãnh đạo của Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phòng Sau đại học, Khoa Cơ – Điện, Bộ môn Tự động hóa, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp, Tập đoàn điện lực Kyushu đã tạo điều kiện thuận lợi, chia sẻ, tư vấn cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã tạo điều kiện cung cấp các thông tin và tài liệu cần thiết, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, thực hiện Luận án. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người thân đã luôn là chỗ dựa vững chắc cả về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu đến khi hoàn thành bản Luận án này.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1.Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .............................................................. 1 2.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án ......................................................... 2 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2 4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.................................................... 3 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.................................................... 3 6.Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4 7.Cấu trúc của luận án ...................................................................................... 4 Chƣơng 1.Tổng quan về thủy điện và hệ thống hỗ trợ ra quyết định ...................... 6 1.1.Thủy điện .................................................................................................... 6 1.1.1.Khái niệm ............................................................................................ 6 1.1.2.Lịch sử phát triển ................................................................................. 6 1.1.3.Công trình thuỷ điện ............................................................................ 7 1.1.4.Vấn đề vận hành công trình thuỷ điện................................................. 8 1.1.5.Sự cố thuỷ điện ở Việt Nam ................................................................ 9 1.2.Hệ thống hỗ trợ ra quyết định DSS .......................................................... 12 1.2.1.Tổng quan giới thiệu hệ thống hỗ trợ ra quyết định vận hành hồ chứa thủy điện………….. .............................................................................................. 12 1.2.2.Tình hình phát triển hệ thống DSS vận hành hồ chứa trên Thế giới . 19 1.3.Những tồn tại, hạn chế trong bài toán ra quyết định ................................ 25 1.4.Hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán DSSTĐ của Luận án………………….. ................................................................................................. 26 1.5.Kết luận .................................................................................................... 28 Chƣơng 2.Cơ sở khoa học của hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhà máy thủy điện………………….. .................................................................................................. 29
iv 2.1.Mô hình hóa mưa rào - dòng chảy cho lưu vực sông ............................... 29 2.1.1.Mô hình bể chứa (Tank model) ......................................................... 30 2.1.2.Cơ sở lý thuyết hiệu chỉnh thông số mô hình .................................... 31 2.1.3.Thuật toán hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 38 2.2.Xây dựng kịch bản vận hành .................................................................... 40 2.2.1.Mô hình hồ đập, nhà máy .................................................................. 40 2.2.2.Tối ưu hóa kịch bản vận hành ........................................................... 45 2.3.Kết luận .................................................................................................... 52 Chƣơng 3.Nghiên cứu phát triển hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng…………….. ........................................................................................................ 53 3.1.Nhà máy thủy điện Thác Xăng. ................................................................ 53 3.1.1.Tổng quan về nhà máy; ..................................................................... 53 3.1.2.Điều kiện tự nhiên ............................................................................. 53 3.1.3.Chức năng, nhiệm vụ......................................................................... 57 3.2.Cấu trúc hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng ..................... 57 3.3.Hệ thu thập dữ liệu ................................................................................... 59 3.3.1.Đặt trạm thời tiết ............................................................................... 59 3.3.2.Hệ thống thu thập dữ liệu tại Nhà máy ............................................. 61 3.4.Phát triển mô hình mưa rào – dòng chảy cho thủy điện Thác Xăng ........ 65 3.4.1.Cấu trúc mô hình bể chứa: ................................................................ 67 3.4.2.Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................ 67 3.4.3.Kết quả phân tích và xây dựng mô hình ............................................ 69 3.5.Phần mềm mô phỏng hồ đập, nhà máy cho thủy điện Thác Xăng ........... 77 3.5.1.Chương trình (Cấu trúc) mô phỏng ................................................... 77 3.5.2.Khối xử lý số liệu đầu vào................................................................. 78 3.5.3.Lõi tính toán ...................................................................................... 85 3.5.4.Khối hiển thị kết quả đầu ra .............................................................. 85 3.6.Kết quả ứng dụng mô hình ....................................................................... 87 3.6.1.Kịch bản vận hành chủ động ............................................................. 87 3.6.2.Kịch bản vận hành tối ưu .................................................................. 88 3.6.3.Hiệu quả kinh tế ................................................................................ 88 3.6.4.Phân tích mức độ an toàn công tác điều tiết lũ sử dụng hệ thống DSS………………. ............................................................................................... 92
v 3.7.Kết luận .................................................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 96 Kết quả đạt được của luận án ......................................................................... 96 Những đóng góp mới của luận án................................................................... 96 Những tồn tại và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo của luận án. ...................... 96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 98 PHỤ LỤC Phụ lục 1. Matlab Script Phụ lục 2. Thuật toán tối ưu Phụ lục 3. Thông số chính của Nhà máy
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đập thuỷ điện Itaipu (nguồn internet) .............................................................. 7 Hình 1.2 Cấu tạo tổng thể của một công trình thuỷ điện (nguồn internet)...................... 8 Hình 1.3 Biểu đồ so sánh tổng lượng mưa trong 2 tuần tháng 10/2020 (TĐTL Kyushu) ....................................................................................................................................... 10 Hình 1.4 Sự cố tràn đập thuỷ điện (nguồn internet) ...................................................... 10 Hình 1.5 Sự cố vỡ đập thuỷ điện (nguồn internet) ........................................................ 11 Hình 1.6 Hệ thống phân tích quá trình trực tuyến OLAP (nguồn smartboost) ............. 16 Hình 1.7 Kiến trúc hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Nguồn ResearchGate).................... 18 Hình 1.8 Kiến trúc hệ thống vận hành hồ chứa BeDam................................................ 19 Hình 1.9 Phần mềm hỗ trợ ra quyết định dự báo lưu lượng về hồ [13] ........................ 21 Hình 1.10 Màn hình giao diện hỗ trợ ra quyết định vận hành tối ưu ngắn hạn [14] ..... 22 Hình 1.11 Các thao tác vận hành và hệ thống hỗ trợ [15] ............................................. 23 Hình 1.12 Kết quả dự báo và kết quả đo thực tế lượng nước về hồ [18] ...................... 24 Hình 1.13 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất ................................................................... 27 Hình 2.1 Lưu vực sông .................................................................................................. 30 Hình 2.2 Mô hình mưa rào – dòng chảy với 04 bể chứa [Jong Wook Lee] .................. 31 Hình 2.3 Mô hình toán học mô tả bể chứa .................................................................... 32 Hình 2.4 Mô hình bể tuyến tính đơn giản .................................................................... 32 Hình 2.5 Đường cong đặc tính mức nước mô hình bể chứa ......................................... 32 Hình 2.6 Đầu ra của bốn bể chứa ................................................................................. 34 Hình 2.7 Mô hình khởi tạo ............................................................................................ 34 Hình 2.8 Đồ thị lưu lượng dòng chảy theo tính toán và quan trắc ............................... 35 Hình 2.9 Tham số đầu vào và đầu ra của mô hình ....................................................... 36 Hình 2.10 Thuật toán xác định tham số mô hình bể chứa ............................................. 39 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện ............................................... 41 Hình 2.12 Mô hình bể chứa cho hệ thống hồ đập ......................................................... 42 Hình 2.13 Giá trị rời rạc hóa của dòng chảy vào hồ...................................................... 48 Hình 2.14 Giá trị rời rạc hóa của lưu lượng chảy mất khỏi hồ...................................... 48 Hình 2.15 Đồ thị với các điểm gồm các cực trị địa phương và cực trị toàn cục ........... 52 Hình 3.1 Vị trí bố trí Nhà máy thủy điện Thác Xăng .................................................... 53 Hình 3.2 Bản đồ lưu vực của thủy điện Thác Xăng ...................................................... 56
vii Hình 3.3 Hình ảnh nhà máy thủy điện Thác xăng ......................................................... 57 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất cho Thủy điện Thác Xăng ............................ 58 Hình 3.5 Đa giác Thiesen dùng thu thập lượng mưa lưu vực ....................................... 59 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các trạm thu thập thông tin thời tiết, dòng chảy ......................... 60 Hình 3.7 Trạm đo mưa ................................................................................................. 61 Hình 3.8 Cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu cho hệ thống DSS tại nhà máy .............. 62 Hình 3.9 Cảm biến Radar đo mực nước thượng/hạ lưu ................................................ 62 Hình 3.10 Hệ thống đo lường dòng chảy tự nhiên ........................................................ 63 Hình 3.11 Cảm biến siêu âm đo lượng nước qua tổ máy .............................................. 63 Hình 3.12 Hệ thống cảm biến xác định lưu lượng qua đập tràn.................................... 64 Hình 3.13 Cấu trúc dữ liệu và truyền tin cho DSS ở thủy điện Thác Xăng .................. 64 Hình 3.14 Bản đồ phân chia lưu vực cho Thủy điện Thác Xăng .................................. 65 Hình 3.15 Mô hình bể chứa cho Thủy Điện Thác Xăng ............................................... 66 Hình 3.16 Mô hình bể chứa cho lưu vực Thủy điện Thác Xăng ................................... 67 Hình 3.17 Cấu trúc bốn bể mô phỏng mưa rào dòng chảy thủy điện Thác Xăng ......... 68 Hình 3.18 Cấu trúc mô phỏng bể chứa đỉnh (Top tank) ................................................ 68 Hình 3.19 Cấu trúc mô phỏng các bể dưới .................................................................... 69 Hình 3.20 Lượng mưa trung bình tại các trạm quan trắc (1960-2006) ........................ 70 Hình 3.21 Phân bổ lượng mưa trung bình theo tháng tại các trạm .............................. 71 Hình 3.22 Lượng mưa trung bình theo mùa hàng năm ................................................ 71 Hình 3.23 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy thu thập được tại các trạm ............................. 72 Hình 3.24 Tương quan lưu lượng dòng chảy ................................................................ 72 Hình 3.25 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy hàng năm theo mùa ....................................... 73 Hình 3.26 Đồ thị mưa rào – dòng chảy 1960-1970 ....................................................... 75 Hình 3.27 Tương quan dòng chảy Mô hình (Qe) và dòng chảy Quan trắc (Q) ............ 75 Hình 3.28 Kết quả mô phỏng và quan trắc lưu lượng dòng chảy tại Văn Mịch (1977) 76 Hình 3.29 Kết quả mô phỏng và quan trắc lưu lượng dòng chảy tại Văn Mịch (2017- 2018) .............................................................................................................................. 76 Hình 3.30 Cấu trúc chương trình mô phỏng tổng quát.................................................. 77 Hình 3.31 Các kịch bản xả lũ ........................................................................................ 82 Hình 3.32 Định nghĩa khung giờ trong quy chế bán điện theo chi phí tránh được ....... 83 Hình 3.33 Các khung giờ trong thị trường điện dựa vào thống kê giá thị trường ......... 84
viii Hình 3.34 Giao diện vận hành và theo dõi dòng chảy Thủy điện Thác Xăng .............. 86 Hình 3.35 Giao diện hiển thị các lưu lượng và mức thực tế và dự báo theo kế hoạch vận hành ......................................................................................................................... 87 Hình 3.36 So sánh điều kiện thủy văn 2017-2018 ........................................................ 89 Hình 3.37 Ví dụ hiệu quả vận hành đón lũ .................................................................... 90 Hình 3.38 Phân tích hiệu quả kinh tế qua các năm ....................................................... 91 Hình 3.39 Tổng lượng nước tích lũy 2017, 2018, 2019 ................................................ 92 Hình 3.40 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2019 ............................................... 93 Hình 3.41 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2020 ............................................... 93 Hình 3.42 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2021 ............................................... 94
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Bắc Giang và trạm thủy văn..................... 54 Bảng 3.2 Các đặc trưng dòng chảy năm tuyến đập Thác Xăng .................................... 56 Bảng 3.3 Kết quả tính đỉnh lũ thiết kế tuyến Sông Bắc Giang...................................... 56 Bảng 3.4 Dòng chảy phù sa trung bình hàng năm tại tuyến công trình Thác Xăng...... 57 Bảng 3.5 Danh sách các trạm thu thập dữ liệu .............................................................. 61 Bảng 3.6 Lượng mưa trung bình hàng năm của lưu vực (1967-2006) .......................... 70 Bảng 3.7 Lượng mưa trung bình theo tháng ................................................................. 71 Bảng 3.8 Kết quả thông số mô hình bể chứa ................................................................. 74 Bảng 3.9 Ví dụ về quy định giá bán điện theo chi phí tránh được năm 2020 ............... 84 Bảng 3.10 Thông số chính của thủy điện Thác Xăng ................................................... 16
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DSS Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System) GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) SA Thuật toán Simulated Annealing (SA) GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System) HTTĐ Hệ thống thủy điện LSTM Long Short Term Memory DSSTĐ Hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhà máy thủy điện NMTĐ Nhà máy thủy điện
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hiện nay, do nhu cầu phát triển nên tại các nước đang phát triển chỉ chú trọng phát triển về số lượng hồ chứa thuỷ lợi - thuỷ điện mà thiếu quan tâm đúng mức đến vận hành sao cho có hiệu quả, đem lại lợi ích lớn nhất (IAHS, 1998) [46]. Nhiều công trình nghiên cứu về vận hành hồ chứa được công bố trong thời gian gần đây trên các tạp chí quốc tế như Water Resources Research, Water Resources Planning and Management, Water Management v.v... cho thấy mối quan tâm của thế giới về vấn đề này và đòi hỏi cần có các nghiên cứu chuyên sâu để kiểm nghiệm, cải tiến và ứng dụng vào Việt Nam. Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong cung cấp điện cho hệ thống với nhu cầu điện tăng rất nhanh và dự báo vẫn duy trì mức trên 20% trong những năm tới. Điều này đòi hỏi cần xây dựng nhiều công trình hồ chứa thuỷ điện đáp ứng nhu cầu phát điện và cấp nước cho các ngành kinh tế. Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 03 năm 2016 giai đoạn 2015 - 2030 mặc dù tổng công suất đặt của thủy điện sẽ tiếp tục gia tăng, song tỷ trọng công suất thủy điện của Việt Nam sẽ giảm từ 38% năm 2015 xuống 30,1% vào năm 2020, 21,1% năm 2025 và đạt 16,9% sau năm 2030 (tương tự với tỷ lệ trung bình của thủy điện trên thế giới) [45]. Kinh nghiệm và thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển và khai thác vận hành thủy điện trên thế giới cho thấy, ngoài những ưu điểm lớn như không tiêu thụ nhiên liệu, giá thành rẻ và linh hoạt trong vận hành…, thủy điện cũng đã bộc lộ một số nhược điểm cần khắc phục như ngập lụt hồ chứa, tác động tiêu cực đến môi trường [41, 42, 43, 44]. Vấn đề khai thác, vận hành hợp lý các nhà máy thủy điện hiện nay đang rất cấp thiết và đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm mục tiêu phát triển bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường an ninh năng lượng. Đối với Việt Nam, trong điều kiện tỷ trọng phát triển nhiệt điện than ngày càng gia tăng, ngoài bài toán phát triển hợp lý các dự án thủy điện, vấn đề nghiên cứu xây dựng cơ sở phương pháp luận cũng như chương trình tính toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong HTTĐ Việt Nam, nhằm huy động hợp lý khả năng phát công suất phủ đỉnh của nhà máy thủy điện là vấn đề cần thiết và cấp bách hiện nay.
2 Thực tế vận hành các hồ chứa nước ở Việt Nam những năm gần đây đã xảy ra rất nhiều các sự cố trong vận hành, làm vỡ đập, ngập lụt hạ lưu, chết người, vv... tạo lên bức xúc rất lớn trong xã hội, lãng phí nguồn tài nguyên nước. Đa số các hồ chứa nước tại Việt Nam ngoài khả năng có kinh nghiệm vận hành và các công cụ truyền thống như đo mức nước, quan sát dòng chảy trực quan, cân bằng nước theo kinh nghiệm để vận hành thì không có các công cụ đo đếm tính toán các thông số chính xác theo thời gian thực để giúp người điều khiển quyết định các công việc như xả lũ, chạy máy, điều tiết lũ bậc thang, vv... một cách tối ưu. Hiện nay ở nước ta đã có một số các nghiên cứu về vận hành hồ chứa nhưng chưa có một công trình khoa học nào nghiên cứu chi tiết và đầy đủ sự ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, bộ công cụ vận hành, lưu trữ tính toán vận hành theo thời gian thực để đưa ra các thông số chính xác theo phút, giờ. Từ đó có thể đưa ra được những thuật toán điều khiển hợp lý nhằm tối ưu các chế độ dòng chảy, cảnh báo lũ, quyết định xả lũ không gây ra lũ nhân tạo, nâng cao hiệu suất phát điện, tối ưu nguồn nước nâng cao hiệu quả kinh tế nguồn tài nguyên nước, vv... Vì vậy đề tài luận án: “Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng” là vấn đề mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong điều khiển vận hành các hồ chứa nước tại Việt Nam nói chung và thực tế áp dụng cho thủy điện Thác Xăng nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án a) Xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn để nâng cao hiệu quả khai thác thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng trong bối cảnh lưu lượng nước luôn thay đổi. b) Xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định trên cơ sở thuật toán lập lịch, các mô-đun xử lý số liệu vào ra, kết nối các mô hình; tối ưu mô hình bể chứa nhằm giải quyết bài toán. c) Áp dụng việc liên kết các mô hình đã đề xuất trên nhằm kiểm định khả năng ứng dụng cho Nhà máy Thủy điện Thác Xăng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu (1) Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống hồ chứa thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng (Trực tiếp áp dụng cho thủy điện Thác Xăng) với mục tiêu phát điện và điều tiết lũ;
3 (2) Phạm vi nghiên cứu ứng dụng là nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa với mục tiêu phát điện và điều tiết lũ. 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu 1) Phương pháp kế thừa: Trên cơ sở việc nghiên cứu tổng quan cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thông qua nhiều nguồn như hội thảo, các bài báo và công trình nghiên cứu khoa học, tác giả kế thừa có chọn lọc các tài liệu và kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan đến vận hành hệ thống hồ chứa như các mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu, để nghiên cứu cơ sở khoa học, đề xuất liên kết các mô hình, áp dụng cho hệ thống hồ chứa (HTTĐ) Thác Xăng. 2) Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: sử dụng để thu thập thông tin, số liệu, từ đó thống kê, phân tích, xử lý dữ liệu đầu vào để thực hiện các nội dung nghiên cứu, tính toán trong luận án. Các mô hình thống kê, đánh giá được sử dụng để tạo ra bộ số liệu cho đề tài. 3) Phương pháp sử dụng mô hình mô phỏng và tối ưu hệ thống: Các thuật toán và mô hình được nghiên cứu sử dụng một cách thích hợp nhằm phát huy ưu điểm của mô hình, kết hợp với nhau cho từng bước giải quyết bài toán. Các mô hình mô phỏng, tối ưu được sử dụng kết hợp nhằm đưa ra kết quả mục tiêu cuối cùng là nâng cao hiệu quả vận hành. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học - Luận án xác lập được các cơ sở khoa học để tìm ra chế độ vận hành cận tối ưu, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện để phát điện và điều tiết lũ, có xét đến ràng buộc lợi dụng tổng hợp. Luận án đã kết hợp giữa các mô hình: (i) Mô phỏng; (ii) Tối ưu bể chứa; và (iii) bài toán lập lịch, đưa ra cách thức vận hành hợp lý và cập nhật liên tục, hỗ trợ công tác vận hành nhằm đạt hiệu quả vận hành thực tế tốt. - Luận án xây dựng được chương trình hỗ trợ ra quyết định với khả năng tính toán, biểu diễn toàn diện tình hình khí tượng thủy văn cũng như có các công cụ mô phỏng vận hành theo thời gian thực. Chương trình này có đặc điểm là cho phép người dùng vào số liệu từ hệ thống quan trắc như mực nước hồ, công suất phát hay độ mở cửa xả lũ để tính toán lưu lượng nước vào hồ hay các thành phần lưu lượng mô hình mưa rào dòng chảy và các phần thông số khác liên quan.
4 - Luận án áp dụng mô hình đề xuất này cho nhà máy thủy điện Thác Xăng, từ đó tạo ra tiền đề có thể áp dụng phương pháp luận khoa học của luận án để giải quyết vấn đề tương tự của các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng ở nước ta hiện nay. b. Ý nghĩa thực tiễn - Với sự phát triển nhanh các nhà máy thủy điện, kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để các đơn vị sở hữu quản lý vận hành hồ chứa nước các thủy điện có thể dùng làm tài liệu tham khảo, ứng dụng. Đề ra được những giải pháp kỹ thuật phù hợp, có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu cài đặt các thuật toán điều khiển tiên tiến nhằm giảm tối đa sự cố không mong muốn, tăng hiệu suất phát điện và tiết kiệm nguồn tài nguyên cho đất nước. - Phương pháp luận; phương pháp tính toán; phương pháp đánh giá; thông tin và số liệu thực tiễn, các giải pháp khả thi để nâng cao hiệu quả vận hành của Luận án có giá trị hữu ích cho các công ty vận hành hồ chứa, cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước Trung ương và địa phương tham khảo. - Nội dung của Luận án là tài liệu tham khảo tốt cho nghiên cứu giải quyết các vấn đề tương tự của HTTĐ trên các lưu vực sông khác, cho việc biên soạn tài liệu giảng dạy, góp phần phát triển bền vững thủy điện và hệ thống nguồn nước. 6. Những đóng góp mới của luận án (1) Xác lập cơ sở khoa học kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu, xây dựng được bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định để đề xuất phương án vận hành cận tối ưu cho hệ thống hồ nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng, có kể đến biến đổi và các tác động thực tế của nguồn nước theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và điều tiết lũ; (2) Áp dụng mô hình mô phỏng, hỗ trợ ra quyết định trong vận hành hệ thống nhà máy thủy điện Thác Xăng nâng cao hiệu quả phát điện và điều tiết lũ. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, các kết quả nghiên cứu của luận án được trình bày trong ba chương sau: Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu vận hành hệ thống thủy điện vừa và nhỏ. Nội dung chính của chương này là phân tích, đánh giá tổng hợp các kết quả áp dụng hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) trong nghiên cứu về mô
5 phỏng, vận hành tối ưu hệ thống thủy điện nhằm đưa ra vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán đề xuất. Chương 2. Nghiên cứu cơ sở khoa học của hệ thống hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa. Các phương pháp vận hành cùng các mô hình toán và thuật toán liên quan đã được nghiên cứu, phân tích để lựa chọn cách tiếp cận và đề xuất phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng – tối ưu, lập trình tối ưu và kết nối các mô hình để giải quyết bài toán vận hành nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng. Chương 3. Nghiên cứu phát triển hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng. Trên cơ sở khoa học đã được xác lập, mô hình kết hợp đã được áp dụng thành công cho nhà máy thủy điện Thác Xăng với những kết quả đáng tin cậy, cho thấy hiệu quả vận hành được nâng cao.
6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH 1.1. Thủy điện 1.1.1. Khái niệm Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một turbine nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thủy triều. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock). 1.1.2. Lịch sử phát triển Công trình thuỷ điện đầu tiên đặt nền móng cho sự phát triển thuỷ điện trên thế giới đó chính là công trình thuỷ điện công suất nhỏ của gia đình Luis Armstrong tại vùng ngoại ô Northemberland, Vương quốc Anh vào năm 1878. Công trình này chỉ phát điện với công suất khoảng 4 kW dành cho việc chiếu sáng phòng tranh của Luis Armstrong và ngôi nhà. Bốn năm sau đó vào năm 1882, một công trình thuỷ điện phát điện và cung cấp điện thương mại ra đời ở Wisconsin, Mỹ. Trong khoảng thời gian này cũng có nhiều công trình thuỷ điện được xây dựng ở Bắc Mỹ như Michigan năm 1880, Ottawa và Ontorio năm 1881, NewYork năm 1881. Năm 1891 người Đức đã sản xuất thành công turbine thuỷ điện 3 pha đầu tiên. Năm 1895, nhà máy thuỷ điện lớn nhất thế giới thời bấy giờ được xây dựng ở thác Niagara, NewYork, Mỹ với tên gọi Edwar Dean Adams Power Plant. Vào khoảng đầu thế kỷ 20, trên thế giới có tới hàng trăm công trình thuỷ điện cỡ nhỏ được xây dựng hoàn thiện và đưa vào vận hành. Trạm thuỷ điện công suất nhỏ đầu tiên của Trung Quốc với công suất lắp máy 500 kW được xây dựng vào năm 1905. Cuối thế kỷ 20, Brazil và Trung Quốc vươn lên trở thành hai quốc gia đứng đầu trên thế giới về thuỷ điện. Đập thuỷ điện Itaipu được xây dựng vào năm 1984 ở khu vực biên giới giữa Brazil và Paraguay có công suất lên tới 12 600 MW. Và tại Trung Quốc công trình đập thuỷ điện Tam Hiệp với công suất phát điện thiết kế đạt 32 000 MW (https://www.hydropower.org/discover/history-of-hydropower).
7 Hình 1.1 Đập thuỷ điện Itaipu (nguồn internet) 1.1.3. Công trình thuỷ điện Công trình thủy điện hay còn gọi là trạm thủy điện bao gồm hệ thống dẫn dòng chảy và nhà máy thủy điện nhằm biến năng lượng của dòng nước trở thành điện năng cung cấp lên hệ thống lưới điện phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Cấu tạo của công trình thủy điện có nhiều điểm khác nhau tùy theo công suất lắp đặt các tổ máy, cột áp và lưu lượng làm việc của turbine, quy mô hồ chứa, địa hình nơi xây dựng nhà máy … Tuy vậy, các công trình thủy điện về cơ bản vẫn giống nhau, theo chiều dòng chảy các thiết bị, hạng mục công trình bao gồm: hồ chứa nước, đập dâng nước (hoặc đập chắn nước), cụm cửa van nhận nước, đường dẫn, turbine, cửa xả nước (cửa thoát). Bên trong nhà máy gồm có turbine thủy lực, máy phát điện, trạm biến áp, đường dây tải điện hòa lưới. Ngoài ra, còn có các thiết bị, máy móc, hệ thống điều khiển và gian máy phục vụ bảo dưỡng sửa chữa, phòng điều hành phục vụ việc vận hành nhà máy thủy điện (Hình 1.2). Thông qua hệ thống đập dâng, nước thu gom từ lượng mưa trên lưu vực thông qua hệ thống các dòng chảy tập trung về và hình thành nên hồ chứa cho thủy điện. Tại nhà máy nước được dẫn từ hồ thông qua đường ống áp lực tới làm quay turbine máy phát để phát điện.
8 1 – Hồ chứa; 2 – Cửa van nhận nước; 3 – Lưới chắn rác; 4 – Cửa nhận nước; 5 – Đường ống áp lực; 6 – Trạm biến áp; 7 – Gian máy phát điện; 8 – Máy phát; 9 – Turbine; 10 - Ống thoát; 11 – Cửa xả; 12 – Máng trượt; 13 – Kênh; 14 – Đường dây Hình 1.2 Cấu tạo tổng thể của một công trình thuỷ điện (nguồn internet) 1.1.4. Vấn đề vận hành công trình thuỷ điện Từ các nội dung đã trình bày ở trên cho thấy, thủy điện là một hệ thống các công trình được bố trí trên một dòng chảy tự nhiên để biến đổi thủy năng thành năng lượng điện. Vì vậy, hoạt động của thủy điện phụ thuộc rất lớn vào tự nhiên, cụ thể là nguồn nước và thời tiết. Nếu thời tiết khô hạn hoặc quá mưa lớn, điều này có thể ảnh hưởng đến sản lượng điện sản xuất. Quá trình vận hành thủy điện cơ bản là các quá trình vận hành các công trình thủy điện để đảm bảo tối ưu hóa nguồn năng lượng, hạn chế ảnh hưởng tới môi trường và giảm thiểu các rủi ro có thể sảy ra. Cụ thể việc vận hành gồm các hoạt động như trình bày sau đây. a. Quản lý nguồn nước Việc quản lý nguồn nước là một vấn đề khó khăn khi vận hành nhà máy thủy điện. Điều này bao gồm phải đảm bảo đủ lượng nước cần thiết để vận hành nhà máy, đồng