Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:221

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu luận án là 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. 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Hồ Sỹ Dự 2. GS. TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2017
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 dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Hồ Ngọc Dung i
LỜI CÁM ƠN Trƣớc tiên, từ đáy lòng mình tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến các thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Sỹ Dự và GS.TS Hà Văn Khối đã tận tình định hƣớng, chỉ bảo theo sát tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng đã có những đóng góp quý báu, thiết thực và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy điện và năng lƣợng tái tạo trƣờng Đại học Thuỷ lợi đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt, hỗ trợ tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô và đồng nghiệp trong Bộ môn Thủy điện và năng lƣợng tái tạo đã dành thời gian, công sức hỗ trợ tác giả hoàn thành Luận án. Và sau cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn sát cánh động viên, khích lệ, ủng hộ rất lớn về tinh thần cũng nhƣ vật chất cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cám ơn. ii
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN .......................8 1.1 Nguyên lý chung về vận hành hồ chứa thủy điện ..............................................8 1.1.1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối ......................................8 1.1.2 Vận hành hồ chứa theo thời gian thực ........................................................9 1.2 Tổng quan các phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu.................................................................................................................10 1.2.1 Phƣơng pháp mô phỏng ............................................................................10 1.2.2 Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật tối ƣu hóa.................................................14 1.3 Hiện trạng vận hành hồ chứa thủy điện hệ thống sông Hồng ..........................30 1.3.1 Tổng quan những nghiên cứu phục vụ vận hành các công trình thủy điện- thủy lợi hệ thống sông Hồng trong thời kỳ mùa cạn .............................................32 1.3.2 Các quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sông Hồng .......................35 1.4 Định hƣớng nghiên cứu của luận án ................................................................ 37 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................40 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƢU BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN .....................................................................................................41 2.1 Khái quát về bài toán tối ƣu đa mục tiêu .........................................................41 2.1.1 Hàm mục tiêu ............................................................................................41 2.1.2 Các phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu....................................41 2.1.3 Lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu hóa ............................................................43 2.2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ......44 2.2.1 Đặc điểm chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ....44 2.2.2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu và phạm vi nghiên cứu đối với hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ..................................................................................46 2.2.3 Cân bằng nƣớc và các ràng buộc của hệ thống .........................................50 2.2.4 Không gian nghiệm tối ƣu.........................................................................57 2.3 Xây dựng thuật toán quy hoạch động DP-DP đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện ...........................................................................................................58 2.3.1 Nguyên lý chung giải bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp quy hoạch động (DP) …………………………………………………………………………...58 iii
2.3.2 Thuật toán quy hoạch động DP-DP ..........................................................60 2.3.3 Thuật toán quy hoạch động cho bài toán 1 ...............................................63 2.3.4 Thuật toán quy hoạch động của bài toán 2 ................................................67 2.3.5 Thiết lập sơ đồ thuật toán và chƣơng trình tính toán ................................ 71 2.4 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................76 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN .......................77 3.1 Hiện trạng quy hoạch và xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện trên hệ thống sông Đà ................................................................................................ 77 3.1.1 Vị trí địa lý ................................................................................................ 77 3.1.2 Hiện trạng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện trên hệ thống bậc thang sông Đà ........................................................................................................78 3.1.3 Nhu cầu dùng nƣớc hạ lƣu sông Hồng ......................................................79 3.2 Xây dựng mô hình toán vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà 81 3.2.1 Cơ sở thiết lập bài toán tối ƣu ...................................................................81 3.2.2 Thiết lập mô hình tối ƣu điều khiển hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sông Đà ..................................................................................................................82 3.2.3 Thiết lập lƣới thực hiện cho mô hình ......................................................102 3.3 Kết quả nghiên cứu tính toán điều tiết tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sông Đà ............................................................................................................103 3.3.1 Các kịch bản tính toán .............................................................................103 3.3.2 Kết quả tính toán .....................................................................................104 3.4 Xây dựng quy trình vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa Sơn La- Hòa Bình ………………………………………………………………………………116 3.4.1 Cơ sở khoa học đề xuất điều khiển hồ chứa............................................116 3.4.2 Vẽ biểu đồ điều phối tối ƣu .....................................................................118 3.4.3 Vận hành phát điện theo biểu đồ điều phối tối ƣu ..................................119 3.5 Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................130 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1- 1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu ..........................................................................39 Hình 2- 1: Sơ đồ hệ thống hồ chứa bậc thang .............................................................45 Hình 2- 2: Đặc tính vận hành của turbin thủy điện Sơn La ..........................................52 Hình 2- 3: Sơ họa xác định vị trí làm việc của TTĐ và giá đơn giá công suất .............56 Hình 2- 4: Sơ đồ mô tả sự thay đổi trạng thái theo chiều thời gian với biến trạng thái là tổng dung tích trữ của các hồ chứa ................................................................................64 Hình 2- 5: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán điều tiết tối ƣu bậc thang hồ chứa với thuật toán DP-DP (Bài toán 1)........................................................................73 Hình 2- 6: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán phân bổ tối ƣu dung tích trữ bậc thang hồ chứa (Bài toán 2). .....................................................................................74 Hình 3- 1: Vị trí trạm thủy điện hệ thống sông Hồng ...................................................78 Hình 3- 2: Sơ đồ bậc thang mô hình tối ƣu ...................................................................84 Hình 3- 3: Biểu đồ phụ tải các ngày điển hình của các tháng năm 2020 ......................91 Hình 3- 4: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Bmax .....................107 Hình 3- 5: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Bmax ................107 Hình 3- 6: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Emax .....................108 Hình 3- 7: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Emax .................108 Hình 3- 8: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................111 Hình 3- 9: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................111 Hình 3- 10: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax ................................................................................................................112 Hình 3- 11: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................112 Hình 3- 12: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong các năm thủy văn ...............................................................................................................113 Hình 3- 13: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong năm 1949-1950 tính theo hai tiêu chuẩn Bmax và Emax ........................................................114 Hình 3- 14: Công suất phát điện thời đoạn hồ Hòa Bình và Sơn La theo 2 tiêu chuẩn Bmax và Emax .................................................................................................................114 Hình 3- 15: Biểu đồ điều phối hồ Thuỷ điện Sơn La ..................................................120 Hình 3- 16: Biểu đồ điều phối tối ƣu hồ Thuỷ điện Hòa Bình ....................................122 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2- 1: Bảng đơn giá công suất SN áp dụng cho thị trƣờng cạnh tranh năm 2017 .55 Bảng 3- 1: Các thông số chính của một số công trình thủy điện vừa và lớn.................80 Bảng 3- 2: Mực nƣớc tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát ..........................81 Bảng 3- 3: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........87 Bảng 3- 4: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........88 Bảng 3- 5: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........89 Bảng 3- 6: Dự báo phụ tải điện các ngày điển hình năm 2020 .....................................90 Bảng 3- 7: Biểu giá công suất thị trƣờng điện tháng 1 ..................................................92 Bảng 3- 8: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La ............................................94 Bảng 3- 9: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La ............................................95 Bảng 3- 10: Lƣu lƣợng tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát .....................96 Bảng 3- 11: Quan hệ hồ chứa thủy điện Sơn La ........................................................100 Bảng 3- 12: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Sơn La .......................100 Bảng 3- 13: Quan hệ hồ chứa thủy điện Hòa Bình......................................................101 Bảng 3- 14: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Hòa Bình ...................101 Bảng 3- 15: Kết quả tính toán điều tiết tối ƣu theo tiêu chuẩn Bmax và Emax ...............104 Bảng 3- 16: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Sơn La........121 Bảng 3- 17: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Hoà Bình ....123 vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANN Mạng trí tuệ nhân tạo CGA Thuật toán di truyền có điều kiện DDDP Quy hoạch động sai phân (Discrete Differential Dynamic Programming) DDP Quy hoạch động vi phân (Differential Dynamic Programming) DP Quy hoạch động (Dynamic Programming) DPFRB Quy hoạch động dựa trên quy luật tập mờ (Dynamic Programming Fuzzy Rule-Based) DPSA Quy hoạch động xấp xỉ liên tục (Dynamic Programming Successive Approximation) EA Thuật toán tiến hóa (Evolutionary algorithm) EMPSO Kỹ thuật tối ƣu tinh hoa đột biến bầy đàn (Elitist-Mutated Particle Swarm Optimization) FUZZY Lý thuyết Mờ GA Thuật toán di truyền (genetic algorithm ) GAMS Phần mềm tối ƣu GAMS HEC Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực của Cục Công binh Hoa kỳ IDP Quy hoạch động tăng (Incremental Dynamic Programming) LP Quy hoạch tuyến tính (Linear programming) MIKE11 Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực dòng 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch MNC Mực nƣớc chết MNDBT Mực nƣớc dâng bình thƣờng NLP Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear programming) NSGA-II Một dạng tối ƣu mạng trí tuệ nhân tạo (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) PSO Kỹ thuật tối ƣu bầy đàn (Particle Swarm Optimization) vii
SDP Quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic dynamic programming) SSARR Mô hình tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) TTĐ Trạm thủy điện viii
MỞ ĐẦU 1. T nh c p thi t củ tài Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc, điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng, để đáp ứng yêu cầu phát triển nền kinh tế nƣớc ta trong những năm kỷ đầu thế kỷ 21, theo “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030” (Tổng sơ đồ VII [1]) thì yêu cầu phát triển nguồn điện của nƣớc ta trong thời gian sắp tới là rất lớn:  Năm 2020: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 60.000 MW, trong đó thủy điện (cả thủy điện tích năng) 21.600 MW chiếm 36%; nhiệt điện than khoảng 42,7%; nhiệt điện khí 14,9%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác 6,4%.  Năm 2025: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 96.500 MW, trong đó thủy điện (cả thủy điện tích năng) 24.600 MW chiếm 25,5%; nhiệt điện than khoảng 49,3%; nhiệt điện khí 16,5%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác 8,7%.  Năm 2030: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 129.500 MW, trong đó thủy điện (cả thủy điện tích năng) 27.800 MW chiếm 21,5%; nhiệt điện than khoảng 42,6%; nhiệt điện khí 14,7%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác 21,2%. Với hơn 2200 hệ thống sông có chiều dài hơn 10 km, trữ năng thủy điện Việt Nam đƣợc đánh giá tƣơng đối phong phú. Theo đánh giá của chƣơng trình “Xây dựng chiến lƣợc và chính sách năng lƣợng bền vững” [2] thì trữ năng kỹ thuật của các trạm thủy điện vừa và lớn (công suất >30MW) của nƣớc ta khoảng 123 tỷ kWh (trữ năng lý thuyết 300-320 tỷ kWh) tƣơng đƣơng công suất lắp đặt khoảng 31.000 MW. Thủy điện nhỏ công suất
Nhu cầu phát triển đa dạng theo cơ chế thị trƣờng của nền kinh tế nƣớc ta đòi hỏi tính chất của các nguồn điện cung cấp có biến động lớn trong ngày và trong các thời kỳ. Hệ số phụ tải dự báo trong tƣơng lai của biểu đồ phụ tải Việt Nam ở mức tƣơng đối thấp khoảng 65% với hai khoảng cao điểm và một khoảng thấp trong ngày. Điều đó đòi hỏi tính linh hoạt của các nguồn cung cấp điện năng và gây khó khăn lớn trong vận hành. Cùng với các định hƣớng chiến lƣợc phát triển năng lƣợng ở Việt Nam, xu thế hình thành các hƣớng nghiên cứu phát triển các lĩnh vực liên quan đến khai thác tối ƣu và hợp lý các công trình làm việc trong hệ thống bậc thang thủy điện. Một số định hƣớng nghiên cứu mang tính ứng dụng công nghệ cao và tối ƣu hóa khai thác nguồn tài nguyên đang đƣợc hình thành. Nghiên cứu khai thác tối ƣu nguồn tài nguyên nƣớc luôn là mục tiêu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc. Trong lĩnh vực phát triển thủy điện, vấn đề nghiên cứu các quy trình vận hành tối ƣu nhằm khai thác bền vững nguồn tài nguyên đang là một xu thế quan tâm cấp bách và nhạy cảm trong tình hình khí hậu toàn cầu có những biến đổi tiêu cực. Cùng với tình hình phát triển thủy điện ở Việt Nam hiện nay hệ thống bậc thang thủy điện công suất lớn về cơ bản đã hoàn thành, tuy nhiên các hệ thống bậc thang thủy điện đều chƣa có quy trình vận hành chung cho cả hệ thống mang tính sử dụng tối ƣu tổng hợp nguồn tài nguyên nƣớc. Ví dụ nhƣ hệ thống bậc thang sông Đà, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Ba..., việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ƣu vận hành hồ chứa trong các hệ thống bậc thang này cho tới nay vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ và chƣa có quy định cụ thể trong công tác vận hành chung của toàn hệ thống. Hiện nay hầu hết các hệ thống sông lớn của Việt Nam nhƣ sông Đà, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Ba.... việc quy hoạch và khai thác nguồn năng lƣợng thủy điện trên cơ bản đã hoàn thành, các công trình chính có ảnh hƣởng lớn đến quy trình khai thác các hệ thống sông này trên cơ bản đã hoàn thành và đƣa vào sử dụng. Chính phủ đã ban hành các quy trình vận hành liên hồ chứa cho các hệ thống sông lớn. Tuy nhiên, các quy trình vận hành liên hồ chứa về cơ bản đƣợc xây dựng trên cơ sở tính toán đảm bảo an toàn công trình trong mùa lũ. Việc tính toán vận hành trong mùa lũ trong các “Quy trình vận hành liên hồ chứa” không phải dựa trên nguyên lý tối ƣu lợi ích các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu trên cơ sở tính toán điều tiết lũ đảm bảo an 2
toàn chung cho hệ thống và giảm thiểu ngập lụt hạ lƣu các công trình. Trong mùa cạn “Quy trình vận hành liên hồ chứa” không quy định một nguyên tắc cụ thể của việc vận hành liên hồ, chƣa xuất phát từ vận hành tối ƣu hệ thống công trình và lợi ích của các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu đƣa ra quy định bắt buộc để đảm bảo dòng chảy tối thiểu hạ lƣu của hệ thống bậc thang. Tuy nhiên, ngay cả các quy định về dòng chảy tối thiểu cũng chƣa nghiên cứu cùng với hiệu quả lợi dụng tổng hợp. Nói tóm lại, hiện nay các công trình thủy điện trong các hệ thống bậc thang tuy có “Quy trình vận hành liên hồ chứa” nhƣng chủ yếu phục vụ cho vận hành an toàn trong mùa lũ, chƣa đƣa ra các quy trình cụ thể nhằm tối ƣu lợi ích tổng hợp nói chung và đặc biệt là trong mùa cạn. Khi vấn đề an toàn công trình không còn bị đe dọa thì việc vận hành tối ƣu của hệ thống liên hồ là cần thiết, đem lại lợi ích cho các ngành và cho toàn xã hội. Do đó nghiên cứu chế độ vận hành đặc biệt là vận hành tối ƣu trong mùa cạn rất cần thiết và đây là bài toán phức tạp chƣa đƣợc giải quyết đầy đủ và hợp lý khi xây dựng các “Quy trình vận hành liên hồ chứa” và cần đƣợc đầu tƣ nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ tập trung vào giải quyết bài toán tối ƣu hóa điều tiết hồ chứa trong hệ thống bậc thang, đặc biệt trong thời kỳ kiệt nƣớc làm cơ sở phục vụ cho việc khai thác tổng hợp nguồn nƣớc một cách có hiệu quả. Hƣớng đề tài tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học, xây dựng thuật toán và mô hình bài toán tối ƣu điều tiết các hồ chứa của bậc thang thủy điện. Kết quả có thể phục vụ việc xây dựng quy trình vận hành hợp lý và bền vững của hệ thống liên hồ chứa đảm bảo tối ƣu khai thác năng lƣợng và cấp nƣớc hạ lƣu ổn định và bền vững trong mùa cạn. Việc nghiên cứu sẽ đƣợc áp dụng đối với hệ thống sông Đà là một sông có tiềm năng thủy điện lớn nhất Việt Nam với một số hồ chứa dung tích lớn có nhiệm vụ sử dụng tổng hợp. Việc điều tiết vận hành tối ƣu đối với hệ thông sông này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn. Do vậy, việc lựa chọn 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” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học để xây dựng chế độ vận hành tối ƣu các hồ chứa bậc thang Hòa Bình và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và đảm bảo cấp nƣớc hạ du. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ 3
chứa bậc thang thủy điện nói chung và bậc thang thủy điện sông Đà nói riêng. Ngoài ra còn giúp cho việc đề xuất quy trình vận hành hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà đảm bảo cấp nƣớc hạ du và phát điện hiệu quả. 2. Mục ti u nghi n cứu củ luận án  Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm xây dựng mô hình toán tối ƣu điều tiết phát điện và cấp nƣớc 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.  Phân tích các tiêu chuẩn tối ƣu 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 nƣớc ổn định, an toàn hạ lƣu.  Áp dụng phƣơng pháp tối ƣu hóa do luận án đề xuất cho một hệ thống cụ thể nhằm kiểm chứng tính đúng đắn và hợp lý của phƣơng pháp kiến nghị. 3. Đối tượng và ph m vi nghi n cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện làm nhiệm vụ cấp nƣớc phát điện và cấp nƣớc hạ du theo yêu cầu lợi dụng tổng hợp. Nghiên cứu tập trung vào bài toán vận hành thời kỳ mùa cạn nên sự kết hợp với nhiệm vụ phòng lũ không đƣợc đề cập trong luận án. Phạm vi nghiên cứu: Bài toán mô phỏng và tối ƣu vận hành cho hệ thống các hồ chứa bậc thang thủy điện có kết hợp cấp nƣớc đáp ứng yêu cầu dòng chảy hạ du, tham gia cân bằng năng lƣợng cho hệ thống điện. Nghiên cứu tập trung vào bài toán vận hành thời kỳ mùa cạn áp dụng cho bậc thang thủy điện Sơn La- Hòa Bình trên sông Đà với nhiệm vụ phòng lũ không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án. 4. Phư ng pháp nghi n cứu Phƣơng pháp nghiên cứu thực hiện trong luận án gồm có:  Phương pháp kế thừa Thu thập số liệu thủy văn và các số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc, cột nƣớc vận hành đã có của các trạm thủy điện cụ thể thực hiện trong đề tài để sử dụng nhƣ một dữ liệu cơ sở phục vụ cho tính toán trong luận án. 4
 Phương pháp phân tích Nghiên cứu phân tích đặc điểm (ƣu nhƣợc điểm) hệ thống công trình trên bậc thang thủy điện để xây dựng cơ sở dự liệu về các yếu tố liên quan đến vận hành tối ƣu hệ thống. Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp nghiên cứu đã thực hiện để từ đó lựa chọn các phƣơng pháp và công cụ hỗ trợ phù hợp nhằm giải quyết bài toán hệ thống bậc thang thủy điện với những mục tiêu đã nêu ra.  Xây dựng mô hình toán mô phỏng trạng thái hệ thống Ứng dụng và phát triển các mô hình toán làm công cụ phần mềm chuyên dụng để sử dụng cho mục tiêu nghiên cứu. Sử dụng mô hình toán mô phỏng quy trình vận hành với các kịch bản cho trƣớc. Từ đó, thiết lập đƣợc mô hình mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống hồ chứa bậc thang theo các phƣơng án kịch bản đƣa ra.  Sử dụng và cải tiến các phương pháp tối ưu thông dụng Phân tích các bài toán tối ƣu trong vận hành hồ chứa để chọn lựa công cụ tối ƣu phù hợp với mục tiêu của đề tài. Xây dựng các thuật toán tối ƣu và áp dụng tính toán cho hệ thống một số công trình thủy điện cụ thể trên bậc thang sông Đà. 5. Ý nghĩ kho học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Vận hành tối ƣu hệ thống các hồ chứa bậc thang thủy điện là một bài toán phức tạp đã và đang là sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Hiện nay đang tồn tại nhiều phƣơng pháp khác nhau khi giải bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện, mỗi phƣơng pháp có những ƣu nhƣợc điểm nhất định. Trong những năm gần đây rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới tiếp tục đƣợc thực hiện trong lĩnh vực này nhằm hoàn thiện những phƣơng pháp có sẵn hoặc đề xuất những phƣơng pháp hoàn toàn mới. Luận án phát triển phƣơng pháp quy hoạch động 2 chiều DP-DP là một hƣớng tiếp cận mới khi giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện thời kỳ mùa cạn. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm về mặt lý luận đối với bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa lợi dụng 5
tổng hợp. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ bổ sung về mặt phƣơng pháp luận đối với công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đã có thành công bƣớc đầu khi giải quyết bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện theo phƣơng pháp mà luận án đã đề xuất. Nếu hƣớng nghiên cứu này tiếp tục đƣợc nghiên cứu và hoàn thiện sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và vận hành một loạt các hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ở Việt Nam. 6. Nh ng ng g p m i củ luận án  Phát triển thuật toán quy hoạch động 2 chiều DP-DP áp dụng cho bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Xây dựng mô hình và phát triển phần mềm tính toán tối ƣu vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện có cấu trúc bậc thang đơn, bƣớc đầu áp dụng thành công cho hệ thống hồ chứa Sơn La-Hòa Bình trên sông Đà.  Đƣa tiêu chuẩn lợi ích điện năng có xét đến chế độ làm việc của các trạm thủy điện trong cân bằng phụ tải của hệ thống điện vào mô hình bài toán tối ƣu chế độ vận hành hệ thống bậc thang trong mùa cạn mang lại tính hợp lý và hiệu quả của việc vận hành tối ƣu. 7. C u tr c củ luận án. Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong ba chƣơng, bao gồm: Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu trong lĩnh vực vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Chƣơng này trình bày tổng quan các nghiên cứu vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang thủy điện trong nƣớc và trên thế giới, phân tích các mô hình và phƣơng pháp vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa từ đó xác định hƣớng nghiên cứu của đề tài Chương 2: Cơ sở khoa học vận hành tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện. Nội dung chƣơng này gồm các nội dung: (i) Thiết lập bài toán tối ƣu và xây dựng thuật toán quy hoạch động hai chiều DP-DP đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện; (ii) Xây 6
dựng cơ sở khoa học lựa chọn hàm mục tiêu của mô hình bài toán vận hành tối ƣu hệ thống công trình thủy điện tham gia cân bằng phụ tải của hệ thống điện lực. Chương 3: Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện sông Đà trong mùa cạn. Nội dung chƣơng này bao gồm các nội dung: (i) Giới thiệu những nét cơ bản hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà; (ii) Giới thiệu khái quát mô hình và phân tích, xử lý các điều kiện biên của bài toán; (iii) Phân tích kết quả tính toán ứng dụng mô hình cho hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà. Phân tích khẳng định tính hợp lý và tin cậy của mô hình; (iv) Xây dựng biểu đồ điều phối tối ƣu và đề xuất phƣơng pháp vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối tối ƣu và theo thời gian thực. 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN 1.1 Nguyên lý chung v vận hành hồ chứa thủy iện Phụ thuộc vào mức độ tin cậy của dự báo dòng chảy đến (tình hình thủy văn) mà hiện nay trên thế giới tồn tại hai xu hƣớng cơ bản trong việc quản lý điều hành hồ chứa: 1.1.1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối Khi khả năng dự báo dòng chảy đến hồ không đủ tin cậy, để đảm bảo cho hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa đảm bảo cấp nƣớc ổn định đáp ứng yêu cầu sử dụng nƣớc của các hộ dùng theo mục đích sử dụng tổng hợp, tốt hơn hết là sử dụng biểu đồ điều phối. Các biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng cả đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm trong hệ thống bậc thang là căn cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận hành hồ chứa. Có 3 loại biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng: (i) Biểu đồ điều phối thông thƣờng: lập theo yêu cầu sử dụng nƣớc không đƣợc tối ƣu hóa. Loại này thƣờng đƣợc lập cho hồ chứa có một nhiệm vụ hoặc nhiều nhiệm vụ nhƣng chỉ quan tâm đến nhiệm vụ chính; (ii) Biểu đồ điều phối tối ƣu: là loại biểu đồ đƣợc xây dựng trên cơ sở nghiên cứu tối ƣu quá trình vận hành hồ chứa. Loại này thƣờng đƣợc lập với hồ chứa độc lập phát điện hoặc hồ chứa sử dụng nƣớc đa mục tiêu; (iii) Biểu đồ điều phối của hồ chứa thuộc hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp: là loại biểu đồ điều phối đƣợc xây dựng trên cơ sở làm rõ vai trò cấp nƣớc và nhiệm vụ vận hành của nó trong hệ thống. Đây là loại biểu đồ mà quá trình xây dựng nó phải đƣợc xem xét trong mối quan hệ tƣơng tác giữa các hồ chứa khác về mặt thủy văn, thủy lực và thủy lợi. Căn cứ vào tài liệu dòng chảy lịch sử (số liệu thực đo hoặc kéo dài nhân tạo) xây dựng các đƣờng giới hạn quy định các nguyên tắc vận hành của hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa đảm bảo các yêu cầu bắt buộc và tối ƣu mục tiêu sử dụng. Đối với bậc thang hồ chứa biểu đồ điều phối quy định mực nƣớc theo từng thời đoạn trong năm đảm bảo các hồ chứa trữ đủ lƣợng nƣớc cho các yêu cầu sử dụng của các bậc hoặc các hộ dùng phía hạ lƣu. Việc xây dựng các đƣờng giới hạn của biểu đồ điều phối hồ chứa đƣợc thực hiện bằng loạt tính toán điều tiết dòng chảy theo các yêu cầu về lƣu lƣợng nhất định đƣợc xác lập 8
bởi các hộ dùng trong các điều kiện khác nhau về dòng chảy đến. Sử dụng liệt năm thủy văn lịch sử để tính toán điều tiết lƣu lƣợng. Kết quả tính toán sẽ đƣa ra đƣợc quy luật vận hành hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa trong các thời điểm trong năm. Trên biểu đồ điều phối vận hành hồ chứa bắt buộc phải thể hiện ba vùng quy định nguyên tắc vận hành:  Vùng đảm bảo an toàn công trình trong đó chỉ thị yêu cầu vận hành khi tất cả các cửa xả qua công trình cũng nhƣ qua tất cả các tổ máy để đảm không cho phép mực nƣớc hồ vƣợt quá giới hạn cho phép đồng thời đảm bảo an toàn cho hạ du.  Vùng làm việc với lƣu lƣợng đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp.  Vùng cho phép làm việc với lƣu lƣợng lớn hơn lƣu lƣợng đảm bảo. Trong vùng này cho phép vận hành đảm bảo hiệu ích theo những tiêu chí nhất định.  Ngoài ra, thông thƣờng biểu đồ điều phối còn quy định vùng làm việc với lƣu lƣợng nhỏ hơn lƣu lƣợng đảm bảo. 1.1.2 Vận hành hồ chứa theo thời gian thực Khi có thông tin dự báo lƣu lƣợng dòng chảy đến đáng tin cậy ở thời đoạn tiếp theo, căn cứ vào tình trạng hiện tại của hồ chứa và biểu đồ điều phối ngƣời vận hành có thể đƣa ra quyết định trên cơ sở tính toán hợp lý đảm bảo các yêu cầu lợi dụng tổng hợp. Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối khi vận hành theo thời gian thực, các quyết định vận hành đƣợc xác lập bởi kết quả tính toán tối ƣu (hợp lý) trên cơ sở tài liệu dự báo dòng chảy đến trong tƣơng lai, các dự báo về nhu cầu sử dụng nƣớc của các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp, trạng thái hiện tại của hồ chứa và các hồ chứa khác trong hệ thống, đối với bài toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nƣớc hạ du ở thời đoạn tiếp theo. Tuy nhiên, vì các dự báo không thể hoàn toàn chính xác và tin cậy, do đó Biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng làm điều kiện tham chiếu để đảm bảo vận hành an toàn hồ chứa theo nhiệm vụ thiết kế. Do dự báo dòng chảy đến hồ và diễn biến mực nƣớc hạ du có độ chính xác và mức độ tin cậy nhất định nên quyết định vận hành tại thời điểm ra quyết định vẫn có thể không chuẩn xác và có thể mực nƣớc hồ vƣợt ra khỏi các vùng của Biểu đồ điều phối, bởi vậy quyết định vận hành vẫn phải điều chỉnh liên tục theo sự cập nhật của kết quả dự báo. 9
Xu thế hiện nay với trình độ dự báo ngày càng chuẩn xác, việc vận hành tối ƣu và an toàn là cần thiết và việc tính toán đƣa ra quyết định hợp lý theo thời gian thực không phải là việc làm quá phức tạp. Việc xây dựng mô hình điều tiết tối ƣu hồ chứa và bậc thang hồ chứa cho từng hệ thống riêng biệt đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều chƣơng trình trong và ngoài nƣớc, nhiều phần mềm chuyên dụng đƣợc xây dựng để giải quyết một số bài toán tối ƣu vận hành của những hệ thống riêng biệt, mang tính đặc thù. 1.2 Tổng qu n các phư ng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa mục tiêu Ngày nay bài toán tối ƣu hóa tính toán vận hành hệ thống hồ chứa đã đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc nghiên cứu và đề xuất một số phƣơng pháp nhằm giúp cho việc ra quyết định phù hợp với đặc điểm từng hồ chứa, từng hệ thống bậc thang trong các kịch bản điều hành nhằm mang lại hiệu quả kinh tế và an toàn công trình, đáp ứng yêu cầu hạ lƣu chống lũ cũng nhƣ an toàn cấp nƣớc. Bài toán tính toán điều tiết tối ƣu hệ thống hồ chứa đa mục tiêu là bài toán phức tạp, việc giải bài toán tối ƣu hiện nay thƣờng sử dụng một số phƣơng pháp sau: 1.2.1 Phương pháp mô phỏng Phƣơng pháp mô phỏng giúp mô tả các trạng thái của hệ thống đang hoạt động hoặc đƣợc quy hoạch thông qua các biểu thức toán học tƣơng ứng với các trạng thái vận hành theo thời gian. Việc mô hình hóa các trạng thái và đặc trƣng của hệ thống giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống và từ đó rút ra đƣợc những quy luật để đề xuất quy trình quản lý hệ thống. Về nguyên lý, mô phỏng có nghĩa là xây dựng mô hình mô tả các trạng thái quy luật vận hành của các công trình trong hệ thống. Nó phản ánh gần với thực tế quản lý vận hành và đề xuất giải pháp khai thác khả thi. Trong nghiên cứu vận hành các hồ chứa thủy điện lợi dụng tổng hợp việc xây dựng mô hình vật lý phản ánh hiện trạng thực của hệ thống để thí nghiệm vận hành là không khả thi. Do đó, các mô hình mô phỏng toán học đƣợc ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu xây dựng các quy trình vận hành của hệ thống và phát triển với sự phát triển của tin học. Mô hình mô phỏng sẽ cung cấp những hiểu biết sâu hơn về bài toán vận hành. Mô hình mô phỏng toán học kết hợp với kinh nghiệm điều hành hồ chứa cho phép giải các 10