KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
3
BÀI BÁO KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG NÂNG CAO CÔNG SUẤT KHẢ DỤNG
CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Hoàng Công Tuấn
1
, Nguyễn Thế Tiến
2
Tóm tắt: Những ngày đầu tháng 6 năm 2023, mực nước hồ chứa của hầu hết các NMTĐ lớn miền
Bắc đã xuống tiệm cận mực nước chết làm cho công suất khả dụng giảm mạnh. Trong khi đó, tháng 6
thường là tháng có nhu cầu phụ tải điện cao nhất trong năm nên đã gây ra thiếu hụt công suất, dẫn đến
phải cắt điện một số khu vực miền Bắc. Để đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định, an toàn khi tích
hợp tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo ngày càng tăng đòi hỏi phải bổ sung thêm nguồn điện tính
linh hoạt cao như thủy điện. Bài báo đưa ra sphân tích đánh giá những ảnh hưởng đến công
suất khả dụng, từ đó nghiên cứu đưa ra khả năng nâng cao công suất khả dụng các nhà máy thủy điện
nhằm tăng khả năng tham gia của nguồn thủy điện trong cân bằng công suất của hệ thống. Kết quả áp
dụng tính toán cho thủy điện Tuyên Quang đã minh chứng được tính hiệu quả của phương pháp luận
đưa ra.
Từ khóa: Thy điện, công suất khả dụng, hệ thống điện.
1. MỞ ĐẦU
*
Trong cấu nguồn điện của Việt Nam, tỷ
trọng nguồn thủy đin sẽ ny càng giảm, còn
nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng tăng
(Chính phủ, 2023). Việc nguồn NLTT chiếm t
trọng cao sẽ gây khó khăn cho vận hành hệ thống
điện (HTĐ). Mặt khác, nhu cầu sử dụng điện thay
đổi theo hướng bất lợi cho thy điện HTĐ.
Trong bối cảnh đó, để đảm bảo an ninh năng
lượng, HTĐ vận nh ổn định an toàn tgii
pháp hữu hiệu ng là xu thế trên thế giới
tăng nguồn điện tích trữ tính linh hoạt cao như
pin lưu trữ, tăng thêm công suất khả dụng (N
kd
)
của nguồn thủy điện như: xây dựng mới các nhà
máy thủy điện (NMTĐ), làm thy điện tích năng
(TĐTN), mở rộng NMTĐ và các giải pháp nâng
cao N
kd
cho NMTĐ.
Trước đây, do nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng
cao trong HTĐ nên vài trò đảm nhận phụ tải của
thy điện gồm cả phần đáy, thân đỉnh của biểu
đồ phụ tải. Khi tỷ trọng của nguồn này và tỷ trng
nguồn NLTT tăng t thủy đin sẽ xu thế
chuyn sang chế độ phủ đỉnh biểu đồ phụ tải.
Thy đin với ưu điểm vượt trội, so với các nguồn
1
Trường Đại học Thủy li
2
Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo
điện khác, như thiết bị linh hoạt rất cao (thay
đổi công suất rất nhanh, phạm vi thay đổi lớn), g
thành rẻ, phát thải carbon thấp sẽ lựa chọn phù
hợp nhất hiện nay cũng đóng vai trò rất quan
trọng trong việc phủ đỉnh biểu đồ phụ tải nhằm ổn
định hệ thống, điều tn, dự phòng công suất, giúp
HTĐ được vận hành an toàn, tin cậy.
Hin nay, hầu hết các NMTĐ thy điện vừa
lớn của nước ta đã được xây dựng đưa vào vận
hành, chỉ còn các dự án thủy điện nhỏ đang tiếp
tục trin khai nghiên cứu xây dựng. Để tăng thêm
khnăng tham gia của nguồn thủy điện trong n
bằng năng lượng của HTĐ, đã đang nhiều
NMTĐ mở rộng công suất được xây dựng như:
thy điện Thác Mơ, Đa Nhim, Hòa Bình, Ialy,…
và nhiều dự án mở rộng NMTĐ đang được nghiên
cứu (EVN-PECC1, 2021). Về thy điện tích năng
(TĐTN), theo kết quả đánh gtiềm năng TĐTN
cho thấy, 11 vị trí tiềm năng, với tổng công
suất 12.500MW (Chính phủ, 2023). Trong đó,
TĐTN Bác Ái, công suất 1.200 MW, là TĐTN
đầu tiên được khởi công xây dựng đầu năm 2020
và dự kiến hoàn thành vào năm 2028.
Việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả vn hành
phát điện các NMTĐ nói chung đã được nhiều nhà
khoa học quan tâm theo các cách tiếp cận khác
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
4
nhau (Nguyễn n Nghĩa, 2010; Nguyễn Đức
Nghĩa, 2017; Hoàng Công Tuấn, 2018; Phan Trần
Hồng Long, 2020; Hoàng Công Tuấn Phan
Trần Hồng Long, 2020). Liên quan đến N
kd
, đã
một số nghiên cứu đề cập đến nhưng mới dừng li
việc xét ảnh hưởng của một số thông số đc lập
như mực nước chết (Nguyễn Thị Nhớ, 2009;
Hoàng ng Tuấn, 2019), cột nước tính toán
(Hoàng Công Tuấn, 2018), chưa nghiên cứu
mang tính tổng thể về cơ sở các yếu t ảnh
hưởng cho việc nâng cao N
kd
các NMTĐ. Đặc
biệt, vào cuối mùa kiệt vừa qua, việc mực ớc
các hồ thủy điện giảm sâu, nhất các hồ thủy
điện miền Bắc tiệm cận mực ớc chết (MNC)
vào thời điểm đầu tháng 6/2023 đã làm cho N
kd
các NMTĐ bị giảm mạnh, gây ra thiếu hụt công
suất, dẫn đến phải cắt đin tại một số khu vực
miền Bắc. Do đó, việc nghiên cứu nâng cao N
kd
rất thiết thực và có ý nghĩa khoa học.
Nội dung bài báo này sẽ kế thừa phát triển
mở rộng hướng nghiên cứu tiếp theo từ nghiên
cứu trước (Hoàng ng Tuấn, 2021). Bài báo sẽ
tập trung vào phân tích, đánh giá tổng thể những
yếu tảnh hưởng, từ đó nghiên cứu giải pháp hay
khnăng nâng cao N
kd
các NMTĐ nhằm ng khả
năng tham gia vào cân bằng công suất vai trò
ph đỉnh biểu đồ ph tải của nguồn thy đin
trong HTĐ, góp phần nâng cao chất lượng điện
đảm bảo an ninh năng lượng.
2. SỞ NÂNG CAO NG SUẤT
KHẢ DỤNG CỦA NMTĐ
2.1. Sự thay đổi nhu cầu sử dụng điện
Nhu cầu sử dụng điện hay biểu đ ph tải
(BĐPT) sự thay đổi rất lớn về thời gian xảy ra
phtải lớn nhất. Sự thay đổi phụ tải theo hướng
bất lợi đối với khnăng phát điện của thủy đin và
cân bằng công suất của HTĐ. Trước đây, phtải
lớn nhất thường rơi vào tháng 11 12 (Hình 1,
trái). Nhng năm gần đây và dự báo trong những
năm tới, phụ tải lớn nhất rơi vào những tháng cuối
mùa kiệt và đầua lũ, các tháng 5, 6, 7 và 8, cao
nhất tháng 6 (Hình 1, phải) thời gian mực
nước hồ của hầu hết các NMTĐ đang xuống thấp
(tiệm cận MNC) nên N
kd
giảm do cột nước giảm,
dẫn đến các NMTĐ phải làm việc rất căng thẳng
không thể đảm bảo sửa chữa đầy đủ việc huy
động công suất của HTĐ gặp nhiều khó khăn. Do
đó, để đảm bảo đủ nhu cầu phụ tải, HTĐ phải lắp
bổ sung thêm công suất dự trữ huy động công
suất nhng nguồn điện khác chi phí cao n
và còn gây ảnh hưởng tới môi trường như nguồn
nhiệt điện.
Hình 1. BĐPT lớn nhất HTĐ toàn quốc năm 2004 (trái) và năm 2020, 2021, 2022 (phải)
vậy, vic nghiên cứu nâng cao N
kd
c
NMTĐ vào các thời điểm phụ tải yêu cầu cao
sẽ làm tăng khnăng tham gia của thủy điện, giúp
HTĐ giảm ng thẳng trong huy động công suất
và góp phần giảm chi phí chung cho HTĐ.
2.2. Sự thay đổi cơ cấu nguồn điện
Đến cuối năm 2022, tổng công suất nguồn điện
của Việt Nam là 77.800MW. Trong đó, công suất
nguồn thủy điện 22.544 MW chiếm gần 29,0%,
công suất nguồn NLTT là 20.165MW chiếm
26,4%. Theo Quy hoch điện VIII, t trọng nguồn
thy điện sẽ xu hướng ngày càng giảm t
trọng nguồn NLTT ny càng tăng (Bảng 1). Theo
đó, tỷ trọng nguồn thủy điện vào các năm 2030,
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
5
2040 và 2050 tương ứng 18,5%, 9,7% 6,3%.
Con số y đối với nguồn NLTT là 32,1% vào
năm 2030, tăng lên 54,1% vào năm 2040
63,5% vào năm 2050.
Bảng 1. Cơ cấu các nguồn điện trong HTĐ theo Quy hoạch điện VIII
(Phương án phụ tải cao)
Nguồn điện 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Nhiệt điện than 29,3% 27,7% 19,0% 12,4% 8,5% 4,7% 0%
Nhiệt điện khí 10,4% 9,4% 23,6% 16,7% 11,4% 10,1% 11,5%
Thủy điện 30,7% 25,8% 18,5% 13,9% 9,7% 7,5% 6,3%
NLTT 25,7% 31,3% 32,1% 44,8% 54,1% 60,1% 63,5%
TĐTN, pin lưu trữ 0% 0% 1,7% 3,9% 5,6% 7,2% 7,9%
Nhiệt điện linh hoạt 0% 0% 0,2% 3,7% 6,5% 7,2% 8,1%
Nguồn khác 3,9% 5,7% 4,9% 4,6% 4,2% 3,3% 2,7%
Việc phát triển nguồn NLTT xu hướng tất
yếu để thay thế dần nguồn điện từ nhiên liệu hóa
thạch và giảm phát thải khí nhà kính, hướng tới
phát thải ng về “0” vào năm 2050. Tuy nhiên,
nguồn năng lượng này phát điện không liên tục
kém ổn định do phải phụ thuộc vào thời tiết và các
yếu ti trường làm ảnh hưởng đến chất lượng
vn hành của HTĐ. Do đó, với cấu nguồn điện
theo quy hoạch, cần xác định lại vai trò của thủy
điện theo hướng đảm nhn phủ đỉnh biểu đphụ
tải và dự phòng công suất sự cố trong HTĐ. Theo
đó, giải pháp hữu hiệu và phù hợp nhất hiện nay
nâng cao Nkd các NMTĐ.
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến ng suất
khả dụng
(1) Mực nước chết
MNC là một trong những thông số hồ chứa
quan trọng của NMTĐ. Lựa chọn MNC không
nhng ảnh hưởng đến các chỉ tiêu năng lượng của
NMTĐ còn ảnh hưởng đến N
kd
. Trước đây,
việc lựa chọn MNC cho các hồ điều tiết năm
thường dựa trên tiêu chuẩn tối đa đin lượng a
kiệt hoặc điện lượng năm. Điều này phợp khi
nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng cao trong hệ
thống, nhu cầu sử dụng điện cao vào mùa kiệt,
ph tải lớn nhất thường những tháng đầu mùa
kiệt. Khi MNC được lựa chọn theo tiêu chuẩn này
thường cho gtrị MNC thấp (Hoàng Công Tuấn,
2017). Do đó, khi cấu nguồn đin phụ tải
điện thay đổi cần có cách tiếp cận phù hợp khi đưa
ra tiêu chuẩn tính toán chọn MNC (Hoàng Công
Tuấn, 2019).
Mực nước hồ ảnh hưởng đến cột nước (H), khi
mực nước hồ thấp sẽ làm giảm H và do đó làm
giảm N
kd
. Khi mực nước hồ về MNC sẽ làm N
kd
giảm sâu, đối với nhiều MNTĐ N
kd
chỉ n
khong 60% công suất lắp y (N
lm
). Hơn nữa,
khi mực nước hồ càng thấp thì mức độ tiêu hao
nước càng tăng lên (Nguyn Đức Nghĩa, 2021),
dẫn đến hiệu quphát đin càng giảm. Ngoài ra,
khi tuabin phải làm việc H thấp sẽ rất bất li
như: xâm thực ng, tổ y bị rung mạnh, gây ra
tiếng ồn. Nếu làm việc thời gian dài vượt giới
hn công suất thì tuổi thọ thiết bị gim nhanh
chóng. Do đó, việc điều phối vận hành duy trì
đường mực nước hồ cao để duy trì N
kd
cao giúp
tăng khả năng đáp ứng công suất cho HTĐ
nâng cao hiệu quả phát đin là rất quan trọng.
(2) Đặc tính thiết bị và Cột nước tính toán
Trong quá trình vận hành của NMTĐ, khnăng
phát điện phụ thuộc vào lưu lượng Q, H hiệu
suất của thiết bị. Đối với tuabin, lưu lượng phát
điện lớn nhất phụ thuộc vào H, do đó công suất của
tuabin phụ thuộc vào H. Cột nước tính toán (H
tt
)
cột nước nhỏ nhất tại đó tổ máy còn phát được
công suất định mức hay NMTĐ còn phát được N
lm
- một trong những thông số quan trọng của
NMTĐ. H
tt
ảnh hưởng đến kích thước các bộ
phận qua nước, do đó ảnh hưởng đến vốn đầu
vào chúng. Đồng thời, H
tt
có ảnh hưởng đến N
kd
của NMTĐ. Khi H H
tt
tổ máy thphát được
công suất định mức do đó NMTĐ thể phát
được N
lm
(đoạn AC,Hình 2). Ngược lại, khi H ≤ H
tt
thì khnăng phát công suất hay N
kd
bị giảm (đoạn
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
6
AB, Hình 2). Điều này thường xảy ra với những
NMTĐ cột nước thấp, nhất là những NMTĐ sử
dụng tuabin Tâm trục và/hoặc những NMTĐ
yêu cầu phòng lũ. Trong khi đó, đại đa số c
NMTĐ lớnnước ta đều sử dụng tuabin Tâm trục,
n Sơn La, Hòa Bình, Lai Châu, Ialy, Tuyên
Quang, … Nếu việc lựa chọn H
tt
không hợp lý hay
quá trình vận hành làm mực nước hồ giảm, nhất
những tháng cuối mùa kiệt đầu mùa lũ, dẫn
đến giảm H (< H
tt
) skéo theo N
kd
của c NMTĐ
bị giảm đáng kể. Thêm vào đó, n trình bày
trên, nhu cầu phụ tải những tháng này li rất lớn,
điều này sẽ gây lên sự căng thẳng trong cân bằng
công suất của HTĐ. Do đó, việc nghiên cứu lựa
chọn hợp lý H
tt
cần phải được tính đến đối với các
dự án xây mới hoặc mở rộng NMTĐ.
Hình 2. Đường đặc tính vận hành của tổ máy thủy điện (trái) và Quan hệ giữa tỷ lệ N
kd
/N
lm
với
H
min
/H
tt
(phải)
(3) Phương pháp nh thủy năng Phương
thức vận hành hồ chứa phát điện
Phương pháp tính toán thủy năng trong thiết kế
hay trong xây dựng biu đồ điều phối (BĐĐP)
thường dựa trên nguyên tắc sử dụng hết dung ch
hu ích hay mực nước hồ về MNC vào cuối mùa
kiệt đối với bất kỳ năm thủy văn nào và thường chưa
gắn với biểu đồ phtải. Điu này sẽ dẫn đến những
bất cập trong vận hành. Hơn nữa, vic sử dụng c
phương pháp tính toán khác nhau cũng cho kết qu
kc nhau đáng k (Nguyễn Văn Nghĩa, 2008;
Hoàng Công Tuấn, 2017), dẫn đến không đánh giá
chínhc được kh năng thực tế củac NMTĐ.
Nghiên cứu số liệu vận hành thực tế kết quả
tính toán vận hành theo các phương thức trước đây
cho thấy cột nước phát điện những tháng 6, 7
thường rất thp, m cho N
kd
giảm nh. Điu này,
một phần do sử dụng nguyên tắc tính toán như đã
nói trên. Hơn nữa, do ĐP củac NMTĐ được
xây dựng dựa trên tiêu chuẩn và phân bố điện năng
bảo đảm theo ph tải điện và cơ cu nguồn điện
tớc đây nên không còn phù hp.
(4) Quy trình vận hành và Mực nước trước lũ
Các NMTĐ được xây dựng trên cùng lưu vực
sông, quá trình vận hành phải tuân thủ các quy
định trong quy trình vận hành liên hồ chứa trên
lưu vực sông và quy trình vận hành đơn hồ. Trong
đó, quy định về mực nước cao nhất trước
trong quá trình vn hành mực nước hồ không
được phép vượt quá mực nước này. Trường hợp,
ứng với mực nước này, nếu H H
tt
tkhnăng
phát công suất sẽ b hạn chế, tức N
kd
của NMTĐ
sẽ b giảm. Hơn nữa, trong thời gian này thường
lưu lượng đến hồ lớn, buộc phải xả nước xuống hạ
lưu làm cho mực nước hạ lưu ng lên và H giảm
xuống, dẫn đến N
kd
càng giảm theo. Do đó, việc
nghiên cứu lựa chọn hợp cao trình mực nước
trước lũ trong quy trình vận hành hồ chứa vừa
đảm bảo nhiệm v phòng lũ, vừa đảm bảo nâng
cao N
kd
cần được quan tâm nghiên cứu.
(5) Số giờ sử dụng công suất lắp máy.
Trước đây, trong thiết kế chọn N
lm
, do tỷ trọng
nguồn thy điện trong hệ thống khá lớn nên các
NMTĐ được nghiên cứu với vai trò đảm nhn phụ
tải đáy, thân và một phần đỉnh biểu đphụ tải với
số giờ sử dụng N
lm
thường trên 4000 giờ nên N
lm
thường nhỏ, dẫn đến N
kd
cũng nhỏ theo. Số giờ
này hiện nay không còn phù hợp do cấu nguồn
A
C
B
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
7
thay đổi, nếu vẫn giữ nguyên sẽ gây lãng phí
nguồn thủy điện hiện không phát huy được
thế mạnh vượt trội của thủy điện.
Theo kinh nghiệm từ các quốc gia phát triển
trên thế giới cho thy, số giờ sử dụng N
lm
của thủy
điện vào khoảng từ 2500 đến 3000 giờ y thuộc
vào tính chất cơ cấu nguồn điện (Nguyn Huy
Hoạch, 2023). Do đó, khi hầu hết các vị trí
thể xây dựng NMTĐ lớn đã được khai thác cơ
cấu nguồn điện thay đổi tviệc nghiên cứu hợp
lý số giờ sử dụng N
lm
thông qua mở rộng các
NMTĐ hiện hữu cần được quan tâm nghiên cứu.
2.4. Một số khả năng nâng cao công suất
khả dụng
Từ nhng phân tích sự thay đổi về nhu cầu sử
dụng điện, về cơ cấu các nguồn điện đã làm cơ
sở sự cần thiết ng khả năng tham gia n
bằng công suất của nguồn thủy điện trong HTĐ
hay nói cách khác cần nâng cao N
kd
của nguồn
thy điện. Qua phân tích các yếu t ảnh hưởng
đến N
kd
đưa ra một số khả năng nâng cao N
kd
của
NMTĐ như sau:
* Giai đoạn thiết kế
Thay đổi các tiếp cận trong việc lựa chọn các
thông sảnh hưởng đến N
kd
như MNC, H
tt
, số
giờ sử dụng công suất lắp máy (hay N
lm
). Lựa
chọn tiêu chuẩn hay tiêu chí xác định các thông s
này phải phợp với sự thay đổi phụ tải, cấu
các nguồn điện thị trường điện. Khi đánh g
lợi ích các phương án thông s cần được xem xét
trên sở hiệu quả thay thế (EVN-PECC1, 2019;
Hoàng Công Tuấn, 2022).
Với đặc điểm biểu đ ph tải và cấu các
nguồn đin hin nay, việc lựa chọn c thông s
MNC, H
tt
cần theo hướng nâng cao N
kd
vào thời
gian phụ tải cao và mực nước hồ thấp. Lựa
chọn N
lm
cho các dự án mở rộng NMTĐ hiện hữu
trên sở s giờ phủ đỉnh phù hợp với biểu đ
phtải và nghiên cứu lộ trình thay đổi số giờ sử
dụng N
lm
.
* Giai đoạn vận hành
Trong thực tế vận hành, tùy theo điều kiện thy
văn không phải năm nào cũng đưa mực nước h
vMNC. Phương thức vận hành hồ chứa dựa trên
phương pháp điều phối, sử dụng nước phát điện
hợp trên sở lợi cho cả chu kỳ điều tiết
tránh ảnh hưởng của hậu tác động. Lựa chọn
phương thức vn hành duy trì đường mực nước hồ
cao để duy trì N
kd
cao giúp tăng khả năng sẵn sàng
đáp ứng công suất cho HTĐ.
Hình dáng BĐĐP ảnh ởng đến hiệu quả
phát điện N
kd
, do đó khi xây dựng BĐĐP cần
la chọn tiêu chuẩn, phương thức vận hành
(Hoàng Công Tuấn Phan Trần Hồng Long,
2020) và phương pháp xây dựng BĐĐP (Phan
Trần Hồng Long và Hoàng Công Tuấn, 2020) phù
hợp trên sở điện năng bảo đảm được phân phối
hợp lý. Nghiên cứu phân bối điện năng bảo đảm
trước đây đã được quan tâm nghiên cứu (Nguyn
Văn Nghĩa, 2008). Tuy nhiên, do ph tải sự
thay đổi như đã đề cập trên nên việc phân phối
điện năng bảo đảm cần được tính đến, đồng phải
phi xét trên quan điểm hệ thống phợp với
tiêu chuẩn chung (Hoàng Công Tuấn, 2021).
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Theo số liệu của Tập đoàn Đin lực Việt Nam
(Website-EVN), những ny đầu tháng 06/2023,
mực nước hồ chứa của đại đa số các NMTĐ ln
miền Bắc (trừ Hòa Bình) đã xuống rất thấp, thậm
chí dưới MNC (Bảng 2). Hin tượng này đã làm
giảm đáng kể N
kd
của các NMTĐ. Tính đến ny
06/6/2023, N
kd
của thuỷ điện là 3.110 MW chỉ đạt
23,7%N
lm
, nên đã phải điều tiết giảm phụ tải tại
miền Bắc (Website-ERAV).
Bảng 2. Mực nước hồ thực tế tại một số NMTĐ miền Bắc lúc 11h00 ngày 03/06/2023
NMTĐ Lai Châu Sơn La Bản
Chát
Huội
Quảng a Bình Tuyên
Quang Thác Bà
MNC (m) 265 175 431 368 80 90 46
Mực nước hồ
thực tế (m) 261,8 174,61 430,86 367,75 104,69 89,72 45,5
Gim so với
MNC (m) -3,2 -0,39 -0,14 -0,25 24,69 -0,28 -0,5