Một mô hình toán vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa thuỷ điện

Nội dung text: Một mô hình toán vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa thuỷ điện

1. MéT M¤ H×NH TO¸N VËN HµNH §IÒU TIÕT TèI ¦U HÖ THèNG Hå CHøA THUû §IÖN Lê Hùng Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Trong bài báo này trình bày mô hình toán điều tiết vận hành hệ thống bậc thang, hàm mục tiêu ở đây là sản lượng điện năng đạt cực đại. Ứng dụng Quy hoạch động thiết lập thuật toán và xây dựng chương trình tính vận hành điều tiết năm hồ chứa bậc thang bằng ngôn ngữ lập trình Delphi. Áp dụng chương trình tính vận hành điều tiết hồ chứa thủy điện 2 bậc thang sông Bung 2 và sông Bung 4 nằm trên hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn, Tĩnh Quảng Nam, với chuỗi dòng chảy đến được mô phỏng theo Phương pháp Monte Carlo để kéo dài chuỗi dòng chảy lịch sử. 1. Đặt vấn đề không phản ánh đúng thực tế vận hành. Vấn đề điều tiết vận hành hệ thống hồ chứa Mục tiêu của bài báo này là thiết lập mô hình bậc thang đã đang là vấn đề đáng quan tâm ở toán điều tiết hồ chứa bậc thang, Áp dụng kỹ nước ta hiện nay, các hồ chứa nước thủy điện thuật tối ưu quy hoạch động để thiết lập chương thường nằm trên một hệ thống bậc thang, do trình tính, ứng dụng để giải cho hệ thống sông đó công suất của trạm thủy điện tại một hồ Bung (bao gồm 2 hồ chứa điều tiết năm sông chứa nào đó sẽ phụ thuộc vào diễn biến mực Bung 2 và sông Bung 4). nước hạ lưu, phụ thuộc vào lưu lượng xả 2. Thuật toán Quy hoạch động xuống hạ lưu và nước đến của hồ phía trên. Nguyên lý tối ưu Bellman: Dựa trên nguyên tắc Nhưng các giá trị này lại phụ thuộc vào chế độ chia quá trình giải bài toán tối ưu thành nhiều giai vận hành của các hồ khác. Bởi vậy, giá trị các đoạn và tiến hành tìm phương án tối ưu qua các tham số của hồ chứa phụ thuộc lẫn nhau, việc giai đoạn khác nhau. Tổng hợp các phương án tối vận hành điều tiết từng hồ chứa đơn lẻ sẽ ưu cục bộ ta sẽ được phương án tối ưu toàn bộ. Hình 1. Sơ đồ mô tả quá trình nhiều giai đoạn * ( ) Phương trình đệ quy quy hoạch động được Với Fj 1 S j 1 là Maximum tổng giá trị hàm sử dụng để xác định lời giải tối ưu tất định * * mục tiêu từ giai đoạn 1 đến giai đoạn j+1, khi F (S ) Max TEP (S ,S ) F (S ) j 1 j 1  j j j 1 j j  trạng thái tại giai đoạn j+1 là Sj+1. R j j=1, 2, , N 3. Mô hình toán vận hành hệ thống hồ chứa với mục đích phát điện 98
2. 6 3 trong suốt thời đoạn j, (10 m ); Ri,j=lượng xả từ hồ 6 3 chứa i suốt thời đoạn j, (10 m ); Vi,j=dung tích hồ chứa i trong thời đoạn j, (106m3), i=1, 2, j=1,2 12. Begin Tra d÷ liªu MN[j] ®Çu vµ MN[k] cuèi Tra d÷ liªu MN2[j2] ®Çu vµ MN2[k2] cuèi Hình 2. Sơ đồ hệ thống hồ chứa Tra W®Çu W2®Çu øng víi mùc nuíc ®Çu MN[j], MN2[j2] Tra Wcuèi, W2cuèi øng víi mùc nuíc cuèi MN[k], MN2[k2] Hàm mục tiêu là maximize tổng năng lượng TÝnh WX¶-i=Wth¸ng-i+W®Çu-i -Wcuèi-i-WEV-i TÝnh W2X¶-i=W2th¸ng-i+W2®Çu-i -W2cuèi-i-W2EV-i+WX¶-i của 2 nhà máy thủy điện WE-i=Qmax-i-Ti Wx¶-i>Qmax-iTi True WE-i=Wx¶-i OF Maximize E j W2x¶-i>Q2max-iT2i W2E-i=Q2max-i-T2i W2E-i=W2x¶-i 2 False 6 (1) 9.81Q i, j H i,j t j /10 (Mwh) False Wx¶-i>0 W2x¶-i>0 j 1 True Với các ràng buộc WE-i=Wx¶-i Qbq-i=WE-i/Ti W2E-i=W2x¶-i , , , H i j Z TL i j Z HL i j H i, j (2) Q2bq-i=W2E-i/Ti Gi¶ thiÕt gt-i, gt-i Z TL i = f1[(Vi + Vi+1)/2] (3) TÝnh Hbq-i=Zbqtl-i-Zbqhl-i-Htt-i TÝnh H2bq-i=Z2bqtl-i-Z2bqhl-i-H2tt-i Vmin i, j Vi, j Vmax i, j (4) gt-i gt-i  gt-i gt-i  R yc i, j Ri, j Ri, j,max (5) V1,j+1=V1,j+Qđến1,j-EV1,j-R1,j-O1,j (6) False gt-i-tt-i=f(Ni,Hi) N®b N2i>N2®b E E E (10) min i, j i, j max i, j True In KÕt qu¶ MN hå, Who, Ni, Ei, EltMax In KÕt qu¶ MN hå2, W2ho, N2i, E2i, E2ltMax Z HL i, j = f2[Ri,j/Ti,j] (11) End N = f ( H i, j ) (12) gh- i 3  f (N , H ) (13) Hình 3. Sơ đồ thuật toán tính điện lượng EltMax i, j 4 i, j i, j Trong đó: H i, j = cột nước phát điện trung bình thời đoạn ứng với hồ chứa i; ZTL-i,j= cao trình mực nước thượng lưu trong thời đoạn j ứng với hồ chứa i (m); ZHL-i,j = mực nước hạ lưu trong thời đoạn j ứng với hồ chứa i; Hi,j = cột nước tổn thất trong thời đoan j ứng với hồ chứa i; Qi,j = lưu lượng qua turbine trong suốt thời đoạn j ứng với hồ chứa i 3 (m /s); ti = bước thời gian tính toán của hồ chứa i; T= tổng số các bước thời gian (các tháng); Vmin-i,j = dung tích nhỏ nhất cho phép của hồ chứa i; Vmax-i,j = dung tích lớn nhất cho phép của hồ chứa i; EVi,j = bốc hơi từ hồ chứa i trong suốt thời đoạn j,(106m3); Qđến-i,j= dòng chảy đến hồ chứa i trong suốt thời Hình 4. Giao diện chương trình tính vận hành 6 3 đoạn j, (10 m ); Oi,j=dòng chảy tràn từ hồ chứa i tối ưu hồ chứa thủy điện 99
3. 4. Mô tả công tình hồ chứa nước thủy điện kiến là 1541’45’’vĩ Bắc, 10724’00’’ trình sông Bung 2 và sông Bung 4 nằm trên địa bàn xã Tà BHing và xã ZuôiH Sông Bung là một trong những nhánh sông thuộc huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam, cách lớn nằm bên trái của hệ thống sông Vu Gia, bắt thành phố Đà Nẵng theo đường chim bay nguồn từ vùng biên giới Việt - Lào, từ vùng núi khoảng 75km về hướng Tây - Nam. Tọa độ địa cao trên 1800m phía Tây Bắc huyện Hiên trong lý tuyến đập dự kiến là 1542’19’’vĩ Bắc, địa phận tỉnh Quảng Nam. Ở huyện Hiên, sông 10738’28’’ kinh Đông. Nhà máy nằm trên địa chảy theo hướng từ Tây sang Đông, sau đó sông phận xã Tà BHing huyện Nam Giang tỉnh chảy theo hướng Nam, qua huyện Nam Giang Quảng Nam, có tọa độ là 15043’38” vĩ Bắc, sông chuyển hướng từ Tây Nam sang Đông Bắc. 107038’58” kinh Đông. Sau hợp lưu với sông A Vương, sông Bung tiếp Theo sơ đồ khai thác bậc thang hệ thống tục đổ vào hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn. sông Vu Gia -Thu Bồn, thuỷ điện Sông Bung 4 Vị trí của tuyến công trình thủy điện Sông là bậc thang thứ 2 trong hệ thống bậc thang thuỷ Bung 2 nằm trên địa bàn xã Laêê huyện Nam điện trên dòng sông Bung. Nhà máy nằm trên Giang tỉnh Quảng Nam, cách thành phố Đà địa phận xã ZuôiH huyện Nam Giang tỉnh Nẵng theo đường quốc lộ 14D khoảng 165km Quảng Nam, có tọa độ là 107029’31” kinh về hướng Tây Nam. Tọa độ địa lý tuyến đập dự Đông; 15042’57” vĩ Bắc. Bảng 1. Các thông số chính của công trình thủy điện sông Bung 2 và sông Bung 4 Mô tả các thông số hồ chứa nước Sông Bung 2 Giá trị Đơn vị Hồ chứa Mực nước dâng bình thường (MNDBT) 605 m Dung tích hữu ích (Whi) 73,9 106m3 Mực nước chết (MNC) 565 m Dung tích chết (Wc) 20.4 106m3 Diện tích lưu vực 334 km2 Nhà máy Thủy điện Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy 34,5 m3/s Loại Turbine Tâm trục Công suất lắp máy 100 MW Số tổ máy 2 Cột nước tính toán 330.0 m Cột nước lớn nhất 377.1 m Cột nước nhỏ nhất 301.6 m Mô tả các thông số hồ chứa nước Sông Bung 4 Giá trị Đơn vị Hồ chứa Mực nước dâng bình thường (MNDBT) 222,5 m Dung tích hữu ích (Whi) 233,99 106m3 Mực nước chết (MNC) 205 m Dung tích chết (Wc) 276,81 106m3 Diện tích lưu vực 1448 km2 Nhà máy Thủy điện Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy 166,0 m3/s Loại Turbine Francis Công suất lắp máy 156 MW Số tổ máy 2 Cột nước tính toán 106 m Cột nước lớn nhất 125.0 m Cột nước nhỏ nhất 91.0 m 100
4. Chuỗi dòng chảy đến từng tháng được kéo phối tam giác. Số liệu chuỗi dòng chảy của hai dài bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo hồ chứa dài 29 năm (từ năm 1977-2006), mô thông qua chương trình Crystal Ball, hàm phân phỏng được thực hiện đến 20000 lần, kết quả phối xác suất ở đây được chọn là dạng phân cho ở bảng 2a,b như sau: Bảng 2a. Lưu lượng dòng chảy đến sông Bung 2 theo tần suất sau khi mô phỏng theo phương pháp Monte Carlo Tần suất 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 90% 5.36 4.49 3.94 3.62 5.49 6.12 5.45 6.72 9.06 12.45 11.12 8.21 75% 7.31 5.76 4.59 4.53 7.52 9.79 6.95 8.73 12.63 21.62 17.45 11.94 50% 9.46 7.26 5.79 6.29 11.37 17.19 9.85 12.45 19.57 39.04 29.58 18.44 25% 11.77 8.39 7.41 8.56 16.58 26.90 13.60 17.41 28.82 62.45 45.62 26.91 10% 13.84 9.06 8.83 10.57 21.15 35.45 17.03 21.78 36.78 82.38 59.90 34.43 Bảng 2b. Lưu lượng dòng chảy đến sông Bung 4 theo tần suất sau khi mô phỏng theo phương pháp Monte Carlo Tần suất 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 90% 17.63 14.71 13.01 12.03 18.04 20.05 17.88 22.11 29.61 40.91 35.56 26.34 75% 23.91 19.09 15.28 15.04 24.67 32.23 22.74 28.65 41.39 70.32 56.91 39.70 50% 31.15 23.93 19.27 20.62 37.78 55.69 32.30 41.04 64.44 127.42 97.71 61.81 25% 38.80 27.68 24.43 28.14 54.71 87.38 45.12 57.48 94.07 204.66 150.67 89.41 10% 45.76 29.83 29.12 34.80 70.06 116.49 56.24 71.87 120.00 271.48 196.18 114.74 5. Kết quả và thảo luận 2b), áp dụng chương trình tính toán ứng với các - Dựa trên bảng dòng chảy đến sau khi mô tần suất p=25%, p=50%, p=75%. phỏng theo phương pháp Monte Carlo (bảng 2a, Bảng 3. Kết quả sản lượng điện hồ chứa thủy điện sông Bung 2 và sông Bung 4 Điện lượng trung bình Điện lượng trung bình Tổng sản lượng điện năm của hồ chứa Sông năm của hồ chứa Sông hồ chứa sông Bung Tháng Bung 2(106kwh) Bung 4(106kwh) 2 và sông Bung 4 P=25% 775,20 561,96 1337,16 P=50% 403,54 554,01 975,55 P=75% 253,69 348,63 602,33 Bảng 4a. Cao trình mực nước hồ chứa chứa thủy điện sông Bung 2 ứng với các tần suất P=25%, P=50%, P=75% Tháng 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-1 P=25% 605.0 605.0 604.0 603.0 602.0 602.0 602.0 594.0 565.0 565.0 605.0 605.0 605.0 P=50% 605.0 605.0 603.0 599.0 595.0 595.0 595.0 595.0 565.0 584.0 605.0 605.0 605.0 P=75% 605.0 604.0 601.0 597.0 592.0 590.0 590.0 587.0 565.0 573.0 593.0 602.0 605.0 101
5. Bảng 4b. Cao trình mực nước hồ chứa chứa thủy điện sông Bung 4 ứng với các tần suất P=25%, P=50%, P=75% Tháng 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-1 P=25% 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 222.5 217.5 205.0 205.0 219.5 222.5 222.5 P=50% 222.5 222.5 222.5 221.5 220.5 221.5 222.5 217.5 205.0 212.5 222.5 222.5 222.5 P=75% 222.5 221.5 220.5 218.5 216.5 215.5 216.5 215.5 205.0 207.5 215.5 220.5 222.5 Kết quả biểu đồ vận hành cho ta thấy để đạt được sản lượng điện cao thì biểu đồ vận hành thường duy trì mực nước cao, tuy nhiên vì kết quả trên khi tính toán lấy hiệu suất trung bình, nếu khi ta đưa bảng hiệu suất vào thì kết quả đường vận hành sẽ có xu hướng thấp hơn bởi vì theo bảng đường đặc tính của TuaBin thì cột nước tính toán cao thì hiệu suất sẽ thấp. 6. Kết luận Hình 5a. Mực nước hồ dao động của hồ chứa - Khi tính toán quy trình vận hành theo thủy điện sông Bung 2, ứng với các tần suất phương pháp qui hoạch động truyền thống, thì (P=25%, P=50%, P=75%) việc dò tìm trên toàn miền tính toán sẽ cho ta kết quả nghiệm tối ưu toàn cục, do đó việc tìm nghiệm theo phương pháp quy hoạch động sẽ tự động kiểm tra các ràng buộc và loại bỏ dễ dàng các phương án không khả thi. - Trên đây là kết quả nghiên cứu bước đầu của bài toán hệ thống bậc tháng 2 hồ chứa. Để có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu bậc thang vào thực tế hiện nay còn phải mất rất nhiều thời gian, bởi vì hệ thống điện quốc gia của nước ta vận hành vẫn chưa ổn định, trên mỗi hệ thống bậc thang hồ chứa của nước ta hiện nay, có rất Hình 5b. Mực nước hồ dao động của hồ chứa nhiều chủ đầu tư khác nhau, mỗi chủ đầu tư đều thủy điện sông Bung 4, ứng với các tần suất quan tâm tới lợi ích riêng của công trình mình, (P=25%, P=50%, P=75%) mà không quan tâm đến lợi ích chung. Tài liệu tham khảo [1] Lê Hùng (2010), “Một mô hình toán trong vận hành điều tiết tối ưu hệ thống hồ chứa với mục đích phát điện”, Đề tài Khoa học công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng. [2] Nguyễn Thế Hùng, Lê Hùng (2008), “Ứng dụng Quy hoạch động xây dựng chương trình tính toán điều tiết năm theo mô hình tất định của hồ chứa nhà máy thủy điện làm việc độc lập”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 3, pp 66-72. [3] K. D. W. Nandalal and Janos J. Bogardi (2007), Dynamic programming based operation of reservoirs, Cambridge University press, New York. 102
6. [4] Larry W. Mays Yeou-Koung Tung (1992), Hydrosystems engineering & management, MrGraw- Hill, United States. [5] S. Vedula, P.P. and Mujumdar (2007), Water Resources Systems : Modelling Techniques and Analysis, Tata-McGraw Hill, New Delhi. Abstract A MATHEMATICAL MODEL FOR OPTIMUM OPERATION AND REGULATION THE SYSTEM OF HYDROELECTRIC POWER RESERVOIRS Le Hung Danang University of Technology, The University of Danang In this paper, the author presents a mathematical model for optimum regulation and operation the system of coordinated hydroelectric power stations (or hydroelectric power plant chains). The objective function, here, is the maximum of total hydro-energy generation. Application of Dynamic Programming establishs the algorithm and builds the programme for calculation the optimum operation and regulation of five coordinated reservoirs (or five chained reservoirs) by using Delphi program language. Then, application of established programme for optimum operation and regulation the hydroelectricity reservoirs which includes 2 steps (2 chains): River Bung 2 and River Bung 4 hydroelectricity power plants located on the VuGia-ThuBon river system, QuangNam province; The input flow sequence is simulated by Monte-Carlo method in order to extend the past flow sequence. 103