BÁO CÁO ĐỀ TÀI Tối ưu hoá điều độ phát điện GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng LỜI NÓI ĐẦU Sau thời gian 4,5 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Điện Lực, chúng em đã được các thầy, cô truyền đạt cho những kiến thức cả về lý thuyết và thực hành, để chúng em áp dụng những kiến thức đó vào thực tế và làm quen với công việc của người kỹ sư trong tương lai. Để chuẩn bị cho kỳ tốt nghiệp kết thúc khóa học 2008-2013, em đã được nhận đề tài tốt nghiệp đó là: "Tối ưu hóa điều độ phát điện" do thầy giáo TS Trần Thanh Sơn - giảng viên Bộ môn mạng và hệ thống điện trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này. Đựơc sự giúp đỡ tận tình của thầy cùng các thầy, cô giáo trong khoa, trong trường, với sự lỗ lực của bản thân đến nay em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy cùng toàn thể các thầy cô đã tạo mọi điều kiện giúp em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè- những người đã luôn bên cạnh em, tiếp thêm nguồn động lực cho em trong suốt những năm học qua. Đặc biệt, cảm ơn bạn cùng nhóm đề tài với em, chúng em đã cùng nhau nghiên cứu, trau dồi, thảo luận kiến thức để hoàn thành tốt đề tài này. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, em còn nhiều bỡ ngỡ, do chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên không tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp và nhiệm vụ học tập tại trường với kết quả cao. Hà Nội, tháng 1 năm 2013 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Tùng GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng MỤC LỤC BÁO CÁO ĐỀ TÀI 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 GIỚI THIỆU CHUNG 7 Tối ưu hóa điều độ phát điện 9 Chương trình tính tối ưu hóa điều độ phát điện 29 Ứng dụng chương trình 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 0.1: Bảng thông số của các đường dây trong ví dụ 7.9 43 Bảng 0.2: Bảng kết quả modun và góc pha điện áp 44 Bảng 0.3: Bảng kết quả công suất nguồn tại các nút 44 Bảng 0.4: Bảng kết quả công suất tải tại các nút 44 Bảng 0.5: Bảng kết quả sau khi giải tích lưới điện trong ví dụ tài liệu [1] 45 Bảng 0.6: Bảng kết quả các hệ số tổn thất trên lưới 45 Bảng 0.7: Bảng kết quả các hệ sô tổn thất trong ví dụ tài liệu [1] 45 Bảng 0.8: Dữ liệu các nút 48 Bảng 0.9: Dữ liệu máy biến áp 49 Bảng 0.10: Dữ liệu tụ bù 49 Bảng 0.11: Giới hạn công suất tác dụng tại các nút 50 Bảng 0.12: Thông số của các đường dây 50 Bảng 0.13: Kết quả mô đun và góc pha điện áp 52 Bảng 0.14: Công suất phát trước khi tối ưu 52 Bảng 0.15: Hệ số tổn thất trên lưới 53 Bảng 0.16: Bảng tổng kết kết quả so sánh chi phí nhiên liệu 54 GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 0.1: Sơ đồ thuật toán bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện 17 Hình 1.2 :Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán các hệ số tổn thất B 28 Hình 0.3 : Tổ chức chương trình lập trình trong Matlab 31 Hình 0.4 :Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán các hệ số tổn thất B 40 Hình 0.5 : Sơ đồ thuật toán chương trình tối ưu hóa điều độ phát điện 42 Hình 0.6 : Sơ đồ hệ thống điện 5 nút 44 Hình 0.7: Sơ đồ lưới điện 26 nút 48 GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT OPF Optimal power flow HTĐ Hệ thống điện Nút SL Nút cân bằng công suất Nút PV Nút giữ điện áp Nút PQ Nút phụ tải MBA Máy biến áp pu Đơn vị tương đối cb Đơn vị cơ bản GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 7 GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống điện (HTĐ) hợp nhất. Cùng với sự phát triển của kinh tế, xã hội dẫn đến sự phát triển không ngừng của phụ tải làm cho hệ thống điện vận hành trong tình trạng quá tải. Nguồn điện trong hệ thống điện Việt Nam có rất nhiều loại: thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện dầu, tuabin khí chu trình đơn và chu trình hỗn hợp, điện diesel, với các đặc tính vận hành rất khác nhau nên các phương án phân bố công suất cho các nhà máy khác nhau dẫn đến chi phí cho các nhà máy cũng khác nhau đáng kể. Mặt khác các nguồn điện phân bố không đều: - Miền Bắc chủ yếu là các nhà máy thủy điện và nhiệt điện than; - Miền Nam: bao gồm các nhà máy nhiệt điện dầu, tuabin khí và tuabin khí hỗn hợp; - Miền Trung: cho đến nay có ít nhà máy điện. Lưới cung cấp điện còn tồn tại nhiều vấn đề bất cập: có quá nhiều cấp điện áp (110, 66, 35, 22, 15, 10, 6 kV), cũ nát, phi tiêu chuẩn (thiếu bù và các phương tiện điều chỉnh điện áp), tổn thất truyền tải cao, dung lượng bù công suất phản kháng rất thiếu, Do sự tăng lên về quy mô và sự phức tạp đó trong hệ thống điện nên vấn đề tối ưu trong quy hoạch và khai thác hệ thống trở nên thiết yếu. Đường dây liên kết với giả thiết có công suất truyền tải khác nhau ảnh hưởng rất nhiều đến chi phí vận hành của toàn hệ thống. Khi đó bài toán tối ưu hóa là rất cần thiết nhằm mục đích đạt được hiệu quả cao trong vận hành. Các bài toán tối ưu là một công cụ hữu hiệu giúp chúng ta có những giải pháp đơn giản nhất để giải quyết một vấn đề dù đơn giản hay phức tạp. Bài toán tối ưu mà bản chất là bài toán giải tìm cực trị của một hàm dưới những ràng buộc nào đó nên có rất nhiều thuật toán giải. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, phạm vi ứng dụng của tối ưu hóa ngày càng được mở rộng, các bài toán tối ưu được giải quyết nhanh và chính xác hơn. Ngành Hệ thống điện là một trong những lĩnh vực mà bài toán tối ưu hóa GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 8 được ứng dụng rất nhiều như: tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, tối ưu hóa tổn thất công suất tác dụng, tối ưu hóa tổn thất công suất phản kháng, tối ưu hóa công suất tác dụng của máy phát ở nút cân bằng, tối ưu hóa công suất phản kháng của máy phát ở nút cân bằng, Khoảng cách giữa các nhà máy điện đến phụ tải khác nhau nên tổn thất trong quá trình truyền tải là khác nhau và phụ thuộc vào công suất của các nhà máy. Hơn nữa chi phí nhiện liệu cho các nhà máy cũng khác nhau. Do đó vấn đề phân bố công suất tác dụng và công suất phản kháng phát của mỗi nhà máy nhằm cực tiểu hóa hàm chi phí nhiên liệu của toàn bộ hệ thống được đặt ra. Có nghĩa rằng, ta phải tính công suất tác dụng và công suất phản kháng nằm trong giới hạn cho trước mà vẫn đảm bảo nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu nhỏ nhất. Bài toán này được gọi là bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta phân tích bài toán tối ưu hóa điều độ công suất tác dụng phát. Bài toán này phục vụ tính phân bố công suất cho các nhà máy sao cho tổng chi phí nhiên liệu của hệ thống đạt giá trị nhỏ nhất với điều kiện có tính đến tổn thất công suất tác dụng và giới hạn công suất tác dụng phát. Đề tài tốt nghiệp gồm 3 chương như sau: - Chương 1: Tối ưu hóa điều độ phát điện. Chương này giới thiệu bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện trong ngành HTĐ. Mô hình toán học của bài toán được đưa ra sau đó bài toán được giải bằng phương pháp Lagrange. Một ví dụ với các số liệu cụ thể để có sự hình dung rõ hơn về vấn đề được giới thiệu. Phần cuối của chương giới thiệu phương pháp tính toán các hệ số tổn thất để phục vụ cho bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện. - Chương 2: Chương trình tính toán tối ưu hóa điều độ phát điện. Chương này gồm 2 phần: phần đầu chương giới thiệu về lập trình các thuật toán ở trên trong Matlab, phần thứ 2 đưa ra một hệ thống điện đơn giản để kiểm tra thuật toán và chương trình đã lập trình. - Chương 3: Ứng dụng chương trình. Chương này sử dụng chương trình để tính toán cho trường hợp phức tạp hơn với bài toán quy mô lớn hơn. Và cuối cùng là một số những kết luận chung. GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 9 Tối ưu hóa điều độ phát điện 1.1 Mô hình bài toán điều độ phát điện Hệ thống điện bao gồm nhiều nhà máy điện và các phụ tải được nối với nhau thông qua các đường dây truyền tải điện. Ở mỗi chế độ làm việc, các phụ tải sẽ yêu cầu cung cấp một lượng công suất nhất định. Việc phân chia lượng công suất này cho các nhà máy điện trong hệ thống để đạt được chi phí sản xuất nhỏ nhất là một bài toán lớn, vì: - Mỗi nhà máy điện có một hàm chi phí nhiên liệu riêng và giới hạn công suất phát khác nhau . - Tổn thất công suất từ các nhà máy đến các phụ tải cũng rất khác nhau do khoảng cách và công suất tiêu thụ của các phụ tải là khác nhau. Trong phần này chúng ta sẽ xét mô hình toán học của bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện khi tính đến tổn thất công suất tác dụng và giới hạn công suất phát. Khi truyền tải một lượng công suất lớn mà khoảng cách truyền tải ngắn thì tổn thất truyền tải có thể được bỏ qua và việc tối ưu hóa công suất phát đạt được với tất cả các nhà máy được thể hiện ở phương trình chi phí sản xuất. Tuy nhiên, trong một lưới điện liên kết lớn nơi mà năng lượng điện được truyền tải trên một khoảng cách dài với khu vực mật độ tải thấp thì tổn thất truyền tải là một yếu tố quyết định và có ảnh hưởng đến việc tối ưu hóa điều độ phát điện của các nhà máy. Để giải quyết bài toán đặt ra ta coi tổng tổn thất truyền tải như một hàm bậc hai của các công suất phát của các máy phát điện. Dạng phương trình đơn giản nhất là: 1 1 g g n n L i ij j i j P P B P = = = ∑∑ ( 0.0) Trong đó n g là tổng số máy phát trong hệ thống xét. GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 10 Khai triển công thức thành các thành phần tuyến tính và hằng số gọi là công thức tổn thất Kron được trình bày ở mục 1.4 có dạng: 0 00 1 1 1 g g g n n n L i ij j i i i j i P P B P B P B = = = = + + ∑∑ ∑ ( 0.0) Trong đó - B ij : hệ số tổn thất giữa các nút i và nút j còn gọi là hệ số B , có thể coi là không đổi trong quá trình tính toán - B 0i : hệ số tổn thất ứng với nút thứ i - B 00 : hệ số tổn thất cố định - n g – số máy phát phân bố tối ưu công suất trong tổng số n máy phát - P i , P j - công suất ứng với nút thứ i và nút thứ j. Có nhiều phương pháp để xây dựng phương trình tổn thất. Một phương pháp tính toán các hệ số B được trình bày trong mục 1.4. Đặc tính chi phí nhiên liệu sản xuất điện trong 1 giờ của nhà máy nhiệt điện thứ i có thể biểu thị dưới dạng hàm bậc 2 theo công suất tác dụng của nguồn phát như sau: 2 1 1 . g n n t i i i i i i i i C C P P α β γ = = = = + + ∑ ∑ ( 0.0) - Trong đó , , i i i α β γ là các hệ số hồi quy được tính toán từ đặc tính thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu của nguồn thứ i - P i là công suất phát của nguồn thứ i. Bài toán điều độ phát điện là tìm các giá trị P i vừa thỏa mãn các điều kiện rằng buộc vừa cực tiểu hóa được hàm chi phí nhiên liệu C t của hệ thống. Các điều kiện rằng buộc là tổng công suất phát cân bằng với với tổng công suất tiêu thụ của phụ tải cộng với tổn thất: 1 g n i D L i P P P = = + ∑ ( 0.0) và điều kiện về giới hạn công suất phát của mỗi nhà máy trong hệ thống xét: (min) (max) 1, , i i i g P P P i n ≤ ≤ = ( 0.0) Trong đó: P i(max) ; P i(min) là các giới hạn công suất của nhà máy thứ i. GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng [...]... lập, rằng buộc thỏa mãn ở điểm (x 1,x2,…, xn) đó (ví dụ nếu rằng buộc µ j u j = 0 và µ j > 0) Đây chính là điều kiện Kuhn-Tucker 1.3 Áp dụng cho bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện Trong phần này ta xét ứng dụng phương pháp hệ số Lagrange để giải bài toán tối ưu hóa điều độ ở phần 1.1 Thêm các điều kiện rằng buộc vào hàm mục tiêu trong phương trình (1.3) ta nhận được hàm Lagrance có dạng: ng ng i=1... TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 13 Điều kiện thứ nhất đưa bởi (1.13) cho ta kết quả sau: ∂Ct ∂P + λ (0 + L − 1) = 0 ∂Pi ∂Pi ( 0.0) Ct = C1 + C2 + + Cng ( 0.0) Ta có: Suy ra: ∂Ct dCi = ∂Pi dPi ( 0.0) Vì vậy, điều kiện cho tối ưu hóa điều độ là: dCi ∂P +λ L =λ dPi ∂Pi Trong đó ∂PL ∂P i i = 1, , ng ( 0.0) được gọi độ gia tăng tổn thất truyền tải Điều kiện thứ 2 được đưa bởi (1.14), kết quả... Quang Tùng 17 Hình 0.1: Sơ đồ thuật toán bài toán tối ưu hóa điều độ phát điện Để làm rõ hơn ta tính toán cho 1 bài toán được trích từ trang 284 – tài liệu [1] Bài toán: Chi phí nhiên liệu của 3 nhà máy nhiệt điện của một hệ thống điện như sau: C1 = 200 + 7 P + 0, 008P 2 1 1 C2 = 180 + 6,3P2 + 0, 009 P22 C3 = 140 + 6,8 P3 + 0, 007 P32 Công suất phát của các nhà máy được giới hạn sau: GVHD: TS Trần... 1.4 Phương pháp tính hệ số tổn thất Một trong những thông số phục vụ bài toán tính toán tối ưu điều độ công suất phát của nhà máy điện là xác định được hàm tổn thất công suất trên hệ thống theo các biến là công suất phát của các nhà máy Có một vài phương pháp xây dựng công thức tính tổn thất Một phương pháp được phát triển bởi Kron và bổ sung bởi Kirchmayer là phương pháp hệ số tổn thất B Nội dung phương... hiện 2 bước sau: - Thứ nhất là nhập dữ liệu vào các file Các file đã được dịnh dạng sẵn, người dùng phải nhập các dữ liệu theo các định dạng này Nếu không chương trình sẽ báo lỗi hoặc cho kết quả sai Trong tính toán tối ưu hóa điều độ phát điện, chúng ta cần nhập các loại dữ liệu như sau: + Các thông số của nút + Các thông số của đường dây và máy biến áp + Các hệ số của hàm chi phí nhiên liệu - Thứ 2... liệu nút, dữ liệu nhánh và các hệ số của hàm chi phí nhiên liệu rồi gán cho các biến tương ứng + Thực hiện tính toán chế độ xác lập lưới điện bằng phương pháp Newton-Raphson hoặc Gauss-Seidel + Gọi chương trình con tính các hệ số tổn thất + Gọi chương trình tính tối ưu hóa điều độ phát điện Bước thứ 2 này được tổ chức trong testMainFunc.m, nội dung file như sau: clc; clear all; % Vi du 7.9 % Doc du... ng λ     Pg1    P  , P =  g2      Pgng        ,    β1  1 − B01 − λ  1 − B − β 2 02  λ 1 D=  2   βn  1 − B0 ng − g  λ                Để tìm tối ưu hóa điều độ phát điện ta chọn một giá trị ước lượng ban đầu của λ(1) Công thức (1.29) để tính Pi ở vòng lặp thứ k được xác định như sau: Pi ( k ) = λ ( k ) (1 − B0i ) − βi − 2λ ( k ) ∑ Bij Pj( k ) ( 0.0) j... GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 28 Hình 1.2 :Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán các hệ số tổn thất B GVHD: TS Trần Thanh Sơn SVTH: Nguyễn Quang Tùng 29 Chương trình tính tối ưu hóa điều độ phát điện 1.5 Giới thiệu về chương trình Matlab Matlab là một trong những hệ thống được soạn thảo hết sức chu đáo, mạch lạc với việc áp dụng nhiều thuật toán phong phú, đặc biệt như chính tên của... việc ở hai chế độ: tương tác và lập trình Trong tương tác, Matlab thực hiện từng lệnh được gõ trong cửa sổ lệnh sau dấu nhắc lệnh (>>) Trong chế độ lập trình, một tập lệnh được soạn thảo và ghi lại thành một tệp đuôi m (m-file) Để gọi chương trình chỉ cần gọi tên mfile trong cửa sổ lệnh Hệ thống Matlab cho phép người sử dụng giải các bài toán chuyên sâu như: bài toán tối ưu, hệ thống điều khiển, mạng... Matlab rất ưu ái với người sử dụng, bạn có thể tạo ra chương trình chuyên môn của mình mà Matlab sẵn sang đáp ứng Matlab cho phép tiếp cận và áp dụng dễ dàng các hàm có sẵn để giải các bài toán cần thiết và đồng thời có thể sang tạo ra các m.file mà khi được lưu giữ với thủ tục phù hợp, Matlab coi như là hàm của chính hệ thống, điều đó cho phép mở rộng khả năng vô hạn của Matlab Đó cũng chính là ưu điểm . Quang Tùng MỤC LỤC BÁO CÁO ĐỀ TÀI 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 GIỚI THIỆU CHUNG 7 Tối ưu hóa điều độ phát điện 9 Chương trình tính tối ưu hóa điều độ phát điện 29 Ứng. toán tối ưu hóa điều độ phát điện. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta phân tích bài toán tối ưu hóa điều độ công suất tác dụng phát. Bài