Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học nâng cao hiệu quả vận hành phát điện các hồ chứa bậc thang trong thị trường điện cạnh tranh, áp dụng cho lưu vực sông Chu.pdf (Luận án Tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ QUỐC HƢNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC THANG TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH, ÁP DỤNG CHO LƢU VỰC SÔNG CHU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ QUỐC HƢNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC THANG TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH, ÁP DỤNG CHO LƢU VỰC SÔNG CHU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Phan Kỳ Nam 2. PGS. TS. Lê Văn Nghị HÀ NỘI, NĂM 2019 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 án 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 đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận án Lê Quốc Hƣng năm 2019 LỜI CÁM ƠN Luận án Tiến sĩ này, đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Phan Kỳ Nam và PGS.TS. Lê Văn Nghị. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện luận án. Tác giả xin cảm ơn các cấp lãnh đạo của Trƣờng Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình, Khoa Năng lƣợng, lãnh đạo và các thầy cô giáo của Bộ môn Thủy điện và Năng lƣợng tái tạo đã tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến và chia sẻ kiến thức, tƣ vấn cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến TS. Phan Trần Hồng Long thuộc Bộ môn Thủy điện và Năng lƣợng tái tạo đã dành thời gian, công sức hỗ trợ tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, ngƣời thân và các đồng nghiệp tại Ban Đầu tƣ Xây dựng thuộc Tổng công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam đã cung cấp dữ liệu đầu vào, tạo điều kiện về thời gian công tác và sinh hoạt, là chỗ dựa vững chắc về tinh thần cho tác giả trong các năm học tập và hoàn thiện luận án này. Tác giả luận án Lê Quốc Hƣng MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................i DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ........................... x 1. Danh mục các từ viết tắt .......................................................................................... x 2. Giải thích các thuật ngữ ....................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................................4 3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 4 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 4 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................. 5 6.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................... 6 6.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 6 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH BẬC THANG HỒ CHỨA VÀ THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH .......................................................8 1.1 Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa trên thế giới ...............................................8 1.1.1 Các bƣớc xây dựng mô hình toán học ............................................................ 8 1.1.2 Các nghiên cứu tối ƣu và mô hình hóa hệ thống hồ chứa .............................. 9 i 1.2 Các nghiên cứu về vận hành hồ chứa tại Việt Nam ............................................13 1.2.1 Một số nghiên cứu vận hành hồ chứa ở Việt Nam .......................................13 1.2.2 Một số nghiên cứu liên quan đến lƣu vực sông Mã và sông Chu ................17 1.2.3 Các quy trình vận hành liên hồ chứa trên hệ thống sông Mã ....................... 19 1.3 Giới thiệu chung về thị trƣờng phát điện cạnh tranh ...........................................21 1.3.1 Tổng quan về thị trƣờng điện cạnh tranh trên thế giới .................................21 1.3.2 Tổng quan về thị trƣờng điện cạnh tranh ở Việt Nam..................................22 1.3.3 Tổng quan về giá bán điện trên thị trƣờng điện cạnh tranh ở Việt Nam ......25 1.3.4 Quá trình tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh của NMTĐ Hủa Na và Cửa Đạt ......................................................................................................................... 28 1.3.5 Một số tồn tại và khó khăn của các NMĐ khi tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh ....................................................................................................................... 30 1.4 Định hƣớng nghiên cứu của luận án ....................................................................31 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................... 32 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH PHÁT ĐIỆN CÁC HỒ CHỨA BẬC THANG TRONG THỊ TRƢỜNG ĐIỆN CẠNH TRANH.................................................................................34 2.1 Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu trong vận hành liên hồ chứa ........................... 34 2.1.1 Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu..................................................................34 2.1.2 Các dạng bài toán vận hành liên hồ chứa .....................................................36 2.2 Phƣơng pháp giải bài toán QHĐ .........................................................................37 2.2.1 Lựa chọn cách tiếp cận .................................................................................37 2.2.2 Các đặc trƣng của QHĐ ...............................................................................38 2.3 Tính toán điều tiết tối ƣu hồ chứa nƣớc của trạm thủy điện bằng QHĐ .............40 2.3.1 Mô hình tính toán đơn hồ .............................................................................40 2.3.2 Mô hình toán hai hồ bậc thang .....................................................................44 ii 2.4 Mô hình tối ƣu cho các hồ chứa bậc thang .......................................................... 45 2.4.1 Các vấn đề cần giải quyết .............................................................................45 2.4.2 Hàm mục tiêu ............................................................................................... 47 2.4.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ............................................................ 50 2.4.4 Các ràng buộc ............................................................................................... 51 2.5 Phƣơng pháp xây dựng và giải bài toán vận hành liên hồ chứa lƣu vực sông Chu ...................................................................................................................................53 2.5.1 Xây dựng bài toán tối ƣu vận hành bậc thang hồ chứa phát điện trong điều kiện tham gia thị trƣờng điện cạnh tranh ............................................................... 53 2.5.2 Lựa chọn thời đoạn tính toán, năm tính toán và giá bán điện ......................54 2.6 Sơ đồ khối và các hệ phƣơng trình tính toán thủy điện bậc thang ......................55 2.6.1 Các bƣớc tính toán khi biết mực nƣớc đầu và cuối thời đoạn:.....................55 2.6.2 Thời đoạn tính toán....................................................................................... 60 2.6.3 Giá bán điện ..................................................................................................60 2.6.4 Cách chuyển giai đoạn tính cho các thời đoạn kế tiếp .................................61 2.7 Xây dựng chƣơng trình tính toán.........................................................................62 2.7.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình ........................................................................62 2.7.2 Mô tả các khối tính toán ...............................................................................63 2.7.3 Mô tả khối tính toán chính............................................................................64 2.7.4 Mô tả khối tính toán tạo biên mực nƣớc ......................................................65 2.8 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 68 CHƢƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH XU HƢỚNG VẬN HÀNH CHO BẬC THANG HỒ CHỨA TRÊN SÔNG CHU .....69 3.1 Đặc điểm vận hành và các tồn tại trên lƣu vực sông Chu ...................................69 3.1.1 Đặc điểm dòng chảy .....................................................................................69 3.1.2 Hệ thống các hồ chứa trên lƣu vực ............................................................... 70 iii 3.1.3 Nhu cầu dùng nƣớc trên lƣu vƣc sông Chu ..................................................72 3.1.4 Các yếu tố tác động đến vận hành hồ chứa trên lƣu vƣc sông Chu .............72 3.2 Xây dựng BĐĐP kết hợp đảm bảo phát sản lƣợng hợp đồng hai hồ chứa Hủa Na và Cửa Đạt trong thị trƣờng điện cạnh tranh tại Việt Nam .......................................74 3.2.1 Hồ sơ thiết kế và quy trình hiện hành........................................................... 74 3.2.2 Đề xuất và áp dụng mô hình tính toán liên hồ chứa trong thị trƣờng điện cạnh tranh ..............................................................................................................78 3.2.3 Xây dựng và sử dụng đƣờng đảm bảo phát Qc để tạo biên mực nƣớc thƣợng lƣu cho tính toán liên hồ chứa ...............................................................................79 3.3 Các kịch bản giá ..................................................................................................84 3.3.1 Giá biến đổi theo sản lƣợng (Kịch Bản 1) ....................................................84 3.3.2 Giá biến đổi theo lũy tích số giờ bán điện (Kịch Bản 2) .............................. 88 3.4 Kết quả tính toán Kịch bản 1 (giá biến đổi theo sản lƣợng điện tháng) ..............93 3.4.1 Đƣờng diễn biến mực nƣớc thƣợng lƣu ....................................................... 94 3.4.2 Các tổ hợp mực nƣớc đầu tháng ...................................................................99 3.4.3 Sử dụng kết quả để vận hành đơn hồ (trong mùa cạn) ...............................102 3.4.4 Sử dụng kết quả để vận hành đơn hồ (trong mùa lũ) .................................104 3.4.5 Sử dụng kết quả để vận hành liên hồ (trong mùa cạn) ...............................105 3.4.6 Sử dụng kết quả để vận hành liên hồ (trong mùa lũ) .................................106 3.4.7 Tổng doanh thu và sản lƣợng điện khi áp giá biến đổi theo Kịch bản 1 ....108 3.4.8 So sánh kết quả của hai hàm mục tiêu tổng doanh thu liên hồ và đơn hồ lớn nhất ......................................................................................................................109 3.5 Kết quả tính toán Kịch bản 2 (giá biến đổi theo lũy tích số giờ bán điện) ........110 3.5.1 Diễn biến mực nƣớc một số năm gần đây ..................................................110 3.5.2 So sánh kết quả vận hành tối ƣu liên hồ chứa với thực tế ..........................112 iv 3.6 Chọn kịch bản giá điện áp dụng cho bậc thang và chỉ dẫn vận hành khi vận hành trong thị trƣờng điện cạnh tranh ..............................................................................114 3.6.1 Chọn kịch bản giá điện ...............................................................................114 3.6.2 Chỉ dẫn vận hành ........................................................................................114 3.7 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................117 1. Những kết quả đạt đƣợc của luận án ...................................................................117 2. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................117 3. Những hạn chế của luận án và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo .......................118 4. Kiến nghị .............................................................................................................118 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..........................................................................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................121 PHỤ LỤC ....................................................................................................................126 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Công suất lắp máy thủy điện qua các năm [1] .................................................1 Hình 1.2 Kế hoạch phát triển các cấp độ thị trƣờng điện [41] ......................................22 Hình 1.3 Các mốc phát triển thị trƣờng điện cạnh tranh tại Việt Nam ......................... 23 Hình 1.4 Công suất đặt và số lƣợng NMĐ tham gia VCGM ........................................23 Hình 1.5 Thị phần công suất đặt của các NMĐ trên hệ thống ......................................24 Hình 1.6 Thị phần của các tập đoàn, tổng công ty trực tiếp tham gia VCGM ..............25 Hình 1.7 Giá trần thị trƣờng điện qua các năm từ 2013 đến 2018 ................................ 26 Hình 1.8 Giá CAN trung bình tháng từ 1/2017 đến 6/2018 ..........................................27 Hình 1.9 Giá FMP từ 1/2017 đến 6/2018 ......................................................................28 Hình 1.10 Sơ đồ thể hiện các bƣớc nghiên cứu ............................................................. 32 Hình 2.1 Mô hình bài toán QHĐ tổng quát ...................................................................39 Hình 2.2 Mô tả các hƣớng đi tìm đƣờng tối ƣu trong điều tiết hồ chứa........................ 41 Hình 2.3 Mô hình bậc thang tập hợp hƣớng đi ví dụ hai hồ .........................................44 Hình 2.4 Mô tả hệ thống cân bằng lƣu lƣợng trên hệ thống Hủa Na – Cửa Đạt ...........57 Hình 2.5 Các khối tính toán chính để xây dựng mô hình ..............................................63 Hình 2.6 Sơ đồ khối tính toán doanh thu max 2 hồ ....................................................... 66 Hình 2.7 Sơ đồ khối tạo biên ràng buộc về mực nƣớc cho đơn hồ ............................... 67 Hình 3.1 Sơ đồ khai thác lƣu vực sông Chu ..................................................................71 Hình 3.2 Nhu cầu dung nƣớc hạ lƣu của hai hồ ............................................................ 72 Hình 3.3 Hiện trạng vận hành hồ chứa Hủa Na 6 tháng đầu năm 2014 ........................ 73 Hình 3.4 Sản lƣợng hợp đồng hai năm gần đây của NMTĐ Hủa Na [50] ....................79 Hình 3.5 BĐĐP kết hợp đảm bảo phát Qc Hủa Na năm 2016-2017 ............................ 80 Hình 3.6 BĐĐP kết hợp đảm bảo phát Qc Hủa Na năm 2017-2018 ............................ 80 Hình 3.7 Sản lƣợng hợp đồng NMTĐ Cửa Đạt [50].....................................................81 Hình 3.8 Tập hợp đƣờng diễn biến để phát Qc Hủa Na yêu cầu theo năm thủy văn ....82 Hình 3.9 Tập hợp đƣờng diễn biến một số năm thủy văn điển hình để phát Qc Hủa Na yêu cầu theo năm thủy văn ............................................................................................ 83 Hình 3.10 Tập hợp 46 đƣờng mực nƣớc để đảm bảo phát Qc Cửa Đạt năm 2014-2015 .......................................................................................................................................83 Hình 3.11 Giá bán điện tháng NMTĐ Hủa Na [51] ......................................................85 vi