Bài giảng môn Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 4, Phần 1: Điều phối tối ưu công suất phát

VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 
 HỆ THỐNG ĐIỆN
 Chương 4
 Điều phối tối ưu công suất phát
 1. Giới thiệu chung
- Việc vận hành kinh tế hệ thống điện liên quan đến việc
giảm đến nhỏ nhất chi phí sản xuất điện năng là mục tiêu
của các chế độ xác lập của hệ thống điện.
- Điều này tương ứng với việc giảm chi phí nhiên liệu cho
vận hành các nhà máy điện.
 ĐIỀU PHỐI TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT 
 CỦA CÁC TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN 
 (NHÀ MÁY ĐIỆN)
 2
Các mục tiêu trên được thực hiện bằng cách:
- Quy hoạch thiết kế hệ thống điện với các chế độ kinh tế 
nhất và có đủ các trang thiết bị cần thiết để điều khiển các 
chế độ vận hành.
- Trong vận hành, lập kế hoạch vận hành đúng đắn và thực 
hiện được kế hoạch đó.
 3
Giảm chi phí nhiên liệu trong vận hành bao gồm:
- Triệt để sử dụng nguồn nước của thủy điện, giảm đến
mức nhỏ nhất lượng nước xả không qua tua bin.
- Phối hợp sử dụng nước của thủy điện với việc sử dụng
nước của các nhà máy nhiệt điện và phối hợp giữa các
nhiệt điện với nhau sao cho chi phí sản xuất điện năng là
nhỏ nhất.
 4
Kế hoạch vận hành hệ thống điện được thực hiện như
sau:
- Lập kế hoạch khai thác các thủy điện cho năm (thủy điện
điều tiết năm), lượng nước sử dụng trong từng tháng sau đó
cho từng tuần lễ.
- Lập kế hoạch vận hành chi tiết cho từng tuần lễ gồm:
thành phần tổ máy tham gia vận hành, lượng nước sử dụng
trong tuần, trong ngày.
 5
- Lập kế hoạch vận hành ngày đêm bằng cách xác định
công suất phát từng giờ của từng nhà máy tham gia vận
hành, kế hoạch ngừng và khởi động lại các tổ máy.
- Kế hoạch cuối cùng là kế hoạch để thực hiện, được lập
hàng ngày cho ngày hôm sau.
 6
- Kế hoạch được lập trên cơ sở:
 + Dự báo nước về các hồ chứa.
 + Dự báo phụ tải dài hạn, ngắn hạn.
- Kế họach sản xuất bao gồm cả kế họach bảo dưỡng định kỳ
các tổ máy trong năm.
 7
Để lập các kế họach trên có 2 bài toán cơ sở, phải sử
dụng thường xuyên đó là:
+ Phân bố công suất phát tối ưu giữa các nhà máy
nhiệt điện.
+ Phân bố công suất phát tối ưu giữa thủy điện và
nhiệt điện.
 8
Sơ đồ các lọai nhà máy điện đang được sử dụng
trên thế giới:
 9
Để giải bài toán phân bố công suất phát tối ưu cần phải biết:
 + Các thông số của toàn nhà máy điện.
 + Các thông số của hệ thống điện.
 10
Thông số của nhà máy điện bao gồm:
- Giá tiền đơn vị nhiên liệu, thường người ta xác định chi phí
nhiên liệu cho các tổ máy, sau đó nhân với giá tiền nhiên liệu
để có đặc tính chi phí sản xuất của các tổ máy.
- Các đặc tính kỹ thuật và vận hành của nhà máy.
- Thời gian tối thiểu giữa tăng tải và giảm tải giữa các tổ máy
liên tiếp.
- Các hạn chế khác, nếu có.
 11
Thông số của hệ thống điện bao gồm:
 - Đồ thị phụ tải.
 - Các hạn chế khả năng tải của lưới điện.
 - Yêu cầu dự trữ quay.
 - Thông số của lưới điện, bao gồm cả khả năng tải và độ 
 tin cậy. 
 12
 2. Phân bố tối ưu công suất giữa các 
 nhà máy nhiệt điện:
Bài toán phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy nhiệt điện
có các dạng sau:
- Phân bố công suất giữa các tổ máy trong một nhà máy.
- Phân bố công suất giữa các nhà máy trong hệ thống điện.
 13
Sự khác nhau giữa hai bài toán:
- Trong bài toán sau phải kể đến sự biến đổi của tổn thất công 
suất tác dụng trên lưới điện theo công suất phát của các nhà 
máy nhiệt điện.
- Do đó, cần lập đặc tính chi phí sản xuất tối ưu của từng 
nhà máy trước, sau đó giải bài toán phân bố công suất giữa 
các nhà máy trong hệ thống
 14
- Trong hệ thống điện tập trung, biến đổi tổn thất công
suất tác dụng theo công suất các nhà máy điện có thể
không đáng kể, trong trường hợp này hai bài toán trở nên
giống nhau và có thể giải một lần.
 15
Trong bài toán này giả thiết rằng:
- Tất cả các tổ máy đều tham gia vận hành trong từng giờ
đã được xác định.
- Trong các giờ khác nhau, số tổ máy làm việc có thể không
giống nhau, một số tổ máy có thể phải nghỉ do điều kiện kỹ
thuật hoặc điều kiện kinh tế.
 16
- Đặc điểm của các nhà máy nhiệt điện là không bị hạn chế
về điện năng phát, có nghĩa là nó có thể phát công suất
định mức trong mọi thời điểm cần thiết.
- Do đó, công suất phát của nhà máy nhiệt điện được xác
định trong từng giờ vận hành và bài toán phân bố tối ưu
công suất giữa các nhà máy nhiệt điện chỉ cần giải cho
từng giờ vận hành, đó là bài toán cơ bản .
- Để tìm chế độ vận hành cho 1 ngày đêm, cần giải 24 bài
toán cơ bản cho 24 giờ.
 17
Bài toán cơ bản phân bố công suất tối ưu giữa các nhà
máy nhiệt điện như sau:
Có n tổ máy nhiệt điện hoặc nhà máy nhiệt điện với đặc tính
chi phí sản xuất giờ của mỗi tổ máy hoặc nhà máy nhiệt
điện là Ti, giới hạn công suất là Pimax và Pimin.
 18
Biết công suất yêu cầu của phụ tải là:
 Pyc = Ppt + P (4.1)
Trong đó:
 Ppt: công suất phụ tải,
 P: tổn thất trong lưới điện.
 19
Giả thiết rằng:
- Phụ tải là hằng số trong 1 giờ và tất cả các tổ máy đều
tham gia vận hành.
- Cần xác đinh công suất phát của mỗi tổ máy sao cho:
- Tổng chi phí sản xuất trong 1 giờ vận hành của nhà máy
điện hoặc hệ thống điện là thấp nhất.
 20
 Mô hình bài toán
- Hàm mục tiêu:
Tổng chi phí sản xuất của hệ thống:
 n (4.2)
 MinC C
  i
 i 1
- Ràng buộc:
Cân bằng công suất trong hệ thống:
 (4.3)
 W P1 P2 ... Pn P pt P 0
Công suất giới hạn của mỗi tổ máy:
 (4.4)
 Pi min Pi Pi max
 21
 a. Giải bài toán trong trường hợp P là hằng số 
 đối với công suất phát Pi
Thành lập hàm Lagrange:
 (4.5)
 MinL C  W
Điều kiện tối ưu của hàm này là:
  L  C  W  C 1
    1  0
  P1  P1  P1  P1 (4.6)
  L  C  W  C 2
    2  0
  P 2  P 2  P 2  P 2
 . . . . . . 
 22
 . . . . . . 
  L  C  W  C n
    n  0
 P n  P n  P n  P n
  L
 W ( P 1 P 2 ... P n P pt P ) 0
 P n
  C
 i (4.7)
 i là suất tăng chi phí sản xuất của tổ máy i,
  P i
 = là suất tăng chi phí sản xuất của hệ thống.
 23
Từ (4.6) và (4.7), ta suy ra điều kiện tối ưu:
 (4.8)
  1  2 ...  n 
 P 1 P 2 ... P n P pt P 0
Điều kiện (4.8) được gọi là nguyên lý cân bằng suất tăng chi
phí sản xuất.
Chi phí sản xuất điện năng của hệ thống điện sẽ nhỏ nhất khi
các tổ máy phát công suất sao cho suất tăng chi phí sản xuất
của chúng bằng nhau.
 24
Điều kiện (4.8) được dùng để giải bài toán phân bố tối ưu 
công suất phát trong hệ thống điện trong các trường hợp:
- Phân bố công suất giữa các tổ máy trong cùng một nhà 
máy.
- Phân bố công suất giữa các nhà máy không xét ảnh hưởng 
của phân bố công suất đến tổn thất trong lưới điện (cho hệ 
thống điện tập trung).
 25
 b. Giải bài toán trong trường hợp P
 phụ thuộc công suất phát Pi
Điều kiện tối ưu là:
 L  C  W  C 1  P
   (1 )  1  0
 P  P  P  P  P
 1 1 1 1 1 (4.9)
 L  C  W  C 2  P
   (1 )  2  0
 P 2  P 2  P 2  P 2  P 2
. . . . . . 
 26
. . . . . . 
 L  C  W  C n  P
   (1 )  n  0
 P n  P n  P n  P n  P n
 L
 (4.10)
 W ( P 1 P 2 ... P n P pt P ) 0
 P n
 27
  P
Với:  i : hệ số biến thiên của tổn thất
  P i theo công suất phát
  C
  i
 i : suất tăng chi phí sản xuất của
  P
 i tổ máy i
 : suất tăng chi phí sản xuất của hệ thống
 Suy ra:
   
 1 2 ... n 
 1  1 1  2 1  n (4.11)
 P1 P 2 ... P n P pt P 0
 28
 3. Bài tập
Bài 1: Nhà máy điện có 2 tổ máy với:
 2
C 1 0 ,005 P1 2 P1 500 (USD / h )
 2
C 2 0 ,006 P2 1,6 P2 400 (USD / h )
P1max = P2max = 125 (MW)
P1min = P2min = 20 (MW)
Hai tổ máy làm việc đồng thời cấp điện cho phụ tải biến
thiên từ 40 đến 250 (MW).
Phân bố tối ưu công suất cho 2 tổ máy khi Ppt= 50 và 180
(MW), không xét P.
 29
Bài 2: Nhà máy điện có 2 tổ máy với:
 2
 C 1 0 ,005 P1 2 P1 500 (USD / h )
 2
 C 2 0 ,006 P2 1,6 P2 400 (USD / h )
 P1max = P2max = 125 (MW)
 P1min = P2min = 20 (MW)
 P = 0,02P1 + 0,05P2
Hai tổ máy làm việc đồng thời cấp điện cho phụ tải biến 
thiên từ 40 đến 250 (MW).
Phân bố tối ưu công suất cho 2 tổ máy khi Ppt= 50 và 
180 (MW).
 30
Bài 3: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí
nhiên liệu như sau:
 2
C1 = 0,004P1 + 5,3P1 + 500 (USD/h)
 2
C2 = 0,006P2 + 5,5P2 + 400 (USD/h)
 2
C3 = 0,009P3 + 5,8P3 + 200 (USD/h)
P1, P2, P3 (MW)
Ba tổ máy cung cấp cho phụ tải Ppt = 800 (MW)
Bỏ qua tổn thất và giới hạn của các máy phát.
Điều phối tối ưu công suất phát của các tổ máy, giá điện cho
1 MWh điện tại nhà máy (USD/MWh) và tổng chi phí phát
điện.
 31
Bài 4: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí
 nhiên liệu như sau:
 2
 C1 = 0,004P1 + 5,3P1 + 500 (USD/h)
 2
 C2 = 0,006P2 + 5,5P2 + 400 (USD/h)
 2
 C3 = 0,009P3 + 5,8P3 + 200 (USD/h)
Với 200 (MW) P1 450 (MW); 
 150 (MW) P2 350 (MW);
 100 (MW) P3 225 (MW).
 - Ba tổ máy cung cấp cho phụ tải Ppt = 975 (MW).
 - Bỏ qua tổn thất. 
 Điều phối tối ưu công suất phát của các tổ máy, giá điện 
 cho 1 MWh điện tại nhà máy ($/MWh) và tổng chi phí phát 
 điện. 32
Bài 5: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí 
 nhiên liệu như sau:
 2
 C1 = 0,008P1 + 7,0P1 + 200 (USD/h)
 2
 C2 = 0,009P2 + 6,3P2 + 180 (USD/h)
 2
 C3 = 0,007P3 + 6,8P3 + 140 (USD/h)
Với 10 (MW) P1 85 (MW)
 10 (MW) P2 80 (MW)
 10 (MW) P3 70 (MW)
 2 2 2
 P = 0,000218P1 + 0,000228P2 + 0,000179P3
 Ba tổ máy cung cấp cho phụ tải Ppt = 150 (MW)
 Điều phối tối ưu công suất phát của các tổ máy và tổng chi 
 phí phát điện.
 33
Bài 6: Xét sơ đồ lưới điện như hình vẽ. Cho biết:
 Nhà máy điện 1 và 2 có:
 2
 C 1 0 ,005 P1 2 P1 500 (USD / h )
 2
 C 2 0 ,006 P2 1,6 P2 400 (USD / h )
 P1max = P2max = 125 (MW)
 P1min = P2min = 20 (MW)
 Phụ tải:
 Ppt1 = 10 (MW); Ppt2 = 190 (MW);
 R = 20 (); Udm = 220 (kV); cos = 1;
 34
 G
 G1 ~ P 2 ~
 1 P2
 R + jX 
 Ppt1 Ppt2
 P12 = P1 - Ppt1
Xác định công suất phát tối ưu của các nhà máy điện 1 và 2.
 2
 R P12
Gợi ý: P 
 2
 U dm
 35
Bài 7:
 Các số liệu thống kê về chi phí của một nhà máy điện cho trong 
 bảng sau: 
 P (MW) 20 30 40
 C.103 (đ/h) 8530 12760 17020
 Xác định hàm chi phí của nhà máy, biết hàm có dạng:
 C = a.P2 + b.P + c
 36
Bài 8:
Xét sơ đồ lưới điện như hình 4.4
Nhà máy điện 1, 2 và 3 có:
 2
 C 1 0 ,005 P1 2 P1 500 (USD / h )
 2
 C 2 0 ,006 P2 1,6 P2 400 (USD / h )
 2
 C 3 0 ,007 P3 2 ,2 P3 600 (USD / h )
 Với
 P1max = P2max = P3max = 125 (MW)
 P1min = P2min = P3min = 20 (MW)
 Phụ tải:
 Ppt1 = 10 (MW); Ppt2 = 190 (MW); Ppt3 = 150 (MW) 
 R12 = 20 (); R13 = 15 (); Uđm = 220 (kV); cos = 1
 37
 G
 G1 ~ P 2 ~
 1 P2
 R12 + jX12
 Ppt1 Ppt2
R13 + jX13
 P3
 ~ G3
 Ppt3
 Xác định công suất phát tối ưu của các nhà máy điện
 1, 2 và 3.
 38