Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỒ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS Hồ Sỹ Dự 2. TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2017 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 văn 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 (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Hồ Ngọc Dung i LỜI CÁM ƠN Trƣớc tiên, từ đáy lòng mình tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến các thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Sỹ Dự và GS.TS Hà Văn Khối đã tận tình định hƣớng, chỉ bảo theo sát tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng đã có những đóng góp quý báu, thiết thực và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy điện và năng lƣợng tái tạo trƣờng Đại học Thuỷ lợi đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt, hỗ trợ tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô và đồng nghiệp trong Bộ môn Thủy điện và năng lƣợng tái tạo đã dành thời gian, công sức hỗ trợ tác giả hoàn thành Luận án. Và sau cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn sát cánh động viên, khích lệ, ủng hộ rất lớn về tinh thần cũng nhƣ vật chất cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cám ơn. ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN .1 Nguyên lý chung về vận hành hồ chứa thủy điện .1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối .2 Vận hành hồ chứa theo thời gian thực .2 Tổng quan các phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu.1 Phƣơng pháp mô phỏng .2 Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật tối ƣu hóa.3 Hiện trạng vận hành hồ chứa thủy điện hệ thống sông Hồng .1 Tổng quan những nghiên cứu phục vụ vận hành các công trình thủy điện- thủy lợi hệ thống sông Hồng trong thời kỳ mùa cạn .2 Các quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sông Hồng .4 Định hƣớng nghiên cứu của luận án .5 Kết luận chƣơng 1 .40 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƢU BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN .1 Khái quát về bài toán tối ƣu đa mục tiêu .1 Hàm mục tiêu .2 Các phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu.3 Lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu hóa .2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện .1 Đặc điểm chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện .2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu và phạm vi nghiên cứu đối với hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện .3 Cân bằng nƣớc và các ràng buộc của hệ thống .4 Không gian nghiệm tối ƣu.3 Xây dựng thuật toán quy hoạch động DP-DP đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện .1 Nguyên lý chung giải bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp quy hoạch động (DP) ………………………………………………………………………….2 Thuật toán quy hoạch động DP-DP .3 Thuật toán quy hoạch động cho bài toán 1 .4 Thuật toán quy hoạch động của bài toán 2 .5 Thiết lập sơ đồ thuật toán và chƣơng trình tính toán .4 Kết luận chƣơng 2 .76 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN .1 Hiện trạng quy hoạch và xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện trên hệ thống sông Đà .1 Vị trí địa lý .2 Hiện trạng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện trên hệ thống bậc thang sông Đà .3 Nhu cầu dùng nƣớc hạ lƣu sông Hồng .2 Xây dựng mô hình toán vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà 81 3.1 Cơ sở thiết lập bài toán tối ƣu .2 Thiết lập mô hình tối ƣu điều khiển hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sông Đà .3 Thiết lập lƣới thực hiện cho mô hình .3 Kết quả nghiên cứu tính toán điều tiết tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sông Đà .1 Các kịch bản tính toán .2 Kết quả tính toán .4 Xây dựng quy trình vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa Sơn La- Hòa Bình ………………………………………………………………………………116 3.1 Cơ sở khoa học đề xuất điều khiển hồ chứa.2 Vẽ biểu đồ điều phối tối ƣu .3 Vận hành phát điện theo biểu đồ điều phối tối ƣu .5 Kết luận chƣơng 3 .124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .130 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1- 1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu .39 Hình 2- 1: Sơ đồ hệ thống hồ chứa bậc thang .45 Hình 2- 2: Đặc tính vận hành của turbin thủy điện Sơn La .52 Hình 2- 3: Sơ họa xác định vị trí làm việc của TTĐ và giá đơn giá công suất .56 Hình 2- 4: Sơ đồ mô tả sự thay đổi trạng thái theo chiều thời gian với biến trạng thái là tổng dung tích trữ của các hồ chứa .64 Hình 2- 5: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán điều tiết tối ƣu bậc thang hồ chứa với thuật toán DP-DP (Bài toán 1).73 Hình 2- 6: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán phân bổ tối ƣu dung tích trữ bậc thang hồ chứa (Bài toán 2).74 Hình 3- 1: Vị trí trạm thủy điện hệ thống sông Hồng .78 Hình 3- 2: Sơ đồ bậc thang mô hình tối ƣu .84 Hình 3- 3: Biểu đồ phụ tải các ngày điển hình của các tháng năm 2020 .91 Hình 3- 4: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Bmax .107 Hình 3- 5: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Bmax .107 Hình 3- 6: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Emax .108 Hình 3- 7: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Emax .108 Hình 3- 8: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax .111 Hình 3- 9: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax .111 Hình 3- 10: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax .112 Hình 3- 11: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn Bmax và Emax .112 Hình 3- 12: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong các năm thủy văn .113 Hình 3- 13: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong năm 1949-1950 tính theo hai tiêu chuẩn Bmax và Emax .114 Hình 3- 14: Công suất phát điện thời đoạn hồ Hòa Bình và Sơn La theo 2 tiêu chuẩn Bmax và Emax .114 Hình 3- 15: Biểu đồ điều phối hồ Thuỷ điện Sơn La .120 Hình 3- 16: Biểu đồ điều phối tối ƣu hồ Thuỷ điện Hòa Bình .122 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2- 1: Bảng đơn giá công suất SN áp dụng cho thị trƣờng cạnh tranh năm 2017 .55 Bảng 3- 1: Các thông số chính của một số công trình thủy điện vừa và lớn.80 Bảng 3- 2: Mực nƣớc tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát .81 Bảng 3- 3: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .87 Bảng 3- 4: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .88 Bảng 3- 5: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .89 Bảng 3- 6: Dự báo phụ tải điện các ngày điển hình năm 2020 .90 Bảng 3- 7: Biểu giá công suất thị trƣờng điện tháng 1 .92 Bảng 3- 8: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La .94 Bảng 3- 9: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La .95 Bảng 3- 10: Lƣu lƣợng tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát .96 Bảng 3- 11: Quan hệ hồ chứa thủy điện Sơn La .100 Bảng 3- 12: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Sơn La .100 Bảng 3- 13: Quan hệ hồ chứa thủy điện Hòa Bình.101 Bảng 3- 14: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Hòa Bình .101 Bảng 3- 15: Kết quả tính toán điều tiết tối ƣu theo tiêu chuẩn Bmax và Emax .104 Bảng 3- 16: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Sơn La.121 Bảng 3- 17: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Hoà Bình .