Bài giảng 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2- 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.
1. Giới thiệu chung
ĐIỀU PHỐI TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT 
CỦA CÁC TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN 
(NHÀ MÁY ĐIỆN)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sơ đồ các lọai nhà máy điện đang được sử dụng
trên thế giới:
9
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15
- 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.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19
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.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Mô hình bài toán
- Hàm mục tiêu:
Tổng chi phí sản xuất của hệ thống:
(4.2)
- Ràng buộc:
Cân bằng công suất trong hệ thống:
(4.3)
Công suất giới hạn của mỗi tổ máy:
(4.4)

n
i
i
CMinC
1
0...
21
 PPPPPW
ptn
maxmin iii
PPP 
21
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
a. Giải bài toán trong trường hợp P là hằng số 
đối với công suất phát Pi
Thành lập hàm Lagrange:
(4.5)
Điều kiện tối ưu của hàm này là:
(4.6)
WCMinL  
0
P
C
P
W
P
C
P
L
1
1
1
111
    




 




0
P
C
P
W
P
C
P
L
2
2
2
222
    




 




. . . . . . 
22
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
là suất tăng chi phí sản xuất của tổ máy i,
 = là suất tăng chi phí sản xuất của hệ thống.
0
P
C
P
W
P
C
P
L
n
n
n
nnn
    




 




. . . . . . 
0)PPP...PP(W
P
L
ptn21
n


i
i
i
P
C


  (4.7)
23
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Từ (4.6) và (4.7), ta suy ra điều kiện tối ưu:
(4.8)
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.
0PPP...PP
...
ptn21
n21
   
24
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
b. Giải bài toán trong trường hợp P
phụ thuộc công suất phát Pi
Điều kiện tối ưu là:
(4.9)
0)
P
P
1(
P
C
P
W
P
C
P
L
1
11
1
111
   

 
  




 




0)
P
P
1(
P
C
P
W
P
C
P
L
2
22
2
222
   

 
  




 




. . . . . . 
26
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
(4.10)
. . . . . . 
0)
P
P
1(
P
C
P
W
P
C
P
L
n
nn
n
nnn
   

 
  




 




0)PPP...PP(W
P
L
ptn21
n


27
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Với:
: suất tăng chi phí sản xuất của
tổ máy i
: suất tăng chi phí sản xuất của hệ thống
: hệ số biến thiên của tổn thất
theo công suất phát
Suy ra:
(4.11)
i
i
P
P
 

 
i
i
i
P
C


 
0PPP...PP
1
...
11
ptn21
n
n
2
2
1
1
 
 

 

 

28
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3. Bài tập
Bài 1: Nhà máy điện có 2 tổ máy với:
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.
)/(5002005,0
1
2
11
hUSDPPC 
)/(4006,1006,0
2
2
22
hUSDPPC 
P1max = P2max = 125 (MW)
P1min = P2min = 20 (MW)
29
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bài 2: Nhà máy điện có 2 tổ máy với:
 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).
)/(5002005,0
1
2
11
hUSDPPC 
)/(4006,1006,0
2
2
22
hUSDPPC 
P1max = P2max = 125 (MW)
P1min = P2min = 20 (MW)
30
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bài 3: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí
nhiên liệu như sau:
C1 = 0,004P1
2 + 5,3P1 + 500 (USD/h)
C2 = 0,006P2
2 + 5,5P2 + 400 (USD/h)
C3 = 0,009P3
2 + 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bài 4: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí
nhiên liệu như sau:
C1 = 0,004P1
2 + 5,3P1 + 500 (USD/h)
C2 = 0,006P2
2 + 5,5P2 + 400 (USD/h)
C3 = 0,009P3
2 + 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bài 5: Một nhà máy nhiệt điện có 3 tổ máy với hàm chi phí 
nhiên liệu như sau:
C1 = 0,008P1
2 + 7,0P1 + 200 (USD/h)
C2 = 0,009P2
2 + 6,3P2 + 180 (USD/h)
C3 = 0,007P3
2 + 6,8P3 + 140 (USD/h)
Với 10 (MW) P1 85 (MW)
10 (MW) P2 80 (MW)
10 (MW) P3 70 (MW)
 P = 0,000218P1
2 + 0,000228P2
2 + 0,000179P3
2
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bài 6: Xét sơ đồ lưới điện như hình vẽ. Cho biết:
Nhà máy điện 1 và 2 có:
)/(5002005,0
1
2
11
hUSDPPC 
)/(4006,1006,0
2
2
22
hUSDPPC 
P1max = P2max = 125 (MW)
P1min = P2min = 20 (MW)
Ppt1 = 10 (MW); Ppt2 = 190 (MW);
R = 20 (); Udm = 220 (kV); cos = 1;
Phụ tải:
34
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
~ ~P1G1
Ppt1 P12 = P1 - Ppt1
R + jX 
G2 P2
Ppt2
Xác định công suất phát tối ưu của các nhà máy điện 1 và 2.
2
2
12
dm
U
PR
P
 Gợi ý:
35
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
37
Bài 8:
Xét sơ đồ lưới điện như hình 4.4
Nhà máy điện 1, 2 và 3 có:
)/(5002005,0
1
2
11
hUSDPPC 
)/(4006,1006,0
2
2
22
hUSDPPC 
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
)/(6002,2007,0
3
2
33
hUSDPPC 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
38
Xác định công suất phát tối ưu của các nhà máy điện
1, 2 và 3.
~ ~P1G1
Ppt1
R12 + jX12
G2 P2
Ppt2
~ G3
P3
Ppt3
R13 + jX13
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt