BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Trần Đức Hùng

QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN KHI CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG
CỦA THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG VÀ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS. TS Nguyễn Lân Tráng

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ một học vị nào khác.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được
cảm ơn và các thông tin trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội , ngày 24 tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Trần Đức Hùng



Bảng 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống quy hoạch năng lượng

5

Bảng 2.1 . Tốc độ tăng trưởng kinh tế từ năm 2002 đến năm 2012

14

Bảng 2.2. Tốc độ tăng trưởng GDP

16

Bảng 2.3.Sản lượng phụ tải qua các năm (GWh)

17

Bảng 2.4.Tỷ lệ tăng trưởng sản lượng qua các năm

17

Bảng 2.5. Công suất đỉnh của hệ thống điện qua các năm (MW)

18

Bảng 2.6.Tỷ lệ tăng trưởng công suất đỉnh qua các năm

18

Bảng 2.7. Số liệu dự báo phụ tải giai đoạn 2011-2030

85

hợp không có ảnh hưởng thủy điện tích năng và trường hợp có
ảnh hưởng của thủy điện tích năng


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Tốc độ tăng trưởng kinh tế

5

Hình 2.1. Biều đồ tăng trưởng phụ tải

18

Hình 2.2. Biểu đồ tăng trưởng công suất đỉnh

19

Hình 3.1. Biểu đồ tăng trưởng công suất đỉnh

19

Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc hoạt động của chương trình WASP

45


73

Hình 4. 10. Thông số nhà máy thủy điện trong modul FIXSYS

74

Hình 4. 11.Thông số nhà máy thủy điện trong modul VARSYS

75

Hình 4. 12. Thông số nhà máy thủy điện tích năng trong VARSYS

76

Hình 4. 13. Các nhà máy dự định đưa vào trong tương lai

77

Hình 4. 14. Giao diện đầu vào của modul Emissions

78

Hình 4. 15. Giao diện đầu vào của modul Group Limists

79

Hình 4. 16. Lựa chọn kế hoạch mở rộng và cố định

80


NMTĐ

Nhà máy thủy điện

VN

Việt Nam


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 3
Chương I .................................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN ................................ 4
HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................................................................... 4

1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG ..................................................................... 4
1.2 MÔ HÌNH QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN.................. 5
1.2.1 Chương trình WASP .......................................................................... 6
1.2.2 Chương trình Energy Toolbox ( ETB) ............................................... 6
1.2.3 Mô tả bài toán quy hoạch phát triển nguồn điện có xét đến yếu tố môi
trường và thuỷ điện tích năng ................................................................... 10
Chương 2 ................................................................................................................. 14

3.3.1 Nhà máy nhiệt điện .......................................................................... 32
3.3.2 Nhà máy thủy điện ........................................................................... 35
Chương 4. ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH WASP-IV ĐỐI VỚI BÀI TOÁN
QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM KHI XÉT ĐẾN YẾU TỐ MÔI
TRƯỜNG VÀ THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG ............................................................ 37

4.1 TỔNG QUAN VỂ CHƯƠNG TRÌNH WASP ........................................ 37
4.2 HÀM MỤC TIÊU.................................................................................. 39
4.2.1 Tính toán các chi phí........................................................................ 39
4.2.2 Những ràng buộc của WASP-IV ...................................................... 42
4.3 CÁC MÔ ĐUN CỦA WASP .................................................................. 44
4.3.1 LOADSY - Load System Description .............................................. 47
4.3.2 FIXSYS - Fixed System Description ............................................... 49
4.3.3 VARSYS - Variable System Description ......................................... 54
4.3.4 CONGEN - Configuration Generator ............................................... 54
4.3.5 MERSIM - Merge and Simulate ...................................................... 60
4.3.6 DYNPRO - Dynamic Progamming Optimization ............................ 62

Học viên :Trần Đức Hùng

1

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

4.3.7 REMERSIM .................................................................................... 64
4.3.8 REPROBAT - Report Writer of WASP in a Batched Environment . 64
4.4 ỨNG DỤNG WASP IV CHO BÀI TOÁN QUY HOẠCH NGUỒN VIỆT

của thủy điện tích năng và yếu tố môi trường’’. Nội dung chính của đồ án là nghiên
cứu phương pháp giải bài toán quy hoạch nguồn điện Việt Nam bằng chương trình
WAPS-IV khi có xét đến các ràng buộc về hệ số phát thải và thủy điện tích năng.
Quá trình thực hiện đồ án trong thời gian ngắn chắc chắn không thể tránh khỏi
những sai sót, em mong các thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin
chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Lân Tráng cùng toàn thể các thầy cô
giáo trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Học viên thực hiện

Trần Đức Hùng

Học viên :Trần Đức Hùng

3

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

Chương I
TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
Trong thời đại ngày nay, năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia
trên thế giới. Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát
triển xã hội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất. Trong tương lai nếu
chúng ta không sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng có sẵng trong tự nhiên chúng sẽ
bị cạn kiệt. Vì thế chúng ta nên nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống năng lượng ngày càng
phức tạp và quy mô để có việc quy hoạch phát triển đúng hướng hệ thống năng lượng

CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NHÀ NƯỚC
VÀ CHÍNH SÁCH NĂNG LƯỢNG

QUY HOẠCH NĂNG LƯỢNG

QUY

QUY HOẠCH

HOẠCH

HỆ THỐNG ĐIỆN

THAN

DỰ BÁO PHỤ TẢI ĐIỆN

QUY

QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN

HOẠCH
DẦU KHÍ

QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN

QUY
HOẠCH
NĂNG
LƯỢNG

giá chi phí và hiệu quả được hiện tại hoá về một mốc thời gian như nhau. Trong phần
chi phí của từng phương án phải kể đến sự khác nhau của hệ thống tải điện tương ứng
với từng phương án nguồn xem xét và thành phần nhiên liệu cho từng loại nhà máy
điện cũng như chi phí để vận chuyển nhiên liệu đến nơi sử dụng.
1.2.1 Chương trình WASP
WASP là một chương trình quy hoạch tối ưu phát triển nguồn điện do cơ quan
năng lượng nguyên tử quốc tế phối hợp cùng một số viện nghiên cứu của Mỹ xây dựng
và phát triển.
Chương trình WASP-I lần đầu tiên được đưa ra áp dụng trong nghiên cứu tổng
quan phát triển năng lượng hạt nhân ở các nước đang phát triển vào năm 1972-1973.
Chương trình WASP liên tục được cải thiện và phát triển thành các phiên bản mới hơn
như WASP-II, WASP-III và đến thời điểm này là WASP-IV. WASP là một chương
trình thông dụng được sử dụng rộng rãi trên 70 quốc gia và tổ chức quốc tế cho mục
đích quy hoạch phát triển nguồn điện.
Mục tiêu cơ bản của chương trình WASP là tìm phương án phát triển nguồn
điện sao cho:
- Đáp ứng nhu cầu điện đã được dự báo trước
- Với chi phí nhỏ nhất
- Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đề ra
1.2.2 Chương trình Energy Toolbox ( ETB)
ETB ban đầu do Nhóm chính sách Năng lượng thuộc trung tâm về công nghệ
môi trường ở Đại học Hoàng Gia London xây dựng. Sau đó mô hình này được ERM
Energy London phát triển.

Học viên :Trần Đức Hùng

6

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


chính là tiêu chuẩn tối ưu, có thể là điều kiện cực tiểu chi phí tính toán hoặc có thể là
điều kiện tối đa lợi nhuận trong thời gian khảo sát. Các ràng buộc (1-2) chính là các
ràng buộc về cân bằng công suất, hạn chế về điều kiện tự nhiên, điều kiện kĩ thuật và
kinh tế...
Tuỳ theo tính chất của hàm mục tiêu và các ràng buộc, bài toán có thể được giải
bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính, quy hoạch phi tuyến hoặc bằng phương pháp
quy hoạch động…
1. Mô hình quy hoạch tuyến tính
Mô hình quy hoạch tuyến tính có thể áp dụng nếu các điều kiện ràng buộc và
hàm mục tiêu là những biểu thức tuyến tính. Lúc đó bài toán có dạng:
Xác định tập giá trị X = { x1, x2,..., xn} sao cho hàm mục tiêu:

Học viên :Trần Đức Hùng

7

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

n

f ( X )   c j x j  min(max)

(1-4)

j 1

Thoả mãn các điều kiện :

lên những giả thuyết đơn giản hoá như chi phí sẽ không tuyến tính theo công suất, hàm
tổn thất cũng là hàm phi tuyến … và khi đó mô hình toán học sẽ phức tạp và không có
hiệu lực để nhận được lời giải
3. Mô hình quy hoạch động
Phương pháp quy hoạch động là một phương pháp toán học kinh điển để xác

Học viên :Trần Đức Hùng

8

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

định lời giải tối ưu theo nhiều bước. Mỗi bước cần có một quyết định và quyết định
của bước trước sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới bước sau. Cách giải bài toán quy hoạch
động là tạo ra một dãy các quyết định hoặc một kịch bản cho cả quá trình. Kịch bản
thỏa mãn tất cả các mục tiêu và các ràng buộc được gọi là kịch bản tối ưu. Thường bài
toán quy hoạch thường lấy mục tiêu là tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên (tiền, thiết
bị, nhân công, nhiên liệu,...) cho cả quá trình nhiều giai đoạn để đạt được hiệu quả sử
dụng lớn nhất.
Tinh thần của phương pháp quy hoạch động là việc tối ưu hóa được thực hiện
dần cho từng bước, nhưng phải đảm bảo nhận được lời giải tối ưu cho cả n bước. Có
nhiều trường hợp một phương án đem lại lợi nhuận cực đại riêng rẽ cho bước này
nhưng lại dẫn đến hậu quả tai hại cho cho các bước sau. Như vậy nguyên lí tối ưu của
quy hoạch động có thể phát biểu như sau: “Một bộ phận của sách lược tối ưu cũng là
một sách lược tối ưu”. Tức là, ở mỗi bước đều phải chọn quyết định sao cho dãy quyết
định còn lại phải tạo thành một sách lược tối ưu trừ bước cuối cùng. Thật vậy, nếu có n
bước thì quyết định ở bước thứ n sẽ không ảnh hưởng đến bất kỳ bước nào và chính vì

kiện ràng buộc đều là tuyến tính.
1. Hàm mục tiêu
Bài toán đặt ra cần cực tiểu hóa tổng chi phí gồm chi phí đầu tư, chi phí nhiên
liệu F, chi phí vận hành và chi phí bảo dưỡng M, chi phí môi trường E được quy dẫn
về thời điểm ban đầu của thời kỳ quy hoạch. Hàm mục tiêu có dạng tổng quát sau:
T

n

p


t 1 i 1 f 1

c jft  X jft Min

Trong đó: i chỉ số ký hiệu các nhà máy điện i = 1÷ n
f chỉ số ký hiệu loại nhiên liệu/năng lượng sử dụng cho các nhà máy điện
f = 1÷ p ( than , dầu, khí...)
t thời gian nghiên cứu ( năm) t = 1÷ T ( T là thời gian quy hoạch)
c hệ số hàm mục tiêu
X là biến của mô hình, mô hình sử dụng 2 loại biến:
+ Biến năng lượng: Lượng nhiên liệu đầu vào của nhà máy điện i sử dụng nhiên liệu/
năng lượng f tại năm t ( MW )
+ Biến công suất: Công suất được lắp đặt hàng năm của Nhà máy điện i sử dụng nhiên
liệu / năng lượng f tại năm t ( MW)
*Mô tả cách xác định các thành phần chi phí của hàm mục tiêu:
Các thành phần chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và bảo dưỡng, chi phí môi
trường được tính toán quy dẫn từ thời điểm giữa năm về năm đầu của thời gian quy
hoạch, chi phí đầu tư được quy dẫn từ thời điểm đầu năm về năm đầu của thời gian

t' = t – 1
+ Chi phí nhiên liệu:Tổng chi phí nhiên liệu F của các nhà máy nhiệt điện tại năm t
được xác định theo công thức

Ft = (1+d)-t'-0,5

n

p

i 1

f 1

 (g

fit

 X ift )

Trong đó:

g fit : giá trị nhiên liệu f tại năm t sử dụng ở nhà máy i, [USD/kW năm]
X ift : lượng tiêu thụ nhiên liệu f của nhà máy điện i tại năm t [MW năm]
+ Chi phí vận hành và bảo dưỡng: Tổng chi phí vận hành và bảo dưỡng M của
năm t của các nhà máy điện được xác định theo công thức:

M t = (1+d)-t'-0,5

n


Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

+ Chi phí môi trường: Thành phần chi phí môi trường này là thành phần thứ tư
trong hàm mục tiêu. Hệ số chi phí này được xác định trước cho từng nhà máy điện cụ
thể, giống như đối với các hệ số chi phí đầu tư và vận hành bảo dưỡng. Tổng chi phí
môi tường E của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu f tại năm t được xác định theo
công thức sau đây:

Et = (1+d)-t'-0,5

n

p

i 1

f 1

  e

fit

 ( X fit ift 

Trong đó:


Trong đó:

Yo : Công suất của nhà máy i được lắp đặt trong thời gian nghiên cứu và đăng được vận
hành ở năm đầu tiên của chu kỳ t, MW

Y fit : Công suất mới được lắp đặt tại năm t của nhà máy i dùng nhiên liệu f,MW

 o   ift : hệ số sử dụng công suất của nhà máy i sử dụng nhiên liệu f ở năm 0,t  : độ
dài mỗi chu ký ( 1 năm)
Học viên :Trần Đức Hùng

12

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

DE .t : nhu cầu điện năng của hệ thống điện tại năm t, [MW năm]
- Ràng buộc về nhiên liệu:Tổng nhiên liệu loại f sử dụng không vượt quá giới hạn
cho phép được biểu thị như sau:
T

n

i 1

i 1

 


Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

Chương 2
THỰC TRẠNG VỀ NHU CẦU VÀ KHẢ NĂNG CẤP ĐIỆN
2.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHUNG
Nhu cầu điện năng và đồ thị phụ tải là những số liệu đầu vào rất quan trọng,
quyết định rất lớn chất lượng của việc quy hoạch hệ thống điện, đặc biệt là bài toán
quy hoạch nguồn. Đối với ngành năng lượng, tác dụng của dự báo càng có ý nghĩa
quan trọng, vì điện năng liên quan đến tất cả các nghành kinh tế quốc dân, cũng như
mọi sinh hoạt đời thường của người dân. Do đó nếu như chúng ta dự báo không chính
xác, sai lệch nhiều về khả năng cung cấp, về nhu cầu điện năng thì sẽ dẫn đến hậu quả
xấu cho nền kinh tế, đặc biệt trong công tác huy động nguồn. Chẳng hạn, nếu chúng ta
dự báo phụ tải thừa so với nhu cầu sử dụng dẫn đến hậu quả là huy động nguồn quá
lớn, làm tăng vốn đầu tư, có thể làm tổn thất năng lượng tăng lên. Ngược lại, nếu
chúng ta dự báo phụ tải quá thấp so với nhu cầu thì sẽ không đủ điện năng cung cấp
cho các hộ tiêu thụ và tất nhiên sẽ phải dẫn đến việc phải cắt bỏ một số phụ tải không
có kế hoạch gây thiệt hại cho nền kinh tế quốc dân.
Tuy nhiên đồ án này không đặt vấn đề nghiên cứu về phụ tải hay là các nghiên
cứu mới về phụ tải mà chỉ cập nhật một số phân tích ảnh hưởng đến dự báo phụ tải
như:
Xu hướng phát triển kinh tế xã hội.
Tốc độ phát triển dân số.
Tốc độ tăng trưởng của phụ tải
2.1.1 Xu hướng phát triển kinh tế - xã hội
Muốn đáp ứng đủ nhu cầu điện năng trong giai đoạn nghiên cứu ta cần đánh giá
được tốc độ phát triển kinh tế xã hội:


7,34

7,79

8,44

8,17

8,44

6,23

5,32

6,78

5,89

5,03

NLTS

4,17

3,62

4,36

4,02


10,37

7,70

5,53

4,52

DV

6,54

6,45

7,26

8,48

8,29

8,5

7,2

6,63

7,52

6,99

Theo định hướng phát triển 3 kịch bản trên, ta có một số kết quả nghiên cứu dự
báo tăng trưởng kinh tế theo các kịch bản cao, thấp và cơ sở trong giai đoạn nghiên
cứu như sau:

Học viên :Trần Đức Hùng

15

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

Bảng 2.2. Tốc độ tăng trưởng GDP
Đơn vị: %
Giai đoạn

2011-2015

2015-2025

2025-2030

GDP

8,0

8,0

7,5


7,0

- NN

3,2

3,0

3,3

-CN&XD

8,8

8,5

8,2

-Dịch vụ

7,6

6,66

6,8

GDP

6,5


2. Kịch bản cơ sở

3. Kịch bản thấp

2.1.2 Tốc độ phát triển dân số
Dân số nước ta năm 2013 ước đạt 90 triệu người, trong 10 năm gần đây mỗi
năm dân số tăng gần 1 triệu người tỷ lệ bình quân giữa hai cuộc điều tra dân số và nhà
ở là 1,06%/năm. Tuy nhiên mức sống của người dân ngày càng tăng, mức tiêu thụ điện
năng cho 1 người cũng tăng ( mức tiêu thụ điện năng trong năm 2002 là 288kW/người,
năm 2005 là 540kW/người và đến năm 2013 là 1278kW/người)
2.1.3 Tốc độ tăng trưởng phụ tải
Để đánh giá được mức độ phát triển của phụ tải qua các năm, ta cần phải so
sánh về sản lượng và công suất qua chuỗi năm 2002-2012, chi tiết được thể hiện qua
các bảng dưới đây:
1.Tổng hợp phụ tải
Học viên :Trần Đức Hùng

16

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

Trong những năm vừa qua, hệ thống điện Việt Nam đạt tốc độ tăng trưởng phụ
tải ổn định ( tốc độ tăng trưởng trung bình từ năm 2002 – 2012 là 14,0%) thể hiện cụ
thể ở bảng:
Bảng 2.3 Sản lượng phụ tải từ năm 2002 -2012 ( GWh )
HTĐ


46790

53647

60623

69071

79376

91203

103416

110452

123715

13913
3500
18692

15811
3977
21261

17603
4435
24407

12060
64983

* Ghi chú: Sản lượng HT đã bao gồm cả sản lượng điện hạn chế
Bảng 2.4.Tỷ lệ tăng trưởng sản lượng qua các năm
P03
HTĐ
QG
Bắc
Trung
Nam

-

P04

-

P05

-

P06

–

P07

-


08

09

10

11

13.36

13.36

14.65

11.89

15.07

14.92

14.90

13.94

14.04

12.94

13.64
13.63

13.50
14.01
13.57

12.01
13.86
11.67

Học viên :Trần Đức Hùng

17

-

Lớp HTĐKTĐ/2011 - ĐHBKHN


Đại học Bách Khoa Hà Nội – Luận văn tốt nghiệp

GWh
Đánh giá hiệu quả kinh tế sự phát triển thủy điện tích năng kết hợp với nhà máy điện
nguyên tử
Trong thí dụ cụ thể là Hệ thống điện liên hợp vùng Trung tâm (Liên bang Nga) tiến hành phân tích biểu đồ phụ tải ngàyđêm về mùa đông theo báo cáo và dự báo cho giai đoạn đến năm 2020.

năm
năm

Hình 2.1 Biểu đồ tăng trưởng phụ tải
2.Tăng trưởng công suất đỉnh
Công suất đỉnh của hệ thống cũng tăng trưởng ổn định qua các năm được thể hiện qua

4480

2008
14488
6299

2009
16357
7112

2010
18653
7894

2011
20781
8846

2012
23846
10157

684

773

853

979


8880

9795

11324

Bảng 2.6.Tỷ lệ tăng trưởng công suất đỉnh qua các năm

HTĐ
QG
Bắc
Trung
Nam

P03 - 02

P04 - 03

P05 - 04

P06 – 05

P07 – 06

P08 - 07

P09 - 08

P10 - 09


15.42

11.22
14.77
11.44

19.83
19.82
15.72

19.52
10.40
16.90

13.48
13.35
15.42

12.48
12.85
12.48

11.00
13.77
13.01

12.94
13.87
10.31