Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯU VĂN DOANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO THỦY ĐIỆN NHỎ CÓ KÊNH DẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Đỗ Trung Hải TS. Ngô Đức Minh

PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. Đặng Danh Hoằng

THÁI NGUYÊN 2016

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Lưu văn Doanh, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điện,

sau thời gian học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt

là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS. Ngô Đức Minh, em đã hoàn thành chương

trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và

nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dưới sự hướng dẫn

của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn có tham khảo và trích dẫn các

tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng

bất kỳ tài liệu nào khác.

Thái Nguyên, ngày 23 tháng 01 năm 2016

Học viên

Lưu Văn doanh

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến

thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan

tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công

nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các

thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn

thành luận văn này.

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Ngô Đức Minh và tập

thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa

K16 - KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng, xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc

chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những

chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa

hơn trong thực tiễn.

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Lưu Văn Doanh

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ....................................................................viii LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ .............. 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ..................................... 3 1.1.1 khái niệm về năng lượng tái tạo ....................................................................... 3 1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến .............................................................. 4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................................ 14 CHƯƠNG 2. THỦY ĐIỆN NHỎ ......................................................................... 16 2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................ 16 2.1.1 Điện thủy triều ................................................................................................ 16 2.1.2 Thủy điện hải lưu ........................................................................................... 19 2.1.3 Thủy điện sóng biển ....................................................................................... 21 2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn) .................................................................... 25 2.2 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN NHỎ KIỂU KÊNH DẪN......................................... 28 2.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 28 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện nhỏ ........................................................ 28 2.2.3 Tính toán kỹ thuật .......................................................................................... 30 2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ .................................................................................... 32 CHƯƠNG 3. MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ................................ 36 3.1 MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ ................................................. 36 3.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 36 3.1.2 Phân tích hoạt động của sơ đồ ........................................................................ 37 3.1.3 Đề suất ứng dụng BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ ................... 43 3.2 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ẮC QUY (BESS) ........................ 43 3.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 43 3.3.2 Bộ biến đổi công suất ..................................................................................... 44 3.3.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất .................................................... 47 3.3.4 Kho tích trữ năng lượng một chiều .................................................................. 48 3.3 MÔ HÌNH BESS TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ........ 52 3.3.1 Mô hình hóa BESS ......................................................................................... 52 3.3.2 Phương pháp điều khiển BESS ...................................................................... 57 3.3.2.1 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển .................................................................. 57 3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS .............................................................. 65 3.3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp ....................................................................... 72

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

iv

3.3.5 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng ..................................................... 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 75 CHƯƠNG 4. HÓA PHỎNG HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................................................................. 76 4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ............................................................. 76 4.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ....................................................... 82 4.2.1 Phân tích động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B ................. 82 4.2.2 Phân tích chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động ........................... 82 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 86 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 88

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006) .................................... 3

Hình 1. 2 Minh họa sự hình thành gió ........................................................................... 5

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới .......... 5

Hình 1. 4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời ................................................. 7

Hình 1. 5 Năng lượng địa nhiệt và công nghệ điện địa nhiệt ...................................... 11 Hình 1. 6 Một số hình ảnh về thủy điện nhỏ dòng suối .............................................. 13 Hình 2. 1 Một số hình ảnh về thuỷ điện thuỷ triều...................................................... 16 Hình 2. 2 Cơ chế vận hành turbine nước ..................................................................... 17 Hình 2. 3 Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí ................................................ 18 Hình 2. 4 Một số dòng hải lưu lớn trên thế giới .......................................................... 19 Hình 2. 5 Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen ................................................. 19 Hình 2. 6 Mô tả năng lượng của sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển .................. 21 Hình 2. 7 Máy phát điện sóng biển cánh ngầm ........................................................... 22 Hình 2. 8 Mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp Cockrell Raft ...................... 22 Hình 2. 9 Cơ cấu DEXA 2 phao .................................................................................. 23 Hình 2. 10 Mô tả sự truyền lực trong DEXA Converler trong suốt ¼ chu kỳ sóng ... 23 Hình 2. 11 Mô tả quan hệ lực tạo ra với bước sóng .................................................... 24 Hình 2. 12 Mô tả nguyên tắc sinh công ....................................................................... 24 Hình 2. 13 Một số hình ảnh về nhà máy thuỷ điện kênh dẫn ...................................... 26 Hình 2. 14 Mô hình nhà máy thuỷ điện kênh dẫn ...................................................... 27 Hình 2. 15 Mô hình trạm thủy điện nhỏ ...................................................................... 28 Hình 2. 16 Mô tả sự biến đổi năng lượng mà turbine nhận được ............................... 29 Hình 2. 17 Minh họa các giá trị HG và HN ................................................................ 29 Hình 2. 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống ....................... 30

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vi

Hình 2. 19 Phương pháp đo lưu tốc ............................................................................ 32 Hình 2. 20 Mô hình turbine Pelton nhiều vòi phun ..................................................... 33 Hình 2. 21 Turbine Right-Angle-Drire ....................................................................... 35 Hình 3. 1 Mô hình tổng quát mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ. ....................... 36 Hình 3. 2 Mô hình một số của trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn ...................................... 37 Hình 3. 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải. .................................................................. 38 Hình 3. 4 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS .................................................. 43 Hình 3. 5 Mô hình mạch lực của BESS ...................................................................... 44 Hình 3. 6 Cấu trúc và ký hiệu IGBT ........................................................................... 44 Hình 3. 7 Sơ đồ khai triển cấu tạo và mô tả nguyên lý làm việc của IGBT ............... 45 Hình 3. 8 Đặc tính đóng mở van IGBT ....................................................................... 46 Hình 3. 9 Sơ đồ tương đương của ắcquy ..................................................................... 49 Hình 3. 10 Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng .......................... 50 Hình 3. 11 Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng .................................... 52 Hình 3. 12 Mô tả BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ .................................. 52 Hình 3. 13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS .............................................................. 53 Hình 3. 14 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc ............. 54 Hình 3. 15 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới ...... 56 Hình 3. 16 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace .......................... 56 Hình 3. 17 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ ...... 57 Hình 3. 18 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp ........................ 58 Hình 3. 19 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL ............................................. 59 Hình 3. 20 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng 60 Hình 3. 21 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van.......................... 62 Hình 3. 22 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ .................................................. 63 Hình 3. 23 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 ....................................................... 63

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vii

Hình 3. 24 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 ............................................... 64 Hình 3. 25 Mô phỏng dạng sóng biến điệu vector SVM ............................................ 65 Hình 3. 26 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng iBd và iBq ............................. 66 Hình 3. 27 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS..................... 67 Hình 3. 28 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat ...................... 69 Hình 3. 29 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat .......... 70 Hình 3. 30 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat ........................................... 71 Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng .................................................... 75 Hình 4. 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐTĐN công suất 85 kVA ............... 76 Hình 4. 2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV ................................................... 77 Hình 4. 3 Cấu trúc mạch lực của BESS ...................................................................... 79 Hình 4. 4 Khối đo lường .............................................................................................. 80 Hình 4. 5 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B ......... 81 Hình 4. 6 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện vòng trong kiểu D-B ............................. 81 Hình 4. 7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B ............................ 82

Hình 4. 8 Mô phỏng trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm

thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B .................................................................. 83 Hình 4. 9 Mô phỏng trị tức thời điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời .......... 83 trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ......................................................................... 83

Hình 4. 10 Mô phỏng dòng điện phóng nạp của ắcquy trong các chế độ mất nguồn

tạm thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ........................................................... 84

Hình 4. 11 Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B84 Hình 4. 12 Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s .......... 85 trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ......................................................................... 85 Hình 4. 13 Mô phỏng chế độ BESS khi bù công suất đỉnh khi động cơ khởi động . 85

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1. 1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời ................................7

Bảng 1. 2 Tỷ lệ năng lượng của một số cây trồng .............................................. 10

Bảng 2. 1 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước ....................... 27

Bảng 3.1. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 40

Bảng 3.2. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 42

Bảng 3. 3 Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector ........... 65

Bảng 4. 1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện ...................................... 77

Bảng 4. 2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát.............................. 78

Bảng 4. 3 Thông số đường dây ......................................................................... 78

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng

lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không

phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng

ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ

sạch. Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V... Chúng có thể được

khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng

phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh...Trước đây, những loại

hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc

tính của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh

tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay,

đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng

phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi

hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng quy định

(mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng

trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản

xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích

phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn

cần thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều khiển

hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn.

Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài luận văn được định hướng nghiên cứu

về phát triển các nguồn thủy điện nhỏ, đại diện cho những nguồn năng lượng tái tạo

có tiềm năng lớn ở Việt Nam. Đề xuất giải pháp khắc phục một số nhược điểm căn

bản của thủy điện nhỏ.

Tìm hiểu nắm vững mô hình đối tượng nghiên cứu, đó là một mạng điện phân

tán có nguồn thủy điện nhỏ có kênh dẫn. Phân tích ưu nhược điểm hệ thống, đề xuất

giải pháp nâng cao chất lượng điện ăng và tính ổn định động cho hệ thống.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích kỹ lưỡng về đối tượng nghiên cứu

nghiên cứu, chỉ ra những nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp khác phục.

Để thực hiện mục tiêu này, luận văn cần giải quyết các vấn đề chính sau:

- Giới thiệu tổng quan về năng lượng tái tạo và sự cần thiết phát triển các nguồn

năng lượng tái tạo nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng là trong tâm nghiên cứu của

đề tài này.

- Phân tích thủy điện nhỏ kiểu có kênh dẫn và xây dựng mô hình mạng điện độc

lập nguồn cung cấp là thủy điện nhỏ.

- Đề xuất giải pháp khắc phục các nhược điểm của nguồn thủy điện nhỏ trong

hoạt động của mạng điện độc lập.

- Phân tích các khối chính trong mô hình xây dựng. Đặc biệt, xây dựng cấu trúc

viết tắt là BESS) và xây dựng các chức năng của BESS đáp ứng cho các yêu cầu đặt

thiết bị kho lưu trữ năng lượng ắc quy (tên tiếng Anh là Battery Energy Storage System;

ra cho mục tiêu là nâng cao ổn định và chất lượng điện năng cung cấp đối với thủy

điện nhỏ.

- Mô hình hóa mô phỏng hệ thống mạng điện độc lập nguồn thủy điện nhỏ kết hợp

với BESS. Các kết quả mô phỏng thu được nhằm minh chứng cho các nghiên cứu lý thuyết

đồng thời khẳng định một tương lai cho phát triển nguồn thủy điện nhỏ.

Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên luận văn

không tránh khỏi những sai sót. Nhân đây, em xin được bầy tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến

Nhà trường, các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp trong lớp, Ban lãnh đạo và cán bộ công

tác tại trạm SVC Thái Nguyên và đặc biệt là TS. Ngô Đức Minh, người thầy đã đóng

góp nhiều thời gian và công sức giúp em hoàn thành luận văn này.

Thái nguyên, ngày tháng 12 năm 2015 Học viên

Lưu Văn Doanh

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.1.1 khái niệm về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những

nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của

việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn

biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho

một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được

thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức

mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo

quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như biomass,

phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các

quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Tình hình NLTT trên

toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ trên hình 1. 1.

Hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006)

Trong đó:

770 GW Thủy điện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt

74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện

39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời

Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và

đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho

sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó, việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng

4

NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, biomass, năng lượng

địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên

quy mô toàn thế giới.

Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới trong

giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác

và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể. Đặc

điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới

dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc

điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi

công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng

là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết

nối lưới. Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần.

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và

sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi

trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử

dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy

điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng

từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Metan hydrate, năng lượng từ sự lên men

sinh học. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng

ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy

điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển, V.V.

1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến

1- Năng lượng gió:

Gió là dòng chuyển dời của các khối khí mang năng lượng mà các thiết bị thu

chủ yếu nhận được dưới dạng động năng.

Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu khí

quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái đất (mặt

ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm vào đó là bức

xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực. Do đó, hình thành sự chênh

lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5

gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23,45o so với mặt phẳng

quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Điều này là nguyên nhân hình thành các

quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa, hình 1. 2.

Hình 1. 2 Minh họa sự hình thành gió

Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và

đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác

biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền

nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Như vậy, năng

lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất.

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng

10 năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió giai

đoạn 1997-2010 trên thế giới.

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6 Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với

công suất từ 200-300 kW. Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió tăng nhiều

lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 5 MW. Ngày nay, tổng

công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm

tới 65%. Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản

lượng điện quốc gia.

Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng

điện năng. Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công

suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện.

Công nghệ khai thác năng lượng gió:

Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng mà các

thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng. Từ cổ xưa đến nay đã hình thành

nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):

- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn

- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió

- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện.

2- Năng lượng mặt trời:

Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó

diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C. Trái đất sẽ tiếp

tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn

kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa. Như vậy năng lượng

Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời

liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 ,

đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của

Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng

lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ

mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng

1,5 thùng dầu.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7 Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này

thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời (BXMT)

thành điện năng, như pin Mặt trời, hình 1.4. Năng lượng của các photon cũng có thể được

hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun

nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, v.v...

Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành

năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.v.

Hình 1. 4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời

Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn. Tuy

nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn,

giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt

trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời

tiết cụ thể của vùng miền.

Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới vào

khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1. 2:

Bảng 1. 1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặt trời [1000 TWh]

Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm]

11,500 13,500 73,500 23,000 121,500

2410 2330 2600 2950

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm] 1,150 1,350 7,350 2,300 12,150

Bắc Mỹ Nam Mỹ Châu Âu, Châu phi, Châu Á Thái Bình Dương Tổng cộng

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8

Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời:

Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ

thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất. Muốn khai thác

năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức

xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc

chủ yếu sau:

- BXMT - điện năng – phụ tải điện.

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt.

- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện.

Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo

mục đích người sử dụng. Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung nghiên cứu đến

khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên nguyên tắc của hiệu

ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin Mặt trời, tiếng anh

là Photo Voltaics (viết tắt là PV ).

3- Năng lượng sinh khối (Biomass)

Biomass có sự khác biệt đáng kể với các nguồn tái tạo khác ở chỗ nó là một

dạng một nhiên liệu có thể được lưu trữ và sử dụng để phát điện khi có yêu cầu, cũng

giống như nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, có điểm khác là, biomass thường bị hạn

chế bởi mật độ năng lượng (nhiệt hàm) của nhiên liệu được lưu trữ. Vì vậy, nó phải

được sản xuất và tiêu thụ nội địa, tiêu thụ năng lượng kết hợp với bán kính sử dụng

trong phạm vị sử dụng các sản phẩm chính của nó. Điều này có nghĩa rằng các đơn

vị phát điện sinh khối là tương đối nhỏ so với cây trồng thông thường, (dựa trên chuỗi

cung ứng địa phương cho nguyên liệu) và có các đặc điểm thuận lợi cho hình thành

các trạm phát cục bộ.

Có ba công nghệ chuyển đổi nhiệt hóa cơ bản sử dụng biomass rắn như một

nhiên liệu chính để sản xuất điện, cụ thể là đốt trực tiếp, khí hoá và nhiệt phân. Ngoài

ra, việc sử dụng sinh khối chất lỏng như bùn thải để sản xuất methane qua quá trình

tiêu hóa yếm khí đang ngày càng phổ biến.

Sản xuất điện sử dụng biomass rắn vẫn là một ngành công nghiệp phát triển và

như một hệ quả là không cạnh tranh về giá điện từ nhiên liệu hóa thạch mà không đòi

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9

hỏi bất cứ sự hỗ trợ tài chính hoặc chính sách của chính phủ. Tuy nhiên, không so

sánh với năng lượng hạt nhân và các nhà máy điện than sạch theo công nghệ mới,

hay các trạm phát điện chạy khí ga hiện đại đáp ứng tiêu chuẩn môi trường và tính

kinh tế hiện nay. Với sự hỗ trợ đúng trên thế giới hiện nay, việc kết hợp giữa nhiên

liệu than với sinh khối đang là một chủ đề thương mại hấp dẫn. Về lâu dài, lưới có

kết nối điện sinh khối (sử dụng đầy đủ các công nghệ có thể) có thể trở nên cạnh

tranh; tiềm năng lớn nhất là quy mô nhỏ thế hệ nhúng sử dụng khí hóa, nhiệt phân

hoặc tốc độ cao động cơ hơi nước cây trồng dựa. Trong ngắn hạn, quy mô nhỏ (100

- 500 kW) nhà máy chuyên dụng để sử dụng trên các trang trại hoặc bằng công nghiệp

nông thôn có tiềm năng lớn nhất. Trong trung hạn khi tăng nhu cầu điện có thể gây

ra cho lưới các áp lực về quá tải và không đáng tin cậy, từ đó với công suất hơn hơn

(1-20 MWe) được cung cấp bổ sung từ nguồn điện sinh khối có thể trở thành một lựa

chọn hấp dẫn để ổn định lưới điện.

Biomass đã trở nên ít quan trọng như các nước đã công nghiệp hóa và hiện

chiếm ít hơn 3% năng lượng trong thế giới phát triển. Ngược lại các nước đang phát

triển vẫn chủ yếu dựa vào gỗ và sinh khối tự nhiên khác với hơn 30% năng lượng của

họ cần được cung cấp từ các nguồn này. Tất nhiên với dân số tăng nguồn cung cấp

này là không bền vững. Trớ trêu thay, các nước công nghiệp cần phải thực hiện việc

tăng sử dụng sinh khối, và các khu vực kém phát triển hạn chế sử dụng nguồn tài

nguyên này đến một mức độ bền vững. Một trong những tính năng chính của sinh

khối là năng lượng tiêu hao trong phát triển nó, tức là trồng cây, tưới nước, sử dụng

hóa chất và thuốc trừ sâu để nâng cao năng suất, thu hoạch, sấy, vv, không phải là

không đáng kể. Cụ thể đối với sản xuất ethanol sử dụng làm nhiên liệu cho giao thông

vận tải, các nhà máy lọc dầu chính họ là đốt bằng nhiên liệu hóa thạch để lên men các

cây trồng và thanh lọc ethanol từ các sản phẩm của quá trình lên men. Một báo cáo

của Bộ Nông nghiệp Mỹ nhận thấy năng lượng từ ethanol sinh học ngô chỉ khoảng

8% trong dư thừa của sản xuất năng lượng đầu vào và một bài báo gần đây trong khoa

học thấy rằng tỷ lệ năng lượng là netpositive khi tiết kiệm năng lượng từ "đồng sản

phẩm" cho gia súc thức ăn được đưa vào. Các nỗ lực đang được thực hiện để sản xuất

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10

ethanol sinh học từ cây xenlulo và không phải từ quá trình lên men. Điều này hứa hẹn

sẽ tạo ra gấp đôi lượng ethanol mỗi ha cây trồng.

Khung cảnh tươi sáng hơn rất nhiều nếu sinh khối được sử dụng để tạo ra điện,

đặc biệt là trong các nhà máy điện phân cấp nhỏ. Những lợi ích từ cây trồng mang lại

được sử dụng ngay tại địa phương. Sự lựa chọn của cây trồng cũng là quan trọng

trong hiệu quả của giảm thiểu CO2. Bảng 1.4 so sánh tỷ lệ năng lượng ra năng lượng

trong một số loại cây trồng dựa trên báo cáo DTI URN 01/797. Mía và liễu là cây ưa

thích ở các vĩ độ tương tự như châu Âu và khác. Hiện nay, việc sử dụng bã mía ở Anh

là kết hợp đốt cùng với than trong các nhà máy điện hiện có.

Bảng 1. 2 Tỷ lệ năng lượng của một số cây trồng

Loại cây Tỷ lệ %

Miscanthus (Mía) Willow (Dương liễu) Hemp (Dầu gai) Wheat (Lúa mì) Oilseed rape (cải dầu) 32.5 30.0 8.5 8.8 3.8

Quy mô sản xuất nhiên liệu sinh học lớn không chỉ tốn kém năng lượng nhưng

nó có thể có tác động xấu đến môi trường và xã hội. Phát triển như vậy đòi hỏi nguồn

nước đáng kể với kết quả là mực nước ngầm trong khu vực canh tác mãnh liệt đã

được hạ xuống đến mức không thể chấp nhận. Mở rộng các loại cây nhiên liệu sinh

học cũng có thể tăng tốc độ phá rừng nhiệt đới với các liên kết giảm sự hấp thụ CO2

và đe dọa tuyệt chủng của hàng ngàn loài động vật và thực vật. Nếu cây trồng đó

được khuyến khích thông qua các khoản trợ cấp, thiếu lương thực có thể xảy ra nếu

đất trước đây được sử dụng để sản xuất lương thực bị mất. Có thể kết luận rằng hướng

phát triển bomass, có thể gây ra những tác động môi trường nghiêm trọng trừ khi

được sử dụng một cách khôn ngoan.

4- Năng lượng địa nhiệt

Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái

đất có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất. Nhiệt năng này làm nóng

chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh

ra núi lửa, hình 1.6. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ tắt dần và nhiệt độ

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

11

lòng Trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư phân tán ở nhiều

nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất. Mỗi vùng có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá

trình nhiệt có hầu như không giống nhau .

Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô

vừa và lớn trong các lĩnh vực như:

- Nhà máy điện địa nhiệt

- Trung tâm địa nhiệt

Hình 1. 5 Năng lượng địa nhiệt và công nghệ điện địa nhiệt

Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm 1904 ở

Italia. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung cấp

nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất Thế giới The Geysers

của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960. Điện lực Bắc

California có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740 MW. Hoa Kỳ là nước

khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới. Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các

nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước. Mehicô là nước khai thác

địa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW. Chiếm 3,24% điện năng

toàn quốc. Iceland cũng là nước có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm

19,1% và 87% nhiệt năng. Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng.

Tiềm năng địa nhiệt Thế giới khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương

mại trên 70 nước. Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của Thế

giới.

Công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt:

Có hai loại nguồn địa nhiệt:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

12 - Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm mét

tới 3000 m. Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác cho mục

đích địa nhiệt thương mại du lịch và sấy sưởi, v.v... Các nguồn thủy nhiệt có thể cung

cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm.

- Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lòng đất vào khoảng 4000

m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai thác thương

mại. Các nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu dài. Năng lượng

địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, là

nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm việc liên tục nên có thể làm

việc ở đáy đồ thị phụ tải. Tuy nhiên là hơi nước trong lòng đất có chứa nhiều tạp hóa

học chất dễ ăn mòn (có thể độc hại) và có nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt

động của các nhà máy điện địa nhiệt bị hạn chế. Các vùng (bồn chứa) thủy nhiệt bao

gồm nguồn đá nóng có tính thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ khoảng từ 100-

4000C. Chất lỏng này còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn không hòa tan và chất

khí không ngưng tụ. Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 200-

3500m. Từ giếng khoan có hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt tới

các thiết bị trong nhà máy điện. Thông thường, các nguồn thủy nhiệt có nhiệt độ cao

trên 2000C mới có thể áp dụng cho nhà máy điện địa nhiệt phát điện thương mại.

5- Năng lượng thuỷ điện nhỏ:

Thuỷ điện trên đất liền được hình thành từ năng lượng của các dòng chảy. Từ

năng lượng của các dòng chảy sẽ sinh ra cơ năng làm quay turbine máy phát điện.

Ngoài ra còn phải kể đến các thủy điện được khai thác từ năng lượng đại dương, đó

là từ năng lượng sóng biển, từ năng lượng thủy triều và từ năng lượng của các dòng

hải lưu, V.V.

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý rộng

rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc

gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường. Các trạm thủy điện nhỏ trên đất

liền không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả

năng điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ

thống turbine - máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện năng. Các trạm thủy

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

13

điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng

kênh thủy lợi. Còn thủy điện đại dương lại có ưu thế to lớn là không chiếm dụng diện

tích mặt đất, chủ yếu khai thác nguyên dạng các điều kiện địa lý tự nhiên, hoặc là có

cải tạo nhưng không đáng kể.

Năng lượng thuỷ điện nhỏ khai thác năng lượng của các dòng chảy là nguồn

năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng

góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho

bảo vệ môi trường, hình 1.6.

Hình 1. 6 Một số hình ảnh về thủy điện nhỏ dòng suối

Trong khoảng mười năm trở lại đây, các thuỷ điện nhỏ đã đóng một vai trò quan

trọng trong việc cung cấp năng lượng cho nhiều nước trên thế giới. Ở các nước phát triển,

tổng công suất của các thuỷ điện nhỏ trong mỗi nước đã vượt quá 1 triệu kW (Mỹ, Canađa,

Thụy Điển, Tây Ban Nha, Pháp, Italia). Việc sử dụng các thuỷ điện nhỏ không những tiết

kiệm các nguồn năng lượng truyền thống khác mà còn góp phần làm sạch môi trường, làm

giảm hẳn lượng phát thải khí điôxít cácbon...

Tiềm năng kinh tế của các nhà máy thủy điện toàn thế giới vào khoảng 7300

TWh/năm. Trong số này, 32% là đã khai thác, trong đó có sự đóng góp của thuỷ điện

nhỏ. Ước tính đến năm 2010 từ thuỷ điện nhỏ lượng điện sẽ nhận được 220 TWh/năm,

còn tổng công suất của chúng sẽ đạt đến 55 GW.

Công nghệ thuỷ điện nhỏ:

Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng được tập trung trên những dòng

chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều dạng thái thủy

năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối ...

- Thủy năng – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14

- Thủy năng – Cơ năng – Máy phát điện

Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập

chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn

hoặc đường ống tới hệ thống turbine - máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện

năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi

dụng những dòng kênh thủy lợi.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Tiềm năng của năng lượng tái tạo hiện tại trên Thế giới cũng như là rất phong

phú, trong đó kể cả ở Việt Nam. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng còn phụ thuộc

vào rất nhiều yếu tố chi phối, ví dụ như về điều kiện tự nhiên, khoa học công nghệ và

chính sách ưu đãi của Nhà nước, V.V.

+ Việc thiết kế một hệ thống năng lượng điện sức gió cần một một diện tích

rộng, chỉ phù hợp đối những vùng ven biển. Việc sử dụng turbine sức gió gây tiếng

ồn lớn nên không thể sử dụng ở các khu vực đông dân cư.

+ Điện mặt trời, về mặt lý thuyết có thể xây dựng được khắp nơi, nhưng lại chịu

sự chi phối mạnh bởi bài toán kinh tế và quản lý điều hành hệ thống năng lượng quốc

gia.

+ Năng lượng Biomass có điều kiện phát triển phổ cập nhất, cả về vị trí áp dụng

và quy mô công suất. Tuy nhiên, năng lượng biomass đòi hỏi quy trình công nghệ

cao và các quy trình an toàn nghiêm ngặt, nếu không sự phản tác dụng có tính chất

hóa học độc hại cao cho con người và môi sinh. Năng lượng biomass có tính chất địa

phương.

+ Điện địa nhiệt phụ thuộc vị trí địa lý, từ trường trái đất, khu vực địa chất có

các phản ứng nhiệt hạch. Hiện tại, mới chỉ áp dụng đối với những nước tân tiến.

+ Đối với năng lượng sóng biển, thủy triều đương nhiên là chỉ có thể xây dựng

tại các địa phương thuộc vùng duyên hải.

+ Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng tái tạo có thể được coi như không bao giờ

kết thúc của chu trình năng lượng trên trái đất. Vấn đề phát triển thủy điện nhỏ dòng

suối gắn liền với lợi ích tồn giữ hệ thống nước mặt cho hệ sinh thái của trái đất. Tuy

nhiên, con người và đặc biệt là thủy điện lớn đã phá vỡ sự cân bằng này một cách

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

15

nghiêm trọng. Mặt khác, thủy điện nhỏ cũng chịu sự chi phối của các yếu tố tự nhiên

tương đồng như năng lượng mặt trời.

Mục tiêu của đề tài luận văn là đi sâu nghiên cứu về một trong những dạng năng

lượng tái tạo được giới thiệu trên đây. Đó là năng lượng thủy điện nhỏ kênh dẫn trong

những mô hình mạng điện phân tán. Đây cũng là một chính sách đang được khuyến

khích phát triển nhằm bảo vệ môi trường trên toàn cầu.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

16

CHƯƠNG 2 THỦY ĐIỆN NHỎ

2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ

2.1.1 Điện thủy triều

2.1.1.1 Giới thiệu chung

Điện thuỷ triều đơn giản là một dạng năng lượng điện thu được từ năng lượng

chứa trong các khối nước chuyển động do thuỷ triều, hình 2.1.

Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý từ hàng thế kỷ nay. Vào thế

kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều

được xây dựng ở New England. Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở

Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng năng lượng thủy triều lắp

đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ. Những hệ thống này đã

dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.

Hiện nay, có các trạm điện thuỷ triều đang hoạt động tại Pháp, Nga, Trung Quốc

và Canada. Tuy nhiên, năng lượng thuỷ triều hiện nay không phải là một nguồn năng

lượng quan trọng trên thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều

dâng cao đủ để việc phát triển mang tính khả thi.

Hình 2. 1 Một số hình ảnh về thuỷ điện thuỷ triều

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của điện thủy triều

Phân loại theo turbine sử dụng trong hệ phát điện thủy triều có hai loại chính.

Loại thứ nhất dùng turbine nước và loại thứ hai dùng turbine khí.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

17

Điện thủy triều sử dụng turbine nước:

Để thu được năng lượng từ thuỷ triều, người ta sử dụng phương pháp dao động

cột nước. Khi thuỷ triều lên, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng xây dựng bên

trong dải đất ven bờ biển, một phần được chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng,

không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một turbine. Khi nước

thuỷ triều rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng hút không khí đi qua turbine

theo hướng ngược lại. Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện,

hình 2.2.

Hình 2. 2 Cơ chế vận hành turbine nước

Điểm mấu chốt của hệ thống này là việc sử dụng một thiết bị gọi là turbine, có

các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí.

Hệ thống Limpet là một điển hình về khai thác dạng năng lượng này. Hệ thống

làm việc theo nguyên lý sau:

1- Lúc thuỷ triều xuống thấp: chu trình nạp.

2- Lúc thuỷ triều dâng cao: chu trình nén.

3- Thuỷ triều xuống thấp: chu trình xả, kết thúc và nạp cho chu trình tiếp theo.

Sự thay đổi chiều cao cột nước làm turbine quay tạo ra điện năng, mỗi máy

Limpet có thể đạt từ 250 kW đến 500 kW. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã

cố công biến năng lượng thuỷ triều thành năng lượng có ích. Hiện nay, đã có công ty

lắp đặt hệ thống thương mại trên thế giới sản xuất điện trực tiếp từ thuỷ triều. Chẳng

hạn một máy Limpet có thể phát ra 500 kW, đủ cung cấp 400 hộ gia đình sử dụng.

Điện thủy triều sử dụng turbine khí:

Khi thuỷ triều dâng, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng được xây dựng

bên trong dải đất ven bờ biển, một phần bị chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng,

không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một turbine. Khi thuỷ triều

rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng sẽ hút không khí đi qua turbine theo

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

18

hướng ngược lại. Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện. Các

turbine này có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của

luồng khí, hình 2.3.

Hình 2. 3 Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí

Nhưng hệ thống mới này cũng có những vấn đề của nó, các máy phát dính tới

nước biển bị ăn mòn nhanh hơn nên chi phí bảo trì khá cao. Hơn nữa, máy móc đều

có kích thước lớn cồng kềnh có thể cản trở giao thông đường thủy và đời sống hoang

dã. Tuy nhiên theo tính toán của các chuyên gia, với giá thành sản xuất điện thủy triều

là 0,1USD/kilowatt, cao hơn giá khí đốt và than một chút và tương đương giá thành

của động cơ điện sức gió.

2.1.1.3 Tính toán kỹ thuật

Nguyên lý làm việc của nhà máy điện thủy triều là sử dụng thế năng độ chênh

mức thủy triều như sau: Tại vị trí eo biển hẹp có độ chênh mức thủy triều lớn người

ta xây đập chắn và đặt tổ turbine-máy phát điện. Khi thủy triều lên nước biển qua đập

chắn qua turbine vào hồ chứa, khi thủy triều xuống nước từ hồ qua turbine thoát ra

biển. Như vậy, cả hai chu trình nước biển vào, ra hồ chứa đều có khả năng quay

turbine và phát ra điện. Năng lượng thủy triều E đối với điện thủy triều kiểu turbine

1

nước được tính theo biểu thức quen thuộc sau:

2

E = 𝜌𝐴ℎ2 (2. 1)

Trong đó:

- E là công suất của nhà máy.

- A là diện tích bể chứa.

- ρ là khối lượng riêng của nước biển bằng 1025 kg/m .

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

19

- h là chiều cao thủy tĩnh.

2.1.2 Thủy điện hải lưu

2.1.2.1 Giới thiệu chung

Thủy điện hải lưu là nguồn điện được khai thác từ năng lượng của các dòng hải

lưu mậu dịch trên biển, hình 2.4. Đây là một nguồn năng lượng lớn và có thể xem

như là vô tận. Thủy điện hải lưu là một trong những ngành năng lượng mới và hiện

đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và phát triển.

Hình 2. 4 Một số dòng hải lưu lớn trên thế giới

Các nhà khoa học đã tính toán cho thấy dòng hải lưu có một năng lượng cực lớn

và nó sẽ làm quay turbine của nhà máy phát điện. Tổng cộng các dòng hải lưu trên

toàn thế giới ước tính mỗi năm có thể cung cấp 8760 kWh, tương đương khi ta đốt 1

tỷ tấn dầu mỏ để sản xuất ra điện. Ngoài ra, dòng hải lưu để phát điện sẽ không làm

ô nhiễm môi trường, không chiếm dụng điện tích đất liền, hình 2.5.

Hình 2. 5 Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện hải lưu

Ở một vài nơi trên thế giới, dòng hải lưu chảy qua eo biển hẹp, ở đó người ta có

thể lắp đặt các turbine kiểu ngập để phát điện. Tốc độ dòng luôn tăng lên khi nước

biển chảy từ một lòng dẫn sâu và rộng vào một lòng dẫn nông và hẹp. Khi nước biển

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

20

chảy qua những nơi như thế với vận tốc cao thì turbine kiểu ngập sẽ hoạt động với

hiệu suất cao. Dòng hải lưu quanh Nam Cực kết hợp với dòng hải lưu Falkland đẩy

nước biển chảy qua một eo biển hẹp có tên là Falkland Sound, ngăn cách Tây Falkland

và Đông Falkland. Tại nơi hẹp nhất (và nông nhất), eo rộng khoảng một dặm, có thể

lắp đặt turbine thuỷ. Dòng hải lưu quanh Nam Cực cũng chảy qua các eo biển tương

tự ngăn cách các hòn đảo nằm ở phía nam Tierra Del Fuego phía Chile. Ở những nơi

như thế, có thể sản xuất điện năng được từ dòng hải lưu với hiệu suất cao (trên 25%),

công trình có thể khả thi và hiệu quả về kinh tế. Có thể khai thác năng lượng theo

cách khác như đào một đường hầm dưới dải đất hẹp chia cắt hai vùng biển này.

Công nghệ xây dựng đường hầm trong đất đã được khẳng định và tiếp tục cải

thiện và phát triển. Chi phí xây dựng một đường hầm dài 16 dặm dưới nước và dưới

lòng đất ở vịnh Chignecto và eo biển Northumberland có thể cạnh tranh được với chi

phí xây dựng đập ngăn nước và turbine kiểu ngập ở cửa vào vịnh Fundy rộng 40 dặm.

Turbine trong đường hầm có thể hoạt động với hiệu suất biến đổi năng lượng trên

80% khi nước chảy nhanh trong khi thiết kế của turbine kiểu ngập sẽ chỉ hoạt động

với hiệu suất gần 45% trong nước chảy chậm. Dần dần hiệu suất cao của turbine trong

đường hầm có thể tạo ra đủ doanh số từ việc bán điện đến mức chi phí ban đầu cao

hơn là có thể chấp nhận được.

Đường hầm cho phép sử dụng năng lượng đại dương để phát điện trong vịnh

Fundy vào lúc thủy triều không thay đổi. Năng lượng này được tạo ra do dòng hải lưu

và gió tây. Turbine đường hầm hoạt động kết hợp với các trạm phát điện thuỷ triều ở

sông Saint John và vịnh Minas làm cho việc chuyển hoá điện năng từ đại dương ở

vịnh Fundy mang tính khả thi và cạnh tranh về giá cả. Trước đây ý tưởng kết hợp hai

lớp nước qua một đường hầm được xem là không thực tế. Tiến bộ của công nghệ xây

dựng đường hầm và công nghệ turbine thuỷ lực làm cho phương thức xây đường hầm

mang tính cạnh tranh ở những nơi như cực đông của vịnh Fundy và ở giữa vịnh

Placentia và vịnh Triniti.

2.1.2.3 Tính toán kỹ thuật

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

21

Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P

1

(kW) được tính bằng:

2

(3. 2) P = 𝐴𝑣3

Trong đó:

- P là công suất (kW).

- η là hiệu suất turbine.

- ρ là tỷ trọng của nước biển (1025 kg/m ).

- A là diện tích cánh turbine (m2).

- v là vận tốc dòng chảy (m/s).

2.1.3 Thủy điện sóng biển

2.1.3.1 Giới thiệu chung

Năng lượng sóng biển được khai thác từ động năng sinh ra từ sóng biển. Có

thể nói đây là một nguồn tài nguyên dồi dào và vô tận, chỉ cần 1 km2 mặt nước biển

và với những công nghệ rất bình thường là ta đã có thể tạo ra 1 nguồn năng lượng

điện rất lớn phục vụ cho con người, hình 2.6.

Hình 2. 6 Mô tả năng lượng của sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển

2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện sóng biển

Phương pháp Cockrell Raft:

Phương pháp sản xuất điện từ sóng: để thu được từ sóng người ta dùng

phương pháp dao động cột nước. Ngoài ra còn dùng một số cách khác như: Máy

cuộn sóng, máy phát điện cánh ngầm, thiết bị anaconda (Anh), hình 2.7.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

22

Hình 2. 7 Máy phát điện sóng biển cánh ngầm

Bộ biến đổi DEXA được phát minh năm 1980 bởi Christopher cockerell. Ban

đầu, Cockerell Raft bao gồm 2 cái phao nổi được lắp bản lề với nhau và được làm

ướt với 1 hệ thống truyền năng lượng thủy lực. Trong DEXA, Cockerell Raft bao

gồm 2 cái phao và 1 hệ thống thủy lực từ công nghệ ban đầu, hình 2.8.

Cockerell Raft

DEXA conveter

Cockerell Rafl

Phao đặc

Hình 2. 8 Mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp Cockrell Raft

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

23

Phương pháp DEXA:

DEXA dựa trên nguyên lý có một cái phao phẳng, di chuyển ra khỏi vị trí cân

bằng của nó. Nó sẽ lấy lại cân bằng với 1 lực của 44% trong khối lượng tổng của nó.

Bằng cách bố trí lực nổi và khối lượng tại điểm cuối bên ngoài của phao, lực nổi có

thể được tối ưu hóa chống lại tiêu hao vật liệu. Vì vậy, lực giữ thăng bằng bây giờ là

50% thay vì 44% và tiêu hao vật liệu cũng được giảm bớt khi so sánh với phao đặc.

Mỗi phao DEXA gồm 2 phao dạng ống được nối với thanh giằng chắc chắn để sự

phân phối năng lượng được tối ưu, hình 2.9.

Hình 2. 9 Cơ cấu DEXA 2 phao

Phao DEXA xuất hiện với 4 cái phao nhưng chỉ có các phao ống được nối đôi

=> vì vậy, có thể xem như chỉ có 2 phao, hình 2.10.

Hình 2. 10 Mô tả sự truyền lực trong DEXA Converler trong suốt ¼ chu kỳ sóng

Lực được sinh ra có thể nén và đẩy xylanh thủy lực, cho phép truyền năng lượng

kép. Nếu lực được tách ra n chu vi ngoài của phao nghiêng => lực sẽ là 44% (hay

50%) khối lượng tổng hay lực nổi của phao => quãng đường S tương đối lớn và lực

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

24

F yếu đi trong những giới hạn của hệ thống thủy lực. Điều này sẽ làm giảm chu vi

truyền năng lượng, hình 2.11.

Hình 2. 11 Mô tả quan hệ lực tạo ra với bước sóng

Quãng đường được giảm xuống nhưng lực được tăng lên. Khi năng lượng là

tích số giữa lực (N) và quãng đường (m) thì năng lượng không thay đổi. Mỗi sóng

với chiều cao trên giới hạn lực nâng sẽ bắt đầu chuyển động của lưu chất trong hệ

thống và phát ra điện năng.

2.1.3.3 Tính toán kỹ thuật

Giả sử mỗi phao nặng 2 tấn và lực nổi của mỗi phao như hình 2.12.

Hình 2. 12 Mô tả nguyên tắc sinh công

Chiều cao sóng được giả định là 20 cm (nơi mà làm lưu chất chảy). Chiều cao

thực tế là 60 cm với chu kỳ là 3 giây (s).

- Mỗi sóng sẽ sinh ra một lực nâng cho trọng lượng 1 tấn của phao là 9,8 kN.

- Do sử dụng bán kính truyền năng lượng của 1:4 => lực nâng để trọng lượng 4

tấn là: 4 x 9,8 kN = 39,2 kN.

Đường kính ngoài của chuyển động là: (60 - 20/2) cm = 50 cm => Do đó, bán

kính bên trong PTO là 12,5 cm.

Năng lượng do sóng sinh ra:

Q = F.S ( KJ). (2.3)

Công suất do sóng sinh ra:

P = Q/Tp = 39,2.25/3 = 1,25 kW. (2.4)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

25

Với F (kN), S (m), Tp (s).

Vì công suất trục là 1 kW nên phải giảm công suất ra bằng cách đưa sự mất mát

hệ thống thủy lực ra khỏi hệ thống.

Ta lấy mốc quy chiếu là lít/phút.

Ta sử dụng 1 xylanh 50 cm cung cấp 180 bar áp suất làm việc (chọn xy lanh

phù hợp cho 200 bar áp suất làm việc ở 39 kN ). Lưu lượng lưu chất trong 1 dao động

sóng ( kí hiệu: FLW ) được tính:

FL = r2..l = 1,52 (cm). 3,4.50 (mm) = 0,5 lít/dao động.

Tp = 3 (s) → số lần dao động n: n = 20 dao động/phút.

→ Lưu lượng lưu chất chạy qua động cơ trong 1 phút ( FLM ):

FLM = FLW.N = 0,25.20 = 5 lít/phút.

Từ datasheet của động cơ thủy lực: cứ đưa vào động cơ 1 lượng lưu chất là 4

lít/phút thì sẽ phát ra 1 kW.

Do đó, với lưu lượng là 5 lít/phút thì:

Công suất dự kiến là: 5/4 = 1,25 kW.

Công suất này trên trục động cơ thủy lực là phù hợp với dự kiến mất mát của

hệ thống thủy lực là 25 – 30%.

2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn)

2.1.4.1 Giới thiệu chung

Thủy điện dòng suối là nguồn điện được lấy từ năng lượng từ các dòng chảy

của những dòng suối nhỏ có độ dốc thích hợp. Điện năng lấy từ nước có thể được

khai thác bằng nhiều cách khác nhau, bằng cách xây dựng một đập trên một cửa sông

và xả nước một cách kiểm soát thông qua một turbine. Đây là một công nghệ đã được

sử dụng từ rất lâu trên thế giới. Thủy điện nói chung có thể khai thác với nhiều quy

mo lớn nhỏ khác nhau. Trong thực tế có thể phân loại thủy điện theo quy mô công

suất.

- Thủy điện lớn, từ 100 MW trở lên thuộc hệ thống quốc gia;

- Thủy điện vừa, 15-100 MW thường được hòa lưới khu vực;

- Thủy điện nhỏ, 1-15 MW có thể hòa lưới phân tán, nhưng dưới 1MW thường

đứng một mình hoặc hòa lưới phân tán (địa phương);

- Vi thủy điện, từ 5kW lên đến 100 kW; thường được cung cấp năng lượng cho

một nhỏ cộng đồng hay ngành công nghiệp nông thôn vùng sâu vùng xa không có

điện lưới.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

26

- Pico-thủy điện từ một vài trăm W đến 5kW, sử dụng các hộ gia đình;

Thủy điện nhỏ là sự khai thác quy mô nhỏ của năng lượng từ dòng chảy của

nước. Ví dụ: khai thác thủy năng từ một con sông địa phương để cấp năng lượng cho

một nhà máy sản xuất nhỏ hoặc một địa phương, hay một cộng đồng dân cư nhỏ mà

ở đấy lưới điện quốc gia không vươn tới được. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài

chỉ đề cập đến loại thủy điện nhỏ dòng suối.

Trong vài thập kỷ qua, đã có một nhận thức ngày càng cao ở các nước đang phát

triển. Các dự án thủy điện nhỏ có một vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế ở

các khu vực nông thôn, đặc biệt là miền núi. Các dự án thủy điện nhỏ có thể cung cấp

năng lượng cho công nghiệp, nông nghiệp. Điện năng được sản xuất thông qua một

hệ thống cơ học trực tiếp bằng các khớp nối của turbine, turbine quay và phát ra điện.

Điện năng từ thủy điện dòng suối này có thể được lấy dưới dạng:

- Trực tiếp đến các hộ tiêu thụ điện thông qua một hệ thống phân phối điện nhỏ.

- Có thể được sử dụng cho nạp ắc quy của khách hàng mang đến hệ thống này

là phổ biến tại các nơi mà không có khả năng xây dựng mạng điện phân phối do điều

kiện địa lý tự nhiên hoặc xa điện lưới quốc gia.

Điều kiện thích hợp để đặt một nhà máy thủy điện nhỏ là những nơi có sông

suối chảy quanh năm, khu vực đồi núi, hình 2.13.

Hình 2. 13 Một số hình ảnh về nhà máy thuỷ điện kênh dẫn

2.1.4.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện kênh dẫn

Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên những

dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện dòng suối lại khai thác từ nhiều dạng

thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối như mô tả trên hình 2.14.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

27

Hình 2. 14 Mô hình nhà máy thuỷ điện kênh dẫn

Các trạm thủy điện dòng suối không có yêu cầu cao về công trình thủy công

như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu qua

kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy năng

thành điện năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập

chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi.

2.1.4.3 Tính toán kỹ thuật

Đối với thuỷ điện kênh dẫn, công suất được tính toán theo công thức kinh điển

như sau:

P = 9,81ρηQH (2.5)

Trong đó:

- P là công suất (kW)

- Q là lưu lượng dòng chảy (m /s).

- H là độ chênh cột nước (m).

- ρ là tỷ trọng của nước (kg/m ).

- η là hiệu suất truyền động

Bảng 2. 1 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước

Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)

10 3-5 2

300 4-7 3

500 3-5 8

600 3-5 10

800 3-5 15

1000 4-6 20

1200 4-6 25

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

28

2.2 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN NHỎ KIỂU KÊNH DẪN

2.2.1 Giới thiệu chung

Nhà máy thủy điện nhỏ (TĐN) thường được xây dựng phân tán trải dài trên các

dòng sông, trong thành phần các hạng mục kết cầu chính không bao gồm đập ngăn.

Vì vậy, chúng không gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Một ví dụ như trên Hình 2.15,

một phần dòng chảy được đưa vào đường ống nước, còn gọi là ống dẫn áp lực dẫn

đến gian máy chảy vào turbine thủy điện (trạm thủy điện).

Hình 2. 15 Mô hình trạm thủy điện nhỏ

Cấu trúc trạm TĐN Phụ thuộc vào thiết kế hệ thống, cho đến nay, hầu như các

trạm điện kiểu này đều có kết hợp với thiết bị bù công suất đỉnh kiểu BESS (Battery

Energy Storage System) để nâng cao chất lượng điện năng đồng thời trợ giúp cung

cấp công suất đỉnh cho phụ tải khi phụ tải này vượt quá giá trị phát trung bình của

máy phát.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện nhỏ

Trong nguyên lý chuyển hóa năng lượng tại TĐN, năng lượng của dòng chảy

mà turbine nhận được dưới dạng cơ năng được chuyển hóa theo 3 cách: thế năng, áp

năng và động năng, hình 2.16:

- Thế năng được sinh ra bởi sự chênh lệch độ cao (cột nước H);

- Áp năng trong ống dẫn có thể tạo ra ở cuối đường ống;

- Động năng khai thác thông qua sự di chuyển của của khối nước

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

29

Hình 2. 16 Mô tả sự biến đổi năng lượng mà turbine nhận được

𝑃

Điều này có thể được mô tả bởi phương trình:

𝛾

𝑣2 2𝑔

E = z + + (2.6)

Trong đó, các đại lượng có đơn vị tương ứng như sau:

STT

Nội dung

Tương ứng theo hệ Tiêu chuẩn của Mỹ

Tương ứng theo hệ Tiêu chuẩn SI

cubic foot foot per second cubic foot per second Water density pound per aquare inch kW inch feet psi

7.4805 gal 0.6818 mph 448.8 gal/min (gpm) 62.428 lb/ft3 2.307 ft of water 737.56 ft-lb/s 1 inch 1 feet 14,2 psi

0,02832 𝑚3 0,3048 m/s 0,02832 𝑚3/s 1000 Kg/𝑚3 6896 N/𝑚2 1000 N-m/s 2,54 cm 0,3048 m 1 kg/cm2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Trên hình 2.17, HG được gọi là độ cao tổng thể, nó không bao gồm tổn thất

đường ống làm giảm công suất hữu cho turbine. Độ cao thực H sẽ được tính bằng độ

cao tổng thể từ đi độ cao do tổn thất trong đường ống. Các phần hao phí này xác định

theo dòng chảy định mức qua đường kính ống theo toàn bộ chiều dài gồm cả các đoạn

uốn cong, van và các khúc cua phải đi qua để tới turbine.

Hình 2. 17 Minh họa các giá trị HG và HN

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

30

2.2.3 Tính toán kỹ thuật

2.2.3.1 Tính tổn thất đường ống

Hình 2.18 chỉ ra tổn thất ma sát, được tính trên mỗi feet cột nước HG của đường

ống dài 100 feet của đường ống cho ống PVC và PE với nhiều đường kính khác nhau.

Hình 2. 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống

Ống PVC ít tổn thất do ma sát hơn và có chi phí thấp hơn so với PE nhưng ống

PE đường kính nhỏ dễ lắp đặt hơn do nó linh động hơn và có thể được mua theo cuộn

từ 10 m đến 30m. PE đường kính lớn hơn sẽ cho chiều dài ngắn hơn và đã được hàn

sẵn hai đầu. Cả 2 loại này đều cần được bảo vệ khỏi ánh nắng mặt trời vì nếu bị phơi

ra dưới tia cực tím thì các vật liệu này sẽ giòn và nứt.

(2.7)

(2.8)

Có thể tính năng lượng nhận được từ một hệ thống thủy điện siêu nhỏ như sau : P(kW) = 9.81eQ(m3/s) HN(m) Với e là hiệu suất của turbine/máy phát. Từ (2.7) với hiệu suất khoảng 50% thì : P(kW) ≈ 5 Q(m3/s) HN(m) Giả thiết rằng kích cỡ ống đã xác định được vì một lý do nào đó, có thể nó là

đường kính ống lớn nhất thuận lợi, có thể là mức có thể chịu đựng lớn nhất hoặc có

thể là kích cỡ lớn nhất có thể mua được. Câu hỏi đưa ra là liệu có một dòng chảy tối

ưu lớn nhất qua ống không ? Nếu dòng chảy càng cao, tổn thất đường ống tăng lên

và công suất phát ra giảm. Nếu dòng chảy chậm, tổn thất công suất giảm nhưng cũng

làm giảm công suất nhận được. Vì vậy, phải có một dòng chảy định mức lý tưởng

nhằm cân bằng 2 yếu tố này và tạo ra được công suất lớn nhất với mỗi kích cỡ đường

ống có sẵn.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

31 Bắt nguồn từ lý thuyết xác định công suất lớn nhất nhận được với mỗi đường

ống thẳng đứng, đường cong cho bởi hình 2.18 có thể xấp xỉ qua quan hệ :

(2.9) ΔH = k𝑄2

Với : k là hằng số bất kỳ.

(2.10)

𝑑𝑃

Công suất nhận được từ đường ống phụ thuộc vào HN với hệ số tỷ lệ xấp xỉ c: P = c𝐻𝑁Q = c (𝐻𝐺 – ΔH)Q = c(𝐻𝐺 − k𝑄2)Q Tại điểm công suất cực đại :

𝑑𝑄

(2.11) = 0 = 𝐻𝐺 − 3k𝑄2 = 𝐻𝐺 – 3ΔH

Điều này dẫn tới kết luận rằng công suất cực đại về lý thuyết nhận được bởi một

1

đường ống là :

3

(2.12) ΔH = 𝐻𝐺

Trong khi các minh họa trên cho thấy dòng chảy chậm có thể tăng công suất

nhận được bởi ống nước không có nghĩa là điều đó sẽ giúp đơn giản hóa việc đặt một

van nào đó trên đường ống để điều chỉnh. Điều này sẽ có thể gây lãng phí công suất

hơn là có lợi. Thay vì nó được xem như thiết kế miệng ống đúng đắn để điều khiển

dòng chảy mà không gây tổn thất nhiều. Và nó sẽ được chỉ ra rằng nghiên cứu đầu

tiên nhằm làm tăng công suất nhận được là luôn luôn xem xét đến một ống lớn hơn.

Giữ dòng chảy định mức dưới 5ft mỗi giây và tổn thất ma sát giảm 20% dường như

là những gợi ý thiết kế tốt.

2.2.3.2 Tính toán đo đạc lưu tốc dòng chảy

Như trên đã thấy, việc xác định lưu tốc hữu ích là cần thiết để quy hoạch và thiết

kế một hệ thống. Trong một số trường hợp, nguồn có thể quá lớn và yêu cầu cần phải

có đánh giá sơ bộ. Đối với những nguồn có lưu tốc thay đổi lớn theo mùa trong năm,

cần thiết phải có các khảo sát tính toán kỹ lưỡng trước khi đầu tư xây dựng thủy điện.

Trong trường hợp đó, các bước khảo sát, đo đạc thông thường được thực hiện thông

qua việc xây dựng biểu đồ thủy văn theo năm, mô hình tính toán được vẽ như trên

hình 2.19.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

32

Hình 2. 19 Phương pháp đo lưu tốc

Các phương pháp dự đoán lưu tốc của dòng suối có thể thực hiện theo phương

pháp từ đơn giản nhất là tính khối lượng và bấm giờ đến các phương pháp tinh xảo

hơn, bao gồm việc đo vận tốc dòng suối chảy qua mặt cắt ngang của nhánh sông sử

dụng một công tơ nước. Với các thủy điện siêu nhỏ, cách tiếp cận tốt nhất bao gồm

việc xây dựng một vách ngăn bằng gỗ dán tạm thời, tường bê tông hoặc kim loại,

được gọi là đập chắn chặn ngang nhánh sông. Độ cao của nước khi nó chảy qua rãnh

trong đập có thể được sử dụng để xác định dòng chảy.

Rãnh trong đập có thể có một số hình dạng khác nhau, bao gồm hình chữ nhật,

tam giác và hình thang. Cần phải có một bờ cứng chắc để nước không dốc thẳng đứng

ngay lập tức khi nước qua đập. Để chính xác, nó phải tạo ra một bể nước di chuyển

rất chậm phía sau nó đến mức bề mặt của nó hoàn toàn bằng phẳng khi nó chạm vào

đập và độ cao của nước từ đầu suối cần phải được đo. Các mối quan hệ hình học đối

với loại đập hình chữ nhật chỉ ra trên hình 2.19, với độ cao h là hơn 5cm hoặc 2 inch,

lưu tốc dòng chảy có thể tính được như sau :

(2.13) Q = 1.8(W – 0.2 h)h2/3 đơn vị Q (m3/s), h(m), W(m)

2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ

Nếu như năng lượng nước thể hiện qua 3 dạng: thế năng, áp năng, động năng

thì cũng có 3 cách tiếp cận khác nhau để chuyển năng lượng nước thành cơ năng cần

thiết để làm quay rotor của một máy phát điện. Turbine xung lực thu nhận động năng,

turbine phản lực chỉ giữ một vai trò khiêm tốn và biến đổi hầu hết áp năng thông qua

cánh turbine nhằm tạo ra mô men quay. Turbine xung lực hầu hết thích ứng với thủy

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

33

điện có mức nước đầu ống cao, trong khi turbine phản lực thì ngược lại, thích ứng

với mức nưới thấp dòng chảy chậm nhưng mạnh mẽ, bánh xe công tác kiểu truyền

thống sẽ chuyển đổi thế năng thành cơ năng. Việc quay chậm của bánh xe công tác

là một sự thích ứng không hiệu quả với tốc độ cao yêu cầu của máy phát, thậm chí có

thể là không áp dụng được.

Các turbine xung lực thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện siêu

nhỏ. Turbine xung lực đầu tiên được phát triển và phát minh bởi Lester Pelton năm

1880, cho đến nay những bản sao hiện đại của nó vẫn được mang tên Ông. Trong một

buồng chứa bánh xe Pelton, các ống phun nước của kim phun được đặt trên các vách

cố định. Các cánh của bánh xe được thiết kế cẩn thận để tạo ra nhiều động năng nhất.

Sơ đồ 4 đầu phun cho một bánh xe công tác Pelton được mô tả trên hình 2.20. Các

turbine này có hiệu suất thường trong khoảng 70 – 90%.

Hình 2. 20 Mô hình turbine Pelton nhiều vòi phun

Dòng chảy định mức cho một bánh xe công tác Pelton được điều khiển bởi các

kim phun. Khi nước qua một kim phun, áp lực đầu ra của nó được chuyển đổi thành

động năng xác định như sau :

𝑣2 2𝑔

(2.14) 𝐻𝑁 = trong đó 𝑣 = √2𝑔𝐻𝑁

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

34 Từ vận tốc dòng chảy v và lưu lượng Q, ta có thể xác định được đường kính ống

phun nước. Đường kính ống phun nước nhỏ hơn 10-20% so với kim phun, nhưng để

đơn giản với các hệ thống nhỏ, chúng thường có xấp xỉ nhau. Sử dụng công thức Q

= vA như (2.15), ta có thể xác định đường kính ống phun d cho turbine có n kim phun

𝜋

như (2.16) :

4

0.949

(2.15) ) n𝑑2 Q = 𝑣𝐴 = √2𝑔𝐻𝑁 (

𝑛

(𝑔𝐻𝑁)1/4 √𝑄

d = (2.16)

Thực tế, hiệu suất của những thiết kế Pelton đầu tiên không cao đối với dòng

chảy có lưu tốc lớn, bởi vì khi nước cố gắng thoát khỏi các cánh turbine sẽ gây nhiễu

tới ống phun. Từ đó, một kiểu turbine xung lực khác ra đời, được gọi là bánh xe công

tác Turgo, tương tự với Pelton, nhưng bánh đẩy có hình dạng khác và ống phun nước

đập vào cánh từ một mặt, cho phép đẩy nước tới mặt còn lại, làm giảm nhiễu đồng

thời làm quay tubin ở tốc độ cao hơn so với Pelton, cũng có nghĩa là phù hợp về tốc

độ của máy phát.

Ngoài ra, có một loại turbine xung lực khác, đặc biệt hữu ích với dòng chảy thấp

hoặc vừa (5-20m). Loại turbine này cũng được biết đến như một turbine Banki,

Mitchell hoặc Ossberger – tên của Nhà phát minh đồng thời cũng là Nhà sản xuất cho

đến nay. Các turbine này đặc biệt đơn giản để chế tạo nên phổ biến ở những nước

đang phát triển.

Với dòng chảy chậm và lưu lượng lớn, các turbine phản lực thường được sử

dụng hơn. Bánh xe công tác được tác động bởi chùm tia nước, như trường hợp turbine

xung lực, còn đối với turbine phản lực thì bánh xe công tác lại được nhúng hoàn toàn

trong nước và phát ra công suất từ khối nước chuyển động qua chúng hơn là từ vận

tốc. Hầu hết turbine phản lực được sử dụng trong thủy điện siêu nhỏ đều có bánh xe

công tác trông giống như motor chong chóng lắp ngoài. Chong chóng có thể có 3 đến

6 cánh với khớp cố định. Các chong chóng lớn hơn có thể bao gồm nhiều khớp cánh

và các đặc điểm điều chỉnh được sẽ giống với turbine Kaplan. Một ví dụ của hệ thống

truyền động góc phải được đặt trong một bình cầu có chứa hộp số giữa turbine và

máy phát gắn ngoài như hình 2.21

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

35

Hình 2. 21 Turbine Right-Angle-Drire

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Nội dung chương 2 đã phân tích khá đầy đủ về các dạng thủy điện nhỏ, ưu nhược

điểm và tiềm năng của mỗi loại khác nhau, V.V. Trong đó, yêu cầu của đề tài luận

văn là tập trung nghiên cứu phát triển dạng nguồn thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn.

Đối với các mạng điện phân tán nguồn công suất nhỏ, đặc tính mềm và siêu

mềm, vấn đề đáng quan tâm hàng đầu là ổn định điện áp cục bộ. Bản chất, đây là vấn

đề cân bằng năng lượng thu - phát. Các nhân tố tác động làm mất ổn định cân bằng

năng lượng cho hệ thống có thể đến từ hai phía, phía phát và phía thu. Về phía phát,

năng lượng có thể không đáp ứng được tức thời do khả năng huy động công suất có

giới hạn như đối với máy phát sức gió, pin mặt trời, hay có thời gian trễ lớn như lưu

tốc của dòng chảy đối với thủy điện kênh dẫn. Trong khi đó, về phía thu, đặc tính tải

tiêu thụ là không ổn định. Hơn nữa, các quá trình quá độ của thiết bị cũng gây nên

nhân tố mất ổn định lưới (ví dụ: quá trình khởi động động cơ lớn). Để giải quyết vấn

đề mất cân bằng này, hệ thống cần thiết có “vùng đệm” năng lượng. Trong một vài

chục năm gần đây, khi công nghệ FACTS ra đời đã hiện thực hóa việc ứng dụng

BESS trong các mạng điện có nguồn siêu mềm như thủy điện nhỏ đã trở thành đề tài

hớp dẫn cho các nghiên cứu. Với mỗi trường hợp cụ thể sẽ cho ra đời một đóng góp

riêng.

Tiếp sang chương 3, sẽ tiếp tục xây dựng mô hình mạng điện nguồn thủy điện

nhỏ kiểu kênh dẫn.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

36 CHƯƠNG 3 MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ

3.1 MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ

3.1.1 Giới thiệu chung

Qua phân tích tổng quan về các dạng thủy điện nhỏ trong chương 2 cho thấy để

có được một mô hình mạng điện sử dụng nguồn thủy điện nhỏ có chất lượng cao cần

thiết phải thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển để khắc phục

một một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ.

Mạng điện nguồn thủy điện nhỏ được nghiên cứu tại luận văn này là một mạng

điện điện địa phương, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài chục đến một

vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối lưới. Mô hình tổng quát

được thể hiện như trên hình 3.1

Hình 3. 1 Mô hình tổng quát mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ.

Mô hình này đại diện cho một hình thức phát triển mạng điện trong đó điện năng

được sản xuất theo công nghệ sạch, thích hợp đối với các khu vực miền núi xa xôi

hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện được bởi lý do về tính

kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho phép, mạng điện cục bộ trên cơ

sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những

cụm kinh tế địa phương, những trạm bơm nông nghiệp, chế biến nông lâm sản, phục

vụ dân sinh, V.V sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và điều

quan trong hơn nữa là bảo vệ môi trường.

Trong đó:

- Một hộ phụ tải bất kỳ thứ i nào đó tại điểm kết nối PCCi cách nguồn bằng

chiều dài đường dây là Li được phân tích thành hai thành phần, gồm:

+ Một động cơ không đồng bộ.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

37

+ Phần còn lại được đặc trưng bằng một phụ tải tính toán Sti=Pti+jQti

- Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại điểm PCC1,

đặc trưng bằng một phụ tải tính toán tổng S1=P1+jQ1.

3.1.2 Phân tích hoạt động của sơ đồ

Ưu điểm của thủy điện nhỏ:

- Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng

núi. Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm

phát triển, không có điện lưới quốc gia.

- Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng

nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao.

- Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng hồ nên

không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập quán sản xuất

và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực.

- Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu.

Nhược điểm của thủy điện nhỏ:

Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc

điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được

xây dựng kiểu kênh dẫn như mô tả trên hình 3.2

Hình 3. 2 Mô hình một số của trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn

Đối với trạm thủy điện nói chung, công suất của một máy phát thủy điện có thể

được tính qua biểu thức:

(3.1)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

38

(3.2)

Trong đó:

- Pđm là công suất định mức của máy phát điện [kW].

-  là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát.

- q là lưu tốc của dòng nước qua turbine [m3/s].

- h là cột nước làm vệc của turbine [m].

- Tm là mô men cơ của turbine [Nm].

-  là tốc độ quay của turbine [rad/s].

-  = g = 9810.

Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện thông qua

điều chỉnh đại lượng q. Trong khi đó, đại lượng h được xem như có giá trị hằng (ít

thay đổi theo từng giờ). Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn đề điều chỉnh lưu lượng

q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển, nhưng

với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không?

Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong

quá trình điều chỉnh lưu tốc q có nẩy sinh một số hạn chế:

 Giới hạn trên của phạm vi điều chỉnh hẹp ( 1,1).

 Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời gian

trễ lớn. Xem hình 3.3, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm

đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến

thời điểm 6,3s (sau hơn100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức.

Hình 3. 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

39 Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát cả về hai

yếu tố là:

- Khả năng quá tải.

- Đáp ứng huy động công suất đỉnh cho các chế độ khởi động.

Trong khi đó, phụ tải thực tế lại luôn có những đòi hỏi này:

Giả thiết, có một máy sát thóc sử dụng động cơ không đồng bộ hoạt động, chế độ

khởi động của động cơ đòi hỏi công suất đỉnh lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức. Khi

đó, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số nhược điểm cụ thể như sau:

1- Nhược điểm thứ nhất: Máy phát không thể huy động kịp thời công suất

cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát đang vận

hành ở mức cao (Kpt 0,7).

2- Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm giảm

chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi

động có thể không thành công, hoặc gây mất ổn định nghiêm trọng dẫn đến

bảo vệ tác động cắt nguồn.

Trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu ra, nhưng để

áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp. Ví dụ:

 Biện pháp giảm thấp công suất vận hành máy phát ở mức Kpt = (0,6  0,7): Làm

giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên.

 Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế,

hệ số tận dụng động cơ thấp.

 Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của

tải khách hàng.

Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó

kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1, PCC2, hay PCC3) và

khả năng đáp ứng của nguồn thủy điện nhỏ, các lượng tổn thất điện áp và tổn thất

công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường

hợp cụ thể sau.

Trường hợp thứ nhất: Máy phát vận hành đầy tải, Kpt 1 với các thông số tính

toán như sau:

 Các thông số suất định mức của máy phát:

SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

40

Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:

 Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i, trong đó

gồm:

- Một phụ tải tĩnh: St= (25+j15) kVA.

- Một phụ tải động: Động cơ 7 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85.

 Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:

S1 = (40+j15) kVA

Áp dụng lý thuyết tính toán mạng điện, các phép tính được thực hiện trong

phần mềm Excel cho các kết quả trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Các số liệu tính toán mạng điện

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

41

Nhận xét 1:

- Tổn thất điện áp trên đường dây Li lớn quá mức cho phép, U=11,30%.

- Tổn thất công suất công suất trên đường dây Li lớn, P=11,30% làm cho các

phụ tải cuối đường dây không nhận đủ công suất danh định.

- Khi động cơ khởi động:

+ Máy phát chịu dòng khởi động vượt quá định mức 47,30%. điều này hệ

turbine–máy thủy điện nhỏ không có khả năng thực hiện được.

+ Sụt áp trên đường dây Li lớn, U=94V gây dao động điện áp ảnh hưởng chất

lượng điện năng.

Trường hợp thứ hai: Hạ thấp công suất vận hành của máy phát,

Kpt0,62 với các thông số tính toán như sau:

 Các thông số suất định mức của máy phát:

SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85

Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:

 Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcci, trong đó

gồm:

- Một phụ tải tĩnh: St= (25+j15) kVA.

- Một phụ tải động: Động cơ 7 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85.

 Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:

S1 = (10+j5) kVA

Tính toán tương tự cho ta kết quả trong bảng 3.2

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

42 Bảng 3.2. Các số liệu tính toán mạng điện

Nhận xét 2:

Kết quả tính cho thấy: nếu vận hành máy phát 85 kVA với hệ số mang tải là Kpt

= 62 % thì khi động cơ 7 kW khởi động máy phát chịu quá tải vượt quá định mức

10,3%. Ở mức này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ có thể đáp ứng được.

Như vậy, biện pháp này tuy giảm nhẹ áp lực quá tải cho máy phát, nhưng xét

về tính kinh tế vận hành thì không chấp nhận được bởi hệ số mang tải quá thấp không

khai thác hiệu quả công suất đặt của máy phát và lãng phí tài nguyên ứng dụng (nguồn

thủy năng).

Trong trường hợp này, ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng ăcquy (tên tiếng

Anh là Battery Energy Storage System - viết tắt là BESS) để khắc phục một số nhược

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

43

điểm của mạng điện nguồn thủy điện nhỏ (MĐNTĐN) là một giải pháp hoàn toàn

hợp lý.

3.1.3 Đề suất ứng dụng BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ

Vai trò của BESS thể hiện ở chỗ, nếu tải có công suất đỉnh vượt công suất máy

phát hay dòng chảy đỉnh của kênh dẫn, lúc này về bản chất, hệ thống mất cân bằng năng

lượng vào-ra. Chính vì vậy, BESS đóng vai trò như một thiết bị bù nhằm khôi phục trạng

thái cân bằng. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiện thực hóa một phương án kỹ thuật

khả thi cho mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ: Sử dụng BESS ổn định chất lượng điện áp,

san tải và bù công suất đỉnh cho MĐCBTĐN kiểu kênh dẫn.

Cấu trúc mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS kết nối tại điểm PCC được

chỉ ra trên hình 3.4

Hình 3. 4 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS

Tiếp theo ta nghiên cứu về cấu trúc và hệ điều khiển BESS.

3.2 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ẮC QUY (BESS)

3.3.1 Giới thiệu chung

BESS (Battery Energy Storage System) là một thiết bị bù song song thuộc hệ

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) là hệ thống bao gồm các

thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng

khả năng truyền tải công suất trên đường dây. Về cấu trúc, một BESS hoàn chỉnh cần

phải có ba yếu tố chính là:

- Thiết bị điện tử công suất PCS (power conditioning system), trong trường hợp

này sử dụng bộ biến đổi công suất hai chiều (đôi khi gọi là biến tần 4Q), cụ thể hơn

là bộ chỉnh lưu PWM cầu ba pha IGBT-Diode;

- Kho tích trữ năng lượng dùng ác quy. Những trường hợp khác có thể dùng

siêu tụ hay kho từ bằng các cuộn cảm siêu dẫn…

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

44 - Hệ điều khiển cho quá trình tích cũng như phóng năng lượng theo các kịch

bản thiết kế.

Chi tiết một cấu trúc mạch lực BESS được mô tả trên hình 3.5

Hình 3. 5 Mô hình mạch lực của BESS

3.3.2 Bộ biến đổi công suất

Việc lựa chọn bộ biến đổi công suất để ứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn

đề quan trọng đảm bảo chất luợng điện năng cho lưới điện, một cách lựa chọn đơn

giản có thể sử dụng hai bộ cầu thyristor mắc song song ngược. Tuy nhiên hệ thống

này đã thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đóng cắt thấp do đó

không thể ứng dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung tần số cao, phát sinh

nhiều sóng hài, tồn tại dòng cân bằng… Vì vậy, trên hình 3.5 bộ biến đổi công suất

sử dụng cầu ba pha IGBT là giải pháp được lựa chọn nhiều nhất hiện nay.

Trong đó, cấu tạo nguyên lý làm việc phần tử bán dẫn IGBT được phân tích:

 Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT:

IGBT (trasistor có cực điều khiển cách ly) là phần tử kết hợp đóng cắt nhanh

của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Điều khiển van IGBT

thực hiện điều khiển theo điện áp.

Hình 3. 6 Cấu trúc và ký hiệu IGBT a) cấu trúc bán dẫn, b) cấu trúc tương đương với một transistor npn và một

MOSFET, c) Sơ đồ tương đương, d) ký hiệu.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

45 Trên hình 3.6 giới thiệu cấu trúc van IGBT, cấu trúc tương đương và ký hiệu

IGBT. Đây là một van IGBT kiểu nghịch loại n-p-n-p. Trong đó, G là cực điều khiển

được cách ly hoàn toàn với cấu trúc lớp bán dẫn còn lại bằng một lớp điện môi rất

mỏng và có độ cách điện lớn đioxit-silic (SiO2), E là cực Emitơ cực này có cấu trúc

bán dẫn loại n, C cực colecter có cấu trúc lớp bán dẫn loại p. Giữa các lớp bán dẫn

hình thành tiếp giáp JGE và JGC, khi có điện trường giữa các điện cực sẽ xuất hiện

điện tích trái dấu tạo nên các tụ ký sinh CGE và CGC tại đó, làm ảnh hưởng tới quá

trình đóng, mở van.

 Nguyên lý hoạt động đóng, mở van IGBT:

Hình 3. 7 Sơ đồ khai triển cấu tạo và mô tả nguyên lý làm việc của IGBT

Để thấy được nguyên lý đóng, mở một van IGBT khảo sát sơ đồ đơn giản như

hình 3.7. Điốt Do được mắc song song với Tải điện cảm L nhằm mục đích bảo vệ quá

sức điện động cho van trong quá trình khoá van. Điốt D được mắc song song với van

IGBT với mục đích bảo vệ và tăng khả năng mở, cũng như khoá van bằng cách tạo

đường phóng cho các tụ ký sinh trong thời gian ngắn. Udc là nguồn một chiều cung

cấp cho tải và điện áp giữa hai cực colecter-Emiter (UCE > 0).

 Quá trình mở:

Trên hình 3.8, khi điện áp UCE = Udc > 0 khi van đang khoá do đó để mở van thì

xung điều khiển đưa vào cực G tăng dần từ 0 đến UG, trong khoảng thời gian trễ khi

mở td(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ CGE làm điện áp UGE tăng theo quy luật

hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng UGE(th) thì van bắt đầu được mở dòng điện giữa

Colecter-Emiter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải Io trong thời gian

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

46

tr. Trong thời gian này điện áp giữa cực điều khiển và cực Emiter cũng tăng đến giá

trị UGE.Io. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải lên điện áp UCE vẫn được giữ không đổi

bằng điện áp nguồn Udc.

Tiếp theo quá trình diễn ra theo hai giai đoạn tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn

này điện áp giữa cực điều khiển và Emiter giữ nguyên ở mức UGE.Io, để duy trì dòng tải

ở mức Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ CGE nên IGBT vẫn làm

việc trong chế độ tuyến tính, trong giai đoạn tfv1diễn ra quá trình phục hồi tính chất khoá

của diode Do, dòng phục hồi diode Do tạo ra xung dòng trong dòng tải Io. Điện áp UCE

bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão

hoà. Trong giai đoạn tfv2 tiếp tục giảm điện trở giữa hai điện cực Colecter-Emiter đến giá

trị Ron lúc này khoá mở bão hoà đồng thời tụ CGE phóng điện xong. Sau đó nó lại được

nạp tiếp làm điện áp giữa cực điều khiển và Emiter tiếp tục tăng theo hàm số mũ đến

khi bằng UG với hằng số thời gian RG.CGE.

Hình 3. 8 Đặc tính đóng mở van IGBT

 Quá trình khoá:

Quá trình khoá bắt đầu tại thời điểm tc trên hình 3.8 khi điện áp điều khiển giảm

từ UG xuống -UG trong thời gian trễ khi khoá td(off) chỉ có tụ CGE phóng qua cực điều

khiển đầu vào với hằng số thời gian RG.CGE, tới mức điện áp UGE.Io (mức Miller), mức

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

47

điện áp này được giữ không đổi do điện áp UCE bắt đầu tăng lên và tụ CGE bắt đầu

được nạp điện. Dòng điều khiển lúc này hoàn toàn là dòng nạp cho tụ CGE.

Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hoà UCEon tới giá trị điện áp nguồn Udc sau khoảng

thời gian trv. Cuối khoảng thời gian này điốt Do bắt đầu dẫn làm ngắn mạch dòng tải Io, do

đó dòng colecter bắt đầu giảm, quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn:

+ Giai đoạn tfi1 thành phần dòng điện i1 của MOSFET của cấu trúc van suy giảm

nhanh chóng về không điện áp UGE ra khỏi mức Miller. Và giảm về mức điện áp điều

khiển –UG. với hằng số thời gian RG.(CGE+CGC). Ở cuối khoảng tfi1, UGE đạt mức

ngưỡng khoá của MOSFET(UGE(th)) làm MOSFET khoá hoàn toàn.

+ Giai đoạn tfi2 thành phần dòng i2 của tranzitor p-n-p bắt đầu suy giảm, quá

trình suy giảm này có thể rất dài do quá trình tự trung hoà điện tích trong lớp bán dẫn

n-, khi i2 bằng không tranzitor khoá hoàn toàn.

Như vậy để điều khiển đóng hoặc mở một van IGBT kiểu nghịch phụ thuộc vào

hai điều kiện UCE >0 và tín hiệu điện áp điều khiển UG. Khả năng đóng cắt của van

rất cao vì cấu tạo giống như MOSFET, khả năng chịu dòng tải lớn do tính chất giống

Tranzitor thường nên được ứng dụng trong dải công suất lớn. Khi các van là các phần

tử tạo lên các bộ biến đổi công suất thì thời điểm van khoá hoàn toàn rất quan trọng

để tránh hiện tượng ngắn mạch qua các van. Tổn thất năng lượng trên van trong quá

trình khoá và mở là rất nhỏ.

3.3.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất

Cuộn cảm đầu ra có vai trò quan trọng đối với các bộ chỉnh lưu tích cực được

điều khiển theo phương pháp PWM, nó vừa làm khâu tích phân để nâng cao chất

lượng nguồn một chiều, vừa mang đặc tính nguồn dòng đầu vào làm tăng thế của bộ

chỉnh lưu phía một chiều. Thật vậy, xét trường hợp tại thời điểm điện áp pha A dương

nhất, điện áp pha C âm nhất, lúc đầu điốt Đ1 và Đ2 dẫn dòng để nạp cho tụ từ nguồn,

sau đó bộ phát xung cho T5 với tần số cao làm dòng điện qua cuộn cảm biến thiên

nên xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại sự biến thiên đó, sức điện động này

cùng chiều với sức điện động nguồn vì vậy mà điện áp phía một chiều bộ chỉnh lưu

tích cực cao hơn so với các chỉnh lưu thông thường.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

48 Lựa chọn thông số cuộn cảm phù hợp là vấn đề khó khăn, bởi lẽ nếu cuộn cảm

có trở kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ

thuộc vào nhiều trở kháng đường dây. Cảm kháng có trở kháng lớn làm giảm độ nhấp

nhô dòng điện và đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp

rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Vì vậy giá trị giới hạn cuộn

cảm được tính như sau:

(3.3)

Trong đó: Em biên độ sức điện động phía xoay chiều.

iLD dòng điện qua cuộn cảm;

Udc Điện áp một chiều;

ω tần số góc điện áp lưới.

3.3.4 Kho tích trữ năng lượng một chiều

Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một chiều Vdc.

Được tạo thành từ việc phối hợp ghép nối tiếp và song song các ắcquy 12V (hoặc 24V)

để có được giá trị điện áp tương ứng với công suất theo yêu cầu của hệ thống.

Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị hiệu

quả kinh tế cao. Trên thế giới nhiều nước đã áp dụng công nghệ ắcquy khác nhau

như: ắcquy chì, ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2), ắcquy Solium-Sulfur

(Na/S), ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad), ắcquy Lithium Ion,…

- Ắcquy chì là loại ắcquy xuất hiện từ rất sớm. Nó bao gồm bản cực âm là chì

và bản cực dương là chì oxit, dung dịch axit sulfuric làm điện môi. Hiện nay loại

ắcquy này đã được phát triển và cải tiến mạng lại nhiều lợi ích hơn, đặc biệt là giá

thành và độ tin cậy. Tuy nhiên một hạn chế của loại ắcquy này là hoạt động kém ở

nhiệt độ thấp.

- Ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2) còn được biết đến với cái tên

ắcquy ZEBRA. Loại ắcquy này có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (-40o ÷ 70o),

có đặc tính an toàn cao. Tuy nhiên loại ắcquy này lại có độ tích trữ năng lượng và

mật độ năng lượng không cao.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

49 - Ắcquy Sodium-Sulfur (Na/S) bao gồm Natri dạng lỏng làm điện cực dương và Sulrur dạng lỏng làm điện cực âm. Loại ắcquy này vận hành ở nhiệt độ (300o ÷ 350oC), do vậy cần có vỏ cách nhiệt tốt để chống tổn thất nhiệt. So với ắcquy chì thì

nó nhỏ hơn, nhẹ hơn và gọn hơn về kích thước.

- Ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad) là loại ắcquy có độ tin cậy cao, có đời sống

tính theo số chu kỳ nạp xả thuộc loại dài nhất, nhưng lại có mật độ năng lượng thấp. Bên

cạnh đó Cadmium là loại hóa chất độc nên ảnh hưởng nhiều đến môi trường.

- Ắcquy Lethium Ion là loại ắcquy tương đối mới, có nhiều ưu điểm nổi trội hơn

các thế hệ ắcquy trước đó như cho mật độ nạp rất cao (khối lượng nhẹ nhưng có thể

trữ được năng lượng cao), đời sống chu kỳ phóng nạp cũng rất cao.

Hiện nay, nhiều công nghệ chế tạo ắcquy đã được ứng dụng vào sản xuất như

công nghệ Nickel-Cadmium, Nickel-Metal, Lithium-Ion nhưng giá thành sản xuất rất

cao nên đã có một số công nghệ giá thành sản xuất ban đầu dẻ hơn như Soldium-Sunfur,

Zinc-Bromine, ắcquy axit điện cực chì (lead acid batteries). Tuy nhiên thời gian làm việc

thường ngắn sau 100.000 lần nạp, phóng điện, tri phí bảo dưỡng cao.

 Mô hình tương đương của ắcquy:

Đối với một ắcquy bất kỳ đều có thể được mô hình hóa như một sơ đồ máy điện

Thevenin như hình 3.9. Trong đó:

- Eb là điện áp hở mạch.

- RBS là điện trở tương đương (điện trở trong và điện trở ngoài) của bộ ắcquy

(gồm các ắcquy nối song song và nối tiếp). Thường RBS có giá trị nhỏ.

- Mạch song song R2 và Cb mô tả năng lượng và điện áp trong quá trình nạp và

phóng ắcquy. R2 song song với Cb đại diện cho quá trình tự phóng của ắcquy. Bởi

dòng tự phóng của ắcquy là rất nhỏ nên R2 có giá trị lớn.

Hình 3. 9 Sơ đồ tương đương của ắcquy

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

50

Phương trình điện áp đầu cực ắcquy viết được là:

(3.4)

Trong đó:

(3.5)

Tụ điện Cb được xác định bằng dung lượng của ắcquy theo công thức:

(3.6)

Trong đó

- Cb là điện dung tương đương của ắcquy.

- Vbmax và Vbmin lần lượt là giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất khi hoạt động của

ắcquy.

Phân tích quá trình phóng điện của ắcquy:

Trong sử dụng ắc quy, việc nghiên cứu đặc tính phóng điện (xả điện) là một vấn

đề kỹ thuật rất quan trọng. Nó liên quan đến đặc tính khai thác sử dụng, tính toán

dung lượng và tuổi thọ của ắc quy.

Khi ắcquy được nối với phụ tải mạch điện ngoài tuỳ thuộc vào phụ tải, nhiệt độ

trong mỗi ngăn, giá trị dòng điện lớn hay nhỏ mà thời gian phóng điện khác nhau.

Đường cong biểu diễn quá trình phóng điện ắcquy 12V/100Ah phụ thuộc vào dòng

phóng ở 25oC như hình 3.10.

Hình 3. 10 Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

51 Trong quá trình phóng theo thời gian, giá trị điện áp phóng giảm rất nhanh, làm

điện áp ắcquy giảm xuống rất nhỏ, điều này làm ảnh hưởng sấu tới khả năng tích trữ

năng lượng, do đó phải thiết lập hệ thống giới hạn điện áp cuối khi phóng điện (Uf),

trong khoảng thời gian giữa 1h và 20h điện áp cuối được giữ ở giá trị 1,75V, đôi khi

giá trị này còn thấp hơn Uf =1V.

Để tính toán năng lượng và công suất ắcquy cung cấp cho tải thường sử dụng

giá trị điện áp phóng trung bình (mean voltages) trên hình 3.10.

Gọi điện dung của ắcquy Cd được xác định theo các đại lượng điện,và được giữ

ở giá trị hằng số trong suốt quá trình phóng điện cho đến khi đến giá trị Uf. Khoảng

thời gian ắcquy phóng điện cho đến khi đạt giá trị Uf được biểu diễn trên hình 3.10.

Theo các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước, giá trị điện dung Cd được giới hạn

bởi giá trị dòng điện phóng mà nó có thể đáp ứng được. Giả sử ở nhiệt độ 20oC, sau

thời gian 20h (Cd20) hoặc 5h (Cd5) thì Uf = 1,75V các giá trị điện dung này là các giá

trị định mức. Trong điều kiện làm việc bình thường giá trị điện dung trong quá trình

phóng không được thấp hơn 80% dung lượng định mức.

Mối quan hệ giữa giá trị điện dung và dòng điện làm việc theo công thức kinh

nghiệm của Peukert năm 1898.

với (3.7)

Trong đó: K, n là các giá trị hằng số, n=1,3 còn hệ số K phụ thuộc vào nhiệt độ,

nồng độ dung dịch H2SO4 khi thiết kế ắcquy.

Năng lượng (Ed) được cung cấp bởi ắcquy trong suốt thời gian phóng điện với

điều kiện dòng điện phóng được giữ là giá trị hằng số bằng giá trị năng lượng của

điện áp trung bình tạo bởi các giá trị điện dung ở nhiều ngăn. Sự phụ thuộc của giá

trị điện áp trung bình và năng lượng Ed vào dòng điện phóng như hình 3.11. Từ đặc

tính thấy rằng khi dòng điện phóng tăng năng lượng cung cấp sẽ giảm dần rất nhanh

vì vậy để kéo dài thời gian làm việc của ắcquy 3h đến 10h cần phải được điều chỉnh

dòng phóng một cách thích hợp, thông thường giá trị năng lượng được cung cấp chỉ

đạt 80% giá trị định mức.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

52

Hình 3. 11 Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng

Tuổi thọ của ắcquy được đánh giá bằng chu kỳ phóng, nạp điện của ắcquy, được

kiểm tra bằng tiến hành các thí nghiêm. Quá trình thí nghiệm được kết thúc khi giá

trị điện dung giảm nhỏ hơn 80% giá trị định mức, Tuy nhiên trong thực tế thì thời

gian làm việc của ắcquy có thể dài hơn hoặc ngắn hơn vì khi thí nghiệm trong điều

kiện lý tưởng đã bỏ qua các yếu tố về tự nhiên như nhiệt độ, môi trường tại nơi làm

việc.

3.3 MÔ HÌNH BESS TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ

3.3.1 Mô hình hóa BESS

Từ sơ đồ trên hình 3.4, có thể coi BESS như một nguồn áp tại điểm kết nối PCC

với mạch điện điện ba pha như hình 3.12a và bộ biến đổi BESS được mô hình hóa

như hình 3.12b [16],[18].

Hình 3. 12 Mô tả BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ

a) Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi; b) Cấu trúc bộ biến đổi BESS

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

53

Trong đó, bộ biến đổi BESS làm việc như một biến tần bốn góc phần tư có thể

cho phép các thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng qua lại theo hai

chiều ngược nhau tuân theo luật điều khiển [6], [7].

Điểm kết nối PCC có thể xem như phân chia mạch điện thành hai phía, giá trị

điện áp tại đó đại diện cho cân bằng giữa điện áp phía lưới upcc với điện áp uB của

BESS. Từ hình 3.12b, các quá trình trao đổi công suất của BESS với lưới tại điểm

PCC được mô tả bằng sơ đồ thay thế như hình 3.13

Hình 3. 13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS

Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ ba pha abc:

Giả thiết nguồn điện ba pha lý tưởng, các mô tả toán học được viết trong hệ ba

pha abc bằng hệ phương trình vi phân sau:

+ Từ hình 3.13 ta có phương trình cân bằng điện áp của bộ biến đổi BESS theo

hệ ba pha abc:

(3.8)

Trong đó:

- uPCCa, uPCCb, uPCCb là điện áp tại điểm kết nối chung theo từng pha.

- uBa, uBb, uBc là điện áp thay thế bộ biến đổi BESS.

- iBa, iBb, iBc là dòng điện của bộ biến đổi BESS theo từng pha.

- R, L là điện cảm đầu vào bộ biến đổi BESS.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

54

Hay viết dưới dạng ma trận:

(3.9)

Từ phương trình (3.9) có thể biểu diễn dưới dạng mô hình tín hiệu trung bình

trên hình 3.13.

Hình 3. 14 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc

Nhận xét: Trên cơ sở mô hình này có một số phương pháp điều khiển tương tự

được đưa ra. Ví dụ như phương pháp điều khiển kiểu hai điểm (hysteresis). Tuy nhiên,

để áp dụng những phương pháp điều khiển số cần thiết phải mô tả BESS bởi hệ tọa

độ dq.

Mô hình bộ biến đổi BESS trong tọa độ dq:

Ứng dụng chuyển đổi tọa độ Park cho phương trình (3.9) chuyển sang hệ tọa độ

quay dq tựa điện áp tại điểm kết nối chung PCC ta có:

(3.10)

suy ra:

(3.11)

Trong đó: Tdq ma trận chuyển hệ tọa độ Park, nên có:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

55

(3.12)

và:

(3.13)

thay vào phương trình (3.12) ta có:

(3.14)

Từ phương trình (3.14) có mô hình bộ biến đổi BESS trên tọa độ quay dq tựa

điện áp tại điểm PCC, hình 3.18.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

56

Hình 3. 15 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới

Từ đó ta có mô hình toán học bộ biến đổi BESS trên miền toán tử Laplace như

hình 3.16.

Hình 3. 16 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace

Nhận xét: Mô hình dòng phía lưới là mô hình tuyến tính nhiều đầu vào ra

(MIMO). Vì vậy có thể áp dụng được các thuật toán điều khiển tuyến tính cho mô

hình đối tượng trên:

- Trục d: Đại diện cho điều khiển thành phần công suất tác dụng P

- Trục q: Đại diện cho điều khiển công suất phản kháng Q

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

57

3.3.2 Phương pháp điều khiển BESS

3.3.2.1 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển

Để đáp ứng nhiệm vụ đặt ra cho hệ BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ,

cấu trúc điều khiển hệ BESS được xây dựng như hình 3.16.

Hình 3. 17 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Nguyên lý hoạt động của hệ điều khiển như sau: Ở chế độ làm việc bình thường,

phụ tải được cấp công suất tác dụng từ nguồn thủy điện còn công suất phản kháng thì

có thể được nhận từ BESS để giảm các tổn thất trên đường dây và đảm bảo duy trì

điện áp trên tải theo giá trị mong muốn. Đây là nhiệm vụ của bộ điều khiển theo trục

q bằng cách thay đổi công suất phản kháng Q (thông qua thành phần dòng iBq). Trong

những khoảng thời gian máy phát non tải (Kpt  80% PđmMF) thì BESS làm việc ở chế

độ nạp tích năng lượng. Khi có động cơ lớn khởi động thì phần lớn hoặc toàn bộ công

suất huy động cho chế độ khởi động sẽ được BESS đáp ứng, còn máy phát tiếp tục

đảm bảo duy trì chế độ làm việc của động cơ sau khởi động. Đây là nhiệm vụ của bộ

điều khiển trục d bằng cách thay đổi công suất tác dụng P (thông qua thành phần dòng

iBd). Để đạt được mục tiêu này, bộ điều khiển được thiết kế gồm những khối cơ bản

làm việc trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp như sau:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

58 - Bộ điều chỉnh dòng điện Ri điều chỉnh 2 thành phần dòng một chiều iBd (đại

diện cho thành phần công suất tác dụng), iBq (đại diện cho thành phần công suất phản

kháng) của bộ biến đổi BESS.

- Bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối PCC có tác dụng cải thiện động học

điện áp tại điểm này khi xuất hiện các biến thiên điện áp.

- Bộ điều chỉnh công suất tác dụng điều chỉnh quá trình trao đổi năng lượng

giữa bộ biến đổi BESS và battery với lưới điện.

Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp:

Chức năng: Xác định góc tựa θ (góc đồng bộ) điện áp lưới để chuyển hệ tọa.

Một phương pháp đơn giản quen thuộc được dùng để xác định góc θ là sử dụng hai

thành phần điện áp u trong hệ tọa độ tĩnh αβ bằng công thức:

(3.15)

Trong đó:

Được biểu diễn thông qua đồ thị vector như hình 3.17.

A

Hình 3. 18 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp

Tuy nhiên, phương pháp tính góc θ như trên không bền vững và rất nhạy với

nhiễu lưới điện. Do đó ta sử dụng phương pháp vòng khóa pha (PLL) hiệu quả hơn,

nội dung phương pháp như sau:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

59 Giả thiết nguồn ba pha cân bằng, theo công thức chuyển đổi Park cho điện áp

từ tọa độ abc sang tọa độ quay dq tựa điện áp hình 3.12:

(3.16)

(3.17)

Trong đó:

là góc tựa đầu ra khối PLL.

- θ*

là góc pha điện áp nguồn.

- θ

Từ phương trình (3.12) viết được:

(3.18)

Với ∆θ là sai lệch góc tựa và góc pha. Nếu ∆θ = 0 áp dụng công thức xấp xỉ tính

được: ud = u, uq = 0. Vì vậy, khi điều chỉnh được thành phần điện áp uq = 0 thì sẽ có

được thông tin về góc pha điện áp. Đó là nguyên tắc để có được cấu trúc khối đồng

bộ tựa điện áp như hình 3.19. và dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới như hình 3.20.

Hình 3. 19 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

60

Hình 3. 20 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng

Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS:

Phương pháp phát xung hoàn toàn phụ thuộc vào nguyên lý của bộ điều khiển.

Trong kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi công suất thường áp dụng một số phương pháp

phát xung điển hình sau:

- Sử dụng bộ điều khiển kiểu 2 điểm.

- Phát xung kiểu sinPWM.

- Phát xung kiểu SVM.

a) Phát xung kiểu hai điểm ứng dụng kỹ thuật analog. Trước đây, cho điều khiển

BESS hầu hết đều ứng dụng phương pháp này.

Ưu điểm:

+ Đáp ứng nhanh, nếu van bán dẫn có tần số đóng cắt đủ lớn.

+ Giá thành rẻ, do được xây dựng từ phần tử đơn giản như: khuyếch đại thuật toán...

Nhược điểm:

+ Đập mạch dòng điện lớn trong chế độ xác lập.

+ Tần số đóng cắt lớn và không cố định, khi độ rộng băng trễ hẹp tần số đóng

cắt có thể tới 40kHz gây tổn thất van lớn nên hạn chế đến giới hạn trên dải công suất của

BESS. Tần số có thể thấp trong dải âm tần gây khó chịu cho người vận hành.

+ Không chính xác do hiện tượng trôi điểm không, ảnh hưởng nhiệt độ do bộ

điều khiển sử dụng phần tử tương tự, khuyếch đại thuật toán V.V...

b) Phát xung kiểu sinPWM có ưu điểm hơn là đã khắc phục được một số nhược

điểm của phương pháp hai điểm [13], [19], [21], tuy nhiên phương pháp này vẫn còn

tồn tại một số nhược điểm như đã đề cập trong [13].

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

61 c) Phát xung kiểu điều chế vector không gian SVM (thực chất là một dạng đặc

biệt của phương pháp sinPWM), nội dung và các ưu điểm nổi trội của phương pháp

này đã được ứng dụng và phân tích kỹ trong tài liệu [6], [7], [10], [11], [13].

Tuy nhiên, kiểu phát xung luôn phải phù hợp với phương pháp thiết kế điều

khiển. Vì vậy, trong đề tài này, hai phương pháp đầu đương nhiên là không còn thích

hợp. Hơn nữa phương pháp phát xung kiểu SVM có nhiều lợi thế cho mục tiêu của

đề tài là nghiên cứu ứng dụng BESS trong MĐCBTĐN có đề cập đến một số vấn đề:

- Nâng cao chất lượng điện năng cho MĐCBTĐN (trong đó đòi hỏi thỏa mãn

điều kiện THD5%).

- Giảm nhỏ tất cả các dạng tổn thất kể cả trên lưới cũng như trong thiết bị BESS. Trong

khi đó, tần số đóng cắt của phương pháp SVM có thể giảm nhỏ đến 2 kHz.

- Phương pháp SVM thuận lợi cho số hóa và cải thiện các khối con trong bộ

điều khiển, tạo điều kiện cho ứng dụng các vi xử lý mạnh và khả năng tích hợp thêm

các tính năng cho BESS [6], [7].

- Hệ số tận dụng khả năng điện áp một chiều cao hơn phương pháp sinPWM.

Nội dung của phương pháp điều chế vector không gian SVM được phân tích rất

kỹ lưỡng trong tài liệu [6]. Nhân đây, để tối ưu hóa trạng thái đóng cắt các van nhằm

giảm tổn thất trong bộ biến đổi của BESS ta chọn kiểu điều chế đối xứng.

Cụ thể, thuật toán điều chế vector không gian được thực hiện qua các bước sau:

Bước 1. Xác định vector biên:

Vector biên được xác định từ các trạng thái van được phép. Ứng với mỗi trạng

thái van được phép, tính ra được vector điện áp. Vector này có độ dài và vị trí xác

định gọi là các vector biên.

Có ba nhánh van nên số khả năng chuyển mạch là 23 = 8. Sơ đồ chuyển mạch ba cặp

van với 8 khả năng chuyển mạch ứng với 8 vector được thể hiện như hình 3.20.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

62

Hình 3. 21 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van

Các vector biên này sẽ chia mặt phẳng tọa độ αβ thành 6 sector (từ S1 đến S6)

như hình 3.21.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

63

Hình 3. 22 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ

Bước 2. Xác định vị trí của vector điện áp đặt Uref :

Xác định vector Uα Uβ và góc θ cho phép ta xác định được vị trí của vector điện

áp đặt Uref nằm trong góc phần 6 nào trong hệ toạ độ αβ.

(3.19)

Bước 3. Xác định tỷ số điều biến:

Cách tổng hợp vector đặt Uref trong sector 1 được chỉ ra trên hình 3.22.

Hình 3. 23 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1

(3.20) Uref = d1.U1 + d2.U2

Trong đó: d1 và d2 là tỷ số điều biến của các vector chuyển mạch khác không

của vector U1 và U2. Chúng có thể được tính như sau:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

64

(3.21)

Trong đó: Uref là biên độ của vector đặt Uref và θ là góc giữa U1 và Uref . Phần

còn lại của thời gian chuyển mạch được điều khiển bởi các vector chuyển mạch không

(zêro). Tỷ số điều biến dz của vector chuyển mạch zêro được xác định:

dz = 1 – d1 – d2 (3.22)

Khoảng thời gian thực hiện các vector biên được tính như sau:

(3.23)

Có hai vector chuyển mạch zêro ứng với ppp hay nnn. Việc chọn vector zêro

liên quan đến việc tối giản chuyển mạch và xác định trình tự của các vector chuyển

mạch khác không trong chu kỳ tiếp theo.

Bước 4. Xác định thứ tự chuyển mạch của các nhánh van:

Xét ví dụ trong góc sector 1 (trong trường hợp biến điệu đối xứng). Ta có thời

gian đóng cắt cho mỗi nhánh van được tính như sau:

(3.24)

Nội dung này được thể hiện rõ thêm trên hình 3.23.

Hình 3. 24 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1

Hoàn toàn tính toán tương tự cho các sector tiếp theo. Kết quả tính toán được

tổng hợp theo bảng 3.3.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

65

Bảng 3. 3 Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector

Sector Thời gian đóng/cắt Sector Thời gian đóng/cắt

S1 = T1 + T2 + T0/2 S1 = T0/2

S3 = T2 + T0/2 S3 = T1 + T0/2 4 1 S5 = T0/2 S5 = T1 + T2 + T0/2

S1 = T1 + T0/2 S1 = T2 + T0/2

5 2 S3 = T1 + T2 + T0/2 S3 = T0/2

S5 = T0/2 S5 = T1 + T0/2

S1 = T0/2 S1 = T1 + T2 + T0/2

6 3 S3 = T1 + T2 + T0/2 S3 = T0/2

S5 = T2 + T0/2 S5 = T1 + T0/2

và dạng sóng biến điệu vector SVM như hình 3.24

Hình 3. 25 Mô phỏng dạng sóng biến điệu vector SVM

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS

Dựa trên mô tả toán học của bộ biến đổi BESS trên từng hệ trục tọa độ, ta sẽ có

các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng phù hợp. Như đã phân tích khi mô tả toán

học hệ BESS, phương án thiết kế bộ điều khiển BESS được lựa chọn theo phương án

c) thông qua hai phương pháp thiết kế: Thiết kế bộ điều chỉnh dòng kiểu PI, và thiết

kế bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat.

3.3.3.1 Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI:

Theo phương pháp này, ta viết lại hệ phương trình mạch vòng dòng điện trong

hệ tọa độ quay dq:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

66

(3.25)

Giả sử ta có thể thực hiện khử thành công 2 thành phần tương tác chéo –ωLiBd

và ωLiBq khi đo được 2 thành phần dòng iBd, iBq . Cấu trúc điều khiển sẽ có được như

hình 3.25

Hình 3. 26 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng iBd và iBq

Từ hình 3.25 viết được:

(3.26)

Từ phương trình (3.12) nhận thấy mối quan hệ giữa ∆ud và iBd, giữa ∆uq và iBq

có đặc điểm tỷ lệ quán tính bậc 1 (PT1). Trong đó uPCCd và uPCCq là 2 thành phần phía

lưới của bộ biến đổi BESS luôn đo được và do đó có thể khử tác động bằng phương

thức bù xuôi. Do đặc điểm khâu PT1 ta có thể sử dụng 2 bộ điều chỉnh PI để điều

khiển 2 thành phần dòng iBd, iBq. Cấu trúc như hình 3.26

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

67

Hình 3. 27 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS

Để tính tham số bộ điều khiển dòng ta giả thiết bỏ qua tác động xen kênh giữa

2 nhánh d,q và coi thành phần uPCCd, uPCCq là nhiễu và sẽ được triệt tiêu bởi thành

phần tích phân của bộ điều chỉnh (hoặc triệt tiêu bằng phương thức bù xuôi). Như

vậy, đối tượng điều chỉnh mạch dòng điện có hàm truyền đơn giản như sau (tổng quát

cho cả thành phần dòng iBd, iBq):

(3.27)

Trong đó:

- Tt là hằng số thời gian quán tính của bộ biến đổi.

- là hằng số thời gian mạch dòng điện.

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module [1], [11] ta tìm được hàm truyền cho bộ điều

chỉnh dòng có dạng khâu PI:

(3.28)

Trong đó:

- Ti hằng số thời gian tích phân bộ điều chỉnh PI.

- Kp hệ số tỉ lệ bộ điều chỉnh PI.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

68

Từ đó thu được hàm truyền đạt của khâu điều chỉnh dòng kiểu PI như sau:

(3.29)

Nhận xét: Bộ điều chỉnh dòng điện kênh d,q sẽ có tham số Kp¸ Ki giống nhau.

3.3.3.2 Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat (D-B)

Bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế có cấu trúc PI ở trên triệt tiêu được sai

lệch tĩnh, tuy nhiên thời gian đáp ứng chậm. Để cải thiện thời gian đáp ứng hệ thống

và vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống, luận án đưa ra phương pháp thiết kế bộ

điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat (thực chất đây chỉ là một trường hợp riêng của

phương pháp điều khiển đáp ứng hữu hạn [11]), nội dung phương pháp được trình

bày như sau:

Phương trình (3.11) có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái như sau:

(3.30)

Trong đó: iBd, iBq là các biến trạng thái.

Từ phương trình trạng thái thu được mô hình dòng gián đoạn bằng cách sử dụng

phép tích phân trong phạm vi giữa hai thời điểm trích mẫu [11]:

(3.31)

Trong đó:

Khi chu kỳ trích mẫu của bộ điều chỉnh dòng đủ nhỏ (chọn 200 μs) dạng của

ma trận , có dạng bậc nhất, điều này rất thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều chỉnh.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

69

Tuy nhiên khi xét khía cạnh ổn định hệ thống, theo [11] có nhận xét: Chu kỳ cắt mẫu

T càng nhỏ thì phạm vi cũng như dải tần số công tác ổn định càng lớn. Nếu T càng

nhỏ thì càng đòi hỏi cấu hình phần cứng mạnh (do tần số xung nhịp cao), cơ sở chọn

chu kỳ cắt mẫu T:

(3.32)

trong đó λi là giá trị riêng của hệ liên tục.

Từ (3.17) xây dựng được sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện như

hình 3.27. Đó chính là xuất phát điểm để thiết kế khâu điều chỉnh dòng kiểu Dead-

Beat.

Hình 3. 28 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat

Giả thiết y(k) là biến đầu ra của khâu điều chỉnh vector R i , trong đó đã bù ảnh

hưởng điện áp lưới và trễ thời gian thực hiện bộ điều chỉnh:

(3.33)

Phương trình (3.33) thể hiện rõ trong quá trình thiết kế bộ điều chỉnh dòng đã

xét cả hiện tượng hardware làm trễ một nhịp tính trong hàm đặt của khâu điều chỉnh

dòng. Thành phần thứ hai, có nhiệm vụ bù tĩnh nhiễu điện áp lưới.

Phương trình đầu ra bộ điều chỉnh dòng:

(3.34)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

70 Mục tiêu đặt ra khi thiết kế bộ điều chỉnh dòng có động học cao (đặc tính Dead-

Beat) sao cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt trong hai chu kì trích mẫu, thỏa mãn biểu

thức :

(3.35)

và được mô tả như hình 3.28

Hình 3. 29 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat

Thay (3.33) vào (3.35) ta thu được cấu trúc bộ điều khiển dòng như sau:

(3.36)

Trong đó: là ma trận đơn vị

Từ phương trình (3.22) viết phương trình sai phân bộ điều chỉnh dòng:

(3.37)

Như vậy, để thuận lợi cho quá trình tính toán phương trình bộ điều khiển dòng

được viết qua 2 bước:

Bước 1: Tính vector, theo (3.17)

(3.38)

Có thể viết lại như sau:

(3.39)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

71

Bước 2: Tính vector điện áp đầu ra bộ điều chỉnh dòng theo (3.25)

(3.40)

Có thể viết lại như sau:

(3.41)

Cấu trúc bộ điều khiển dòng kiểu Dead-Beat được thiết kế như hình 3.22

Hình 3. 30 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat

Đầu ra bộ điều khiển dòng điện cần phải giới hạn, do điện áp uB (thể hiện thông

qua 2 thành phần uBd , uBq ) của bộ biến đổi chỉ có thể tăng tới một giới hạn nào đó, và

giá trị giới hạn đó phụ thuộc vào giá trị điện áp một chiều Udc.

Ta sẽ giới hạn giá trị uB thông qua 2 thành phần uBd, uBq theo sách lược trong tài

liệu [11] để đảm bảo biên độ lớn uBmax thỏa mãn công thức

(3.42)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

72 Đầu ra thực tế của bộ điều chỉnh dòng cần phải được quay ngược lại về hiệu

chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện. Trường hợp bộ điều khiển dòng kiểu Dead-Beat sai

lệch cần hiệu chỉnh được tính theo công thức:

(3.43)

Trong đó:

là sai lệch điều chỉnh. -

- là sai lệch điều chỉnh thực tế (đã hiệu chỉnh).

- là điện áp do bộ điều chỉnh dòng tính được

- là điện áp thực tế (sau giới hạn).

3.3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp

Do ảnh hưởng của tổng trở đường dây mà điện áp tại điểm kết nối PCC nhỏ hơn

điện áp trên đầu cực máy phát đặc biệt khi có phụ tải lớn tham giam gia. Vì vậy để

cải thiện chất lượng điện áp cần có bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối PCC. Nội

dung mục này là giải quyết việc điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối PCC thông qua

việc bù một thành phần công suất phản kháng phù hợp từ bộ biến đổi BESS đưa lên

đường dây. Như vậy, bộ điều chỉnh điện áp trong trường hợp này chính là bộ điều

khiển điều chỉnh công suất phản kháng tại điểm kết nối theo lượng đặt là một giá trị

điện áp quy định nào đó.

Từ hình 3.2, viết hệ phương trình cân bằng điện áp đầu cực máy phát và điểm

kết nối chung trong hệ tọa độ abc :

(3.44)

Trong đó:

- uPCCa, uPCCb, uPCCb là điện áp tại điểm kết nối chung theo từng pha.

- uNa, uNb, uNc là điện áp trên đầu cực máy phát theo từng pha.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

73

- iBa, iBb, iBc là dòng điện của bộ biến đổi BESS theo từng pha.

- RS, LS là điện trở, điện kháng đường dây.

Áp dụng chuyển đổi Park phương trình (3.30) được viết lại trong hệ tọa độ dq

tựa điện áp đầu cực máy phát:

(3.45)

Viết lại hệ phương trình (3.31) dưới dạng hệ phương trình trạng thái

(3.46)

Ở chế độ xác lập đạo hàm các thành phần dòng iBd iBq bằng 0, hệ phương trình

(3.32) trở thành:

(3.47)

Khảo sát hệ phương trình (3.40) ở chế độ xác lập, ta sẽ lần lượt cho các thành

phần dòng iBd iBq bằng 0 để xét ảnh hưởng của các thành phần dòng đó đến điện áp

tại điểm kết nối chung trong điều kiện các tham số khác bằng hằng số:

 cho iBd = 0 sẽ có

(3.48)

 cho iBq = 0 sẽ có

(3.49)

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

74

 Trường hợp, nếu: iBq = -1, uNd = 1, uNq = 0 , ωLS = 0.1 Ω và RS = 0.01 Ω

thì theo phương trình (3.35) tính được UPCC = 1,1.

Thay giá trị UPCC = 1,1 vào phương trình (3.35):

(3.50)

Giải phương trình (3.36) được iBd = 3,67.

Nhận xét: So sánh ta thấy để điều chỉnh điện áp tại PCC thì điều chỉnh theo

kênh q có lợi hơn, chỉ cần xuất ra một giá trị dòng điện iBq = -1 nhỏ hơn nhiều nếu

điều chỉnh theo kênh d với dòng điện là iBd = 3,7. Như vậy đầu ra bộ điều chỉnh điện

áp tại điểm kết nối chung PCC sẽ là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòng kênh q.

3.3.5 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng

Điều khiển công suất tác dụng với chức năng điều chỉnh quá trình phóng/nạp

ăcquy, quá trình phóng (hỗ trợ máy phát khi có phụ tải đột biến ) ta đặt công suất tác

dụng đặt P* > 0. Ngược lại, quá trình nạp ăcquy ta đặt P* < 0

Trong quá trình huy động công suất tác dụng, P* được tính toán từ các yêu cầu

công suất tải và công suất máy phát để xác định lượng đặt phù hợp cho bộ điều chỉnh

công suất tác dụng. Công suất tác dụng được tính toán thông các đại lượng dòng điện

và điện áp tức thời:

+ Trong hệ tọa độ abc:

P = uaia + ubib + ucic (3.51)

+ Trong hệ tọa độ tĩnh αβ:

P = uαiα + uβiβ (3.52)

+ Trong hệ tọa độ quay dq:

P = 1,5(udid + uqiq) (3.53)

Đầu ra của bộ điều chỉnh công suất tác dụng sẽ là lượng đặt cho thành phần

dòng theo kênh d, cấu trúc bộ điều khiển được mô tả như trên hình 3.30

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

75

Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng

Đáp ứng biến thiên công suất đặt dP*/dt tác động lên hệ số KP để tăng độ phản

ứng nhanh bộ điều chỉnh. Khi đạt đến một sai lệch tĩnh ε sẽ cho hệ số Ki tác động vào

bộ điều chỉnh để triệt tiêu sai lệch tĩnh.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Chương 3 đưa ra cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ được xây

dựng trong hệ tọa độ dq thông qua phép chuyển hệ tọa độ. Điều này rất thuận lợi cho

việc thiết kế các bộ điều chỉnh do các đại lượng dòng điện và điện áp trong hệ toạ độ

này là các thành phần một chiều. Đầu ra bộ điều chỉnh dòng là lượng đặt cho khâu

điều chế vector không gian SVM phát xung điều khiển các van bán dẫn nhằm đạt

được chất lượng đầu ra cao nhất của bộ biến đổi công suất. Đặc biệt, chế độ nghịch

lưu đảm bảo cho điện áp là gần sin nhất, không lẫn sóng hài – Đây là yếu tố quan

trọng nhất để xác nhận cho một dạng “nguồn sạch”

Nhiệm vụ chính của đề tài đã được giải quyết tại chương 3 là thiết kế được bộ

điều chỉnh dòng theo hai phương pháp khác nhau theo kiểu PI và kiểu Dead-Beat.

Đồng thời, thiết kế một số các Bộ điều chỉnh vòng ngoài thực hiện chức năng công

nghệ của hệ BESS, nhằm đạt được một cấu hình BESS hoàn chỉnh áp dụng cho hệ

nguồn trong MĐCBTĐN:

- Bộ điều khiển công suất tác dụng, điều khiển quá trình phóng/nạp năng lượng

của ắc quy, và hỗ trợ nguồn phát thủy điện nhỏ khi có đột biến phụ tải;

- Bộ điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung PCC, bù công suất phản kháng

để nâng cao chất lượng điện áp.

Đầu ra bộ điều chỉnh vòng ngoài là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòng điện.

Tiếp theo sang chương 4, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết thông qua mô

phỏng bằng Matlab-Symulink.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

76

CHƯƠNG 4 HÓA PHỎNG HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ

Dựa trên các phân tích về mạng điện nguồn thủy điện nhỏ trong chương 2 và

chương 3, cho ta đầy đủ cơ sở xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab-

Simulink. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mạng điện cục bộ công suất nhỏ (một

vài chục đến vài trăm 100 kVA) có đặc điểm là tính ổn định và chất lượng điện năng

thấp. Cụ thể, xét một mạng điện độc lập nguồn thủy điện nhỏ công suất 85 kVA

(MĐTĐN) có kết hợp thiết bị BESS.

4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Trên cơ sở hình 3.1, cấu trúc mô phỏng MĐTĐN 85 kVA có kết hợp với BESS

được thiết kế trong Matlab-Simulink như trên hình 4.1.

Hình 4. 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐTĐN công suất 85 kVA

Cấu trúc mô phỏng trên hình 4.1 bao gồm các khối chính sau:

1- Khối nguồn:

Trong Matlab-Simulink, Nguồn được chọn là một hệ turrbine-máy phát thủy

điện công suất 85 kVA, điện áp phát đầu cực 0,4 kV. Cấu trúc hệ nguồn được mô tả

như trên hình 4.2:

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

77

Hình 4. 2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV

Các thông số mạch điều khiển turbine và mạch kích từ máy phát được lựa chọn

theo bảng 4.1 và bảng 4.2

Bảng 4. 1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

78

Bảng 4. 2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát

2- Khối đường dây và tải:

Đường dây 3 pha điện áp 0,4 kV xoay chiều tần số 50 HZ từ nguồn đến tải có

thông số ghi trên bảng 4.3

Bảng 4. 3 Thông số đường dây

Phụ tải gồm hai thành phần cơ bản là tải tĩnh và tải khởi động:

- Các tải tĩnh là dạng phụ tải ổn định đặc trưng cho hệ số mang tải của nguồn.

Trong đó:

Tải đầu nguồn: S1 = 40+j15 KVA ,

Tải cuối nguồn:

S2 = 22+j10 kVA

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

79

S3 = 8+j0 kVA

- Phụ tải động, là một động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 10HP (7,5 kW)

để kiểm chứng khả năng ổn định động của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ và động

học hệ thống.

3- Khối BESS:

Trong khối BESS được phân chia ra một số khối chức năng như sau:

 Khối mạch lực của BESS:

Mạch lực khối BESS được thiết kế có cấu trúc như trên hình 4.3

Hình 4. 3 Cấu trúc mạch lực của BESS

Trong đó:

- Các van bán dẫn dùng loại HVIGBT Modules Dual FF1400R12IP4 có sẵn điốt

của hãng EUPEC (European Power Semiconductor and Electronics Company) có các

thông số như bảng 4.4

Bảng 4. 4 Thông số của IGBT

Điều kiện TVj = 250C

Ký hiệu VCES

Giá trị 1200 V

Thông số Điện áp collector- emitter Dòng collector Dòng điện peak trong Công suất tiêu hao Điện áp điều khiển Điện áp đánh thủng Điện áp giữ Thời gian mở van Thời gian khóa van Nhiệt độ cho phép

TC = 1000C tP = 1ms TVj = 250C f= 50Hz,t = 1 phút TVj = 250C TVj = 250C

IC ICRM Ptot VGE VISOL VGE (th) ton toff TVJ

140 A 280 A 0,765 kW 20 V 2,4 kV 5V < VGE (th)= 5,8 < 6,5V 0,21 µs 1,1 µs -40  175 0C

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

80

- Công suất BEES: 40 kW

- Khối một chiều: Udc = 700 V ; Cdc = 3600 μF ;

- Điện cảm: L = 1,8 mH,

- Ăc quy: R1 = 10kΩ, R2 = 0.1Ω, C1=15000F.

 Khối đo lường của BESS:

Khối đo lường được thiết kế có cấu trúc như trên hình 4.4 thực hiện đo lường

các đại lượng và thông số cần thiết sau:

- Đo giá trị tức thời và giá trị hiệu dụng các đại lượng dòng, áp, công suất tác

dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến của nguồn phát (tại đầu nguồn điểm

PCC1), của tải và BEES tại điểm kết chung PCC2

- Đo kiểm tra thông số hoạt động của các khối trong bộ điều khiển

Hình 4. 4 Khối đo lường

 Khối điều khiển BESS:

Trong chương 3 có nghiên cứu điều khiển hệ BESS theo hai phương pháp PI và

phương pháp Bead-Beat (D-B). Trong đó phương pháp B-D có nhiều ưu điểm hơn,

đặc biệt là có động học rất cao, thỏa mãn cho yêu cầu cho huy động công suất đỉnh

hay cấp nguồn dự phòng, V.V. Trong nội dung này, chỉ nghiên cứu mô phỏng cho

trường hợp áp dụng bộ điều khiển khiển kiểu D-B.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

81

Khối điều khiển có bộ điều khiển dòng theo kiểu D-B, được thiết kế có cấu trúc

như trên hình 4.5 và hình 4.6.

Hình 4. 5 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B

Hình 4. 6 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện vòng trong kiểu D-B

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

82

4.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG

4.2.1 Phân tích động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B

Để chứng tỏ bộ điều khiển dòng kiểu D-B có động học cao hơn, ta khảo sát đáp

ứng động học giữa bộ điều chỉnh kiểu PI và D-B cho cùng một đối tượng điều khiển

có L = 1 mH, R = 0,02 Ω. Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 4.7

Hình 4. 7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B

Nhận xét: Với cùng một đối tượng điều khiển đáp ứng động học hệ thống khi

sử dụng bộ điều chỉnh D-B nhanh hơn rất nhiều, không có lượng quá điều khiển thể

hiện trên đồ thị mô phỏng cho thấy: dòng điện đươc điều khiển đạt giá trị đặt nhanh

gấp 5 lần so với bộ điều khiển kiểu PI.

4.2.2 Phân tích chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động

Để chứng tỏ bộ điều khiển dòng kiểu D-B có động học cao. Trong trường hợp

này, kích động hệ thống được giả thiết là một dạng sự cố thoáng qua do phóng điện

sét đường dây – dạng sự cố có xác suất xảy ra nhiều nhất trong vận hành mạng điện.

Nhiều trường hợp thời gian mất nguồn có thể duy trì đến hàng trăm ms hoặc lâu dài.

Nhiệm vụ đặt ra cho BESS lúc này là đóng vai trò nguồn dự phòng với thời gian tự

động hóa nhanh nhất, đặc biệt khi phụ tải là các thiết bị có điều khiển điện tử.

4.2.2.1 Mô phỏng chế độ mất nguồn tạm thời:

Giả thiết: tại thời điểm 0,2s xảy ra sự cố gây mất nguồn tạm thời trong khoảng

(0,2 - 0,3)s và đến thời điểm 0,5s xảy ra mất nguồn kéo dài BESS tự kích hoạt thay

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

83

thế như một nguồn dự phòng cấp công suất cho tải. Đối với phương pháp D-B, chỉ

cần hơn một chu kỳ (0,025s) BESS đã đáp ứng đầy đủ điện áp danh định cấp cho tải.

Sau đó nguồn được khôi phục thì BESS lại trở về chế độ dự phòng (không phát công

suất tác dụng). Đến thời điểm 0,5s cũng xảy ra tương tự. Mặt khác, kết quả cho thấy

phương pháp D-B có động học cao. Kết quả mô phỏng như trên hình 4.8

Thời gian (s) 0 ÷2 2 ÷3 3 ÷5 5 ÷ ∞

mất nguồn có mất nguồn Có/mất nguồn có

Hình 4. 8 Mô phỏng trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

Tương ứng, mô phỏng theo giá trị tức thời của điện áp trên tải thu được như trên

hình 4.9

Hình 4. 9 Mô phỏng trị tức thời điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

Trong khoảng thời gia mất nguồn, BESS như một nguồn thay thế tức thời,

năng lượng huy động cấp cho tải sẽ được BESS xuất ra từ kho lưu trữ năng lượng

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

84

ắc quy. Kết quả mô phỏng dòng điện phóng nạp của ắc quy được thể hiện như trên

hình 4.10

Hình 4. 10 Mô phỏng dòng điện phóng nạp của ắcquy trong các chế độ mất nguồn

tạm thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

Rõ ràng là:

- Trong khoảng thời gian (0,2-0,3)s, ắcquy nạp điện với dòng  -50A (giá trị âm)

- Trong khoảng thời gian (0,3-0,5)s, ắcquy phóng điện

- Sau thời điểm 0,5s ắc quy lại về chế độ nạp điện.

Kiểm tra chất lượng điện năng cung cấp cho thấy như sau:

- Ở chế độ xác lập, độ sai lệch điện áp nằm trong phạm vi cho phép [U]≤ 5%

và trong thời gian quá độ thì thời gian quá độ rất ngắn khoảng 1 chu kỳ. Kết quả mô

phỏng chỉ ra trên hình 4.11

- Độ méo dạng không sin của dòng điện qua tải đạt chuẩn THD ˂ 5%. Kết quả

mô phỏng và phân tích FFT chỉ ra trên hình 4.12

Hình 4. 11 Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

85

Hình 4. 12 Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

4.2.2.2 Mô phỏng chế độ có động cơ khởi động:

Trường hợp khi khi có động cơ khởi động, phụ tải đỉnh vượt quá khả năng mang

tải của máy phát BESS sẽ đóng vai trò bù công suất đỉnh cho động cơ khởi động

thành công, giảm áp lực cho máy phát đồng thời giữa vững điện áp mạng không làm

ảnh lượng chất lượng điện năng hệ thống. Kết quả mô phỏng thu được thể hiện như

trên hình 4.13

Hình 4. 13 Mô phỏng chế độ BESS khi bù công suất đỉnh khi động cơ khởi động

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

86

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

Với nỗ lực nghiên cứu trong chương 4 đã xây dựng thành công cấu trúc mô

phỏng mạng điện độc lập nguồn thủy điện nhỏ có kết hợp với BESS, trong đó hệ điều

khiển BESS được thiết kế theo hai phương pháp điều khiển và các kết quả mô phỏng

đã thể hiện rõ hệ điều khiển có bộ điều khiển dòng điện kiểu Dead – Beat có động

học cao hơn so với hệ điều khiển có bộ điều khiển dòng điện kiểu PI. Chính điều này

đã đem lại sức phát triển cho nguồn thủy điện nhỏ với một tiềm năng và khả năng rất

cạnh tranh trong chính sách khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo trên toàn cầu.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

87 KẾT LUẬN CHUNG

Luận văn đã giới thiệu tổng quan về nguồn năng lượng tái tạo, trong đó tập trung

phân tích về nguồn thủy điện nhỏ. Chỉ ra những thế mạnh và những yếu điểm tồn tại

của nguồn thủy điện nhỏ đối với mạng điện độc lập không kết nối lưới. Từ đó đề xuất

giải pháp khắc phục nhằm hiện thực hóa lợi thế của loại hình mạng điện này trong

hiện tại và tương lại.

Những kết quả chính đạt được:

- Phân tích mở rộng về thủy điện nhỏ. Trong khi những nghiên cứu trước đây

chỉ chủ yếu đến thủy điện trên đất liền, ít đề cập đến thủy điện đại dương.

- Phân tích kỹ lưỡng đối với thủy điện dạng kênh dẫn, có những ví dụ tính toán

cụ thể. Xây dựng mô hình mạng điện độc lập với nguồn thủy điện nhỏ và có kết hợp

với BESS nhằm nâng cao tính ổn định và chất lượng điện năng cung cấp, khắc phục

những nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ - đại diện cho dạng nguồn siêu mềm.

- Thiết kế bộ điều khiển có mach vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat có

động học cao hơn so với bộ điều khiển có mach vòng điều khiển dòng điện kiểu PI

- Mô hình hóa mô phỏng hệ thống trong phần mềm Matlab-Simulink và kiểm

chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết thông qua các kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu đã tăng cường niềm tin cho xu hướng phát triển các nguồn

năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn có sự kết hợp với các

bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy

hết công năng của hệ nguồn.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

88 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng việt

[1] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê. Cung cấp điện. NXB

Khoa học và Kỹ thuật, 2000.

[2] Nguyễn Phùng Quang. Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và Kỹ

thuật, năm 2004.

[3] Lê Văn Doanh. Điện tử công suất,Tập2. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2008.

[4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh. Điện tử công suất. NXB

Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

[5] Ngô Đức Minh. Kết hợp BESS với nguồn thủy điện nhỏ để nâng cao chất lượng

điện năng và hiệu quả khai thác nguồn thủy năng.Tạp chí KHCN Đại học Thái

Nguyên, tháng 3 năm 2008.

[6] Ngô Đức Minh. Ứng dụng chỉnh lưu BESS trong mạng điện cục bộ nguồn thủy

điện công suất nhỏ. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, năm 2009-2010.

[7] Ngô Đức Minh. Dynamic improvement of BESS using deadbeat type controller

in local power networks. IEEE Việt Nam Section, Internation From On Strategic

Technologies (IFOST2009), 21-23 October 2009 in HoChiMinh City, Vietnam.

[8] Ngô Đức Minh. Nhà máy thủy điện. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009.

Tài liệu tiếng Anh

[9] Gilbert M. Masters. Renewable and Efficient Electric Power Systems

[10] Micro -Hydro Power , Practical Action, The Schumacher Centre for Technology

and Development, Bourton on Dunsmore, Rugby, Warwickshire,

www.practicalaction.org

[11] Helena Ramos, M. Manuela Portela, H. Pires de Almeida. G U I D E L I N E S

F O R D E S I G N O F SMALL HYDROPOWER PLANTS. Published in 2000

through WREAN (Western Regional Energy Agency &

[12] Network) and DED (Department of Economic Development), Belfast, North

Ireland.

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

89

[13] Bhim Singh', SeniorMember, IEEE, Jitendra Solankil, Ambrish Chandra2,

SeniorMember, IEEE and Kamal-A1-Haddad2, SeniorMember, IEEE. A Solid

State Compensator with Energy Storage for Isolated Diesel Generator Set.

Electrical Engineering Department, Indian nstitute of Technology Delhi, New

Delhi- 110016, India.2Dept. de genie electrique, ETS, 1100, Quebec, H3C 1K3,

Canada, pp1774-1778.

[14] By Alejandro Montenegro Leon. Advanced Power Electruaoinic For Wind-

Power Generation Buffering. Copyright 2005, pp 27-40.

[15] Charles.H.W.Foster, “The Northfield Moutain Pumped Storage project”,

Harvard University, 1970, pp1-10. 1]

http://www.lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN