ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Đ Ạ I HỌC KỸ TH UẬ T C Ô N G NGHIỆP

N G Ô Đ Ứ C M IN H , L Ê T IÊ N P H O N G

■

■

TRONG Hệ THỐNG ĐIỆN
I

B ộ BIẾN ĐỐ I

AC /DC
DC/DC

DC/DC

LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG

N H À X U Á T BẢ N Đ Ạ I H Ọ C TH Á I N G U Y ÊN

I


ĐAI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠĨ HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NG Ô ĐỨC M INH, LÊ TIÊN P H O N G

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

TRONG HÊ THÓNG ĐIÊN

NHÀ XUÁT B Ả N ĐẠI H Ọ C T H Á I N G U Y ÊN
NĂM 2016


,
0 1 -3 2
M Ã S Ó : ------ — ----Đ H T N -2 0 1 6

2


M ỤC LỤC
LỜI NÓI ĐÀU
CHƯƠNG 1. KIÊN THỨC NÈN TẢNG
1.1. VÁN ĐÊ PHÁT VÀ TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG..................................................9
1.1.1. Mạng điện một chiều.................................................................................. 9
11

2 Mạng điện xoay chiều.......................................................................... 10

1.2. CÔNG SUÁT TRONG HỆ THÔNG ĐIỆN

11

1.3. ĐIÊU CHỈNH CÔNG SUÁT VÀ TÂN SỒ........................................................12
1.4. CHẾ Đ ộ LÀM VIỆC CỦA HỆ THÒNG Đ IỆN ................................................13

1.5. B ộ BIÊN ĐỊI ĐIỆN TỪ CƠNG ST

14

1.5.1. Giới thiệu....................................................................................................14
1.5.2. Vai trò của các bộ biến đổi....................................................................... 15
1.5.3. Các phần tử chuyển mạch cơ bản dùng trong bộ biến đổi...................... 15
1.5.4. Một số bộ biến đổi AC/DC...................................................................... 21
1.5.5. Một số bộ biến dồi DC/DC......................................................................27
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỆN PIN MẶT TRỜI
2.1. TÒNG QUAN VẺ NĂNG LƯỢNG MẬT TRỜI.............................................. 37
2.1.1. Quang phổ mặt trời................................................................................... 37
2.1.2. Quỹ đạo của trái đ ấ t..................................................................................41
2 .1 .3 . G ó c độ cao c ủ a m ặt trờ i lúc b u ổ i t r u a ............................................................. ..4 2

2.1.4. VỊ tri mặt trời tại các thời điểm trong ngày.............................................46
2.1.5. Bức xạ mặt trời..........................................................................................48
2.1.6 . Tổng búc xạ trên bề mặt bộ thu trong ngàv khô ráo, không mây......... 50
2.2. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẬT TR Ờ I............................ 55
2.2.1. Gia nhiệt nước nóng................................................................................. 56
2 .2 .2 . Sưởi ấm, làm mát và thơng g ió ................................................................56

2.2.3. Gia nhiệt xử lý nước..................................................................................57
2.2.4. Gia nhiệt đun nấu, sấy khô, khử trùng.................................................... 58
2.2.5. Gia nhiệt xúc tác cho phản ứng hóa học.................................................. 59


2.2.6. Điện mặt trờ i................................................................................................59
2.3 PIN MẶT TRỜ I...................................................................................................... 63
2.3.1. Cơ sờ vật lý bán dẫn.................................................................................... 63

2.3.2. Khoảng trống năng lượng........................................................................... 64
2.3.3. Quang phả mặt trời tác dộng đến PV c e ll.................................................67
2.3.4. Cấu trúc vật lý của PV cell......................................................................... 68
2.3.5. Sơ đồ mạch điện tương đương của một PV cell........................................71
2.3.6. Chế độ làm việc nguồn bị che khuất một phần........................................ 72
2.3.7. Ghép nối các PV cell................................................................................... 73
2.3.8. Đặc tính V-I cùa nguồn PV trong điều kiện tiêu chuẩn .......................... 77
2.3.9. Ảnh hường của nhiệt độ và cường độ ánh sáng đến đặc tính V -I.........79
2.3.10. Phương pháp xác định điểm cơng suất cực đ ạ i...................................... 80
2.4 MƠ HỈNH KHAI THÁC NGUỔN PV TRONG HỆ THÔNG Đ IỆN ...............93
2.4.1. Kết nối trực tiếp nguồn PV vói phụ tải điện..............................................93
2.4.2. Nguồn PV trong mạng điện độc lập vói lưới điện.................................... 95
2.4.3. Nguồn PV kết nối lư ớ i.............................................................................. 100
CHƯƠNG 3. HẸ THĨNG ĐIỆN GIĨ
3.1. S ự PHÁT TRIÊN NGN ĐIỆN G IĨ ............................................................. 102
3.2. CƠNG STGIĨ................................................................................................ 104
3.2.1. Cơng suất gió sơ b ộ ....................................................................................104
3.2.2. Hiệu chình mật độ khơng khí theo nhiệt đ ộ ............................................ 106
3.2.3. Hiệu chình mật độ khơng khí theo độ cao............................................... 107
3.2.4. Ảnh hường cùa độ cao tháp (cột) tới vân tốc g ió ................................. 109
3.3. TURBINE G IÓ ....................................................................................................112
3.3.1. Phân loại turbine.......................................................................................112
3.3.2. Các yếu tố ảnh hường đến khả năng làm việc của turbine gió............116
3.3.3. Điều khiển mức năng lượng tối ưu cho turbine gió.............................. 118
3 4. MÁY PHÁT ĐIỆN G IÓ .....................................................................................124
3.4.1. Các máy phát đồng b ộ ............................................................................. 124
3.4.2. Máy phát không đồng bộ.........................................................................126
3.5. KỸ THUẬT KHAI THÁC ĐIỆN NĂNG TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ.......133
3.5.1. Máy phát đồng bộ.....................................................................................134
4



3.5.2. Máv phát điện không đồng bộ.................................................................134
3.6. MỘT SỔ ỨNG DỤNG NGUÓN ĐIỆNGIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 136
3.6.1. Hệ thống cơ lập cỡ nhó............................................................................ 136
3.6.2. Hệ thống kết nối lưới cỡ nhị................................................................... 137
3.6.3. ('ánh đồng điện g ió ..................................................................................138
3.7. CÁC ĐÁC ĐIÊM CỦA NGN ĐIỆN G IĨ ................................................. 142
3.7.1 Thịng số dịnh mức...................................................................................142
3.7.2. Công suất lớn nhất cho phép................................................................... 142
3.7.3. Công suất đo dược lớn nhất..................................................................... 142
3.7.4. Công suất phản kháng............................................................................. 142
3.7.5. Hệ số chập chờn.......................................................................................143
3.7.6. Số lần chuyển đồi chế độ vận hành tối đ a .............................................143
3.7.7. Hệ số thay đồi điện áp ............................................................................. 144
3.7.8. Sóng hài.................................................................................................... 144
3.7.9. Khá năng dự báo điện gió........................................................................ 144
3.8. VẬN HÀNH NGN ĐIỆN GIĨ KHILƯỚI c ó s ự c ó

145

3.8.1. u cầu chung..........................................................................................145
3.8.2. Báo vệ máy phát điện gió đồng bộ khi lưới có sự c ố ...........................147
3.8.3. Báo vệ máy phát điện khơng đồng bộ khi lưới có sự c ố ....................... 148
CHUƠNG 4. THUỶ ĐIỆN NHỎ
4.1. THỦY NĂNG VÀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC............................................. 150
4.2. NGUÒN THÚY ĐIỆN NHÒ..............................................................................151
4.2.1. Điện thủy triều

154


4.2.2. Thùy điện hải lư u .....................................................................................157
4.2.3. Thùy diện sóng biền.................................................................................159
4.2.4. Thủy điện dòng suối................................................................................ 162
4.2.5. Thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn.................................................................. 165
4.3 CÂU TRÚC MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NGUỎN THÚY ĐIỆN N H Ò ....173
CHƯƠNG 5. MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÁC
5.1. NẢNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT............................................................................ 176
5.1.1. Giới thiệu chung.......................................................................................176
5.1.2. Các dạng năng lượng địa nhiệt................................................................177


5.1.3. Công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt............................................... 180
5.1.4. Tiềm năng địa nhiệt..................................................................................... 187
5.1.5. Tác động môi trướng...................................................................................189
5.2. NĂNG I.ƯỢNG SINH KHÔI................................................................................ 191
5.2.1. Giới thiệu chung...........................................................................................191
5.2.2. Nguồn gốc biomass..................................................................................... 193
5.2.3. Công nghệ khai thác năng lượng biomass................................................ 197
5.2.4. Tiềm năng điện biomass..............................................................................201
5.2.5. Tác động môi trường...................................................................................205
PHỤ LỤC QUY ĐỎI ĐƠN VỊ.........................................................................................208
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 210

6


LỜI NÓI ĐẦU

Bước vào thế ký XXI, một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng

đầu cho sự phát triển bền vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường toàn
cầu. Trong một khoảng thời gian dài trước đây, con người sử dụng những dạng
năng lượng truyền thống, để lại nhiều hệ quả tác động xấu đến môi trường, kể
từ khâu khai thác, vận chuyển đến sừ dụng và sau sừ dụng. Đứng trước tình
hình này, các nhà máy điện truyền thống sừ dụng năng lượng hóa thạch cần
thiết phải thay đổi công nghệ để phù hợp các tiêu chuẩn về môi trường; việc
xây dựng nhũng con đập cho các nhà máy thủy điện lớn cũng phải được kiểm
soát kỹ lưỡng, bởi nó sẽ làm thay đổi căn bản lưu vục những (lòng chảy tự
nhiên, dẫn đến biến đổi tồng thể hệ sinh thái trong một phạm vi rộng, tác động
xấu không những đến thủy quyển m à cả khí quyển, địa quyển và sinh quyển.
Mặt khác, các nhà khoa học cần nghiên cứu ứng dụng những dạng năng lượng
thay thế, trong số có năng lượng tái tạo (NLTT), ví dụ nhu: năng lượng gió,
năng luợng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối.v.v.. và các
dạng thủy điện nhỏ bao gồm: điện thủy triều, điện sóng biển, điện hải lưu.
Hiện tại, các hệ thống điện truyền thống cùa nhiều quốc gia (trong đó có
các nhà máy điện tập trung, công suất lớn với hệ thống truyền tải xa hàng trăm,
hàng ngàn km) được đánh giá là đã lỗi thời, c ầ n thiết phải có một cách mạng
về kỹ thuật nhằm cấu trúc lại hệ thống điện. Trong khi đó, các nguồn NLTT lại
có chung một đặc điểm là phân tán rộng khắp trên đia cầu, sự tham gia cùa
nguồn phân tán sử dụng NLTT trong lưới điện phân phối được xem như một
giải pháp tốt nhất hiện nay đề thay đổi cấu trúc hệ thống điện. Đặc biệt, đối với
những quốc gia đang phát triển (chiếm khoảng khoảng 2 tỷ người trên thế
giới), việc hình thành các mạng điện phân tán có quy mơ nhỏ rõ ràng là hoàn
toàn phù hợp với khả năng kinh tế và trình độ qn lý cùa quốc gia đó. Đồng
thời, mạng điện phân tán cũng là cấu trúc cơ bản của mạng điện thông minh
đang được nhiều quốc gia trên thế giói áp dụng.
Trong khn khổ cuốn sách này, nhóm tác giả không đề cập một cách chi
tiết cho tất cả các dạng NLTT. M ục tiêu đề ra của chúng tơi là giới thiệu về
năm dạng NLTT điền hình, công nghệ khai thác NLTT chù yếu định hướng
7



cho phát triển các nguồn điện phân tán, đề xuất m ột số mơ hình m ạng điện sử
dụng nguồn điện từ N LTT. Nội dung cuốn sách được bố cục thành 5 chương.
C huơng 1 giới thiệu một số kiến thức có tính chất nền tảng (cơ sờ) thuộc
về lĩnh vực kỹ thuật điện, điện tử, tạo tiền đề thuận lợi cho nghiên cứu các mơ
hình mạng điện phân tán có nguồn sử dụng NLTT.
Chương 2 và chương 3 giới thiệu về pin m ặt trời và nguồn điện sức gió,
nhằm xây dựng được m ột hệ nguồn úng dụng trong hệ thống điện.
Chương 4 giới thiệu các công nghệ khai thác nguồn thủy điện nhỏ trên
đất liền và thủy điện đại dương ứng dụng trong hệ thống điện.
C huơng 5 giới thiệu khái quát về dạng N L TT là địa nhiệt và năng lượng
sinh khối, m ột số công nghệ khai thác ứng dụng cho các nhà m áy điện.
N hóm tác giả chúng tơi đã rất cố gắng sưu tầm tài liệu và nghiên cứu để
trinh bày cuốn sách đạt được m ục tiêu đề ra là phục vụ cho công tác học tập và
giảng dạy chuơng trình đại học, cao học ngành kỹ thuật điện. Tuy nhiên, trước
m ột vấn đề nội dung phức tạp (cuốn sách đề cập đến nhiều dạng năng lượng
khác nhau về bản chất, công nghệ khai thác và m ô hình ứng dụng), chắc chắn
rằng cuốn sách cịn có những thiếu sót. R ất m ong nhận được sự đóng góp ý
kiến từ phía người đọc (địa chi email tác giả: ngoducm inh@ tnut.edu.vn).
C húng tôi xin chân thành cám ơn sự đóng góp q báu cùa các thầy cơ
bộ môn H ệ thống điện, khoa Điện, trường Đại học K ỹ thuật C ông nghiệp, cám
ơn những người phản biện đã có nhiều đóng góp giúp chúng tơi hồn thành
cuốn sách này.

Thái Nguyên, tháng 3 năm 2016
N hóm tá c giả

8



CHƯƠNG 1
K IÉ N T H Ú C N È N T Ả N G

1.1. VÁN ĐÈ PHÁT VÀ TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG
Hệ thống điện luôn luôn tồn tại cả các nguồn và tải điện một chiều DC
(Direct Cuưent), xoay chiều AC (Alternative Current) Phẩn tử phát điện (máy
phát điện), phần tử tiêu thụ điện (phụ tải điện) luôn tồn tại song song và cân
bằng thu phát trong một mạch điện. Đáp ứng của các phần tử trong mạng điện
một chiều và xoay chiều hoàn toàn khác nhau do phụ thuộc bản chất cùa loại
dòng điện và các phần tử trong mạng điện đó
1.1.1. Mạng điện một chiều
Dịng DC chi chạy theo một hướng nhất định từ cực (+Xđến cực (-). Phụ
tài DC chì mang tính thuần trờ trong khi nguồn DC rất đa dạng như ẳc quy,
máy phát điện một chiều,... Hinh 1.1 mô tả định nghĩa phần từ phát và tiêu thụ
điện trong mạng điện DC.
Vab

.

Vab

_

Aụ r u B
I ab

+

■


I ab

a. Phần tử tiêu thụ diện (phụ tái điện)

+

b. Phần từ phát điện (máy phát diện)

H ình 1.1. Dụili nghĩa máy phát diện vả phụ tai diện

Trong đó: điện áp V ab được hiểu là sự chênh lệch về điện thế giữa nút A
và nút B trong khi dòng điện

Iab

là dòng chạy từ A đến B qua tải tiêu thụ

Công suất tiêu thụ trong mạch điện này được xác định theo (1.1):
P.AB = V ab.Iab

Nếu Vab và

Ia b

(11)

đều duơng thỉ Pab cũng dương và nhánh có dịng

Iab


chạy qua được coi là tải tiêu thụ. Ngược lại, khi PAB âm thi nhánh có dịng IAB
được gọi là nguồn.

9


1.1.2. M ạng điện xoay chiều
Tại nút m à m ột tải được kết nối với m ạng điện AC, hệ thống điện
có thể đuợc thay thế bời m ột m ạch tuơng đương Thevenin. N guồn có
điện áp E = E Z 0 và đường dây liên kết có tổng trờ

zs=jxs (bò qua điện

trờ).
1.1.2.1. Tải thuần trở
Trong một hệ thống điện (HTĐ ) xoay chiều có tài điện trờ R sẽ tạo
ra năng lượng và tạo ra sự lệch pha giữa điện áp hai đầu và điện áp hở
m ạch E m ột góc 6 được gọi là góc tải và gây nên sụt giảm điện áp (hình
1 2 ).

I

jXs

r
JR

?


jX,I

u

\

a. Mạch tái thn trờ

U=R.I
b. Biểu đồ pha

Hình 1.2. Mơ hình Thevenin với tài thuần trở
1.1.2.2. Tải thuần cảm
M ột tải thuần cảm không tiêu thụ công suất và không thay đổi góc
pha giữa u v à E (S = 0) như trên hình 1.3. Trong các m ạng điện truyền
tải, điện dung cùa các dây dẫn đối với đất có xung hướng tạo ra các dao
động hay tăng điện điện áp tại các nút phụ tải. Bằng cách thêm các tải
thuần cảm m ắc song song, tương đuơng với m ột cuộn kháng để bù công
suất phản kháng, điên áp tai nút phu tải có thể giảm xuống đến giá tri phù
hợp. Các cuộn kháng chi phát ra công suất phản kháng, gần như không
gây tổn thất năng lượng ngoài tổn thất trên các cuộn dây và lõi từ (tương
đối nhỏ).

ị

U=jXL.I

jXs.I

a. Mạch tải thuân cảm

b Bieu đo pha
Hình 1.3. Mơ hình Thevenin với tải thuần cảm

10


1.1.2.3. Tải thuần dung
Một tải thuần dung cũng không tiêu thụ công suất tác dụng và độ lệch
pha giữa u và E là 5 = 0 (hinh 1.4). Điện áp rơi jX s.I là ngược pha với E và V,
và điều này làm cho điện áp u giữa hai đầu phụ tải lớn hơn E. Điều này sẽ có ý
nghĩa lớn khi truyền tải điện năng đi xa, khi mà tổn thất điện áp lớn làm cho
điện áp tại các nút giảm thấp Các tụ bù song song sẽ bù công suất phản kháng,
hạn chế sự suy giảm điện áp

E
a. Mạch tải thuần dung

b. Biểu đồ pha

Hình 1.4. Mơ hinh Thevenin với tải thuần dung
1.2. CƠNG SUẤT TRONG HỆ THĨNG ĐIỆN
Các thành phần công suất:
Xét một tải với tổng trở Z=R + jx có dịng điện, điện áp trên tải là I và u
(hinh 1.5).
I
Q
p
(a )T à iA C

(b) Gian đồ vecto

H ìn h 1

(c) Tam giác ccơng sl

Đ ồ thị v e c ta các th à n h p h ần cơ n g suất

Cơng suất tồn phần s được định nghĩa là:

s = ù I = P + jQ

( 1.2 )

Trong đó:
p là cơng suất tác dụng [W], [kW] hoặc [MW]
Q là công suất phản kháng [VAr], [kVAr] hoặc [MVAr]

s = y/p2 +Q2 là công suất biểu kiến [VA], [kVA] hoặc [MVA].

11


H ệ số cơng suất:
Tam giác cơng suất (hình 1.5c) cho phép xác định hệ số công suất
cùa tải theo biểu thức:
cos

p
, =

=

( 1.3 )

VP2+ Q 2
T rong đó, công suất tác dụng p là thành phần công suất được biến
thành cơng hữu ích như cơ năng, quang năng, nhiệt năng... cịn cơng suất
phản kháng Q là thành phần cơng suất để từ hố và tạo ra từ thơng tản
trong các m áy điện xoay chiều, nó khơng sinh cơng
1.3. Đ IÊ U C H ỈN H C Ơ N G SU Á T V À T Ầ N SÓ
T rong các H TĐ cần thiết phải giữ cho tần số và điện áp gần g iả trị
định m ức của nó. T ần số được điều khiển bằng cách kiểm sốt sự cân
bằng giữa tổng cơng suất phát và tổng công suất thu kể cả tồn thất công
suất truyền dẫn trong tồn hệ thống.
C ơng suất phía nguồn phát được điều khiển trực tiếp thông qua các
cơ cấu điều chinh năng lượng sơ cấp. Ví dụ với máy phát nhiệt điện thi
phần động lực cung cấp công suất sơ cấp cho máy phát là turbine hơi,
trong đó van hơi là phương tiện chính cho điều khiển cơng suất cùa hệ
turbine - m áy phát. T ất nhiên, nếu các van được mở, các nồi hơi phải có
khả năng cung cấp đù hơi nước (ở áp suất và nhiệt độ chính xác) để cung
cấp m ức năng lượng cần thiết. Đ iều này có nghĩa rằng việc kiểm sốt nồi
hơi phải được phối hợp với các van hơi. T ương tự như vậy, trong m ột
turbine gió cơng suất truyền tới các m áy phát điện được xác định bời tốc
độ gió v à hệ thống cánh, có thế đu ợ c thay đối đề kiém sốt cơng suất
theo u cầu.
C ơng suất điện hữu ích lấy từ hệ thống được xác định bằng các tải
cơ khí v à điện. Ví dụ, hãy xem xét m ột động cơ cảm ứng trực tiếp kết nối
với m ột m áy bơm . C ông suất động cơ thay đổi theo tốc độ quay kể từ khi
khởi động cho đến khi làm việc ổn định tại tốc độ định m ức (gần tốc độ
gần đồng bộ) tùy thuộc vào điện áp v à tốc độ dịng chảy. N gồi ra cịn
các tải điện thụ động (chẳng hạn như ánh sáng và sưởi ấm), nguồn điện

cung cấp cho tải phụ thuộc vào điện áp v à trở kháng tải. Vì vậy, cơng

12


suất phía nguồn phát có thể được xem như ln được điều khiển bám theo cơng
suất phía tiêu thụ và do đó tần số hệ thống đàm bảo ổn định.
Ở trạng thái ổn định, công suất phát (Pphát) và công suất thu (Pthu) phải
đảm bảo cân bằng để duy tri tần số cùa toàn hệ thống. Do tinh ngẫu nhiên của
phụ tài điện trong hệ thống điện nên người vận hành phải thực hiện các biện
pháp điều khiển, huy động nguồn đáp ứng với yêu cầu cùa phụ tải để độ lệch
công suất giữa Pphát và Pthu nằm trong giới hạn cho phép
Trong ngắn hạn (trong khoảng thời gian tính bằng chu kỳ cùa dịng điện),
sụ kiểm sốt tần số mà đảm bào rằng Pphát = Pthu, đuợc thực hiện bằng cách duy
tri tốc độ của máy phát điện rất gần với giá trị danh định. G iả sù hệ thống điện
trong một trạng thái ổn định và Pphát = Pthu trong khi tải tăng đột ngột thỉ tốc độ
hệ turbine - máy phát sẽ có xu huớng chậm lại, tần số sẽ giảm xuống dưới giá
trị định mức và ngược lại nếu giảm tải thì tần số làm việc có xu hướng tăng lẽn
trên giá trị định mức. Quá trình điều khiển để khơi phục sự cân bằng ban đầu
có tính chất dao động. Mức độ dao động xét cả về biên độ và thời gian tồn tại
là cơ sở đánh giá tính ổn định cùa hệ thống với từng phân cấp: ổn định tĩnh, ổn
định động và không ồn định
Trong một HTĐ độc lập chi với một máy phát điện, nguồn động lực sơ
cấp làm việc tương đối đơn giản, đó là duy trì chính xác tốc độ cùa máy phát
điện ờ tốc độ đồng bộ để tần số khơng thay đổi. N hưng khi hệ thống có nhiều
máy phát điện, những máy phát có khả năng huy động đuợc công suất nhanh
nhất sẽ đuợc phân công vận hành với công suất lớn nhất và không đổi (máy
điều áp). Ngoài kinh tế, một trong những lý do cho điều này là nếu công suất
thay đổi liên tục, phân bố nhiệt độ trong turbine, nồi hơi, máy phát điện sẽ bị
ảnh hưủng và chu u lull nhiệt được coi là khỏng tối ưu. Trong khi đó, có những

máy phát điện đặc biệt có khả năng huy động nhanh cơng suất trong thời gian
ngan sẽ đirợc giao nhiệm vụ kiềm soát tần số.
1.4. CHÉ Đ ộ LÀM VIỆC CỦA HỆ TH Ĩ N G ĐIỆN
Tập hợp các q trình xảy ra trong H TĐ và xác định trạng thái làm việc
cùa HTĐ trong m ột thời điểm hay m ột khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ
của HTĐ.
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai dạng:

13


- C hế độ xác lập là chế độ các thơng số cùa nó dao động rất nhỏ xung
quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể bỏ qua các dao động này. Trong
thực tế không tồn tại chế độ nào m à trong đó các thơng số của nó bất biến theo
thời gian vi hệ thống điện bao gồm m ột số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử
này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số cùa chế độ cũng biến đổi không
ngừng.
Chế độ xác lập vận hành với các thông số định m ức là chế độ vận hành
m ong m uốn của hệ thống điện. Các kỹ thuật tính tốn, điều khiển đều nhằm
m ục đích này.
- Chế độ quá độ là chế độ m à các thông số biến đổi rất nhiều. Đ ó có thể là
chế độ quá độ bình thường (bước chuyển từ CĐ X L bình thư ờng này sang
CĐ X L binh thường khác) hoặc chế độ quá độ sự cố (xảy ra sau sự cố lớn nào
đó trong HTĐ).
Chế độ quá độ ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc cùa các phần từ
(đặc biệt là các máy điện quay) là chế độ làm việc khi xảy ra ngắn mạch. Đây là
hiện tượng mạch điện bị nối tắt qua tổng trờ rất nhỏ có thể bằng không do cách
điện bị hu hỏng. Lúc ngắn mạch, tổng trờ cùa tồn hệ thống giảm xuống, nhiều
hay ít tuỳ theo điểm ngắn m ạch ở xa hay gần nguồn. D ịng điện lúc đó có thể
tăng lên rất lớn và điện áp của m ạng lúc đó có thể giảm xuống rất thấp, nhất là

các điểm gần chỗ ngắn mạch. Các dạng ngắn mạch thường gặp ừ o n g hệ thống
điện là ngắn mạch một pha (m ột pha chạm đất), ngắn m ạch hai pha (hai pha
chạm nhau), ngắn m ạch hai pha chạm đất (hai pha chạm nhau đồng thời chạm
đất), ngắn mạch ba pha (ba pha chạm nhau).
1.5. B ộ BIÉN ĐÓI Đ IỆN T Ử C Ô N G SUÁT
1.5.1. G iới thiệu chung
Đ iện tử công suất là lĩnh vực nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị
dùng để biến đồi và điều khiển năng lượng điện. Với việc chế tạo các phần tử
đóng cắt bán dẫn (khơng tiếp điểm ) công suất lớn của lĩnh vực điện tử công
suất đã v à đang đáp ứng tố t hơn với yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng
cao trong hệ thống điện.
Khi lý thuyết điều khiển, các kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển
và giá thành thiết bị điện tử công suất ngày càng hạ, các bộ biến đổi (B B Đ ) đã
giúp cho quá trình điều chinh dòng năng lượng đáp ứng được theo nhiều yêu

14


cẩu vận hành khác nhau trờ nên dễ dàng hơn
1.5.2. Vai trò của các bộ biến đổi
BBĐ được sừ dụng để thay đổi tính chất của dịng điện hoặc biến đổi giá
trị dòng điện, điện áp theo yêu cầu trong các dạng mạng điện khác nhau.
Khả năng thay đổi tính chất dịng điện (hình 1.6):

Hình 1.6 . Khả năng thay đồi tinh chất dịng điện của
BBD dạng này có khả năng biến đổi dòng điện DC thành dòng điện AC
với tần số theo yêu cầu (inverter) hoặc ngược lại (converter).
Khả năng thay đổi giá trị điện áp đầu ra so với đầu vào (hinh 1.7). BBĐ
DC/DC có thể làm nhiệm tăng áp (boost), giảm áp (buck) trong khi BBĐ
AC/AC có nhiệm vụ biến đổi tần số hoặc biến đổi giá trị điện áp.


a. Bộ DC/DC
b. Bộ AC/AC
Hình 1.7. Khả năng thay đổi giá trị điện áp đầu ra so với đầu vào
Để thực hiện được các khả năng này, các BBĐ đều được trang bị các phần tử
chuyển mạch có khả năng thay đổi chế độ làm việc theo yêu cầu điều khiển.
1.5.3. Các phần tử chuyển mạch
1.5.3.1.

CO’ bản

dùng trong bộ biến đổi

Diode

Diode là một thiết bị không điều khiển được với cấu tạo, ký hiệu, đặc
tính làm việc nhu trên hình 1.8 .
I

C tthode

a. Cấu trúc

b. Ký hiệu

c. Đặc tính i-v khơng lý tưởng d. Đặc tính i-v lý tường
Hình 1.8. Diodc

15



Trong đó: Vđm là giá trị định điện áp ngược định múc. N eu điện áp
VicA^đm thì diode sẽ bị đánh thủng, V f là điện áp thuận.
X ét về cấu tạo, diode có cấu trúc hai lớp như trên hỉnh 1.8a bao gồm 1
lớp p (chất bán dẫn thiếu e) và 1 lớp n (chất bán dẫn thừa e) và m ột lớp tiếp
giáp giữa hai lớp này.
Có thể mô tả chi tiết chế độ làm việc cùa diode như sau: Khi điện áp qua
diode từ anode A đến cathode K là V d > V f (phân cực thuận), diode bắt đầu
dẫn dịng và trên diode có m ột điện áp rơi nhỏ. Khi điện áp trên diode V ak< 0,
diode ờ trạng thái o ff nghĩa là khơng dẫn dịng hoặc dẫn với m ột dịng điện có
giá trị rất nhỏ (dịng điện rị) chạy theo chiều từ K đến A như hinh 1.8db. Đặc
tính i-v lý tuờ ng như trên hỉnh 1 ,8 c chỉ được sử dụng để giải thích nguyên lý
hoạt động cùa diode.
Khi đặt m ột điện áp ngược lên diode đang ở trạng thái dẫn, về lý thuyết
thì nó sẽ phải chuyển sang chế độ o ff và dịng điện qua nó sẽ bằng 0. Tuy
nhiên, thực tế diode không o ff ngay lập tức. Thời gian để m ột diode o ff trong
trường hợp phục hồi nguợc diode này chi khoảng vài nano giây đến vài m icro
giây. Điều này phụ thuộc vào công nghệ sản xuất và công suất định m ức cùa
diode.
D iode không cần công suất điều khiển như các thiết bị đóng cắt bán dẫn
khác nên cũng ít bị ảnh hưởng của nhiễu nhất nhung vẫn phải được bảo vệ
chống quá dòng, quá điện áp. Với quá dòng điện, thuờ ng giá trị trung binh, giá
trị trung bình và giá trị đỉnh trong khoảng thời gian của dòng điện được cho
trước. Do ảnh hưởng của nhiệt nên thường các diode vận hành ờ dưới giá trị
định mức.
Nều điện áp và dòng điện của m ạch là cao hơn so với định m ức cùa mỗi
diode, có thể thực hiện m ắc nối tiếp hoặc song song các diode lại với nhau. Khi
thực hiện ghép các diode giống nhau, có thể dịng điện hoặc điện áp có thề
khơng được chia đều trên mỗi diode vì khơng có 2 diode có đặc tính y hệt
nhau. Để tránh hiện tượng này và gây phát nhiệt khác nhau trên các diode

ghép, có thể sử dụng các điện trở ngồi để đảm bảo điện áp hoặc dịng điện
hồn tồn giống nhau.

16


1.5.3.2. Thyristor
Thyristor là phần tử bán điều khiển với cấu tạo, ký hiệu mạch và mơ hình
mạch tương đương như trên hinh 1.9.

a. Cấu tạo

b. Ký hiệu

c. Lý tường

d. Không lý tuờng

Hinh 1.9. Thyristor
Khi khơng có xung dịng điện Ig cấp vào cổng G, thyristor lý tưởng
tương đương với một điện trờ có giá trị vơ cùng lớn. Khi cấp vào cổng G một
xung dòng điện lo, thyristor rơi vào chế độ dẫn với điện trờ bằng 0 , dòng điện
trong thyristor chạy từ anode (A) đến cathode (K), giống như diode thông
thirờng. Thyristor sẽ duy tri chế độ này cho đến khi dòng anode về 0.
Tuy nhiên, dòng điện qua anode khơng về 0 ngay khi xung dịng điện IG
đã về 0 và thyristor đang dẫn. Đây là khác biệt quan trpng nhất giữa thyristor
với các thiết bị bán dẫn được điều khiển hồn tồn khác.
Dịng điện chạy thyristor sẽ bị giới hạn bời mạch cơng suất bên ngồi.
Khi thyristor dẫn, thiết bị xem như m ột tiếp giáp đơn (mặc dù có 3 lớp tiếp
giáp). Chi có cách sau đó tắt thyristor để làm cho dịng điện từ anode tới

cathode về 0
Khi thyristor ờ trạng thái off, nó có th ể khóa điện áp cực dương (thuận)
tù anode đến cathode. Có 2 điều kiện cần để làm cho thyristor dẫn dòng:
- Điện áp thuận từ anode (A) đến cathode (K).
- D òng điện dương Ig được đưa vào trong thời gian ngắn.

Khi hai điều kiện được thỏa mãn, thyristor có thể được kích hoạt hay đi
vào trạng thái dẫn. Điều này được coi như ngắn m ạch với điện áp rơi rất nhỏ
(thường là vài volt phụ thuộc vào loại thyristor và cơng suất định mức của nó).
Khi thyristor đi vào trạng thái dẫn, khả năng điều khiển thiết bị thông qua cổng
G bị mất đi và thyristor được xem nhu m ột diode. Đ iều này xảy ra dù là không
17


có dịng điện vào cổng G. T hyrsistor khơng thể được tắt khơng qua cổng G.
Chỉ khi nào dịng điện từ anode đến cathode đổi hướng do quá trình hoạt động
của m ạch cơng suất (dịng điện trở nên âm hay chạy từ từ cathode đến anode),
thyristor tắt và dòng điện từ anode đến cathode trở về 0. Đ iều này xảy ra dưới
các điều kiện nào đó và m ạch thiết kế phải đảm bảo rằng trong khi dòng điện từ
anode đến cathode là âm và cuối cùng về 0 , m ột điện áp âm phải được đặt lên
thyristor để đảm bảo rằng nó tắt hồn tồn. Các nhà sản xuất đều quy định rõ
những thời điểm và các yêu cầu để tắt thyristor. Khi điện áp qua thyristor là âm
(phân cục ngược) m ột dòng điện rất nhỏ (dịng điện dị) chạy từ cathode đến
anode.
1.5.3.3. Transitor cơng su ất B JT
BJT (Bipolar Junction Transitor) là phần tủ bán dẫn có cấu trúc gồm 3
lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) như trên hỉnh 1 1 0 hoặc n-p-n (bóng ngược)
như trên hình 1.11, tạo nên hai tiếp giáp p-n. Mỗi tiếp giáp pn về nguyên tắc
giống như 1 diode.
Vô


n p

p

ã ể
B

B
a. Cu trỳc

k

' E
b. Ký hiu

T k k C ft
đáo

- ,

JE

ị

Jc

B
c. Mạch tương đương


N fỉt

Bẫo hịm

Tích cfc

d. Chế độ làm việc

Hình 1.10. BJT loại p-n-p
V BC

K

n

p n

c

^ - K h - r - o i— ^
Je

B

a. Cấu trúc

kE

b. Ký hiệu


ị

Jc

B

c. Mạch tương đương

Tích c f c
đảo

B io

hịa

Ngất
T ích cực

d. Chế độ làm việc

Hình 1.11. BJT loại n-p-n
M uốn cho BJT làm việc ta phải cung cấp m ột điện áp m ột chiều thích
hợp cho các chân cực. Tuỳ theo điện áp đặt vào các cực m à T ransistor làm việc
ở các chế độ khác nhau như sau:
- Chế độ tích cực
Đ iện áp phân cục cho BJT loại npn: V be>0, V bc^O ,
Đ iện áp phân cực cho BJT loại pnp: V be<0, V bc>0

18



- Chế độ đảo: BJT làm việc ờ chế độ đảo khi tiếp giáp BE phân cực
ngược, tiếp giáp BC phân cực thuận.
Nguyên lý làm việc của BJT trong chế độ đảo tương tự như trong chế độ
tích cực, nhưng đổi chức năng giữa miền c và miền E. Trong chế độ đảo, miền
c phun hạt dẫn đa số (điện tử) sang miền B, và chúng lại được thu gom bời
mien E.
- Chế độ ngắt: BJT làm việc ờ chế độ ngắt khi cà hai tiếp xúc BE và BC
đều phân cực ngược. Điện trở cùa các chuyển tiếp rất lớn, chỉ có dịng điện
ngược bão hịa rất nhỏ cùa tiếp giáp góp Icbo Cịn dịng điện ngược của tiếp
giáp phát I ebo rất nhỏ so với Icbo nên có thể bỏ qua. Như vậy, trong chế độ
ngắt, coi cực E hở mạch. Dòng điện trong cực gốc B là iß = -IcBO ~ 0.
- Chế độ bão hịa: BJT làm việc trong che độ bão hòa khi cả hai tiếp xúc
PN đều phân cực thuận. Khi đó điện trờ cùa hai tiếp xúc phát TE và tiếp xúc
góp TC rất nhị nên có thể coi đơn giản là hai cực phát E và cực góp c được
nối tắt. Dịng điện qua Transistor ic

khá lớn và không phụ thuộc gi vào

Transistor đang sử dụng, thực tế U ce ~ 0.2V.
Vi vậy, BJT là phần từ điều khiển bằng điện áp.
1.5.3.4. Thyristor khóa được ở cực điểu khiển GTO
GTO (Gate turn-off thyristor) là một thiết bị lai, giống với thyristor đúng
như tên gọi của nó. Tuy nhiên, nó được thêm vào một chức năng, đó là cổng
điều khiển cho phép người thiết kế bật hoặc tắt thiết bị khi có yêu cầu. Gần
đây, nó đã được cải tiến và có thể thay the thyristor trong các ứng dụng với dải
công suất lớn.
Ký hiệu mạch, cấu trúc mạch, mạch tưung đưưng, đặc tính i-v cùa OTO
được cho trên hỉnh 1. 12 .
C athode


_

Cathode (K)
p

Off thành On hoặc
On th in h Off

Gaie (G)

Off thánh On hoặc
On thánh Off

\ -Í.V

ai

Anode (A)

Điện áp
khóa ngược

Điện áp
khóa thuận

a. Cấu tạo b. Ký hiệu mạch c. Đặc tính i-v iý tường d. Đặc tính i-v khơng lý tưởng
Hình 1.12. GTO
19



c ầ n chú ý rằng G TO có thể được bật giống thyristor với m ột xung dòng
điện dương nhỏ hoặc m ột xung dòng điện âm được sử dụng để tắt. Đây được
xem là phàn tù khá chậm khi đuợc so sánh với các thiết bị bán dẫn điều khiển
được khác. Tần số đóng cắt cực đại có thể đạt tới 1 kHz.
1.5.3.5. Transistor trư ờng M O S F E T
M O SFET(M etal O xide S em iconductor Field Effect Transistor) được
biểu diễn trên hỉnh 1.13. Thiết bị được điều khiển bời tín hiệu điện áp giữa
cổng G (gate) và s (source), cao hơn điện áp ngưỡng.

Source (S)

C u e (G )

D

j gHEị

cH S

s
a. Kênh n

s
b. Kênh p

Ịjp»J
p

L°*J

p

r

•*

Drain ( 0 )

c. Cấu tạo

d Tín hiệu điện áp điều khiển thiết bị kênh n

Hình 1.13. MOSFET
M O SFET là m ột thiết bị bán dẫn có khả năng đóng cắt nhanh với tổn hao
đóng cắt nhỏ. Đ ây là thiết bị phù hợp với các ứ ng dụng cơng suất nhỏ với tần
số đóng cắt cỡ M Hz. C ho đến nay, đây là tần số đóng cắt cao nhất cho các thiết
bị bán dẫn.
1.5.3.6. Transitor có cực điều khiển cách ly IG B T
IGBT(Lisulatcd Gate D ipolar T ransitor) là thiết bị đạt đến các m ức công
suất vài trăm kW. Đ ây là m ột thiết bị bán dẫn lai (hình 1.14), kết hợp những ưu
điểm cùa M O SFET và BJT. Đ ặc biệt, IG B T có các đặc tính đóng cắt cùa
M O SFE T với khả năng điều khiển công suất của BJT và là 1 thiết bị điều khiển
bằng điện áp giống M O SFET nhưng tổn hao dẫn thấp hơn, có điện áp v à dịng
điện định m ức cao hơn.

20


a. Cấu tạo


b. Ký hiệu mạch

c. Đặc tính i-v

Hình 1.14 1GBT
Tùy theo u cầu về tần số đóng cắt, cơng suất truyền tải cùa một sổ phần
từ bán dẫn ờ trẽn được tổng kết trên hình 1.14.
Pđra
le w
ThjruJi»
100ụw . \
- \_ GTX
tOMV
-------------- \
IOBT

tookw

Ị

10 tw

I

IIW

*

\ -------


100 V

10

too

MOSFET
\
. Tần số vận hành [kHz]
IOOO

Hình 1.14. Mức cơng suất và tần số bộ biến đổi cho các thiết bị bán dẫn
Các phần tó bán dẫn như diode, thyristor, IG B T ,... đã trình bày ờ trên đã
tham gia vào rất nhiều các ứng dụng cùa hệ thống điện. Đó chính là các mạch
điện tử dùng trong thiết bị điện dân dụng hay tham gia vào quá trinh biến đổi
năng luợng thông qua các BBĐ.
Các phần từ bán dẫn có điều khiển được ký hiệu là các khóa s trong các
B B tí. Túy theo ưng dụng m à chúng loại các khóa s này cò thế là thyristor,
GTO, IGBT hay MOSFET
1.5.4. M ột số bộ biến đổi A C/DC
1.5.4.1. Bộ biến đỏi A C /D C 3 p h a không cách ly
Để làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều hoặc
theo hướng ngược lại, có một số loại bộ biến đổi có khả năng làm việc đáp ứng
được yêu cầu này như bộ biến đổi có cách ly hoặc không cách ly.


Sơ đồ cấu tạo:
Sơ đồ cấu tạo m ạch lực của bộ biến đổi có điều khiển được trinh bày trên
hỉnh 1.15. Trên sơ đồ, bộ biến đồi được cấu tạo là m ột bộ cầu chỉnh lưu 3 pha
chuyển m ạch hoàn toàn, các diode m ắc song song ngược với van chuyển mạch,

tụ điện c, cuộn cảm L.

>n Ị d , S,n Ị d , s 5^ d 5

\Ị~^d2s4\Ị^d4s6\Ị~^d6
»Ằ Ắ1 A 1 • A 1 Ẳ • i O I
Hình 1.15. Sơ đồ cấu tạo bộ biến đổi AC/DC

Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi ờ chế độ chinh lưu:
Ở chế độ chỉnh lưu, các phần tử điều khiển được Si (i=(l-ỉ- 6 )) đều được
để chế độ off. Lúc này, chỉ có các diode ờ chế độ dẫn phụ thuộc v ào các
khoảng thời gian của dạng sóng điện áp trên hình 1.16.

Hình 1.16. Khoảng thời gian làm việc của mạch ở chế độ chinh lưu

22


Hình 1.17. Nguyên lý hoạt động của bộ AC/DC ờ chế độ chinh lưu

23


0.005

001

0.015

0.02


0.025

Time [s]

0.03

0.035

0.04

0.035

0.04

Hình 1.18. Mơ phịng chế độ dẫn dịng của các diode trong mạch chỉnh lưu 3 pha
Có thể thấy rằng, các phân tích về m ặt nguyên lý hoạt động của bộ biến
đổi tương ứng với nguồn cung cấp điện 3 pha đã trùng khớp với chế độ dẫn
dòng cùa các diode trong mỗi chu kỳ.
N guyên lý hoạt động của bộ biến đổi ờ chế độ nghịch lưu:
ở chế độ nghịch lưu thì bộ biến đổi này sẽ biến đổi năng lượng m ột chiều
thành năng luợng xoay chiều có tần số cơng nghiệp. Ở chế độ này, các diode sẽ
ln ờ trạng thái khóa do điện áp phân cực ngược và các khóa bán dẫn s,
(i=l-ỉ- 6 ) sẽ được điều khiển bởi theo các khoảng thời gian như trên hình 1.16.
Đẻ đám báo tạo ra diện áp ba pha đối xứng, luặt dẫn diện cùa càc van
phải tuân theo đồ thị như hỉnh 1.19.

24