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

NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ THUỘC
ĐỀ TÀI KC.06.02CN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2005


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

NGUYỄN ĐĂNG TOÀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ THUỘC
ĐỀ TÀI KC.06.02CN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN PHÙNG QUANG

Hà Nội - 2005


MỤC LỤC
Trang
Mục lục
Lời nói đầu

01

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lưu điện trong đề tài KC.06.20CN… 03
1.1

Nhiệm vụ……………………………………………………………… 03

1.2

Sơ đồ nguyên lý tổng quan của hệ thống máy phát chạy sức gió….…. 03

1.3

Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió trong đề tài…………... 04
KC.06.20CN

1.4

Chế độ vận hành hệ thống PĐCSG…………………………………… 09

1.5


Tổng quan về hệ thống lưu điện trong trạm phát điện chạy sức gió….. 10

1.5.1 Hệ thống ăcqui………………………………………………………... 11
1.5.2

Bộ điều chỉnh
nạp……………………………………………………...

Chương 2: Tính tốn thiết kế hệ thống lưu
điện………………………….
2.1

18

24

Đề xuất phương pháp xây dựng mạch nạp cho hệ thống
lưu điện của đề tài ……………………………………………………. 24
2.1.1. Mạch động lực………………………………………………... 27
2.1.2. Mạch đo và điều khiển………………………………………... 31

2.2
2.3

Tính tốn bộ ăcqui lưu điện…………………………………………... 32
Tính tốn mạch động
lực………………………………………………

34


2.3.1. Tính tốn van cơng suất cho mạch động lực………………….. 34
2.3.2. Tính tốn mạch lọc và mạch bảo vệ van…………………….…. 36
2.4

Thiết kế mạch đo……………………………………………………… 37
2.4.1. Thiết kế mạch đo dòng………………………………………… 37


2.4.2. Thiết kế mạch đo áp……………………….…………………... 39
2.5

Thiết kế mạch điều khiển mở van…………………………………….. 40

2.6

Lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình lưu điện cho DSP……………. 42

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều chỉnh điện
áp……….……………….
3.1

Sơ đồ cấu trúc hệ thống lưu
điện………………………………………

46

46

3.2


Cấu trúc điều chỉnh điện áp lưu điện…………………………………. 46

3.3

Xây dựng mô hình tốn học cho sơ đồ cấu trúc………………………. 47
3.3.1. Mơ hình tốn học cho đối tượng ăcqui……………………….. 47
3.3.2. Thiết kế bộ điều chỉnh số……………………………………... 50

3.4

Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện……………………………………... 51

3.5

Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp………………………………………... 53

3.6

Mô phỏng bộ điều chỉnh nạp…………………………………………. 55
3.6.1. Một số vấn đề về mô phỏng hệ thống với Matlab-Simulink và
PLECS………………………………………………………….. 55
3.6.2. Mô phỏng hệ thống lưu điện trong đề tài KC.06.20.CN……….. 58

Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab & Simulink ……... 62
4.1

Mô phỏng với điện áp nguồn cấp không đổi………………………….. 62

4.2


Mô phỏng với điện áp nguồn cấp thay đổi……………………………. 64

4.3.

Mô phỏng với Cb=300F ; R =
100………………………………….

65

4.4. Nhận xét kết quả thu được……………………………………………. 66
Kết luận ……………………………………………...…………………….. 67
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………... 69


LỜI NÓI ĐẦU
Tiêu thụ điện năng ngày nay là một dụng nhu cầu không thể thiếu
được của con người. Trong khi các nguồn năng lượng khác như hạt nhân,
than….là dạng năng lượng không sạch, ảnh hưởng tới môi trường sống của
con người thì một số nguồn năng lượng sạch khác như mặt trời, gió vẫn
chưa được khai thác triệt để.
Với ưu thế bờ biển dài, khả năng tận dụng năng lượng gió cao, nước
ta hồn tồn có khả năng và cơ hội để sử dụng triệt để nguồn năng lượng
này. các hệ thống phát điện chạy sức gió được thiết kế chế tạo để biến năng
lượng gió thành điện năng phục vụ con người.
Tuy nhiên, để tận dụng tốt nguồn năng lượng gió cần phải xây dựng
được giải pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống phát điện chạy sức gió.
Một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống lưu điện bằng ăcqui.
Nạp điện cho ăcqui là một khâu quan trọng quyết định đến dung
lượng, hiệu suất và tuổi thọ của ăcqui cho nên việc nghiên cứu thiết kế một

bộ nạp khống chế và điều tiết một cách chính xác các thơng số kỹ thuật
cũng là một nhiệm vụ quan trọng.
Luận văn này sẽ trình bày quá trình thiết kế, xây dựng và kiểm
nghiệm giải pháp điều chỉnh chất lượng hệ thống lưu điện trên quan điểm
xây dựng một hệ điều khiển số. Mặc dù có nhiều sự cố gắng trong quá trình
nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TSKH Nguyễn Phùng
Quang, song luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Người thực
hiện rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các
bạn quan tâm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Trung tâm Đào tạo và bồi
dưỡng sau Đại học, Ban giám đốc phịng thí nghiệm Tự động hoá, trường

-1-


Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi hồn thành khố
học sau đại học này.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình đến PGS.TSKH
Nguyễn Phùng Quang - Bộ mơn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận án này.
Tơi cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp q báu
từ phía bạn bè, đồng nghiệp đã giúp tôi giải quyết được những vướng mắc
trong khi thực hiện.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo các phịng
ban trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành khố
học.
Hà Nội ngày……..tháng……..năm 2005
Người thực hiện

Nguyễn Đăng Toàn


-2-


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

CHNG 1
TNG QUAN V HỆ THỐNG LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN
CHẠY SỨC GIÓ TRONG ĐỀ TÀI KC.06.20CN
1.1. Nhiệm vụ
Với nhiệm vụ là nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển quá trình
lưu điện của trạm phát điện chạy sức gió thuộc đề tài KC.06.20.CN, thì để
thực hiện được điều này trước tiên ta tìm hiểu nhiệm vụ, chức năng của hệ
thống lưu điện, cơ sở phương pháp thực hiện lưu điện. Cụ thể hơn các nội
dung cần thực hiện bao gồm:
• Nghiên cứu đưa ra phương pháp nạp cho hệ thống lưu điện phù hợp với
thực tế của đề tài.
• Tính toán, thiết kế, chế tạo bộ ăcquy lưu điện và mạch điều chỉnh nạp
lưu điện.
• Xây dựng cấu trúc điều chỉnh điện áp và mô phỏng kiểm chứng bằng
Matlab&Simulink.
1.2. Sơ đồ nguyên lý tổng quan của hệ thống máy phát chạy sức gió
(PĐCSG)

Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý tổng quan về hệ thống máy phát
điện
chạy sức gió
-3-



Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

H thng mỏy phỏt tốc độ thay đổi gồm có một máy phát đồng bộ, một bộ
chỉnh lưu diode, một bộ nghịch lưu, bộ lọc một chiều và bộ lọc xoay chiều
phía sau ngịch lưu.
Năng lượng gió làm quay cánh Tuabin chuyển thành cơ năng. Tuabin được
nối trục với máy phát qua hộp truyền số (đối với hệ thống cơng suất nhỏ
20kW thì khơng có hộp số), máy phát quay ở cuộn dây stator lấy điện đưa đến
chỉnh lưu, qua bộ liên kết điện áp 1 chiều (có nhiều cấu tạo khác nhau, hình
vẽ chỉ mang tính minh hoạ), qua nghịch lưu, biến áp đến tải tiêu thụ.
Hệ thống PĐCSG bao gồm nhiều thành phần được điều khiển phối hợp vận
hành bởi một hệ thống điều khiển chung. Việc thu thập thông tin điểm đo,
chương trình xử lý là nhiệm vụ của hệ thống DSP.
Mỗi hệ thống có một dải tốc độ gió hoạt động. Tốc độ gió khởi đầu là tốc độ
mà tại đó tổn hao tồn hệ thống bé hơn năng lượng gió có thể tạo ra. Tốc độ
gió dừng là tại đó nếu hoạt động tiếp thì cơ cấu cơ khí có thể bị phá hủy.
Trong trường hợp dừng khẩn cấp khi có sự cố thì phanh cơ khí được sử dụng.
Trên cánh của tuabin có cơ cấu điều khiển độ nghiêng của cánh tùy thuộc tốc
độ gió và hướng gió.
Hệ thống cịn có bình ăcqui để dự trữ năng lượng và bù áp trong q trình
hoạt động. Ngồi ra, bình đun nước bằng điện trở nhiệt tạo ra momen hãm
điện từ để hạ Ud một chiều khi cao vượt ngưỡng.
1.3. Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió trong đề tài
KC.06.20CN
Sơ đồ hệ thống của toàn bộ hệ thống phát điện chạy sức gió gồm có các
thành phần sau: bộ phận cánh và trục turbine, 1 máy phát đồng bộ kích thích

vĩnh cửu, 1 bộ chỉnh lưu diode, khâu một chiều trung gian (DC link), một hệ
thống lưu điện ăcqui cùng với bộ nạp của nó, 1 bộ điện trở dùng để tạo
mômen hãm đặt lên trục máy phát nhằm duy trì điện áp một chiều Ud khơng
-4-


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

vt quỏ giỏ tr giới hạn 240V. Nguồn nhiệt lượng toả ra trên bộ điện trở hãm
sẽ được tận dụng để đun nước trong bình đun. Một bộ nghịch lưu sử dụng van
IGBT có nhiệm vụ biến điện áp một chiều trên mạch một chiều trung gian
thành điện áp xoay chiều với tần số và điện áp mong muốn cung cấp cho phụ
tải thông qua biến áp .
Uf,If

S3
1

DSP

f
Holding
brake

S1
SG

3


Phụ
tải

Ud, Id

S_Un+1

S2

V wind

3

charging
controller

Wind
wheel

S_Un+2

S4

Phụ
tải

`

S_Un+m


Uf,If

Brake_on/ff
Uc,Ic
T,level

Simatic S7-200
V wind
Status

User
priority
Manual_on/
off

OPERATOR

Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió
trong
đề tài KC.06.20.CN
Máy phát: Nhiệm vụ của máy phát là biến cơ năng trên trục turbine thành
điện năng cung cấp cho lưới. Máy phát ở trong hệ thống này là máy phát đồng
bộ kích thích vĩnh cửu, có cơng suất danh định là 20kW, với số cực là 36. Ưu
điểm nổi bật của loại máy phát này là cấu trúc đơn giản vì khơng cần bộ phận
kích từ, và có số cực nhiều hơn so với các máy phát điện đồng bộ thông
thường. Hệ thống turbine ở đây là turbine tốc độ thay đổi, do đó tần số máy
phát cũng thay đổi.
Bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu được sử dụng trong hệ thống này là chỉnh lưu
diode cầu 3 pha. Chức năng của nó là biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha trên

-5-


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

cc ca mỏy phỏt thành điện áp một chiều. Theo sơ đồ nguyên lý hình 1.2 sẽ
có 2 mạch nạp là mạch nạp chính và mạch nạp phụ. Mạch nạp phụ có R hạnchế
lớn được đóng khi hệ thống bắt đầu 1 q trình khởi động mới, mạch nạp
chính có R nhỏ chỉ được đóng khi điện áp trên tụ C đã đầy, khi tính tốn tổn
thất thì tổn hao ở mạch chính là tương đối lớn, trong khi vai trị của R khơng
thật cần thiết khi tụ đã đầy nên có thể khơng cần trong sơ đồ.
Thơng số của mạch chỉnh lưu :
Rhạn

D1

D3

chế

Id

D5

u2a
u2b
u2c


Ud

D4

D6

D2

Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu chính
Điện áp pha máy phát đặt vào chỉnh lưu:
u 2a = 2U 2 sin t
u 2 b = 2U 2 sin(t − 120 0 )
u 2 c = 2U 2 sin(t − 240 0 )

Trong đó U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp mỗi pha. Do máy phát gồm 3
pha nối hình sao, có điện áp dây là 220 V nên điện áp mỗi pha là 127V.
Giá trị trung bình của điện áp sau chỉnh lưu là:
Ud =

3 6
U 2 = 2,34U 2 = 2,34.127 = 297V


Hệ thống lưu trữ ăcqui và bộ nạp ăcqui: Nhiệm vụ của hệ thống ăcqui là
cung cấp nguồn nuôi cho mạch điều khiển, lưu trữ điện năng để dự trữ trong
-6-


Ch-ơng1:


Tổng quan về hệ thống l-u điện

trng hp mỏy phỏt ngừng làm việc và san bằng điện áp trên mạch một
chiều trung gian trong trường hợp Ud qúa thấp. Khi điện áp Ud thấp hơn điện
áp trên cực ăcqui thì bộ ăcqui sẽ phóng điện qua tụ và san bằng được điện áp
trên Ud, việc này sẽ giữ cho Ud khơng q bé trong trường hợp gió nhỏ hoặc
q tải. Việc điều khiển nạp ăcqui sẽ do vi xử lý tín hiệu DSP thực hiện.
Bộ nghịch lưu: Vai trị của bộ nghịch lưu trong hệ thống là biến đổi điện áp
một chiều trên mạch một chiều trung gian thành điện áp xoay chiều 3 pha
cung cấp cho tải. Tần số điện áp xoay chiều trên tải là 50Hz và điện áp pha là
380V. Đây là loại nghịch lưu tự chuyển mạch (self-commutated inverter) sử
dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) sử dụng van IGBT, đặc
điểm của loại van này là cho phép đóng cắt với tần số cao. Với bộ nghịch lưu
này thì các sóng hài được giảm đi rất nhiều và đồng thời các sóng hài cũng dễ
lọc hơn so với các bộ nghịch lưu thyristor.
Máy biến áp: để đảm bảo được điện áp 380V trên tải thì cần có một bộ tăng
áp. Có hai giải pháp là tăng áp một chiều (boost converter) và dùng máy biến
áp xoay chiều. ở đây máy biến áp sẽ được chọn vì những lý do sau: Về kinh tế
thì máy biến áp có giá thành rẽ hơn nhiều so với boost converter, với máy
biến áp thì ta có thể cách ly được phần điều khiển với tải. Đồng thời khi sử
dụng máy biến áp thì ta khơng cần sử dụng cuộn kháng lọc xoay chiều nữa.
Bộ điện trở hãm: Sơ đồ mạch lực của bộ điện trở hãm như sau:

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý thực hiện hãm bằng điện
trở
-7-


Ch-ơng1:


Tổng quan về hệ thống l-u điện

Mc ớch ca vic sử dụng bộ điện trở hãm là tạo mômen hãm lên trục máy
phát để duy trì điện áp Ud khơng vượt quá giá trị ngưỡng đồng thời tận dụng
nguồn năng lượng thừa để đun nước.
Dòng điện chạy vào bộ điện trở sẽ được quyết định bởi độ mở van của van
IGBT. Khi dịng chạy vào bộ điện trở thì đồng thời dòng điện tổng trong dây
quấn máy phát cũng tăng lên một lượng tương ứng. Dịng điện này tạo ra
mơmen hãm điện từ kéo máy phát quay chậm lại, điều này làm cho điện áp
Ud giảm. Độ mở van sẽ do một bộ điều khiển trong vi xử lý tín hiệu (DSP)
thực hiện.
Các bộ phận khác:
- Phanh hãm cơ khí: mục đích sử dụng bộ phanh này là phục vụ cho yêu cầu
dừng turbine khi gió quá to hoặc qúa nhỏ để đảm bảo an toàn và hiệu quả của
hệ thống. Phanh hãm cơ khí được lắp giữa trục rotor và phần đầu của turbine.
- Sensor đo tốc độ (anemometer): là thiết bị đo tốc độ gió cung cấp cho bộ
điều khiển thơng tin về tốc độ gió để quyết định điều khiển hoạt động của hệ
thống. Sensor này truyền tín hiệu đo là tốc độ gió về PLC dưới dạng tín hiệu
nguồn dịng 420 mA.
- Panel điều khiển: là bảng điều khiển phục vụ cho mục đích hiển thị trạng
thái của hệ thống, thực hiện đóng cắt bằng tay của người vận hành.
- Hệ thống điều khiển cho hệ thống turbine gió: gồm có 2 thiết bị điều khiển
là PLC S7-200 của hãng siemens và DSP TMS320 của Texas Instrument.
DSP thực hiện điều khiển động học hệ thống (điều khiển cấp dưới), đó là điều
khiển biến tần, điều khiển bộ nạp ăcqui và điều khiển bộ điện trở hãm. Tốc độ
tính tốn của loại DSP này rất cao cho phép rút ngắn thời gian tính tốn nhằm
mục đích thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp trong hệ thống truyền
động.

-8-



Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

PLC l b iu khiển logic khả trình, thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic
đóng cắt hệ thống đồng thời là thiết bị thu thập dữ liệu từ DSP truyền lên rồi
truyền qua module modem lên internet. Và nó cũng đảm nhiệm vai trị down
load và Upload firmware cho DSP. Phần firmware và dữ liệu hệ thống sẽ
được trao đổi giữa một phần mềm chuẩn bệnh từ xa chạy trong một PC trên
mạng internet. Việc truyền thông này được thực hiện qua một module mở
rộng của PLC là module modem.
1.4. Chế độ vận hành hệ thống PĐCSG
Hệ thống PĐCSG có thể chia thành 2 trạng thái là trạng thái hoạt động và
trạng thái dừng.
Turbine chỉ quay khi nằm trong dải tốc độ gió thích hợp. Ở đây dải tốc độ gió
hoạt động là từ 2.5m/s đến 50 m/s. Khi tốc độ gió quá thấp (<2.5m/s) thì hệ
thống hoạt động khơng có hiệu quả, turbine có thể vẫn quay nhưng quay rất
chậm, cơng suất nhận được chỉ đủ bù các tổn hao cơ khí và tổn hao trong máy
phát và trong các bộ biến đổi. Khi tốc độ gió quá cao (trong trường hợp gió
bão) nếu để turbine quay thì nguy hiểm cho hệ thống vì có nguy cơ gãy hỏng
các bộ phận cơ khí. Do đó cũng cần đóng phanh để dừng hệ thống lại. Ở đây
ta gọi trạng thái hệ thống khi turbine quay là trạng thái hoạt động, còn ngược
lại là trạng thái dừng.
Khi hệ thống đang ở trong trạng thái hoạt động hệ thống được vận hành như
sau:
- DSP thực hiện điều khiển biến tần để có được điện áp xoay chiều 3 pha sau
biến áp mong muốn 380V/ 50Hz. Tín hiệu điều khiển van từ 6 kênh PWM
của DSP sẽ đi điều khiển 3 cặp van IGBT.

- DSP sẽ điều khiển quá trình nạp ăcqui. Quá trình nạp này sẽ được bắt đầu
khi giá trị của điện áp một chiều Ud là khá lớn, quá trình nạp này sẽ đảm bảo
cho việc tích luỹ điện năng phục vụ cho việc ni hệ thống tải khi gió thấp
-9-


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

hoc khi dng turbine. Khi Ud bé (do quá tải hoặc do tốc độ gió thấp) hoặc
khi turbine dừng thì ăcqui sẽ phóng điện bù vào (san bằng điện áp một chiều)
để cung cấp cho phụ tải . Khi hệ thống ở trạng thái dừng thì ăcqui sẽ ni hệ
thống tải được một khoảng thời gian tương đối lớn.
1.5. Tổng quan về hệ thống lưu điện trong trạm phát điện chạy

sức

gió
Trong các hệ thống đã xây dựng trên thế giới, thường được xây dựng với
cơng suất lớn và hịa lưới nên khơng có hệ thống lưu điên bằng ăcqui. Còn đối
với những hệ thống có cơng suất nhỏ khơng hồ lưới mà cung cấp trực tiếp
cho phụ tải thường có thêm một hệ thống lưu điện với mục đích là tích luỹ
năng lượng phục vụ cho việc ni hệ thống tải khi gió thấp hoặc dừng turbine.
Đề tài KC.06.20CN xây dựng phương án sử dụng ăcqui để lưu điện.
Khi hệ thống ở trạng thái dừng thì một số tải ưu tiên thấp sẽ bị cắt ra khỏi
hệ thống, các tải có mức ưu tiên cao vẫn được cấp điện. Lúc này nguồn năng
lượng cung cấp cho nghịch lưu là hoàn toàn từ ăcqui. Để đảm bảo đủ điện
năng nuôi hệ thống điều khiển trong một thời gian dài và đảm bảo tuổi thọ
cho ăcqui thì ta phải dự trữ một dung lượng ắc qui nhất định. Khi dung lượng

còn lại của ăcqui nhỏ hơn mức dung lượng dự trữ này thì ta phải dừng cung
cấp cho các tải để thực hiện việc dự trữ năng lượng.
Khi hệ thống ở trạng thái hoạt động thì turbine nhận năng lượng gió qua
hệ thống máy phát biến cơ năng thành điện năng cung cấp cho tải. Vì tốc độ
gió là một đại lượng ngẫu nhiên khơng xác định được trước, do đó tốc độ máy
phát cũng là một đại lượng thay đổi khơng biết trước. Chính vì vậy, tần số và
trị hiệu dụng của điện áp sau máy phát là các đại lượng thay đổi dẫn tới điện
áp một chiều sau mạch chỉnh lưu cũng là một đại lượng thay đổi phụ thuộc
vào tốc độ gió

- 10 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

Trong ti quỏ trình điều khiển lưu điện được thực thực hiện bằng DSP.
Khi Ud lớn (tốc độ gió lớn) hệ thống điều khiển sẽ thực hiện nạp tích luỹ
năng lượng cho hệ thống ăcqui khơ (năng lượng tích luỹ phụ thuộc vào dung
lượng của hệ thống ăcqui). Khi Ud bé không đủ duy trì điện áp cho phụ tải
hoặc hệ thống turbine dừng hoạt động thì hệ thống ăcqui lại cung cấp năng
lượng cho phụ tải. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lưu điện mơ tả như hình
dưới đây:
+
Nguồn nạp

Bộ điều
chỉnh nạp


ăcqui

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lưu điện
Hệ thống lưu điện bao gồm hai phần quan trọng đó là hệ thống ăcqui dùng
để lưu điện và bộ điều chỉnh nạp.
1.5.1. Hệ thống ăcqui
Ăcqui là một loại nguồn điện hố học có thể biến điện năng thành hố
năng tích trữ lại khi nạp điện và biến hố năng đó thành điện năng khi sử
dụng. Quá trình ăcqui biến đổi điện năng thành hố năng gọi là nạp điện, cịn
q trình ăcqui biến đổi hố năng tích trữ thành điện năng gọi là phóng điện.
a. Các loại ăcqui:
Có các loại ăcqui chính sau:
- Ăcqui kẽm-bạc;
- Ăcqui axít (cịn gọi là ăcqui chì) có dung dịch điện phân là dung dịch axít
sunfuaríc (H2SO4);

- 11 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

- cqui kim cú dung dịch điện phân là dung dịch hyđrôxyt Kali (KOH)
hoặc dung dịch hyđrôxyt Natri(NaOH) và phân thành 2 loại:
+ ăcqui sắt kền.
+ ăcqui cát mi-kền.
+ Và một số loại ăcqui khác.
Tuy nhiên trong thực tế sản xuất và đời sống ăcqui kiềm và ăcqui axit thường
được dùng hơn cả.

b. Kiểu ăcqui:
Trong từng loại ăcqui, căn cứ vào dung lượng và ứng dụng khác nhau mà chia
thành các kiểu sau:
* Kiểu cố định:
Ăcqui cố định được lắp đặt trong nhà, đặc điểm là có dung lượng lớn, sử dụng
được lâu.
Ăcqui cố định thường là ăcqui axit như 4k6 có dung lượng 864AH, 6-CT-180
có dung lượng 180AH, cũng có nơi sử dụng ăcqui sắt-kền có dung lượng lớn
làm ăcqui cố định.
* Kiểu di động:
Được dùng để thắp sáng và khởi động các động cơ trên xe hơi, máy bay, xe
tăng, tàu thuỷ, tổ máy phát điện di động v.v... vì vậy phải đáp ứng những yêu
cầu cơ bản sau: thể tích nhỏ, trọng lượng nhỏ, dịng điện phóng nhất thời lớn
và dung dịch không bị đông đặc.
* Kiểu mang xách:
Được dùng cho các đài vô tuyến điện mang xách, điện thoại, điện báo nhỏ
v.v... vì vậy có trọng lượng nhỏ, cấu tạo chắc chắn.
Ăcqui mang xách thường là ăcqui cat mi-kền.
* Ăcqui cao áp:

- 12 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

c ghộp t nhiu ngăn ăcqui cùng loại theo lối ghép nối tiếp để tạo nên
ăcqui có thế hiệu cao. Ăcqui cao áp thường là ăcqui chì hay ăcqui kiềm loại
kẽm-bạc hay cat mi-kền ghép lại.

c. Các tham số kỹ thuật của ăc qui.
* Sức điện động E, đơn vị là vôn (V)
Sức điện động phụ thuộc vào bản chất của cực bản và dung dịch điện phân.
Tỷ trọng của dung dịch điện phân càng lớn thì sức điện động của ăcqui càng
lớn (tuy nhiên tỷ trọng dung dịch không cao quá quy định).
Mỗi ngăn ăcqui kiềm có sức điện động trung bình là 1,25V.
Mỗi ngăn ăcqui axit có sức điện động trung bình là 2V.
Với ăcqui axit sức điện động được tính bằng biểu thức:
E= 0,84 + đ (V)
Trong đó:

(1-1)

0,84 là hệ số kinh nghiệm
đ là tỷ trọng dung dịch (g/cm3)

Ngoài ra, ta có một thơng số có liên quan chặt chẽ với sức điện động, đó là
điện áp. Điện áp của ăcqui là thế hiệu của các bản cực dương và các bản cực
âm trong trạng thái đóng mạch ngồi ăcqui (khi nối với tải).
Sức điện động của ăcqui phụ thuộc vào tỷ trọng và nhiệt độ của dung dịch
điện phân, còn điện áp của ăcqui phụ thuộc vào sức điện động, cường độ dịng
điện phóng/nạp và điện trở tải.
Trong q trình phóng điện, điện áp trên ăcqui nhỏ hơn sức điện động của nó
một đại lượng bằng độ sụt áp trên nội trở ăcqui (Ip.ro).
Trong quá trình nạp điện, điện áp trên ăcqui lớn hơn sức điện động của nó
một đại lượng bằng độ sụt áp trên nội trở ăcqui (In.ro).
* Nội trở ro, đơn vị là ôm ()
Nội trở là điện trở trong của ăcqui.

- 13 -



Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

Ni tr ca cqui phụ thuộc vào tỷ trọng, cực bản lớn hay nhỏ, tính chất tấm
cách điện, khoảng cách giữa hai cực bản, v.v...
Dung lượng càng lớn nội trở càng nhỏ. Nhiệt độ tỷ trọng càng tăng nội trở
càng nhỏ vì vậy nên khi nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng và nhiệt độ tăng.
Khi phóng điện nội trở tăng vì tỷ trọng và nhiệt độ giảm.
Mỗi ngăn ăcqui kiềm có r0 = 0,050,1
Mỗi ngăn ăcqui axit có r0 = 0,00010,0015 khi nạp đầy và r0 = 0,02 khi
phóng điện đến điện áp ngừng phóng quy định.
Dưới đây là bảng nội trở của một bình ăcqui axit có dung lượng khác nhau:

Dung lượng (AH)

Nội trở r0 ()

1 –2

0,01 - 0,04

10

0,005 - 0,01

50


0,0025 - 0,008

100

0,0010 - 0,0065

1000

0,0002 - 0,007

5000

0,00006 - 0,0002

10000

0,000035- 0,0008

15000

0,00001 - 0,00003

* Dung lượng
Dung lượng là khả năng tích luỹ điện năng của ăc qui, ký hiệu là Q, đơn vị đo
là ampe giờ(AH).
Có hai loại dung lượng:
- Dung lượng lý thuyết là lượng điện năng mà ăcqui có thể phóng điện cho
đến khi điện áp bằng không;

- 14 -



Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

- Dung lng s dụng là lượng điện năng mà ăcqui phóng đến điện áp ngừng
phóng quy định.
Dung lượng sử dụng gọi là dung lượng định mức của ăcqui.
Khi ăcqui phóng với dịng điện cố định thì dung lượng bằng tích số của dịng
điện phóng và thời gian phóng:
Q= If . tf (Ah)

(1-2)

Trong đó : If là dịng điện phóng: A (ampe)
tf là thời gian phóng: h (giờ)
Nếu dịng điện phóng khơng cố định thì dung lượng tính theo cơng thức:
t

Q =  I f .dtf

(1-3)

0

Dung lượng của ăcqui phụ thuộc chủ yếu vào bản chất, kích thước và số
lượng chất tác dung trong cực bản của ăcqui. Số lượng chất tác dụng càng
nhiều, kích thước cực bản càng lớn thì dung lượng ăcqui càng lớn.
Ngồi ra dung lượng ăcqui cịn phụ thuộc vào nhiệt độ sử dụng, tỷ trọng dung

dịch, dịng điện phóng và điện áp ngừng phóng của ăc qui.
* Hiệu suất
Ăcqui khơng thể phóng ra tồn bộ điện năng đã hấp thụ được vì có những tổn
thất dưới đây:
- Do tác dụng điện phân ở thời kỳ cuối khi nạp điện, nước biến thành ôxy và
hydrô sủi bọt, tổn hao một phần điện năng;
- Tổn hao một phần điện năng vì dị điện và phóng điện nội bộ;
- Khi nạp điện ăcqui có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lượng I2r0;
Hiệu suất của ăcqui là tỷ số giữa tồn bộ điện năng phóng và tồn bộ điện
năng nạp.
* Các vấn đề cần lưu ý khi sử dụng ăcqui

- 15 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

- cqui s dng phải được kiểm tra định kỳ. Một trong những thông số quan
trọng là trọng lượng riêng của nước điện giải nó cho biết tình trạng điện là hết
hay xạc đầy đủ, qua đó điều khiển mạch nạp ăcqui.
- Trong những ngày nhiệt độ thấp nước điện giải có thể bị đóng băng gây ra
hư hỏng bình ăcqui. Để tránh tình trạng này ngồi vấn đề bảo vệ nhiệt thì cần
chú ý khơng được để ăcqui ở tình trạng hết sạch điện.
- Một ăcqui tốt có thể nhận được dịng điện nạp lớn mà khơng bị ảnh hưởng
bất lợi gì. Cách xạc dòng điện này gọi là xạc nhanh. Tuy nhiên một ăcqui bị
sunphát hố sẽ khơng chấp nhận dịng điện xạc lớn mà không bị hư hỏng do
làm cho điện trở trong bình ăcqui tăng lên. Dịng điện xạc gây ra sức nóng
làm những bản cực bị cong, làm sơi dung dịch điện giải và dần dần làm hỏng

những tấm ngăn. Do đó, ăcqui bị sunphát hố phải xạc từ từ ở mức độ chậm.
Bằng cách này lớp sunphát hoá trên bản cực mới bị huỷ dần và ăcqui phục hồi
lại tình trạng ban đầu tích điện (ăcqui xạc khơng đủ là một ngun nhân gây
ra tình trạng sunphát hố).
- Nên ưu tiên sử dụng loại ăcqui không phải bảo trì như ăcqui khơ. Mặc dù
đầu tư cao hơn nhưng tránh được chi phí bảo trì và u cầu nhân lực có trình
độ bảo trì .
c. Các đặc tính phóng nạp
* Đặc tính phóng của ăcqui
Đặc tính phóng của ắcqui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp ăcqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi
dịng điện phóng khơng thay đổi.
Từ đặc tính phóng của ăcqui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
- Trong khoảng thời gian phóng từ tf = 0 đến tf = tgh, sức điện động điện áp,
nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này
độ dốc của các đồ thị khơng lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời
- 16 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

gian phúng in cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ăcqui
(dịng điện phóng).

Hình 1.6: Đặc tính phóng điện của ăcqui
Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp tục
cho ăcqui phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ăcqui sẽ giảm rất
nhanh. Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng

sẽ có dạng thơ rắn rất khó hồ tan (biến đổi hố học) trong quá trình nạp điện
trở lại cho ăcqui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép
của ăcqui, các giá trị Ef , Uf , tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện
của ăcqui. Ăcqui khơng được phóng điện khi dung lượng cịn khoảng 80%.
Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện
động, điện áp của ăcqui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây
là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ăcqui. Thời gian hồi phục này phụ
thuộc vào chế độ phóng điện của ăcqui (dịng điện phóng và thời gian phóng).
* Đặc tính nạp của ăcqui:

- 17 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

c tớnh np ca ăcqui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức
điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị
số dòng điện nạp khơng thay đổi .

Hình 1.7: Đặc tính nạp điện của ăcqui

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp, nồng
độ dung dịch điện phân tăng dần.
- Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (cịn gọi là
hiện tượng "sơi") lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ăcqui đơn tăng
đến 2,4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7V và giữ
nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các

chất tác dụng ở sâu trong lịng các bản cực được biến đổi tuần hồn, nhờ đó sẽ
làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ăcqui .
- Trong sử dụng thời gian nạp no cho ăcqui kéo dài từ 23h trong suốt thời
gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ăcqui và nồng độ dung dịch điện
- 18 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

phõn khụng thay i. Như vậy dung lượng thu được khi ăcqui phóng điện
ln nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ăcqui.
- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ăcqui, nồng độ dung dịch
điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của
ăcqui sau khi nạp.
- Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của
ăcqui.
Dòng điện nạp định mức đối với ăcqui là: In = 0,1C10 .
Trong đó C10 là dung lượng của ăcqui mà với chế độ nạp với dòng điện định
mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ăcqui sẽ đầy.
Ví dụ với ăcqui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10%
dung lượng (tức In= 18 A) thì sau 10 giờ ăcqui sẽ đầy.
1.5.2. Bộ điều chỉnh nạp
Bộ điều chỉnh nạp có nhiệm vụ điều chỉnh dịng nạp cho ăcqui , nó phải
đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật:
- Đủ cơng suất, dịng điện, điện áp yêu cầu.
- Đảm bảo nạp đủ dung lượng cho acquy.
- Bảo vệ các hiện tượng sự cố quá dòng, quá áp.
- Tự động cắt nguồn khi đã nạp đủ.

- Có cơ chế phóng điện.
- Phải có đặc tính làm việc thỏa mãn đặc tính nạp của acquy.
a. Các phương pháp nạp ăcqui tự động
* Phương pháp nạp ăcqui với dịng điện khơng đổi
Dịng điện được giữ cố định trong suốt q trình nạp.
Biểu thức của dịng điện nạp như sau:
In =

Un − E
r0

- 19 -

(1-4)


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện

Trong ú: In l dòng điện nạp cho ăcqui .
Un là điện áp nạp.
E là sức điện động của ăcqui .
r0 là nội trở trong của ăcqui.
Trong quá trình nạp sức điện động E tăng dần, do đó muốn cho dịng điện
khơng đổi ta phải tăng dần điện áp nạp tương ứng với sự gia tăng sức điện
động của ăcqui .
Các ăcqui nạp theo phương pháp này được mắc nối tiếp với nhau, tổng số
ngăn khơng vượt q trị số:
n max =


Uc
2,7

(1-5)

Trong đó : Uc là điện áp tối đa của thiết bị nạp.
2,7 là sức điện động của một ngăn khi nạp đầy.
Các ăcqui mắc nối tiếp nhau phải có cùng điện dung, nếu các ăcqui có điện
dung khác nhau thì phải chọn theo ăcqui có điện dung nhỏ nhất, như vậy
ăcqui có điện dung lớn sẽ nạp chậm.

I [A]

U [V]

2,7

In = 0,1*C

t[h]
Hình 1.8: Đặc tính nạp với dịng khơng đổi

- 20 -


Ch-ơng1:

Tổng quan về hệ thống l-u điện


u im :
Phng phỏp với dịng khơng đổi có ưu việt là ăcqui được nạp điện hoàn
toàn, tuy nhiên thời gian nạp lâu và phải ln ln điều chỉnh điện áp.
Nạp điện với dịng điện không đổi được áp dụng cho các ăcqui nạp điện đầu
và cho các ăcqui đã bị sunphát hoá.
* Phương pháp nạp với điện áp không đổi
Phương pháp điện áp khơng đổi là trong suốt q trình nạp, điện áp nạp
luôn giữ ở giá trị cố định.
In =

Un − E
r0

(1-6)

Ban đầu, sức điện động E bé nên dòng nạp khá lớn, sau đó E tăng dần khiến
dịng nạp giảm dần về giá trị 0, khi đó q trình nạp sẽ kết thúc.
Các ăcqui nạp theo phương pháp này được mắc song song với nhau, điện áp
không đổi của nguồn nạp được tự động điều chỉnh và luôn được kiểm tra.
Khi nạp cần mắc đủ số bình ăcqui để dịng điện chung khơng vượt q trị số
dịng điện cực đại cho phép của nguồn nạp.
Lúc bắt đầu nạp, dòng nạp lớn nên trong 4 đến 5 giờ đầu ăcqui được nạp tới
90% - 95% dung lượng của nó.

U [V]

I [A]

U=const


I
t[h]

0

Hình 1-9: Đặc tính nạp với điện áp khơng đổi
- 21 -