nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN











ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN
ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ




HOÀNG THANH NAM

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN











ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN
ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ





Học viên : Hoàng Thanh Nam
Ngƣời HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
THÁI NGUYÊN 2011
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT
CÔNG NGHIỆP
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc
o0o

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN
ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ
Học viên
: Hoàng Thanh Nam
Lớp
: CH-K12
Chuyên ngành
: Tự động hoá
Ngƣời hƣớng dẫn
: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
Ngày giao đề tài
:
Ngày hoàn thành đề tài
:

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN



PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
HỌC VIÊN



Hoàng Thanh Nam

BAN GIÁM HIỆU

KHOA SAU ĐẠI HỌC







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2011
Tác giả luận văn


Hoàng Thanh Nam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
MỤC LỤC
1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT
3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
4
LỜI NÓI ĐẦU
6
I. Tính cấp thiết của đề tài.
7
II. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
7
1. Ý nghĩa khoa học.
7

2. Ý nghĩa thực tiễn.
7
III. Phƣơng pháp thực hiện nghiên cứu.
8
IV. Nội dung nghiên cứu.
8
CHƢƠNG I NĂNG LƢỢNG MỚI, TÁI TẠO VÀ TRẠM PHÁT THỦY
ĐIỆN NHỎ
9
1.1. Tổng quan về năng lƣợng mới và tái tạo
9
1.1.1. Năng lƣợng mới và tái tạo.
9
1.1.2. Các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo.
9
1.1.3. Tiềm năng và ứng dụng năng lƣợng mới, tái tạo tại Việt Nam
13
1.2. Trạm phát thủy điện công suất nhỏ.
14
1.2.1. Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện.
14
1.2.2. Các công trình thiết bị chính trong nhà máy thủy điện.
19
1.2.3. Hệ thống thủy điện công suất cực nhỏ (MHP).
19
CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG ÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG
BIẾN ĐỔI ĐIỆN CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ VÀ
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU.
25
2.1. Các phƣơng án xây dựng cấu trúc hệ thống MHP.

25
2.1.1. Tua bin thủy điện với tốc độ cố định máy phát điện cảm ứng lồng sóc
(SCIR).
25
2.1.2. Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm điện (DFIG).
26
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2.1.3. Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSG).
27
2.2. Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
29
2.2.1. Khái niệm .
29
2.2.2. Cấu tạo của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
29
2.2.3. Nguyên lý hoạt động.
30
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG
SUẤT CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ SỬ DỤNG
MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG NỐI LƢỚI.
32
3.1. Cấu trúc chung của hệ thống biến đổi điện MHP.
32
3.2. Chọn máy phát.
32
3.3. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện.
32

3.3.1. Bộ chỉnh lƣu AC-DC .
33
3.3.2. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter)
34
3.3.3. Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck converter)
43
3.3.4. Bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp, liên kết DC-bus và ắc-quy
44
3.3.5. Bộ biến đổi DC-AC.
46
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN MATLAB &
SIMULINK
50
4.1. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
50
4.2 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp
52
4.3 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC.
55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
59
1. Kết luận.
59
2. Kiến nghị.
59
TÀI LIỆU THAM KHẢO
60

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NLTT
Năng lƣợng tái tạo
MHP
Trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ (Micro Hydro Power)
NMTĐ
Nhà máy thủy điện
PMSG
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet
Synchhronous Generator)
SCIR
Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (Squirel Cage Induction Gennerator)
DFIG
Máy phát điện đồng bộ nam châm điện (Doubly- Fed Induction
Gennerator)
AC-DC
Bộ chỉnh lƣu xoay chiều sang một chiều
DC-DC
Bộ biến đổi một chiều-một chiều
DC-AC
Bộ nghịch lƣu biến đổi một chiều thành xoay chiều.

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình
Nội dung
Trang
1.1
Sơ đồ thí nghiệm công nghệ nhà kính.
10
1.2
Pin mặt trời
10
1.3
Sơ đồ một đoạn dòng chảy thủy năng.
14
1.4
Mô hình máy thủy điện kiểu đập.
16
1.5
Mô hình máy thủy điện kiểu kênh dẫn.
17
1.6
Mô hình máy thủy điện kiểu hỗn hợp.
18
1.7
Trạm MHP kênh dẫn
20
1.8
Trạm MHP hỗn hợp
20
1.9
Cấu tạo bể tràn.

21
1.10
Tuabin kiểu Pentol.
22
1.11
Tuabin propeller
23
1.12
Hệ thống MHP sử dụng máy phát cảm ứng lồng sóc
25
1.13
Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện nối lƣới qua
bộ biến đổi.
26
1.14
Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện trực tiếp với
lƣới.
27
1.15
Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lƣới
qua bộ biến đổi.
27
1.16
Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nối
lƣới.
28
2.1
Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu .
29
2.2

Sơ đồ nguyên lý của PMSG
29
2.3
Cấu tạo rôto PMSG
30
2.4
Các phƣơng pháp gắn nam châm vĩnh cửu vào rôto
30
2.5
Nguyên lý hoạt động PMSG
31
3.1
Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam
châm vĩnh cửu không nối lƣới có nguồn dự phòng.
32
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3.2
Sơ đồ bộ chỉnh lƣu AC - DC không điều khiển
33
3. 3
Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng áp
34
3. 4
Mạch tƣơng đƣơng khi T1 dẫn, D2 tự khóa
35
3. 5
Mạch tƣơng đƣơng khi T1 khóa, D2 dẫn
35

3. 6
Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác
41
3. 7
Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC giảm áp
43
3. 8
Mạch tƣơng đƣơng của bộ buck: (a) khi van Q dẫn, (b) khi van Q khóa
44
3. 9
Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp
45
3.10
Sơ đồ nghịch lƣu 3 pha
46
3.11
Sơ đồ ghép 3 nghịch lƣu 1 pha .
47
3.12
Phƣơng pháp điều chế lƣỡng cực: sơ cấp biến áp luôn nhận + U
DC
hoặc -
U
DC
.
48
3.13
Phƣơng pháp điều chế đơn cực: tùy theo nửa chu kỳ, sơ cấp MBA chỉ
nhận 1 trong 2 giá trị  U
DC

hoặc 0.
49
4. 1
Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
50
4. 2
Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
51
4. 3
Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy
53
4. 4
Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy
54
4. 5
Mô phỏng khối DC-AC, gồm 3 nghịch lƣu một pha ghép lại
56
4.6
Dòng điện tải
57
4.7
Mô phỏng điện áp
58



Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đi cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới thì nhu cầu sử dụng
năng lƣợng của con ngƣời cho sản xuất và đời sống ngày càng tăng cao. Bƣớc sang
thế kỷ 21 con ngƣời đang phải đối mặt với rất nhiều nỗi lo về năng lƣợng đặc biệt đó
là: sự giảm sút và cạn kiệt nhanh chóng của các nguồn năng lƣợng hóa thạch, đồng
thời cũng chứng kiến nhiều sự cố của các công trình năng lƣợng hạt nhân gây nên các
thảm họa kinh hoàng cho môi trƣờng cả một vùng rộng lớn và ảnh hƣởng trực tiếp
đến sự tồn tại của con ngƣời . Một chủ đề năng lƣợng đang con ngƣời quan tâm và đã
có một số nƣớc ƣu tiên phát triển đó là “năng lƣợng mới và tái tạo”, nguồn năng
lƣợng này sẽ dần thay thế dần cho các nguồn năng lƣợng truyền thống. Một trong
những nguồn năng lƣợng mới và tái tạo đó đƣợc nghiên cứu sử dụng rỗng rãi ở rất
nhiều nƣớc đó là vi thủy điện. Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết các trạm vi thủy điện
đƣợc xây dựng và lắp đặt hầu nhƣ là tự phát, các trạm sử dụng các thiết bị máy móc
thô sơ, nhập khẩu từ Trung Quốc dẫn đến chất lƣợng điện năng đem lại không cao,
gây ảnh hƣởng xấu đến tuổi thọ thiết bị dùng điện. Một vấn đề cấp bách cần phải giải
quyết hiện nay đó là phải nâng cao chất lƣợng điện cho các trạm vi thủy điện.
Sau hơn hai năm học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học kỹ thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên, tôi đã đƣợc giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dụng: ”
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công
suất cực nhỏ”. Với sự giúp đỡ và ủng hộ của các thày cô giáo, các bạn bè đồng
nghiệp cũng sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành xong luận văn với đầy
đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức, trình độ ngoại ngữ có
hạn,lĩnh vực nghiên cứu cong mới mẻ nên luận văn của tôi sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các quý thầy cô, bạn bè đồng
nghiệp và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để bản luận văn của tôi đƣợc hoàn
chỉnh và có ý nghĩa hơn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn tới các thày cô giáo cùng với các cán bộ thuộc
khoa sau đại học Trƣờng ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên. Đặc biệt tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới thày giáo PGS.TS Nguyên Văn Liễn, hiện là giảng
viên Trƣờng ĐH Bách khoa Hà Nội đã tận tình trang bị kiến thức, dùi dắt, chỉ bảo,
động viên tôi trong suốt thời gian qua.

Thái Nguyên, ngày tháng năm
HỌC VIÊN

Hoàng Thanh Nam
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
I.Tính cấp thiết của đề tài.
Điện năng là một yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội
của đất nƣớc và là điều kiện tiên quyết cho mọi hoạt động sản xuất công nghiệp và
dịch vụ hiện nay. Điện năng có ý nghĩa vô cùng quan trọng bên với quốc phòng, an
ninh của mỗi quốc gia trên thế giới. Với điều kiện kinh tế khó khăn nhƣ nƣớc hiện
nay hệ thống điện lƣới quốc gia chƣa thể kéo đƣợc đến toàn bộ các vùng miền, đặc
biệt ở các hải đảo xa xôi, các vùng núi cao hẻo lánh, đồng thời nƣớc ta đang phải đối
mặt với tình trạng thiếu điện triền miên cho sản xuất và sinh hoạt dẫn đến việc cung
cấp điện không đƣợc liên tục . Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu,
ứng dụng năng lƣợng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nƣớc ta
đang từng bƣớc đƣợc trú trọng và phát triển. Một trong những nguồn năng lƣợng tái
tạo mà nƣớc ta đang hƣớng đến là việc xây dựng các trạm thủy điện cực nhỏ.
Ở Việt Nam hầu hết các trạm thủy điện cực nhỏ đƣợc xây dựng và lắp đặt là tự
phát, sử dụng các thiết bị máy móc thô sơ, nhập khẩu từ Trung Quốc dẫn đến chất
lƣợng điện năng đem lại không cao, gây ảnh hƣởng xấu đến tuổi thọ thiết bị dùng
điện. Không chỉ dừng lại ở các hộ gia đình dùng điện mà hiện nay các khu du lịch
sinh thái, các trạm thu phát sóng viễn thông đƣợc xây dựng ngày càng nhiều ở các
vùng núi cao, hải đảo, chúng đòi hỏi phải có một nguồn điện năng có chất lƣợng cao
và liên tục. Vì vậy việc thực hiện đề tài : Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện
ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ” nhằm mục đích nâng cao
chất lƣợng điện áp, tính ổn định cho các trạm vi thủy điện là một vấn đề hết sức cần
thiết.
II.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

1. Ý nghĩa khoa học:
Đề tài đã tổng hợp đánh giá, dự báo đƣợc tình hình phát triển nghiên cứu, sử
dụng các nguồn năng lƣợng sạch và tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.
Đồng thời đã đƣa ra giải pháp nâng cao chất lƣợng điện năng cho các trạm thủy điện
công suất cực nhỏ.
2. Ý nghĩa thực tiễn:
Các kết quả dự kiến giúp nâng cao chất lƣợng điệ n á p trong trạ m phá t thủy điệ n
công suất cực nhỏ, khai thác vận hành và cải tiến các thiết bị hiện có nhằm cung cấp
điện áp có chất lƣợng cho nhu cầu sử dụng điện cho các hộ dùng điện.

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

III. Phƣơng pháp thực hiện nghiên cứu.
Để giải quyết đƣợc những vấn đề đặt ra, tác giả sử dụng các phƣơng pháp
nghiên cứu sau đây:
- Tổng hợp, đánh giá sự phát triển các nguồn năng lƣợng mới, tái tạo trên thế giới
và của Việt Nam hiện nay.
- Phân tích hệ thống thủy điện nói chung và trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ
nói riêng.
- Xây dựng mô hình hệ thống, lựa chọn các bộ biến đổi điện và mô phỏng .
IV. Nội dung nghiên cứu.
Bản luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng với những nội dung chính nhƣ sau:
Chương I. Năng lượng mới, tái tạo và trạm phát thủy điện nhỏ: Nêu lên tổng
quan về năng lƣợng mới và tái tạo, tiềm năng và ứng dụng tại Việt Nam. Giới thiệu
những kiến thức cơ bản về các công trình thủy điện nhỏ.
Chương II Các phương án xây dựng cấu trúc hệ thống biến đổi điện điện cho
trạm thủy điện công suất cực nhỏ và máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: Giới
thiệu một số cấu trúc hệ thống biến đổi điện cơ bản từ đó chọn ra phƣơng án cấu trúc

phù hợp với yêu cầu của đề tài, đồng thời nêu lên tổng quan về của máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu .
Chương III. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi công suất cho trạm thủy điện
công suất cực nhỏ sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nói lưới.
Phân tích những bộ biến đổi cơ bản, chọn phƣơng án điều khiển.
Chương IV. Mô phỏng các bộ biến đổi trên Matlab và Simulink. Kiểm tra tính
đúng đắn của phƣơng án thiết kế thông qua kết quả mô phỏng.





Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

CHƢƠNG I
NĂNG LƢỢNG MỚI, TÁI TẠO VÀ TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO.
1.1.1. Năng lƣợng mới và tái tạo.
Năng lƣợng mới và tái tạo là những dạng năng lƣợng từ thiên nhiên liên tục, vô
hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lƣợng tái tạo là tách một phần năng
lƣợng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trƣờng chuyển thành dạng năng
lƣợng cần thiết cho sản xuất và sinh hoạt mà không ảnh hƣởng đến môi trƣờng và hệ
sinh thái. Năng lƣợng mới và tái tạo bao gồm các dạng sau: Năng lƣợng mặt trời;
Năng lƣợng gió; Thủy điện nhỏ; Năng lƣợng sinh khối;Năng lƣợng địa nhiệt; Năng
lƣợng đại dƣơng ( Thủy triều, sóng biển, nhiệt đại dƣơng,…).
Năng lƣợng mới và tái tạo tránh đƣợc tất cả các nhƣợc điểm của các nguồn năng
lƣợng truyền thống và có rất nhiều ƣu điểm nhƣ: không làm ô nhiễm không khí,
không tạo ra hiệu ứng nhà kính, không tạo ra phế thải rắn và khí nhƣ các nguồn năng

lƣợng do than đá, khí đốt và năng lƣợng nguyên tử, có thể thiết lập ngay tại khu đông
đúc gia cƣ, hay ngay trên nóc các chung cƣ hay xƣởng sản xuất lớn. Đây là một loại
năng lƣợng sạch, sản xuất ra không gây tiếng động, không độc hại, không sử dụng
nguồn nguyên liệu có gốc hữu cơ, đáng tin cậy và trong một tƣơng lai gần sẽ là một
nguồn năng lƣợng rẻ nhất cho các đơn vị dân cƣ và cơ sở thƣơng mại. Tuy nhiên năng
lƣợng mới và tái tạo lại có những hạn chế nhƣ giá thành xây dựng và lớp đặt cao, quy
mô đầu tƣ lớn, phức tạp, hiệu suất đem lại chƣa cao so với các dạng năng lƣợng
truyền thống nên chƣa đƣợc đầu tƣ sử dụng rộng rãi .
1.1.2. Các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo.
a. Nguồn năng lƣợng mặt trời.
Đây là nguồn năng lƣợng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của
sự sống trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lƣợng rất phong phú mà thiên nhiên đã
ban tặng cho chúng ta. Năng lƣợng mặt trời thu đƣợc trên trái đất là năng lƣợng của
dòn bức xạ từ mặt trời xuống trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận đƣợc dòng năng
lƣợng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoản 5 tỷ
năm nữa.
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Để biến nguồn năng lƣợng mặt trời thành dạng năng lƣợng có ích cho chúng ta,hiện
nay con ngƣời đã nghiên cứu một số công nghệ sử dụng năng lƣợng mặt trời này nhƣ
sau:
- Công nghệ nhà kính:
Khi các tia xạ mặt trời đƣợc đƣa vào một hộp đậy bằng kính trong đó có đặt tấm hấp
thụ nhiệt kim loại mầu đen thì chúng bị hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt, tấm kim loại
nóng lên này lại bức xạ nhiệt thứ cấp có bƣớc sóng lớn hơn đi lên phía trên nhƣng bị
tấm kính đậy ngăn lại. Chính vì nhƣ vậy khi chiếu ánh nắng liên tục vào hộp thủy tinh
chúng sẽ bị giữ lại, làm cho tấm kim loại nóng dần lên đến hàng trăm độ C, năng
lƣợng mặt trời lúc này chỉ vào nhƣng không ra đƣợc.

Hình 1.1. Sơ đồ thí nghiệm công nghệ nhà kính.
- Công nghệ nhiệt điện mặt trời:
Ngƣời ta sử dụng kính hội tụ đi kèm với bộ dõi theo sự chuyển động của mặt
trời để hội tụ các tia mặt trời một cách liên tục ứng với một diện tích yêu cầu. Các bộ
hội tụ là các máng Parapol, tia ánh sáng mặt trời đƣợc hội tụ lại trên đƣờng tiêu hội
tụ, tại đƣờng tiêu hội tụ này nhiệt độ có thể đạt 400
0
C hoặc cao hơn để từ đó làm
nóng môi chất dùng để tạo ra hơi và áp suất quay tuabin máy phát điện.
- Công nghệ Pin mặt trời:
Đây còn đƣợc gọi là công nghệ pin quang
điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời nhờ sự
hội tụ các tia bức xạ để tạo thành nguồn nhiệt lớn
thì công nghệ pin mặt trời biến đổi ngay năng
lƣợng mặt trời thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện đƣợc chế tạo từ các vật liệu bán dẫn
điện. Các Pin mặt trời liên tục sản xuất ra điện
chừng nào ánh sáng mặt trời còn chiếu đến nó.
4
1
2
3
TÊm kÝnh
Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
Tia s¸ng mÆt trêi
1

2
3
4

Hình 1.2. Pin mặt trời
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Khi ánh nắng mặt trời chiếu vào bề mặt pin, ánh sáng sẽ tạo trong lớp bán dẫn
lân cận tiếp xúc pn các cặp điện tử - lỗ trống. Các cặp này là các hạt dẫn điện mang
điện tích âm (điện tử) và điện tích dƣơng (lỗ trống). Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp
xúc bán dẫn, tại đó đã có sẵn một điện trƣờng E tx. Điện trƣờng này ngay lập tức tách
điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử-lỗ trống vừa đƣợc ánh sáng tạo ra và bắt hai
loại hạt này chuyển động theo hai chiều ngƣợc nhau tạo nên dòng điện. Vì vậy nếu
nối các điện cực trên và dƣới bằng một dây dẫn có bóng đèn thì dòng điện sẽ đi qua
dây dẫn đó làm cho bóng đèn sáng lên. Hiện tƣợng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc
bán dẫn pn ta thu đƣợc dòng điện ở mạch ngoài đƣợc gọi là hiệu ứng quang điện. Nhƣ
vậy pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trên.
Các công nghệ sử dụng năng lƣợng mặt trời đang đƣợc con ngƣời nghiên cứu và
phát triển ứng dụng rộng rãi trong đời sống xã hội nhƣ: việc xây dựng các tòa nhà cao
ốc sử dụng ánh sáng mặt trời; tạo ra các loại máy sấy, lò sấy; hệ thống sản xuất nƣớc
nóng
b. Nguồn năng lƣợng gió.
Năng lƣợng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lƣợng mặt trời, bởi chính ánh
nắng ban ngày đã đung nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và
áp suất giữa nhiều vùng khác nhau và các khối không khí từ những khu vực có áp suất
cao sẽ dịch chuyển sang những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tƣợng gió thổi
trên khắp các bề mặt của địa cầu. Từ xa xƣa ngƣời ta đã sử dụng năng lƣợng gió để
vận chuyển đƣờng thủy bằng những cánh buồm, cho đến khi xuất hiện khinh khí cầu
để đi lại, rồi đến máy phát điện

Hiện nay để sử dụng năng lƣợng gió thành những nguồn năng lƣợng phục vụ
cho đời sống xã hội, co ngƣời đã có hai công nghệ nhƣ sau:
- Hệ thống cối xay gió: Cối xay gió là một loại máy chạy bằng sức gió. Máy
này đƣợc thiết kế để biến năng lƣợng gió thành các dạng hữu dụng hơn. Cối xay gió
đƣợc thiết kế theo hai kiểu: trục đứng và trục ngang. Ở châu Âu, ban đầu ngƣời ta
dùng cối xay gió để xay bột, về sau, cối xay gió đƣợc dùng để bơm nƣớc, và gần đây
nó đã cải tiến thành máy phát điện sức gió.
- Công nghệ máy phát điện sức gió: Để lợi dụng các luồng gió thổi trên bề mặt
trái đât, ngƣời ta tiến hành xây dựng các trạm phong điện ở những nơi có lƣu lƣợng,
tốc độ gió tƣơng đối lớn và ổn định. Ngƣời ta tiến hành lắp đặt hệ thống tuabin gió
gắn với một máy phát điện qua hệ thống bánh răng nhằm biến động năng của gió
thành động năng quay tua bin rồi kéo máy phát điện.
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhƣng thành phần
quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón
lấy gió. Còn lại là các bộ phận khác nhƣ: đuôi lái gió, trục, hộp bánh răng và cột để
dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc
máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện tuốc bin gió thƣờng sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp
cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió. Các máy
phát điện sử dụng năng lƣợng gió thƣờng đƣợc xây dựng gần nhau và điện năng sản
xuất ra đƣợc hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có đƣợc nguồn điện phù
hợp. Việc sử dụng ăc quy để lƣu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát
điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lƣu điện vào ắc quy và
sau đó chuyển đổi lại thƣờng cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lƣu điện
tuy nhiên có ƣu điểm là ổn định đầu ra.
c. Nguồn năng lƣợng thủy điện nhỏ.
Thuật ngữ thủy điện nhỏ đƣợc dùng với các công trình thủy điện có công suất

đến 10 MW. Còn khái niệm thủy điện cực nhỏ (tên tiếng Anh: Micro Hydro Power
viết tắt MHP) chỉ các thủy điện nhỏ có công suất dƣới 100 KW. Hệ thống có thể cung
cấp điện cho một cộng đồng nhà hoặc một hộ dùng điện cô lập, hoặc đôi khi đƣợc kết
nối với mạng lƣới điện. Hiện nay đã có rất nhiều các loại thủy điện nhỏ kiểu này đƣợc
lắp đặt và xây dựng trên khắp thế giới; trong việc phát triển điện lƣới quốc gia, ở một
số nƣớc chúng có thể cung cấp một nguồn năng lƣợng sạch khá lớn mà không cần
mua nhiên liệu hóa thạch. Về nguyên lý tạo ra điện năng thì thủy điện nhỏ hay các
công trình điện lớn đều dùng nguồn thủy năng dồi dào biến chúng thành động năng
quay tuabin máy phát để tạo ra điện năng .
Ở nhiều vùng đã phát triển nguồn năng lƣợng mới và tái tạo này, do nhu cầu
năng lƣợng tƣơng đối lớn và liên tục thì hệ thống vi thủy điện thƣờng xuyên đƣợc lắp
đặt cùng với các hệ thống năng lƣợng mặt trời để chúng hỗ trợ cho nhau trong việc
cung cấp năng lƣợng điện cho đời sống xã hội. Vào mùa hè khi mà nhu cầu năng
lƣợng tăng lên đột biến, nhƣng lƣu lƣợng nƣớc và công suất phát điện không tăng thì
hệ thống pin mặt trời lại bổ sung thêm nguồn năng lƣợng điện cho hệ thống MHP,
nhƣng ngƣợc lại vào mùa đông khi ánh nắng mặt trời ở mức tối thiểu, dòng chảy vẫn
đƣợc đảm bảo thì hệ thống MHP lại bổ sung năng lƣợng điện cho hệ thống pin mặt
trời.
d. Nguồn năng lƣợng sinh khối.
Năng lƣợng sinh khối là nguồn khí nhiêu liệu đƣợc tạo ra từ việc phân hủy các
chất hữu cơ, nguồn năng lƣợng này rất dồi dào và đƣợc xếp vào loại năng lƣợng tái
tạo. Sinh khối bao gồm các phế thải hữu cơ nhƣ: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ lạc, cà
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
phê các loại phế thải từ động vật nhƣ : phân gia súc, gia cầm Năng lƣợng sinh
khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch khác đang bị khai thác
cạn kiệt, gây hủy hoại đến môi trƣờng. Tại một số địa phƣơng ở nông thôn nƣớc ta
nguồn nhiên liệu khí đó đã đƣợc dùng trong các hộ gia đình nhờ đó sẽ giảm việc phụ
thuộc vào khí ga, than trong việc phục vụ chăn nuôi và sinh hoạt.

e. Nguồn năng lƣợng địa nhiệt.
Địa nhiệt là nguồn năng lƣợng tự nhiên trong lòng đất, dƣới một lớp không khí
không dày lắm, nhiệt độ lên từ 1000 đến 4000
0
C.Càng đi sâu xuống dƣới các tầng
trong lòng đất thì nhiệt độ càng tăng. Trên cùng là lớp vỏ trái đất nhiệt độ trung bình
là 15
0
C, lớp tiếp theo là 540
0
C còn lớp lõi có nhiệt độ trung bình là 7000
0
C. Theo
đánh giá của các chuyên gia, thì có khoảng 10 % diện tích vỏ trái đất có chứa nguồn
địa nhiệt có thể đánh giá đƣợc tiềm năng của nó,các nguồn này có thể cung cấp cho
nhân loại một nguồn năng lƣợng rất lớn. Hiện nay nguồn năng lƣợng địa nhiệt mà
chúng ta hay gặp nhƣ: các suối nƣớc nóng, dòng hải lƣu nƣớc nóng, núi lửa Ngƣời
ta khai thác năng lƣợng địa nhiệt bằng cách khoan các giếng sâu xuống lòng đất ở
tầng chứa nƣớc nóng. Nguồn nhiệt lƣợng này đƣợc đƣa lên mặt đất dƣới dạng hơi
nóng hoặc nƣớc nóng, và có thể sử dụng trực tiếp để sƣới ấm nhà ở, sấy nông sản,
sƣởi ấm các nhà kính trồng rau xanh… hoặc dùng để sản xuất điện năng.
f. Nguồn năng lƣợng đại dƣơng.
Nguồn năng lƣợng đại dƣơng đƣợc chia làm 3 loại chính: năng lƣợng thủy
triều, năng lƣợng nhiệt đại dƣơng, năng lƣợng sóng biển. Tiềm năng của nguồn năng
lƣợng này là vô cùng lớn. Hiện nay trong các nguồn năng lƣợng đại dƣơng thì năng
lƣợng thủy triều đang đƣợc khai thác nhiều hơn cả, trong đó một số nƣớc đã khai thác
chúng bằng việc xây dựng các nhà máy điện thủy triều.Nguyên lý hoạt động của
những nhà máy điện sử dụng năng lƣợng nƣớc biển đã khai thác cũng giống nhƣ nhà
máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nƣớc chảy đầy những "thùng chứa" đặc
biệt, làm quay tuabin phát điện, sau đó nƣớc từ thùng chứa thoát ra trở lại đại dƣơng.

Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi trƣờng, nhà máy điện sử dung
năng lƣợng nƣớc biển vẫn không tránh khỏi một số khiếm khuyết. Tƣơng tự trƣờng
hợp đập nƣớc trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây rào cản không thể vƣợt qua
đối với hải sản và gây khó khăn cho giao thông đƣờng thuỷ.
1.1.3. Tiềm năng và ứng dụng năng lƣợng mới, tái tạo tại Việt Nam
Việt Nam đƣợc đánh giá có tiềm năng dồi dào về NLTT, nhƣng việc phát hiện,
khai thác và sử dụng NLTT đang còn là vấn đề mới đƣợc quan tâm, và tất nhiên chƣa
có vị trí xứng tầm với tiềm năng của nó. Các nguồn NLTT của Việt Nam rất đa dạng
và phong phú và có thể đƣợc chia thành hai lĩnh vực khai thác là thủy điện nhỏ và
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
phong điện, sinh khối và mặt trời. Các nguồn năng lƣợng này, bằng nhiều hình thức
và hoạt động, một số đã đƣợc sử dụng, tuy nhiên phần lớn tiềm năng vẫn chƣa đƣợc
khai thác mà mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu, khảo sát.
Ở nƣớc ta hiện nay nhu cầu điện năng của đời sống và sản xuất ngày gia tăng
nhanh chóng làm cho ngành điện lực không theo kịp để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng,
dẫn đến việc thiếu điện triền miên khu vực, nhiều địa phƣơng. Các dự án nhà máy
điện đòi hỏi phải có vốn đâu tƣ rất lớn, quy mô, thời gian xây dựng dài, phức tạp do
đó việc đẩy mạnh xây dựng, phát triển các nhà máy điện là một điều vô cùng khó
khăn của nền kinh tế nƣớc ta hiện nay. Nếu nghiên cứu ứng dựng, tiến hành đầu tƣ
nguồn năng lƣợng mới và tái tạo lại càng trở nên khó khăn hơn bao giờ hết vì kinh phí
đầu tƣ rất lớn. Nhƣ vậy để đáp ứng kịp thời nhu cầu năng lƣợng của xã hội chúng ta
phải tận dụng tối đa mọi nguồn năng lƣợng sẵn có biến đổi thành điện năng. Có một
điều mà chúng ta chƣa quan tâm nhiều đến đó là việc xây dựng và phát triển các hệ
thống MHP. Hiện nay ở Việt Nam MHP cũng đã đƣợc xây dựng, lắp đặt ở nhiều vùng
trên miền núi phía Bắc và Tây Nguyên . Tuy nhiên việc phát triển nó vẫn manh mún,
tự phát, có một số dự án triển khai đến các địa phƣơng hẻo lánh nhƣng không nhiều.
Với điều kiện kinh tế của nƣớc ta hiện nay MHP cũng là một hƣớng đi tƣơng đối hiệu
quả , trong việc khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay.

MHP nó có nguyên lý vận hành tƣơng tự nhƣ các hệ thống thủy điện lớn đơn
thuần , tuy nhiên nó đem lại rất nhiều tính ƣu việt nhƣ: nó mang đặc điểm của nguồn
năng lƣợng mới và tái taọ, nhƣng điều đặc biệt ở đây là so với các hệ thống của nguồn
năng lƣợng mới và tái tạo khác thì mô hình MHP có vốn đầu tƣ ít, thiết kế đơn giản,
nó có thể áp dụng rộng rãi trong đời sống dân sinh. Đây là một nguồn điện năng cung
cấp không nhỏ cho hệ thống điện quốc gia nếu đƣợc xây dựng và đầu tƣ đúng hƣớng.
1.2. TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ.
1.2.1. Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện.
a. Các đặc trƣng cơ bản của thủy năng .
Dòng nƣớc chảy trên các con sông, con suối thƣờng có lƣu lƣợng và tốc tộ
không giống nhau kể cả trên cùng một đoạn. Muốn xây dựng một hệ thống thủy điện
dù to hay nhỏ ta đều phải tiến hành khảo sát tiềm năng của thủy năng ở đó có đủ lớn
để tiến hành triển khai công trình. Để xác định đƣợc tiềm năng của thủy năng ta tiến
hành nghiên cứu một dòng chảy sau:
Một dòng chảy tự nhiên (sơ đồ ), dòng chảy có chiều dài là L (km) xét hai mặt
cắt ngang là I-I và II-II.

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình 1.3.Sơ đồ một đoạn dòng chảy thủy năng.

Tại mặt cắt I-I : gọi chiều cao mức nƣớc là z
1
, vân tốc trung bình của dòng chảy
là v
1
, áp suất dòng nƣớc là p
1

.
Tai mặt cắt II-II : gọi chiều cao mức nƣớc là z
2
, vân tốc trung bình của dòng
chảy là v
2
, áp suất dòng nƣớc là p
2
.
Xét một khối nƣớc W đang chuyển động tại I-I. Theo lý thuyết động lực học
chất lỏng, năng lƣợng chứa trong khối W này có thể tính theo công thức sau:
w
g
v
p
zE
.
2
2
111
11













(kgm)
Trong đó:
z
1
: độc cao mặt cắt I-I
 : trọng lƣợng riêng của nƣớc (1000 kg/m
3
)
v
1
, p
1
: vận tốc và áp suất trung bình của dòng chảy tại mặt cắt.
α
1
: hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bỗ không đều của dòng chảy trên mặt
cắt.
g = 9,81 m/sec
2
là gia tốc rơi tự do (bởi trọng trƣờng)
w: thể tích mặt cắt ngang của dòng chảy (m
3
).
Trong lý thuyết thủy khí động học thì thành phần trong ngoặc đƣợc gọi là cột áp, có
thứ nguyên là m. Nó bao gồm thành phần cột áp thủy tĩnh (z+p/) và cột áp thủy động
(
g2


). Về trị số, cột áp bằng năng lƣợng chứa trong một đơn vị trọng lƣợng nƣớc
dƣới dạng thế năng (tƣơng ứng với cột thủy tĩnh) và động năng (tƣơng tứng với cột
thủy động). Với dòng chảy lý tƣởng, không tổn hao chỉ chịu tác dụng của lực trọng
trƣờng thì cột áp tại mọi vị trí mặt cắt đều bằng nhau và năng lƣợng chứa trọng khối
nƣớc W sẽ không đổi khi chuyển động. Đối với dòng chảy của các dòng sông năng
lƣợng luôn luôn bị tổn thất do có một phần biến thành công (bào mòn đá, vận chuyển
phù xa, ). Vì thế khi chuyển động đến mặt cắt II-II, năng lƣợng chứa trong khối nƣớc
W chỉ còn lại là:
w
g
v
p
zE
.
2
2
222
22













 E
1

Phần năng lƣợng mất mát để sinh công có thể tính đƣợc:
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
E = E
1
- E
2
=
w
g
pp
zz
















2
221121
1
2
(kgm)
Thông thƣờng với các dòng chảy tự nhiên p và v ít thay đổi (nếu coi tiết diện
mặt cắt ngang không đều và áp suất khí quyển trên mặt thoáng nhƣ nhau tại mọi nơi),
khi đó công do khối nƣớc W sinh ra khi chuyển động từ I-I đến II-II có thể tính theo
công thức gần đúng.
E= (z
1
- z
2
)W= H. .W (1-1)
Bây giờ nếu xét khối nƣớc W có thể tích nằng tổng lƣợng nƣớc của dòng sông
chảy, đồng thời xét khoảng cách từ I-I đến II-II là toàn bộ chiều dài dòng sông thì E
là công của cả dòng sông sinh ra trong 1 giây(hay còn gọi là công suất của nó - ký
hiệu là N), ta có thể viết lại nhƣ sau:
N = (z
1
- z
2
)Q= H. .Q
Nếu đổi sang kW (1kW= 102 kgm/s) thì công thức trở thành:
N=9,81.H.Q (kW) (1-2)
Công thƣc (1-2) thƣờng đƣợc dùng để đánh giá trữ lƣợng thủy năng của dòng
sông. Trị số tính đƣợc chính là công suất tổng cộng mà dòng sông có thể sinh ra đƣợc
(tiềm năng của dòng sông). Dễ thấy này rất khác xa so với tiềm năng thủy điện, bởi

con ngƣời chỉ có thể tận dụng đƣợc một phần năng lƣợng nhỏ H của dòng sông.
Cũng từ các công thức tính năng lƣợng của dòng chảy nhƣ nêu trên (công thức
1-1) ta còn nhận thấy rằng, tiềm năng tiềm tàng trong mỗi dòng sông đƣợc phân bố
trải khắp chiều dài dòng chảy. Một đoạn ngắn bất kỳ của dòng sông đều có chứa một
năng lƣợng, đƣợc tính theo (1-1). Tuy nhiên mật độ phân bố không đều, đoạn có độ
dốc càn lớn thì năng lƣợng tập trung càng cao (do H lớn), đó cũng chính là những vị
trí thuận lợi để xây dựng nhà máy thủy điện.
Ngoài ra dựa theo công thức (1-1) và (1-2) ta cũng có thể trực tiếp đƣa ra công
thức tính công suất cho nhà máy thủy điện:
N
TĐ
= 9,81..Q.H
0
(kW) (1-3)
Trong đó:
H
0
là độ chênh lệch mức nƣớc ở phía trƣớc và phía sau NMTĐ, còn đƣợc gọi
là cột nƣớc hình học của nhà máy
Q: là lƣu lƣợng nƣớc chảy qua NMTĐ
: là hiệu suất chung của NMTĐ
Khi thiết kế để đánh giá sơ bộ công suất của NMTĐ thì ta chọn   0,86 khi đó ta
có:
N
TĐ
 8,3.Q. H
0
(kW) (1-4)
Nhƣ vậy việc tạo ta sự chênh lệch mức nƣớc H
0

là điều kiện tiên quyết để xây
dựng NMTĐ.
b. Các loại nhà máy thủy điện.
- Nhà máy thủy điện kiểu đập.
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Bằng cách xây dựng các đặp chắn ngang sông để tạo ra chênh lệch mức nƣớc
H
0
để xây dựng nhà máy thủy điện (viết tắt là NMTĐ) khi đó ta có NMTĐ kiểu đập.
Đập càng cao thì công suất của NMTĐ có thể nhận dƣợc càng lớn. Tuy nhiên chiều
cao của đập phải đƣợc lựa chọn kỹ lƣỡng theo các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và hàng
loạt các yếu tố an toàn khác (môi trƣờng, hệ sinh thái,quốc phòng, di dân ). Mặt khác
khi xây dựng đập sẽ làm cho nƣớc dâng lên cao sẽ làm ngập một vùng rộng lớn làng
mạc, ruộng đồng, các di tích lịch sử, hầm mỏ chƣa khai thác Có khi chính một số
yếu tố này lại ảnh hƣởng đến chiều cao của đập.
Nói chung NMTĐ kiểu đập thƣờng có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng
chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thƣng lũng của những quả đồi lúc này ta lợi dụng
địa thế đó chỉ xây dựng đập nối giữa các quả đồi để ngăn dòng sông.

Hình 1.4. Mô hình máy thủy điện kiểu đập.
* Ưu điểm:
Có thể tạo ra cá NMTĐ công suất lớn,, do có khả năng tận dụng đƣợc toàn bộ
lƣu lƣợng nƣớc của dòng sông. Hồ chứa nƣớc đƣợc xây dựng không những đem lại
lợi ích cho thủy điện mà còn có tác dụng vận hành tối ƣu nhà máy điện, điều tiết lũ,
phục vụ tƣới tiêu
*Nhược điểm::
+ Vốn đầu tƣ lớn, thời gian xây dựng lâu.
+ Vùng ngập nƣớc có thể ảnh hƣởng nhiều đến hệ sinh thái môi trƣờng một

vùng rộng lớn nhƣ việc di dân, biến đổi khí hậu, thảm thực vật, hệ động vật
+Nhà máy điện kiểu đập đƣợc xây dựng rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam
loại này cũng đƣợc xây dựng là chủ yếu, tiêu biểu thƣ: thủy điện Hòa Bình, Thác Bà,
Trị An, Thác Mơ
- Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn.
Cột nƣớc NMTĐ còn đƣợc tạo ra bằng việc sử dụng các kênh dẫn. Hệ thống bao
gồm 2 phần: phần kênh dẫn hở (kênh không áp) và phần kênh dẫn kín (kênh có áp).
Phần kênh dẫn hở có nhiệm vụ dẫn nƣớc mà dòng chảy có ở mức cao đến noi mà
có dòng chảy mức thấp (vị trí NMĐ) nhƣng giữ nguyên mức nƣớc tức keenh có độ
dốc nhỏ.Phần sau là phần kênh dẫn kín có nhiệm vụ đƣa nƣớc từ trên cao xuống thấp
để chạy Tuabin.

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


Hình 1.5. Mô hình máy thủy điện kiểu kênh dẫn.

Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn đƣợc cột áp thủy tĩnh nên cột nƣớc của
NMTĐ có thể đƣợc tính từ mức nƣớc cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín) đến
mức nƣớc phía sau NMTĐ. Dễ thấy cột nƣớc của nhà máy kiểu kênh dẫn có thể rất
lớn nếu nguốn nƣớc lấy đƣợc xuất phát từ vị trí cao cũng cần nói thêm là sơ đò cấu
trúc của NMTĐ kểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong đó
kênh gồm 2 phần), thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở, phần này chỉ
đƣợc tạo ra khi có thể với địa hình cho phép và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốn đầu
tƣ nhỏ hơn ống dẫn kín). Có trƣờng hợp phần kênh dẫn hở đƣợc thay thế bằng hầm
dẫn nƣớc. Áp lực nƣớc trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển (do có độ dốc,
nhƣng thƣờng không lớn)
* Ưu điểm:

Vốn đầu tƣ nhỏ, công suất ổn định (ít phụ thuộc vào mức nƣớc). Địa hình thích
hợp là ở các vùng núi cao có các dòng sông, suối có độ dốc chảy từ trên cao
xuống Hoặc đƣợc xây dựng nơi có hai dòng sông chạy cạnh nhau với mức nƣớc
chênh lệch lớn khi đó kênh đƣợc xây dựng dẫn nƣớc từ dòng sông có mức nƣớc cao
xuống dòng sông có mức nƣớc thấp nhà máy đƣợc xây dựng ở bờ sông có mức nƣớc
thấp và xả nƣớc vào dòng sông này.
*Nhược điểm:
Không có hồ chứa nƣớc do đó không điều tiết đƣợc nƣớc và điều chỉnh công suất.
Khắc phục đặc điểm này trong nhiều trƣờng hợp với địa hình cho phép ngƣời ta xây
dựng các hồ nhân tạo ở các vị trí cao (phía cuối các kênh dẫn hở). Nhƣng lúc này vốn
đầu tƣ xây dựng lại tăng lên rất nhiều.
- Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp.
Ở một số địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng đập và kênh dẫn ngƣời ta
tạo ra NMTĐ kiểu hỗn hợp với công suất lớn, vốn đầu tƣ nhỏ, kinh tế. Sơ đồ điển
hình của kiểu này nhƣ hình vẽ sau. Sử dụng đập ngăn phí trƣớc và dùng kênh dẫn
phía sau đập đƣa dòng nƣớc đến ống dẫn kín và xả xuống tuabin nhà máy. Khi đó cột
nƣớc vẫn đƣợc tính từ mặt thoáng của hồ đến mức nƣớc hạ lƣu phía sau nhà máy tức
H= H
1
+ H
2
. Ngoài ƣu điểm về kinh tế NMTĐ kiểu hỗn hợp đập và kênh
dẫn có cột nƣớc cao, công suất ổn định, có khả năng điều tiết nhờ có hồ chứa nƣớc.
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hiện nay ở Việt nam NMTĐ kiểu hỗn hợp đã đƣợc xây dựng điển hình nhƣ thủy
điện YALI Dễ thấy rằng NMTĐ kiểu hỗn hợp là thực hiện từ nguyên tắc tập trung
lƣu lƣợng và tập trung độ dốc, nó đã làm nâng cao rất lớn công suất cho nhà máy. Hồ
chứa cho phép tập trung lƣợng nƣớc còn đập và kênh dẫn tập trung cột nƣớc.

Ngoài 3 loại NMTĐ cơ bản trên còn có một số dạng khác nhƣ: nhà máy thủy triều,
nhà máy thủy điện tích năng Tuy nhiên đối với các trạm MHP thì kiểu kênh dẫn vẫn
đƣợc lắp đặt nhiều nhất do đại đa số các hộ dân ở những vùng núi cao tận dụng dòng
chảy của các con suối nhỏ để chạy tuabin.


Hình 1.6. Mô hình máy thủy điện kiểu hỗn hợp.
1.2.2. Các công trình thiết bị chính trong nhà máy thủy điện.
Tuy có các phƣơng án khác nhau xây dựng NMTĐ, nhƣng nói chung trong mỗi
công trình thủy điện đều có những thành phần chính sau:
- Công trình cột nƣớc (đập, kênh dẫn, );
- Công trình điều tiết nƣớc (hồ chứa, bể điều tiết, đƣờng ống);
- Thiết bị biến đổi năng lƣợng :tuabin, máy phát ;
- Thiết bị phân phối điện: máy biến áp, máy cắt ;
- Các công trình phụ nhƣ: đập tràn, lối xả lũ, xả cát, đập tràn
1.2.3. Hệ thống thủy điện công suất cực nhỏ (MHP).
a. Nguyên lý hoạt động của hệ thống MHP và các kiểu xây dựng.
Nhƣ phần trƣớc đã luận văn đã giới thiệu thì trạm thủy điện công suất cực nhỏ
(MHP) là những công trình thủy điện chỉ có công suất dƣới 100 KW. MHP có nguyên
lý hoạt động không có gì khác so với các nhà máy điện công suất lớn đều đƣợc tạo ra
bằng việc chênh lệc mức nƣớc H
0
để biến thủy năng thành động năng làm cho quay
tuabin máy phát điện. Tuy nhiên việc xây dựng, tính toán thiết kế đơn giản, dễ thực
hiện, giá thành hạ, phù hợp cho việc cung cấp điện cho các hộ cá thể để sinh hoạt ở
các vùng núi.
Hiện nay tùy từng điều kiện địa hình, kinh tế cho phép mà hệ thống MHP của
chúng ta có thể xây dựng lắp đặt theo kiểu kênh dẫn hoặc kiểu hỗn hợp giữa đập và
kênh dẫn. Mặc dù vậy khi nghiên cứu và xây dựng hệ thống ta chỉ cần thu nhỏ các
nhà máy thủy điện lớn lại và rồi áp dụng với từng điều kiện cụ thể. Nếu ở địa phƣơng

nào có những con suối dốc, lƣu lƣợng nƣớc ổn định ta sử dụng ngay phƣơng án kênh
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
dẫn còn lại ở địa phƣơng nào mà đã có sẵn hồ đập ở trên cao thì ta lắp đặt theo kiểu
hỗn hợp.
+ Kiểu kênh dẫn .Hệ thống này bao gồm hai phần : phần đầu là phần kênh hở
có nhiệm vụ dẫn nƣớc từ nguồn (suối), kênh này có độ dốc nhỏ và phần thứ hai là
phần ống dẫn kín có nhiệm vụ đƣa nƣớc từ trên cao xuống để chạy tuabine. Tuy nhiên
trên thực thế tại các hộ dùng điện mà công suất máy nhỏ thì không cần phải xây dựng
hệ
thống kênh hở mà sử dụng ngay các
đƣờng ống kín để dẫn nƣớc trực tiếp
từ các dòng suối về để chạy tuabin.
Kiểu kênh dẫn có vốn đầu tƣ nhỏ,
công suất ổn đinh (ít phụ thuộc vào
mức nƣớc), địa hình thích hợp là ở
các vùng núi ở đó có các dòng suối
chảy từ trên cao xuống. Nhƣng do
hệ thống này không có hồ chƣa
nƣớc nên không có khả năng điều
tiết và điều chỉnh công suất. Để
khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta
đã phải xây thêm một cái bể nhỏ
phía thƣợng nguồn (phía sau các
kênh hở).
+ Kiểu hỗn hợp .
Đây là kiểu mang lại công suất phát
điện lớn, vốn đầu tƣ không nhiều mà rất
hiệu quả cho các nhà máy điện ,đó là sự

kết hợp cả mô hình nhà máy phát điện
kiểu đập và nhà máy phát điện kiểu kênh
dẫn. Không những tận dụng sự chênh lệch
độ cao phía dƣới đập có thể nâng cao
công suất máy lên đáng kể bằng việc lắp
đặt thêm dẫn từ trên cao xuống.
Ống dẫn kín này vẫn bảo toàn cột áp
nên cột nƣớc vẫn đƣợc tính từ mặt thoáng
của hồ cho đến hạ lƣu phía sau nhà máy.
Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ áp dụng
cho các nhà máy điện lớn mà thôi, nhƣng
nếu ở địa phƣơng nào mà có những sẵn hồ, đập ở trên cao thì ta vẫn có thể tận dụng
phƣơng pháp này cho các MHP bằng cách dẫn nƣớc trực tiếp qua các các bờ đập
xuống hệ thống đƣờng ống để chạy tuabin .
b. Cấu trúc của hệ thống MHP.


Hình 1.8.Trạm MHP hỗn hợp

Hình 1.7.Trạm MHP kênh dẫn