Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM ĐỨC ĐỀ
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM ĐỨC ĐỀ

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Như Hiển

Thái Nguyên 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT
CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Họ và tên học viên: Phạm Đức Đề
Ngày tháng năm sinh: Ngày 23 tháng 4 năm 1970
Quê quán: Huyện Đông Hưng - Tỉnh Thái Bình
Nơi công tác: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Khóa học: 2013 - 2015
TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN
KHOA CHUYÊN MÔN

PHÒNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Thái Nguyên 2016

Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Đức Đề
Sinh ngày 23 tháng 4 năm 1970
Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh.
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Nội
dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng
dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Phạm Đức Đề

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

1


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và

hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS. TS Nguyễn Như Hiển, luận văn với đề
tài: “ Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ
thống phong điện” đã hoàn thành.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Phòng Đào tạo, các Thầy giáo, Cô giáo Khoa điện - Trường Đại học Kỹ
thuật Công Nghiệp - ĐH Thái Nguyên đã tận tình giúp tôi trang bị những tri
thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình
học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cám ơn các bạn đồng nghiệp đã hợp tác chia sẻ, cung cấp
thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho nghiên cứu đề tài.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động
viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận
văn.
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015
HỌC VIÊN

Phạm Đức Đề

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

2


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................

1

LỜI CẢM ƠN……….........……….......................................………….…….
MỤC LỤC ………………………….....................................................….....

2
3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………....……………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……………...........................…
MỞ ĐẦU………………………………………………………...………......

5
6
8

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ
NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP
1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới.....................................
1.1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới..............................................

14
14

1.1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới.........................................................
1.1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam.......................................................
1.2 Khái niệm về hệ thống điện độc lập..........................................................
1.2.1 Giới thiệu chung.....................................................................................
1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng....................................................

14
15
16
16
17

1.3 Thiết bị tích trữ năng lượng.......................................................................
1.3.1 Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy.......................................
1.3.2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ.........................................................
1.3.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng...........................
1.3.3.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm..........................

19
19
22
25
26

1.3.3.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao..........................
1.4 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện...........................................................
1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn................................................
1.5.1. Lựa chọn thiết bị kho điện.....................................................................
1.5.2 Lựa chọn hệ thống biến đổi điện năng....................................................

27
28
30
30
30

1.5.3 Lựa chọn điều kiện các bộ biến đổi........................................................ 31
1.6: Kết luận chương 1………………………………………………….…. 31
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC- DC........................................................... 32
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

3


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

2.2 Các bộ biến đổi DC- DC giảm tăng áp không cách ly..............................
2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp ( buck)...................................................................
2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost)....................................................................
2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ.................................................

33
33
36
39

2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ..............................................
2.3.2 Thiết kế kho điện....................................................................................
2.3.3 Mô hình biến đổi DC- DC dùng trong thiết bị kho điện.........................
2.4 Kết luận Chương II....................................................................................

40
41

44
47

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC

3.1 Giới thiệu chung........................................................................................ 48
3.1.1 Bộ biến đổi PID...................................................................................... 48
3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn..................................................................... 51
3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống.................................................................... 52
3.3 Hàm truyền đạt DC-DC............................................................................. 53
3.3.1 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boot.............................................. 53
3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck.............................................
3.4 Tổng hợp bộ điều khiển.............................................................................
3.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck........................................
3.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost.......................................
3.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck – boost...........................

55
56
56
57
57

3.5 Kết luận Chương III................................................................................... 57
CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC, DC-AC

4.1 Giới thiệu chung........................................................................................
4.2 Bộ biến đổi DC- DC..................................................................................
4.2.1 Bộ biến đổi DC- DC giảm .....................................................................
4.2.2 Mạch DC- DC tăng áp............................................................................

4.3 Mạch DC- AC............................................................................................
4.3.1 Sơ đồ lắp ráp của bộ biến đổi DC-AC....................................................
4.3.2 Kết quả thực nghiệm...............................................................................
4.4 Kết luận .................... ................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

58
58
58
61
64
64
64
65
66
68
4


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1

Phân loại kho năng lượng theo thời gian .....................................25

Bảng 1.2

Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy........................26

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

5


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Minh họa hệ thống điện độc lập................................................... 17

Hình 1.2

Cấu tạo của ắc quy chì.................................................................. 20

Hình 1.3

Cấu trúc siêu tụ - hai lớp.............................................................. 23

Hình 1.4

Hình dáng bên ngoài của siêu tụ.................................................. 24

Hình 1.5

Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ.................................. 28

Hình 2.1

Bộ biến đổi tăng - giảm áp…………………………….……….. 32

Hình 2.2

Bộ biến đổi buck..........................................................................

34

Hình 2.3

Mạch boost cơ bản.......................................................................

37

Hình 2.4

Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng và mở............................. 37

Hình 2.5

Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục............... 37

Hình 2.6

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện
độc lập theo phương án bù phân tán.............................................

40

Hình 2.7

Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC dùng trong siêu tụ............... 44

Hình 2.8

Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ nạp.............

45

Hình 2.9

Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ xả...............

46

Hình 3.1

Bộ điều khiển theo quy luật PID.................................................. 49

Hình 3.2

Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt bằng 1 càng rộng càng tốt 51

Hình 3.3

Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC......................................

Hình 3.4

Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boot........................................ 54

Hình 3.5

Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck....................................... 55

Hình 4.1

Bộ biến đổi DC-DC và DC- AC cho siêu tụ................................

58

Hình 4.2

Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S...........................................

58

Hình 4.3

Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................

59

Hình 4.4

Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................

59

Hình 4.5
Hình 4.6

Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC
LM2569S

53

60

Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC 60

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

6


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

LM2569S
Hình 4.7

Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009...............................................

61

Hình 4.8

Sơ đồ khai triển của IC XL6009..................................................

61

Hình 4.9

Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009.............. 62

Hình 4.10 Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009..................... 62
Hình 4.11 Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009.........

63

Hình 4.12 Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009...............

63

Hình 4.13 Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC – AC.............................................

64

Hình 4.14 Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC – AC .........................

64

Hình 4.15 Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần..............................................

65

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

7


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

MỞ ĐẦU
Trong các nguồn năng lượng thì điện năng giữ một vai trò đặc biệt quan
trọng trong phát triển kinh tế xã hội của một địa phương, một đất nước. Nhưng
có một thực tế là nhiều địa phương hiện nay lưới điện quốc gia không có khả
năng vươn tới. Hệ thống điện ở những khu vực đó tạm gọi tên là hệ thống điện
độc lập. Chẳng hạn, tỉnh Quảng Ninh có vị trí địa lý, kinh tế và chính trị rất
quan trọng. Với nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, có vai trò
to lớn hơn đối với sự nghiệp phát triển đất nước. Nhưng vẫn còn một số địa
phương của tỉnh như Đảo Trần, huyện Cô Tô và đảo Cái Chiên, huyện Hải Hà
hiện chưa có lưới điện quốc gia. Xã Cái Chiên có diện tích 2.500 ha, nhưng đa
phần là đồi núi và bãi biển; trong đó, chỉ có 108 ha đất nông nghiệp cấy lúa và
trồng mầu. Cả xã có 154 hộ và 552 nhân khẩu. Việc đi lại giữa Cái Chiên với
đất liền quá khó khăn. Hiện chưa có cảng cập tàu phía đất liền. Đảo Cái Chiên
đang sử dụng máy phát diezen: 03 trạm phát tổng công suất 400kVA, trạm 1,
trạm 2 gồm 04 máy, công suất mỗi máy 80kVA và trạm 3 gồm 02 máy, công
suất mỗi máy 40kVA.
Đảo Trần là đảo thuộc xã Thanh Lân huyện Cô Tô có bốn mặt giáp biển,
địa hình chủ yếu là đồi núi có đỉnh cao nhất là 145m so với mặt nước biển. Trên
đảo có các con suối nhỏ và một số hồ chứa nước nhân tạo mới xây dựng nhằm
dự trữ nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho các đơn vị bộ đội đóng quân trên đảo.
Đảo Trần có duy nhất một con đường bê tông từ cảng Vụng Tây sang Cảng
Vụng Đông, ngoài ra còn có các đường nội bộ của cán bộ, chiến sỹ trên đảo làm
nhiệm vụ tuẩn tra trên đảo và hải đăng. Nguồn điện cung cấp cho đảo là 01
máy phát điện công suất 180kVA.
Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 đã chỉ rõ, phải phấn đấu để

nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững
chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn
định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế – xã hội với
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

8


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn
nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm
kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực
quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế
biển đóng góp khoảng 53 – 55% GDP, 55 – 60% kim ngạch xuất khẩu của cả
nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện một bước đáng kể đời sống của
nhân dân vùng biển và ven biển. Do đó, điện cung cấp cho sản suất và phát triển
kinh tế - xã hội là rất cần thiết, dù là lưới điện quốc gia hay mạng độc lập đều
phải cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật.
Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải
nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập
hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng
lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng
tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện độc lập. Hệ thống điện độc lập thông
thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung
cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG)
được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [3].
Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công
suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự
cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho

các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong hệ
thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo
tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90]. Khi một hệ thống
PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà
quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới điện
quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng
công suất phát vào. Với hệ thống điện độc lập, công suất nguồn phát lẫn dung
lượng dây truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện độc lập mang đặc điểm lưới yếu,
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

9


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng
như phụ tải.
Đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều
khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận
hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. Khi
điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có hai khả năng tác
động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ
thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào
yếu tố gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra chủ
động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió
được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa
các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống
điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ
cấp. Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát diesel đóng vai trò hình
thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính

hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn
biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực
đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của
động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống
điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện
tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ
thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN
50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1%. Một trong những giải
pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công
suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó
làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ có
những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong
những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

10


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

(SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống
biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều
đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống
điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng. Các chiến lược điều khiển và
cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng
vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều
khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế
độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều
khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô
hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến.

Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn
định khi điểm công tác thay đổi, tham số của hệ thay đổi [1][2][3]. Vì vậy,
trong luận văn này, tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến
đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả
thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính bước
đầu được áp dụng đối với mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng
của hệ.
Đối tượng nghiên cứu:
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi
DC-DC hai chiều.
Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho
điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập
nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.
Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua
những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu:

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

11


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm
bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát
hỗn hợp gió – diesel.
Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho
SCESS trên công cụ mô phỏng và thực nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống điện độc lập được vận hành ở chế độ gió biến động ngẫu nhiên,
không xem xét đến điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão.
Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai
dạng thuần trở và tải trở cảm.
Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch, lồi/lõm
điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện.
Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng
turbine PĐSG riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh.
Ý nghĩa của đề tài:
Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới
cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ. Với đặc điểm là một tỉnh giàu tài
nguyên gió, do có các khu vực hải đảo rộng lớn, nhưng chưa thể đi vào vận
hành khai thác hiệu quả do chưa có cấu trúc và thiết kế cụ thể, để giải quyết vấn
đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của
turbine PĐSG đến hệ thống điện độc lập. Luận văn đặt ra mục tiêu thiết kế cấu
trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định
ngắn hạn công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng
trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.
Với những tiền đề như vậy luận văn hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích
cực về mặt khoa học lẫn thực tiễn:
Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của mỗi
turbine PĐSG bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

12


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

thích hợp sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn
phát hỗn hợp gió – diesel.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp
thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điện độc lập nói riêng và hệ thống
điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành,
giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa
tích hợp kho điện).
Bố cục luận án gồm 4 Chương chính như sau:
CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI
VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP
Giới thiệu về năng lượng mới và tái tạo. Đưa ra cấu trúc hệ thống điện
hải đảo và thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ. Từ đó nêu những vấn đề mà luận
văn cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
CHƯƠNG II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ
DỤNG SIÊU TỤ
Trình bày về mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều
không cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC. Cấu trúc điều khiển tổng thể
của SCESS và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DCDC.
CHƯƠNG III. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink và
mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của
những giải pháp được đề xuất.
CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DCDC, DC-AC
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận văn và
hướng phát triển tiếp theo.

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

13

Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

CHƯƠNG I
NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI
VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP

1.1. Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới
1.1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới
Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác
nhau, có thể kể đến như sau:
- Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa
nhiệt,...theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng hóa thạch sẽ
bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên
nhiên.
- Từ nhân tạo: Nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ gió, năng
lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều,…trong đó đáng kể là
năng lượng gió và năng lượng mặt trời có tiềm năng rất to lớn. Tuy nhiên, do
hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất nên năng lượng gió và năng lượng
mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển.
1.1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới
Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên
đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu
cầu hiện nay gồm:
- Thủy điện nhỏ.
- Năng lượng ánh sáng mặt trời.
- Năng lượng sức gió.
- Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng thủy triều…
Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng

như tại Việt Nam, năng lượng mặt trời hiện nay đã được phát triển và ứng dụng
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

14


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

mạnh mẽ với nhiều ưu điểm, các dạng năng lượng khác như năng lượng sinh
khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển
tại thời điểm hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, riêng năng lượng
gió đã được các nước phát triển nghiên cứu với qui mô công nghiệp. Tuy nhiên,
do phụ thuộc vào vị trí địa lý nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển
mạnh ở một số nước Châu âu như: Hà Lan, Đức,… trong luận văn này tập
trung nghiên cứu về hệ thống điện độc lập sử dụng năng lượng từ sức gió.
1.1.3. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng
tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách của Nhà nước về
nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt
điện tua bin hơi và tua bin khí, một số dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử,…
Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được
năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên
cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó:
- Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài
năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện
quốc gia.
- Năng lượng gió đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm
nhưng hiệu quả chưa cao (trên đảo vịnh Bắc bộ và một số đảo phí nam).
- Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai
cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh

tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:
+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.
+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã
hội của quốc gia trên thế giới.
+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng
lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

15


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

- Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và
ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền
kinh tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển
trải dài từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn.
- Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên
do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích
hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng.

1.2. Khái niệm về hệ thống điện độc lập
1.2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ
thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa
xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống
điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện
và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau. Đối
với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm
phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen). Sự

phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện
sức gió được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập truyền thống với mục
tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, hệ thống điện độc lập truyền
thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình
1.1. Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ
biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện sức gió với các tổ hợp phát
điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai sức gió – Diezen .
Hệ thống điện lai sức gió – Diezen được hình thành bởi một hoặc vài turbine
phát điện sức gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel cung cấp điện
năng cho phụ tải thông qua lưới điện hạ áp. Tùy theo quy mô và đặc điểm phân
bố của phụ tải mà hệ thống điện lai sức gió – Diezen có thể có hoặc không có
lưới truyền tải. Phụ tải điện của khu vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV.
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

16


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai sức gió – Diezen tự chịu trách nhiệm về
cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng
điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép. Các nguồn phát trong hệ
thống điện lai sức gió – Diezen bao gồm: nguồn phát có khả năng điều độ là
những trạm phát điện diezen và những nguồn phát biến động thất thường từ
turbine gió. Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống
điện lai sức gió – Diezen thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng
lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems – ESS). Thiết bị kho
điện có thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt
tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên
Hình 1.1.

Hình 1.1:Minh họa hệ thống điện độc lập
1.2.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện Độc lập
1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Hệ thống điện lai sức gió – Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng
lưới truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện lai sức gió – Diezen không trao đổi
công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

17


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Cân bằng
công suất giữa nguồn và tải. Trong những nhân tố đó, phụ tải biến động ngẫu
nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn chính xác); nguồn phát sức
gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa
lý tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác. Vì vậy, đảm bảo cân bằng
trong hệ thống điện lai sức gió – Diezen là một vấn đề không đơn giản. Nếu
công suất tác dụng của các nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ
giảm và ngược lại. Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng. Khi tần số
nằm trong phạm vi cho phép (quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì
có nghĩa là đủ công suất tác dụng. Với công suất phản kháng, nếu công suất
phản kháng phát nhỏ hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản
kháng nguồn lớn hơn yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng. Điện áp là thước
đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
Trong hệ thống điện độc lập, công suất phản kháng được đáp ứng bởi
nguồn phát diesel, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích

hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện áp.
Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: Hệ thống điện lai sức gió –
Diezen mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những
biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải. Khi huy động thêm nguồn phát
điện sức gió biến động (công suất cơ của các turbine gió tỷ lệ với tốc độ gió).
Trung tâm điều khiển phải thực hiện tác động điều độ các nguồn phát về công
suất tác dụng để giữ ổn định hệ thống.
- Đối với hệ thống PĐSG: tốc độ gió biến động ngẫu nhiên nên tác động
điều độ công suất tác dụng chỉ có thể diễn ra theo chiều hướng giảm công suất
thông qua điều chỉnh góc cánh đón gió hoặc đơn giản là sử dụng tải giả (Dump
load). Điều này gây lãng phí năng lượng và hiệu quả điều chỉnh không đủ
nhanh để giữ ổn định hệ thống.

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

18


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

- Đối với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra theo cả chiều
tăng và giảm công suất nguồn phát bằng hai phương pháp độc lập: điều chỉnh
công suất phản kháng thông qua điều chỉnh kích từ máy phát sử dụng bộ AVR
và điều chỉnh công suất tác dụng thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu cung
cấp cho động cơ sơ cấp sử dụng bộ điều tốc.
Ở hệ thống điện lai sức gió – Diezen, tần số lưới tỷ lệ trực tiếp với tốc độ
của động cơ sơ cấp Diezen. Trong trường hợp mất cân bằng công suất tác
dụng, bộ điều tốc tác động điều chỉnh công suất cơ của động cơ Diezen để đưa
tần số trở lại giá trị định mức trong khoảng thời gian cho phép từ 10-15 giây
gọi là tác động điều chỉnh sơ cấp. Tuy nhiên, tác động điều chỉnh của bộ điều

tốc thường chậm hơn so với những biến động nhanh của nguồn phát điện sức
gió làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo. Hiện
tượng này làm suy giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng xấu đến sự hoạt
động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ
Diezen.
Để giảm thiểu ảnh hưởng những biến động của công suất tác dụng đầu ra
hệ phát điện sức gió, có thể sử dụng thiết bị kho điện: tích hợp kho điện tại
từng turbine phát điện sức gió (bù phân tán) hoặc tích hợp kho điện tại bus
chung của các nguồn phát (bù tập trung). Kho điện sẽ hấp thụ công suất khi
nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng công suất khi nguồn sơ cấp thiếu hụt.
1.3. Thiết bị tích trữ năng lượng
Chức năng cơ bản của thiết bị tích trữ năng lượng là tích lũy khi nguồn sơ
cấp dư thừa và xả ra khi nguồn sơ cấp thiếu hụt. Các hệ thống kho năng lượng
được đặc trưng bởi khả năng tích lũy/xả ra khoảng thời gian (ngắn hạn hay dài
hạn) với công suất danh định. Thời gian cỡ một vài giây được xem là ngắn hạn,
trong khi đó lớn hơn một giờ được coi là dài hạn. Thời gian huy động năng lượng
từ thiết bị tích trữ năng lượng quyết định chức năng của kho trong hệ thống.
1.3.1. Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

19


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một
chiều VDC. Được tạo thành từ việc ghép nối tiếp hoặc song song các ắcquy 12V
(24V) để cung cấp được dải công suất tính toán yêu cầu của hệ thống.
Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị
hiệu quả kinh tế cao nhất, ở đó năng lượng được tích trữ duới dạng điện. Tất cả

các hệ thống ắcquy được được tạo ra từ việc thiết lập từ những ngăn năng
lượng điện áp thấp được mắc nối tiếp với nhau để có được điện áp một chiều
đầu ra định mức và bằng cách ghép nối song song để cung cấp lượng công suất
mong muốn. Số lần ắcquy có thể được nạp và phóng điện một cách chắc chắn
phụ thuộc vào công nghệ chế tạo ắc quy.
Trên thế giới nhiều nước đã áp dụng công nghệ ắcquy khác nhau như:
ắcquy chì, ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2), ắcquy Solium-Sulfur
(Na/S), ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad), ắcquy Lithium Ion,…
Ắcquy chì (hình 1.2) là loại ắcquy xuất hiện từ rất sớm. Nó bao gồm bản
cực âm là chì và bản cực dương là chì oxit, dung dịch axit sulfuric làm điện
môi. Hiện nay loại ắcquy này đã được phát triển và cải tiến mạng lại nhiều lợi
ích hơn, đặc biệt là giá thành và độ tin cậy. Tuy nhiên một hạn chế của loại
ắcquy này là hoạt động kém ở nhiệt độ thấp.

Hình 1.2: Cấu tạo của ắc quy chì

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

20


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

Ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2) còn được biết đến với cái tên
ắcquy ZEBRA. Loại ắcquy này có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (-400 ÷
700), có đặc tính an toàn cao. Tuy nhiên loại ắcquy này lại có độ tích trữ năng
lượng và mật độ năng lượng không cao.
Ắcquy Sodium-Sulfur (Na/S) bao gồm Natri dạng lỏng làm điện cực
dương và Sulrur dạng lỏng làm điện cực âm. Loại ắcquy này vận hành ở nhiệt
độ (300o ÷ 350oC), do vậy cần có vỏ cách nhiệt tốt để chống tổn thất nhiệt. So

với ắcquy chì thì nó nhỏ hơn, nhẹ hơn và gọn hơn về kích thước.
Ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad) là loại ắcquy có độ tin cậy cao, có đời
sống tính theo số chu kỳ nạp xả thuộc loại dài nhất, nhưng lại có mật độ năng
lượng thấp. Bên cạnh đó Cadmium là loại hóa chất độc nên ảnh hưởng nhiều
đến môi trường.
Ắcquy Lethium Ion là loại ắcquy tương đối mới, có nhiều ưu điểm nổi trội
hơn các thế hệ ắcquy trước đó như cho mật độ nạp rất cao (khối lượng nhẹ
nhưng có thể trữ được năng lượng cao), tuổi thọ chu kỳ phóng nạp cũng rất
cao.
Nhiều công nghệ chế tạo ắcquy đã được ứng dụng vào sản xuất như công
nghệ Nickel-Cadmium, Nickel-Metal, Lithium-Ion nhưng giá thành sản xuất rất
cao nên đã có một số công nghệ giá thành sản xuất ban đầu dẻ hơn như
Soldium-Sunfur, Zinc-Bromine, ắcquy axit điện cực chì (lead acid batteries).
Tuy nhiên thời gian làm việc thường ngắn sau 100000 lần nạp, phóng điện, tri
phí bảo dưỡng cao.
Trong hệ thống BESS (BESS - Battery Energy Storage System là hệ thống
tích trữ năng lượng nguồn ắcquy. BESS thuộc nhóm thiết bị bù song song trong
hệ thống. BESS ra đời nhờ sự kết hợp giữa tiến bộ của công nghệ ăcquy với
công nghệ điện tử công suất dựa trên nền tảng của chỉnh lưu PWM với các
thuật toán điều khiển thông minh), ắcquy axit điện cực chì được phối hợp chặt

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

21


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

chẽ với các thiết bị điện tử công suất nên đã cải thiện được thời gian làm việc
và giảm trí phí bảo dưỡng.

1.3.2. Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ
Từ năm 1957 người ta đã tình cờ phát hiện siêu tụ điện khi các kỹ sư của
General Electric sử dụng than hoạt tính để chế tạo điện cực, khi đó người ta
chưa giải thích được cơ chế hoạt động của nó. Nhưng sau đó General Electric
đã ngừng phát triển theo hướng này. Năm 1966 siêu tụ điện được phát hiện trở
lại khi các kỹ sư hãng Standard Oil của Ohio nghiên cứu phát triển pin nhiên
liệu. Người ta sử dụng hai lớp than hoạt tính được phân cách bằng chất cách
điện xốp, tuy nhiên họ cũng thất bại trong việc thương mại hóa siêu tụ điện. Từ
năm 1990 do sự phát triển của công nghệ vật liệu tiên tiến cỡ nano (1 nano mét
bằng một phần tỷ mét) các sản phẩm siêu tụ điện đã được thương mại hóa với
thị trường lên đến 400 triệu USD năm 2005. Đặc biệt trong lĩnh vực nguồn điện
cho ôtô điện dựa trên công nghệ CMOS kích cỡ 22 nm, siêu tụ điện đã có bước
tiến rất đáng kể.
Siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor), là một loại tụ hóa có mật
độ điện dung cực cao.
Trước đây nó được gọi là tụ điện lớp kép (electric double-layer capacitor,
EDLC). Nó có thể có điện dung đến 10.000 farad ở 1,2 volt, lấp vùng trống
giữa tụ hóa và pin sạc. Thông thường nó trữ năng từ 10 đến 100 lần nhiều hơn
mật độ trữ năng lượng của tụ hóa thường, và phóng nạp nhanh hơn pin sạc. Về
kích thước thì nó lớn hơn pin sạc cùng mức trữ năng cỡ 10 lần.
Siêu tụ điện có điện môi không theo ý nghĩa truyền thống, mà sử
dụng điện dung tĩnh điện lớp kép (electrostatic double-layer capacitance),
hoặc giả điện dung điện hoá (electrochemical pseudocapacitance), hoặc lai cả
hai.
Tụ tĩnh điện lớp kép EDLS (Electric double-layer capacitor) sử
dụng anode là carbon hoặc dẫn xuất với điện dung tĩnh điện lớp kép cao hơn
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

22