Phân tích ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chất lượng điện năng trong hệ thống điện

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

Vũ Hoàng Đạo

KỸ THUẬT ĐIỆN
HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

2009-2011
Hà Nội – 2011


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

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt

Hà Nội – 2011


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào
khác.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn

Vũ Hoàng Đạo


Lời cảm ơn
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả đã
nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Hoàng
Việt, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tác giả
cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo cho tôi có được như ngày hôm nay.
Do kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn khó có thể tránh khỏi những sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ
thống điện và những người quan tâm.
Xin chân thành cám ơn!
Tác giả
Vũ Hoàng Đạo

Danh mục các bảng:
Bảng 2.1: Các hiện tượng chất lượng điện năng
Bảng 3.1. Các loại phụ tải điển hình
Bảng 3.2. Công suất định mức các phụ tải điện
Bảng 3.3. Trị số điện áp tại các nút trong chế độ lưới điện vận hành điển hình, phụ tải
có đặc tính dân cư
Bảng 3.4. Công suất phát của HT, NĐ và NT trong chế độ điển hình, phụ tải có đặc
tính dân cư
Bảng 3.5. Trị số điện áp tại các nút trong chế độ lưới điện vận hành điển hình, phụ tải
có đặc tính công nghiệp
Bảng 3.6. Công suất phát của HT, NĐ và NT trong chế độ điển hình, phụ tải có đặc
tính công nghiệp
Bảng 3.7. Trị số điện áp các nút sau khi cắt đường dây 377
Bảng 3.8. Trị số các hố điện áp khi cắt hệ thống đột ngột không có sa thải phụ tải
Bảng 3.9. Chênh lệch công suất kịch bản 2.1 - phụ tải dân cư
Bảng 3.10. Chênh lệch công suất kịch bản 2.1 - phụ tải công nghiệp
Bảng 3.11. Các hố điện áp khi tách đảo không có sa thải phụ tải và mức độ chênh lệch
công suất nhỏ hơn 30%
Bảng 3.12. Chênh lệch công suất kịch bản 2.2 - phụ tải dân cư
Bảng 3.13. Chênh lệch công suất kịch bản 2.2 - phụ tải công nghiệp
Bảng 3.14. Chênh lệch công suất kịch bản 2.3 - phụ tải dân cư
Bảng 3.15. Chênh lệch công suất kịch bản 2.3 - phụ tải công nghiệp
Bảng 3.16. Lựa chọn thời gian trễ của thuật toán điều khiển
Bảng 3.17. Thứ tự ưu tiên các phụ tải trong chế độ khởi động đen
Bảng 3.18. Trị số cụm phụ tải đã chia nhỏ


Danh mục các hình vẽ, đồ thị:
Hình 1.1. Nguồn phát điện hiện tại và trong tương lai

Hình 1.2. Máy phát điện diesel
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của Tua-bin khí
Hình 1.4. Pin nhiên liệu
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quang điện
Hình 1.6. Cấu tạo tua-bin gió
Hình 1.7. Mô hình thủy diện nhỏ
Hình 1.8. Công nghệ xây đập giữ nước
Hình 1.9. Hệ thống máy phát tua-bin thủy triều
Hình 1.10. Chu trình năng lượng năng lượng sinh khối
Hình 2.1. Sét đánh gây ra quá độ xung trong hệ thống
Hình 2.2. Quá độ dao động do đóng tụ điện vào hệ thống
Hình 2.3. Quá độ dao động tần số thấp khi đóng tụ điện vào hệ thống
Hình 2.4. Quá độ dao động tần số thấp khi đóng máy biến áp không tải
Hình 2.5. Các dạng biến đổi thời gian ngắn theo thời gian tồn tại
Hình 2.6. Ngắt điện khi sự cố và có sự tự đóng lại
Hình 2.7. Sụt áp khi xảy ra sự cố chạm đất 1 pha
Hình 2.8. Sụt áp sinh ra khi khởi động động cơ
Hình 2.9. Tăng áp do sự cố ngắn mạch 1 pha
Hình 2.10. Dạng sóng quá điện áp
Hình 2.11. Hình ảnh về mất cân bằng điện áp
Hình 2.12. Dạng dòng điện và phổ hài cấp của bộ điều tốc
Hình 2.13. Phụ hài sinh ra do hoạt động của các bộ biến đổi
Hình 2.14. Dao động điện áp sinh ra do lò hồ quang điện
Hình 2.15. Các phương thức kết nối DG với lưới điện


Hình 2.16. Các phương thức vận hành của DG trong lưới điện
Hình 2.17. Máy phát phân tán nối lưới và biểu đồ điện áp
Hình 2.18. Tổn thất công suất tác dụng với mức thâm nhập khác nhau của DG
Hình 2.19. Sụt điện áp với mức thâm nhập khác nhau của DG

Hình 2.20. Biểu đồ điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch
Hình 2.21. Mô hình máy phát tuabin gió nối lưới và biểu đồ pha điện áp
Hình 2.22. Sự dao động của các đại lượng máy phát điện gió
Hình 2.23. Công suất tác dụng phát ra theo công suất phản kháng hấp thụ
Hình 2.24. Đặc tính chập chờn điện áp theo tiêu chuẩn IEC 60868
Hình 2.25. Đường công suất thực nghiệm trong chế độ vận hành bình thường
Hình 2.26. Đặc tính P và Q của tuabin gió công suất 600kW
Hình 2.27. Điện áp của tuabin gió lúc khởi động
Hình 2.28. Đặc tính điều chỉnh tần số
Hinh 2.29. Đặc tính điều chỉnh điện áp
Hình 3.1. Sơ đồ lưới điện phân phối phía 35kV sau trạm 110kV Nghĩa Lộ E12.2
Hình 3.2. Giao diện chương trình PSCAD/EMTDC
Hình 3.3. Mô hình lưới hệ thống
Hình 3.4. Mô hình nguồn thuỷ điện nhỏ
Hình 3.5. Mô hình máy biến áp
Hình 3.6. Mô hình dây dẫn
Hình 3.7. Mô hình phụ tải điện
Hình 3.8. Mô hình máy cắt điện
Hình 3.9. Mô hình bộ kích từ
Hình 3.10. Mô hình bộ điều tốc
Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng lưới điện trên giao diện PSCAD/EMTDC
Hình 3.12. Sơ đồ khối điều khiển vận hành lưới
Hình 3.13. Phản ứng của lưới địa phương khi ngắn mạch trên đường dây 377


Hình 3.14. Phản ứng của lưới địa phương khi cắt NĐ đột ngột khỏi lưới điện này
Hình 3.15. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo không có sa thải phụ tải
Hình 3.16. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất
nhỏ - đặc tính tải khu dân cư
Hình 3.17. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất

nhỏ - đặc tính tải khu công nghiệp
Hình 3.18. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất
trung bình - đặc tính tải khu dân cư
Hình 3.19. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất
trung bình - đặc tính tải khu công nghiệp
Hình 3.20. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất
lớn - đặc tính tải khu dân cư
Hình 3.21. Phản ứng của lưới địa phương khi tách đảo có mức chênh lệch công suất
lớn - đặc tính tải khu công nghiệp
Hình 3.22. Sơ đồ thuật toán sa thải phụ tải
Hình 3.23. Đồ thị điện áp và tần số của lưới điện khi thời gian trễ lớn (t=10s)
Hình 3.24. Đồ thị điện áp và tần số của lưới điện khi thời gian trễ nhỏ (t=0.1s)
Hình 3.25. Phản ứng của lưới địa phương với thời gian trễ cho trong bảng 3.16
Hình 3.26. Khởi động đen khi đóng cụm phụ tải 10% sau mỗi 30 giây
Hình 3.27. Khởi động đen khi đóng cụm phụ tải 10% sau mỗi 60 giây
Hình 3.28. Khởi động đen khi đóng cụm phụ tải 5% sau mỗi 30 giây


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt:
CLĐN
CSTD
CSPK
DG
HT
MFĐ
NĐ
NLSK
NT
PCC
PNL

TBA
TBA TG
TĐN

Chất lượng điện năng
Công suất phản kháng
Công suất tác dụng
Nguồn phát điện phân tán (nguồn phân tán)
Nguồn điện từ hệ thống
Máy phát điện
Nhà máy thuỷ điện nhỏ Nậm Đông
Năng lượng sinh khối
Nhà máy thuỷ điện nhỏ Nậm Tục
Điểm kết nối chung
Pin nhiên liệu
Trạm biến áp
Trạm biến áp trung gian
Thủy điện nhỏ


Luận văn cao học

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN............................................... 3 
1.1.  Nguồn điện phân tán (DG) ................................................................................... 3 
1.1.1.  Định nghĩa nguồn điện phân tán ...................................................................... 3 
1.1.2.  Ảnh hưởng tích cực của nguồn phân tán ......................................................... 3 
1.1.3.  Hạn chế của nguồn phân tán ............................................................................ 4 
1.1.4.  Phân loại nguồn phân tán ................................................................................. 4 
1.1.5.  Kết luận .......................................................................................................... 18 

1.2.  Tiềm năng các nguồn năng lượng phân tán...................................................... 18 
1.2.1.  Tiềm năng năng lượng gió ............................................................................. 18 
1.2.2.  Tiềm năng năng lượng mặt trời ..................................................................... 21 
1.2.3.  Tiềm năng năng lượng thủy điện nhỏ ............................................................ 23 
1.2.4.  Tiềm năng năng lượng sinh khối ................................................................... 26 
1.2.5.  Kết luận .......................................................................................................... 28 
1.3.  Kết luận chương .................................................................................................. 28 
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ĐẾN CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG....................................................................................................................... 29 
2.1.  Chất lượng điện năng (CLĐN)........................................................................... 29 
2.1.1.  Tổng quan về CLĐN...................................................................................... 29 
2.1.2.  Định nghĩa chất lượng điện năng ................................................................... 30 
2.1.3.  Phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng ............................................. 32 
2.1.4.  Mô tả các hiện tượng chất lượng điện năng ................................................... 34 
2.1.5.  Kết luận .......................................................................................................... 51 
2.2.  Ảnh hưởng của nguồn phân tán lên CLĐN ...................................................... 51 
2.2.1.  Ảnh hưởng chung của DG khi đấu nối vào hệ thống điện............................. 51 
2.2.2.  Thay đổi điện áp các nút trên tuyến đường dây ............................................. 53 
2.2.3.  Thay đổi tổn thất công suất ............................................................................ 55 
2.2.4.  Suy giảm điện áp khi có sự cố ngắn mạch gần đầu cực máy phát ................. 57 
2.2.5.  Dao động điện áp và hiện tượng chập chờn điện áp ...................................... 58 
2.2.6.  Các vấn đề về tách đảo .................................................................................. 65 
2.2.7.  Kết luận .......................................................................................................... 70 
2.3.  Kết luận chương .................................................................................................. 71 
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ
NẬM ĐÔNG VÀ NẬM TỤC ĐẾN LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC ........................................ 72 
3.1.  Giới thiệu về lưới điện khảo sát ......................................................................... 72 
3.1.1.  Sơ đồ lưới điện ............................................................................................... 72 
3.1.2.  Các thông số chính trong lưới điện ................................................................ 72 
3.2.  Mô phỏng lưới điện ............................................................................................. 73 

3.2.1.  Phần mềm PSCAD/EMTDC ......................................................................... 73 
3.2.2.  Các giả thiết khi mô phỏng ............................................................................ 74 
3.2.3.  Mô phỏng các phần tử ................................................................................... 75 
3.2.4.  Sơ đồ mô phỏng lưới điện.............................................................................. 79 
3.3.  Phân tích ảnh hưởng của thuỷ điện nhỏ Nậm Đông và Nậm Tục đến lưới
điện địa phương ............................................................................................................. 83 
3.3.1.  Chế độ vận hành lưới điện khu vực được kết nối với hệ thống ..................... 83 
3.3.2.  Chế độ tách đảo (islanding) ........................................................................... 91 

1


Luận văn cao học

3.3.3.  Chế độ khởi động đen lưới điện khu vực (black start) ................................ 105 
3.3.4.  Kết luận ........................................................................................................ 111 
3.4.  Kết luận chương ................................................................................................ 112 
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 113 
4.1.  Kết luận, hướng phát triển của đề tài ............................................................. 113 
4.2.  Kiến nghị ............................................................................................................ 114 

2


Luận văn cao học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

1.1. Nguồn điện phân tán (DG)
1.1.1. Định nghĩa nguồn điện phân tán

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nhiều công nghệ mới,
nhiều loại nguồn điện phân tán đã được ứng dụng thành công. Nhu cầu về năng
lượng tăng cao, các vấn đề bất cập từ việc phát triển nguồn năng lượng truyền
thống, cũng như những ưu điểm của nguồn điện phân tán, đang là động lực thúc đẩy
sự phát triển mạnh mẽ của các DG.
Trong các tài liệu khác nhau, nhiều thuật ngữ và tên gọi khác nhau được sử
dụng để định nghĩa nguồn phân tán. Các tên gọi thường được sử dụng là: “nguồn
phát nhúng vào - Embedded Generation”, “nguồn phát phân tán - Distributed
Generation (hay Dispersed Generation)”, “nguồn phi tập trung - Decentralized
Generation”. Tuy nhiên, nói chung, nguồn phân tán có thể được hiểu như là một
nguồn phát điện với quy mô nhỏ, đấu nối vào hệ thống lưới điện phân phối.
Trong luận văn này định nghĩa nguồn phân tán như định nghĩa trong tiêu
chuẩn IEEE 1547: “Nguồn phân tán là loại nguồn kết nối trực tiếp tới hệ thống phân
phối. Nguồn phân tán bao gồm máy phát điện và các công nghệ dự trữ năng lượng –
Distributed Resource: sources of electric power that are not directly connected to a
bulk power transmisstion system. Distributed Resource includes both generators
and energy storage technologies”.
1.1.2. Ảnh hưởng tích cực của nguồn phân tán
Hiện nay, các nguồn điện phân tán ngày càng được phát triển mạnh mẽ do rất
nhiều ảnh hưởng tích cực của nó. Trong tài liệu [3], [4] đã nêu ra một số các lợi ích
của nguồn phân tán khi tham gia vào lưới điện. Bên cạnh đó, DG còn có nhiều ưu
điểm khác như:
•

Hạn chế chi phí đầu tư xây dựng, cải tạo hệ thống lưới truyền tải và lưới
phân phối khi có sự tăng trưởng của phụ tải.

3

Luận văn cao học

•

Có thể tham gia phủ đỉnh, làm giảm yêu cầu công suất đỉnh từ hệ thống,
tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

•

DG kết hợp với những nhà máy điện có thể giảm tổn thất trên đường dây
truyền tải, nâng cao chất lượng điện áp và tăng lợi ích về kinh tế.

•

Hạn chế vốn đầu tư về lưới điện, tăng tính khả thi khi cấp điện cho vùng
sâu vùng xa, miền núi, hải đảo.

•

Các nguồn năng lượng tái tạo góp phần làm giảm phát thải khí gây hiệu
ứng nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường trong sạch hơn.

1.1.3. Hạn chế của nguồn phân tán
Bên cạnh những ảnh hưởng tích cực, việc phát triển nguồn điện phân tán
cũng có nhiều những hạn chế điển hình như được trình bày trong [4]. Ngoài ra, sự
tham gia của DG vào lưới cũng gây ra các ảnh hưởng khác như:
•

Sự khởi động không đúng lúc của các nguồn DG có tính cảm ứng lớn có
thể làm cho các điện áp bị hạ thấp dẫn tới ảnh hưởng đến các phụ tải nhạy

cảm và trục trặc của rơle bảo vệ.

•

Khi DG tham gia vào lưới, có thể ảnh hưởng tới hoạt động ổn định của
lưới điện phân phối hiện có.

•

Có thể gây ra các hiện tượng chất lượng điện năng khác không mong
muốn.

1.1.4. Phân loại nguồn phân tán
Nguồn phân tán (DG) có thể được xem xét và phân loại dưới nhiều góc độ
khác nhau, như: cấp điện áp kết nối, công suất, và công nghệ phát điện. Kỹ thuật tạo
ra DG có thể được phân thành các loại chính là máy phát điện diesel (diesel
generators), máy phát tua-bin khí (gas turbine), pin nhiên liệu (fuel cells), pin quang
điện (photovoltaics), nguồn gió (wind Farm), tổ hợp nhiệt–điện CHP (combined

4


Luận văn cao học

heat and power ), năng lượng sinh khối (Biomass); thủy điện nhỏ; năng lượng thủy
triều; động cơ stirling; ...

Hình 1.1. Nguồn phát điện hiện tại và trong tương lai
1.1.4.1. Máy phát điện Diesel (diesel generators)
Một máy phát điện - động cơ nổ là tổ hợp một máy phát điện và một động cơ

nổ kéo nó thành một khối thiết bị. Tổ hợp này có khi được gọi là bộ máy phát điện động cơ (engine-generator set) hoặc bộ máy phát (gen-set). Trong nhiều ngữ cảnh
khác nhau, người ta có thể quên đi cái động cơ nổ, mà chỉ gọi đơn thuần cả tổ hợp
là máy phát điện (generator). Thành phần cấu tạo chính của máy phát điện diesel
bao gồm cửa không khí (air intake), buồng nén (compressor), buồng đốt
(combustor), tua-bin (turbine), (recuperator), cửa xả (exhaust outlet), và phần phát
điện (generator).

5


Luận văn cao học

Hình 1.2. Máy phát điện diesel
Máy phát điện diesel thông thường sử dụng động cơ đốt trong 4 thì và hoạt
động trong 4 chu kỳ khép kín, chạy bằng nhiên liệu là dầu diesel hoặc khí ga tự
nhiên. Động cơ chuyển năng lượng từ nhiên liệu đầu vào thành động năng, quay ro
to, cấp năng lượng cơ cho máy phát, máy phát nhận công suất cơ chuyển thành
công suất điện và phát điện.
Hiện nay, loại máy phát điện này được sử dụng rất rộng rãi với công suất
nằm trong khoảng từ 3-1500kVA.
* Ưu điểm của máy phát điện diesel:
- Chi phí chế tạo thấp và bảo dưỡng đơn giản.
- Thời gian khởi động nhanh.
- Các máy công suất nhỏ và trung bình có độ lưu động cao.
* Nhược điểm của máy phát điện diesel:
- Gây ô nhiễm môi trường, ồn ào và rung động.
- Chất lượng điện năng không cao như một số công nghệ chuyển đổi
như PNL và tua-bin nhỏ.

6

Luận văn cao học

1.1.4.2. Tua-bin khí (gas turbine)
Công nghệ tua-bin khí là những tua-bin nhỏ có động cơ sử dụng nhiên liệu
khí sinh học, khí ga tự nhiên, khí đốt và dầu lửa.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của Tua-bin khí
Tua-bin khí là một động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Không
khí được hút vào và nén lên áp suất cao nhờ một máy nén. Nhiên liệu cùng với
không khí này sẽ được đưa vào buồng đốt để đốt cháy. Khí cháy sau khi ra khỏi
buồng đốt sẽ được đưa vào quay tua-bin. Năng lượng cơ học của tua-bin một phần
sẽ được đưa về quay máy nén, một phần khác đưa ra quay tải ngoài, như cách quạt,
máy phát điện... Khi đầu phía tua-bin được nối với máy phát điện trực tiếp hoặc qua
bộ giảm tốc, ta sẽ có máy phát điện tua-bin khí.
Có các loại tua-bin nhỏ khác nhau hoạt động như tua-bin khí và tua-bin đốt.
Tua-bin khí luôn được sử dụng trên 1MW nhưng ngày nay chúng ta có thể sử dụng
module nhỏ hơn với công suất từ 20kW đến 500kW.
* Ưu điểm của tua-bin khí:
- Độ bền cao và ít phải bảo dưỡng.
- Chắc chắn, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa.
- Chi phí đầu tư thấp và giá thành thấp so với một số công nghệ nguồn
phân tán khác.

7


Luận văn cao học

* Nhược điểm của tua-bin khí:
- Ồn ào, chúng đòi hỏi cách âm lớn có thể làm giảm hiệu quả nhiên liệu.
- Hiệu suất nhiên liệu thấp so với một số loại DG khác.
1.1.4.3. Pin nhiên liệu (fuel cells)

Hình 1.4. Pin nhiên liệu
PNL là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng
nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí
O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong PNL ở đây là trực tiếp từ
hoá năng sang điện năng theo phản ứng: H2 + O2 = H2O + dòng điện, nhờ có tác
dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin,
hoặc các chất điện phân như kiềm, muối cacbonat, oxit rắn ...
Các hệ thống PNL được phân loại theo nhiều cách. Có thể phân loại theo
nhiệt độ hoạt động; theo loại các chất tham gia phản ứng; theo điện cực. Ngày nay,
thông dụng nhất là phân loại theo các chất điện phân. Theo cách này, PNL có 6 loại
chính: AFC (Alkaline Fuel Cell - tế bào nhiên liệu kiềm); PEMFC (Proton
Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc); PAFC
(Phosphoric Acid Fuel Cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric); MCFC (Molten
Carbonate Fuel Cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy); SOFC (Solid Oxide
Fuel Cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn); DMFC (Direct Methanol Fuel Cell - tế bào
nhiên liệu methanol trực tiếp).
* Ưu điểm của PNL:

8


Luận văn cao học

- Hiệu suất cao hơn so với các nguồn phát thông thường (hiệu suất vào
khoảng từ 40% đến 70%).

- Không gây ồn ào và không gây ô nhiễm môi trường.
* Nhược điểm của PNL:
- Cần dòng điện tử trên bề mặt để điều chỉnh điện áp ra.
1.1.4.4. Quang điện (photovoltaic systems)

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quang điện
Quang điện là cục pin hình vuông hoặc hình tròn, được làm bằng chất lỏng
tinh thể silicone. Những cục pin này được kết nối với nhau thành module hoặc
panel và các module này được kết nối thành một hàng để tạo ra năng lượng cần
thiết. Những cục pin này hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời, ở đấy lượng tử
ánh sáng tác động đến dòng electron biến đổi thành điện năng. Thông thường một
dẫy pin cung cấp khoảng 12V, công suất 20W-100kW.
* Ưu điểm của quang điện:
- Không mất tiền mua nhiên liệu và bảo dưỡng.
- Không gây ô nhiễm.
- Độ bền cao và đáng tin cậy.
* Nhược điểm quang điện:

9


Luận văn cao học

- Hiệu quả thấp (trong phòng thí nghiệm đạt 24% và trong thực tế đạt 10%).
- Chí phí ban đầu cao.
- Đòi hỏi phải có nơi lưu trữ và chuyển đổi thiết bị.
- Công suất thấp.
- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý.
1.1.4.5. Tua-bin gió (wind turbine)
Gió là một dạng năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn trên thế giới. Năng

lượng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối,... Con người
sử dụng năng lượng gió cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có mục đích phát
điện thông qua các tua-bin gió.

Hình 1.6. Cấu tạo tua-bin gió
Cấu tạo của tua-bin gió bao gồm: Bộ đo lường (anemometer) - đo tốc độ gió
và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển; Cánh quạt (blades) - gió thổi qua các
cánh quạt làm cho các cánh quạt quay; Bộ hãm (brake) - dùng để dừng rotor trong
tình trạng khẩn cấp; Bộ điều khiển (controller) - khởi động động hoặc tắt động cơ
ứng với các vận tốc gió khác nhau nhằm tránh phát nóng động cơ; Hộp số (gear
box) - là một phần của bộ động cơ và tua-bin gió; Máy phát (generator) - phát ra

10


Luận văn cao học

điện; Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (high speed shaft); Trục quay tốc
độ thấp (low speed shaft); Vỏ (nacelle) - Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ
được dặt trên đỉnh trụ; Bước răng (pitch); Trục quay (rotor); Tháp (tower) - được
làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép; Van gió (wind vane) - để xử lý
hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tua-bin gió; Truyền động lệch
(yaw drive) - Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự
thay đổi hướng gió; Mô-tơ lệch (yaw motor) - Động cơ cung cấp cho "yaw drive"
định được hướng gió.
Công suất tua-bin gió 5kW đến vài MW, để có những tua-bin lớn hơn thì tập
hợp thành một nhóm các tua-bin gió với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp
năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Loại máy phát điện phổ dụng nhất được áp dụng cho tổ tua-bin – máy phát
điện gió là máy phát không đồng bộ. Trong trường hợp máy phát được nối trực tiếp

với tua-bin thì cần trang bị một bộ khởi động mềm để giảm thiểu dòng khởi động
của máy phát. Tuy vậy, nối trực tiếp máy phát có thể làm cho mức độ dao động điện
tăng lên do sự biến đổi của dòng công suất tác dụng.
Gần đây, công nghệ nghịch lưu hiện đại đã được áp dụng trong các hệ thống
điều chỉnh tốc độ và công suất đầu ra có thể được giữ gần như không đổi so với sự
thay đổi tốc độ gió.
Công suất cơ lấy ra từ tua-bin gió phụ thuộc vào diện tích quét của cánh quạt
và tỉ lệ bậc ba với tốc độ gió, theo công thức sau:

1
P = Cp ⋅ ρ ⋅ A ⋅V 3
2
Trong đó:

ρ =mật độ không khí, kg/m3.
A = diện tích quét gió của cánh quạt, m2.
V = tốc độ gió, m/s.
Cp = hệ số công suất cơ của tua-bin gió (Cp = 0.2 ÷ 0.5).

11


Luận văn cao học

* Ưu điểm của tua-bin gió:
- Không cần nạp nhiên liệu
- Không gây ô nhiễm môi trường.
- Phù hợp lắp đặt cho các khu vực vùng sâu, vùng xa.
* Nhược điểm của tua-bin gió:
- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý.

1.1.4.6. Thủy điện nhỏ (small hydro turbines)

Hình 1.7. Mô hình thủy diện nhỏ
TĐN chủ yếu là loại thủy điện lợi dụng trực tiếp dòng chảy, không tạo thành
hồ chứa hoặc hồ chứa dung tích rất nhỏ. Loại thủy điện này thường bao gồm các
đập nhỏ và hầu như không gây ảnh hưởng đến môi trường. TĐN thường được thiết
kế với cột nước thấp, nằm trên những dòng sông nhỏ với độ dốc không lớn lắm, có
thể sử dụng toàn bộ hoặc một phần lưu lượng của dòng sông. Như trên hình 1.7,
nước được lấy vào qua cửa lấy nước (intake), đi qua ống dẫn nước (penstock) vào
làm quay tua-bin (turbine) rồi chảy xuống hạ lưu song (river). Tại nhà máy điện
(powerhouse), khi tua-bin quay, máy phát (generator) phát ra điện và điện được
truyền dẫn lên lưới qua hệ thống đường dây (power lines).

12


Luận văn cao học

Đặc điểm của TĐN là công suất ở mỗi thời điểm phụ thuộc vào lưu lượng
nước thiên nhiên, hầu như không đổi trong phạm vi một ngày đêm. Vì vậy công
suất cả trạm TĐN trong phạm vi một ngày đêm có thể xem là cố định và luôn làm
việc ở phần gốc của đồ thị phụ tải. Do không có khả năng điều tiết nên công suất
thiết kế và công suất đảm bảo của TĐN cố định trong ngày đêm, nhưng trong những
ngày khác nhau thì khác nhau theo điều kiện thủy văn.
Công suất của trạm TĐN xác định theo biểu thức:

P = 9,81 ⋅ η ⋅ Q ⋅ H

(kW)

Trong đó, η là hiệu suất biến đổi năng lượng, Q là lưu lượng nước (m3/s) và
H là chiều cao cột nước (m).
Do tính đa dạng của TĐN và đáp ứng nhu cầu sử dụng TĐN của nhiều loại
đối tượng khác nhau, và tùy thuộc vào qui mô công suất, TĐN cũng được phân
thành 3 loại: thủy điện nhỏ (small hydropower), thủy điện mini (mini hydropower,
thủy điện cực nhỏ (micro hydropower).
Ở Việt Nam, TĐN tập trung chủ yếu ở các vùng núi phía Bắc, miền Trung và
Tây Nguyên, rất thuận lợi cho quá trình Điện khí hóa nông thôn, đặc biệt là các khu
vực xa lưới điện có mật độ phụ tải nhỏ.
* Ưu điểm của TĐN:
- Chi phí nhân công thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hóa cao và có
ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường.
- Nhà máy thủy điện có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện.
- Lợi ích lớn nhất của thủy điện là hạn chế giá thành nhiên liệu. Các nhà máy
thủy điện không phải chịu tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí tự
nhiên hay than đá và không cần phải nhập nhiên liệu.
* Nhược điểm của TĐN:
- Ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái.

13


Luận văn cao học

- Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của
dòng sông bên dưới.
- Ảnh hưởng đến việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa.
1.1.4.7. Năng lượng thủy triều (tidal energy)
Công nghệ sản xuất điện từ năng lượng thủy triều được chia thành 2 dạng
chính: xây đập thủy triều (barrage systems) và sử dụng máy phát tua-bin (tidal

stream generators).
Công nghệ xây đập thủy triều được phát triển nhiều thập kỷ trước ở các nước
như Pháp và Canada. Với công nghệ này, điện thủy triều hoạt động giống như TĐN,
nhưng có một điểm khác biệt là thủy triều có 2 dòng nước lên và nước xuống.
Trong hình 1.8 mô tả hoạt động của đập thuỷ triều. Khi triều lên (tide coming in) thì
mực nước biển (sea) cao hơn mực nước hồ chứa, cửa sông (estuary). Còn khi triều
xuống (tide going out) thì ngược lại, mực nước biển lại thấp hơn mực nước hồ chứa.
Trong cả hai trường hợp, sự chênh mực nước sẽ làm quay tua-bin và chạy máy phát
(turbine & generator).

Hình 1.8. Công nghệ xây đập giữ nước

14


Luận văn cao học

Công nghệ hiện nay sử dụng máy phát tua-bin, trong đó các chuyển động lên,
xuống của các con sóng được tận dụng để chạy máy phát điện. Trên thực tế, các
tua-bin thuỷ triều có hình dạng rất giống với các tua-bin của máy phát điện chạy
bằng sức gió. Chỉ khác là, thay vì bằng sức gió, tua-bin thuỷ triều sẽ hoạt động dựa
vào sự lên xuống của các con nước trong ngày.

Hình 1.9. Hệ thống máy phát tua-bin thủy triều
Trong hệ thống máy phát tua-bin (hình 1.9), sử dụng các tua-bin thuỷ triều
nổi, được neo vào đáy biển bằng xích. Mỗi máy phát tua-bin có hai tua-bin kép, tạo
ra một chiếc "cối xay" dưới nước. Những chiếc ''cối xay'' này sẽ được định hướng
theo hướng tốt nhất để lấy năng lượng từ thủy triều. Năng lượng thủy triều làm quay
các cánh quạt, quay tua-bin, từ đó phát ra điện.
* Ưu điểm của điện thủy triều:

+ Công nghệ xây đập giữ nước:
- Giúp cải thiện giao thông (nếu áp dụng công nghệ xây đập chắn, các đập
chắn có thể làm cầu nối qua cửa sông).
- Không gây phát thải khí nhà kính.
+ Công nghệ sử dụng máy phát tua-bin:
- Không làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái, cảnh quan
- Không gây phát thải khí nhà kính.

15


Luận văn cao học

* Nhược điểm của điện thủy triều:
+ Công nghệ xây đập giữ nước:
- Làm thay đổi mức thuỷ triều, tác động tới quá trình lắng đọng trầm tích và
độ đục của nước tại lưu vực cửa sông.
+ Công nghệ sử dụng máy phát tua-bin:
- Đòi hỏi công nghệ cao, chống chọi được với triều cường và gió bão ngoài
biển.
1.1.4.8. Năng lượng sinh khối (biomass energy)
Sinh khối (biomass) bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên
cạn cũng như dưới nước, các phế thải hữu cơ (như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà
phê,...), các loại phế thải động vật (như phân người, gia súc, gia cầm...).
Trong tài liệu [2] đã nêu cụ thể về phân loại cũng như công nghệ của năng
lượng sinh khối. Theo đó, sinh khối được phân thành 2 nhóm, trên cạn và dưới
nước. Đồng thời, công nghệ để làm biến đổi sinh khối ra năng lượng cũng bao gồm
2 loại đó là nhiệt hóa và sinh hóa. Mỗi loại có những tính chất khác nhau, đồng thời
cũng mang những ưu, nhược điểm riêng của mình.

Hình 1.10. Chu trình năng lượng năng lượng sinh khối
Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí... được đốt để phóng thích
năng lượng. Sinh khối, đặc biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng

16