NHA MAY THUY DIEN TICH NANG

Đại học Đông Á

1

Nhà máy Thủy điện tích năng

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..............................................................................................................1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................5
1.1. LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG .............................5
1.2 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG ...............................6
1.2.1 Tình hình xây dựng nhà máy thủy điện tích năng trên thế giới...............6
1.2.2 Tình hình xây dựng nhà máy thủy điện tích năng ở Việt Nam .............10
1.3 KẾT LUẬN ..................................................................................................11
CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC.............................................................12
2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ..........................................................................12
2.1.1 Nguyên lý làm việc chung của nhà máy thủy điện ................................12
2.1.2 Nguyên lý làm việc nhà máy thủy điện tích năng .................................17
2.1.3 Phân loại nhà máy thủy điện tích năng ..................................................18
2.2 CÁC LOẠI SƠ ĐỒ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG ....................20
2.2.1 Sơ đồ 4 máy ...........................................................................................20
2.2.2 Sơ đồ 3 máy ...........................................................................................20
2.2.3 Sơ đồ 2 máy thuận nghịch .....................................................................21
2.3 KẾT LUẬN .................................................................................................22
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN TÍCH NĂNG ..................................................................................................23
3.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ........................23
3.1.1 Nguyên lý điều khiển .............................................................................23
3.1.2 Sơ đồ thuật toán .....................................................................................26
3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .........................................................................28

3.2.1 Turbine máy phát ......................................................................................28
3.2.2 Bơm ...........................................................................................................30
3.2.3 Arduino .....................................................................................................31


Đại học Đông Á

2

Nhà máy Thủy điện tích năng

3.3 MÔ HÌNH THỰC TẾ ..................................................................................38
3.3 KẾT LUẬN .................................................................................................44
KẾT LUẬN........................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................46


Đại học Đông Á

3

Nhà máy Thủy điện tích năng

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với tình trạng đang cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch nhƣ than đá và
dầu mỏ. Vai trò của nhà máy nhiệt điện đang giảm dần vai trò của nó trong các hệ
thống điện. Cũng chính vì vậy mà vai trò của nhà máy thủy điện ngày càng đƣợc
nâng cao. Chung với xu thế phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ gió, mặt
trời, thủy triều,... thì nhà máy thủy điện nhỏ đang đƣợc quan tâm phát triển rất
nhiều.

Sự phát triển về kinh tế kéo theo là tình trạng các thiết bị điện, phụ tải điện đƣợc
sử dụng ngày càng nhiều trong cả ngành công nghiệp sản xuất lẫn nhu cầu đời sống
của con ngƣời. Do đó việc ổn định đƣợc hệ thống điện khi có sự biến đổi mạnh về
phụ tải đƣợc đƣa ra.
Thứ nhất, nhờ vào đặc tính tốc độ điều chỉnh công suất nhanh chóng và nguyên
tắc hoạt động hai chiều của nhà máy thủy điện tích năng đã đƣợc ứng dụng rất nhiều
trong các hệ thống điện, để đảm bảo sự ổn định cho hệ thống. Thứ hai, nguồn nhiên
liệu dùng cho nhà máy thủy điện tích năng lại là nƣớc, một dạng năng lƣợng tái tạo,
khi vận hành không tạo ra khí độc hại cho môi trƣờng. Thứ ba, nó không trực tiếp
sử dụng năng lƣợng dòng sông, mà biến đổi qua lại giữa thế năng cột nƣớc và điện
năng, do đó không ảnh hƣởng nhiều bởi các yếu tố thời tiết, mùa mƣa,... Với những
ƣu điểm trên thì nhà máy thủy điện tích năng đƣợc các nƣớc trên thế giới sử dụng
rất nhiều.
Do đó, trong đồ án này sẽ đi vào tìm hiểu nguyên lý làm việc, hoạt động của nhà
máy thủy điện tích năng. Sau đó, xây dựng mô hình vào điều khiển hoạt động của
nhà máy thủy điện tích năng dựa vào sự thay đổi công suất của hệ thống. Đồ án này
có những nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện tích năng
Chƣơng 2: Nguyên lý làm việc của nhà máy và phân loại
Chƣơng 3: Tìm hiểu về ổn định trong hệ thống điện và đƣa ra nguyên lý điều
khiển hoạt động của nhà máy thủy điện tích năng
Chƣơng 4: Thiết kế mô hình, giới thiệu các thiết bị và điều khiển mô hình.


Đại học Đông Á

Nhà máy Thủy điện tích năng

4

Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng mô hình, chúng em đã nhận
đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của sự hƣớng dẫn của thầy giáo, cô giáo
trong khoa Kỹ thuật Điện - Ô tô trƣờng Đại học Đông Á và đặc biệt thầy ThS. Đỗ
Công Ngôn. Thầy đã cho chúng tôi những gợi ý cũng nhƣ những ý kiến vô cùng
quan trọng, giúp chúng tôi có thể vƣợt qua những khó khăn trong quá trình tiếp cận,
nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện đề tài.
Chúng tôi rất mong đề tài này sẽ đƣợc đón nhận và có những đóng góp ý kiến để
phát triển và hoàn thiện hơn nữa sản phẩm này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cám ơn tới những ngƣời đã giúp đỡ chúng
em hoàn thiện đề tài này.

Đà Nẵng, ngày .... tháng 04 năm 2019
NGƢỜI THỰC HIỆN
(Ký và viết rõ họ tên)

NGUYỄN VĂN A


Đại học Đông Á

5

Nhà máy Thủy điện tích năng

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG
Thủy điện tích năng có nhiều ƣu điểm khi vận hành cùng các nhà máy điện khác
trong hệ thống điện:
- Làm tăng tính hiệu quả của hệ thống, khi tận dụng đƣợc điện năng dƣ thừa từ
các nhà máy nhiệt điện (điện than, điện khí, điện nguyên tử...) trong giờ thấp điểm,

giúp tăng hiệu suất hoạt động và ổn định vận hành cho các nhà máy này.
- Có thể phản ứng rất nhanh khi nhu cầu điện tăng đột ngột, giúp đảm bảo an
toàn cung cấp điện, ổn định tần số mạng lƣới điện, đồng thời rất thân thiện với môi
trƣờng khi không hề tạo ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
- Không cần nhiều diện tích đất làm hồ chứa, bởi chỉ cần trữ một lƣợng nƣớc vừa
đủ cho số giờ chạy thiết kế (thƣờng từ 6-20 giờ). Do chủ động về nguồn nƣớc dự trữ
nên quá trình vận hành của thủy điện tích năng không phụ thuộc nhiều vào chế độ
thủy văn hàng năm, có thể linh hoạt điều chỉnh công suất vận hành theo nhu cầu
phụ tải.
Ngoài những ƣu điểm nổi trội của nhà máy thủy điện tích năng nhƣ đã trình bày
phía trên thì nó cũng có những nhƣợc điểm nhƣ:
- Hiệu suất vận hành chƣa cao (đạt khoảng 70-85%) do tổn thất năng lƣợng
không tránh khỏi trong quá trình bơm nƣớc từ hồ chứa bên dƣới lên hồ chứa bên
trên.
- Không thể hoạt động độc lập nhƣ một cơ sở sản xuất điện mà chỉ có thể phát
huy tác dụng nhƣ một “bình ắc quy” trong một hệ thống điện công suất tƣơng đối
lớn; tức là, thủy điện tích năng chỉ có thể đƣợc xem xét đến khi đã xây dựng đƣợc
một hệ thống các nhà máy điện tƣơng đối phong phú, và với các khu vực còn thiếu
điện trầm trọng hay ở cách xa các trung tâm sản xuất điện khác thì việc xây dựng
thủy điện tích năng là không mấy khả thi.
- Khó khăn trong lựa chọn vị trí xây dựng bởi vì thủy điện tích năng đòi hỏi một
địa hình khá đặc biệt, là những khu vực có chênh lệnh độ cao lớn (lên đến hàng
trăm mét) nhƣng phải ở gần nguồn nƣớc để bố trí hai hồ chứa (lý tƣởng nhất là các
ngọn núi có đỉnh rộng bên cạnh các con sông, suối lớn). Những vị trí nhƣ vậy
thƣờng là vùng thiên nhiên hoang dã, có phong cảnh đẹp, nhu cầu bảo tồn cao, đồng


Đại học Đông Á

6

Nhà máy Thủy điện tích năng

thời lại ít khi gần một cơ sở sản xuất điện lớn nào (để cân nhắc đến yếu tố kinh tế
khi xây dựng đƣờng dây truyền tải điện)[2].
1.2 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG
1.2.1 Tình hình xây dựng nhà máy thủy điện tích năng trên thế giới
Nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên trên thế giới đƣợc xây tại Zurich – Thụy sĩ
năm 1882 có công suất 515kW, cho đến nay đã có trên 130 năm lịch sử. Nhƣng
phải đến những năm 60 của thế kỷ XX mới bắt đầu phát triển nhanh chóng công
nghệ này. Hiện nay đã có nhiều quốc gia quan tâm, nghiên cứu, xây dựng sử dụng
những nhà máy thủy điện tích năng và đã thể hiện đƣợc tính ƣu việt của nó[1].
Thời kỳ đầu, các nhà máy thủy điện tích năng dùng turbin phát điện và máy bơm
riêng biệt, qua những đƣờng dẫn riêng biệt, nên thƣờng công suất không lớn, hiệu
suất vận hành không cao, và tốn kém nhiều về chi phí. Sau khi turbine thuận nghịch
ra đời, lý thuyết về thủy điện tích năng trở nên thực tiễn hơn, các nhà máy vận hành
hiệu quả hơn và hiệu ích kinh tế của dự án lớn hơn. Thủy điện tích năng đầu tiên lắp
đặt turbine thuận nghịch là nhà máy Pedreira ở Brazil năm 1937, với turbine công
suất 5,3 MW, cột nƣớc tính toán 30m, do hãng Voith của Đức chế tạo. Sau khi đƣợc
chứng minh vận hành hiệu quả, xu hƣớng phát triển thủy điện tích năng đã đƣợc
đẩy mạnh ở những năm sau đó. Mỹ là quốc gia đi đầu trong phát triển thủy điện tích
năng, theo sau là Ý, Đức, Pháp, Áo, Thụy Sĩ, Nhật Bản, Trung Quốc… và ngày
càng nhiều quốc gia khác áp dụng mô hình này. Theo thống kê của Hội liên hiệp
Năng lƣợng dự trữ (Energy Storage Association) thì Mỹ hiện có 40 nhà máy thủy
điện tích năng, với tổng công suất 21,5 GW, chiếm hơn 20% công suất của các nhà
máy thủy điện tích năng trên khắp thế giới (104 GW). Tuy nhiên, nếu xét theo tỷ
trọng của thủy điện tích năng trong hệ thống điện quốc gia thì Mỹ chỉ chiếm 2%,
trong khi với Nhật Bản, tỷ lệ này là 10%. Trong thời gian gần đây, thủy điện tích
năng phát triển đặc biệt mạnh ở châu Á, với các nhà máy công suất lớn lần lƣợt
đƣợc xây dựng ở những quốc gia nhƣ Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc,

Ấn Độ… Nhật Bản là quốc gia có tốc độ phát triển thủy điện tích năng rất cao, hiện
đã vƣợt qua Mỹ, trở thành quốc gia có sản lƣợng điện sản xuất từ thủy điện tích
năng lớn nhất thế giới, với tổng công suất 25,5 GW. Nhà máy thủy điện tích năng
công suất lớn nhất thế giới hiện nay là nhà máy Bath County ở bang Virginia, miền
đông nƣớc Mỹ, với 6 tổ máy, tổng công suất phát điện là 3.003 MW. Nhà máy này
đƣợc xây dựng từ tháng 3/1977 và hoàn thành vào tháng 12/1985, với 2 hồ chứa có


Đại học Đông Á

7

Nhà máy Thủy điện tích năng

chênh lệch cao độ lên tới 380m, và khi phát điện, lƣu lƣợng nƣớc qua turbin đạt 850
m3/s. Tuy nhiên, kỷ lục này sẽ sớm bị vƣợt qua khi nhà máy thủy điện tích năng
Phong Ninh ở tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc với 12 tổ máy, tổng công suất 3600MW đã
đƣợc khởi công xây dựng vào năm 2013, dự kiến sẽ phát điện tổ máy 1 vào năm
2019 và hoàn thành toàn bộ nhà máy vào năm 2021[2].
Tại Úc có Nhà máy thủy điện tích năng đƣợc xây dựng ở phía bắc bang
Queensland, nhà máy này đƣợc thiết kế để đạt công suất tối đa 450MW trong
khoảng thời gian từ 5 - 6 giờ.
Nhà máy thủy điện tích năng chỉ thực sự phát triển ồ ạt khoảng vài chục năm gần
đây. Trong quá trình phát triển, thủy điện tích năng luôn đƣợc cải tiến về mặt kỹ
thuật và cập nhật nhiều xu hƣớng công nghệ mới để ngày càng nâng cao hiệu ích.
Về mặt kỹ thuật, trung tâm của các cải tiến nằm ở thiết kế turbine thuận nghịch, khi
các hãng chế tạo turbine lớn trên thế giới nhƣ Alstom, Voith, Andritz... đều dành
nhiều công sức nghiên cứu để ngày càng hoàn thiện thiết bị quan trọng này, giúp nó
vận hành ổn định hơn ở cả hai chế độ làm việc, và việc chuyển đổi chế độ diễn ra
trơn tru, nhanh chóng. Với các nghiên cứu, cải tiến ở khâu thiết kế nhƣ bố trí tỷ số

lớn giữa đƣờng kính cửa vào và cửa ra turbine, các cánh hƣớng của bánh xe công
tác bố trí thƣa hơn và dài hơn, góc mở cánh hƣớng lớn hơn… cùng việc áp dụng các
công nghệ tiên tiến nhƣ công nghệ môtơ/máy phát tích hợp hệ thống chuyển đổi tần
số tĩnh và điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu (SFC and SCADA system), công
nghệ màng lót ổ chặn (thrust bearing membrane pad technology), lõi stator chịu ứng
suất trƣớc thƣờng trực (permanently pre-stressed stator core), hệ thống cách điện
bằng áp lực chân không (vacuum pressure insulation system)… turbine thuận
nghịch càng hoàn thiện và đáng tin cậy hơn rất nhiều. Ngày nay, các hãng sản xuất
đã chế tạo thành công các turbine một tầng hoặc đa tầng, có thể hoạt động với cột
nƣớc từ 50m đến 1200m, mở ra rất nhiều phƣơng án thiết kế và xây dựng các nhà
máy thủy điện tích năng.
Với sự ra đời của turbine thuận nghịch biến tốc (variable speed pump/turbine),
nghĩa là với một cột nƣớc cố định, có thể thay đổi linh hoạt tốc độ hoạt động của
turbine, thông qua việc sử dụng mô tơ/máy phát không đồng bộ, hoặc sử dụng mô
tơ/máy phát đồng bộ nhƣng thông qua một bộ chuyển đổi tần số. Trong chế độ phát
điện, turbine làm việc cùng tần số với mạng lƣới nhƣng ở chế độ bơm, nó làm việc
độc lập, có thể chủ động điều chỉnh tần số, qua đó điều chỉnh đƣợc tốc độ/công suất


Đại học Đông Á

8

Nhà máy Thủy điện tích năng

bơm. Việc biến tốc của turbine đặc biệt hữu ích bởi nó giúp tăng công suất bơm
trong những thời điểm thừa năng lƣợng, nhất là trong các hệ thống có tỷ lệ lớn điện
năng từ điện gió, điện mặt trời, hoặc sự thay đổi phụ tải liên tục. Việc xây dựng các
nhà máy thủy điện tích năng sử dụng turbine biến tốc, hoặc chuyển đổi các turbine
kiểu cũ sang turbine biến tốc, đang dần trở thành một xu hƣớng phát triển mới, bởi

nó tăng tính linh hoạt và tốc độ phản ứng của mạng lƣới hơn nữa (trong tổng số 270
nhà máy thủy điện tích năng trên toàn thế giới, có 36 tổ máy đã và đang chuẩn bị
lắp đặt turbine biến tốc).
Việc bố trí hồ chứa kiểu ngầm, thay vì hồ chứa kiểu hở truyền thống. Hồ chứa
kiểu hở nằm bên trên mặt đất, thƣờng có mặt thoáng lớn, chiếm nhiều diện tích. Hồ
chứa kiểu ngầm là hồ chứa nằm chủ yếu trong lòng đất, có diện tích mặt thoáng nhỏ,
thông thƣờng đƣợc tận dụng từ những hầm mỏ không còn khai thác hoặc những
hang động ngầm. Về lý thuyết, việc thi công một hồ chứa ngầm để phục vụ cho một
dự án thủy điện tích năng là không khả thi do điều kiện thi công khó khăn, tiềm ẩn
nguy hiểm, tốn thời gian và chi phí đắt. Tuy nhiên, nếu kết hợp với một dự án khai
thác mỏ thì lại rất hợp lý, vì vừa có hiệu ích kinh tế của việc kinh doanh khoáng sản,
vừa tận dụng đƣợc hầm mỏ để tạo thành hồ chứa, vừa giải quyết đƣợc các hệ lụy về
môi trƣờng sau khi thi công. Cách bố trí hồ chứa ngầm cũng giúp việc lựa chọn vị
trí xây dựng dự án thủy điện tích năng trở nên đơn giản hơn, bởi nhƣ đã trình bày ở
trên, những khu vực hội tụ đủ điều kiện địa hình phù hợp và gần với những cơ sở
sản xuất, tiêu thụ điện là khá hiếm, và cũng dễ vấp phải sự phản đối của những hiệp
hội bảo vệ môi trƣờng. Trên thực tế, đây là một xu hƣớng rất mới về thiết kế xây
dựng thủy điện tích năng, và đến thời điểm hiện tại, mới chỉ có một số dự án theo
mô hình này đang ở giai đoạn nghiên cứu. Dự án điển hình theo kiểu thiết kế này là
dự án Nhà máy thủy điện tích năng Mỏ đá Elmhust (Elmhust Quarry), nằm ở thành
phố Elmhust, bang Illinois, Mỹ, cách trung tâm thành phố Chicago chỉ hơn 30km.
Ví dụ nhƣ mỏ đá Elmhust đƣợc bắt đầu khai thác đá dolomite từ năm 1890 đến tận
năm 1980. Sau khi trữ lƣợng đá trên bề mặt đã cạn kiệt, việc khai thác đƣợc tiếp tục
ở một mỏ sâu dƣới lòng đất, mỏ đá bên trên bỏ không và hiện đƣợc tận dụng làm hồ
chứa điều tiết lũ cho thành phố. Khi nghiên cứu dự án thủy điện tích năng ở đây,
công trình sẽ tận dụng mỏ đá Elmhust để làm hồ chứa bên trên, và hầm mỏ bên dƣới
(sâu 90m so với đáy hồ chứa bên trên) sẽ đƣợc dùng làm hồ chứa sau khi kết thúc
khai thác. Nhà máy thủy điện cũng sẽ đƣợc xây dựng ngầm, với công suất dự kiến
từ 50-250MW. Đây là một dự án hƣớng tới xu hƣớng “Khai mỏ xanh” (Green

Đại học Đông Á

9

Nhà máy Thủy điện tích năng

mining) với mục tiêu chính là giảm thiểu tác động đến môi trƣờng, đang dần trở nên
phổ biến ở các nƣớc phát triển.
Nhà máy thủy điện tích năng nƣớc biển là nhà máy điện dùng nƣớc biển để chạy
turbine phát điện, và tận dụng chính các biển, đại dƣơng làm hồ chứa bên dƣới. Đây
có thể nói là xu hƣớng có tiềm năng vô tận, bởi ¾ bề mặt trái đất là biển và đại
dƣơng. Tuy nhiên, để hiện thực hóa một nhà máy thủy điện tích năng nƣớc biển
cũng có không ít thách thức, trong đó, đáng kể nhất là vật liệu chịu ăn mòn nƣớc
biển để chế tạo đƣờng ống áp lực và turbine. Cho đến nay, mới chỉ có duy nhất một
dự án thủy điện tích năng nƣớc biển đã đi vào vận hành là nhà máy Okinawa
Yanbaru công suất 30MW ở đông bắc đảo Okinawa, Nhật Bản.
Hồ chứa phía trên của nhà máy Okinawa Yanbaru đƣợc xây dựng nhân tạo, có
hình bát giác với chiều rộng lớn nhất là 252m, dung tích 564.000 m3, nằm ở cao
trình 150m so với mực nƣớc biển. Toàn bộ thành trong của hồ chứa đƣợc bọc vật
liệu chống thấm để ngăn ngừa rò rỉ nƣớc biển sẽ làm nhiễm mặn đất đai và phá hoại
cây trồng xung quanh. Toàn bộ đƣờng ống áp lực của nhà máy không đƣợc làm
bằng thép mà thay vào đó là vật liệu nhựa plastic gia cƣờng bằng sợi cƣờng lực, để
chống ăn mòn của nƣớc biển và sự bám dính của các sinh vật biển nhƣ hà, hàu,
ốc…, trong khi, turbine/máy bơm đƣợc chế tạo bằng một loại thép không rỉ đặc biệt,
có thể chống chọi lâu dài với tác động của nƣớc biển. Nhà máy Okinawa Yanbaru
tuy chỉ cung cấp đƣợc 2,1% nhu cầu dùng điện cho đảo, nhƣng là một công trình
mang tính đột phá về phƣơng thức vận hành, và rất thân thiện với môi trƣờng biển.
Sự kết hợp thủy điện tích năng với các dự án điện gió, điện mặt trời tạo ra suất
vận hành chung của tổ hợp lớn, bởi thủy điện tích năng có thể tận dụng tối đa các

nguồn năng lƣợng có tính thay đổi, khó dự đoán nhƣ điện gió, điện mặt trời, trong
khi những nhà máy điện gió, điện mặt trời lại có thể cung cấp năng lƣợng cho thủy
điện tích năng tích nƣớc ở phần lớn thời gian trong ngày. Hiện nay, có một dự án
thậm chí thể hiện cả 2 xu hƣớng nêu trên, là nhà máy thủy điện tích năng nƣớc biển
kết hợp năng lƣợng mặt trời Estejo de Tarapacá (nghĩa là “Tấm gƣơng của Tarapaca)
nằm ở thị trấn Caleta San Marcos phía bắc Chile, trong vùng sa mạc Acatama ở
Chile. Dự án này tận dụng hoàn toàn địa hình tự nhiên thuận lợi để làm hồ chứa
nƣớc biển (một vùng trũng rộng lớn nằm trên đỉnh vách núi cạnh bờ biển). Hồ bên
trên đƣợc bơm đầy vào ban ngày, nhờ sử dụng một phần nguồn năng lƣợng mặt trời
cực kỳ dồi dào ở khu vực sa mạc Acatama (một trong những khu vực có lƣợng bức


Đại học Đông Á

10

Nhà máy Thủy điện tích năng

xạ mặt trời nhiều nhất trên thế giới), và sau đó xả nƣớc phát điện vào ban đêm (quy
trình ngƣợc hoàn toàn với các nhà máy thủy điện tích năng thông thƣờng). Sự kết
hợp giữa nhà máy điện mặt trời 600MW và nhà máy thủy điện tích năng 300MW
này đảm bảo sự vận hành chủ động, liên tục, hiệu suất cao, có thể cung cấp đầy đủ
điện năng cần thiết cho khu vực. Đây là dự án đƣợc đánh giá là kiểu mẫu trong việc
sử dụng năng lƣợng tái tạo để thay đổi môi trƣờng sống, đã biến nắng cháy khô cằn
và nƣớc biển mặn chát thành nguồn năng lƣợng để phát triển sản xuất và dân sinh ở
một trong những vùng có điều kiện sống khắc nghiệt nhất thế giới.
1.2.2 Tình hình xây dựng nhà máy thủy điện tích năng ở Việt Nam
Trong quá trình phát triển mạnh mẽ của ngành thủy điện ở nƣớc ta trong vài chục
năm trở lại đây, thủy điện tích năng cũng đã đƣợc đƣa vào nghiên cứu nhƣ một
phƣơng án phát triển điện năng mới. Quy hoạch phát triển thủy điện tích năng toàn

quốc đã đƣợc Bộ công nghiệp phê duyệt tại quyết định số 3837/QĐ-BCN ngày
22/11/2005. Với sự tƣ vấn của các chuyên gia Nhật Bản (JICA), tập đoàn Điện lực
Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu về các dự án thủy điện tích năng tiềm năng,
và đã đƣa vào Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia trình Thủ tƣớng chính phủ
phê duyệt.
Dự án thủy điện tích năng Bác Ái, tỉnh Ninh Thuận (công suất 1200MW) cách
thị trấn Bác Ái khoảng 20km về phía Tây Bắc, cách thành phố Phan Rang –Tháp
Chàm về phía Tây – Tây Bắc khoảng 65km đã đƣợc EVN chính thức phê duyệt báo
cáo tiền khả thi (tháng 5/2015), công tác khảo sát, thiết kế (do công ty CP TVXD
Điện 4 thực hiện. Nhà máy có:
- Hồ trên với diện tích lƣu vực 2,4 km2, dung tích toàn bộ là 10,58 triệu m3, trong
đó dung tích hữu ích 9,0 triệu m3.
- Hồ dƣới với diện tích lƣu vực 750 km2, dung tích toàn bộ là 219,8 triệu m3,
trong đó dung tích hữu ích 199,5 triệu m3.
- Hầm áp lực dài gần 1900 m, độ sâu từ 60m – 400m.
- Nhà máy thuỷ điện ngầm đƣợc thiết kế với mặt cắt hình viên đạn, công suất lắp
máy 4x300=1200MW.
Ngoài ra, còn có một số dự án nhà máy thủy điện tích năng khác nhƣ:
- Dự án thủy điện tích năng Đông Phù Yên, do Công ty TNHH Xuân Thiện Ninh
Bình (thuộc tập đoàn Xuân Thành) làm chủ đầu tƣ.


Đại học Đông Á

11

Nhà máy Thủy điện tích năng

- Dự án thủy điện tích năng Mộc Châu, Đơn Dƣơng, Hàm Thuận Bắc; dự án thủy
điện tích năng Mộc Châu đã đƣợc Tập đoàn điện lực Việt Nam tin tƣởng giao cho

Ban QLDA NMTĐ Sơn La quản lý. Trong những năm tới, bức tranh thủy điện tích
năng tại Việt Nam sẽ còn đƣợc tô điểm thêm nhiều đƣờng nét hơn bây giờ, bởi với
rất nhiều tiềm năng (ít nhất 10 dự án có tính khả thi cao), thủy điện tích năng sẽ là
tƣơng lai của ngành thủy điện tại Việt Nam.
Ba cấp độ phát triển thủy điện tích năng giai đoạn đến 2050 trong nghiên cứu này
đƣợc đề xuất nhƣ sau.
- Cấp độ 1: Cấp độ này giả định rằng mặc dù thủy điện tích năng đƣợc coi là một
phủ đỉnh và đã đƣợc dự kiến xây dựng trong Tổng sơ đồ 7. Tuy nhiên, phát triển
thủy điện tích năng lại phụ thuộc vào tiềm năng từng vị trí trên cơ sở hài hòa về lợi
ích và chi phí. Do vậy, chúng ta giả định rằng kế hoạch phát triển không nhƣ mong
đợi. Khi đó, ở cấp độ này không có nhà máy thủy điện tích năng nào đƣợc xây
dựng.
- Cấp độ 2: Cấp độ 2 giả định rằng một tổ máy của nhà máy thủy điện tích năng
đƣợc đƣa vào vận hành trong giai đoạn 2025-2030. Giai đoạn từ sau 2030-2050,
công suất thủy điện tích năng sẽ đƣợc bổ sung thêm. Dự kiến đến năm 2030, công
suất lắp đặt là 600MW; năm 2040 đạt 900MW, và giữ nguyên đến 2050.
- Cấp độ 3: Ở cấp độ này, giai đoạn đến 2030 thủy điện tích năng đạt 2.400MW,
và giữ nguyên đến năm 2050.
- Cấp độ 4: Ở cấp độ này, đạt khoảng 8.000MW vào năm 2050.
1.3 KẾT LUẬN
Qua phân tích lợi ích của nhà máy thủy điện tích năng cũng nhƣ xu hƣớng phát
triển nguồn năng lƣợng ta thấy việc phát triển nhà máy thủy điện tích năng là rất
cần thiết cho hệ thống điện ngày nay. Bởi nó đảm bảo việc cho việc ổn định hệ
thống điện; đồng thời, cũng là giải quyết vấn đề nguồn năng lƣợng hóa thạch đang
dần cạn kiệt, nhu cầu về năng lƣợng của con ngƣời ngày càng tăng cao.


Đại học Đông Á

12

Nhà máy Thủy điện tích năng

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
2.1.1 Nguyên lý làm việc chung của nhà máy thủy điện
Nhà máy thủy điện (Hydroelectric Plant): là nhà máy sản xuất điện năng từ năng
lƣợng dòng nƣớc (thủy năng). Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện là biến
đổi thủy năng thành cơ năng của turbine và thành điện năng máy phát. Cấu tạo của
nhà máy thủy điện có những bộ phận chính nhƣ hình vẽ phía dƣới.

Hình 2.0 Sơ đồ cấu tạo chung của nhà mày thủy điện
- Đập (Dam): hầu hết các nhà máy thủy điện dựa vào một con đập chứa nƣớc lại,
tạo ra một hồ chứa lớn, đảm bảo công suất hoạt động của nhà máy . Thông thƣờng,
hồ chứa này đƣợc sử dụng nhƣ một hồ giải trí hoặc các mục đích khác.
- Ống dẫn nƣớc (Penstock): khi cửa trên đập mở và lực hấp dẫn đẩy nƣớc chảy
qua các đƣờng ống chịu áp. Đƣờng ống dẫn nƣớc đến tuabin. Nƣớc làm tăng dần áp
lực khi nó chảy qua đƣờng ống này.
- Tua bin (Turbine): nƣớc hƣớng về và làm quay các cánh lớn của tuabin, tuabin
này gắn liền với máy phát điện ở phía trên nó nhờ một trục. Loại phổ biến nhất của
tua bin dùng cho nhà máy thủy điện là Turbine Francis, trông nó giống nhƣ một đĩa
lớn có những cánh cong. Một tua bin có thể cân nặng khoảng 172 tấn và quay với
tốc độ 90 vòng mỗi phút .


Đại học Đông Á

13

Nhà máy Thủy điện tích năng

- Máy phát điện (generator): Khi các cánh tua-bin quay, một loạt các nam châm
trong các máy phát điện cũng quay theo. Những nam châm khổng lồ này quay
quanh cuộn dây đồng, sản sinh ra dòng điện xoay chiều (AC).
- Biến áp (Transformer): Máy biến áp đƣợc đặt bên trong nhà máy điện tạo ra
dòng điện xoay chiều AC và chuyển đổi nó thành dòng điện có điện áp cao hơn.
- Đƣờng dây điện (Power Lines): Trong mỗi nhà máy điện thƣờng là 3 pha 4 dây.
- Cống xả (Outflow): có nhiệm vụ đƣa nƣớc chảy qua các đƣờng ống – gọi là
kênh , và chảy vào hạ lƣu sông
Để xem hoạt động của nhà máy thủy điện, ta xét một vị trí bất kì trên một dòng
chảy có thể tích V (m3) với chiều cao mức nƣớc h (m); vận tốc trung bình dòng
chảy là v(m/s); áp suất trong lòng nƣớc là p (Pa); trọng lƣợng riêng là γ=9,81.103
(N/m3).

Hình 2.1 Mặt cắt dòng chảy
Năng lƣợng chứa trong khối nƣớc thể tích V (m3) theo phƣơng trình Becnui nhƣ
sau:
E  (h 

p α.v2

).V.
γ 2.g

(2-01)

(J)

Với g=9,81m/s2 là gia tốc trọng trƣờng; α là hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố
không đều của dòng chảy, nếu coi dòng chảy đều thì α=1.

Cột áp của dòng chảy H(m) bao gồm cột áp tĩnh H1 (gồm cột nƣớc địa hình, cột
nƣớc áp suất) và cột nƣớc cột áp động H2 (lƣu tốc và).
p α.v2
H  (z  ) 
 H1  H 2
γ
2.g

(m)

(2-02)


Đại học Đông Á

Nhà máy Thủy điện tích năng

14

Năng lƣợng của khối nƣớc V sinh ra khi chảy từ vị trí 1 đến vị trí 2 là:
E  ( E1  E2 )  (h1  h2 

p1  p2 α1.v12  α2.v22

).V.
γ
2.g

(2-03)

Nếu coi áp suất dòng chảy p và vận tốc dòng chảy v không đổi thì năng lƣợng
khối nƣớc sinh ra là:
ΔE  (h 1  h2 ).V.γ  ΔH.V.γ

(2-04)

Khối nƣớc V chảy trong 1 giây chính bằng lƣu lƣợng dòng chảy Q (m3/s) thì
công suất của dòng chảy là:
P  (h1  h 2 ).V.γ  ΔH.Q.γ

(J)

P  9,81.H.Q

(kW)

(2-05)

Công suất nhà máy thủy điện:
PTĐ  9,81..H0 .Q

(2-06)

(kW)

Với Ho là cột nƣớc hình học của nhà máy là sự chênh lệch mức nƣớc trƣớc và sau
nhày máy thủy điện (m); Q là lƣu lƣợng nƣớc chảy qua nhà máy (m3/s); η= ηT. ηF là
hiệu suất chung của nhà máy thủy điện, bao gồm hiệu suất tua bin nƣớc ηT
=0,88÷0,91 và hiệu suất của máy phát ηF =0,95÷0,98; khi thiết kế có thể lấy η
=0,86; khi đó:

PTĐ  9,3.H0 .Q

(2-07)

(kW)

Nhà máy thủy điện Hòa Bình có 08 tổ máy, mỗi tổ máy có 2 cửa dẫn nƣớc vào
turbine với lƣu lƣợng 300m3/s; hiệu suât turbine  = 95%; cột nƣớc tính toán là
88m. Công suất một tổ máy:
Pturbine  9,81..H 0 .Q 

9,81.0,95.88.300
 246,035
1000

(MW)

Công suất toàn nhà máy:
PNM  8.246,035  1968,3 (MW)

Từ công thức tính công suất của nhà máy thủy điện cho thấy việc tạo ra chênh
lệch mức nƣớc Ho (cột áp, cột nƣớc) là điều kiện tiên quyết xây dựng nhà máy thủy
điện; từ các cách tạo ra cột áp sẽ có các loại nhà máy thủy điện kiểu đập, kiểu kênh
dẫn, kiểu hỗn hợp và nhà máy thủy điện kiểu tích năng.
a. Nhà máy thủy điện kiểu đập: bằng cách xây dựng đập tại một tuyến thích
hợp nơi cần khai thác. Đập tạo ra cột nƣớc do sự chênh lệch mực nƣớc thƣợng hạ


Đại học Đông Á

15

Nhà máy Thủy điện tích năng

lƣu đập. Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tập trung và điều tiết lƣu lƣợng, làm
tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt, nâng cao hiệu quả lợi dụng tổng hợp nguồn
nƣớc nhƣ cắt lũ chống lụt, cung cấp nƣớc, nuôi cá, vận tải thuỷ…

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy thủy điện kiểu đập
Các nhà máy thủy điện kiểu đập nhƣ Sơn La (6x400=2400MW); Hòa Bình
(8x240=1920MW), Lai Châu (3x400=1200MW), Huội Quảng (2x260=520MW);
Trị An (4x100=400MW); Thác Mơ (3x75=225MW); Bản Chát (2x110=220MW);
Thác Bà (120MW),…
b. Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn: là nhà máy thủy điện mà cột nƣớc đƣợc
tạo ra bằng sử dụng các kênh dẫn, phần đầu đƣợc xây dựng dƣới dạng các kênh hở
(kênh không áp), phần này có nhiệm vụ dẫn nƣớc từ nơi mà dòng chảy có mức
nƣớc cao đến nơi mà có dòng chảy mức mức thấp (nhà máy thủy điện), nhƣng giữ
nguyên mức nƣớc (độ dốc rất nhỏ). Phần cuối là các ống kín (kênh dẫn có áp), phần
này có nhiệm vụ đƣa nƣớc từ trên cao xuống thấp để chạy turbine.
Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn đƣợc cột áp thủy tĩnh nên cột nƣớc nhà
máy thủy điện có thể đƣợc tính từ mức nƣớc cuối của kênh dẫn hở đến mức nƣớc
sau nhà máy. Dễ thấy, cột nƣớc có thể rất lớn nếu lấy nguồn nƣớc xuất phát từ vị trí
cao. Ngoài ra, không nhất thiết phải có kênh dẫn hở, có trƣờng hợp kênh dẫn hở
đƣợc thay thế bằng hầm dẫn nƣớc.
Nhà máy thủy điện kiểu này có những ƣu điểm nhƣ sau: vốn dầu tƣ nhỏ, công
suất ổn định, ít phụ thuộc vào mực nƣớc., phù hợp vùng núi đồi có các dòng sông,
suối chảy từ trên cao xuống. Nhƣợc điểm chính là không có hồ chứa nƣớc nên khả


Đại học Đông Á

16

Nhà máy Thủy điện tích năng

năng điều tiết và điều chỉnh công suất kém, cuối kênh dẫn hở có thể đầu tƣ xây hồ
chứa.
Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn nhƣ Đa Nhim, hồ thủy điện A Vƣơng,...

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn
c. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp: là nhà máy tích hợp ƣu điểm của nhà máy
thủy điện kiểu đập và kênh dẫn, ví dụ nhƣ thủy điện Yaly. Bằng việc kết hợp xây
dựng đập với kênh dẫn có thể tạo ra nhà máy công suất lớn, vốn đầu tƣ lại nhỏ. Hồ
nƣớc đƣợc xây dựng ở vị trí cao trong khi bố trí nhà máy ở vị trí thấp hơn. Tận dụng
chênh lệch độ cao phía dƣới đập có thể nâng công suất nhà máy lên đáng kể trong
khi chỉ cần đầu tƣ thêm dàn ống dẫn nƣớc từ trên cao xuống thấp. Đồng thời còn tập
hợp các ƣu điểm của nhà máy kiểu đập và kiểu kênh dẫn nhƣ có cột nƣớc cao, công
suất ổn định và khả năng điều tiết.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp
Nhà máy thủy điện Ialy là một nhà máy thủy điện tại Thác Ialy trên sông Pô
Kô ở Chƣ Păh, tỉnh Gia Lai. Thác Ialy là một trong những thác nƣớc lớn nhất Việt
Nam với độ cao 42 mét.


Đại học Đông Á

17

Nhà máy Thủy điện tích năng

Đập thủy điện là loại đập đá đổ, lõi chống thấm bằng đất sét, có cao trình đỉnh là
+522,0 m, chiều dài đỉnh đập 1.142,0 m, đập cao 71,0 m. Tràn xả lũ gồm 6 cửa,
dùng van cung. Mỗi cửa rộng 15 m.
Lòng hồ thủy điện Ialy rộng tới 64,5 km2, dung tính chết 258,07 triệu m3, dung
tính hữu ích 779,02 triệu m3, phần lớn nằm trên địa phận huyện Sa Thầy, tỉnh Kon
Tum, thuộc lƣu vực sông Pô Kô và Đăk Bla.
Thủy điện Ialy gồm 4 tổ mấy có công suất lắp máy 720 MW, điện lƣợng bình
quân năm là 3.650 triệu kWh.
d. Nhà máy thủy điện kiểu tích năng: là nhà máy thủy điện không sử dụng
năng lƣợng dòng sông mà chỉ biến đổi 2 chiều điện năng thành cơ năng của nƣớc và
ngƣợc lại.
2.1.2 Nguyên lý làm việc nhà máy thủy điện tích năng
Nhà máy thủy điện kiểu tích năng là nhày máy thủy điện không sử dụng năng
lƣợng dòng sông mà chỉ biến đổi 2 chiều điện năng thành cơ năng của nƣớc và
ngƣợc lại. Nhà máy thủy điện kiểu tích năng có sơ đồ gần giống với nhà máy thủy
điện kiểu hỗn hợp. Sự khác biệt chủ yếu là trong nhà máy vừa có turbine nƣớc vừa
có bơm và phải có 2 hồ chứa trên thƣợng lƣu và hồ chứa dƣới hạ lƣu. Turbine để
quay máy phát điện khi cần phát điện năng lên hệ thống điện, còn bơm sử dụng điện
lƣới để bơm nƣớc lên hồ. Ngƣời ta cũng chế tạo kiểu turbine nƣớc đặc biệt, có thể
làm việc ở cả chế độ bơm nhằm giảm chi phí tổ máy.
Nhà máy thủy điện tích năng hoạt động theo giờ trong ngày, vào giờ cao điểm
của phụ tải hệ thống thì sử dụng nƣớc trong hồ để chạy turbine, quay máy phát điện
đƣa điện vào lƣới; còn giờ thấp điểm thì sử dụng điện lƣới để bơm nƣớc đƣa lên hồ
chứa.

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy thủy điện tích năng


Đại học Đông Á

18

Nhà máy Thủy điện tích năng

2.1.3 Phân loại nhà máy thủy điện tích năng
Thủy điện tích năng có nhiều cách phân loại, nếu dựa vào sự kết nối của các hồ
chứa với hệ thống dòng chảy tự nhiên thì có hai kiểu là “Vòng đóng” và “Vòng
mở”.
a. Nhà máy thủy điện tích năng kiểu “Vòng đóng”
Là nhà máy mà các hồ chứa nƣớc của nó không liên thông với các dòng chảy tự
nhiên nhƣ sông, suối. Các hồ chứa này có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo, và sau khi
tích nƣớc ban đầu thì nƣớc chỉ tuần hoàn giữa 2 hồ chứa mà không có nguồn bổ
sung trực tiếp nào từ sông, suối.
Ƣu điểm của loại hồ chứa này là nó loại bỏ hoàn toàn các tác động đối với dòng
chảy tự nhiên nhƣ: không ảnh hƣởng đến đƣờng cá bơi hay sự vận chuyển phù sa.
Đối với các hồ chứa nhân tạo, để bù đắp sự mất nƣớc do bốc hơi mặt hồ, ngoài
lƣợng mƣa tự nhiên thì một hoặc cả hai hồ chứa có thể kết nối với nguồn cấp nƣớc
nhân tạo nào đấy, nhƣ hệ thống nƣớc thải sinh hoạt sơ cấp (gray water).
Nhƣợc điểm của loại hồ chứa này là quy mô thƣờng không lớn, và chỉ thích hợp
với những nhà máy công suất nhỏ. Trên thực tế, hầu hết các dự án kiểu “vòng đóng”
đều dùng một hồ tự nhiên lớn nào đó làm một trong hai hồ chứa để giảm chi phí và
thời gian xây dựng, cũng nhƣ tận dụng nguồn nƣớc sẵn có trong hồ cho việc tích
nƣớc ban đầu, nâng cao công suất nhà máy.
Điển hình là nhà máy thủy điện tích năng Dinorwig công suất 1728MW ở miền
bắc xứ Wales, Anh. Nhà máy vận hành nhờ nguồn nƣớc từ hai hồ chứa: hồ chứa
trên là hồ tự nhiên Marchlym Mawr, và hồ bên dƣới là hồ nhân tạo Llyn Peris, tận
dụng từ một khu mỏ khai thác đá cũ. Nhà máy nằm ngầm trong lòng núi (trong một
hang nhân tạo có kích thƣớc lớn nhất châu Âu), và kết nối với các hồ chứa bằng
16km đƣờng hầm. Đây là dự án có thuận lợi lớn về địa hình, nhƣng cũng là dự án

kiểu mẫu về bảo tồn thiên nhiên, khi nó hầu nhƣ không có tác động lớn đến cảnh
quan của khu vực xung quanh (nhà máy nằm trong khu công viên quốc gia
Snowdonia có cảnh sắc thiên nhiên rất tƣơi đẹp).


Đại học Đông Á

19

Nhà máy Thủy điện tích năng

Hình 2.6 Nhà máy thủy điện tích năng Dinorwig xứ Wales, Anh
b. Nhà máy thủy điện tích năng kiểu “Vòng mở”
Là một trong hai hồ chứa (thƣờng là hồ bên dƣới) hoặc cả hai, đƣợc thông với
sông, suối tự nhiên, hoặc tận dụng chính sông, suối tự nhiên làm hồ chứa. Hồ chứa
còn lại đƣợc tạo nên bởi địa hình đặc trƣng kết hợp với xây đập chắn. Đây là kiểu
thiết kế của hầu hết các nhà máy thủy điện tích năng công suất lớn.
Ƣu điểm là dễ dàng tính toán và xây dựng đƣợc hồ chứa dung tích cần thiết,
thuận lợi trong việc tích nƣớc ban đầu và luôn chủ động trong việc bổ sung nƣớc
trong quá trình vận hành.
Nhƣợc điểm của kiểu hồ chứa này là những ảnh hƣởng tiêu cực với môi trƣờng
thủy sinh khi liên tục xáo trộn chiều dòng chảy của sông suối tự nhiên, và những tác
động lớn đến bờ sông và lòng sông.
Điển hình là nhà máy thủy điện tích năng Quảng Đông, nằm ở gần thành phố
Quảng Châu, tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc (cũng hay đƣợc gọi bằng tên thủy điện
tích năng Quảng Châu). Nhà máy này có công suất 2400MW, lấy nƣớc từ 2 hồ chứa
lớn đƣợc thiết kế khá đặc biệt. Hồ chứa bên trên có dung tích 24,08 triệu m3, đƣợc
tạo thành bởi 2 con đập để tích nƣớc từ sông Liễu Tử. Đập chính là đập đá đổ bê
tông bản mặt, cao 68 m, và đập phụ là đập tràn tự do nằm ở bờ trái, xả nƣớc thừa ra
lòng sông cũ. Hồ chứa bên dƣới có dung tích 23,4 triệu m3, tạo thành bởi đập RCC

cao 43,5 m, có tràn xả mặt điều tiết bằng van phẳng, có thể xả nƣớc thừa ra một con
suối nhỏ. Hai hồ chứa có chênh lệch độ cao là 535m, đƣợc thông với nhau bởi 2
đƣờng ống áp lực có tổng chiều dài là 7,18 km. Đây là dự án có thiết kế đột phá và
công nghệ tiên tiến, đã tạo ra một nhà máy thủy điện công suất lớn trên một con
sông nhỏ, có thể vận hành tự động, không cần sự điều khiển thƣờng xuyên, và vào
thời điểm hoàn thành, là nhà máy thủy điện tích năng có công suất lớn thứ 2 trên thế
giới (sau nhà máy Bath County ở Mỹ).


Đại học Đông Á

20

Nhà máy Thủy điện tích năng

Hình 2.7 Nhà máy thủy điện Bath County, Mỹ
2.2 CÁC LOẠI SƠ ĐỒ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG
2.2.1 Sơ đồ 4 máy
Sơ đồ 4 máy bao gồm turbine, máy phát, máy bơm, động cơ điện bố trí thành các
tổ máy độc lập. Trong sơ đồ này mỗi tổ máy (bơm hoặc turbine) đƣợc thiết kế theo
chế độ làm việc tối ƣu của mình, không phụ thuộc vào nhau ví dụ nhƣ ở nhà máy
thủy điện tích năng Raysek Kraysek của Áo có cột nƣớc cao 1772m, sử dụng
turbine gáo và máy bơm đa cấp. Sơ đồ này có vốn đầu tƣ lớn nên không đƣợc sử
dụng phổ biến.
2.2.2 Sơ đồ 3 máy
Sơ đồ 3 máy bao gồm turbine, máy bơm, động cơ điện thuận nghịch (động cơmáy phát) bố trí kết hợp vào một tổ máy. Sơ đồ này đƣợc sử dụng ở các nƣớc Tây
Âu. Trong sơ đồ này thì máy bơm bao giờ cũng bố trí phía dƣới turbine vì độ cao
hút Hs của máy bơm thƣờng nhỏ hơn so với turbine. Trục nối từ turbine tới máy
mơi xuyên qua ống hút turbine. Giữa turbine và máy bơm có bố trí khớp ly hợp 4 để
tách rời nhau khi tổ máy làm việc ở chế độ máy phát điện, làm nhƣ vậy tránh đƣợc

việc hút nƣớc ra khỏi máy bơm ở chế độ này và tổn thất quạt gió khi máy bơm quay
cùng chiều turbine. Sơ đồ thƣờng sử dụng ở các nhà máy có cột nƣớc cao, có
turbine gáo (H>300m) và máy bơm nhiều cấp. Với sơ đồ này turbine gáo đặt cao
hơn mực nƣớc hạ lƣu lớn nhất khi tổ máy làm việc ở chế độ bơm không phải hút
nƣớc ra khỏi buồng xoắn và turbine tránh tổn thất năng lƣợng.


Đại học Đông Á

21

Nhà máy Thủy điện tích năng

Hình 2.8 Sơ đồ cắt ngang nhà máy thủy điện tích năng sơ đồ 3 máy: 1- Động cơ Máy phát; 2- Turbine tâm trục; 3- Bích nối trục; 4- Khớp ly hợp; 5 - Máy bơm; 6Gối tựa.
2.2.3 Sơ đồ 2 máy thuận nghịch
Sơ đồ 2 máy thuận nghịch turbine- bơm, động cơ - máy phát bố trí trong một tổ
máy. Các lại turbine này có thể làm việc theo hai chức năng máy bơm hoặc turbine
khi đổi chiều và máy phát cũng có thể làm việc ở chế độ động cơ. Những tổ máy
nhƣ vậy thƣờng gọi là tổ máy thuận nghịch. Do chiều quay của hai chế độ ngƣợc
nhau nên quá trình chuyển tiếp khá phức tạp. Nhƣng giảm đƣợc một máy thủy lực,
khớp li hợp và một số van. Do đó, có thể giảm đƣợc 30% vốn đầu tƣ thiết bị so với
sơ đồ ba máy, đồng thời rút ngắn chiều cao nhà máy khoảng 30-35%, giảm đƣợc chi
phí xây dựng. Về kết cầu thì không khác nhà máy thủy điện thông thƣờng. Điểm
khác là khi làm việc chế độ bơm có hệ số khí thực cao, độ sâu Hs nhỏ nên turbine
phải để thấp hơn hạ lƣu từ 9÷15% cột nƣớc công tác. Kiểu sơ đồ 2 máy thuận
nghịch thƣờng sử dụng với các nhà máy có cột nƣớc H<150m.


Đại học Đông Á

22

Nhà máy Thủy điện tích năng

Hình 2.9 Sơ đồ cắt ngang nhà máy thủy điện tích năng sơ đồ 3 máy
Hiện tại trên thế giới thƣờng sử dụng sơ đồ 2 máy hoặc 3 máy. Do phạm vi sử
dụng cột nƣớc của nhà máy thủy điện tích năng tƣơng đối rộng, nên có thể áp dụng
đƣợc các loại turbine hƣớng trục, tâm trục, cánh chéo.
Hiệu quả hoạt động của nhà máy thủy điện tích năng này rất lớn, nhờ khả năng
điều chỉnh công suất nhanh trong phạm vi rộng, có tác dụng san bằng đồ thị phụ tải
do đó giảm đƣợc tổn thất công suất, nâng cao hiệu quả cho nhà máy làm việc kinh
tế hơn, và hiệu quả kinh tế lớn hơn rất nhiều so với tổn thất năng lƣợng do hai lần
biến đổi, tức là khả năng cắt đỉnh và bù đáy của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống. Với
cột nƣớc càng cao thì tổn thất năng lƣợng càng thấp, do đó vị trí có thể xây dựng hồ
nƣớc cao là tiêu chuẩn ƣu tiên cho xây dựng nhà máy thủy điện tích năng.
2.3 KẾT LUẬN
Trong chƣơng này, đã trình bày ra nguyên lý làm việc của nhà máy thủy điện,
nhà máy thủy điện tích năng. Thông qua phân tích các sơ đồ làm việc của nhà máy
thủy điện tích năng, ta thấy rằng:
- Sơ đồ 4 máy thì có hiệu quả làm việc của từng bộ phận, nhƣng cấu tạo phức
tạp, chế tạo tốn kém, tốn diện tích; sơ đồ 3 máy thì cải thiện hơn sơ đồ 4 máy nhƣng
có nhƣợc điểm cần phải có độ cao cột nƣớc lớn để đặt đƣợc vị trí của turbine và
bơm cho hợp lý; chỉ còn sơ đồ 2 máy thuận nghịch là phù hợp nhất để thực hiện và
làm mô hình thí nghiệm.
- Đề tài này lựa chọn sơ đồ 2 máy để làm mô hình, nhƣng ở dây sẽ không có chế
độ thuận nghịch mà sẽ tác riêng máy bơm và turbine riêng rẽ.


Đại học Đông Á

23

Mô hình nhà máy thủy điện tích năng

CHƢƠNG 3. ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ
ĐIỀU KHIỂN
3.1 ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Để hiểu đƣợc nguyên lý làm việc và sự cần thiết của nhà máy thủy điện tích năng
thì chúng ta cần hiểu về hệ thống điện và ổn định trong hệ thống điện.
Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc
của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế
độ của hệ thống điện. Các quá trình nói trên đƣợc đặc trƣng bởi các thông số U, I, P,
Q, f, δ… tại mọi điểm của hệ thống điện. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các
thông này khác với các thông số hệ thống ở chỗ chỉ tồn tại khi hệ thống điện làm
việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của hệ thống điện.
Các chế độ của hệ thống điện đƣợc chia thành 2 loại:
- Chế độ xác lập là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá
trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem nhƣ các thông số này là hằng số. Trong
thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời
gian vì hệ thống điện bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn
luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. Chế
độ xác lập đƣợc chia thành:
+ Chế độ xác lập bình thƣờng là chế độ vận hành bình thƣờng của hệ thống điện;
+ Chế độ xác lập sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố;
+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ nhƣ chế
độ ngắn mạch duy trì...
- Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhều. Chế độ quá độ gồm
có:
+ Chế độ quá độ bình thƣờng là bƣớc chuyển từ chế độ xác lập bình thƣờng này
sang chế độ xác lập bình thƣờng khác;

+ Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.
3.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN
Điều kiện cần để chế độ xác lập của hệ thống điện có thể tồn tại là sự cân bằng
công suất tác dụng P(kW) và công suất phản kháng Q(kVAr). Công suất do các


Đại học Đông Á

24

Mô hình nhà máy thủy điện tích năng

nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công
suất trong các phần tử của hệ thống điện.
PF = Ppt + ∆P = P

(3-1)

QF = Qpt + ∆Q = Q

(3-2)

Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:
S2 = P2 + Q2

(3-3)

Các điều kiện cân bằng công suất ở 03 công thức phía trên là các cơ sở xuất phát
để tính toán các chế độ của hệ thống điện. Từ các điều kiện ấy ta tính đƣợc các
thông số của chế độ U, I, P, Q...

Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và hệ thống điện, quy định
các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng nhƣ sau:
- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ
f(50Hz hoặc 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max
- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của hệ thống điện
nằm trong giới hạn cho phép: Ucp min ≤ U ≤ Ucp max.
Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem nhƣ sự cân bằng
công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng.
Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm
trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện,
chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó.
Trái lại, sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ thừa chỗ này
thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp không thể thực hiện
chung cho toàn bộ hệ thống đƣợc.
Trong hệ thống điện, máy phát điện là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ
thống, vì vậy sự cân bằng công suất tác dụng trên trục roto của các máy phát đóng
vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của chế độ xác lập. Đây là sự cân bằng Cơ Điện; nghĩa là, sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PTB và công suất điện
PMF do MF phát ra: PTB = PMF .


Đại học Đông Á

25

Mô hình nhà máy thủy điện tích năng

Nhƣ trên đã nói, sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống cho
nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên
máy phát và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây.
Đối với công suất phản kháng sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan

trọng hơn cả.
Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lƣới
PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT .
Muốn thể hiện đƣợc sự cân bằng công suất và điện lƣợng cho tất cả các thời điểm
và thời đoạn ta phải dùng một số lƣợng rất nhiều các biểu thức. Việc sử dụng một
khối lƣợng lớn biểu thức nhƣ thế rất bất tiện. Cho nên thƣờng cân bằng công suất và
điện lƣợng đƣợc thể hiện dƣới dạng đồ thị. Các đồ thị đó gọi là biểu đồ cân bằng
công suất và điện lƣợng. Xây dựng biểu đồ cân băng công suất và điện lƣợng là một
nhiệm vụ rất quan trọng khi xác định chế độ làm việc cũng nhƣ xác định các thông
số năng lƣợng của trạm thuỷ điện.

Hình 3.1 Sơ đồ phấn bố công suất của các nhà máy điện trong hệ thống điện

Hình 3.2 Đồ thị phụ tải ngày của hệ thống điện