Máy biến áp điện tử - Những hứa hẹn cho công nghiệp truyền năng lượng điện

ên cứu và ứng dụng đưa SST vào lưới phân phối điện. Biến áp 
SST có nhiều ưu điểm nên đã có nhiều nghiên cứu thiết kế và chế tạo để SST thỏa mãn các tính 
năng, cũng như khai thác tiềm năng của nó trong các ứng dụng cho hệ thống phân phối. Trên Hình 
2 biểu diễn các khả năng sử dụng SST cho truyền tải năng lượng điện, trong đó phía trái là hệ thống 
phân phối truyền thống, ở đây máy biến áp được dùng để lồng ghép các nguồn năng lượng tái tạo 
và các thiết bị lưu trữ năng lượng, cung cấp điện cho hệ thống lưới điện xe lửa, và các thiết bị ngoại 
vi FACTs, như bộ bù công suất phản kháng, các bộ lọc tích cực. Còn phía phải là hệ thống phân 
phối trong tương lai dựa trên SST. 
Ở đấy SST thay thế máy biến áp truyền thống và một số thiết bị điện tử biến đổi, nên có khả 
năng tích hợp nhiều hơn và hệ thống nhỏ gọn hơn. Để có thể áp dụng vào truyền tải điện năng thì 
hiệu suất, độ tin cậy, tuổi thọ và giao tiếp của hệ thống phân phối SST cùng chi phí của SST phải 
hợp lý [1]. SST cũng có thể được áp dụng để kết nối trực tiếp các nguồn năng lượng tái tạo, như 
năng lượng mặt trời, sức thủy triều, với hệ thống phân phối. Trên Hình 3a là hệ năng lượng gió 
điển hình sử dụng máy điện không đồng bộ (Hình 3a) gồm có hai máy biến áp, một STATCOM và 
một tụ điện cục bộ được thay thế hiệu quả bằng một SST duy nhất (Hình 3b) [9]. SST cũng có thể 
được tích hợp với thiết bị lưu trữ năng lượng do có sẵn liên kết DC. Một hệ thống nạp điện cho xe 
điện thông thường gồm một máy biến áp tần số 50/60Hz, bộ biến đổi AC/DC, và DC/DC, hiệu suất 
của hệ thống như vậy là ~90%. Nhưng khi sử dụng công nghệ SST hiệu suất có thể được tới >95% 
cùng với nó kích thước trọng lượng, giảm đáng kể do đó chi phí giảm xuống còn một nửa công nghệ 
thông thường [3]. 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 
 6 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 
AC/AC
P
Điện gió
AC/AC
P
Điện thủy 
triều
DC/AC
PĐiện mặt trời
DC/AC
P
DC/AC
P
M
Tích năng 
lượng
Hệ thống 
kéo
Bộ lọc
Q
Bù công suất 
phản kháng Var
Sóng hài
SST
Tích hợp năng 
lượng tái tạo
Điện gió
P
P
P
Điện thủy 
triều
Điện mặt 
trời
SST
Tích trữ năng lượng
P
Tích năng 
lượng
SST
Biến đổi điện áp
P
M
Hệ thống 
kéo
SST
Bù công suất phản 
kháng Var
SST
Lọc sóng hài
Sóng hài
Q
Hiện tại Tương lai 
Hình 2. Các khả năng sử dụng SST cho truyền tải năng lượng điện [1] 
Trạm điện 
gió + SCIG
Hộp tụ 
điện
STATCOM
Máy biến áp
~
Lưới
a)
~
Lưới
Trạm điện 
gió + SCIG
SST
(AC/AC)
b)
Hình 3. Hệ thống năng lượng gió giao tiếp với SST 
a) Hệ thống truyền thống, b) Hệ thống dùng SST [9] 
Ngoài tính năng thay thế biến áp thông thường và một số mạch điện tử ở lưới điện truyền 
thống của SST được dùng cho lưới phân phối điện, biến áp SST còn có thể sử dụng để biến đổi 
điện áp và điều chỉnh điện áp. Hình 4 biểu diễn sơ đồ hệ thống lưới điện tàu hỏa, trong đó Hình 4a 
là sơ đồ hệ thống truyền động điện tàu hỏa truyền thống, gồm một biến áp tần số lưới, bộ biến đổi 
AC/DC và bộ biến tần DC/AC cấp cho động cơ kéo của tàu hỏa, hiệu suất của một hệ thống như 
vậy khoảng ~88% - 92% [2]. Nếu sử dụng biến áp SST (Hình 4b) hiệu suất của hệ >95%, có kích 
thước trọng lượng nhỏ hơn. Kích thước thu gọn sẽ mang lại nhiều không gian hơn cho hành khách. 
Mật độ công suất của một hệ thống này đạt từ 0,5 đến 0,75 kVA/kg, hơn hẳn 0,2 - 0,35kVA/kg của 
máy biến áp thông thường cộng với cấu trúc của bộ chỉnh lưu. ABB đã công bố công suất của máy 
biến áp SST cỡ MW, được áp dụng vào năm 2012 [2]. 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 7 
Tàu hỏa
AC
AC
DC
AC
M
Lưới AC 15kV, 16,7Hz/25kV, 50Hz
Biến áp tần 
số thấp
Tàu hỏa
AC
DC
DC
AC
M
Lưới AC 15kV, 16,7Hz/25kV, 50Hz
a)
DC/DC 
cách ly
Biến áp tần số trung
b)
Hình 4. SST cho hệ thống tầu hỏa 
 a) Hệ thống dùng biến áp 50/60Hz, b) Dùng SST [2] 
Máy máy biến áp điện tử có thể sử dụng để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài: Căn 
cứ vào cấu trúc của hệ thống, SST có thể làm nhiệm vụ bù công suất phản kháng. Một hệ thống 
năng lượng gió dùng SST làm các nhiệm vụ truyền công suất tác dụng, bù công suất phản kháng 
và biến đổi điện áp được giới thiệu trong [9]. Việc sử dụng khả năng bù công suất phản kháng của 
SST, đã làm cho khối lượng và trọng lượng hệ thống giảm, được thị trường quan tâm. Các nhà khoa 
học cũng đã nghiên cứu khả năng phục hồi điện áp, lọc sóng hài của SST. Khả năng lọc sóng hài 
phụ thuộc rất nhiều vào băng thông của bộ điều khiển và tần số chuyển mạch của SST. Như đã trình 
bày ở trên SST có thể dùng tích hợp lưới điện thông minh. SST được đề xuất như là một bộ định 
tuyến năng lượng để tích hợp các ứng dụng lưới điện thông minh [6]. Hình 5 là sơ đồ lưới mini dựa 
trên SST. Ở đây dùng liên kết điện áp một chiều thấp (LVDC) để kết nối tài nguyên năng lượng tái 
tạo (DRER) và phân phối năng lượng (DESD) cho các thiết bị lưu trữ. Như vậy chỉ có duy nhất một 
tầng biến đổi so với lưới điện AC bình thường, trong đó bộ biến đổi DC/DC cùng với biến tần để kết 
nối nguồn DC và tải vào lưới điện. Ngoài ra, lưới điện AC dân dụng cũng được tích hợp bằng cách 
sử dụng cổng điện áp thấp xoay chiều của SST. Ta nhận được một hệ thống nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, 
và tích hợp được nhiều lưới mini hơn [7]. 
SST nhúng với các chức năng điều khiển nhất định có thể phát hiện lỗi cách ly và giới hạn lỗi. 
Phương pháp bảo vệ đã được đề xuất sử dụng SST trong hệ thống FREEDM, và cho thấy kết quả 
thỏa đáng trong kỹ thuật số và mô phỏng thời gian thực [8]. Khả năng bù công suất phản kháng của 
SST có thể được chấp nhận trong hệ thống điện cho lỗi quá độ tạm thời do STATCOM thực hiện 
trong hệ thống lưới điện yếu. Hơn nữa, nguồn năng lượng tái tạo và các thiết bị lưu trữ năng lượng 
nối tại cổng DC của SST có thể cung cấp chức năng cung cấp điện liên tục khi lỗi xảy ra ở tuyến 
phân phối, và do đó đảm bảo cung cấp năng lượng cao cho tải [1]. 
Hình 5. SST cho tích hợp lưới thông minh [1] 
5. Những vấn đề cần nghiên cứu 
Những vấn đề sau đây cần được tiếp tục nghiên cứu đối với máy biến áp SST: 
- Cần có nhiều số liệu kiểm tra kết quả hiện trường của SST để chứng tỏ có khả năng đạt 
được một hệ thống phân phối nhỏ gọn và thông minh hơn trong tương lai; 
- Biến áp lai có nhiều điểm tương đồng và ưu thế hơn máy SST, cần tiến hành nghiên cứu về 
biến áp lai để thay thế SST; 
- Như đã thấy các van bán dẫn công suất dùng trong SST có yêu cầu cao về điện áp công tác 
và điện áp khóa, về mật độ dòng điện, về tần số đóng ngắt và tổn hao ít. Tương lai cần tập trung 
nghiên cứu về các van điện tử công suất thuộc các khía cạnh sau: Cách đóng gói của các thiết bị 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 
 8 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 
bán dẫn thương mại, các van bán dẫn công suất có dòng điện lớn, có nhiệt độ làm việc cao vấn đề 
tản nhiệt giảm tổn hao và tăng tuổi thọ để công suất của SST có thể đạt tới vài mega oat (MW) hoặc 
cao hơn; 
- Tối ưu các thủ tục thiết kế để đạt được hiệu suất cao và ít khối lượng dựa trên vật liệu lõi, 
dây, và cách điện, mục đích giảm kích thước và trọng lượng của SST; 
- Cần nghiên cứu việc thiết kế sử dụng các vật liệu từ là hợp kim có chỉ số năng lượng và từ 
tính tốt hơn, nhằm giảm tổn thất lõi khi vận hành với tần tần số cao. 
6. Kết luận 
SST đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng cả ở công nghiệp và đơn vị nghiên cứu phục 
vụ cho ứng dụng lưới điện thông minh. Bài báo này đã trình bày ngắn gọn những vấn đề chính về 
SST, gợi ý thiết kế các thành phần của SST, một số tính năng của biến áp điện tử dùng cho lưới 
điện phân phối, tích hợp lưới điện mini do nguồn năng lượng tái tạo cung cấp. 
 Bài báo cũng chỉ ra những nội dung cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển SST cụ thể là nghiên 
cứu các van bán dẫn công suất có điện áp, dòng điện nhiệt độ làm việc lớn, nghiên cứu vật liệu làm 
lõi thép biến áp, nghiên cứu về SST ứng dụng trong hệ thống phân phối. Những tiến bộ đáng kể đã 
đạt được trong công nghệ SST. Sự tập trung nghiên cứu của các nhà sản xuất và ứng dụng cùng 
những tính chất vượt trội của SST, một ngày không xa SST sẽ được ứng dụng rộng rãi trong công 
nghiệp phân phối năng lượng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Xu She, Member, Alex Q. Huang, and Rolando Burgos, “Review of Solid-State Transformer 
Technologies and Their Application in Power Distribution Systems,” IEEE Journal of Emerging 
and selected Topics in Power Electronics, Vol 1. No. 3, 2013. 
[2] D. Dujic, C. Zhao, A. Mester, J. K. Steinke, M. Weiss, S. L. Schmid,T. Chaudhuri, and P. Stefanutti, 
“Power electronic traction transformer: Low voltage prototype,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 
28, no. 12, pp. 5522-5534, 2013. 
[3] D. Peeples, “The Next Big Thing? EPRI’s Fast, Flexible and Cheaper EV Charging System”, 
Available: 2012. 
[4] Thân Ngọc Hoàn, Máy điện, Nhà xuất bản Xây dựng, 2004. 
[5] Nguyễn Huy Đỉnh, “Máy biến áp điện tử (SST) giải pháp giúp lưới điện sạch hơn và linh hoạt 
hơn,” Tự động hóa ngày nay, Tháng 10/2017. 
[6] A. Q. Huang, M. L. Crow, G. T. Heydt, J. P. Zheng, and S. J. Dale, “The future renewable electric 
energy delivery and management system: The energy Internet,” Proc. IEEE, vol. 99, no. 1, pp. 
133-148, Jan. 2011. 
[7] X. She, A. Q. Huang, S. Lukic, and M. Baran, “On integration of solid state transformer with zonal 
DC microgrid,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, No. 2, pp. 975-985, Jun. 2012. 
[8] P. Tatcho, Y. Jiang, and H. Li, “A novel line section protection for the FREEDM systems based 
on the solid state transformer,” in Proc. IEEE PES General Meeting, pp. 1-8., 2011. 
[9] X. She, A. Q. Huang, F. Wang, and R. Burgos, “Wind energy system with integrated active power 
transfer, reactive power compensation, and voltage conversion functions,” IEEE Trans. Ind. 
Electron, Vol. 60, No. 10, pp. 4512-4524, 2013. 
Ngày nhận bài: 25/01/2018 
Ngày nhận bản sửa: 27/03/2018 
Ngày duyệt đăng: 02/04/2018