TNU Journal of Science and Technology 226(07) 219 225 http //jst tnu edu vn 219 Email jst@tnu edu vn BUILDING HARDWARE MODEL FOR SOLAR POWER STATION CONNECTED GRID, APPLIED AT OFFICES, SCHOOLS, ENTERP[.]
TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 BUILDING HARDWARE MODEL FOR SOLAR POWER STATION CONNECTED GRID, APPLIED AT OFFICES, SCHOOLS, ENTERPRISES IN LAO CAI CITY Duong Quoc Hung1*, Nguyen Huu Cong2, Nguyen The Cuong2, Le Dinh Son3 1TNU 3ASO - University of Technology, 2Thai Nguyen University, Mechatronics joint stock comapany ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 24/5/2021 Lao Cai, a northwest mountainous province, has great potential for tourism development and mineral exploitation for socio-economic development As a province bordering China, every year Lao Cai still has to buy electricity from abroad Therefore, to reduce the load for domestic fossil power sources is gradually depleting and less dependent on electricity purchased from China The construction of solar power stations in Lao Cai in particular and in Vietnam in general is essential and in line with the Government's policy Currently, the distribution and installation of solar power stations is very popular However, in Vietnam, most inverter and grid-connected controllers are imported from abroad This article presents research results to create a solar power system with Vietnamese brand The hardware models are installed and tested in different locations in Lao Cai city with a total capacity of up to 20 KW Revised: 28/5/2021 Published: 31/5/2021 KEYWORDS Solar power Inverter Grid Controller Microprocessor Automatic source switching XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ỨNG DỤNG CHO CƠ QUAN CÔNG SỞ, TRƯỜNG HỌC, DOANH NGHIỆP TẠI THÀNH PHỐ LÀO CAI Dương Quốc Hưng1*, Nguyễn Hữu Cơng2, Nguyễn Thế Cường2, Lê Đình Sơn3 1Trường 2Đại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, học Thái Nguyên, 3Công ty cổ phần điện tử ASO THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 24/5/2021 Lào Cai, tỉnh miền núi phía Tây Bắc, có tiềm lớn phát triển du lịch khai thác khoáng sản để phát triển kinh tế xã hội Là tỉnh giáp với Trung Quốc, hàng năm Lào Cai phải mua điện từ nước bạn Hơn nữa, đặc thù dân cư thưa thớt, quan cơng sở Lào Cai có khơng gian rộng, số nắng vào mùa hè cao Do vậy, để giảm tải cho nguồn điện hóa thạch nước dần cạn kiệt lệ thuộc vào nguồn điện mua từ Trung Quốc Việc xây dựng trạm điện lượng mặt trời Lào Cai nói riêng Việt Nam nói chung cần thiết, phù hợp với chủ trương Chính phủ Hiện nay, việc phân phối lắp đặt trạm điện lượng mặt trời khơng cịn xa lạ Tuy nhiên, Việt Nam phần lớn Inverter hịa lưới nhập từ nước ngồi Việc sử dụng, bảo hành, bảo dưỡng sản phẩm cịn lệ thuộc nhiều vào hãng Bài báo trình bày kết nghiên cứu để tạo hệ thống điện lượng mặt trời mang thương hiệu Việt Sản phẩm có tính tương đương số hàng nhập ngoại làm chủ công nghệ thiết bị Kết mơ hình phần cứng lắp đặt thử nghiệm địa điểm khác thành phố Lào Cai với tổng công suất lên đến 20 KW Ngày hoàn thiện: 28/5/2021 Ngày đăng: 31/5/2021 TỪ KHĨA Năng lượng mặt trời Nghịch lưu Bộ hịa lưới Bộ vi xử lý Chuyển nguồn tự động DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4220 * Corresponding author Email: quochungtd@tnut.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 219 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 Giới thiệu Mặt trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng được: Sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần vô tận có khắp nơi dù hay nhiều Việc khai thác lượng mặt trời gần khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường, giúp giảm tải cho nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt Nhận thấy tầm quan trọng nguồn lượng này, năm gần đây, nhà khoa học giới không ngừng nghiên cứu để sản xuất PIN lượng mặt trời cho hiệu suất cao, tăng tuổi thọ, giảm kích thước khối lượng [1] Bên cạnh đó, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị nghịch lưu hòa lưới từ nguồn lượng triển khai Một công nghệ đại chuyển đổi đa chuỗi hai cấp Bộ chuyển đổi bao gồm số tổ hợp PIN kết nối với chuyển đổi DC từ kết nối tới chuyển đổi DC chung [2], [3] Cấu trúc có ưu điểm theo dõi độc lập công suất cực đại tổ hợp tồn hệ thống Cấu trúc đạt hiệu suất cao lên đến 96% [4] Các chế chuyển đổi đa cấp đề cập ứng dụng [5] Cấu trúc đa cấp tạo dạng sóng điện áp chất lượng cao hoạt động tần số gần [6] Ở Việt nam, năm gần đây, dự án lắp đặt hệ thống điện lượng mặt trời trở nên phổ biến Một số dự án lắp đặt thử nghiệm với công suất từ nhỏ đến lớn triển khai số tỉnh [7]-[10] thuộc vùng miền khác Việt Nam Các hệ thống phần lớn có tính hịa lưới, số có thêm tính truyền thơng trung tâm [7], [8], có khả xoay theo hướng di chuyển mặt trời [9] Các hệ thống này, phần lớn Inverter nhập ngoại từ nước ngồi có giá thành cao, việc thay sửa chữa phụ thuộc vào hãng dừng lại việc sản xuất thử nghiệm mơ hình để sử dụng điện cục bộ, khơng hịa lưới Khoa học kỹ thuật phát triển, thúc đẩy nhà khoa học nước tạo hệ thống lượng mặt trời mang thương hiệu Việt dựa việc giải mã thiết bị, kế thừa phát triển số sản phẩm thương mại hãng sản xuất lượng mặt trời danh tiếng giới Bài báo trình bày kết nghiên cứu, chế thử nhằm tạo mơ hình hệ thống lượng mặt trời, với thiết bị thiết kế, chế tạo lắp đặt Việt Nam Điều giúp làm chủ công nghệ thiết bị Sản phẩm mơ hình lắp đặt thử nghiệm thành phố Lào Cai với tổng công suất 25 kW hứa hẹn đem lại hiệu cao tiến tới sản xuất thương mại Xây dựng mơ hình 2.1 Lựa chọn địa điểm lắp đặt PIN lượng mặt trời Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả lựa chọn loại PIN Poly hãng Canadian Sola - Tổng công suất thiết kế cho địa điểm lắp đặt là: 25 kWh - Công suất Pin 0.415 kW - Số lượng Pin: 25/0.415 = 60.24 Để đảm bảo công suất tính tốn lớn cơng suất thiết kế, nhóm tác giả lựa chọn lên thành 64 Pin, có cơng suất 0.415 kW Căn vào tiêu chí sau để lựa chọn địa điểm lắp đặt: - Vị trí địa lý thuận lợi: Mặt rộng, địa hình cao, số nắng nhiều; - Phục vụ nhiều cho lợi ích chung nhân dân; - Phòng điều khiển trung tâm (Bao gồm thiết bị phần cứng phần mềm điều khiển giám sát SCADA) cần đặt quan đơn vị chủ quản Sở Khoa học công nghệ, để thuận lợi cho việc vận hành, theo dõi đánh giá Sau khảo sát, nhóm tác giả lựa chọn địa điểm công suất lắp đặt bảng Các PIN lắp đặt áp mái ray đỡ mái tơn (hình 1) http://jst.tnu.edu.vn 220 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 Bảng Địa điểm tính tốn số lượng Pin Hình Tấm PIN lắp đặt áp mái mái tôn ray đỡ 2.2 Hệ thống nối lưới có sử dụng Acquy lưu trữ Hệ thống nối lưới có sử dụng Acquy trình bày hình 2; Sơ đồ mạch động lực Inverter hòa lưới trình bày hình Hình Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống NLMT có lưu trữ Hệ thống điện lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ bao gồm thiết bị sau: - Tấm pin lượng mặt trời (Poto Voltaic) khuếch đại điện áp DC (Boost); - Khối nguồn chiều (DC link); - Bộ chuyển đổi điện hòa lưới (Voltage Source Inverter); - Acquy khối nạp Acquy; - Đồng hồ đo điện; - Acquy để lưu trữ điện; - Tủ điều khiển truyền thông; - Bộ chuyển nguồn tự động (ATS); - Các thiết bị đầu cuối phần mềm SCADA http://jst.tnu.edu.vn 221 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 Hình Sơ đồ mạch động lực Inverter hịa lưới Hình trình bày cấu hình phần cứng thiết bị điều khiển trạm lượng mặt trời cơng suất 5kW hịa lưới có lưu trữ Tủ hịa lưới Tủ Acquy Tủ nghịch lưu DC/AC Tủ ĐK truyền thơng Hình Cấu hình phần cứng thiết bị điều khiển trạm kW có lưu trữ Nguyên tắc hoạt động hệ thống: Khi khởi động Acquy ưu tiên nạp đầy từ pin mặt trời Khi acquy đầy hệ thống chuyển qua hòa lưới, giúp giảm lượng điện tiêu thụ Khi điện, chuyển mạch (ATS) chuyển qua nguồn điện dự trữ acquy, tồn hệ pin mặt trời chuyển qua sạc cho acquy Khi có điện lưới trở lại hệ thống chuyển qua nạp acquy hịa lưới bình thường 2.3 Hệ thống nối lưới khơng sử dụng Acquy lưu trữ Hệ thống nối lưới không sử dụng Acquy trình bày hình 5, chúng bao gồm thiết bị sau: - Tấm pin lượng mặt trời (Poto Voltaic) khuếch đại điện áp DC (Boost); - Khối nguồn chiều (DC link); - Bộ chuyển đổi điện hòa lưới (Voltage Source Inverter); - Đồng hồ đo điện; - Tủ điều khiển truyền thông; - Các thiết bị đầu cuối phần mềm SCADA http://jst.tnu.edu.vn 222 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 Hình Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống NLMT không lưu trữ Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả lắp đặt thử nghiệm hệ thống hịa lưới khơng lưu trữ, hệ thống có cơng suất 10 KW Do Bộ nghịch lưu DC/AC hệ thống công suất 10 KW có cơng suất gấp lần kW, kích thước phần thiết bị cơng suất lớn lên Khi triển khai, nhóm tác giả buộc phải chia đôi phần thiết bị công suất Một phần kW nằm vỏ tủ nghịch lưu DC/AC, phần lại chuyển sang lắp chung với vỏ tủ điều khiển hịa lưới nhằm tận dụng khơng gian tủ Hình trình bày cấu hình phần cứng thiết bị điều khiển trạm lượng mặt trời cơng suất 10 kW hịa lưới khơng lưu trữ Tủ ĐK truyền thông Bộ Inverter (5 kW) Bộ Inverter (5 kW) hịa lưới Hình Cấu hình phần cứng thiết bị điều khiển trạm 10 kW khơng lưu trữ Trong q trình làm việc, điện thu từ pin mặt trời điện chiều, qua Inverter hòa lưới với chức đổi từ điện DC – AC pha tần số tự hòa chung vào với điện lưới quốc gia Khi cơng suất hịa lưới cơng suất tải tải tiêu thụ điện lấy hồn tồn từ pin mặt trời Cịn cơng suất tải tiêu thụ lớn cơng suất hịa lưới tải lấy thêm lưới bù vào Dù hệ thống có hay khơng dự trữ, tủ Inverter có gắn hình HMI để cài đặt thông số điều khiển theo dõi thông số vận hành, cảnh báo cố hệ thống (hình 7) Tồn thơng số vận hành, báo cáo tình trạng thiết bị thống kê lượng vận hành, thông qua tủ điều khiển truyền thông tất trạm giao tiếp với trung tâm điều khiển thành phố thông qua mạng viễn thơng 4G (hình 8) http://jst.tnu.edu.vn 223 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Giao diện HMI hệ thống điện mặt trời kW hòa lưới có lưu trữ 226(07): 219 - 225 Hình Giao diện SCADA thể thông số trạm phòng điều khiển trung tâm Kết thực nghiệm Hệ thống hoàn thành lắp đặt chạy thử nghiệm tháng 01/2021 Sau lắp đặt, hệ thống chạy ổn định, không xảy lỗi Tuy nhiên, thời điểm lắp đặt vào mùa đông, nên số nắng Theo lũy kế từ phần mềm HMI sau tháng (hình 9), ta thống kê tổng cơng suất phát trạm bảng Hình Một ví dụ tổng cơng suất phát sau tháng hệ thống điện mặt trời kW hòa lưới có lưu trữ Bảng Tổng cơng suất phát mơ hình Bảng Đánh giá hiệu suất sau tháng thử nghiệm theo dõi tháng Nếu giả thiết, số nắng trung bình ngày h Một tháng có số nắng 150 h; Ba tháng có số nắng 450 h Như vậy, ta tính hiệu suất PIN bảng Có thể thấy, hệ thống kW hịa lưới có lưu trữ, công suất lắp đặt 50% công suất địa điểm lại, nhiên hệ thống có lưu trữ, nên khơng có nắng, lượng nghịch lưu từ Acquy sử dụng Cơng suất phát cao http://jst.tnu.edu.vn 224 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 219 - 225 Kết luận Hệ thống điện lượng mặt trời lắp đặt thử nghiệm thành phố Lào Cai nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm dựa việc giải mã thiết bị, kế thừa phát triển số sản phẩm thương mại hãng sản xuất lượng mặt trời nước ngồi, hồn tồn làm chủ cơng nghệ thiết bị Các phần mềm HMI viết ngôn ngữ tiếng Việt thuận tiện cho người Việt sử dụng Sau lắp đặt thử nghiệm, dạng điện áp đầu đảm bảo đủ điều kiện hòa lưới Mặc dù lắp đặt theo dõi vào mùa đông, nhiên hệ thống phát công suất đạt hiệu suất 30 ÷ 40% Nhóm tác giả tiếp tục theo dõi, đặc biệt vào tháng đỉnh nắng mùa hè (tháng – 8) để xác định hiệu suất cực đại hệ thống, từ tiếp tục nghiên cứu, cải tiến nhằm tạo sản phẩm sản xuất thương mại hồng loạt Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Uỷ ban nhân dân tỉnh Lào Cai, thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp tỉnh, tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điện lượng mặt trời hòa lưới ứng dụng phù hợp cho quan công sở, trường học, doanh nghiệp thành phố Lào Cai”, với tài trợ nhân lực thiết bị máy móc Cơng ty Cổ phần điện tử ASO TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] F Filho, Y Cao, and L M Tolbert “11-levelCascaded H-bridge Grid-tied Inverter Interface with SolarPanels,” IEEE Trans, June 2010, pp 968-972 [2] A J Morrison, “Global Demand Projections forRenewable Energy Resources,” IEEE Canada ElectricalPower Conference, 25-26 Oct 2007, pp 537-542 [3] J Rodriguez, S Bernet, B Wu, J O Pontt, and S Kouro, “Multilevel Voltage -Source-Converter Topologies forIndustrial Medium Voltage Drives,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 54, no 6, pp 2930-2945, Dec.2007 [4] L M Tolbert and F Z Peng, “Multilevel Converters as aUtility Interface for Renewable Energy Systems,” IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, Seattle,Washington, July 15-20, 2000, pp 1271- 1274 [5] S Khomfoi and L M Tolbert, Multilevel PowerConverters, Power Electronics Handbook, 2nd EditionElsevier, 2007, ISBN 978-0-12- 088479-7, Chapter 17, pp.451-482 [6] S Busquets-Monge, J Rocabert, P Rodriguez, S Alepuz, and J Bordonau, “Multilevel Diode clamped Converterfor Photovoltaic Generators with Independent Voltage Control of Each Solar Array,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 55, pp 2713-2723, July 2008, [7] T S Tran, Research, design, and install a small-scale solar cell power station model with grid connection, Provincial science and technology research project, Da Nang, 2014 [8] Vietnam Energy Online, “Application situation of solar power projects in Hanoi”, 2017 [Online] Available: http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/tinh-hinh-ung-dungcac-du-an-dien-mat-troi-tai-ha-noi.html [Accessed Apr 29, 2021] [9] M P Vu, “Research on upgrading the model of a combined power station using solar energy and grid power at the Vietnam Academy of Science and Technology”, 2015 [Online] Available: http://khcn.cinet.vn/articledetail.aspx?articleid=1204&sitepageid=418 [Accessed Apr 29, 2021] [10] DAT, “3 kW grid-tied solar power system for households,” 2018 [Online] Available: http://www.dattech.com.vn/ung-dung/he-thong-dien-mat-troi-hoa-luoi-3-kw-lap-dat-cho-ho-giadinh.html [Accessed Apr 29, 2021] http://jst.tnu.edu.vn 225 Email: jst@tnu.edu.vn ... lấy thêm lưới bù vào Dù h? ?? thống có hay khơng dự trữ, tủ Inverter có gắn h? ?nh HMI để cài đặt thông số điều khiển theo dõi thông số vận h? ?nh, cảnh báo cố h? ?? thống (h? ?nh 7) Tồn thơng số vận h? ?nh,... việc thay sửa chữa phụ thuộc vào h? ?ng dừng lại việc sản xuất thử nghiệm mơ h? ?nh để sử dụng điện cục bộ, khơng h? ??a lưới Khoa h? ??c kỹ thuật phát triển, thúc đẩy nhà khoa h? ??c nước tạo h? ?? thống lượng... sau tháng thử nghiệm theo dõi tháng Nếu giả thiết, số nắng trung bình ngày h Một tháng có số nắng 150 h; Ba tháng có số nắng 450 h Như vậy, ta tính hiệu suất PIN bảng Có thể thấy, h? ?? thống kW h? ??a