5
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh Design of the Solar Power Roof with the intelligence inverter Nguyễn Thị Ngọc Anh, Trần Viết Thắng Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh e-Mail: [email protected], [email protected] Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm, ứng dụng mái nhà điện mặt trời trong điều kiện Việt Nam. Các cấu hình với 1 bộ điều khiển, hai bộ điều khiển và mô hình thực nghiệm ni lưới đã được đề xuất và thử nghiệm đánh giá trong thời gian theo dõi dài. Trên cơ sở thực nghiệm, một dự án điện khí hoá cho 172 hộ dân và 7 điểm công cộng ở Tp.HCM đã được hoàn tất và đưa vào sử dụng. Bộ inverter thông minh cho cấu hình 1 bộ điều khiển gắn trực tiếp với bộ pin mặt trời cũng được thiết kế, chế tạo với các thông số tốt. Abstract: The results of the research, design and application of the grid connected solar power roof in Vietnam conditions are presented. The configuration with one and two controllers and the experimental model are proposed and monitoring in the long period. Based on these results, the solar power Project for 172 roofs (families) and 7 public positions in HCMC is performed. The high-performance intelligence inverter to directly connect with a solar roof is described. 1. Phần mở đầu Khai thác nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, thuỷ triều,…) là xu hướng tất yếu nhằm giải quyết vấn đề khủng hoảng năng lượng thế giới, đã được nhiều nước (Mỹ, EU, Nhật, Trung Quốc...) phát triển và ứng dụng rộng rãi với các chương trình đầu tư hàng tỷ USD. Trong 15 năm qua thị trường điện mặt trời tăng trưởng bình quân 25 %/năm. Từ năm 2004-2008 sản lượng toàn cầu hằng năm tăng khoảng 6 lần, đạt tổng công suất 16,9 GW. Sản phẩm năm 2008 tăng 90 lần so với năm 2007 [1, 2, 3]. Pin năng lượng mặt trời loại silic tinh thể, có cấu tạo từ số lượng lớn các diode P-N, thực hiện việc biến đổi quang điện với hiệu suất 10-15%, hiện vẫn chiếm đa phần trong các bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Do giá thành đắt (~6USD/W), nên việc ứng dụng rộng rãi chúng gặp nhiều khó khăn. Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh của pin mặt trời loại màng mỏng, tuy hiệu suất (6-8%) thấp hơn pin silic tinh thể, nhưng giá thành thấp (~1USD/W) đã mở ra khả năng phát triển và ứng dụng rộng rãi của chúng. Các tấm pin mặt trời (module) được ghép thành mảng lớn như 1 mái nhà, có ưu điểm chủ động cấp điện tại chỗ, không gây tiếng ồn, không ô nhiễm, tính an toàn cao. Việt Nam có tài nguyên nắng vô cùng to lớn. Ở các tỉnh phía Nam số giờ nắng trung bình ngày khoảng 6,5h/ngày. Cường độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày trong 12 tháng đạt khoảng 5kWh/m 2 / ngày. Ở các tỉnh phía Bắc, số giờ nắng trung bình thấp hơn, khoảng 4,1h/ngày và cường độ bức xạ trung bình khoảng 4kWh/m 2 /ngày. Như vậy, vic khai thác hiu qunguồn năng lượng mt tri nước ta, nht là các tnh phía Nam sgóp phn gii quyết vấn đề năng lượng cho đất nước. Dòng điện 1 chiều từ pin mặt trời được tích luỹ trong ắc quy và được biến đổi thành dòng điện xoay chiều để cung cấp trực tiếp cho các thiết bị hoặc được hoà lưới điện (nối lưới). Ở các nước phát triển, tỉ lệ điện mặt trời nối lưới chiếm tới 95% công suất lắp của chúng. Một hệ thống điều hành hợp lý sẽ biến đổi chúng thành điện xoay chiều, hoà lưới điện, đồng thời thực hiện việc tích trữ năng lượng vào ắc quy, điều phối năng lượng cho tải. Ưu điểm của công nghệ điện mặt trời nối lưới là giảm được khoảng 30% giá thành nhờ giảm thiểu hệ thống ắc quy để tồn trữ năng lượng mặt trời. Lượng điện sinh ra từ dàn pin mặt trời sẽ được biến đổi trực tiếp thành 220VAC/50Hz cấp trực tiếp cho tải. Khi dư thừa, điện mặt trời được đưa trực tiếp vào lưới điện, còn khi công suất điện mặt trời không cấp đủ cho tải quy định thì bộ điều khiển sẽ điều hành lấy điện lưới bù vào. Đây là giải pháp công nghệ tự sản xuất điện mặt trời để sử dụng và tương tác với lưới điện quốc gia theo một cơ chế thông minh. Ở nước ta, các trạm pin mặt trời nối lưới đã được triển khai sử dụng như ở quận Tân Bình Tp.HCM (2005) với công suất 2KWp, tại Trung tâm hội nghị quốc gia Việt Nam (2005) với công suất 154 kWp, tại Viện Năng lượng với công suất 1.080Wp, tại Bộ Công Thương với công suất 2.700 Wp. Một số nghiên cứu và triển khai ứng dụng trong nước [1,4,5] cho thấy sự quan tâm lớn để phát triển lĩnh vực này. Một số nghiên cứu còn dừng ở phòng thí nghiệm, còn các ứng dụng đa phần là các thiết bị nhập ngoại. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt và thực nghiệm một hệ thống cụ thể là cần thiết, cho phép đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống mái nhà điện mặt trời, hiệu quả đầu tư, cũng như xác định hướng thiết kế chế tạo thiết bị trong nước. 2. Xây dựng cấu hình mái nhà điện mặt trời nối lưới 427

Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

  • Upload
    pvdai

  • View
    172

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh Design of the Solar Power Roof with the intelligence inverterNguyễn Thị Ngọc Anh, Trần Viết Thắng Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh e-Mail: [email protected], [email protected] Tóm tắtBài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm, ứng dụng mái nhà điện mặt trời trong điều kiện Việt Nam. Các cấu hình với 1 bộ điều khiển, hai bộ điều khiển và m

Citation preview

Page 1: Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Design of the Solar Power Roof with the intelligence inverter

Nguyễn Thị Ngọc Anh, Trần Viết Thắng

Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh

e-Mail: [email protected], [email protected]

Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế thử

nghiệm, ứng dụng mái nhà điện mặt trời trong điều

kiện Việt Nam. Các cấu hình với 1 bộ điều khiển,

hai bộ điều khiển và mô hình thực nghiệm nối lưới

đã được đề xuất và thử nghiệm đánh giá trong thời

gian theo dõi dài. Trên cơ sở thực nghiệm, một dự

án điện khí hoá cho 172 hộ dân và 7 điểm công

cộng ở Tp.HCM đã được hoàn tất và đưa vào sử

dụng.

Bộ inverter thông minh cho cấu hình 1 bộ điều

khiển gắn trực tiếp với bộ pin mặt trời cũng được

thiết kế, chế tạo với các thông số tốt.

Abstract: The results of the research, design and application

of the grid connected solar power roof in Vietnam

conditions are presented. The configuration with

one and two controllers and the experimental

model are proposed and monitoring in the long

period. Based on these results, the solar power

Project for 172 roofs (families) and 7 public

positions in HCMC is performed.

The high-performance intelligence inverter to

directly connect with a solar roof is described.

1. Phần mở đầu Khai thác nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng

mặt trời, gió, thuỷ triều,…) là xu hướng tất yếu

nhằm giải quyết vấn đề khủng hoảng năng lượng

thế giới, đã được nhiều nước (Mỹ, EU, Nhật,

Trung Quốc...) phát triển và ứng dụng rộng rãi với

các chương trình đầu tư hàng tỷ USD. Trong 15

năm qua thị trường điện mặt trời tăng trưởng bình

quân 25 %/năm. Từ năm 2004-2008 sản lượng

toàn cầu hằng năm tăng khoảng 6 lần, đạt tổng

công suất 16,9 GW. Sản phẩm năm 2008 tăng 90

lần so với năm 2007 [1, 2, 3].

Pin năng lượng mặt trời loại silic tinh thể, có cấu

tạo từ số lượng lớn các diode P-N, thực hiện việc

biến đổi quang điện với hiệu suất 10-15%, hiện

vẫn chiếm đa phần trong các bộ biến đổi năng

lượng mặt trời thành điện năng. Do giá thành đắt

(~6USD/W), nên việc ứng dụng rộng rãi chúng

gặp nhiều khó khăn. Trong những năm gần đây, sự

phát triển mạnh của pin mặt trời loại màng mỏng,

tuy hiệu suất (6-8%) thấp hơn pin silic tinh thể,

nhưng giá thành thấp (~1USD/W) đã mở ra khả

năng phát triển và ứng dụng rộng rãi của chúng.

Các tấm pin mặt trời (module) được ghép thành

mảng lớn như 1 mái nhà, có ưu điểm chủ động cấp

điện tại chỗ, không gây tiếng ồn, không ô nhiễm,

tính an toàn cao.

Việt Nam có tài nguyên nắng vô cùng to lớn. Ở các

tỉnh phía Nam số giờ nắng trung bình ngày khoảng

6,5h/ngày. Cường độ tổng lượng bức xạ trung bình

ngày trong 12 tháng đạt khoảng 5kWh/m2/ ngày. Ở

các tỉnh phía Bắc, số giờ nắng trung bình thấp hơn,

khoảng 4,1h/ngày và cường độ bức xạ trung bình

khoảng 4kWh/m2/ngày. Như vậy, việc khai thác hiệu

quả nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta, nhất là các

tỉnh phía Nam sẽ góp phần giải quyết vấn đề năng

lượng cho đất nước.

Dòng điện 1 chiều từ pin mặt trời được tích luỹ

trong ắc quy và được biến đổi thành dòng điện xoay

chiều để cung cấp trực tiếp cho các thiết bị hoặc

được hoà lưới điện (nối lưới). Ở các nước phát triển,

tỉ lệ điện mặt trời nối lưới chiếm tới 95% công suất

lắp của chúng. Một hệ thống điều hành hợp lý sẽ

biến đổi chúng thành điện xoay chiều, hoà lưới điện,

đồng thời thực hiện việc tích trữ năng lượng vào ắc

quy, điều phối năng lượng cho tải.

Ưu điểm của công nghệ điện mặt trời nối lưới là

giảm được khoảng 30% giá thành nhờ giảm thiểu hệ

thống ắc quy để tồn trữ năng lượng mặt trời. Lượng

điện sinh ra từ dàn pin mặt trời sẽ được biến đổi

trực tiếp thành 220VAC/50Hz cấp trực tiếp cho tải.

Khi dư thừa, điện mặt trời được đưa trực tiếp vào

lưới điện, còn khi công suất điện mặt trời không cấp

đủ cho tải quy định thì bộ điều khiển sẽ điều hành

lấy điện lưới bù vào. Đây là giải pháp công nghệ tự

sản xuất điện mặt trời để sử dụng và tương tác với

lưới điện quốc gia theo một cơ chế thông minh.

Ở nước ta, các trạm pin mặt trời nối lưới đã được

triển khai sử dụng như ở quận Tân Bình Tp.HCM

(2005) với công suất 2KWp, tại Trung tâm hội nghị

quốc gia Việt Nam (2005) với công suất 154 kWp,

tại Viện Năng lượng với công suất 1.080Wp, tại Bộ

Công Thương với công suất 2.700 Wp. Một số

nghiên cứu và triển khai ứng dụng trong nước

[1,4,5] cho thấy sự quan tâm lớn để phát triển lĩnh

vực này. Một số nghiên cứu còn dừng ở phòng thí

nghiệm, còn các ứng dụng đa phần là các thiết bị

nhập ngoại. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế,

lắp đặt và thực nghiệm một hệ thống cụ thể là cần

thiết, cho phép đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống

mái nhà điện mặt trời, hiệu quả đầu tư, cũng như xác

định hướng thiết kế chế tạo thiết bị trong nước.

2. Xây dựng cấu hình mái nhà điện mặt

trời nối lưới

427

Page 2: Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

2.1. Cấu hình mái nhà điện mặt trời với 1 bộ

điều khiển có chứa bộ biến đổi DC-AC

(Inverter)

Sơ đồ mái nhà điện mặt trời kết nối lưới với 1 bộ

inverter được giới thiệu trên hình H.1. Thiết bị

gồm bộ pin mặt trời, bộ điều khiển (có inverter) có

chế độ nối lưới và bộ ắc quy tồn trữ năng lượng.

H. 1 Cấu hình mái nhà điện mặt trời với 1 bộ điều

khiển

Trong cấu hình này, bộ điều khiển thực hiện một

số chức năng:

Điều khiển inverter biến đổi thế DC từ bộ pin mặt

trời thành điện thế AC sin 220V/50Hz cung cấp

cho tải sử dụng.

Khi năng lượng từ pin mặt trời không được sử

dụng hoặc dư, năng lượng này được điều khiển

nạp cho ắc quy hoặc hoà vào lưới điện.

Khi năng lượng pin mặt trời không đủ cấp cho tải

(trời không nắng), bộ điều khiển sẽ chuyển nguồn

cung cấp, nối tải với lưới điện.

Khi ắc quy sụt giảm tới giới hạn, bộ điều khiển sẽ

ngắt sử dụng ắc quy, và chuyển sang chế độ nạp ắc

quy.

Cấu hình mô tả ở trên thường sử dụng cho các hệ

điện mặt trời nhỏ, khoảng cách giữa dàn thu năng

lượng mặt trời không xa với bộ điều khiển.

2.2. Cấu hình mái nhà điện mặt trời với 2 khối

điều khiển.

Đối với các hệ thống lớn, vị trí dàn pin mặt trời

thường ở cách xa trung tâm điều khiển. Khi đó

việc kết nối điện DC thế thấp/dòng lớn dẫn tới sự

tiêu hao điện trên đường dây. Cấu hình sử dụng sẽ

là hệ thống với 2 khối điều khiển (xem H.2). Việc

kết nối giữa chúng bằng dây AC như mạng điện

lưới thông thường.

ac out

Lướiđiện

Tảisử

dụng

Ắc quy

Bộ ĐKnạp ắc quy

ac in K1

M1

M2

Inverter Sin-1

Inverter Sin-2

Bộ xử lýtrung tâm

Bộ xử lýtrung tâm

Bộ dò pha

H. 2 Cấu hình mái nhà điện mặt trời với 2 bộ điều

khiển

Bộ điều khiển M1 thực hiện chức năng biến đổi thế

DC từ bộ pin mặt trời thành điện thế AC sin

220V/50Hz (Inverter-1) cung cấp cho tải sử dụng

hoặc hoà lưới (có bộ dò pha).

Bộ điều khiển M2 thực hiện chức năng:

Điều khiển điện AC cấp cho tải từ lối ra Inverter-

1/M1 hoặc từ lưới (chuyển mạch K1).

Biến đổi năng lượng tồn trữ trong ắc quy thành

thành điện thế AC sin 220V/50Hz (Inverter-2) cung

cấp cho tải sử dụng.

Điều khiển nạp ắc quy, ngắt sử dụng ắc quy khi

công suất của nó sụt giảm tới giới hạn.

Cấu hình mô tả ở trên, ngoài việc giảm tổn thất năng

lượng, còn cho phép xây dựng các hệ thống tích hợp

nhiều thiết bị năng lượng khác.

2.3. Thiết kế hệ thống SCADA cho khai thác năng

lượng tái tạo

Mô hình SCADA sử dụng cho khai thác năng lượng

tái tạo (mặt trời, gió,...) được trình bày trên hình H.3.

ắc quy

Generator

AC linesACI lines

CTRL1 CTRL2 CTRL3

H. 3 Mô hình SCADA cho khai thác năng lượng tái

tạo.

Trong mô hình này, các thiết bị biến đổi năng lượng

tái tạo (mặt trời, gió,...) được các bộ Inverter thông

minh biến đổi thành điện xoay chiều cung cấp cho

tải. Năng lượng dư thừa được tích trữ trong bộ ắc

quy hoặc hoà vào lưới điện. Các thiết bị có thể hoạt

động tự trị, với sự giám sát và điều khiển của một

máy tính trong hệ.

2.4. Mô hình thực nghiệm

Thực nghiệm về mái nhà điện mặt trời được tiến

hành nhằm xác định khả năng cung cấp điện thực tế

trong điều kiện Việt Nam, tính kinh tế của giải pháp

năng lượng điện mặt trời . Hệ thống thiết kế theo cấu

hình hình H.2 cho 1 phòng làm việc với tổng công

suất đèn, máy tính, máy in khoảng 420W, năng

lượng tiêu thụ khoảng 3,2KWh/ngày. Tính toán công

suất pin mặt trời hoạt động trong 4,5 giờ sẽ là

700Wp (công suất đỉnh).

Thiết bị điều khiển sử dụng:

- Bộ điều khiển M1 là loại Sunny Boy [6] SB700U

(công suất 780W, điện áp DC ngõ vào từ :119VDC

– 250VDC, tối đa là 250V, dòng DC vào tối đa 7A )

là một Solar inverter được kết nối với ngõ ra DC của

pin mặt trời và có khả năng tạo ra tín hiệu sin giống

BộĐiều khiển

Ắc quy

Pin mặt trời

Lưới điện

Tải

428

Page 3: Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

lưới (tần số, biên độ, pha) và dò pha để hoà chung

với lưới.

- Bộ điều khiển chính M2 là loại Sunny Island/SI

2224 gồm một inverter và bộ sạc ắc quy. Thiết bị

có các đặc trưng sau: Điện áp AC ngõ ra 220V –

50Hz. Công suất AC ngõ ra 2,2KW ở 250C, điện

áp AC ngõ vào 220V (202-253v)– 50Hz, dòng ngõ

vào tối đa là 25A, ắc quy ngõ vào 24VDC, dòng

sạc ắc quy tối đa là 90A, hiệu suất nạp ắc quy

90%, dung lượng ắc quy có thể kết nối từ 100Ah

đến 10.000Ah, hiệu suất của inverter: 93,6 %, có

chức năng bảo vệ chống đảo cực DC, ngắn mạch

AC ngõ ra, quá tải AC ngõ ra .

Pin mặt trời lựa chọn có công suất tương ứng là

755W, là loại thông dụng trên thị trường

(50Wp/3.4A). Hệ thống sử dụng 16 tấm pin, được

mắc thành 2 cụm song song, mỗi cụm có 8 pin

mắc nối tiếp, đảm bảo điện áp hở mạch là 168V,

tương ứng với khoảng làm việc của SB 700.

Ắc quy được chọn dựa trên tính toán hiệu suất nạp

(75 – 90%), phóng điện tối đa được chọn 60% để

đảm bảo tuổi thọ ắc quy, thời gian tồn trữ: 24 giờ,

dung tích ắc quy sẽ bằng 262Ah. Thực nghiệm sử

dụng 6 bình 100Ah/12V thông dụng trên thị

trường, chia thành 3 cụm, mỗi cụm 2 ắc quy nối

tiếp nhau, sau đó mắc 3 cụm song song để được

300Ah/24V.

Kết quả : Hệ thống điện mặt trời hòa lưới theo cấu

hình H.2 đã được thiết kế và lắp đặt tại Công ty

Đức Anh Quân (Tp.HCM) có sự hoạt động ổn

định, khả năng sử dụng ít nhất 20 năm. Với vốn

đầu tư ~ 217 triệu đồng VN, lượng điện năng bổ

sung từ hệ thống này là khoảng 100 kWh/ tháng,

với giá tiền điện 2.000đ/kWh, mỗi tháng có thể tiết

kiệm 200.000 đ. Trong trường hợp bị mất điện vài

ngày trong tháng như hiện nay, hệ thống này đã

tiết kiệm hàng triệu đồng thay vì phải thuê hoặc sử

dụng máy phát điện. Đồng thời khi sử dụng hệ

điện mặt trời hòa lưới sẽ đảm bảo cung cấp điện

liên tục 24/24. Đối với những nơi cần có nguồn

điện 24/24 giờ hoặc hiện chưa có lưới điện (vùng

sâu, vùng xa), việc sử dụng mái nhà điện mặt trời

là một giải pháp thực tế.Thiết kế, chế tạo inverter

thông minh trong hệ điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống trên hình H.2 sử dụng 2 khối điều khiển

Inverter để tạo sin chuẩn từ nguồn DC từ pin mặt

trời và nguồn DC từ ắc quy. Tuy nhiên, trong trường

hợp hệ mái nhà điện mặt trời sử dụng riêng lẻ, các

thiết bị có thể đặt gần nhau. Khi đó có thể sử dụng

cấu hình 1 inverter (xem H.1) sử dụng với cả nguồn

ắc quy hoặc pin mặt trời.

Xuất phát từ đặc điểm trên, thiết bị inverter thông

minh đã được thiết kế, chế tạo. Inverter thông minh,

ngoài chức năng như một Inverter thông thường,

thực hiện biến đổi điện DC từ bình ắc quy (tích luỹ

năng lượng điện mặt trời) thành điện xoay chiều AC

110V hoặc 220V, nó còn có chức năng kiểm soát,

điều khiển quản lý năng lượng cho tải. Khi công suất

điện sinh ra từ các module pin mặt trời lớn hơn công

suất tải đang sử dụng thì lượng điện thừa sẽ được

điều khiển nạp cho ắc quy. Ngược lại, khi lượng

điện tải đang sử dụng lớn hơn lượng điện cấp trực

tiếp từ pin mặt trời thì phần thiếu hụt này sẽ được

điều khiển bổ sung từ lưới điện hoặc từ ắc quy. Bộ

điều khiển cũng thực hiện bảo vệ ắc quy khi nạp

hoặc bị cạn kiệt.

Bộ inverter cần có đặc trưng ưu việt như hiệu suất

biến đổi cao, tiêu thụ năng lượng ít, tạo sóng ra có

dạng sin, có độ tin cậy và an toàn cao; tự động điều

khiển và bảo vệ; tuổi thọ cao, có khả năng hoạt động

trong những điều kiện môi trường (khí hậu biển, ẩm,

nhiệt độ cao). Ngoài ra, chúng phải có giá thành

không cao và chi phí bảo dư ng thấp.

Các bộ inverter chế tạo trong nước đa số chỉ thuần

tuý thực hiện biến đổi DC-AC và với các đặc trưng

còn hạn chế như hiệu suất chuyển đổi chưa cao,

dòng tiêu thụ qua Inverter khi không có tải cao (~

1A), gây thất thoát điện năng lớn 12W/giờ. Thiết bị

thường có kích thước lớn, cồng kềnh.

Do đó, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo một

inverter đa chức năng có đặc trưng cao, dùng cho hệ

điện mặt trời nối lưới là vấn đề cần được quan tâm

giải quyết.

Inverter được thiết kế chế tạo có sơ đồ khối như trên

hình H.4.

H. 4 Sơ đồ khối bộ inverter đa chức năng.

429

Page 4: Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Điện thế DC thấp vôn từ ắc quy đầu tiên được

chuyển đổi thành nguồn DC cao vôn, sau đó thực

hiện chuyển đổi thế DC cao vôn này thành dạng tín

hiệu sin theo phương pháp điều rộng xung.

16F877A của hãng Microchip, có đặc trưng ổn

định, chống nhiễu tốt, dòng sử dụng thấp, có tích

hợp 8 ngõ vào ADC 10 bit và bộ điều rộng xung,

đáp ứng với nhu cầu thiết kế Inverter đa chức năng.

Inverter thông minh được xây dựng với bộ điều

khiển trung tâm dùng chip vi điều khiển PIC.

Chip PIC thực hiện việc đo và theo dõi công suất

cung cấp từ ắc quy (dòng và điện áp) và công suất

cung cấp từ điện mặt trời. Từ đó Inverter sẽ xử lý

và quyết định điều khiển một trong 3 trường hợp

sau :

Không nạp bù cho ắc quy từ lưới: Trong trường

hợp công suất của điện mặt trời hoặc công suất của

điện mặt trời + công suất của ắc quy đủ cung cấp

cho tải .

Nạp bù cho ắc quy từ lưới : Trong trường hợp công

suất của điện mặt trời + công suất của ắc quy không

đủ cung cấp cho tải nhưng vẫn lớn hơn phần trăm

tối thiểu (đang chọn 50% ) công suất cấp cho tải.

Chuyển sang sử dụng trực tiếp năng lượng từ lưới

(chuyển mạch APS từ K1 sang K2) : Trong trường

hợp công suất của điện mặt trời + công suất của ắc

quy < phần trăm tối thiểu công suất cung cấp cho

tải.

Bộ biến đổi DC-DC để tạo ra điện áp 310VDC,

được điều khiển cho phép bởi PIC 16F877A khi

điện áp ắc quy < 10.5 VDC, nhằm bảo vệ ắc quy

không bị hư khi nó bị cạn điện. Khối này là một bộ

nguồn switching trên biến áp và các MOSFET công

suất, được điều rộng xung bằng IC SG 3525. Điện

áp 310 VDC từ bộ chỉnh lưu lối ra được đưa vào

làm thế nuôi cho cầu MOSFET H.

Nguyên lý điều rộng xung nhằm tạo sóng ra gần sin

được thực hiện bằng việc so sánh sóng sin 50 Hz

(tạo bởi dữ liệu từ PIC 16F877A, qua DAC 8bit,

OpAmp.) với xung tam giác tần số cao.

Ở ngõ ra của cầu H khi có tải là sóng sin 50Hz. Tín

hiệu ra được hồi tiếp về để điều chỉnh biên độ của

sóng sin 50 Hz do PIC tạo ra, điều này dẫn tới thay

đổi độ rộng của xung PWM, từ đó biên độ điện áp

ngõ ra được ổn định.

Giản đồ chương trình hoạt động của Invertter thông

minh cho trên hình 5.

Mạch nạp điện cho ắc quy có thể thực hiện từ lưới,

hoạt động theo nguyên tắc điều rộng xung để tự

động giữ cho điện áp ra VCC không bị thay đổi.

Xung điều rộng được điều khiển bởi dòng nạp.

Trong quá trình ắc quy được nạp, điện áp của nó

tăng dần lên. Sơ đồ sẽ điều khiển dòng nạp giảm

dần và đến khi điện áp ắc quy gần bằng điện áp

VCC thì dòng nạp sẽ nhỏ và mạch sẽ ngưng nạp.

Bộ Inverter thông minh đã được sử dụng với bộ pin

mặt trời thay cho sử dụng các khối điều khiển ngoại

nhập. Kết quả cho thấy với pin mặt trời công suất

400 Wp Max, ắc quy 12V, dung lượng 300 AH

Max, Invereter đảm bảo dòng sạc tối đa từ pin mặt

trời là 30 A, từ lưới: 5 A, công suất inverter: 300 W

Max , hiệu suất: 75 %.

H. 5 Giản đồ chương trình hoạt động của Invertter

thông minh

3. Kết luận Các kết quả lắp đặt thử nghiệm cho 1 đơn vị nhỏ

cho thấy khả năng thực tế khai thác nguồn điện mặt

trời. Tuy vấn đề kinh tế vẫn chưa được giải quyết,

nhưng đối với những vùng sâu, vùng xa, giải pháp

mái nhà điện mặt trời là hợp lý.

Phát triển các kết quả trên, Chúng tôi đã triển khai

thành công Dự án điện khí hoá bằng hệ thống điện

mặt trời cho Ấp Thiềng Liềng, Xã Thạnh An,

H.Cần Giờ, Tp.HCM (là xã bị cách ly bởi sông

ngòi, chưa có điện). Nội dung chính của Dự án là

lắp đặt 172 mái nhà điện mặt trời cho các hộ dân

(công suất 525Wp/hệ) và 7 hệ cho các cơ sở công

cộng gồm trường học, trạm y tế, kiểm lâm,...(công

suất 1050Wp/ hệ), với đầu tư gần 80 triệu đồng/hộ.

Cấu hình cho 1 mái nhà điện mặt trời bao gồm 3

tấm panô pin mặt trời công suất 175Wp/tấm, loại

module đơn tinh thể, inverter thông minh, ắc quy (4

bình 12V/100ah). Hệ thống đã được đưa vào sử

dụng (xem H.6).

H. 6 Dự án mái nhà điện mặt trời tại Ấp Thiềng

Liềng, xã Thạnh An, huyện Cần Giờ.

430

Page 5: Thiết kế hệ thống mái nhà điện mặt trời với inverter thông minh

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Tài liệu tham khảo [1] Solar Việt Nam, Điện mặt trời Việt Nam 15

năm phát triển – Nhà xuất bản khoa học kĩ

thuật.

[2] Mukund R. Patel, Wind and Solar Power

Systems, 2009.

[3] M. Geyer, C. Richter , M. Romero , A.

Steinfeld , SolarPACES Annual Report 2003-

2004 (International Energy Agency-IEA),

http://www.solarpaces.org.

[4] http://www.solarworld.de/.

[5] Phân viện Vật lý, Viện KH & CN Việt Nam,

Công Nghệ Điện Mặt Trời – Sola Lab, năm

2003.

[6] Cao Đắc Hiển, Báo cáo Đề tài (cấp Bộ), Xây

dựng mô hình nhà máy điện gió - mặt trời

phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học,

Trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCM, 2008.

[7] SMA Solar Technology, Germany: Thiết bị

nối lưới, Manual, năm 2009.

http://www.SMA.de

Tác giả:

1. Th.s Nguyễn Thị Ngọc

Anh, tốt nghiệp Cử nhân Vật

Lý Điện Tử của Trường Đại

Học Khoa Học Tự Nhiên năm

1997, và Thạc sỹ Vật Lý Điện

Tử năm 2001. Hiện chị đang

là Giảng Viên thuộc Bộ môn

Điện Tử, Khoa Cơ- Điện-

Điện Tử, Trường Đại Học Kỹ

Thuật Công Nghệ Tp.HCM. Hướng nghiên cứu

chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống ứng

dụng năng lượng mặt trời.

Th.s Trần Viết Thắng, tốt

nghiệp Kỹ sư Điện Tử của

Trường Đại Học Cần Thơ

năm 1997, và Thạc sỹ Tự

động hóa tại Trường Đại

Học Bách Khoa, Đại Học

Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

năm 2003. Hiện anh đang là

Giảng Viên thuộc Bộ môn

Kỹ Thuật Điện Tử, Khoa

Cơ- Điện- Điện Tử, Trường

Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM. Hướng

nghiên cứu chính là thiết kế các ứng dụng đo lường

và NCS (Networked Control System).

431