Nghiên cứu, thiết kế bộ truyền thông trong hệ thống điện tái tạo
ISSN 2354-0575
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO
Võ Thành Vĩnh1, Lê Hùng Tráng2, Võ Thị Hương3, Nguyễn Ngọc Quang3,
Phạm Quang Hưng4, Trần Đăng Thuận5, Nguyễn Tạo Lập6, Trần Văn Ninh6
1 Trường Đại học Đồng Tháp
2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
3 Cao đẳng nghề Mỹ nghệ & Kỹ thuật Việt nam
4 Trung tâm lưu trữ quốc gia
5 Sở TTTT Nam Định
6 Cao đẳng nghề 20 BQP
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 20/05/2018
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 08/06/2018
Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/06/2018
Tóm tắt:
Các hệ thống điện tái tạo đang ngày càng thể hiện rõ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh
năng lượng trên toàn thế giới. Một số quốc gia phát triển như Đức, Hà Lan, Mỹ, … đã phát triển các hệ
thống điện tái tạo từ khá sớm và đạt tỷ trọng ngày càng cao. Gần đây, phát triển các hệ thống điện tái tạo
trở thành xu hướng tất yếu của cả thế giới, trong đó có Việt Nam. Các công ty công nghệ cũng đã cung cấp
các hệ thống điện tái tạo thương mại rất đa dạng về chủng loại và khác nhau về giá cả. Có sự khác biệt này
chủ yếu là do vấn đề công nghệ còn quá trình biến đổi năng lượng tái tạo ra điện thì cơ bản giống nhau.
Trong đó, hiệu suất biến đổi năng lượng là một thông số rất quan trọng và quyết định đến chất lượng của
hệ thống. Việc thiết kế các bộ truyền thông nhằm điều khiển, giám sát quá trình biến đổi sẽ góp phần nâng
cao hiệu suất và ổn định hoạt động của hệ thống điện tái tạo.
Từ khóa: DC-DC, DC-AC, HDVC, PLC, MPPT, hệ thống điện tái tạo, điện mặt trời.
1. Đặt vấn đề
Năng lượng tái tạo đang “bùng nổ” nhanh
trong các bộ biến đổi điện cho hộ gia đình có chức
năng giám sát, nâng cao hiệu suất các thiết bị, ổn
định ngỏ ra của các thiết bị biến đổi điện với chuẩn
220VAC, 50Hz [6] [7] [13]. Bên cạnh các bộ truyền
thông trên đường dây truyền tải thì các bộ truyền
thông không dây cũng khá phổ biến [8] [9]. Các nhà
sản xuất đã cho ra đời các IC, Board mạch, iMars
WinExpert (Phần mềm giám sát hệ thống pin năng
lượng mặt trời) chuyên dùng trong lĩnh vực truyền
thông, giám sát và điều khiển trong hệ thống điện
[14]. Các bộ truyền thông sẽ phát huy hiệu quả đối
với các lưới điện DC nhỏ (dc microgrid) với các
nguồn phân tán [15] [17], các bộ truyền thông này
giữ vai trò cân bằng dòng tải giữa các nguồn và duy
trì điện áp cho hệ thống.
chóng trên toàn cầu. Có khoảng 500 ngàn tấm pin
mặt trời được lắp đặt trên toàn thế giới mỗi ngày.
Những số liệu thống kê trên được đưa ra trong
một báo cáo của Cơ quan Năng lượng quốc tế
(IEA) về tình tình phát triển của năng lượng tái tạo
(renewable energy). Bên cạnh đó, cơ quan này cũng
dự báo rằng, 28% lượng điện năng của thế giới sẽ
là năng lượng tái tạo trước năm 2021, tăng từ mức
23% hồi năm 2016 [1].
Để phục vụ cho sự phát triển các nguồn
năng lượng tái tạo, các hệ thống quản lý năng lượng
(EMS_Energy Management System) trên các hệ
thống điện tái tạo gồm các nhóm công suất từ 1kW
đến 5kW được nghiên cứu và ứng dụng [2] [11] [16]
các bộ truyền thông nhằm nâng cao hiệu suất, giám
sát và điều khiển cho hệ thống. Bên cạnh đó, các
bộ truyền thông, giám sát và điều khiển cho các bộ
biến đổi năng lượng điện mặt trời, năng lượng gió
dùng trên các nông trại, các tải điện xa lưới điện
quốc gia cũng được thiết kế và ứng dụng [3] [10].
Hay bộ truyền thông tích hợp cho các bộ nạp năng
lượng cho thiết bị tích trữ, hòa công suất vào lưới
điện phân phối cũng đã được nghiên cứu và phát
triển [4] [5] [15]. Các bộ truyền thông tích hợp
Bài báo sẽ trình bày một giải pháp thiết kế bộ
truyền thông định hướng ứng dụng trong hệ thống
điện tái tạo có mô hình như Hình 1 gồm các modul:
thu thập dữ liệu điện; xử lý dữ liệu và truyền thông
2 chế độ: chế độ truyền thông hữu tuyến sử dụng
đường truyền vật lý là đường dây DC và truyền
không dây sử dụng công nghệ Zigbee.
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Journal of Science and Technology
39
ISSN 2354-0575
Kết quả thử nghiệm trên hệ thống điện mặt
trời tại khoa Điện-Điện tử, Đại học SPKT Hưng
Yên đã thu thập được dữ liệu điện như sau:
Tại các bộ biến đổi DC/DC công suất thiết
kế 1kW:
+ Điện áp đầu vào bộ DC/DC (0-40V);
+ Dòng điện đầu vào bộ DC/DC (0-40A);
+ Điện áp đầu ra bộ DC/DC (0-340V);
+ Dòng điện đầu ra bộ DC/DC (0-8A);
+ Công suất của bộ DC/DC (0-1kW);
Tại các bộ biến đổi DC/DC công suất thiết
kế 3kW:
+ Điện áp ra của bộ DC/AC (0-230V);
+ Dòng điện ra của bộ AC (0-15A);
+ Đo công suất của bộ AC (0-3kW);
+ Đo tần số của bộ AC (0.3-51Hz).
2.2. Thiết kế modul điều khiển và truyền thông
hữu tuyến (PLC)
Modul điều khiển và truyền thông hữ tuyến
trên đường dây HDVC có cấu trúc khối truyền và
nhận như Hình 4. . Trong đó, phần tử chính thực hiện
chức năng xử lý số dữ liệu sử dụng PIC 16F876A
là dòng vi điều khiển thương mại rất sẵn trên thị
trường. Các vi điều khiển tạo ra các gói dữ liệu gồm
mười bit dữ liệu (giao thức UART: bít bắt đầu, bảy
bit dữ liệu, bit chẵn lẻ, bit dừng) từ các tham số
được gửi đi. Dữ liệu này sau đó được cung cấp cho
bộ thu phát qua giao diện của loại RS232-TX/RX.
Các gói này sau đó được phủ lên trên đường trục
bus HVDC từ 0 Hz sử dụng ASK bởi bộ điều khiển
(bộ phát) tại tần số sóng mang được lập trình bằng
50 kHz.
Tại đầu ra của bộ slave, bộ thu phát PLC
phát hiện lại sóng mang và tách các gói dữ liệu.
Những dữ liệu này sau đó được truyền đến vi điều
khiển của bộ master và các xử lý cần thiết được thực
hiện trên vi điều khiển. Quá trình xảy ra tương tự
khi một bộ slave đáp ứng với bộ master. Tất cả các
gói được truyền đi đều theo giao thức Modbus.
Việc thực thi slave và bộ master cho thấy các
giá trị thực tế cho các thành phần. Những giá trị này
đã được lựa chọn theo các thông số cố định ban đầu
cho ứng dụng đưa ra làm ví dụ là hệ thống điện mặt
trời công suất 3 KW (VDC = 300V, I = 10A). Hình
5 đưa ra sơ đồ nguyên lý modul truyền thông thiết
kế dựa trên vi điều khiển PIC 16F876A.
Hình 1. Mô hình hệ thống điện phân tán
2. Thiết kế các modul chức năng
2.1. Thiết kế modul thu thập dữ liệu điện (DAQ)
Modul thu thập dữ liệu điện có nhiệm vụ thu
thập các dữ liệu điện trên các bộ biến đổi DC-DC,
DC-AC của hệ thống để cung cấp cho bộ truyền
thông. Sơ đồ cấu trúc như Hình 2.
Trong sơ đồ Hình 2, bộ đo gồm các cầu đo
điện áp, các cảm biến dòng để đo dòng điện, điện
áp tại các đầu vào/ ra của các bộ biến đổi DC-DC,
DC-AC, bộ dồn kênh (MUX) để thực hiện ghép
kênh luân phiên theo thời gian đưa sang bộ biến
đổi tương tự-số (ADC), bộ xử lý số dữ liệu làm
nhiệm vụ tính toán công suất và xuất dữ liệu sang
bộ truyền thông đồng thời hiển thị giá trị trên màn
hình tinh thể lỏng (LCD).
Tới bộ
truyền
Bộ
đo
thông
MUX
ADC
DSP
LCD
Nguồn
Hình 2. Cấu trúc khối modul thu thập dữ liệu điện
Các kết quả mô phỏng thu được bằng cách
Hình 3 đưa ra giải pháp thiết kế thử nghiệm sử dụng Pspice đưa ra trên Hình 6, trong đó trình
bộ DAQ sử dụng các linh kiện thương mại. Trong bày các mô hình chính xác của hai thành phần thụ
đó, bộ đo sử dụng các cầu phân áp để đo điện áp, sử động và hoạt động như Diode và MOSFET. Mô
dụng các cảm biến dòng ACS712 và ACS758 để đo phỏng mô tả cách một luồng tín hiệu số được điều
dòng điện. Các khối MUX, ADC, DSP sử dụng vi chế biên độ và truyền trên đường dây DC bằng cách
điều khiển Arduino.
sử dụng bộ phát và bộ thu ở trạng th ái ổn định.
Journal of Science and Technology
40
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
ISSN 2354-0575
Hình 3. Thiết kế nguyên lý modul DAQ
Hình 4. Cấu trúc khối modul điều khiển và truyền thông PLC
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Journal of Science and Technology
41
ISSN 2354-0575
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý modul điều khiển và truyền thông PLC
Hình 6.a minh họa dạng sóng của luồng dữ sánh với điều chế tín hiệu số ban đầu.
liệu gốc và dạng sóng tương ứng của tín hiệu điều
Điện áp được tái tạo bởi mạch cảm biến hiện
chế biên độ trên bus HVDC. Trong mô phỏng, luồng tại như một hàm của dòng điện của tụ lọc được
dữ liệu ban đầu được thực hiện bằng cách sử dụng thể hiện trong Hình 6.e. Tín hiệu vào ra của khâu
tín hiệu logic có thể lập trình ‘0’và ‘1’được biểu thị khuếch đại như Hình 6.f, g.
bằng 0V và 5V tương ứng. Vì mạch phát chỉ hoạt
động khi truyền dữ liệu được yêu cầu, còn trong mô hình chữ nhật, trong đó khoảng thời gian bằng với
phỏng, bộ phát bị tắt khi tín hiệu đầu vào là 0V. biên độ điều chế của tín hiệu sóng mang; nó chưa
Đầu ra của mạch nhận là một loạt các xung
Hình 6.b cho thấy điện áp gợn sóng HVDC được giải điều chế kể từ khi bộ giải điều chế và
trong quá trình chuyển đổi để thay đổi điều chế biên giải mã tín hiệu được thực hiện bởi vi điều khiển.
độ. Thời gian chuyển tiếp từ mức logic ‘1’sang mức Tín hiệu được quan sát cho thấy rằng dòng dữ liệu
logic ‘0’ là 10ns.
ban đầu được điều chế thành công, được truyền qua
Hình 6.c, d thể hiện cho dạng sóng điện áp đường dây 400VDC bằng cách sử dụng bộ truyền
của cuộn cảm L2 và cổng của MOSFET được so và truy xuất bằng bộ thu.
Journal of Science and Technology
42
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
ISSN 2354-0575
2.3. Thiết kế modul truyền thông không dây
dùng Zigbee
Sau khi xử lý dữ liệu trên Vi điều khiển
như trình bày trong Hình 5, chế độ truyền không
dây sẽ được ghép nối với modul truyền thông sử
dụng kit Zigbee CC2530 phát triển trên nền chip
SOOCCC2530, giao tiếp RF 2.4 GHz. CC2530 là
giải pháp “System-on-Chip” với hiệu suất cao, sử
dụng năng lượng thấp thích hợp cho những ứng
dụng về IEEE 802.15.4 kiểu điểm-điểm, hình sao
hoặc hình cây.
f. Tín hiệu đầu vào tại chân B transistor Q3
a. Tín hiệu điều chế với vi điều khiển PIC16F876A
g. Tín hiệu khuếch đại tại cực C Transistor Q3
Hình 6. Kết quả mô phỏng bộ truyền thông PLC
CC2530 có bốn loại khác nhau và tương
ứng 32/64/128/256-KB bộ nhớ Flash. Tích hợp bên
trong bộ truyền nhận RF hiệu suất cao, với MCU
8051 chuẩn công nghiệp nâng cao, 8-KB RAM
và hỗ trợ nhiều ngoại vi mạnh mẽ khác [18]. Phần
mềm điều khiển và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm
IAR embedded workbench để lập trình cho chip
theo thuật toán Hình 7.
b. Tín hiệu truyền trên bus HVDC 400V
Bắt đầu
c. Tín hiệu tại điện cảm Lp2 của biến áp cũng như
tại katot diode
- Khởi tạo vào ra
- Khởi tạo tần số
- Khởi tạo RF
- Bật ngắt toàn cục
Truyền dữ liệu:
- Thiết lập Frame truyền
- Kiểm tra đường truyền có đang rỗi?
- Truyền Frame dữ liệu đi
d. Tín hiệu trên khuếch đại trên MOSFET
Kết thúc
a. Thuật toán truyền dữ liệu
e. Tín hiệu trên mạch lọc băng tần thấp R2, C3
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Journal of Science and Technology
43
ISSN 2354-0575
Bắt đầu
- Khởi tạo vào ra
- Khởi tạo tần số
- Khởi tạo RF
- Bật ngắt toàn cục
Khi có sự kiện truyền đến, cờ ngắt RF được bật
lên và thực hiện quá trình ngắt nhận.
- Dữ liệu nhận được lưu trong thanh ghi SFD
[1].
- Các bit dữ liệu có thể sử dụng cho việc điều
khiển các thiết bị, xử lí giám sát các cảm biến
từ xa…
b. Môi trường có vật cản
Hình 8. Thử nghiệm bộ truyền thông không dây
Zigbee
3. Kết quả và thảo luận
Bài báo đã trình bày một số giải pháp chế tạo
thử nghiệm bộ truyền thông định hướng ứng dụng
cho các hệ thống điện tái tạo sử dụng các linh kiện
thương mại có trên thị trường. Các kết quả khảo
sát thực nghiệm tại hệ thống điện mặt trời tại khoa
Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm kỹ thuật
Hưng Yên cho thấy: Thiết bị hoạt động khá tốt và
ổn định. Tuy nhiên, đây mới chỉ là thử nghiệm bước
đầu do bộ truyền thông thiết kế ở trên đang là các
modul rời rạc. Đây cũng là cơ sở để trong thời gian
tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thiết kế thử nghiệm
bộ truyền thông có các modul Slave tích hợp trong
các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC nhằm đạt được
chất lượng tốt hơn.
Kết thúc
b. Thuật toán nhận dữ liệu
Hình 7. Thuật toán xử lý dữ liệu cho modul truyền
thông Zigbee
Kết quả khảo sát thực nghiệm trên hệ thống
điện mặt trời tại khoa Điện-Điện tử, Đại học SPKT
Hưng Yên cho kết quả như sau:
- Trong môi trường không vật cản (Hình 8a):
Trong môi trường không vật cản: Khả năng ZIGBEE
truyền tốt tín hiệu test, độ trễ thấp, chính xác.
- Trong môi trường có vật cản (Hình 8b):
Khoảng cách truyền tín hiệu giảm nhưng vẫn đáp
ứng được độ trễ tín hiệu và độ chính xác.
Lời cảm ơn
Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn đề tài
cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo mã số B2018-SKH-06
đã giúp nhóm hoàn thành nghiên cứu này.
a. Môi trường không có vật cản
Tài liệu tham khảo
tai-tao-dang-bung-no-nhanh-chong-tren-toan-cau.html
[2]. Yoshihisa ISHIGAKI*, Yoshitaka KIMURA, Ikumi MATSUSU E, Hidekazu MIYOSHI and
Kentarou YAMAGISHI, Optimal Energy Management System for Isolated Micro Grids. SEI
TECHNICAL REVIEW, Số 78, APRIL 2014.
[3]. Fawzi Al-Naima, Ramzy Ali, Ahmed Abid, Zabih Ghassemlooy, Zhiwei Gao, A New Power
Line Communication Modem Design withApplications to Vast Solar Farm Management. Innovative
Systems Design and Engineering, ISSN 2222-1727 (Paper) ISSN 2222-2871 (Online) Vol.4, No.14,
2013.
Journal of Science and Technology
44
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
ISSN 2354-0575
[4]. Lu, X., Sun, K., Guerrero, J. M., Vasquez, J. C., & Huang, L., State-of-Charge Balance Using
Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systems in DC MicroGrid Applications.
I E E E Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(6), pp. 2804-2815. DOI: 10.1109/
TIE.2013.2279374.
[5]. Sun, K., Zhang, L., Xing , Y., & Guerrero, J. M., A Distributed Control Strategy Based on DC
Bus Signaling for Modular Photovoltaic Generation Systems With Battery Energy Storage. I E E E
Transactions on Power Electronics, 2011, 26(10), 3032-3045. 10.1109/TPEL.2011.2127488.
[6]. E. Mainardi, S. Banzi, M. Bonfè, S. Beghelli, A low-cost Home Automation System based on
Power-Line Communication Links. 22nd International Symposium on Automation and Robotics in
Construction ISARC 2005, Ferrara (Italy), September 11-14, 2005.
[7]. J.Manikandan, V.Ramya, Design and Implementation of Smart Home Control System Based on
Power Line Communication. International Conference on Engineering Innovations and Solutions
(ICEIS-2016).
[8]. Alejandro Barreras Gutierrez, Audley Darmand, Victor Watt, Lucien Ngalamou, Design of an
Analog Electronic Interface for a Power Line Based Telephony System, 1-4244-0113-5/06/$20.00
c2006 IEEE.
[9]. Asier Llano, Itziar Angulo, Pablo Angueira, Txetxu Arzuaga and David de la Vega, Analysis of
the Channel Influence to Power Line Communications Based on ITU-T G.9904 (PRIME). Energies
2016, 9, 39; doi:10.3390/en9010039.
[10]. Ajinder Singh, Dave Hermann, DC Power-Line Communication Reference Design, Copyright
© 2013, Texas Instruments Incorporated.
[11]. Syed Samser Ali, Amitabha Bhattacharya, Dipak Ranjan Poddar, Design of Bidirectional
Coupling Circuit for Broadband Power-Line Communications. Journal of Electromagnetic Analysis
and Applications, 2012, 4, pp. 162-166.
[12]. Ashish Garg, Angad Singh Gill, Designing Reliable Powerline Communications. Published in
EDN, December 2010.
[13]. Haibo He, Shijie Cheng, and J. Nguimbis, Home Network Power-Line Communication Signal
Processing Based on Wavelet Packet Analysis. EEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,
Vol. 20, No. 3, July 2005.
[14]. Riccardo Fiorelli, Mauro Colombo, ST7580 power line communication system-on-chip design
guide. AN4068 Application note, Doc ID 022923 Rev 2.
[15]. Xiaonan Lu, Kai Sun, Josep M. Guerrero, Juan C. Vasquez, Lipei Huang, State-of-Charge
Balance Using Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systems in DC MicroGrid
Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 10.1109/TIE.2013.2279374, 2014.
[16]. Abdul Mannan, D.K.Saxena, Mahroosh Banday, A Study on Power Line Communication.
International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 4, Issue 7, July 2014.
[17]. Anand, Sandeep; G. Fernandes, Baylon; Guerrero, Josep M, Distributed Control to Ensure
Proportional Load Sharing and Improve Voltage Regulation in Low-Voltage DC Microgrids. IEEE
Transactions on Power Electronics, 28(4), pp. 1900 - 1913. DOI: 10.1109/TPEL.2012.2215055.
[18]. Documents trong bộ Z-Stack cho CC2530 cung cấp bởi Texas Instruments.
RESEARCH AND DESIGN THE COMMUNICATIONS
FOR THE RENEWABLE ELECTRIC POWER SYSTEM
Abstract:
Renewable electricity power systems (REPs) are increasingly playing an important role in securing
energy security around the world. Some developed countries, such as Germany, Netherlands, United States,
… have developed REPs quite early and are increasing in proportion. Recently, the development of REPs
has become the inevitable trend of the whole world, including Vietnam. Technology companies have also
provided commercial REPs of varying types and prices. This difference is mainly due to technological
problems, while the process of converting renewable energy is essentially the same. In particular, energy
conversion efficiency is a very important parameter and determines the quality of the system. The design
of communication units to control and monitor the transformation process will contribute to improving the
efficiency and stability of the operation of renewable electricity systems.
Keywords: DC-DC, DC-AC, HDVC, PLC, Renewable Electricity Power System, Solar Power.
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Journal of Science and Technology
45
7 trang
16060
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu, thiết kế bộ truyền thông trong hệ thống điện tái tạo", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_thiet_ke_bo_truyen_thong_trong_he_thong_dien_tai.pdf
