Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống chiếu sáng công cộng đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo đảm an toàn giao thông và văn minh đô thị, song cũng là lĩnh vực tiêu tốn nguồn năng lượng khổng lồ. Theo ước tính từ các tổ chức năng lượng quốc tế, điện năng phục vụ chiếu sáng hiện chiếm khoảng 17% tổng sản lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Tại Việt Nam, phần lớn mạng lưới đèn đường đô thị vẫn đang sử dụng các loại bóng cao áp công suất lớn từ 70W đến 1000W như Metal Halide hay Sodium. Thực trạng vận hành cho thấy một bất cập lớn: trong khung giờ thấp điểm từ 22h30 đêm đến 5h30 sáng hôm sau, mật độ phương tiện giao thông giảm mạnh nhưng hệ thống đèn vẫn hoạt động ở 100% công suất định mức.

Đặc biệt, do mạng lưới chiếu sáng dùng chung đường dây hạ thế với khu dân cư, điện áp lưới về đêm thường tăng vọt lên mức 240V so với điện áp danh định 220V. Sự gia tăng điện áp này làm tăng công suất tiêu thụ ngoài ý muốn thêm khoảng 15% đến 20%, gây lãng phí ngân sách công và làm suy giảm hơn 30% tuổi thọ bóng đèn do hiện tượng quá áp liên tục. Các phương pháp truyền thống như tắt xen kẽ bóng đèn bộc lộ nhược điểm tạo ra các khoảng sáng tối loang lổ gây nguy hiểm cho người đi đường, trong khi phương án thay thế toàn bộ bằng đèn LED đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu quá lớn.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện của tác giả Vũ Trọng Hiệp tập trung giải quyết bài toán cấp bách trên thông qua đề tài thiết kế tủ điều khiển tự động tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen. Nghiên cứu xác định mục tiêu thiết kế bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều (AC/AC) ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất, kết hợp bộ điều khiển lập trình logic để tự động ổn định và chiết giảm điện áp theo thời gian thực. Đề tài được triển khai nghiên cứu thực nghiệm trong năm 2020 và đề xuất mô hình lắp đặt thử nghiệm tại Thành phố Sơn La. Giải pháp mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm 50% đến 60% điện năng tiêu thụ ban đêm, nâng cao tuổi thọ bóng đèn từ 10.000 giờ lên trên 15.000 giờ và tận dụng tối đa 100% cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện hữu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của lý thuyết điều khiển tự động kinh điển kết hợp kỹ thuật điện tử công suất hiện đại. Trọng tâm của hệ thống là thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID), một cấu trúc điều khiển vòng kín tối ưu giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh giữa điện áp thực tế và điện áp đặt, đồng thời giảm thiểu thời gian quá độ và khống chế độ vọt lố dưới các tác động nhiễu của lưới điện.

Mô hình điều khiển bán dẫn ứng dụng nguyên lý biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều (AC/AC) một pha sử dụng cặp van Thyristor đấu song song ngược. Bằng cách điều khiển góc mở kích van bán dẫn thông qua tín hiệu dòng điện tương tự từ 4mA đến 20mA, hệ thống có thể điều chỉnh trơn và liên tục giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) đặt lên bóng đèn trong dải từ 180V đến 220V ở tần số công nghiệp 50Hz.

Bên cạnh đó, luận văn ứng dụng sâu lý thuyết điều khiển lập trình với dòng thiết bị điều khiển tự động hóa PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C AC/DC/RLY). Hệ thống sử dụng khối hàm chức năng PID_Compact tích hợp sẵn trong môi trường lập trình TIA Portal, kết hợp module mở rộng ngõ ra tương tự SM1232 AQ2x14bit để phát xung điều khiển chính xác mạch lực. Khung lý thuyết này đồng thời tích hợp các khái niệm chuẩn về độ rọi quang thông (Lumen), hệ số công suất, khả năng phân bố ánh sáng và quy chuẩn kỹ thuật chiếu sáng đường giao thông đô thị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng thực tế. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình tủ điều khiển tải công suất thử nghiệm tương đương từ 250W đến 1000W với các bộ đèn cao áp tiêu chuẩn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 chu kỳ đo kiểm hoàn chỉnh ở các dải phụ tải khác nhau, thực hiện đo lường liên tục các thông số dòng điện, điện áp, công suất tiêu thụ và dạng sóng điều khiển trong suốt thời gian nghiên cứu 6 tháng năm 2020.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng dựa trên hai khung thời gian vận hành điển hình của đô thị: khung giờ cao điểm (18h00 đến 22h30) và khung giờ thấp điểm (22h30 đến 05h30). Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm tái hiện chính xác nhất biên độ dao động điện áp thực tế của lưới điện sinh hoạt và sự biến thiên nhu cầu chiếu sáng của các phương tiện lưu thông.

Phương pháp phân tích số liệu dựa trên việc quan sát đáp ứng quá độ động lực học và sử dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols để xác định bộ thông số tối ưu gồm hệ số khuếch đại Kp, thời gian tích phân Ti và thời gian vi phân Td. Toàn bộ quá trình thu thập tín hiệu được giám sát trực quan thông qua phần mềm TIA Portal V15 và hệ thống giao diện SCADA WinCC, giúp phân tích định lượng chính xác hiệu suất tiết kiệm điện và độ ổn định của mạch động lực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm mô hình tủ điều khiển đã mang lại những kết quả kỹ thuật vượt trội, minh chứng tính khả thi và độ tin cậy cao của giải pháp thiết kế:

Thứ nhất, hệ thống thể hiện khả năng ổn định điện áp hoàn hảo trước sự biến động của lưới điện. Khi điện áp nguồn cấp vào ban đêm tăng vọt lên mức 240V, tủ điều khiển tự động ổn định điện áp đầu ra cấp cho bóng đèn về đúng mức định mức 220V trong chế độ tiêu chuẩn, loại bỏ hoàn toàn tình trạng quá áp và giảm ngay từ 12% đến 15% công suất hao phí vô ích.

Thứ hai, ở chế độ chiết giảm công suất vào khung giờ thấp điểm từ 22h30 đến 5h30 sáng, tủ điều khiển hạ điện áp cấp xuống mức tối ưu, giúp giảm công suất tiêu thụ của toàn tuyến đèn từ 50% đến 60% so với mức định mức ban đầu. Toàn bộ các bóng đèn trên tuyến vẫn sáng đều, duy trì độ rọi an toàn và xóa bỏ hoàn toàn hiện tượng vùng sáng tối xen kẽ gây nguy hiểm.

Thứ ba, bộ điều khiển PID_Compact của PLC S7-1200 sau khi chỉnh định đạt tốc độ đáp ứng quá độ cực nhanh dưới 0.5 giây, độ vọt lố điện áp được khống chế ở mức dưới 2% và sai số xác lập tiệm cận 0V, giúp quá trình chuyển đổi giữa các mức công suất diễn ra êm thuận, không gây sốc điện cho sợi đốt và chấn lưu của bóng đèn.

Thứ tư, hệ thống giám sát và bảo vệ hoạt động chính xác với khả năng cảnh báo quá dòng khi tải vượt 120% định mức, bảo vệ chạm chập, cảnh báo cháy bóng và tự động phát hiện tổn thất công suất bất thường khi có hiện tượng câu móc điện trái phép trên tuyến đường.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt bậc của mô hình bắt nguồn từ sự kết hợp hoàn hảo giữa thuật toán điều khiển vòng kín PID với mạch biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng van Thyristor. Bằng việc giám sát liên tục điện áp hồi tiếp, PLC tính toán tức thời góc điều khiển xung kích, đảm bảo năng lượng cung cấp luôn bám sát điểm đặt công suất mong muốn.

Khi so sánh với các giải pháp khác, tủ điều khiển mang lại lợi thế kinh tế và kỹ thuật vượt trội. So với giải pháp thay thế toàn bộ hệ thống bằng đèn LED vốn có chi phí đầu tư thiết bị rất cao (gấp khoảng 4 đến 5 lần), mô hình này tận dụng 100% cột đèn, chao đèn và dây dẫn sẵn có, giúp giảm hơn 60% chi phí đầu tư ban đầu. So với phương pháp dùng máy biến áp tự ngẫu vốn cồng kềnh và phát sinh tổn hao lõi thép từ 8% đến 10%, mạch bán dẫn công suất nhỏ gọn hơn nhiều và đạt hiệu suất chuyển đổi trên 95%.

Trong thực tế nghiên cứu, các kết quả thực nghiệm được biểu diễn chi tiết qua bảng theo dõi công suất tiêu thụ theo mốc thời gian và đồ thị đặc tính quá độ điện áp - dòng điện. Dữ liệu từ biểu đồ cho thấy rõ đường cong công suất giảm đột ngột từ 100% xuống mức 40% đến 50% tại thời điểm kích hoạt chế độ chiết giảm lúc 22h30, và duy trì ổn định phẳng cho đến 5h30 sáng mà không xảy ra bất kỳ sự dao động sóng hài nguy hại nào cho hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhanh chóng đưa kết quả nghiên cứu vào thực tế phục vụ cộng đồng và tối ưu hóa chi phí vận hành lưới điện đô thị, các giải pháp và lộ trình cụ thể được đề xuất như sau:

Triển khai lắp đặt thử nghiệm thí điểm 5 cụm tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng tại các tuyến đường trục chính có mật độ giao thông biến thiên lớn tại Thành phố Sơn La. Mục tiêu đặt ra là cắt giảm từ 45% đến 50% sản lượng điện năng tiêu thụ hàng tháng của các tuyến chiếu sáng này trong giai đoạn năm 2021 đến 2022, do Công ty Cổ phần Môi trường và Đô thị Sơn La phối hợp cùng Sở Khoa học và Công nghệ địa phương chủ trì thực hiện.

Chuẩn hóa quy trình vận hành và kiểm tra bảo dưỡng định kỳ 3 tháng một lần đối với hệ thống tủ điều khiển bán dẫn và thiết bị PLC S7-1200. Việc làm sạch bụi bẩn khối tản nhiệt Thyristor và kiểm tra tiếp điểm khởi động từ sẽ bảo đảm hệ thống vận hành liên tục, nâng cao tuổi thọ của bóng đèn Halogen thêm từ 30% đến 40%, do các đội ngũ kỹ thuật viên quản lý chiếu sáng đô thị đảm trách.

Tích hợp nâng cấp module truyền thông không dây diện rộng công nghệ 4G hoặc LoRaWAN vào cổng Ethernet của PLC S7-1200 thay thế cho kết nối Wi-Fi cục bộ trong lộ trình 12 tháng tới. Nâng cấp này nhằm mục tiêu truyền dữ liệu giám sát điện năng tức thời về trung tâm điều hành đô thị thông minh tập trung của tỉnh, cho phép điều khiển linh hoạt hàng trăm tủ điện từ xa chỉ qua giao diện web hoặc thiết bị di động.

Xây dựng cơ chế tài chính linh hoạt theo mô hình công ty dịch vụ năng lượng (ESCO) nhằm thu hút nguồn vốn xã hội hóa đầu tư nâng cấp đồng loạt các tủ chiếu sáng. Mô hình này giúp chính quyền địa phương không cần bỏ vốn ngân sách lớn ban đầu mà có thể hoàn vốn đầu tư tủ điều khiển trong khoảng thời gian từ 2 đến 3 năm hoàn toàn dựa trên nguồn tiền điện tiết kiệm được hàng tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung toàn diện và tính ứng dụng thực tế sâu sắc của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư điện, chuyên gia tự động hóa và cán bộ thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng. Luận văn cung cấp bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch động lực biến đổi AC/AC chi tiết, thiết kế mạch tạo xung đồng bộ và phương pháp lập trình khối hàm PID_Compact trên PLC Siemens S7-1200, là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chuẩn mực để triển khai các dự án tủ điện công nghiệp tương tự.

Nhóm thứ hai là các nhà quản lý đô thị, lãnh đạo Công ty Chiếu sáng và Cây xanh Đô thị tại các tỉnh, thành phố. Đề tài cung cấp giải pháp bài toán kinh tế - kỹ thuật rõ ràng, chứng minh khả năng cắt giảm ngay 40% đến 50% chi phí tiền điện hàng năm mà không cần phải phê duyệt các gói đầu tư hạ tầng thay thế bóng đèn tốn kém hàng chục tỷ đồng.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Năng lượng tái tạo tại các trường đại học kỹ thuật. Công trình là tài liệu học tập mẫu mực kết hợp hài hòa giữa lý thuyết điều khiển tự động kinh điển, kỹ thuật vi xử lý PLC với thực hành thiết kế phần cứng điện tử công suất và giao diện SCADA/HMI.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp sản xuất tủ bảng điện, nhà thầu EPC cơ điện (M&E) và các đơn vị cung cấp giải pháp thành phố thông minh (Smart City). Doanh nghiệp có thể kế thừa thiết kế phần cứng và giải thuật của luận văn để thương mại hóa thành các dòng tủ tiết kiệm điện chiếu sáng thông minh cung cấp rộng rãi cho các khu công nghiệp, khu đô thị mới và hệ thống quốc lộ.

Câu hỏi thường gặp

Giải pháp thiết kế tủ điều khiển này có ưu thế gì vượt trội so với phương án thay mới toàn bộ bằng đèn LED cao áp?

Giải pháp tủ điều khiển giúp tận dụng lại 100% hệ thống cột đèn, dây dẫn và bóng cao áp hiện hữu, giảm hơn 60% chi phí đầu tư ban đầu so với việc thay đèn LED. Thời gian thi công lắp đặt nhanh chóng tại chân trạm mà không làm gián đoạn hệ thống chiếu sáng đô thị.

Hệ thống xử lý thế nào khi điện áp lưới ban đêm tăng vọt lên mức 240V?

Nhờ thuật toán PID khép kín hồi tiếp liên tục qua ngõ vào analog của PLC S7-1200, hệ thống tự động điều chỉnh góc mở của cặp Thyristor để ghìm điện áp cấp cho bóng đèn ở mức chuẩn 220V, loại bỏ hoàn toàn quá áp và giảm hao phí 12% đến 15%.

Việc chiết giảm công suất từ 50% đến 60% vào ban đêm có làm ảnh hưởng đến tầm nhìn và an toàn giao thông không?

Không ảnh hưởng. Mức chiết giảm được tính toán phù hợp với mật độ giao thông ban đêm từ 22h30 đến 5h30. Độ rọi trên mặt đường vẫn đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn chiếu sáng đô thị, đồng thời ánh sáng được duy trì đồng đều toàn tuyến chứ không tạo vùng tối như phương pháp ngắt xen kẽ.

Phương pháp nào được sử dụng để tinh chỉnh bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200 nhằm đạt độ ổn định cao nhất?

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols để xác định chính xác các tham số Kp, Ti và Td dựa trên phản ứng quá độ của hệ thống, giúp hệ thống đạt thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 0.5 giây và độ vọt lố được khống chế dưới 2%.

Hệ thống phát hiện và cảnh báo các hiện tượng bất thường như ngắn mạch hoặc câu trộm điện bằng cách nào?

Tủ điều khiển tích hợp cảm biến đo lường dòng điện liên tục. Khi dòng tải tăng đột biến vượt 120% định mức hoặc có sự chênh lệch công suất bất thường giữa các pha, PLC sẽ kích hoạt cờ báo lỗi, phát tín hiệu còi hú tại tủ và gửi cảnh báo trực quan về màn hình trung tâm SCADA WinCC.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen, đạt hiệu quả chiết giảm điện năng từ 50% đến 60% vào khung giờ thấp điểm ban đêm.
  • Giải quyết triệt để vấn đề quá áp lưới đêm ở mức 240V bằng cách ổn định điện áp cấp cho bóng về 220V, giúp nâng cao tuổi thọ bóng đèn thêm từ 30% đến 50% và giảm mạnh chi phí thay thế định kỳ.
  • Làm chủ công nghệ tự động hóa với bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, tối ưu hóa thuật toán PID_Compact và xây dựng mạch lực biến đổi AC/AC một pha bằng linh kiện bán dẫn công suất với thời gian đáp ứng dưới 0.5 giây.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển và giám sát đa phương thức trực quan thông qua màn hình cảm ứng HMI tại tủ điện và phần mềm SCADA WinCC kết nối không dây.
  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế rất cao, tiết kiệm hơn 60% chi phí đầu tư so với các phương án thay thế đèn LED, tối ưu hóa ngân sách công cho các đô thị Việt Nam.

Lộ trình phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng triển khai thử nghiệm trên quy mô diện rộng tại các tuyến đường đô thị trong vòng 12 đến 24 tháng tới, hướng tới chuẩn hóa và tích hợp sâu vào hạ tầng đô thị thông minh Smart City. Các đơn vị quản lý chiếu sáng và doanh nghiệp đô thị hãy liên hệ, nghiên cứu ứng dụng ngay giải pháp tủ điều khiển tiết kiệm điện thông minh này để tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ môi trường bền vững.