I. Tổng quan hệ thống điều khiển thiết bị điện trong công nghiệp
Trong các nguồn năng lượng, điện năng giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội. Hiện nay, lưới điện quốc gia chưa vươn tới nhiều địa phương. Hệ thống điện ở những khu vực đó được gọi là hệ thống điện độc lập. Tỉnh Quảng Ninh có vị trí địa lý, kinh tế và chính trị rất quan trọng. Nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú đóng vai trò to lớn đối với sự nghiệp phát triển đất nước. Tuy nhiên, vẫn còn một số địa phương như Đảo Trần, huyện Cô Tô và đảo Cái Chiên, huyện Hải Hà hiện chưa có lưới điện quốc gia.
Đảo Cái Chiên đang sử dụng máy phát diezel: 03 trạm phát với tổng công suất 400 kVA, trạm 1, trạm 2 gồm 04 máy, công suất mỗi máy 80 kVA và trạm 3 gồm 02 máy, công suất mỗi máy 40 kVA. Nguồn điện cung cấp cho đảo là 01 máy phát điện công suất 180 kVA. Quy hoạch biển Việt Nam đến năm 2020 đã chỉ rõ, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển, đóng góp vào giữ vững ổn định và phát triển đất nước.
1.1. Vai trò của điều khiển thiết bị điện trong Kỹ thuật Công nghiệp
Điều khiển thiết bị điện đóng vai trò then chốt trong Kỹ thuật Công nghiệp, đảm bảo hoạt động hiệu quả, an toàn và ổn định của các hệ thống sản xuất. Việc điều khiển chính xác các thiết bị giúp tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu lãng phí và nâng cao năng suất. Nó liên quan đến việc sử dụng các công nghệ và phương pháp để kiểm soát hoạt động của các thiết bị như động cơ, máy bơm, van và các thành phần khác trong một hệ thống. Một hệ thống điều khiển tốt cho phép các nhà khai thác theo dõi và điều chỉnh hiệu suất của thiết bị điện, phát hiện và chẩn đoán các vấn đề tiềm ẩn, và thực hiện các hành động khắc phục kịp thời. Tự động hóa công nghiệp là một lĩnh vực quan trọng phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển thiết bị điện.
1.2. Tổng quan các hệ thống điều khiển thiết bị điện hiện đại
Các hệ thống điều khiển hiện đại sử dụng các công nghệ tiên tiến như PLC, SCADA, HMI, và các cảm biến thông minh để giám sát và điều khiển thiết bị điện. PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) là một bộ vi xử lý chuyên dụng được sử dụng để tự động hóa các quy trình công nghiệp. SCADA (Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) cho phép người vận hành giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa. HMI (Giao diện người máy) cung cấp giao diện trực quan cho người vận hành tương tác với hệ thống. Sự kết hợp của các công nghệ này cho phép các nhà khai thác giám sát và kiểm soát hiệu suất của thiết bị điện, phát hiện và chẩn đoán các vấn đề tiềm ẩn và thực hiện các hành động khắc phục kịp thời.
II. Thách thức và vấn đề trong điều khiển thiết bị điện hiệu quả
Việc đảm bảo cung cấp điện cho sản xuất và phát triển kinh tế - xã hội là rất cần thiết, dù là lưới điện quốc gia hay mạng độc lập đều phải cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật. Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện độc lập. Hệ thống điện độc lập thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐS G) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.
Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ.
2.1. Ảnh hưởng của biến động nguồn năng lượng tái tạo
Sự biến động của nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, gây ra nhiều thách thức cho việc điều khiển thiết bị điện. Công suất đầu ra của turbin gió phụ thuộc vào tốc độ gió, dẫn đến sự thay đổi liên tục và khó dự đoán. Điều này gây khó khăn cho việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là trong các hệ thống độc lập có quy mô nhỏ. Các hệ thống điều khiển phải có khả năng thích ứng nhanh chóng với những thay đổi này để đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định. Điều này đòi hỏi các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả và các thuật toán điều khiển tiên tiến.
2.2. Yêu cầu về độ tin cậy và an toàn của hệ thống
Độ tin cậy và an toàn là những yêu cầu quan trọng hàng đầu đối với hệ thống điều khiển thiết bị điện. Các hệ thống phải được thiết kế để hoạt động liên tục và ổn định trong mọi điều kiện, đồng thời đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị. Các biện pháp bảo vệ, như bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch, và bảo vệ mất pha, phải được tích hợp để ngăn ngừa các sự cố và giảm thiểu thiệt hại. Ngoài ra, việc kiểm tra và bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng cách và phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn. An toàn điện là một yếu tố then chốt cần được xem xét trong quá trình thiết kế và vận hành.
III. Phương pháp điều khiển thiết bị điện tích hợp năng lượng tái tạo
Trong hệ thống PĐS G, công suất cơ sản sinh từ turbin gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được. Khi một hệ thống PĐS G hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-codes, lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào. Với hệ thống điện độc lập, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải tải là hữu hạn. Hệ thống điện độc lập mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải.
Đảm bảo nguyên tắc cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải.
3.1. Ứng dụng PLC và SCADA trong điều khiển tự động
PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) và SCADA (Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) là những công cụ quan trọng trong việc điều khiển tự động hóa công nghiệp. PLC được sử dụng để điều khiển các quy trình sản xuất, máy móc và thiết bị. SCADA cho phép người vận hành giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa, thu thập dữ liệu và phân tích hiệu suất hệ thống. Sự kết hợp của PLC và SCADA cho phép các nhà máy tự động hóa các quy trình sản xuất, cải thiện hiệu quả và giảm thiểu chi phí. Các hệ thống điều khiển phân tán cũng thường được sử dụng để quản lý các quá trình phức tạp.
3.2. Sử dụng điều khiển PID và điều khiển mờ thích nghi
Điều khiển PID và điều khiển mờ thích nghi là những phương pháp điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển thiết bị điện. Điều khiển PID (Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân) là một thuật toán điều khiển vòng kín phản hồi được sử dụng để điều khiển các quá trình. Điều khiển mờ thích nghi là một kỹ thuật điều khiển tiên tiến sử dụng logic mờ để xử lý các hệ thống phức tạp và phi tuyến. Các phương pháp này cho phép các kỹ sư thiết kế các hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh các thông số của chúng trong thời gian thực để bù đắp cho những thay đổi trong môi trường hoặc hệ thống.
3.3. Giải pháp lưu trữ năng lượng cho ổn định hệ thống điện
Các giải pháp lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ thống điện, đặc biệt là khi tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể lưu trữ năng lượng dư thừa khi nguồn cung vượt quá nhu cầu và giải phóng năng lượng khi nhu cầu vượt quá nguồn cung. Điều này giúp cân bằng cung và cầu, giảm thiểu biến động và cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Các công nghệ lưu trữ năng lượng phổ biến bao gồm pin, siêu tụ điện và hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học.
IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu hệ thống điều khiển
Khi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ thống PĐS G, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tải dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp.
Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel.
4.1. Các dự án điều khiển thiết bị điện trong ngành công nghiệp
Nhiều dự án điều khiển thiết bị điện đã được triển khai trong các ngành công nghiệp khác nhau, mang lại những kết quả đáng khích lệ. Các dự án này tập trung vào việc cải thiện hiệu quả năng lượng, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao năng suất. Ví dụ, trong ngành sản xuất, các hệ thống điều khiển tự động đã được sử dụng để tối ưu hóa các quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong ngành năng lượng, các hệ thống điều khiển thông minh đã được sử dụng để quản lý lưới điện, tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.
4.2. Phân tích hiệu quả của hệ thống giám sát năng lượng
Hệ thống giám sát năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các hệ thống điều khiển thiết bị điện. Các hệ thống này thu thập dữ liệu về tiêu thụ năng lượng, hiệu suất thiết bị và các thông số hoạt động khác. Dữ liệu này được phân tích để xác định các cơ hội tiết kiệm năng lượng, cải thiện hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành. Các hệ thống giám sát năng lượng cũng có thể được sử dụng để phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và thực hiện các hành động khắc phục kịp thời. Các hệ thống điều khiển quá trình cũng góp phần vào việc giám sát và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
V. Kết luận và hướng phát triển hệ thống điều khiển thiết bị điện
Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng ( tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1%. Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó làm trơn ( smoothing ) công suất đầu ra của các hệ thống PĐS G.
Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi độ nhạy hoạt động. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ ( S CESS – Supercapacitor Energy Storage Systems ) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng ( tầng công suất ) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tính hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng.
5.1. Xu hướng phát triển của điều khiển thiết bị điện thông minh
Xu hướng phát triển của điều khiển thiết bị điện thông minh tập trung vào việc sử dụng các công nghệ tiên tiến như IoT trong công nghiệp, trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML). Các thiết bị điện được kết nối với internet, cho phép thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển từ xa. AI và ML được sử dụng để phân tích dữ liệu, dự đoán các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Các hệ thống điều khiển thông minh có thể tự động điều chỉnh các thông số hoạt động để đáp ứng với những thay đổi trong môi trường hoặc hệ thống. Điều này dẫn đến tự động hóa công nghiệp ngày càng cao.
5.2. Tiềm năng ứng dụng của điều khiển thích nghi trong công nghiệp
Điều khiển thích nghi có tiềm năng ứng dụng to lớn trong các ngành công nghiệp khác nhau. Các hệ thống điều khiển thích nghi có thể tự động điều chỉnh các thông số của chúng trong thời gian thực để bù đắp cho những thay đổi trong môi trường hoặc hệ thống. Điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống phức tạp và phi tuyến, nơi các thuật toán điều khiển truyền thống có thể không hiệu quả. Ví dụ, trong ngành sản xuất, các hệ thống điều khiển thích nghi có thể được sử dụng để điều khiển các robot công nghiệp, điều khiển nhiệt độ trong lò nung và điều khiển chất lượng sản phẩm.
5.3. Nghiên cứu bảo trì dự đoán và an toàn điện trong tương lai
Bảo trì dự đoán và an toàn điện là hai lĩnh vực quan trọng cần được nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Bảo trì dự đoán sử dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu và học máy để dự đoán các sự cố tiềm ẩn và thực hiện các hành động bảo trì trước khi chúng xảy ra. Điều này giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động, giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. An toàn điện là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế, vận hành và bảo trì các hệ thống điện. Nghiên cứu và phát triển các công nghệ và quy trình an toàn mới là cần thiết để ngăn ngừa các tai nạn điện và bảo vệ người lao động.
