Các loại công nghệ inverter trong điện mặt trời

Hiện nay có 3 loại công nghệ cho bộ inverter: Inverter tập trung (String inverter), Inverter phân tán (Micro inverter), Inverter tập trung kèm bộ mạch điều khiển tấm pin (Power Optimizer).

Định nghĩa Micro inverter

Micro inverter: Hay còn gọi là inverter phân tán. Thay vì sử dụng 1 bộ inverter chung cho hệ thống năng lượng mặt trời, mỗi tấm pin (hoặc cặp pin) sẽ được đấu với từng inverter riêng biệt (Micro inverter). Điện ra tại các micro inverter là điện xoay chiều (AC), các micro inverter này được lắp ngay dưới tấm pin nhờ thiết kế nhỏ gọn. Các micro inverter trong hệ thống sẽ được đấu song song và hòa lưới.

Xem sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời dùng String inverter và Micro inverter

Sơ đồ String inverter và Micro Inverter

Ưu điểm:

- Tối ưu công suất cực đại trên cả hệ thống

- Độ ổn định cao:  1 tấm pin lỗi hoặc bị che nắng không ảnh hưởng đến hệ thống như công nghệ khác vì mỗi tấm pin có 1 bộ inverter hoạt động như một đơn vị sản xuất điện riêng nên có sự cố chỉ ảnh hưởng đến mỗi nó.

- Loại bỏ các hộp đấu: tiết kiệm các phụ kiện ví dụ hộp đấu nối, diot bảo vệ,...

- Thi công dễ (có thể tự mua về thi công hệ thống)

- Thiết kế nhỏ gọn.

- Thời gian bảo hành lâu nhờ tuổi thọ cao của bộ inverter. Các hệ thống được bảo hành thường dựa theo tuổi thọ của bộ inverter do lỗi hệ thống năng lượng mặt trời tập trung chủ yếu ở inverter.

- An toàn với điện áp 1 chiều thấp 30-60V (các hệ thống khác 600V đến 1000V). Chỉ có điện áp AC 240V.

Nhược điểm:

 - Giá thành (số điện điện/chi phí) cao so với công nghệ khác.

- Chỉ hoạt động trong hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới.

- Lắp vị trí dưới tấm pin nên khó khăn tháo lắp khi có lỗi.

Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng micro inverter

Hệ thống thường bao gồm những thành phần sau:

1- Tấm pin mặt trời

2- Bộ hòa lưới inverter

3 - Hệ thống theo dõi

4- Thiết bị điện trong nhà

5- Đồng hộ điện 2 chiều

6- Lưới điện

Tham khảo sơ đồ hệ thống NLMT dùng inverter phân tán.

 Hình: Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời dùng Micro inverter

Nguyên lý hoạt động hệ thống Micro inverter

Giới thiệu sơ lượt nguyên lý hoạt động của hệ thống

Một bộ micro-inverter chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều trên một tấm pin mặt trời duy nhất. Dòng điên từ nhiều bộ micro-inverter được kết hợp và được đưa vào lưới điện hiện có. Khác với bộ inverter trung tâm, có thể kết hợp được nhiều tấm pin năng lượng mặt trời.

Cấu tạo bộ micro inverter

- Bộ biến đổi DC-DC (DC-DC converter)
- Inverter (bộ biến đổi DC-AC)
- Bộ lọc (filter)

Các bộ micro inverter sẽ có cấu tạo khác nhau theo lựa chọn cách thiết kế.

Bộ tăng áp DC-DC converter

Trong sản xuất công nghiệp, các bộ nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện, xe điện… Tuy nhiên bộ nghịch lưu truyền thống có hạn chế đó là điện áp xoay chiều ngõ ra không thể lớn hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp hay nói cách khác nó chỉ thể hiện là bộ nghịch lưu giảm áp. Đối với những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu… điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện áp một chiều có giá trị điện áp thấp, không ổn định, phụ thuộc theo thời gian, môi trường làm việc. Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này để chuyển đổi thành lưới điện xoay chiều 220V/380V, đòi hỏi điện áp 1 chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn hơn 310Vdc (giá trị điện áp đỉnh của 220Vac). Điện áp 1 chiều có giá trị lớn có thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều, lắp đặt trên diện tích rộng lớn. Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, với những hệ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380V từ nguồn điện áp thấp người ta thường dùng :

- Máy biến áp có tần số thấp (50 Hz) để tăng điện áp xoay chiều ngõ ra.
- Các bộ tăng điện áp một chiều.

Các bộ biến đổi sử dụng máy biến áp tần số thấp có ưu điểm là đơn giản nhưng chất lượng điện áp ra không tốt, và hiệu suất thấp. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử và chế tạo máy biến áp, ngày nay máy biến áp tần số thấp được thay thế bởi các máy biến áp tần số cao (cỡ vào chục kHz) để tăng điện áp một chiều lên đến điện áp lưới trước bộ nghịch lưu, tổn thất trên máy biến áp giảm, đáp ứng điều khiển nhanh, chính xác. Dưới đây phân tích một số sơ đồ tăng điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi.

Bộ nghịch lưu (DC – AC)

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều.
Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách đầu nối vào và ra một cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều. Việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới xoay chiều, trong bộ nghịch lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải.
Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại:
- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều
- Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều
Đầu vào của bộ nghịch lưu cũng chính được lấy từ đầu ra của bộ tăng áp một chiều.
Sau đây sẽ phân tích hai bộ nghịch lưu hiệu suất cao để so sánh và chọn lựa là:
-  Bộ nghịch lưu cầu một pha
- Bộ nghich lưu đa mức một pha

Bộ lọc đầu ra

Ngày nay các bộ lọc nối lưới thụ động được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp, thường được gọi là bộ lọc EMI (Electromagnetic Interference), thực hiện hai chức năng sau:
 * Triệt tiêu nhiễu đi vào lưới từ bộ micro-inverter sinh ra do quá trình đóng cắt các khóa điện tử.
 * Triệt tiêu nhiễu đi vào bộ micro-inverter từ lưới điện, nhiễu này có thể là nguyên nhân làm cho thiết bị điều khiển gặp sự cố.

Về bản chất bộ lọc EMI là bộ lọc thông thấp thích hợp để sử dụng dụng cho bộ micro-inverter để loại bỏ được các sóng hài của dòng điện xung quanh tần số chuyển mạch và thực hiện theo tiêu chuẩn (IEEE 1547) cho bộ nghịch lưu nối lưới.

Cấu tạo bộ lọc EMI

Nhiễu trong các bộ nguồn xung được chia thành hai loại là nhiễu không đối xứng (common hoặc asymmetrical) và nhiễu đối xứng (differental hoặc symmetrical) nên bộ lọc EMI cũng gồm có hai phần là lọc đối xứng và lọc không đối xứng. Sau đây sẽ trình bày dòng điện nhiễu ở hai chế độ khác nhau.

Nhiễu common-mode là nhiễu giữa các dây so với dây đất (kể cả dây pha và dây trung tính), nhiễu differential-mode là nhiễu giữa dây sinh ra giữa dây pha và dây trung tính. Dòng điện common-mode ICM là xác định cả về biên độ và pha với tần số đã cho. Dòng điện differencetial-mode IDM có hướng cùng với dòng điện pha.
Hình 2.14 trình bày sơ đồ bộ lọc EMI hiệu suất cao gồm có tụ điện Xcap, cuộn cảm common-mode, cuộn cảm diferential-mode, tụ điện Ycap.

Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thụ động EMI

Kết luận: Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng, hiệu xuất và giá thành của bộ biến đổi là cấu trúc của bộ biến đổi, trong chương này đã trình bày cấu trúc của bộ micro-inverter với các khâu động lực chính là: tăng điện áp một chiều theo sơ đồ flyback, nghịch lưu sử dụng bộ nghịch lưu cầu và cuối cùng là mạch lọc EMI có chức năng triệt tiêu nhiễu từ bộ biến đổi vào hệ thống và ngược lại. Thông số cụ thể của các thiết bị động lực sẽ được tính chọn cụ thể trong phần khác.