Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu khai thác năng lượng tái tạo trên toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng nguồn điện mặt trời đạt trên 25% mỗi năm. Tại Việt Nam, việc tích hợp nguồn điện quang điện (PV) vào mạng lưới hạ áp một pha 220 V tần số 50 Hz đặt ra những yêu cầu khắt khe về hiệu suất chuyển đổi, độ tin cậy vận hành và an toàn điện. Biến tần quang điện truyền thống thường sử dụng máy biến áp cách ly tần số công nghiệp 50 Hz hoặc biến áp xung cao tần để đảm bảo an toàn điện giật và ngăn chặn dòng điện một chiều DC tiêm vào lưới. Tuy nhiên, sự hiện diện của máy biến áp làm gia tăng tổn hao năng lượng, khiến hiệu suất toàn hệ thống chỉ dao động trong khoảng 92.5% đến 94.0%, đồng thời làm trọng lượng thiết bị tăng hơn 45% và đội chi phí đầu tư ban đầu lên từ 20% đến 30%.

Vấn đề cốt lõi mà đề tài giải quyết là việc loại bỏ máy biến áp trong hệ thống PV nối lưới một pha nhằm nâng cao hiệu suất nhưng phải giải quyết triệt để thách thức về dòng rò rỉ điện dung ký sinh giữa tấm pin mặt trời và đất. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc tô-pô nghịch lưu không biến áp tối ưu, thiết lập giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) nhanh chóng, đồng thời phát triển thuật toán điều chế triệt tiêu điện áp chế độ chung tần số cao. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 08 năm 2013, phục vụ trực tiếp cho điều kiện khí hậu nhiệt đới bức xạ từ 4.5 đến 5.5 kWh/m2/ngày. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên 97.8%, kiểm soát dòng rò đất dưới ngưỡng an toàn 30 mA và giảm độ méo sóng hài dòng điện phát lưới xuống dưới 3.0%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết vững chắc: Lý thuyết mạch điện tử công suất phi tuyến, Lý thuyết điều khiển tự động hệ thống nối lưới và Mô hình điện dung ký sinh trong hệ thống quang điện. Trọng tâm lý thuyết xoay quanh việc phân tích hiện tượng điện áp chế độ chung (Common-Mode Voltage - CMV) xuất hiện khi khóa bán dẫn đóng cắt ở tần số cao 20 kHz. Trong các tấm pin PV diện tích lớn lắp đặt ngoài trời, lớp tiếp giáp giữa tế bào quang điện và khung nhôm nối đất tạo ra một điện dung ký sinh có giá trị từ 50 nF đến 150 nF trên mỗi kWp công suất lắp đặt.

Các khái niệm chính được định nghĩa và làm rõ bao gồm:

  • Điện áp chế độ chung (CMV): Điện áp trung bình giữa các cực ngõ ra của biến tần so với điểm đất chuẩn.
  • Dòng rò rỉ chế độ chung (Common-Mode Leakage Current): Dòng điện tần số cao chạy qua điện dung ký sinh của giàn pin về đất, gây nguy cơ giật điện và làm nóng tấm pin.
  • Tiêu chuẩn an toàn DIN VDE 0126-1-1: Bộ tiêu chuẩn quốc tế quy định biến tần không biến áp phải tự động ngắt kết nối lưới trong vòng 0.3 giây nếu dòng rò rỉ đất vượt quá 300 mA hoặc thay đổi đột ngột 30 mA.
  • Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng tỉ lệ (Proportional Resonant - PR): Cấu trúc điều khiển tạo độ lợi vô cùng lớn tại tần số cơ bản 50 Hz, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập của dòng điện phát lưới.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kết hợp giữa thông số đặc tính thực tế của các tấm pin quang điện đơn tinh thể (Monocrystalline) tại điều kiện chuẩn STC (bức xạ 1000 W/m2, nhiệt độ 25 độ C) và dữ liệu lưới điện hạ áp 220 V / 50 Hz khu vực miền Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 120 kịch bản vận hành mô phỏng động học và 45 tập số liệu đo kiểm thực nghiệm trong các điều kiện bức xạ thay đổi từ 200 W/m2 đến 1100 W/m2. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo từng dải công suất tải từ 20%, 50%, 75% đến 100% công suất danh định 2 kW được áp dụng để đánh giá toàn diện hành vi hệ thống.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên nền tảng MATLAB/Simulink kết hợp thực nghiệm phần cứng điều khiển nhúng DSP là vì hệ thống điện tử công suất không biến áp có tính chất phi tuyến cao với thời gian chuyển mạch tính bằng micro-giây. Phương pháp giải tích thuần túy không thể mô tả trọn vẹn các xung gai dòng điện rò rỉ và tác động của thời gian chết (dead-time) của khóa van bán dẫn IGBT. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô hình hóa và kiểm chứng thực nghiệm được thực hiện liên tục trong khung thời gian 12 tháng, từ tháng 08 năm 2012 đến tháng 08 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng trên hệ thống PV không biến áp công suất 2 kW đã mang lại các phát hiện khoa học nổi bật:

Thứ nhất, việc áp dụng cấu trúc nghịch lưu cô lập phía xoay chiều kết hợp phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM cải tiến đã giữ cho điện áp chế độ chung hoàn toàn không đổi trong suốt chu kỳ sóng sin 50 Hz. Dòng rò rỉ qua điện dung ký sinh giảm mạnh từ biên độ 285 mA ở cấu trúc cầu H toàn phần truyền thống xuống chỉ còn 18.5 mA ở cấu trúc đề xuất, tương đương mức giảm 93.5%, đáp ứng xuất sắc tiêu chuẩn an toàn DIN VDE 0126-1-1.

Thứ hai, hiệu suất chuyển đổi cực đại của hệ thống đạt 97.8% tại mức công suất định mức, cao hơn 4.2% so với hệ thống có máy biến áp cách ly (chỉ đạt 93.6%). Ở mức tải thấp 25% công suất, hiệu suất vẫn duy trì ở mức cao 95.4%, giúp tăng sản lượng điện hữu ích hàng năm thêm khoảng 6.8%.

Thứ ba, chất lượng điện năng phát vào lưới điện quốc gia được nâng cao vượt bậc. Tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện (THD) ghi nhận ở mức công suất 2 kW là 2.45%, thấp hơn rất nhiều so với giới hạn 5.0% của tiêu chuẩn IEEE 1547 và IEEE 519. Hệ số công suất luôn duy trì ở mức trên 0.992 trong suốt dải vận hành từ 40% đến 100% tải.

Thứ tư, thuật toán bám điểm công suất cực đại cải tiến cho thời gian xác lập điểm công suất cực đại dưới 45 mili-giây khi cường độ bức xạ thay đổi đột ngột từ 400 W/m2 lên 1000 W/m2, đạt hiệu suất bám MPPT tĩnh lên tới 99.3%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt được các chỉ số vượt trội là việc ngắt kết nối giàn pin PV khỏi lưới điện trong suốt các khoảng thời gian điện áp bằng không (zero-voltage states), ngăn chặn sự nạp xả của tụ điện ký sinh nối đất. Khi so sánh với các nghiên cứu cùng thời kỳ sử dụng cấu trúc biến tần có biến áp tần số cao, cấu trúc không biến áp trong luận văn không chỉ tiết kiệm 35% thể tích cuộn cảm lọc mà còn loại bỏ hoàn toàn tổn hao từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép biến áp.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hai dạng biểu diễn:

  • Biểu đồ dạng sóng so sánh miền thời gian: Thể hiện điện áp chế độ chung và biên độ dòng rò rỉ giữa cấu trúc cầu H thông thường (dòng rò nhấp nhô liên tục với đỉnh 285 mA) và cấu trúc đề xuất (dòng rò phẳng, dao động ổn định dưới 20 mA).
  • Bảng tổng hợp hiệu suất và sóng hài đa cấp tải: Thể hiện rõ chỉ số THD giảm dần từ 4.12% tại mức tải 25% xuống còn 2.45% tại mức tải 100%, đi kèm đường cong hiệu suất đạt đỉnh 97.8% ở dải công suất từ 1.5 kW đến 2.0 kW.

Ý nghĩa kỹ thuật của các kết quả này chứng minh rằng việc loại bỏ máy biến áp hoàn toàn khả thi về mặt an toàn điện nếu áp dụng đúng cấu trúc mạch van và thuật toán điều chế thích hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đưa ra bốn giải pháp mang tính hành động cụ thể nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ biến tần không biến áp vào thực tiễn:

Thứ nhất, tối ưu hóa thiết kế phần cứng và cấu trúc bộ lọc ngõ ra LCL: Đề xuất các kỹ sư phần cứng giảm điện cảm ký sinh trên mạch in xuống dưới mức 5 nH bằng cách ứng dụng công nghệ mạch in nhiều lớp và bố trí đường mạch đối xứng. Mục tiêu là giảm thiểu hiện tượng quá áp đóng cắt trên van bán dẫn, hoàn thành việc chuẩn hóa bản vẽ kỹ thuật trong vòng 6 tháng do các phòng R&D thiết bị điện thực hiện.

Thứ hai, nâng cấp thuật toán điều khiển trên chip xử lý tín hiệu số DSP tốc độ cao: Tích hợp bộ điều khiển cộng hưởng thích nghi với tần số lấy mẫu 50 kHz trên dòng vi điều khiển 32-bit nhằm giảm độ trễ điều khiển vòng kín xuống dưới 20 micro-giây. Giải pháp này do các chuyên gia lập trình nhúng triển khai trong thời gian 12 tháng nhằm duy trì độ méo sóng hài THD dưới 2.0% ngay cả khi lưới điện bị ô nhiễm sóng hài nền.

Thứ ba, xây dựng và hoàn thiện bộ quy chuẩn kỹ thuật hòa lưới quốc gia: Khuyến nghị Bộ Công Thương và Tập đoàn Điện lực Việt Nam trong lộ trình 18 tháng ban hành hướng dẫn kỹ thuật bắt buộc về kiểm soát dòng rò đất dưới 30 mA và giám sát dòng tiêm một chiều DC dưới 0.5% dòng định mức cho toàn bộ hệ thống PV mái nhà không sử dụng biến áp.

Thứ tư, thương mại hóa và mở rộng thử nghiệm thực địa: Đề xuất các doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo phối hợp với các trường đại học triển khai lắp đặt thử nghiệm 50 bộ biến tần công suất từ 3 kW đến 5 kW trên lưới điện phân phối thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh và khu vực lân cận trong giai đoạn 2014-2015 nhằm thu thập dữ liệu độ bền dài hạn trên 10000 giờ vận hành liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu, đặc biệt hữu ích cho bốn nhóm đối tượng:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Điện tử công suất. Luận văn cung cấp hệ thống phương trình toán học chi tiết về điện áp chế độ chung, mô hình mô phỏng Simulink hoàn chỉnh và phương pháp thiết kế vòng điều khiển dòng điện nối lưới một pha.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty chế tạo biến tần quang điện và thiết bị chuyển đổi năng lượng. Tài liệu là cẩm nang hữu ích về cách lựa chọn linh kiện bán dẫn công suất, thiết kế bộ lọc LCL chống cộng hưởng và triển khai giải thuật ngắt mạch van triệt tiêu dòng rò rỉ nhằm đạt hiệu suất trên 97.5%.

Thứ ba, kỹ sư tư vấn thiết kế và nhà thầu lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái dân dụng và thương mại. Nghiên cứu giúp người đọc hiểu rõ bản chất an toàn của hệ thống không biến áp, từ đó xây dựng giải pháp nối đất bảo vệ đạt chuẩn rò điện dưới 30 mA và tối ưu hóa vị trí lắp đặt trên lưới 220 V.

Thứ tư, cán bộ kỹ thuật quản lý lưới điện phân phối và các cơ quan thẩm định an toàn năng lượng. Tài liệu cung cấp cơ sở định lượng về độ méo sóng hài THD 2.45% và dòng điện một chiều DC tiêm vào lưới, hỗ trợ xây dựng quy trình kiểm định chất lượng điện năng cho các nguồn phân tán quy mô nhỏ dưới 10 kW.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào khiến hệ thống PV không biến áp dễ sinh ra dòng rò rỉ nguy hiểm? Khi loại bỏ biến áp cách ly, tồn tại một đường dẫn khép kín giữa giàn pin PV, biến tần, lưới điện và đất thông qua điện dung ký sinh có độ lớn khoảng 50 nF đến 150 nF trên mỗi kWp. Sự biến thiên tần số cao của điện áp chế độ chung ở tần số đóng cắt 20 kHz sẽ kích thích dòng rò rỉ đất vượt quá 300 mA nếu không có giải pháp triệt tiêu chuyên biệt.

Cấu trúc biến tần không biến áp triệt tiêu dòng rò rỉ theo nguyên lý nào? Cấu trúc nghịch lưu cô lập ngắt kết nối vật lý giữa giàn pin PV và lưới điện trong các khoảng thời gian vector điện áp bằng không của chu kỳ điều chế. Giải pháp này giữ cho điện áp chế độ chung có giá trị hằng số không đổi, triệt tiêu đạo hàm biến thiên điện áp theo thời gian, nhờ đó giảm dòng rò đất xuống dưới mức 18.5 mA.

Tiêu chuẩn quốc tế nào khống chế dòng rò rỉ trong biến tần quang điện không biến áp? Tiêu chuẩn DIN VDE 0126-1-1 của Đức và chuẩn IEC 62109-2 là hai tiêu chuẩn then chốt. Quy chuẩn yêu cầu hệ thống phải kích hoạt cơ chế bảo vệ cắt điện lưới tự động trong thời gian dưới 0.3 giây khi dòng rò liên tục vượt 300 mA hoặc khi xuất hiện dòng rò đột biến từ 30 mA trở lên để bảo đảm tính mạng con người.

Hiệu suất chuyển đổi của biến tần không biến áp vượt trội ra sao so với biến tần có biến áp? Biến tần không biến áp loại bỏ hoàn toàn tổn hao đồng và tổn hao sắt trong lõi từ của máy biến áp 50 Hz, giúp nâng hiệu suất cực đại từ 93.6% lên 97.8% (tăng 4.2%). Đồng thời, trọng lượng toàn bộ khối biến tần giảm trên 40%, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí kim loại màu và chi phí lắp đặt thực tế.

Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng tỉ lệ PR có ưu điểm gì so với bộ điều khiển PI truyền thống? Bộ điều khiển PI cổ điển trong hệ tọa độ tĩnh luôn tồn tại sai lệch biên độ và pha khi bám theo tín hiệu xoay chiều 50 Hz. Ngược lại, bộ điều khiển PR cung cấp độ lợi tiến tới vô cùng tại đúng tần số lưới 50 Hz, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số dòng điện xác lập và duy trì sóng hài dòng điện THD ở mức rất thấp 2.45%.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết thành công bài toán mâu thuẫn giữa việc nâng cao hiệu suất và bảo đảm an toàn điện trong hệ thống điện mặt trời nối lưới một pha không sử dụng máy biến áp.
  • Cấu trúc tô-pô nghịch lưu cải tiến cùng phương pháp điều chế SPWM chuyên biệt đã triệt tiêu hiệu quả dòng rò rỉ tần số cao, khống chế biên độ dòng rò ở mức 18.5 mA, vượt xa yêu cầu an toàn của tiêu chuẩn DIN VDE 0126-1-1.
  • Hiệu suất cực đại của hệ thống đạt 97.8% và tổng độ méo sóng hài dòng điện phát lưới chỉ 2.45%, khẳng định tính ưu việt vượt trội so với các hệ thống biến tần có biến áp truyền thống.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học và kiểm chứng thực nghiệm thành công giải thuật điều khiển trên nền tảng phần cứng nhúng thời gian thực tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh năm 2013.
  • Trong lộ trình 12 tháng tiếp theo, công nghệ này cần được chuyển giao để chế tạo thử nghiệm các bộ biến tần công nghiệp công suất 5 kW đến 10 kW, mở ra giải pháp đột phá cho thị trường điện mặt trời áp mái tại Việt Nam.