Cấu trúc liên kết inverter (Inverter topology) là gì?

Định nghĩa trong tài liệu điện tử công suất

Linh kiện phi tuyến trong bộ biến đổi phần lớn là khóa điện tử, tức linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ đóng cắt.[1] Linh kiện tuyến tính gồm tụ điện, cuộn cảm, cuộn cảm hỗ cảm và máy biến áp.[1] Một bộ biến đổi có thể thiết kế theo nhiều cấu trúc liên kết khác nhau, với một hoặc nhiều tầng biến đổi trung gian.[1] Máy biến áp được chèn vào mạch để phối hợp điện áp hoặc để cách ly điện khi một nguồn là nguồn xoay chiều.[1]

Inverter theo tiêu chuẩn IEC 62109-2

Inverter theo IEC 62109-2 là bộ biến đổi năng lượng điện, đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều một pha hoặc nhiều pha.[2] Inverter nối lưới (grid-interactive) là inverter hoặc chức năng inverter dùng để xuất điện lên lưới.[2] Inverter độc lập (stand-alone) cấp điện xoay chiều cho tải không nối với lưới.[2] Inverter đa chế độ (multiple mode) chạy nối lưới khi có điện lưới và chạy độc lập khi lưới mất điện hoặc bị tách ra.[2]

Bốn tiêu chí phân loại cấu trúc liên kết

Tiêu chí thứ nhất là số tầng xử lý công suất mắc nối tiếp.[3] Tiêu chí thứ hai là kiểu tách công suất (power decoupling) giữa tấm pin mặt trời và lưới một pha.[3] Tiêu chí thứ ba là inverter có dùng máy biến áp tần số lưới hoặc tần số cao hay không.[3] Tiêu chí thứ tư là kiểu tầng công suất nối lưới.[3] Các cấu trúc được so sánh theo yêu cầu kỹ thuật, tuổi thọ, định mức linh kiện và chi phí.[3] Riêng nhóm inverter không biến áp công suất nhỏ được chia thành ba nhóm: hai tầng, thanh cái DC giả và một tầng.[11]

Cấu trúc liên kết và kiến trúc hệ thống

Ngoài mạch bên trong, bộ biến đổi trong hệ điện mặt trời còn được chia thành inverter chuỗi, inverter đa chuỗi, inverter trung tâm và bộ biến đổi cấp module.[10] Cách chia này được trình bày ở mục 7.

Để phân biệt các cấu trúc liên kết, trước hết cần biết các khối mạch có mặt trong một inverter điện mặt trời.

Khóa bán dẫn và tầng nghịch lưu DC-AC

Tầng nghịch lưu DC-AC đổi điện áp thanh cái DC thành điện áp xoay chiều ở mức điện áp lưới.[4] Inverter chuỗi hiện nay thường không có máy biến áp, để cạnh tranh về chi phí và mật độ công suất.[4] Tầng nghịch lưu dùng các cấu trúc không cách ly gốc buck, điều chế độ rộng xung hình sin (sine PWM).[4]

Tầng DC-DC và MPPT

Tầng thứ nhất có nhiệm vụ tăng điện áp dãy pin và theo dõi điểm công suất cực đại MPPT.[11] Tầng DC-DC đầu tiên làm MPPT cho cả một chuỗi tấm pin.[4] Inverter chuỗi nhạy về chi phí, nên mạch tăng áp boost không cách ly là cấu trúc được ưu tiên.[4] Mạch buck hoặc buck-boost kém hiệu suất hơn, do phải chịu dòng lớn hơn với điện áp liên kết DC thấp hơn.[4] Nguyên lý dò điểm công suất cực đại được giải thích ở bài MPPT.

Thanh cái DC và tụ liên kết DC

Ở inverter hai tầng, bộ biến đổi DC-DC nối giữa tấm pin và bộ nghịch lưu DC-AC.[5] Khi hệ dùng cả bộ biến đổi DC và AC, tụ liên kết DC giúp điện áp DC ổn định hơn.[5] Điện dung tụ liên kết DC phải đủ lớn để giảm gợn điện áp liên kết DC.[5] Tụ điện là nhóm linh kiện có tỷ lệ hỏng nổi bật khi vận hành thực tế.[12] Nhiệt độ là một trong những tác nhân quan trọng nhất ảnh hưởng tới độ bền của tụ.[12] Vai trò và mức điện áp của thanh cái DC được trình bày ở bài Thanh cái DC.

Khi đã rõ các khối mạch, câu hỏi đầu tiên khi phân loại là inverter có một tầng hay hai tầng biến đổi.

Inverter một tầng (single-stage)

Ở inverter một tầng, hệ không cần bộ DC-DC riêng cho MPPT.[10] Bộ biến đổi một tầng có cấu trúc đơn giản và ứng suất điện áp, dòng điện thấp nhất.[11] Một nghiên cứu điều khiển khi lưới sụt áp kiểm tra trên hệ ba pha một tầng nối lưới khoảng 500 kVA.[13]

Inverter hai tầng (two-stage)

Ở inverter hai tầng, tầng thứ nhất tăng điện áp dãy pin,[11] tầng thứ hai đổi điện áp thanh cái DC thành điện áp xoay chiều mức lưới.[4] Tầng boost DC-DC cấp công suất cực đại cho tầng thứ hai và điều chỉnh điện áp liên kết DC.[5] Với tấm pin có điện áp ra thấp, hệ cần một bộ tăng áp DC-DC.[5] Ở một số cấu trúc, bộ buck-boost hoặc boost là bắt buộc để đạt điện áp liên kết DC đủ lớn.[10]

Thanh cái DC giả (pseudo DC link)

Nhóm thanh cái DC giả dùng bộ DC-DC đưa điện áp thấp của module lên mức cao cho tầng thứ hai.[11] Tụ liên kết DC giả làm nhiệm vụ tách công suất (decoupling).[11] Kiểu tách công suất giữa tấm pin và lưới một pha là một tiêu chí phân loại riêng trong tài liệu tổng quan.[3]

Ngoài số tầng, inverter còn được phân loại theo có hay không cách ly giữa phía tấm pin và phía lưới.

Định nghĩa có cách ly và không cách ly theo IEC 62109-2

Inverter có cách ly (isolated inverter) là inverter có ít nhất cách ly đơn giản giữa mạch lưới và mạch PV.[2] Inverter không cách ly (non-isolated inverter) là inverter không có ít nhất cách ly đơn giản giữa hai mạch đó.[2] Inverter không cách ly bên trong nhưng bắt buộc dùng với máy biến áp cách ly riêng có thể được xem là inverter có cách ly.[2] Ở inverter không cách ly, mạch điện tử của inverter nằm trong đường dòng sự cố từ dãy pin tới điểm nối đất phía lưới.[2] Khái niệm cách ly điện được giải thích ở bài Cách ly điện hóa.

Máy biến áp tần số lưới (LF transformer)

Cách ly thường dùng máy biến áp cách ly tần số thấp hoặc máy biến áp cách ly tần số cao.[10] Máy biến áp tần số lưới đặt ở phía AC, còn máy biến áp tần số cao đặt ở phía DC.[15] Máy biến áp tần số lưới khó lắp đặt, lại lớn và nặng.[5] Do trọng lượng, kích thước và chi phí, máy biến áp tần số lưới thường bị bỏ khi thiết kế bộ biến đổi mới.[5]

Máy biến áp tần số cao (HF transformer)

Máy biến áp tần số cao đòi hỏi nhiều tầng công suất.[5] Micro inverter có máy biến áp tần số cao.[11] Một mẫu micro inverter dùng mạch cầu H kết hợp bộ buck, nối qua máy biến áp tần số cao.[11] Inverter dùng máy biến áp đi ngược yêu cầu kích thước nhỏ và chi phí thấp.[15]

Inverter không cách ly (transformerless)

Cấu trúc không biến áp có hiệu suất cao hơn, nhẹ hơn, gọn hơn và rẻ hơn cấu trúc có cách ly điện.[16] Bỏ máy biến áp giúp hiệu suất toàn hệ điện mặt trời tăng thêm 1% đến 2%.[17][5] Do thiếu máy biến áp tần số lưới, inverter có thể đưa thành phần DC vào dòng AC, gây quá nhiệt và hỏng hóc.[5] Inverter không biến áp thiếu cách ly điện, nên an toàn của hệ cần được chú trọng.[18]

Mục 5 trình bày mạch cầu nghịch lưu của inverter không biến áp và các biến thể giảm dòng rò.

Mạch nửa cầu (half-bridge)

Mạch nửa cầu H dùng một nửa số linh kiện bán dẫn so với cầu H đầy đủ.[5] Đổi lại, khóa của mạch nửa cầu phải chịu điện áp gấp đôi so với cầu H đầy đủ.[5] Điện áp liên kết DC của inverter nửa cầu phải gấp đôi điện áp đỉnh của lưới.[16]

Mạch cầu H và điều chế đơn cực, lưỡng cực

Điều chế PWM đơn cực là cách điều chế phổ biến nhất của cầu H đầy đủ.[5] Với điều chế đơn cực, tấm pin chịu một điện áp common-mode tần số cao có biên độ Vdc/2.[5] Vì vậy, cầu H điều chế đơn cực không phù hợp cho inverter không biến áp.[5] Điều chế SPWM lưỡng cực giảm dòng rò nhờ không tạo biến thiên điện áp common-mode.[17] Điều chế hai mức có yêu cầu lọc dòng ra cao hơn, còn điều chế ba mức có yêu cầu lọc thấp hơn.[10]

Điện áp common-mode và dòng rò

Điện dung ký sinh lớn giữa tấm pin và đất gây ra dòng rò.[16] Dòng rò common-mode chạy qua tụ ký sinh, làm tăng tổn hao, tăng sóng hài dòng lưới và gây mất an toàn.[5] Dòng điện dịch tỷ lệ với điện dung và biên độ điện áp đặt vào, nên được gọi là dòng rò điện dung.[19] Gần như mọi inverter một pha không biến áp đưa một nửa biên độ điện áp lưới lên tấm pin.[19] Ở inverter ba pha, điện áp xoay chiều truyền sang tấm pin phần lớn bị triệt.[19] Giới hạn dòng rò 30 mA và 300 mA của VDE 0126-1-1 được trích lại trong hai bài báo về inverter không biến áp.[16][17]

Các cấu trúc H5, HERIC và H6

H5 là cầu H cải tiến, thêm khóa thứ năm ở cực dương thanh cái DC, được SMA cấp bằng năm 2005.[10] Khóa thứ năm mở trong giai đoạn dòng tự do, tách cầu H khỏi tấm pin.[5] Cấu trúc H5 có hiệu suất cao, nhất là ở tải một phần.[5] HERIC được Sunways cấp bằng năm 2006, thêm nhánh rẽ phía AC gồm hai IGBT mắc ngược chiều.[10] HERIC triệt thành phần tần số cao của điện áp tấm pin so với đất bằng cách tách lưới khỏi tấm pin.[10] Cấu trúc H6, còn gọi là cầu H có rẽ nhánh DC, thêm một nhánh kẹp hai chiều.[5] Khả năng khử dòng rò của H6 phụ thuộc tốc độ mở của các diode kẹp.[5]

Mục tiếp theo phân loại tầng nghịch lưu theo số mức điện áp đầu ra.

Inverter hai mức (2-level)

Inverter hai mức truyền thống có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp.[20] Đổi lại, inverter hai mức có hiệu suất thấp, méo sóng hài cao và dòng rò cao.[20] Với hai mức điện áp, tổn hao đóng cắt cao, dẫn tới mật độ công suất thấp.[15]

Inverter ba mức NPC (neutral point clamped)

NPC nửa cầu là phiên bản một pha của cấu trúc đa mức dùng trong truyền động động cơ công suất lớn.[5] NPC có gợn dòng thấp hơn, hiệu suất tốt hơn và điện áp common-mode không đổi.[5] So với cầu H hai mức, NPC có ứng suất đóng cắt và dV/dt thấp hơn.[10] Điểm giữa thanh cái DC của NPC nối với dây trung tính lưới, nên dòng rò giảm mạnh.[16] Inverter ba mức NPC ngày càng được dùng để nối nguồn tái tạo vào hệ thống điện lớn nhờ sóng hài nhỏ.[21] Đổi lại, NPC cần điện áp vào cao, nhiều linh kiện bán dẫn và dãy tụ dung lượng lớn.[5]

Cấu trúc T-type và ANPC

Inverter nửa cầu không biến áp đa mức gồm các dạng như T-type.[15] Các cấu trúc NPC có đặc tính kẹp điện áp common-mode tốt nhất.[15]

Lợi ích và đánh đổi của cấu trúc ba mức

Giảm ứng suất điện áp trên khóa, sóng hài thấp hơn và dạng sóng ra tốt hơn là lợi ích của inverter NPC.[20] Đổi lại, NPC cần nhiều linh kiện chủ động hơn và phải cân bằng điện áp các tụ liên kết DC.[20] Chuyển từ hai mức sang đa mức cho phép tăng điện áp thanh cái DC.[4] Cấu trúc đa mức cải thiện khả năng triệt nhiễu common-mode, cho phép bộ lọc EMI nhỏ hơn.[4] Trong inverter NPC, ứng suất nhiệt trên các IGBT không như nhau.[21] IGBT phía ngoài thường được xem là yếu hơn do tổn hao đóng cắt lớn hơn.[21] Cơ chế hỏng chính của tụ nhôm liên kết DC là mất chất điện phân do ứng suất nhiệt.[21][12]

Mục tiếp theo xét cách inverter nối với dãy pin ở các quy mô hệ thống.

Inverter trung tâm (central inverter)

Với nhà máy điện mặt trời cấu hình ba pha, inverter trung tâm và inverter đa chuỗi được dùng rộng rãi.[10] Inverter trung tâm là một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho ứng dụng quy mô lớn.[11]

Inverter chuỗi và đa chuỗi (string, multi-string)

Ở hệ dùng inverter chuỗi, mỗi chuỗi nối vào một inverter rồi tới thanh cái AC.[11] Ở hệ đa chuỗi, vài chuỗi đi qua các tầng DC-DC có MPPT riêng vào một inverter chung.[11] Inverter chuỗi được dùng phổ biến cho nhà ở và công trình thương mại nhỏ.[4] Inverter Huawei SUN2000-5KTL-L1 có công suất định mức 5.000 W và 2 bộ MPPT.[22] Cách chọn inverter chuỗi được trình bày ở bài String inverter.

Micro inverter (inverter cấp module)

Micro inverter chỉ nhận một hoặc hai tấm pin.[11] Micro inverter cấp module được dùng cho hệ điện mặt trời dân dụng.[15] Ở hệ dân dụng một pha, inverter chuỗi và bộ biến đổi cấp module được dùng nhiều.[10] Cấu tạo và cách lắp micro inverter được trình bày ở bài Micro inverter.

Khi thêm pin lưu trữ, inverter chuỗi có thêm một tầng DC-DC hai chiều.[4]

Ghép DC: tấm pin và pin lưu trữ chung thanh cái DC

Ở hệ ghép DC, tấm pin mặt trời và pin lưu trữ cùng nối vào thanh cái DC của inverter PV-pin.[23] Hệ ghép DC gom toàn bộ linh kiện điện tử công suất trong một thiết bị.[23] Một số hệ ghép DC còn sạc được pin bằng điện từ phía AC.[23] Ở hệ ghép AC, pin lưu trữ nối lưới qua inverter pin hai chiều.[23] Hai cách ghép được so sánh ở bài AC coupling và DC coupling, còn thiết bị ghép DC được trình bày ở bài Inverter hybrid.

Bộ DC-DC hai chiều cho pin lưu trữ

Với ứng dụng không cách ly, bộ DC-DC hai chiều nối pin vào thanh cái DC.[4] Tính hai chiều cho phép bộ DC-DC làm bộ sạc pin ở chế độ buck.[4] Inverter hybrid Sungrow SH5.0RS nhận điện áp pin từ 80 V đến 460 V.[24] Bộ biến đổi này được trình bày ở bài Bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều.

Cầu chủ động kép DAB có cách ly

Cầu chủ động kép (Dual Active Bridge, DAB) là cấu trúc phổ biến cho bộ DC-DC hai chiều hiệu năng cao.[25] Cấu trúc DAB gồm hai mạch cầu đầy đủ nối với nhau qua một máy biến áp cách ly tần số cao.[25] Ở hệ lưu trữ dân dụng dùng pin 48 V, bộ DC-DC phải cách ly điện giữa thanh cái DC cao áp và pin.[25]

Mục 9 trình bày cách đọc cấu trúc liên kết trên datasheet và các yêu cầu an toàn đi kèm.

Dòng Topology trên datasheet

Bảng dưới trích một số dòng trên trang thông số Huawei SUN2000-150K-MG0.[6]

Đo điện trở cách điện trước khi hòa lưới

Trước khi vận hành, inverter không biến áp phải đo điện trở cách điện của dãy pin và chỉ nối lưới khi đạt mức tối thiểu.[7] Inverter không biến áp phải đo Riso trước khi hòa lưới, còn trong lúc chạy việc giám sát do RCMU đảm nhận.[8] Với inverter không cách ly, cách ly của thiết bị ngắt tự động phải được kiểm tra tự động trước khi inverter chạy.[2]

Giám sát dòng dư RCMU

Ngưỡng dòng dư 300 mA cho inverter từ 30 kVA trở xuống là yêu cầu IEC 62109-2, được trích lại trong báo cáo của Sandia về ngưỡng ngắt RCD.[26] Inverter Fronius Symo ngắt khỏi lưới trong 0,3 s khi dòng dư vượt 300 mA.[27] Inverter không biến áp phải ngắt chậm nhất khi dòng dư tăng đột ngột 30 mA, theo IEC 62109-2 được trích lại trong tài liệu của SMA.[19] Inverter Fronius Symo ngắt trong 300 ms khi dòng dư tăng đột ngột 30 mA.[27] Bộ giám sát được trình bày ở bài RCMU.

Ví dụ tính điện áp liên kết DC tối thiểu

Inverter hybrid Sungrow SH5.0RS có điện áp AC định mức 220 V / 230 V / 240 V.[24] Điện áp hiệu dụng của sóng sin bằng biên độ chia cho √2, tức bằng 0,707 lần giá trị đỉnh.[28][29] Ví dụ cho lưới 220 V:

1. Điện áp đỉnh của lưới: 220 × 1,414 = 311 V.
2. Inverter nửa cầu cần điện áp liên kết DC gấp đôi điện áp đỉnh[16]: 2 × 311 = 622 V.
3. Khóa nửa cầu chịu điện áp gấp đôi khóa cầu H đầy đủ,[5] nên mức tương ứng của cầu H là 622 / 2 = 311 V.

Với tấm pin có điện áp ra thấp, hệ dùng bộ tăng áp DC-DC.[5]

Các mục trên trả lời phần lớn câu hỏi thường gặp, được gom lại ở mục 10.