Gợn sóng điện áp DC (DC voltage ripple) là gì?

Gợn sóng điện áp DC theo định nghĩa của IEC 61000-4-17

IEC 61000-4-17 tách một điện áp DC không phẳng thành hai phần: thành phần một chiều và phần dao động còn lại. Phần dao động còn lại chính là gợn sóng. IEC 61000-4-17 áp dụng cho cổng nguồn DC hạ áp của thiết bị được cấp điện từ hệ chỉnh lưu bên ngoài. Gợn sóng trong phạm vi IEC 61000-4-17 là gợn do hệ chỉnh lưu hoặc bộ sạc ắc quy phụ trợ chồng lên nguồn DC.[1] Bản hợp nhất IEC 61000-4-17:1999+AMD1:2001+AMD2:2008 là ấn bản 1.2, phát hành ngày 28/01/2009, ngày ổn định ghi năm 2027. Phạm vi của IEC 61000-4-17 là phương pháp thử miễn nhiễm với gợn sóng tại cổng nguồn DC của thiết bị điện và điện tử.[5]

Giá trị đỉnh-đỉnh, giá trị hiệu dụng và phần trăm

Giá trị đỉnh-đỉnh, tiếng Anh là peak-to-peak, viết tắt Vpp, là hiệu giữa điện áp lớn nhất và nhỏ nhất trong một chu kỳ gợn sóng. Nhóm tác giả Guo dùng đúng cách tính này: ΔVpv bằng vpv(max) trừ vpv(min).[3] Giá trị hiệu dụng, tiếng Anh là root mean square, viết tắt RMS, là cách đọc của đồng hồ vạn năng ở chế độ AC.[11] IEC 61000-4-17 quy mức thử theo phần trăm đỉnh-đỉnh so với điện áp DC danh định.[1]

Với gợn sóng dạng sin, giá trị đỉnh-đỉnh bằng 2√2 lần giá trị hiệu dụng, tức khoảng 2,83 lần (số tự tính). Gợn sóng thực tế ít khi là hình sin chuẩn, nên phép quy đổi này chỉ dùng để ước lượng.

Gợn sóng điện áp DC xuất hiện ở đâu trong hệ điện mặt trời

Gợn sóng điện áp DC xuất hiện ở ba vị trí chính. Vị trí thứ nhất là thanh cái DC bên trong biến tần, nơi tụ DC-link làm việc.[12] Vị trí thứ hai là dàn pin quang điện, khi gợn sóng lan ngược về đầu vào biến tần.[13] Vị trí thứ ba là cực pin lưu trữ, khi pin cấp điện cho tải xoay chiều qua biến tần.[11] Cách dàn pin tạo ra điện áp DC đầu vào được giải thích ở bài điện áp đầu vào.

Quá trình chỉnh lưu và chu kỳ nạp xả của tụ lọc

Bộ chỉnh lưu, tiếng Anh là rectifier, dùng điốt đổi điện xoay chiều thành điện một chiều, sau đó tụ lọc san phẳng điện áp. Khi không có tải, điện áp DC ra bằng giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều đã chỉnh lưu. Trong khoảng điốt không dẫn, tụ lọc một mình cấp dòng cho tải, nên điện áp tụ giảm dần tới lần nạp kế tiếp. ST ghi gợn sóng ra của các mạch chỉnh lưu đơn giản là quá cao cho phần lớn ứng dụng.[6] Với biến áp nguồn 50 Hz hoặc 60 Hz, điện áp sau chỉnh lưu là điện áp DC mang gợn 100 Hz hoặc 120 Hz.[14]

Quá trình chuyển mạch trong nguồn xung (SMPS)

Nguồn xung, tiếng Anh là switch-mode power supply, viết tắt SMPS, đóng cắt transistor liên tục để biến đổi điện áp. Analog Devices định nghĩa gợn sóng ra của bộ ổn áp chuyển mạch là điện áp xoay chiều dư gắn chặt với hoạt động đóng cắt. Tần số cơ bản của gợn sóng này bằng tần số đóng cắt của bộ ổn áp.[15] Dostal ghi nhiễu từ tần số đóng cắt thường nằm trong khoảng 500 kHz đến 3 MHz. Nhiễu do sườn chuyển mạch thường nằm cao hơn, trong khoảng 50 MHz đến 200 MHz.[16]

Tải lớn và tụ lọc nhỏ làm gợn sóng tăng

ST ghi biên độ gợn sóng tỉ lệ thuận với dòng tải và tỉ lệ nghịch với điện dung tụ lọc. Dòng tải lớn làm đường xả của tụ dốc hơn, nên thời gian điốt dẫn và gợn sóng cùng tăng.[6] Công thức tụ DC-link của TI cho cùng xu hướng: gợn đỉnh-đỉnh tăng theo công suất và giảm khi điện dung tăng.[7] Vì vậy, một bộ nguồn chạy gần công suất định mức cho gợn sóng lớn hơn lúc tải nhẹ.

Dao động công suất 100 Hz của biến tần một pha

Biến tần một pha tạo gợn sóng 100 Hz vì công suất tức thời phát lên lưới dao động ở hai lần tần số lưới.[3] Dàn pin hoặc pin lưu trữ cấp công suất gần như không đổi, nên phần chênh lệch phải đi qua tụ DC-link. Tụ DC-link, tiếng Anh là DC-link capacitor, là tụ đặt trên thanh cái DC để cân bằng chênh lệch công suất tức thời giữa nguồn và tải.[12] Tụ nạp và xả theo nhịp 100 Hz, và điện áp DC dao động theo.[7] Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia Việt Nam là 50 Hz.[17] Do đó, gợn sóng chính trên phía DC của biến tần một pha tại Việt Nam có tần số 100 Hz.

Biến tần ba pha cân bằng có gợn sóng 100 Hz nhỏ hơn nhiều

Với hệ ba pha, gợn sóng ở hai lần tần số lưới nhỏ hơn nhiều so với hệ một pha.[2] Mohamadian và cộng sự xếp dao động dòng và áp tần số bậc hai vào đặc điểm của biến tần điện mặt trời một pha nối lưới.[13]

Biến tần một tầng và hai tầng khác nhau ở đâu

Biến tần một tầng nối dàn pin thẳng vào thanh cái DC, nên gợn sóng ở hai lần tần số lưới nằm ngay trên điện áp dàn pin.[3] Biến tần hai tầng đặt một bộ biến đổi DC/DC tăng áp giữa dàn pin và thanh cái DC. Mohamadian và cộng sự điều khiển bộ tăng áp này để giảm tụ tách công suất tại đầu ra dàn pin.[13] Ertasgin và cộng sự dẫn một cấu hình hai tầng có thêm mạch phụ xử lý gợn sóng. Mạch phụ này cho phép dùng tụ màng tích trữ ít năng lượng hơn tụ điện phân.[2]

Gợn sóng phía pin khi biến tần cấp tải xoay chiều

Gợn sóng phía pin xuất hiện khi nguồn là pin DC và tải là thiết bị xoay chiều. Victron mô tả điện áp DC lên xuống 100 lần mỗi giây, tức 100 Hz. Cơ chế gây gợn sóng gắn trực tiếp với sụt áp trên cáp DC khi hệ mang tải. Sụt áp của cả hệ, và gợn sóng, còn lớn hơn khi dùng pin axit chì quá nhỏ, quá cũ hoặc hỏng.[11]

Gợn sóng và nhiễu khác nhau về tần số và hình dạng

TDK-Lambda gọi chung hai đại lượng là PARD, viết tắt của Periodic And Random Disturbances, tức nhiễu tuần hoàn và ngẫu nhiên. Tần số gợn sóng ra chủ yếu do tần số đóng cắt của bộ nguồn quyết định. Các xung nhiễu cao tần sinh ra từ thời gian lên và xuống ngắn của xung đóng cắt.[8] Analog Devices gọi phần nhiễu này là quá độ chuyển mạch, tiếng Anh là switching transients, tức dao động cao tần xảy ra trong lúc chuyển mạch.[15]

Đo gợn sóng và nhiễu theo đỉnh-đỉnh, băng thông 20 MHz

Intel định nghĩa gợn sóng và nhiễu là tín hiệu tuần hoàn hoặc ngẫu nhiên trong dải 10 Hz đến 20 MHz. Intel yêu cầu đo bằng máy hiện sóng có băng thông 20 MHz. Ngõ ra được nối tụ gốm 0,1 μF và tụ điện phân 10 μF tại đầu nối để mô phỏng tải của hệ thống.[9] Analog Devices ghi việc chỉnh băng thông máy hiện sóng về 20 MHz loại bỏ phần nhiễu cao tần khỏi số đo.[15]

Đầu đo và dây nối đất quyết định độ tin cậy của số đo

Analog Devices khuyên tránh vòng đất bằng cách bỏ dây nối đất dài của đầu đo. Đầu đo 10× làm tín hiệu nhỏ đi 10 lần, nên gợn sóng mức thấp dễ chìm vào nền nhiễu của máy hiện sóng. Cách đo tốt nhất là cáp đồng trục 50 Ω có điện trở đầu cuối, hàn sát tụ ngõ ra.[15] TDK-Lambda lưu ý chưa có một phương pháp đo gợn sóng và nhiễu được chấp nhận chung. JEITA-RC9131A là một trong các phương pháp đo đã được chuẩn hóa.[8]

Lọc gợn sóng và lọc nhiễu cần linh kiện khác nhau

Analog Devices khuyên dùng tụ điện phân lớn làm kho điện tích cho nhiễu tần số thấp. Nhiễu nguồn tần số cao được giảm tốt nhất bằng tụ gốm dán bề mặt có điện cảm thấp.[18] Với nhiễu cao tần của nguồn xung, thêm tụ gần như không làm giảm nhiễu, nên cần tầng lọc thứ hai.[19] Các biện pháp cụ thể nằm ở mục 7.

Dòng gợn qua ESR gây tổn hao I²R và làm tụ nóng

Điện trở nối tiếp tương đương, tiếng Anh là equivalent series resistance, viết tắt ESR, là phần điện trở sinh nhiệt khi dòng gợn chạy qua tụ. TDK ghi tụ điện phân nhôm có ESR lớn, nên tổn hao nhiệt cao khi có dòng gợn. Nhiệt độ bên trong tăng lên làm ngắn tuổi thọ tụ.[4] Dòng gợn, tiếng Anh là ripple current, là dòng xoay chiều đi vào và đi ra khỏi tụ khi tụ làm việc. Công suất tiêu tán trên tụ tính theo Pdis = Irms² × ESR, với Irms là dòng gợn hiệu dụng. Độ tăng nhiệt ổn định của tụ bằng Irms² × ESR × Rth, với Rth là nhiệt trở tính bằng °C/W.[10] Tụ có ESR 0,05 Ω chịu dòng gợn hiệu dụng 5 A tiêu tán 5² × 0,05 = 1,25 W (số tự tính, giá trị giả định).

Tuổi thọ tụ điện phân giảm một nửa khi nóng thêm 10 °C

Tốc độ mất chất điện dịch của tụ điện phân nhôm tuân theo định luật Arrhenius. Nóng thêm 10 °C làm tuổi thọ giảm một nửa, mát đi 10 °C làm tuổi thọ tăng gấp đôi.[4] Würth Elektronik ghi cùng quy tắc bằng công thức Lx = Lnom × 2^((T0 − Ta)/10). Trong công thức, Lnom là tuổi thọ danh định ở nhiệt độ tối đa cho phép T0, còn Ta là nhiệt độ môi trường quanh tụ.[20]

Điện áp làm việc cũng quyết định tuổi thọ tụ

Wang và Blaabjerg dùng mô hình tuổi thọ L = L0 × (V/V0)^(−n) × 2^((T0 − T)/10) cho cả tụ điện phân và tụ màng. Số mũ n lớn của tụ màng cho thấy tụ màng nhạy với điện áp hơn tụ điện phân. Bay hơi chất điện dịch là cơ chế hao mòn chính của tụ điện phân cỡ nhỏ.[12] Khi chất điện dịch khô đi, điện dung của tụ giảm dần.[4]

Mạch logic, vi điều khiển và bộ ADC kém tin cậy

Analog Devices ghi nhiễu trên đường nguồn làm vi mạch số giảm biên nhiễu và có thể tăng rung pha xung nhịp, tiếng Anh là clock jitter. Với bộ chuyển đổi tương tự số ADC tốc độ cao, nhiễu nguồn làm tăng các tín hiệu giả cao tần và các sản phẩm xuyên điều chế.[18] Biên nhiễu là khoảng an toàn giữa mức điện áp logic và ngưỡng cổng logic đổi trạng thái. Vi điều khiển là vi mạch số, nên biên nhiễu bị thu hẹp khi đường nguồn có gợn sóng lớn. Gợn sóng của bộ ổn áp chuyển mạch có thể hiện thành một vạch phổ riêng trên phổ ngõ ra của ADC.[15]

Nhiễu âm thanh trong bộ khuếch đại

Analog Devices ghi năng lượng không mong muốn trên đường nguồn ghép thẳng ra ngõ ra của bộ khuếch đại.[18] Với bộ khuếch đại âm thanh số PurePath của TI, gợn 100 Hz hoặc 120 Hz tạo các dải biên cách âm gốc 100 Hz hoặc 120 Hz. TI cũng ghi nhiễu quá mức trên điện áp nguồn bị nhân lên tín hiệu âm thanh. Với nguồn xung, gợn sóng nằm xa trên dải âm tần nên không tạo ra âm nghe được.[14]

Điểm làm việc dao động quanh điểm công suất cực đại

Điểm công suất cực đại, tiếng Anh là maximum power point, viết tắt MPP, là điểm trên đường đặc tính dàn pin cho công suất lớn nhất. Dao động công suất 100 Hz kéo điểm làm việc của dàn pin ra xa điều kiện MPPT mong muốn.[3] Mọi dao động quanh MPP đều làm giảm công suất trung bình của dàn pin, vì công suất chỉ lớn nhất tại đúng một điểm.[21]

Thuật toán MPPT không bù được tổn thất do gợn sóng

Ertasgin và cộng sự kết luận rằng phần công suất giảm do dao động không thể được MPPT bù lại.[2] Tụ điện phân lớn có hằng số thời gian lớn cũng làm MPPT bám điểm cực đại chậm hơn.[3]

Hệ số tận dụng kPV đo tổn thất do gợn sóng

Hệ số tận dụng, tiếng Anh là utilization factor, ký hiệu kPV, bằng công suất trung bình dàn pin phát ra chia cho công suất tại MPP. Mohamadian và cộng sự ghi rằng kPV không nên thấp hơn 0,98, để sai số của phép xấp xỉ Taylor nằm trong giới hạn cho phép. Nhóm tác giả xét chuỗi sáu tấm BP Solar BP4170B, mỗi tấm 170,88 W. Với kPV bằng 0,98, gợn sóng cho phép lớn nhất ở đầu ra chuỗi là 25,65 V.[13] Kjaer từng dùng khai triển Taylor để ước lượng gợn sóng cho phép ứng với mức giảm công suất 0,1 % đến 2 %.[2]

Số đo thực nghiệm: 4 V cho 99,5 %, 12 V cho 98,6 %

Guo và cộng sự đo trên bộ mô phỏng dàn pin Chroma, với công suất tại MPP 2,5 kW, lưới 220 V và 50 Hz. Phương pháp đề xuất cho gợn sóng DC-link 4 V và hiệu suất MPPT tĩnh trung bình 99,5 %. Cách làm thông thường dùng tụ 2.500 μF, biên độ gợn 12 V, hiệu suất MPPT tĩnh 98,6 %. Hiệu suất MPPT động của cách làm thông thường là 97,4 %, so với 99,1 % của phương pháp đề xuất.[3]

Hiệu suất MPPT được đo theo EN 50530

EN 50530 quy định cách đo độ chính xác MPPT của biến tần nối lưới, gồm hiệu suất MPPT tĩnh và hiệu suất MPPT động. Hiệu suất tổng của biến tần theo EN 50530 được tính từ hiệu suất MPPT tĩnh và hiệu suất chuyển đổi. EN 50530:2010 có hiệu lực từ 07/06/2010, sửa đổi A1:2013 có hiệu lực từ 02/04/2013.[22] Ở cấp IEC, IEC 62891:2020 ấn bản 1.0, phát hành ngày 15/07/2020, cũng quy định cách đo hiệu suất MPPT tĩnh và động.[23] Hiệu suất chuyển đổi đỉnh được giải thích ở bài hiệu suất tối đa.

Gợn sóng phía pin tăng theo sụt áp trên đường dây DC

Gợn sóng phía pin tăng khi dòng lớn chạy qua cáp mảnh, vì dòng lớn gây sụt áp lớn. Sụt áp của cả hệ còn lớn hơn khi pin axit chì quá nhỏ, quá cũ hoặc hỏng.[11] Vì vậy, cùng một biến tần có thể đo ra gợn sóng khác nhau ở hai công trình có cáp và pin khác nhau.

Nhiệt sinh ra trong pin phụ thuộc tần số gợn

Ở tần số thấp, dòng qua điện trở chuyển điện tích Rct chiếm phần lớn nhiệt sinh ra trong pin. Với cùng biên độ dòng, các tần số kích thích khác nhau sinh ra lượng nhiệt khác nhau. Uddin và cộng sự cũng ghi rằng bộ sạc chỉnh lưu từ lưới tạo nhiễu ở bậc hai lần tần số lưới.[24]

Kết quả thử già hóa pin lithium với dòng xoay chiều chồng lên

Uddin và cộng sự thử 15 pin 18650 loại 3 Ah, cực dương NCA, ở 25 °C trong 1.200 chu kỳ. Dòng gợn đỉnh-đỉnh giữ ở 1,2C, với các tần số 10 Hz, 55 Hz, 254 Hz và 14,8 kHz. Pin chịu gợn 14,8 kHz suy giảm dung lượng thêm khoảng 2,4 % so với pin chỉ sạc xả DC.[24] Luận án của Soares thử pin lithium cỡ lớn với dòng xoay chiều 1 Hz, 100 Hz và 1 kHz trong khoảng 2.000 chu kỳ. Soares không ghi nhận ảnh hưởng xấu của dòng xoay chiều lên mức suy giảm dung lượng và công suất.[25]

Gợn sóng còn làm giảm công suất sạc và tuổi thọ thiết bị DC

Victron ghi bốn hậu quả của gợn sóng phía pin.[11] Tuổi thọ biến tần giảm, tuổi thọ các thiết bị DC khác giảm, pin lão hóa sớm, và công suất sạc giảm khi có gợn sóng lúc sạc. Các linh kiện bán dẫn đóng cắt nhanh cũng tạo dòng gợn trên thanh cái DC điện áp cao của xe điện.[26]

Dùng tụ lọc lớn hơn và tụ có ESR thấp

Tăng điện dung tụ lọc làm gợn sóng giảm, vì gợn sóng tỉ lệ nghịch với điện dung tụ lọc.[6] Analog Devices ghi điện dung lớn thường được dùng để giảm gợn sóng ra của bộ ổn áp chuyển mạch. Tụ có ESR thấp giảm gợn sóng ra, và tụ gốm điện môi X5R hoặc X7R là lựa chọn tốt.[15] Theo công thức tổn hao ở mục 4, tụ ESR thấp còn sinh ít nhiệt hơn với cùng dòng gợn.

Thêm mạch lọc LC nhiều tầng

Mạch lọc LC gồm cuộn cảm nối tiếp và tụ song song, hoạt động như bộ lọc thông thấp đặt sau nguồn. ST ghi bộ lọc có thêm cuộn cảm sau chỉnh lưu giảm được gợn dư 40 dB, đổi lại cuộn cảm thường đắt và cồng kềnh.[6] Mức giảm 40 dB tương ứng biên độ gợn giảm 100 lần (số tự tính). Dostal mô tả tầng LC thêm sau bộ hạ áp buck tạo cực kép trong miền tần số và làm suy giảm gợn sóng ở ngõ ra.[16] Tompsett ghi tầng lọc thứ hai đưa gợn sóng ra xuống vài trăm μV đỉnh-đỉnh. Tầng lọc này cần giảm chấn, vì mạch cộng hưởng LC không giảm chấn có thể làm nguồn dao động và mất ổn định.[19]

Dùng mạch ổn áp: diode Zener, bộ ổn áp tuyến tính và LDO

ST giới thiệu mạch ổn áp Zener cơ bản, đủ dùng cho tải đến khoảng 50 mA. ST cũng mô tả mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor, với điện áp ra thấp hơn điện áp Zener khoảng 600 mV đến 700 mV. Vi mạch ổn áp như L78xx và L79xx tích hợp sẵn mạch giới hạn dòng và bảo vệ nhiệt.[6] Bộ ổn áp sụt áp thấp, tiếng Anh là low-dropout regulator, viết tắt LDO, là bộ ổn áp tuyến tính giúp cách ly tải khỏi nguồn bẩn. Khả năng chặn gợn của LDO ghi bằng tỉ số loại bỏ nhiễu nguồn, tiếng Anh là power supply rejection ratio, viết tắt PSRR. Morita viết PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT), với VEIN và VEOUT là tín hiệu lạ ở ngõ vào và ngõ ra. PSRR thay đổi theo tần số và có thể chỉ còn khoảng 20 dB ở vài chục kHz.[27] PSRR 20 dB nghĩa là gợn ra còn một phần mười gợn vào (số tự tính).

Dùng nguồn tuyến tính cho thiết bị cần điện áp sạch

Tompsett ghi nguồn xung từ lâu bị tránh trong mạch analog hiệu năng cao, nơi bộ ổn áp tuyến tính chiếm ưu thế.[19] Morita ghi nguồn xung phổ biến trong hệ thống cần hiệu suất cao, còn LDO làm sạch đường nguồn cấp cho mạch analog nhạy.[27] Vì vậy, nhiều thiết kế dùng nguồn xung cho hiệu suất, rồi thêm ổn áp tuyến tính ở tầng cuối cho tải cần điện áp sạch.

Tính đủ điện dung tụ DC-link trong biến tần

Tụ DC-link cần điện dung tối thiểu bằng công suất chia cho tích 2π, tần số lưới, điện áp DC và gợn sóng đỉnh-đỉnh. Thiết kế tham chiếu TI TIDUF63A cho biến tần vi mô 1,6 kW ghi công thức điện dung DC-link như sau:

C_DC ≥ P_OUT / (2π × f_line × V_OUT × V_ripple)

Trong công thức, POUT là công suất lớn nhất, fline là tần số lưới, VOUT là điện áp DC danh định và Vripple là gợn sóng đỉnh-đỉnh. TI ghi rõ gợn sóng điện áp trên tụ DC-link có tần số gấp đôi tần số lưới.[7]

Công thức năng lượng cho cùng kết quả

Ertasgin và cộng sự viết quan hệ gợn sóng theo năng lượng tích trữ: Δv / VMPP = PMPP / (2ωE0).[2] Trong đó E0 là năng lượng trung bình trong tụ DC-link và ω là tần số góc của lưới. Thay E0 bằng ½CV², quan hệ năng lượng cho đúng công thức của TI (số tự tính). Hai nguồn độc lập vì vậy thống nhất về cách tính điện dung.

Điện dung tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp DC

Khi gợn sóng được giới hạn theo phần trăm, ΔV tăng cùng điện áp DC. Thay ΔV bằng tỉ lệ phần trăm nhân V, điện dung cần thiết tỉ lệ nghịch với V² (số tự tính). Gấp đôi điện áp thanh cái DC giảm điện dung cần thiết còn một phần tư, với cùng công suất và cùng phần trăm gợn (số tự tính).

Số liệu kiểm chứng từ hệ thử 2,5 kW

Guo và cộng sự tính cho hệ một pha một tầng 2,5 kW, điện áp DC từ 350 V đến 550 V. Gợn sóng cho phép dưới 2 % điện áp danh định. Kết quả điện dung DC-link tối thiểu là 3.248 μF. Lưới thử nghiệm của nhóm tác giả có tần số 50 Hz.[3] Guo và cộng sự không ghi rõ mức điện áp đã thay vào công thức. Áp công thức TI với 2.500 W, mức thấp nhất 350 V và ΔV bằng 7 V cho đúng khoảng 3.248 μF (số tự tính).

Chọn tụ điện phân hay tụ màng cho DC-link

Tụ điện là một trong các linh kiện nổi bật về tỉ lệ hỏng khi vận hành thực tế. Vì vậy, loại tụ DC-link ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ biến tần. Tụ điện phân nhôm, tiếng Anh là aluminium electrolytic capacitor, đạt mật độ năng lượng cao nhất và chi phí trên mỗi joule thấp nhất. Đổi lại, tụ điện phân nhôm có ESR cao và khả năng chịu dòng gợn thấp hơn. Tụ màng polypropylene kim loại hóa, tiếng Anh là metallized polypropylene film capacitor, viết tắt MPPF, có hiệu năng cân bằng cho ứng dụng điện áp cao. Nhược điểm của tụ màng là thể tích lớn và nhiệt độ làm việc tối đa chỉ ở mức vừa phải.[12] Guo và cộng sự ghi rằng tụ điện phân thường được chọn vì tụ màng và tụ gốm đắt hơn.[3] Mohamadian và cộng sự ghi rằng điện dung tách công suất nhỏ cho phép dùng tụ màng, giúp tăng tuổi thọ dự kiến.[13]

Tách công suất chủ động thay cho tụ lớn

Tách công suất chủ động, tiếng Anh là active power decoupling, viết tắt APD, dùng mạch phụ để hấp thụ công suất 100 Hz thay cho tụ lớn. Với APD, tụ điện phân cồng kềnh trên DC-link có thể thay bằng tụ màng nhỏ hơn. Nhóm Guo dùng nhánh cộng hưởng LC 1.400 μF và 1,81 mH, kèm tụ DC-link chính 200 μF.[3]

Phía pin: rút ngắn cáp, tăng tiết diện và kiểm tra đầu nối

Victron khuyên giảm điện trở trên đường từ pin tới biến tần để giảm gợn sóng phía pin. Các bước gồm dùng cáp pin ngắn hơn, dùng cáp to hơn, siết đầu nối lỏng và làm sạch tiếp điểm bẩn. Pin quá nhỏ, quá cũ hoặc hỏng cũng cần được kiểm tra hoặc thay.[11]

Giới hạn gợn sóng và nhiễu của nguồn máy tính ATX theo Intel

Intel quy định giới hạn gợn sóng và nhiễu tại mục 4.2.5 của tài liệu thiết kế nguồn ATX phiên bản 3, bản 2.1a tháng 11/2023. Giới hạn trong Bảng 4-6 của tài liệu là bắt buộc, đo trong dải 10 Hz đến 20 MHz.[9]

Ngưỡng ATX áp dụng cho nguồn máy tính, không phải giới hạn cho biến tần hay pin lưu trữ.

Thông số ripple and noise trên nhãn bộ nguồn và bộ sạc

Thông số ripple and noise trên datasheet bộ nguồn thường ghi theo milivolt đỉnh-đỉnh. Một số thông số kèm điều kiện băng thông máy hiện sóng, và phép đo cần dùng tải chuẩn.[8] Bộ sạc và adapter là bộ nguồn DC, nên con số ripple and noise của bộ sạc đọc theo cùng cách. Số càng nhỏ, điện áp ra càng phẳng, với điều kiện hai bộ nguồn đo cùng băng thông và cùng tải.

Ngưỡng cảnh báo gợn sóng phía pin của Victron

Victron công bố ngưỡng gợn sóng phía pin theo volt hiệu dụng, đo ở chế độ AC của đồng hồ vạn năng. Mức cảnh báo sớm cho biến tần tắt sau 20 phút, mức báo động cho biến tần tắt sau 3 giây.[11]

Mức thử miễn nhiễm của IEC 61000-4-17

IEC 61000-4-17 có bốn mức thử: 2 %, 5 %, 10 % và 15 % điện áp DC danh định, tính theo đỉnh-đỉnh. Tần số gợn khi thử bằng tần số lưới hoặc bội 2, 3, 6 của tần số lưới, do ban kỹ thuật sản phẩm chọn. Dạng sóng gợn ở ngõ ra máy phát thử có dạng sin tuyến tính.[1] Hướng dẫn máy phát thử của Keysight ghi cùng bốn mức 2 %, 5 %, 10 % và 15 %.[28] Mức thử miễn nhiễm cho biết thiết bị chịu được gợn sóng đến đâu khi thử, không phải giới hạn gợn sóng biến tần tạo ra.

Bảng gợn sóng điện áp DC trên tài liệu của các hãng

Ertasgin và cộng sự viết trong bài báo năm 2019 rằng chưa có tiêu chuẩn quốc tế nào về dao động 100 Hz trên DC-link.[2] Bảng dưới tổng hợp nội dung về gợn sóng trên tài liệu của từng hãng.

Gợn sóng phụ thuộc cả biến tần lẫn cách lắp đặt

Gợn sóng điện áp DC phụ thuộc công suất, điện dung và điện áp làm việc, theo công thức tụ DC-link ở mục 7. Phía pin, gợn sóng còn phụ thuộc cáp và tình trạng pin của từng công trình.[11] Khi datasheet không ghi gợn sóng, người lắp đặt cần đọc hướng dẫn sử dụng hoặc hỏi bộ phận kỹ thuật của hãng.

"Ripple control" trên datasheet không phải gợn sóng DC

Chữ "Ripple control" trên datasheet Sungrow SG5.0RS-ADA nằm ở dòng cổng giao tiếp, cạnh DRM.[29] Bộ thu ripple control nhận xung tín hiệu tần số âm thanh chồng lên điện áp lưới phân phối, rồi thực hiện thao tác đóng cắt. IEC 62054-11:2004 quy định yêu cầu thử điển hình cho bộ thu này, bản hợp nhất hiện hành kèm sửa đổi AMD1:2016.[35] Ở chế độ Ripple Control, biến tần Sungrow nhận lệnh của đơn vị vận hành lưới qua tiếp điểm khô, với 16 tổ hợp ngõ vào số.[36] SMA cho phép nối bộ thu ripple control của đơn vị vận hành lưới vào biến tần Sunny Tripower Storage X qua mô-đun I/O.[37]

Gợn sóng điện áp DC khác điện áp DC định mức

Điện áp DC định mức là mức điện áp làm việc hãng công bố, ví dụ 360 V của Sungrow SG5.0RS-ADA và 580 V của SMA Sunny Tripower X.[29][30] Gợn sóng điện áp DC là phần dao động quanh mức đó. Datasheet ghi điện áp DC định mức không cho biết biên độ gợn sóng quanh mức này. Chi tiết về điện áp danh định nằm ở bài Điện áp DC đầu vào danh định trong cùng loạt thuật ngữ.

Đo bằng đồng hồ vạn năng khi biến tần chạy đầy tải

Victron hướng dẫn chọn chế độ AC trên đồng hồ vạn năng để đo gợn sóng phía pin. Số đọc ở chế độ AC là giá trị hiệu dụng, khớp với cách Victron ghi ngưỡng cảnh báo. Gợn sóng chỉ thấy rõ khi biến tần cấp đầy tải hoặc bộ sạc sạc ở dòng lớn. Phần mềm VEConfigure của Victron cũng ghi lại gợn sóng trong quá trình vận hành.[11] Phép đo lúc tải nhẹ dễ cho kết quả thấp hơn mức xấu nhất.

Câu hỏi cần gửi nhà cung cấp

1. Biến tần là loại một tầng hay hai tầng, và tụ DC-link là tụ điện phân hay tụ màng?
2. Hãng có công bố gợn sóng điện áp DC phía dàn pin hoặc phía pin ở công suất định mức không?
3. Biến tần có ngưỡng cảnh báo gợn sóng phía pin như Victron không, và ngưỡng bao nhiêu volt hiệu dụng?
4. Tiết diện và chiều dài cáp pin tối đa hãng khuyến nghị là bao nhiêu?
5. Nhiệt độ làm việc của tụ DC-link khi biến tần chạy đầy tải là bao nhiêu? Câu hỏi này cần cho phép tính tuổi thọ theo quy tắc 10 °C.[20]

Bước 1: dữ liệu đầu vào của ví dụ

Ví dụ dùng công thức của TI và đối chiếu với số liệu của Guo. Cấu hình một tầng 5 kW là giả định minh họa, không phải thiết kế của một hãng cụ thể. Giả định biến tần một pha một tầng, công suất 5.000 W, nối lưới 50 Hz. Điện áp DC làm việc chọn 360 V, bằng điện áp DC định mức in trên datasheet Sungrow SG5.0RS-ADA.[29] Gợn sóng cho phép chọn 2 % đỉnh-đỉnh, bằng mức Guo và cộng sự dùng khi tính tụ.[3] Vậy ΔV bằng 2 % × 360 = 7,2 V (số tự tính).

Bước 2: tính điện dung tối thiểu

Áp công thức TI: C ≥ 5.000 / (2π × 50 × 360 × 7,2).[7] Mẫu số bằng khoảng 814.300, nên C tối thiểu khoảng 6,14 mF, tức 6.140 μF (số tự tính). Cùng công thức với số liệu của Guo cho 3.248 μF, khớp kết quả nhóm tác giả công bố.[3]

Bước 3: so ba mức gợn sóng 1 %, 2 % và 5 %

Số tự tính theo công thức TI,[7] công suất 5.000 W, tần số lưới 50 Hz, điện áp DC 360 V.

Giảm gợn sóng từ 2 % xuống 1 % làm điện dung tăng gấp đôi. Giả sử biến tần dùng tụ 2.500 μF như cấu hình thông thường của Guo. Gợn sóng ở 5 kW và 360 V khi đó khoảng 17,7 V, tức gần 4,9 % (số tự tính).

Bước 4: ước tuổi thọ tụ điện phân theo nhiệt độ

Giả định tụ điện phân có tuổi thọ danh định 5.000 giờ ở 105 °C, một mức giả định để minh họa. Theo công thức Würth, tụ làm việc ở 75 °C đạt khoảng 5.000 × 2³ = 40.000 giờ (số tự tính). Ở 65 °C, tuổi thọ dự kiến tăng lên khoảng 80.000 giờ (số tự tính). Dòng gợn 100 Hz còn làm tụ tự nóng thêm, nên tuổi thọ thực tế có thể ngắn hơn bảng ước tính.[4]

Số tự tính theo công thức Lx = Lnom × 2^((T0 − Ta)/10),[20] với Lnom 5.000 giờ và T0 105 °C là giả định.

Bước 5: ước tổn thất MPPT theo số đo thực nghiệm

Guo và cộng sự đo chênh lệch 0,9 điểm phần trăm hiệu suất MPPT tĩnh giữa gợn 12 V và gợn 4 V, trên hệ thử 2,5 kW.[3] Trên chính hệ thử 2,5 kW, mức chênh này tương ứng khoảng 22,5 W (số tự tính). Nếu biến tần 5 kW có cùng mức chênh hiệu suất MPPT tĩnh, phần công suất chênh là khoảng 45 W (số tự tính). Guo và cộng sự không đo ở 5 kW, nên con số 45 W chỉ để hình dung cỡ tổn thất. Tổn thất thực tế phụ thuộc đường đặc tính của dàn pin và biên độ gợn tại chỗ.[13]

Bước 6: kiểm gợn sóng phía pin 48 V

Giả định hệ dùng pin 48 V và theo ngưỡng của Victron: cảnh báo sớm ở 3,00 Vrms, báo động ở 5,00 Vrms. Nếu gợn có dạng sin, 3,00 Vrms tương ứng khoảng 8,5 V đỉnh-đỉnh, tức khoảng 17,7 % của 48 V (số tự tính). Đo được dưới 3,00 Vrms ở đầy tải nghĩa là hệ chưa chạm ngưỡng cảnh báo sớm của Victron. Đo vượt ngưỡng nghĩa là cần rút ngắn cáp, tăng tiết diện cáp, siết đầu cos và kiểm tra pin.[11]