Inverter không biến áp (Transformerless inverter) là gì?

Định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 62109-2

Tiêu chuẩn IEC 62109-2 là phần 2 của bộ tiêu chuẩn an toàn cho bộ chuyển đổi công suất trong hệ quang điện, dành riêng cho biến tần.[1] Do không có cách ly điện giữa dàn pin và lưới, biến tần không biến áp có dòng rò lớn, chủ yếu chạy qua điện dung ký sinh.[6] Nội dung tổng quát của tiêu chuẩn có ở bài IEC 62109-2.

Biến tần có cách ly đặt biến áp ở đâu?

Biến tần có cách ly dùng một trong hai cách: biến áp tần số cao ở phía một chiều, hoặc biến áp tần số thấp ở phía xoay chiều.[10] Biến áp cách ly giúp tăng mức an toàn chung của hệ thống.[10] Cách ly ở phía lưới cần một biến áp xoay chiều lớn và nặng.[11] Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến áp có ở bài Máy biến áp.

Mạch biến tần nằm trên đường đi của dòng sự cố

Với biến tần không cách ly, mạch điện tử của biến tần nằm trên đường dòng sự cố đi từ dàn pin tới điểm nối đất của lưới.[1] Vì vậy, điểm nối đất phía lưới không biến một dàn pin không nối đất thành dàn pin có nối đất.[1] Trong biến tần không cách ly, chỉ có thiết bị ngắt tự động bắt buộc ngăn cách người làm việc trên mạch lưới với điện áp của dàn pin.[1]

Bỏ biến áp làm mất lớp cách ly này, vì vậy cần xét nhà sản xuất nhận được lợi ích gì khi bỏ biến áp.

Hiệu suất tăng thêm 1% đến 2%

Khi bỏ biến áp, hiệu suất của toàn hệ điện mặt trời có thể tăng thêm khoảng 1% đến 2%.[3][11] Biến tần Fronius Symo GEN24 10.0 Plus, kiểu thiết kế "Transformerless", có hiệu suất tối đa 98,2% và hiệu suất châu Âu 97,9%.[12] Biến tần Huawei SUN2000-50KTL-M3 ghi hiệu suất tối đa 98,5% và hiệu suất châu Âu 98,0%.[5] Cách đọc chỉ số hiệu suất cao nhất có ở bài Hiệu suất tối đa.

Khối lượng, kích thước và giá thành

Biến áp cách ly là một linh kiện cồng kềnh, nặng và làm tăng giá thành của cả hệ phát điện.[7] Biến tần Fronius Symo GEN24 10.0 Plus nặng 23,38 kg, kích thước 529 × 595 × 180 mm.[12]

Xu hướng và cái giá khi bỏ biến áp

Biến tần không biến áp ngày càng chiếm phần lớn hơn trong thị trường biến tần nhờ hiệu suất cao, khối lượng nhẹ và kích thước gọn.[13] Ngành quang điện có xu hướng mạnh chuyển sang các cấu trúc không biến áp.[14][3] Đổi lại, bỏ biến áp kéo theo các hệ quả kỹ thuật.[4] Ngoài việc mất cách ly điện, dòng một chiều bơm vào lưới trở thành một rủi ro tiềm ẩn.[4]

Thiếu cách ly điện cũng dẫn tới dòng rò lớn qua điện dung ký sinh, nên phần tiếp theo giải thích cơ chế sinh dòng rò.[6]

Điện dung ký sinh giữa dàn pin và đất

Giữa dàn pin mặt trời và đất tồn tại một điện dung ký sinh lớn.[7][6] Tấm pin đặt gần bộ phận kim loại nối đất tạo thành một tụ điện, diện tích bề mặt càng lớn điện dung càng lớn.[15] Điện dung được tính theo công thức của tụ điện phẳng.[15][16]

Điện dung C (F) = ε0 × εr × Diện tích bề mặt A (m²) / Khoảng cách giữa hai bản d (m)

Theo công thức, khoảng cách d càng nhỏ, điện dung càng lớn.[16]

Điện dung ký sinh lớn cỡ nào?

Dàn pin silicon tinh thể có điện dung 60 nF đến 110 nF cho mỗi kW công suất một chiều.[8] Cột cuối của bảng nhân thêm cho một dàn pin 10 kW.

Điện dung ký sinh cao hơn khi có sương đọng trên tấm pin vào buổi sáng.[8] Điện dung ký sinh thay đổi theo điều kiện khí quyển, nên dòng rò có thể vượt giới hạn cho phép.[11]

Điện áp common-mode

Điện áp common-mode Vcm (V) = (VA + VB) / 2, với VA và VB là điện áp hai đầu ra của cầu so với cùng một điểm tham chiếu.[3][10] Điện áp common-mode do cấu trúc mạch và cách điều chế tạo ra ảnh hưởng mạnh tới dòng rò xuống đất.[3] Giữ cho Vcm không đổi làm giảm khả năng xuất hiện dòng rò.[11]

Dòng rò điện dung và mức nguy hiểm

Dòng rò điện dung sinh ra khi điện dung ký sinh của dàn pin nạp và xả theo điện áp xoay chiều.[8] Biến tần không biến áp phải ngắt khỏi lưới chậm nhất khi dòng dư nhảy bậc 30 mA.[8][9] Dòng dư xoay chiều trên 30 mA có thể nguy hiểm tới tính mạng.[8] Trên mẫu thử cầu H điều chế đơn cực, dòng rò đo được có đỉnh khoảng 6 A.[3] Trong cùng loạt thử, cấu trúc HERIC cho dòng rò hiệu dụng khoảng 22 mA.[3]

Vì dòng rò phụ thuộc mạnh vào cấu trúc mạch, nhiều cấu trúc riêng đã được đề xuất cho biến tần không biến áp.

Cầu H điều chế lưỡng cực và đơn cực

Cầu H điều chế độ rộng xung lưỡng cực tạo ra điện áp common-mode không đổi.[3] Đổi lại, hiệu suất của cầu H lưỡng cực thấp vì đầu ra chỉ có hai mức điện áp.[3] Với điều chế đơn cực, điện áp common-mode có thành phần tần số cao, dẫn tới dòng rò xuống đất lớn.[3]

Cấu trúc H5

Cấu trúc H5 tách tấm pin khỏi lưới trong khoảng thời gian dòng điện tự do (freewheeling).[7] Nhờ tách như vậy, thành phần tần số cao của điện áp common-mode bị loại bỏ.[7] Cấu trúc H5 cũng ngăn trao đổi công suất phản kháng trong trạng thái điện áp bằng không.[7]

Cấu trúc HERIC

HERIC là viết tắt của Highly Efficient and Reliable Inverter Concept, tức khái niệm biến tần hiệu suất cao và tin cậy.[3] Giống H5, cấu trúc HERIC tách tấm pin khỏi lưới trong trạng thái điện áp bằng không.[7] Cấu trúc HERIC dùng một nhánh khóa xoay chiều mắc song song.[11]

Cấu trúc H6

Cấu trúc H6D1 thêm một diode mắc song song với DC link, tạo thêm một đường cho dòng điện tự do.[7] Cấu trúc H6D2 thêm hai diode dòng tự do.[7] Với H6D2, điện áp khóa trên các khóa phía một chiều giảm xuống một nửa điện áp DC link.[7]

Cấu trúc nửa cầu NPC

Biến tần kẹp điểm trung tính NPC (neutral-point-clamped) được đề xuất từ năm 1981.[7][10] Điểm giữa của DC link nối với dây trung tính của lưới, nên dòng rò giảm mạnh.[7] Đổi lại, điện áp DC link của biến tần nửa cầu phải gấp đôi giá trị đỉnh của điện áp lưới.[7] Khi nối lưới một pha, cấu trúc nửa cầu cần DC link 700 V.[3]

Phân loại theo điện áp DC link

Các cấu trúc không biến áp tăng áp một pha chia thành bốn nhóm: DC link không đổi, DC link giả, DC link dạng xung và DC link tích hợp.[7] Trong hệ một pha, điện áp thanh cái DC thường là 400 V.[17] Trong hệ ba pha, điện áp thanh cái DC khoảng 800 V, có thể lên tới 1.500 V.[17] Vai trò của tầng điện áp trung gian này có ở bài Thanh cái DC.

Cấu trúc mạch giúp giảm dòng rò, còn các yêu cầu an toàn tối thiểu do tiêu chuẩn IEC 62109-2 đặt ra.

Yêu cầu theo kiểu cách ly và cách nối đất dàn pin

Mục 4.8.1 và Bảng 30 đặt yêu cầu dựa trên việc biến tần có cách ly hay không và dàn pin có nối đất hay không.[1] Mẫu biến tần ASW20K-LT-G2 trong biên bản thử nghiệm dùng dàn pin không nối đất, kèm cảnh báo trong hướng dẫn của hãng.[2] Cách nối đất khung và dàn pin có ở bài Tiếp địa hệ thống pin mặt trời.

Đo điện trở cách điện trước khi nối lưới

Trước khi vận hành, biến tần không biến áp phải đo điện trở cách điện của dàn pin và chỉ nối lưới khi giá trị đạt yêu cầu tối thiểu.[6] Theo điều khoản 4.8.2.1 in lại trong biên bản, mạch đo phải phát hiện được điện trở cách điện dưới giới hạn R = Vmax / 30 mA.[2] Vmax là điện áp vào tối đa định mức của biến tần do nhà sản xuất công bố.[20] Biên bản thử nghiệm in ví dụ 1100 V / 30 mA = 36,7 kΩ.[2] Khi điện trở thấp hơn giới hạn, biến tần không cách ly phải báo lỗi và không được nối lưới.[2]

Giám sát dòng dư liên tục

Thiết bị giám sát dòng dư phải đo dòng hiệu dụng tổng, gồm cả thành phần xoay chiều và một chiều.[2][9] Ngưỡng dòng dư liên tục là 300 mA cho biến tần có công suất đầu ra liên tục định mức đến 30 kVA.[2][18] Với biến tần trên 30 kVA, ngưỡng tối đa là 10 mA cho mỗi kVA công suất định mức.[2][18] Khi vượt ngưỡng, biến tần phải ngắt trong 0,3 s và báo lỗi.[2][9]

Giám sát bước nhảy dòng dư

Ngoài dòng dư liên tục, biến tần phải ngắt khi dòng dư tăng đột ngột, trong thời gian cho ở Bảng 31.[2] Hai bậc đầu của bảng như sau.

Tự kiểm tra thiết bị ngắt tự động

Biến tần không cách ly phải tự kiểm tra lớp cách ly do thiết bị ngắt tạo ra sau một lỗi đơn.[2] Nếu kiểm tra không đạt, biến tần không được khởi động.[2] Sau một lỗi đơn, giữa ngõ vào pin mặt trời và lưới phải còn tối thiểu cách điện cơ bản hoặc tách biệt đơn giản.[2]

Các yêu cầu trên được biến tần thực hiện bằng những chức năng giám sát chạy hằng ngày, trình bày ở phần tiếp theo.

Bộ giám sát dòng dư RCMU tích hợp

Bộ giám sát dòng dư RCMU (Residual current monitoring unit) tích hợp của Fronius Symo đo dòng hiệu dụng tổng xuống đất.[9] Bộ RCMU này phát hiện được chạm đất ở cả cực dương và cực âm.[9] Bảng thông số Huawei SUN2000-50KTL-M3 ghi "Residual Current Monitoring Unit: Yes".[5] Nguyên lý và cách thử bộ giám sát dòng rò có ở bài Bộ giám sát dòng rò RCMU.

RCD bên ngoài phía xoay chiều

Với biến tần không biến áp, dòng sự cố được cấp từ phía xoay chiều.[18] Vì vậy, thiết bị chống dòng dư RCD (Residual current device) có thể lắp ở phía xoay chiều.[18] Biến tần SMA Sunny Tripower CORE2 STP 110-60 không cần RCD bên ngoài khi vận hành.[19] Nếu quy định địa phương bắt buộc, biến tần này dùng được RCD loại B có dòng dư định mức từ 1100 mA trở lên.[19]

Đo điện trở cách điện buổi sáng

Phép đo điện trở cách điện thường chạy trước khi biến tần bắt đầu phát điện, nên còn gọi là "kiểm tra buổi sáng".[20] Nhiều biến tần đo điện trở cách điện mỗi ngày một lần khi khởi động.[20] Phép đo này chậm do điện dung của dàn pin, nên phù hợp nhất để cho tín hiệu đạt hoặc không đạt.[21]

Ngưỡng ngắt quá thấp hoặc quá cao

Ngưỡng ngắt quá thấp gây ngắt nhầm do dòng rò của tấm pin và các thiết bị khác trong hệ.[18] Ngưỡng ngắt quá cao làm bỏ sót các sự cố chạm đất có tổng trở lớn.[18]

Ngoài chức năng giám sát, tấm pin dùng cùng biến tần không biến áp cũng có yêu cầu riêng.

Tấm pin đạt cấp A theo IEC 61730

Hướng dẫn lắp đặt của biến tần không cách ly phải yêu cầu tấm pin đạt cấp A theo IEC 61730.[2] Quan hệ giữa tên gọi cấp A cũ và cấp bảo vệ chống điện giật được giải thích ở bài Cấp bảo vệ chống điện giật loại II. Khi điện áp lưới cao hơn điện áp hệ thống tối đa của dàn pin, điện áp hệ thống định mức của tấm pin phải tính theo điện áp lưới.[2] Một số tấm pin, như loại có tấm kim loại phía sau, có điện dung xuống đất lớn do cấu tạo.[8] Với loại tấm pin này, tài liệu của SMA hướng dẫn kiểm tra nguy cơ biến tần ngừng phát lên lưới.[8]

Module màng mỏng và ăn mòn lớp TCO

Module a-Si và CdTe chế tạo theo công nghệ superstrate dễ bị ăn mòn lớp dẫn điện trong suốt TCO.[15] Ăn mòn TCO xảy ra chủ yếu ở mép tấm pin do hơi ẩm phản ứng với natri.[15] Lớp TCO bị đục, mất khả năng dẫn điện, và hư hỏng này không sửa được.[15] Biện pháp SMA ưu tiên là dùng biến tần có cách ly điện kết hợp nối đất cực âm của dàn pin bằng bộ nối đất.[15] Bảng kiểm của SMA xếp module màng mỏng vào nhóm không khuyến nghị dùng với biến tần không biến áp.[15] Khi hãng tấm pin khuyến nghị khác, SMA hướng dẫn làm theo hãng tấm pin.[15]

PID và điện thế nổi của dàn pin

Nối đất cực âm là giải pháp đơn giản chống suy giảm do điện thế (PID) cho hệ dùng biến tần có biến áp.[14] Hệ dùng biến tần không biến áp không cần nối đất, nên dàn pin có điện thế nổi và một số cell bị phân cực âm so với đất.[14] Cách nối đất cực âm không áp dụng được cho hệ dùng biến tần không biến áp.[14] Một cách giảm PID là đặt điện áp ngược, ví dụ +1000 V, lên tấm pin vào ban đêm.[14] Cơ chế PID được trình bày ở bài Hiện tượng LID và PID.

Sau khi chọn được tấm pin phù hợp, bước tiếp theo là đọc đúng các dòng thông số liên quan trên datasheet biến tần.

Dòng "Topology: Transformerless"

Bảng dưới trích các dòng liên quan trên datasheet Huawei SUN2000-50KTL-M3, phiên bản 11-202309.[5]

Datasheet Fronius Symo GEN24 10.0 Plus dùng dòng "Inverter design: Transformerless" và "DC insulation measurement: Yes".[12]

Các dòng bảo vệ đi kèm

Dòng "DC Insulation Resistance Detection" ứng với chức năng đo điện trở cách điện trước khi nối lưới.[5][2] Dòng "Residual Current Monitoring Unit" ứng với bộ giám sát dòng dư tích hợp.[5][2] Cách chia chuỗi pin vào các ngõ vào MPPT của biến tần được trình bày ở bài String inverter.

Ví dụ kiểm tra ngưỡng an toàn cho một biến tần không biến áp

Ví dụ dùng biến tần Huawei SUN2000-50KTL-M3 và một dàn 100 tấm pin silicon tinh thể, mỗi tấm 2 m².

1. Đọc điện áp vào tối đa trên datasheet: 1100 V.[5]
2. Tính điện trở cách điện tối thiểu: R = 1100 / 0,03 = 36.667 Ω, khoảng 36,7 kΩ.[2]
3. Tính điện trở cách điện của một tấm: tấm pin cần tối thiểu 40 MΩ·m², nên tấm 2 m² cần 40 / 2 = 20 MΩ.[22][23]
4. Tính cho cả dàn: điện trở cách điện giảm khi số tấm tăng, 100 tấm 20 MΩ mắc song song còn 20 / 100 = 0,2 MΩ, tức 200 kΩ.[22]
5. So sánh: 200 kΩ lớn hơn 36,7 kΩ, nên dàn pin trong ví dụ đạt điều kiện nối lưới.
6. Tính điện dung ký sinh nếu dàn có công suất 50 kW: 50 × 60 = 3.000 nF đến 50 × 110 = 5.500 nF.[8]

Điện trở cách điện của cả dàn thấp hơn nhiều so với từng tấm, nên phần tiếp theo xét các lỗi cách điện khi vận hành.

Tiêu chuẩn Việt Nam áp dụng

TCVN 7447-7-712:2019 hoàn toàn tương đương với IEC 60364-7-712:2017.[24] Thiết bị chuyển đổi công suất phải phù hợp với TCVN 12231-1 (IEC 62109-1) và TCVN 12231-2 (IEC 62109-2).[24] Các chức năng đo cách điện và giám sát dòng dư ở mục 5 là yêu cầu của IEC 62109-2, tức TCVN 12231-2.[24][2]

Lỗi điện trở cách điện thấp vào sáng sớm

Cảnh báo điện trở cách điện và ngắt do chạm đất thường xuất hiện ngay sau lúc mặt trời mọc.[23] Màng nước mỏng tạo thêm đường dẫn điện và làm giảm điện trở bề mặt.[23] Lỗi 2062 "Low Insulation Resistance" trên biến tần Huawei SUN2000-50KTL-M0 có một nguyên nhân là dàn pin ở môi trường ẩm và cáp điện cách điện kém với đất.[25]

Chạm đất và hư hỏng biến tần

Sự cố chạm đất của dàn pin là một đường dẫn điện giữa dây dẫn của dàn và đất.[21] Sự cố chạm đất gây nguy cơ điện giật và đã gây nhiều vụ cháy.[21] Biến tần không biến áp có thể bị phá hủy khi chạm đất xảy ra trong lúc vận hành.[26] Chuỗi pin có cách điện hỏng không được nối vào biến tần không biến áp.[26]

Các tình huống trên dẫn tới nhiều câu hỏi thực tế, được trả lời ở mục hỏi đáp dưới đây.