Hiểu nguyên lý làm việc của biến tần quang điện trong một bài báo

Từ bài viết để hiểu nguyên lý hoạt động của biến tần quang điện!

Nguyên lý và đặc điểm làm việc Nguyên lý làm việc: Cốt lõi của thiết bị biến tần là mạch đóng cắt biến tần, gọi tắt là mạch nghịch lưu. Mạch này hoàn thành chức năng của biến tần bằng cách bật và tắt công tắc điện tử. Các tính năng: (1) Yêu cầu hiệu quả cao. Do giá pin mặt trời cao nên để có thể phát huy tối đa công dụng của pin mặt trời và nâng cao hiệu suất hệ thống, chúng ta phải cố gắng nâng cao hiệu suất của biến tần. (2) Yêu cầu độ tin cậy cao. Hiện tại, hệ thống trạm phát quang điện chủ yếu được sử dụng ở các vùng sâu, vùng xa. Nhiều trạm điện không có người trông coi và bảo trì. Điều này đòi hỏi bộ biến tần phải có cấu trúc mạch hợp lý, lựa chọn linh kiện nghiêm ngặt và yêu cầu bộ biến tần phải có nhiều chức năng bảo vệ khác nhau, chẳng hạn như: bảo vệ ngược cực DC đầu vào, bảo vệ ngắn mạch đầu ra AC, bảo vệ quá nhiệt, quá tải, v.v. (3) Đầu vào điện áp được yêu cầu phải có phạm vi thích ứng rộng. Vì điện áp đầu cuối của pin mặt trời thay đổi theo tải và cường độ ánh sáng mặt trời. Đặc biệt là khi pin bị lão hóa, điện áp đầu cuối của nó rất khác nhau. Ví dụ, điện áp đầu cuối của pin 12V có thể thay đổi từ 10V đến 16V, điều này đòi hỏi bộ biến tần phải đảm bảo hoạt động bình thường trong phạm vi điện áp đầu vào DC lớn hơn.

Phân loại biến tần quang điện Có nhiều phương pháp để phân loại biến tần, ví dụ: theo số pha của điện áp xoay chiều đầu ra biến tần, có thể chia biến tần một pha và biến tần ba pha; theo các thiết bị bán dẫn được sử dụng trong biến tần Các loại khác nhau có thể được chia thành biến tần bán dẫn, biến tần thyristor và biến tần thyristor đóng ngắt. Theo nguyên lý của mạch biến tần, nó có thể được chia thành biến tần dao động tự kích thích, biến tần chồng chất sóng bước và biến tần điều chế độ rộng xung. Theo ứng dụng trong hệ thống nối lưới hoặc hệ thống không nối lưới, nó có thể được chia thành bộ biến tần nối lưới và bộ biến tần không nối lưới. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lựa chọn bộ biến tần cho người sử dụng quang điện, việc phân loại chỉ dựa trên các trường hợp áp dụng khác nhau của bộ biến tần.

1. Biến tần tập trung Công nghệ biến tần tập trung là một số chuỗi quang điện song song được kết nối với đầu vào DC của cùng một biến tần tập trung. Nói chung, các mô-đun công suất IGBT ba pha được sử dụng cho công suất cao và sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường công suất thấp, trong khi sử dụng bộ điều khiển chuyển đổi DSP để cải thiện chất lượng của năng lượng điện được tạo ra, nói chung dùng trong hệ thống trạm phát quang điện công suất lớn (> 10kW). Đặc điểm lớn nhất là công suất cao và chi phí thấp của hệ thống. Tuy nhiên, do điện áp đầu ra và dòng điện của các dây quang điện khác nhau thường không hoàn toàn khớp (đặc biệt khi các dây quang điện bị che một phần do có mây, bóng râm, vết bẩn, v.v.), đảo ngược tập trung được chấp nhận. Phương pháp thay đổi sẽ dẫn đến giảm hiệu suất của quá trình biến tần và giảm năng lượng của người sử dụng điện. Đồng thời, độ tin cậy phát điện của toàn bộ hệ thống quang điện bị ảnh hưởng bởi trạng thái làm việc kém của một nhóm đơn vị quang điện. Hướng nghiên cứu mới nhất là sử dụng điều khiển điều chế véc tơ không gian và phát triển các kết nối tôpô biến tần mới để đạt được hiệu quả cao trong điều kiện tải từng phần.

2. Biến tần chuỗi Bộ biến tần dựa trên khái niệm mô-đun. Mỗi chuỗi quang điện (1-5kw) đi qua một bộ biến tần và có theo dõi đỉnh công suất cực đại ở đầu DC. Kết nối song song và nối lưới đã trở thành biến tần phổ biến nhất trên thị trường quốc tế. Nhiều nhà máy điện quang điện lớn sử dụng bộ biến tần. Ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch mô-đun và bóng giữa các chuỗi, đồng thời giảm sự sai lệch giữa điểm làm việc tối ưu của mô-đun quang điện và biến tần, do đó tăng công suất phát. Những ưu điểm kỹ thuật này không chỉ làm giảm giá thành của hệ thống mà còn làm tăng độ tin cậy của hệ thống. Đồng thời, khái niệm "master-slave" được đưa ra giữa các chuỗi, làm cho hệ thống kết nối một số chuỗi PV với nhau và cho phép một hoặc một số trong số chúng hoạt động khi một chuỗi năng lượng điện không thể làm cho một biến tần duy nhất hoạt động. , Vì vậy, để sản xuất nhiều điện hơn. Khái niệm mới nhất là một số bộ biến tần tạo thành một "đội" để thay thế khái niệm "chủ-tớ", điều này làm cho độ tin cậy của hệ thống tiến thêm một bước. Hiện tại, biến tần không dây đã dẫn đầu.

3. Micro-inverter Trong hệ thống PV truyền thống, đầu cuối đầu vào DC của mỗi bộ nghịch lưu chuỗi sẽ được kết nối nối tiếp bởi khoảng 10 tấm quang điện. Khi một trong 10 bảng kết nối nối tiếp hoạt động không tốt, chuỗi này sẽ bị ảnh hưởng. Nếu biến tần sử dụng cùng một MPPT cho nhiều đầu vào, thì mỗi đầu vào cũng sẽ bị ảnh hưởng, làm giảm đáng kể hiệu suất phát điện. Trong các ứng dụng thực tế, các yếu tố trú ẩn khác nhau như mây, cây cối, ống khói, động vật, bụi, băng và tuyết sẽ gây ra các yếu tố trên, và tình trạng này rất phổ biến. Trong hệ thống PV của vi nghịch lưu, mỗi bảng điều khiển được kết nối với một vi nghịch lưu. Khi một trong các tấm không hoạt động tốt, chỉ tấm này bị ảnh hưởng. Tất cả các tấm pin quang điện khác sẽ chạy trong điều kiện hoạt động tốt nhất, làm cho hệ thống tổng thể hoạt động hiệu quả hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn. Trong các ứng dụng thực tế, nếu biến tần chuỗi bị lỗi, nó sẽ làm cho các bảng điều khiển vài kilowatt không hoạt động được, và tác động của sự cố của biến tần vi mô là khá nhỏ.

4. Bộ tối ưu hóa công suất Việc lắp đặt bộ tối ưu hóa công suất (OptimizEr) trong hệ thống phát điện mặt trời có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi và đơn giản hóa chức năng biến tần (Inverter) để giảm chi phí. Để hiện thực hóa một hệ thống phát điện mặt trời thông minh, bộ tối ưu hóa năng lượng của thiết bị có thể đảm bảo rằng mỗi pin mặt trời phát huy hiệu suất tốt nhất và theo dõi tình trạng tiêu thụ pin bất cứ lúc nào. Bộ tối ưu hóa công suất là một thiết bị nằm giữa hệ thống phát điện và biến tần. Nhiệm vụ chính là thay thế chức năng theo dõi điểm công suất tốt nhất ban đầu của biến tần. Trình tối ưu hóa công suất sử dụng phép tương tự để thực hiện quét theo dõi điểm năng lượng tốt nhất cực kỳ nhanh chóng bằng cách đơn giản hóa mạch và một pin mặt trời duy nhất tương ứng với trình tối ưu hóa điện năng, để mỗi pin mặt trời thực sự có thể đạt được theo dõi điểm công suất tốt nhất. Ngoài ra, bạn cũng có thể theo dõi tình trạng pin bất cứ lúc nào và bất cứ nơi nào bằng cách lắp chip giao tiếp, báo cáo sự cố trong thời gian thực và cho phép nhân viên có liên quan sửa chữa chúng càng sớm càng tốt. Chức năng của biến tần quang điện Biến tần không chỉ có chức năng biến đổi trực tiếp thành xoay chiều mà còn có chức năng tối đa hóa hiệu suất của pin mặt trời và chức năng bảo vệ sự cố của hệ thống. Tóm lại, có các chức năng vận hành và tắt tự động, chức năng điều khiển theo dõi công suất tối đa, chức năng chống đơn vận hành (đối với hệ thống nối lưới), chức năng điều chỉnh điện áp tự động (đối với hệ thống nối lưới), chức năng phát hiện DC (đối với hệ thống nối lưới Hệ thống), Chức năng phát hiện nối đất DC (đối với hệ thống nối lưới). Đây là phần giới thiệu ngắn gọn về các chức năng vận hành và tắt máy tự động và chức năng điều khiển theo dõi công suất tối đa.

(1) Chức năng vận hành và tắt tự động Sau khi mặt trời mọc vào buổi sáng, cường độ bức xạ mặt trời dần dần tăng lên, và sản lượng của pin năng lượng mặt trời cũng tăng lên. Khi đạt đến công suất đầu ra mà biến tần yêu cầu, biến tần sẽ tự động bắt đầu hoạt động. Sau khi đi vào hoạt động, biến tần sẽ giám sát đầu ra của các thành phần pin mặt trời tại mọi thời điểm. Miễn là công suất đầu ra của các thành phần pin mặt trời lớn hơn công suất đầu ra mà bộ biến tần yêu cầu, bộ biến tần sẽ tiếp tục chạy; nó sẽ dừng lại cho đến khi mặt trời lặn, ngay cả khi trời nhiều mây hoặc mưa. Biến tần cũng có thể được vận hành. Khi đầu ra của mô-đun pin mặt trời nhỏ hơn và đầu ra của bộ biến tần tiến về 0, bộ biến tần sẽ chuyển sang trạng thái chờ.

(2) Chức năng điều khiển theo dõi công suất tối đa Đầu ra của mô-đun pin mặt trời thay đổi theo cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ của chính mô-đun pin mặt trời (nhiệt độ chip). Ngoài ra, do module pin mặt trời có đặc tính là điện áp giảm khi dòng điện tăng lên, nên có điểm hoạt động tối ưu để có thể thu được công suất cực đại. Cường độ bức xạ mặt trời đang thay đổi, và rõ ràng là điểm hoạt động tốt nhất cũng đang thay đổi. Liên quan đến những thay đổi này, điểm hoạt động của mô-đun pin mặt trời luôn ở điểm công suất tối đa và hệ thống luôn thu được sản lượng điện tối đa từ mô-đun pin mặt trời. Loại điều khiển này là điều khiển theo dõi công suất tối đa. Tính năng lớn nhất của bộ biến tần được sử dụng trong hệ thống phát điện mặt trời là nó bao gồm chức năng Theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT).

Các chỉ số kỹ thuật chính của biến tần quang điện

1. Tính ổn định của điện áp đầu ra Trong hệ thống quang điện, năng lượng điện do pin mặt trời tạo ra trước tiên được pin lưu trữ, sau đó được biến đổi thành dòng điện xoay chiều 220V hoặc 380V thông qua bộ biến tần. Tuy nhiên, pin bị ảnh hưởng bởi quá trình sạc và xả của chính nó, và điện áp đầu ra của nó rất khác nhau. Ví dụ, danh định của pin 12V có thể thay đổi từ 10,8 đến 14,4V (vượt quá phạm vi này có thể gây hỏng pin). Đối với bộ biến tần đủ tiêu chuẩn, khi điện áp đầu vào thay đổi trong phạm vi này, thì sự thay đổi điện áp đầu ra ở trạng thái ổn định của nó không được vượt quá Plusmn; 5% giá trị định mức. Đồng thời, khi tải thay đổi đột ngột, độ lệch điện áp đầu ra của nó không được vượt quá ± 10% giá trị danh định.

2. Biến dạng dạng sóng của điện áp đầu ra Đối với bộ nghịch lưu sóng sin, phải chỉ định độ méo dạng sóng tối đa cho phép (hoặc hàm lượng hài). Thường được biểu thị bằng tổng độ méo dạng sóng của điện áp đầu ra, giá trị của nó không được vượt quá 5% (đầu ra một pha cho phép l0%). Do dòng điện hài bậc cao do biến tần phát ra sẽ tạo thêm tổn hao như dòng điện xoáy trên tải cảm ứng, nếu biến dạng sóng biến tần quá lớn sẽ gây nóng nghiêm trọng các thành phần tải, không có lợi cho sự an toàn. của thiết bị điện và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống Hiệu quả vận hành. 3. Tần số đầu ra định mức Đối với các phụ tải bao gồm động cơ, chẳng hạn như máy giặt, tủ lạnh, ... do điểm hoạt động tần số tốt nhất của động cơ là 50Hz, tần số quá cao hoặc quá thấp sẽ làm thiết bị nóng lên, làm giảm hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của hệ thống. Do đó, tần số đầu ra của biến tần phải là một giá trị tương đối ổn định, thường là 50Hz và độ lệch của nó phải nằm trong Plusmn; l% trong điều kiện làm việc bình thường.

4. Hệ số công suất tải thể hiện khả năng mang tải cảm ứng hoặc tải điện dung của biến tần. Hệ số công suất tải của bộ nghịch lưu sóng sin là 0,7 đến 0,9 và giá trị định mức là 0,9. Trong trường hợp công suất tải nhất định, nếu hệ số công suất của biến tần thấp thì công suất yêu cầu của biến tần sẽ tăng lên. Một mặt, chi phí sẽ tăng lên và công suất biểu kiến ​​của đoạn mạch xoay chiều của hệ thống quang điện sẽ tăng lên. Khi dòng điện tăng lên, tổn thất chắc chắn sẽ tăng lên và hiệu quả của hệ thống cũng sẽ giảm xuống.

5. Hiệu suất của bộ biến tần Hiệu suất của bộ biến tần là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của nó trong các điều kiện làm việc quy định, được biểu thị bằng phần trăm. Nói chung, hiệu suất danh định của bộ nghịch lưu quang điện dùng để chỉ một tải thuần trở. , Hiệu quả ở mức tải 80%. Do chi phí tổng thể của hệ thống quang điện tương đối cao, nên tối đa hóa hiệu suất của bộ biến tần quang điện, giảm chi phí hệ thống và cải thiện hiệu suất chi phí của hệ thống quang điện. Hiện tại, hiệu suất danh định của bộ biến tần chính là từ 80% đến 95%, và hiệu suất của bộ biến tần công suất thấp được yêu cầu không dưới 85%. Trong quá trình thiết kế thực tế của hệ thống quang điện, không chỉ cần chọn bộ biến tần hiệu suất cao mà còn phải áp dụng cấu hình hợp lý của hệ thống để tải hệ thống quang điện hoạt động gần điểm hiệu suất cao nhất có thể.

6. Dòng điện đầu ra định mức (hoặc công suất đầu ra định mức)

Cho biết dòng điện đầu ra danh định của biến tần trong phạm vi hệ số công suất tải được chỉ định. Một số sản phẩm biến tần cho công suất đầu ra định mức và đơn vị được biểu thị bằng VA hoặc kVA. Công suất định mức của biến tần là khi hệ số công suất đầu ra là 1 (tức là tải thuần trở), điện áp đầu ra danh định là tích của dòng điện đầu ra danh định. 7. Các biện pháp bảo vệ Một biến tần có hiệu suất tuyệt vời cũng phải có đầy đủ các chức năng hoặc biện pháp bảo vệ để đối phó với các tình huống bất thường khác nhau trong quá trình sử dụng thực tế, để bảo vệ biến tần và các thành phần khác của hệ thống khỏi bị hư hỏng. (1) Bộ bảo vệ điện áp đầu vào: Khi điện áp đầu vào thấp hơn 85% điện áp danh định, bộ biến tần cần được bảo vệ và hiển thị. (2) Bộ bảo vệ quá áp đầu vào: Khi điện áp đầu vào cao hơn 130% điện áp định mức, bộ biến tần cần được bảo vệ và hiển thị. (3) Bảo vệ quá dòng: Bảo vệ quá dòng của biến tần có thể đảm bảo hành động kịp thời khi tải bị đoản mạch hoặc dòng điện vượt quá giá trị cho phép để bảo vệ nó khỏi hư hỏng do dòng điện tăng. Khi dòng điện làm việc vượt quá 150% định mức, biến tần sẽ có thể tự động bảo vệ. (4) Thời gian tác động của bộ bảo vệ ngắn mạch biến tần của bộ bảo vệ ngắn mạch đầu ra không được vượt quá 0,5 giây. (5) Bảo vệ kết nối ngược đầu vào: Khi các cực đầu vào âm và dương được kết nối ngược lại, biến tần phải có chức năng bảo vệ và hiển thị. (6) Chống sét: Biến tần phải có bảo vệ chống sét.

(7) Bảo vệ quá nhiệt,… Ngoài ra, đối với các biến tần không có biện pháp ổn định điện áp, biến tần cũng cần có các biện pháp bảo vệ quá áp đầu ra để bảo vệ tải khỏi bị hư hỏng do quá áp. 8. Các đặc tính khởi động thể hiện khả năng khởi động của biến tần khi có tải và hiệu suất của nó trong quá trình hoạt động động. Biến tần phải được đảm bảo khởi động đáng tin cậy dưới tải định mức. 9. Tiếng ồn: Máy biến áp, cuộn cảm lọc, công tắc điện từ, quạt và các thành phần khác trong thiết bị điện tử công suất sẽ tạo ra tiếng ồn. Khi biến tần hoạt động bình thường, tiếng ồn của nó không được vượt quá 80dB và tiếng ồn của biến tần nhỏ không được vượt quá 65dB. Kỹ năng lựa chọn Việc lựa chọn biến tần trước hết phải xem xét có đủ công suất định mức để đáp ứng yêu cầu của thiết bị sử dụng điện dưới tải lớn nhất. Đối với biến tần có một thiết bị làm tải, việc lựa chọn công suất định mức của nó tương đối đơn giản. Khi thiết bị điện là phụ tải thuần trở hoặc hệ số công suất lớn hơn 0,9 thì công suất định mức của biến tần được chọn bằng 1,1 đến 1,15 lần công suất của thiết bị điện. Đồng thời, biến tần cũng cần có khả năng chống lại tác động của tải điện dung và tải cảm. Đối với các tải cảm ứng chung như động cơ, tủ lạnh, máy điều hòa không khí, máy giặt, máy bơm nước công suất lớn, ... khi khởi động, công suất tức thời có thể gấp 5 - 6 lần công suất định mức của nó. Lúc này, biến tần sẽ chịu một công suất tức thời lớn. dâng trào. Đối với các hệ thống như vậy, công suất danh định của biến tần phải có biên độ đủ để đảm bảo có thể khởi động tải một cách đáng tin cậy và biến tần hiệu suất cao có thể được khởi động ở chế độ đầy tải trong nhiều lần mà không làm hỏng các thiết bị điện. Để đảm bảo an toàn cho chính nó, các biến tần nhỏ đôi khi cần sử dụng khởi động mềm hoặc khởi động hạn chế dòng điện. Các biện pháp phòng ngừa và bảo trì khi lắp đặt

1. Trước khi lắp đặt, hãy kiểm tra xem biến tần có bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển hay không.

2. Khi chọn vị trí lắp đặt, cần đảm bảo rằng không bị nhiễu bởi bất kỳ thiết bị điện tử công suất nào khác ở khu vực xung quanh.

3. Trước khi thực hiện kết nối điện, hãy đảm bảo sử dụng vật liệu mờ để che các tấm quang điện hoặc ngắt kết nối cầu dao phía DC. Tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các mảng quang điện sẽ tạo ra các hiệu điện thế nguy hiểm.

4. Tất cả các hoạt động lắp đặt phải được hoàn thành bởi chỉ nhân viên chuyên nghiệp và kỹ thuật.

5. Cáp sử dụng trong hệ thống phát điện của hệ thống quang điện phải được kết nối chắc chắn, cách điện tốt và có thông số kỹ thuật phù hợp. Xu hướng phát triển Đối với biến tần năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng là đề tài muôn thuở, nhưng khi hiệu suất của hệ thống ngày càng cao, gần như đạt 100% thì việc nâng cao hiệu suất hơn nữa sẽ đi kèm với hiệu suất chi phí thấp hơn. Vì vậy, Làm thế nào để duy trì hiệu quả cao và duy trì khả năng cạnh tranh về giá tốt sẽ là một chủ đề quan trọng hiện nay. So với nỗ lực nâng cao hiệu suất của biến tần, làm thế nào để nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống biến tần đang dần trở thành một vấn đề quan trọng khác đối với các hệ thống năng lượng mặt trời. Trong mảng năng lượng mặt trời, khi xuất hiện bóng một phần 2 ~ 3% diện tích, đối với biến tần có chức năng MPPT, khi công suất đầu ra của hệ thống kém, thậm chí sẽ bị sụt điện khoảng 20%! Để thích ứng tốt hơn với các tình huống như thế này, sẽ rất hiệu quả khi sử dụng các chức năng điều khiển MPPT một-một hoặc nhiều MPPT cho các mô-đun năng lượng mặt trời đơn lẻ hoặc một phần. Do hệ thống biến tần đang ở trạng thái hoạt động nối lưới nên việc rò rỉ hệ thống xuống đất sẽ gây ra sự cố nghiêm trọng về an toàn; Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất của hệ thống, hầu hết các mảng năng lượng mặt trời được mắc nối tiếp để tạo thành điện áp đầu ra một chiều cao; Do xảy ra các điều kiện bất thường giữa các điện cực nên dễ sinh ra hồ quang điện một chiều. Do điện áp một chiều cao nên rất khó dập tắt hồ quang và cực kỳ dễ gây ra hỏa hoạn. Với việc áp dụng rộng rãi các hệ thống biến tần năng lượng mặt trời, các vấn đề an toàn hệ thống cũng sẽ là một phần quan trọng của công nghệ biến tần. Ngoài ra, hệ thống điện đang mở ra thông minh。

Sự phát triển nhanh chóng và phổ biến của công nghệ lưới điện. Một số lượng lớn các hệ thống năng lượng mặt trời và năng lượng mới khác được kết nối với lưới điện, điều này đặt ra những thách thức kỹ thuật mới đối với sự ổn định của hệ thống lưới điện thông minh. Việc thiết kế một hệ thống biến tần có thể tương thích nhanh hơn, chính xác và thông minh hơn với lưới điện thông minh sẽ trở thành điều kiện cần thiết cho các hệ thống biến tần năng lượng mặt trời trong tương lai.

Nói một cách tổng quát, sự phát triển của công nghệ biến tần kéo theo sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, công nghệ vi điện tử và lý thuyết điều khiển hiện đại. Theo thời gian, công nghệ biến tần đang phát triển theo hướng tần số cao hơn, công suất cao hơn, hiệu suất cao hơn và âm lượng nhỏ hơn.