Nguyên nhân chính gây ra méo hài trong các hệ thống điện mặt trời đến từ những thiết bị điện tử công suất phi tuyến mà chúng ta thấy phổ biến ngày nay, đặc biệt là các bộ hòa lưới quang điện (PV inverter) và các thiết bị chuyển mạch khác nhau. Một nghiên cứu gần đây về tích hợp vào lưới điện hồi năm 2024 đã phát hiện ra một điều thú vị liên quan đến vấn đề này. Họ nhận thấy khoảng hai phần ba tổng dòng hài được đo tại các trang trại năng lượng mặt trời thực tế bắt nguồn từ những bộ nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverters) khi chúng đang thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi điện một chiều (DC) thành xoay chiều (AC). Điều xảy ra ở đây khá đơn giản về mặt nguyên lý nhưng đồng thời lại phức tạp về mặt kỹ thuật. Những bộ hòa lưới này tạo ra các hài tần số cao trong khoảng từ 2 đến 40 kilohertz do phương pháp điều chế xung (viết tắt là PWM) cùng với một số kỹ thuật ghép xen kẽ (interleaving methods). Tuy nhiên, cũng cần nhắc đến một số yếu tố đóng góp khác. Các máy biến áp đôi khi bị bão hòa trong một số điều kiện nhất định, và khi nhiều bộ hòa lưới hoạt động đồng thời trong các khu điện mặt trời lớn, chúng có thể tương tác với nhau theo những cách tạo ra thêm các thành phần hài.
Khi không được kiểm soát, sóng hài làm giảm hiệu suất hệ thống khoảng từ 3 đến 7 phần trăm theo nghiên cứu của Ponemon năm ngoái. Điều này xảy ra vì các dây dẫn mất nhiều năng lượng hơn và máy biến áp nóng lên vượt mức cho phép. Nếu méo điện áp vượt quá 5% THD, các sự cố sẽ nhanh chóng phát sinh. Các rơ-le bảo vệ ngừng hoạt động đúng cách và tụ điện có xu hướng bị hỏng bất ngờ. Vấn đề cũng trở nên nghiêm trọng hơn đối với các bộ nghịch lưu. Những bộ nghịch lưu hoạt động trong môi trường chứa nhiều sóng hài sẽ bị suy giảm cách điện nhanh hơn khoảng 15 đến 20%, dẫn đến tần suất sửa chữa tăng và chi phí cao hơn. Một số tình huống rất nghiêm trọng xảy ra khi có hiện tượng cộng hưởng giữa cảm kháng của lưới điện và đầu ra từ các bộ nghịch lưu PV. Hiện tượng này khiến một số sóng hài tăng cường độ mạnh đến mức thiết bị đôi khi bị hư hại vĩnh viễn.
Các tổ chức tiêu chuẩn trên toàn thế giới đã đặt ra những quy định khá nghiêm ngặt về mức độ méo dạng hài điện áp (THD) cần duy trì dưới 5% và dòng hài không được vượt quá 8% tại các điểm nối hệ thống vào lưới điện. Đối với các hệ thống quang điện có công suất lớn hơn 75 kilowatt, còn có thêm yêu cầu theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-6 đòi hỏi phải thực hiện các bài kiểm tra cụ thể để đo lường lượng phát thải hài này. Việc đáp ứng tất cả các quy định này thường đồng nghĩa với việc phải áp dụng nhiều kỹ thuật giảm thiểu khác nhau. Một số giải pháp phổ biến bao gồm thiết kế bộ hòa lưới với cấu trúc tốt hơn và lắp đặt thiết bị lọc công suất chủ động. Hầu hết các cơ quan quản lý hiện nay yêu cầu giám sát liên tục các thành phần hài trong các trang trại điện mặt trời. Điều này giúp tránh các khoản phạt tốn kém khi xảy ra sự cố mất ổn định lưới do hàm lượng hài quá mức.
Bộ lọc công suất chủ động hoặc APF xử lý các hiện tượng méo hài gây khó chịu trong hệ thống năng lượng mặt trời bằng cách phát hiện và triệt tiêu các dòng điện xấu theo thời gian thực. Chúng hoạt động cùng với cảm biến dòng điện và công nghệ DSP để phân tích tình trạng dòng tải, phát hiện cả những vấn đề hài nhỏ nhất như méo bậc ba. Một số thử nghiệm thực tế thậm chí đã cho thấy rằng APF có thể giảm tổng mức méo hài gần tới 88% tại các nhà máy điện mặt trời công suất 500 kW khi so sánh với bộ lọc thụ động truyền thống. Hiệu suất này tạo nên sự khác biệt lớn đối với độ ổn định và hiệu quả của hệ thống.
Việc giám sát dòng điện lưới diễn ra liên tục thông qua các cảm biến hiệu ứng Hall, những thiết bị này thu nhận các tín hiệu hài với độ chính xác khá cao, sai số khoảng nửa phần trăm. Tiếp theo là quá trình xử lý số liệu nghiêm ngặt bằng các thuật toán DSP tiên tiến, tạo ra các dòng điện ngược pha chính xác với bất kỳ thành phần sóng hài nào được phát hiện. Hãy xem các nhà nghiên cứu đã tìm thấy điều gì trong công trình năm 2023 của họ về các kỹ thuật bù trừ thời gian thực. Họ cho thấy khi bộ lọc công suất phản kháng hoạt động ở tần số đóng ngắt đạt tới 20 kilohertz, chúng có thể loại bỏ gần như hoàn toàn các sóng hài bậc năm và bậc bảy chỉ trong vòng hai phần ngàn giây. Một kết quả ấn tượng đối với bất kỳ ai đang phải đối mặt hàng ngày với các vấn đề về chất lượng điện năng.
Phương pháp điều khiển này tách các thành phần công suất tác dụng (p) và phản kháng (q) tức thời bằng cách sử dụng biến đổi Clarke. Bằng cách đồng bộ hóa với điện áp lưới thông qua các vòng khóa pha (PLL), phương pháp p-q duy trì hệ số công suất trên 0,98 ngay cả khi có dao động bức xạ lên đến 30%. Nghiên cứu cho thấy cách tiếp cận này giảm nhu cầu công suất phản kháng 72% so với bộ điều khiển PI truyền thống.
Hệ thống này nhận các tín hiệu bù trừ đó và chuyển chúng thành các lệnh chuyển mạch thực tế thông qua phương pháp điều chế PWM vectơ không gian. Ngày nay, hầu hết các bộ lọc công suất chủ động được xây dựng dựa trên các bộ nghịch lưu sử dụng IGBT, hoạt động với hiệu suất trên 97 phần trăm nhờ vào các kỹ thuật bù thời gian chết khá thông minh, giúp giảm thiểu những tổn thất chuyển mạch khó chịu. Khi xem xét các bài báo nghiên cứu về bộ nghịch lưu nguồn áp PWM, ta thấy các thiết kế này có thể triệt tiêu sóng hài trong dải tần số rộng vượt xa 2 kHz. Và đây là một điểm quan trọng: chúng giữ tổng độ méo hài dưới 4%, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu được nêu trong tiêu chuẩn IEEE 519 mới nhất từ năm 2022.
| Thông số kỹ thuật | Bộ lọc truyền thống | Bộ lọc năng lượng hoạt động |
|---|---|---|
| Thời gian Phản hồi | 50–100 ms | <2 ms |
| Xử lý bậc hài | Cố định (bậc 5, bậc 7) | từ bậc 2 đến bậc 50 |
| Giảm THD | 40–60% | 85–95% |
| Khả năng thích ứng | Không có | Theo dõi tải động |
Việc tích hợp các bộ lọc công suất tác dụng (APFs) một cách chính xác vào các nhà máy điện quang điện cần có thiết lập và chiến lược điều khiển cẩn thận để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn lưới điện đồng thời duy trì chất lượng điện năng tốt. Hầu hết các hệ thống hiện đại hiện nay sử dụng cấu hình APF shunt vì chúng được nối song song, cho phép triệt tiêu các sóng hài ngay khi xảy ra mà không làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất điện mặt trời thực tế. Theo nghiên cứu công bố năm 2023 thông qua IntechOpen, khoảng 89 phần trăm các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn mới hiện nay đã tích hợp các bộ lọc APF shunt này hoạt động cùng với các hệ thống vòng khóa pha (PLL). Các hệ thống này có khả năng đồng bộ hóa điện áp lưới khá chính xác, thường trong phạm vi nửa độ về hai phía. Độ chính xác như vậy tạo nên sự khác biệt lớn về hiệu suất tổng thể của các hệ thống điện mặt trời này.
Các bộ lọc công suất chủ động shunt hoạt động bằng cách tiêm dòng điện đối nghịch hài vào lưới thông qua các bộ nghịch lưu nguồn điện áp. Các ưu điểm chính bao gồm:
Các bộ điều khiển thích nghi cải thiện khả năng triệt sóng hài trong điều kiện bức xạ thay đổi bằng cách tự động điều chỉnh các thông số khuếch đại. Các thử nghiệm thực tế vào năm 2024 cho thấy các hệ thống thích nghi đã giảm độ méo hài tổng (THD) từ 8,2% xuống còn 3,1% trong điều kiện che bóng một phần, vượt trội hơn 42% so với các mô hình khuếch đại cố định về đáp ứng quá độ.
Ba phương pháp tích hợp chính đang chiếm ưu thế trong các nhà máy PV hiện đại:
| Phương pháp | Giảm THD | Chi phí triển khai |
|---|---|---|
| APF tập trung | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF cấp dây chuyền | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Bộ biến tần lai APF-PV | 89-95% | Thiết kế tích hợp |
Một phân tích năm 2024 trên ScienceDirect cho thấy các hệ thống lai đã cải thiện sản lượng năng lượng thêm 6,8% so với các giải pháp APF độc lập trong các hệ thống điện mặt trời 500 kW.
Các hệ thống lai ghép quang điện-bộ lọc công suất hoạt động hiện nay sử dụng các bộ biến tần đặc biệt, có khả năng vừa thực hiện chuyển đổi năng lượng vừa giảm nhiễu điện cùng lúc. Các thiết kế mới nhất thực tế đã tích hợp chức năng lọc công suất ngay vào bộ biến tần quang điện chính. Theo nghiên cứu của Wong và các đồng nghiệp năm 2021, điều này giúp giảm khoảng 37% số linh kiện cần thiết so với việc sử dụng các thành phần riêng rẽ. Những hệ thống này phát huy hiệu quả nhờ các kỹ thuật chuyển mạch thông minh, cho phép chúng theo dõi điểm công suất mặt trời tối đa đồng thời triệt tiêu các sóng hài không mong muốn. Chúng chia sẻ các linh kiện chính như tụ điện một chiều (DC-link) và các module IGBT thường thấy trong hầu hết thiết bị điện tử hiện đại. Các thử nghiệm thực tế cho thấy các hệ thống này duy trì mức độ méo hài tổng dưới 3%, một kết quả khá ấn tượng khi xét đến việc chúng vẫn đạt hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng khoảng 98,2%. Thật sự ấn tượng đối với một giải pháp vừa giúp làm sạch lưới điện vừa tận dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo.
Các mô phỏng phần cứng-trong-vòng lặp (HIL) của hệ thống lai 500 kW cho thấy thời gian phản hồi hài âm nhanh hơn 89% so với các bộ lọc thụ động thông thường. Một nghiên cứu về năng lượng tái tạo năm 2024 cho thấy các bộ điều khiển thích ứng trong PV-APF giảm dao động điện áp 62% trong điều kiện che bóng một phần. Các triển khai thực tế cho thấy duy trì mức triệt tiêu THD dưới 5% trong hơn 1.200 giờ vận hành, ngay cả khi tải phi tuyến đạt 30%.
Một trang trại năng lượng mặt trời thương mại đã loại bỏ hiện tượng quá nhiệt biến áp do sóng hài bằng cách tích hợp PV-APF. Hệ thống lai được triển khai gồm tám bộ nghịch lưu hai chức năng 60 kVA ở cấu hình mắc song song, đạt được:
Giám sát sau khi lắp đặt đã xác nhận sự tuân thủ các tiêu chuẩn IEEE 519-2022 trong các kịch bản có độ che phủ mây biến đổi ở mức 25%.
Bộ lọc công suất phản kháng chủ động giúp duy trì các thông số trong giới hạn quy định về điện áp của lưới điện bằng cách giữ tổng độ méo hài (THD) dưới ngưỡng quan trọng 5% được nêu trong tiêu chuẩn IEEE 519-2022. Theo các nghiên cứu gần đây từ năm 2023 khảo sát trên mười hai hệ thống điện mặt trời quy mô lớn, các bộ lọc này thường cải thiện hệ số công suất từ 0,15 đến 0,25 đồng thời giảm khoảng hai phần ba các vấn đề mất cân bằng điện áp. Điều làm nên giá trị đặc biệt của chúng là khả năng xử lý những đợt sụt điện áp đột ngột khi mây che khuất các dãy pin mặt trời, hiện tượng có thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định của lưới điện. Hầu hết các tiêu chuẩn lưới điện hiện đại yêu cầu mức biến thiên điện áp không quá 10%, và các bộ lọc chủ động liên tục đáp ứng yêu cầu này trong mọi điều kiện vận hành.
Sự biến thiên của bức xạ mặt trời tạo ra các thành phần nhiễu điều hòa phụ không mong muốn trong dải tần số từ 1 đến 2 kHz, điều mà các bộ nghịch lưu tiêu chuẩn hoàn toàn không được trang bị để xử lý hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này, các bộ lọc chủ động sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo thời gian thực với thời gian phản hồi dưới 50 micro giây, từ đó loại bỏ thành công các méo hài này. Kiểm thử thực tế đã cho thấy kết quả ấn tượng, với mức giảm khoảng 85 đến 90 phần trăm đối với các thành phần nhiễu điều hòa phụ trong dải tần 150 đến 250 Hz. Những cải thiện này rất quan trọng vì chúng ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt ở máy biến áp đồng thời giảm tổn thất đường dây khoảng 12 đến 18 phần trăm tại các hệ thống điện mặt trời có công suất trên một megawatt. Một lợi ích bổ sung xuất hiện khi các bộ lọc này hoạt động song song với các giải pháp lưu trữ năng lượng, khi đó chúng giảm đáng kể hiện tượng nhấp nháy điện áp trong những thay đổi đột ngột của sản lượng điện mặt trời, đạt được tỷ lệ ức chế từ 60 đến 75 phần trăm theo các phép đo công nghiệp.
Bộ lọc công suất chủ động có chi phí ban đầu cao hơn khoảng 30 đến 40 phần trăm so với các lựa chọn thụ động, nhưng bù lại nhờ tiết kiệm đáng kể trong dài hạn. Các hệ thống này thường vận hành ở hiệu suất từ 92 đến 97 phần trăm, giúp giảm chi phí bảo trì hàng năm khoảng 18 đến 22 đô la cho mỗi kilowatt trong suốt năm năm. Điều làm tăng thêm sức hấp dẫn là cấu hình mô-đun của chúng. Các cơ sở có thể lắp đặt các bộ lọc này theo từng giai đoạn mà vẫn duy trì hoạt động ổn định, vì tính dự phòng được tích hợp sẵn giúp giữ mức méo hài dưới một nửa phần trăm khi bất kỳ bộ lọc đơn lẻ nào cần được bảo trì. Tuy nhiên, có một điểm lưu ý – việc hiệu chỉnh hệ thống này đúng cách đòi hỏi khoản đầu tư bổ sung khoảng 4,50 đến 6,80 đô la cho mỗi kW được cộng vào chi phí lắp đặt. Đối với các hoạt động nhỏ hơn 50 megawatt, điều này đồng nghĩa với việc phải tính toán kỹ lưỡng xem lợi ích dài hạn có thực sự vượt trội so với mức giá ban đầu hay không.
Các nguồn chính gây ra sóng hài trong các nhà máy điện quang điện là các bộ nghịch lưu nguồn áp, đóng góp khoảng hai phần ba dòng sóng hài, và sự tương tác giữa nhiều bộ nghịch lưu hoặc các máy biến áp bị bão hòa.
Sự méo dạng sóng hài có thể làm giảm hiệu suất hệ thống từ 3 đến 7%, dẫn đến hiện tượng rơ le bảo vệ hoạt động sai, hư hỏng tụ điện, và làm tăng nguy cơ phá hủy cách điện của bộ nghịch lưu từ 15 đến 20%.
Độ méo tổng hợp điện áp (THD) cần được duy trì dưới mức 5%, và các thành phần sóng hài dòng điện không được vượt quá 8% theo một số tiêu chuẩn, bao gồm IEC 61000-3-6 đối với các hệ thống lắp đặt lớn hơn 75 kW.
Bộ lọc công suất chủ động sử dụng cảm biến dòng điện và công nghệ DSP để phát hiện và triệt tiêu các dòng điện hài trong thời gian thực, giảm đáng kể độ méo dạng hài tổng thể trong hệ thống.
Mặc dù bộ lọc công suất chủ động cải thiện việc tuân thủ quy định lưới điện và chất lượng điện năng, chi phí ban đầu của chúng cao hơn so với các giải pháp thụ động. Tuy nhiên, chúng mang lại tiết kiệm dài hạn tốt hơn nhờ hiệu suất cao hơn và bảo trì ít hơn.
Tin Tức Nổi Bật
EN
