Bộ lọc công suất chủ động kìm hãm sóng hài trong các nhà máy điện quang điện như thế nào?

Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống PV

Các hệ thống điện năng lượng mặt trời thường có xu hướng tạo ra các sóng hài chủ yếu do những linh kiện điện tử công suất phi tuyến mà ta tìm thấy trong các bộ biến tần và bộ chuyển đổi DC-DC. Những thành phần này làm thay đổi dạng sóng của dòng điện khi chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Các máy biến áp vận hành ở gần giới hạn bão hòa từ tính cũng góp phần vào vấn đề này, cùng với tải ba pha không cân bằng trong toàn hệ thống. Nhìn vào các nghiên cứu gần đây từ đầu năm 2024 về nguồn gốc của những tần số không mong muốn trong các công trình năng lượng xanh, phần lớn các nghiên cứu cho rằng các giao diện điện tử công suất là nguyên nhân gây ra khoảng 72 phần trăm các vấn đề sóng hài xảy ra trong các cơ sở quang điện hiện đại ngày nay.

Cách Thức Bộ Biến Tần Tạo Ra Dòng Điện Sóng Hài

Khi các bộ biến tần chuyển mạch bằng điều chế độ rộng xung (PWM), chúng thường tạo ra các dòng hài gây khó chịu. Hầu hết các bộ biến tần hoạt động trong dải tần số chuyển mạch khoảng từ 2 đến 20 kilohertz. Điều xảy ra ở đây khá đơn giản - chúng ta nhận được nhiều loại gợn sóng dòng điện tần số cao cùng với các cụm hài đặc trưng hình thành ngay quanh các bội số của tần số chuyển mạch cơ bản. Hãy xem điều gì xảy ra khi một bộ biến tần 4kHz hoạt động song song với lưới điện tiêu chuẩn 50Hz. Ngay lập tức, các hài bậc cao xuất hiện tại các điểm như 4kHz cộng hoặc trừ bội số tiếp theo của 50Hz. Nếu không ai lắp đặt bộ lọc phù hợp để xử lý tình trạng này, các dòng điện không mong muốn sẽ tiếp tục chảy ngược trở lại hệ thống điện chính. Hậu quả? Chất lượng điện áp tổng thể kém đi và gây hao mòn không cần thiết cho mọi thiết bị khác kết nối vào cùng mạng đó.

Tác động của việc tích hợp cao năng lượng mặt trời đến mức độ hài trên lưới điện

Khi tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời (PV) vượt quá 30% trong các mạng phân phối, độ méo hài tích lũy gia tăng do:

• Tương tác pha : Việc chuyển mạch đồng bộ của inverter khuếch đại các tần số hài cụ thể
• Trở kháng lưới : Trở kháng cao hơn ở các tần số hài làm tăng độ méo điện áp
• Rủi ro cộng hưởng : Sự tương tác giữa điện dung của inverter và điện cảm của lưới có thể tạo ra các đỉnh cộng hưởng

Các nghiên cứu thực địa đã ghi nhận các xung độ méo hài tổng (THD) nhất thời vượt quá 30% trong điều kiện bức xạ thay đổi nhanh — cao hơn nhiều so với giới hạn 5% độ méo điện áp THD theo tiêu chuẩn IEEE 519-2022. Những điều kiện này làm tăng tổn thất máy biến áp từ 15–20% và làm nhiệt độ dây dẫn tăng thêm 8–12°C, đẩy nhanh quá trình lão hóa cách điện và rút ngắn tuổi thọ thiết bị.

Bộ lọc công suất chủ động giảm thiểu hài như thế nào trong thời gian thực

Hạn chế của bộ lọc thụ động trong môi trường điện mặt trời động

Các bộ lọc hài thụ động không phù hợp với các hệ thống quang điện hiện đại do đặc tính điều chỉnh cố định của chúng. Chúng không thể thích ứng với phổ hài thay đổi do bức xạ biến thiên hoặc động lực tải. Các nhược điểm chính bao gồm:

• Không thể phản ứng trước các biến thể hài do mây gây ra
• Nguy cơ cộng hưởng với các bộ nghịch lưu nối lưới, được ghi nhận ở 63% các hệ thống PV
• chi phí bảo trì hàng năm cao hơn 74% so với các giải pháp chủ động (EPRI 2022)

Những hạn chế này làm giảm độ tin cậy và hiệu suất trong các môi trường mà hồ sơ hài thay đổi suốt cả ngày.

Nguyên lý hoạt động của Bộ lọc Công suất Chủ động: Tiêm Dòng hài theo Thời gian Thực tế

Các bộ lọc công suất chủ động (APF) sử dụng các bộ nghịch lưu dựa trên IGBT và bộ xử lý tín hiệu số (DSP) để phát hiện và triệt tiêu các sóng hài trong vòng 2 miligiây. Như đã nêu trong Hướng dẫn kỹ thuật IEEE 519-2022 , quy trình bao gồm:

1. Lấy mẫu dòng điện lưới ở tần số 20–100 kHz để ghi nhận thành phần hài
2. Tính toán dòng điện hài đối pha trong thời gian thực
3. Tiêm dòng điện bù thông qua chuyển mạch tần số cao (10–20 kHz)

Phản ứng động này cho phép bộ lọc công suất chủ động (APF) duy trì độ méo hài tổng (THD) dưới 5%, ngay cả khi độ thâm nhập năng lượng mặt trời cao (>80%) và hồ sơ phát điện thay đổi nhanh chóng.

Vị trí tối ưu của Bộ lọc Công suất Chủ động tại Điểm nối chung (PCC)

Việc lắp đặt APF tại Điểm nối chung (PCC) làm tăng hiệu quả giảm hài bằng cách xử lý đồng thời các méo do bộ nghịch lưu tạo ra và các nhiễu loạn từ lưới phía trên. Vị trí chiến lược này mang lại:

• giảm THD nhiều hơn 8–12% so với các cấu hình đặt phía tải
• Đồng thời hiệu chỉnh hiện tượng nhấp nháy điện áp và mất cân bằng pha
• dung lượng bộ lọc yêu cầu thấp hơn 32% nhờ bù trung tâm

Bằng cách giảm thiểu các thành phần hài tại điểm giao diện, các APF lắp tại PCC bảo vệ thiết bị phía hạ nguồn và đảm bảo sự tuân thủ trên toàn hệ thống.

Các Chiến lược Điều khiển Nâng cao cho Bộ lọc Công suất Chủ động Shunt trong Hệ thống PV

Lý Thuyết Công Suất Tác Dụng Tức Thời (p-q) Trong Điều Khiển Bộ Lọc Công Suất Chủ Động SAPF

Lý thuyết PQ tạo nền tảng cho cách thức hoạt động của các Bộ Lọc Công Suất Chủ Động Shunt (SAPF) trong việc phát hiện các thành phần hài và phản kháng gây rối trong tải điện. Điều xảy ra ở đây khá thú vị: dòng điện ba pha được chuyển đổi thành các thành phần trực giao gọi là p (công suất tác dụng) và q (công suất phản kháng), tất cả được đồng bộ với trạng thái bên lưới điện. Phương pháp này chính xác khoảng 9 trên 10 lần khi tách biệt các thành phần hài ra khỏi hỗn hợp. Sau khi xác định được các tín hiệu tham chiếu này, chúng sẽ điều khiển bộ nghịch lưu của SAPF để triệt tiêu đúng những gì cần thiết, đặc biệt là các sóng hài bậc năm và bậc bảy dai dẳng thường xuất hiện nhiều trong lưới điện được cấp nguồn từ các tấm pin năng lượng mặt trời, theo một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Energy năm ngoái.

Tăng Cường Độ Ổn Định Với Điều Chỉnh Điện Áp DC-Link

Việc duy trì điện áp DC-link ổn định rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất ổn định của các bộ lọc công suất chủ động nối song song (SAPF). Hệ thống thường sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (proportional-integral controller) để giữ sự cân bằng. Thiết bị này điều chỉnh điện áp tụ điện một chiều thông qua việc kiểm soát lượng công suất thực truyền giữa thiết bị và lưới điện. Các thử nghiệm cho thấy phương pháp này giảm gợn sóng điện áp khoảng 60 phần trăm so với các hệ thống không có điều tiết. Về mặt thực tiễn, điều này giúp duy trì khả năng bù hài số một cách chính xác ngay cả khi xảy ra các vấn đề như che bóng một phần hoặc thay đổi đột ngột cường độ ánh sáng mặt trời. Những sự cố này thường xuyên xảy ra tại các trang trại điện mặt trời quy mô lớn, do đó việc kiểm soát điện áp tốt là yếu tố hoàn toàn thiết yếu để vận hành trơn tru.

Xu hướng mới: Điều khiển thích nghi và điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo trong các bộ lọc công suất chủ động nối song song

Các mẫu SAPF mới nhất hiện nay kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo với các kỹ thuật điều khiển dự báo mô hình để dự đoán hành vi sóng hài dựa trên sản lượng đầu ra quá khứ của tấm pin mặt trời và thông tin lưới điện. Điều làm nên sự nổi bật của các hệ thống thông minh này là khả năng phản ứng nhanh hơn 30 phần trăm so với các phương pháp truyền thống, đồng thời tự động thay đổi tần số đóng ngắt trong khoảng từ 10 đến 20 kHz nhằm tối ưu hiệu suất tốt hơn. Các thử nghiệm thực tế đã chứng minh rằng khi trí tuệ nhân tạo được áp dụng vào vận hành SAPF, độ méo dạng sóng hài tổng (THD) luôn duy trì dưới mức 3%, điều này thực tế còn vượt qua các tiêu chuẩn nghiêm ngặt do IEEE 519-2022 quy định trong mọi tình huống vận hành khác nhau, theo nghiên cứu gần đây về hệ thống điều khiển được IEEE công bố.

Các Kỹ Thuật Giảm Sóng Hài Bổ Trợ Nhằm Cải Thiện Hiệu Suất APF

Giải Pháp Tiền Lọc: Bộ Biến Tần Đa Xung Và Bộ Lọc LCL

Bộ nghịch lưu đa xung giảm thiểu ngay từ nguồn việc phát sinh sóng hài thông qua việc sử dụng các cuộn dây máy biến áp lệch pha. Chúng có thể loại bỏ khoảng từ 40 đến thậm chí 60 phần trăm các sóng hài khó chịu bậc 5 và bậc 7 so với các thiết kế 6 xung thông thường. Thêm một bộ lọc LCL vào hệ thống hiện nay và hãy xem điều gì xảy ra tiếp theo. Những bộ lọc này rất hiệu quả trong việc triệt tiêu toàn bộ nhiễu chuyển mạch tần số cao ở mức trên khoảng 2 kHz. Khi kết hợp lại, chúng làm giảm đáng kể gánh nặng cho bất kỳ bộ lọc tích cực nào (APF) được lắp đặt phía sau trong hệ thống. Đối với những người làm việc với các hệ thống điện mặt trời, chiến lược lọc nhiều tầng này giúp dễ dàng đáp ứng hơn các tiêu chuẩn nghiêm ngặt IEEE 519 2022. Một số nghiên cứu từ IntechOpen xác nhận điều này, cho thấy mức độ cải thiện dao động từ khoảng 15% lên đến 30% về tỷ lệ tuân thủ.

Các phương pháp lai: Kết hợp máy biến áp zig-zag với bộ lọc công suất chủ động

Máy biến áp zig zag thực hiện khá tốt việc xử lý các sóng hài thứ tự không gây phiền toái, còn được gọi là triplen (ví dụ như bậc 3, 9, 15). Chính những thành phần này gây ra vấn đề về dây trung tính bị quá tải trong các hệ thống điện mặt trời ba pha. Khi kết hợp những máy biến áp này với bộ lọc công suất chủ động, theo nhiều thử nghiệm kết nối lưới, chúng ta có thể đạt được mức giảm khoảng hơn 90% các sóng hài tần số thấp dưới 1 kHz. Điều làm cho sự kết hợp này trở nên thú vị chính là việc nó cho phép kỹ sư giảm kích thước bộ lọc APF xuống khoảng một nửa, thậm chí đôi khi còn hơn thế. Và APF nhỏ hơn đồng nghĩa với việc tiết kiệm đáng kể chi phí thiết bị ban đầu cũng như làm giảm cả chi phí bảo trì định kỳ.

Tích hợp Firmware Bộ đổi nguồn thông minh để Ức chế Sóng hài Chủ động

Thế hệ mới nhất của các bộ biến tần tạo lưới đã bắt đầu sử dụng các thuật toán dự đoán để triệt tiêu hài, điều chỉnh chiến lược điều chế của chúng trong vòng chưa đầy năm mili giây. Những thiết bị thông minh này giao tiếp với bộ lọc công suất chủ động thông qua tiêu chuẩn IEC 61850, cho phép chúng khắc phục sự cố dạng sóng ngay tại điểm phát sinh thay vì để các vấn đề tích tụ ở phía hạ nguồn. Các thử nghiệm thực tế cho thấy một hiện tượng thú vị xảy ra khi các hệ thống hoạt động phối hợp theo cách này. Tổng độ méo hài giảm xuống dưới 3 phần trăm ngay cả khi mức độ ánh sáng mặt trời thay đổi đột ngột, điều này khá ấn tượng nếu xét đến độ nhạy cảm vốn có của các hệ thống điện mặt trời. Hơn nữa, còn một lợi ích khác đáng được nhắc đến là bộ lọc công suất chủ động tự bật/tắt ít hơn 40% so với trước đây. Điều này đồng nghĩa với tuổi thọ thiết bị kéo dài hơn và hiệu quả tổng thể tốt hơn cho toàn bộ hệ thống điện.

Đánh giá Hiệu suất và Giá trị Kinh tế của Bộ lọc Công suất Chủ động trong các Nhà máy Điện Mặt trời

Đo Lường Hiệu Quả: Các Nghiên Cứu Trường Hợp Tuân Thủ IEEE 519-2022 và Giảm THD

Các hệ thống điện quang cần bộ lọc công suất tác dụng để tuân thủ các tiêu chuẩn IEEE 519-2022, trong đó quy định giới hạn 5% đối với độ méo hài tổng của điện áp tại các điểm kết nối. Khi đưa vào vận hành thực tế, các bộ lọc APF này thường giảm mức THD từ khoảng 12 phần trăm xuống chỉ còn 2 hoặc 3 phần trăm trong hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời thương mại. Điều này giúp thiết bị không bị quá nóng và ngăn ngừa những hiện tượng méo dạng sóng gây hại có thể làm hư hỏng hệ thống theo thời gian. Nhìn lại năm 2023 khi các nhà nghiên cứu kiểm tra bảy trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn, họ nhận thấy một điều thú vị: sau khi lắp đặt các bộ lọc APF, tỷ lệ tuân thủ các quy định của lưới điện tăng mạnh từ mức vừa trên một nửa (khoảng 58%) lên gần như hoàn hảo ở mức 96%. Những chuyên gia thường xuyên nghiên cứu các vấn đề về chất lượng điện cũng chỉ ra một lợi ích khác. Các bộ lọc này vẫn hoạt động khá hiệu quả ngay cả khi hệ thống không chạy ở công suất tối đa, đôi khi chỉ ở mức 30%, điều này khiến chúng đặc biệt phù hợp với năng lượng mặt trời nơi sản lượng điện tự nhiên thay đổi trong suốt cả ngày.

Hiệu suất Trường kỳ trong Thực tế: Bộ Lọc Công suất Chủ động tại một Hệ thống Năng lượng Mặt trời ở Đức

Một nhà máy điện quang điện vận hành ở công suất 34 megawatt tại Đức đã cho thấy hiệu suất ấn tượng từ hệ thống bộ lọc công suất chủ động trong khoảng thời gian gần bốn năm rưỡi. Tổng mức méo hài luôn duy trì ổn định dưới 3,8%, ngay cả khi sản lượng của nhà máy thay đổi mạnh từ 22% đến 98% công suất. Điều làm nên điểm nổi bật của thành tựu này là hệ thống điều khiển thông minh đã giảm số lần thay thế các tổ tụ điện khoảng ba phần tư so với các phương pháp thụ động truyền thống. Xét về thống kê thời gian hoạt động liên tục, bộ lọc chủ động (APF) duy trì hoạt động ở mức đáng kinh ngạc là 98,6%, vượt trội hơn so với hầu hết các bộ lọc thụ động trong điều kiện thời tiết tương tự (thường dao động từ 91% đến 94%). Các đội bảo trì cũng báo cáo rằng họ cần can thiệp ít hơn khoảng 40% so với các phương pháp lọc dựa trên cuộn cảm cũ hơn, từ đó mang lại khoản tiết kiệm chi phí đáng kể theo thời gian.

Phân tích Chi phí - Lợi ích: Cân bằng Đầu tư ban đầu với Tiết kiệm từ Phạt lưới

Bộ lọc chủ động (APF) chắc chắn có giá ban đầu cao hơn, thường cao hơn khoảng 25 đến 35 phần trăm so với các bộ lọc thụ động thông thường. Nhưng điểm mấu chốt là: chúng giúp các nhà máy tiết kiệm từ mười tám nghìn đến bốn mươi lăm nghìn đô la mỗi năm do tránh được các khoản phạt lưới điện do vấn đề hài gây ra. Lấy ví dụ một cơ sở điển hình công suất 20 megawatt, số tiền tiết kiệm được sẽ bù đắp chi phí phát sinh thêm trong chưa đầy bốn năm. Hiện nay, nhiều công ty đang kết hợp APF với bộ lọc LCL hiện có. Cách tiếp cận lai này làm giảm chi phí xử lý xuống khoảng 19 xu mỗi watt đỉnh, khi so sánh với việc sử dụng hoàn toàn hệ thống thụ động. Ngoài ra, các cơ quan quản lý hiện đã bắt đầu coi APF là tài sản cố định thực sự, có thể khấu hao trong vòng bảy đến mười hai năm. Điều này khiến chúng trở nên hấp dẫn về mặt tài chính so với các giải pháp truyền thống, vốn phải mất tới mười lăm năm mới được khấu hao hết. Về mặt toán học, giải pháp này đơn giản là hiệu quả hơn đối với hầu hết các hoạt động đang hướng tới tiết kiệm dài hạn.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân gây ra sóng hài trong các hệ thống điện mặt trời là gì?

Các hài trong hệ thống quang điện chủ yếu được gây ra bởi các thiết bị điện tử công suất phi tuyến có trong các bộ biến tần và bộ chuyển đổi DC-DC. Các nguồn bổ sung bao gồm các máy biến áp hoạt động gần giới hạn bão hòa từ tính và tải ba pha không cân bằng.

Bộ biến tần tạo ra dòng điện hài như thế nào?

Các bộ biến tần sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) tạo ra dòng điện hài khi chuyển mạch, gây ra các gợn sóng tần số cao và các cụm hài xuất hiện xung quanh các bội số của tần số chuyển mạch cơ bản.

Tác động của việc tích hợp cao các hệ thống PV đến các hài trên lưới điện là gì?

Khi mức độ tích hợp PV tăng lên, méo hài trở nên nghiêm trọng hơn do sự tương tác pha, trở kháng lưới và nguy cơ cộng hưởng, dẫn đến tổn thất tăng ở máy biến áp và nhiệt độ dây dẫn tăng cao.

Bộ lọc công suất chủ động giúp giảm thiểu các hài như thế nào?

Các Bộ lọc Công suất Chủ động (APF) phát hiện và triệt tiêu các hài bằng cách sử dụng các bộ biến tần dựa trên IGBT và DSP, giảm tổng mức méo hài xuống dưới 5%, ngay cả khi mức độ tích hợp năng lượng mặt trời cao.

Lợi ích của việc lắp đặt bộ lọc APF tại điểm nối chung (PCC) là gì?

Việc lắp đặt bộ lọc APF tại PCC giải quyết cả các méo dạng do inverter tạo ra lẫn các nhiễu loạn từ lưới điện, dẫn đến giảm tổng độ méo hài (THD) nhiều hơn và đồng thời khắc phục hiện tượng nhấp nháy điện áp.