ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1. Giới thiệu. 2.2. Đường cong công suất và điểm công suất cực đại của hệ thống PV. 2.3. Cấu hình hệ thống PV hòa lưới. 2.4. Điều khiển hệ thống PV hòa lưới. 2.5. Bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống PV Năng lượng mặt trời (PV) được hòa lưới là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và có triển vọng nhất trên thế giới. Trong thực tế, kể từ năm 2007 đến năm 2012 nó đã tăng hơn 10 lần (từ 10 lên 100 GW công suất lắp đặt), và hiện nay theo thống kê trên thế giới đã có gần 1000GW công suất đã lắp đặt.

MỤC LỤC

Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

2.1 Giới thiệu 3

2.2 Đường cong công suất và điểm công suất cực đại của hệ thống PV: 6

2.2.1 Mô hình điện của một tế bào PV: 6

2.2.2 Mô đun quang điện I – V và P – V 7

2.2.3 MPP dưới bóng một phần: 9

2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới: 10

2.3.1 Cấu hình tập trung: 13

2.3.2 Cấu hình chuỗi: 18

2.3.3 Cấu hình nhiều chuỗi: 27

2.3.4 Cấu hình môđun AC: 30

2.4 Điều khiển hệ thống PV hòa lưới: 32

2.4.1 Phương pháp điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa: 32

2.4.3 Kiểm soát bộ chuyển đổi theo lưới: 39

2.4.4 Phát hiện chống đảo: 44

2.5 Bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống PV 47

-DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Công suất năng lượng mặt trời được lắp đặt và tích lũy hàng năm Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lượng PV nói chung Error! Bookmark not defined. Hình 2.3 Mô hình điện tế bào PV 7

Hình 2.4 Các đường cong I – V và P – V của môđun PV 8

Hình 2.5: Các đường cong I – V và P – V 10

Hình 2.6 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới 11

Hình 2.7: Nhà máy điện PV Sarnia, Ontario, 14

Hình 2.8: Cấu hình biến tần trung tâm điển hình dựa trên biến tần 14

Hình 2.9: Nhà máy PV quy mô tiện ích 16

Hình 2.10: Cấu hình biến tần trung tâm kép với biến áp nhiều cuộn dây 17

Hình 2.11: Hệ thống PV biến tần trung tâm đa cấp: 18

Hình 2.12: Điện dung ký sinh và dòng điện rò rỉ trong hệ thống PV 19

Hình 2.13: Bộ biến tần dựa trên cấu trúc liên kết cầu H: 21

Hình 2.14: Các biến thể của bộ nghịch lưu chuỗi cầu H không biến áp: 23

Hình 2.15 Bộ nghịch lưu chuỗi có kẹp điểm trung tính không có cách ly: 24

Hình 2.16: Bộ nghịch lưu chuỗi dựa trên cầu H xếp tầng 26

Hình 2.17 Các ví dụ về cấu trúc liên kết đa chuỗi: 29

Hình 2.18: Hệ thống PV môđun AC dựa trên bộ chuyển đổi 31

Hình 2.19: Hệ thống PV môđun AC dựa trên bộ chuyển đổi DCDC HF 31

Hình 2.20: Phân loại thuật toán MPPT 33

Hình 2.21: Thuật toán P&O 34

Hình 2.22: P&O theo bước thay đổi nhiệt độ: 35

Hình 2.23: Thuật toán MPPT độ dẫn tăng dần 36

Hình 2.25: Điều khiển hướng điện áp (VOC) cho bộ nghịch lưu PV nối lưới 40

Hình 2.26: Mạch tương đương vectơ không gian của bộ biến đổi nối lưới: 41

Hình 2.27: Biểu đồ vectơ không gian của hệ thống chuyển đổi nối lưới 42

Hình 2.28 Điều khiển hướng điện áp (VOC) cho bộ nghịch lưu PV nối lưới 43

Hình 7.29 Hệ thống phát điện phân tán PV kết nối lưới với tải cục bộ: 44

Hình 2.30: Các phương pháp phát hiện chống đảo cho hệ thống PV nối lưới 45

Hình 2.31: Phương pháp phát hiện chống đảo lệch tần số chủ động (AFD): 46

Hình 2.32 Phân loại cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi đa bậc 48

Hình 2.33 Cấu trúc liên kết đa chuỗi NPC ba pha cho ứng dụng PV đa megawatt 50 -DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thông số tế bào PV 7

Bảng 2.2: Tóm tắt các đặc điểm cấu hình hệ thống PV nối lưới 13

Bảng 2.3: Ví dụ về biến tần trung tâm kép thương mại 17

Bảng 2.4: Các cấu hình chuỗi tùy thuộc vào cách ly và giai đoạn DC – DC 20

Bảng 2.5 Các ví dụ về biến tần chuỗi thương mại 26

Bảng 2.6: Các ví dụ về biến tần đa chuỗi thương mại 28

Bảng 2.7: Các ví dụ về biến tần môđun AC thương mại 32

-Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Giới thiệu

Năng lượng mặt trời (PV) được hòa lưới là một trong những nguồn năng lượngtái tạo phát triển nhanh nhất và có triển vọng nhất trên thế giới Trong thực tế, kể từnăm 2007, nó đã tăng hơn 10 lần (từ 10 lên 100 GW công suất lắp đặt vào năm 2012),với 60 GW được lắp đặt chỉ trong hai năm 2011 và 2012, như có thể thấy trong hình2.1

Lý do chính cho sự phát triển này đáng chú ý là khả năng cạnh tranh của nănglượng mặt trời (PV) tăng lên do chi phí sản xuất các các tấm pin PV giảm và các gói

ưu đãi hoặc trợ cấp kinh tế được đưa ra Nguyên nhân thứ hai là do giá nhiên liệu hóathạch liên tục tăng, trữ lượng hạn chế và sự ảnh hưởng của chính sách đối ngoại củacác quốc gia sở hữu tài nguyên này, cũng như những lo ngại về môi trường ngày càngtăng Điều này làm cho việc sản xuất năng lượng điện mặt trời có hiệu quả về chi phí

và cạnh tranh ở một số khu vực trên thế giới có điều kiện bức xạ mặt trời tốt Dự kiến,chi phí công nghệ sản xuất PV sẽ tiếp tục giảm trong thập kỷ tới, khiến các hệ thống

PV quy mô lớn ngày càng hấp dẫn hơn Ngoài ra, các hệ thống PV có thể mở rộng từquy mô nhỏ đến quy mô lớn, để có thể trở thành các nhà máy PV có chi phí thấp hơn

so với các nguồn năng lượng tái tạo khác (gió, biển, địa nhiệt, )

Tế bào PV là thành phần chính của hệ thống PV (còn được gọi là máy phát PV),điện tử công suất đóng vai trò cơ bản như một công nghệ cho phép điều khiển hệ thống

PV hiệu quả và trực tiếp để chuyển nguồn điện được tạo ra vào lưới điện Các chứcnăng của giai đoạn chuyển đổi năng lượng của hệ thống PV bao gồm theo dõi điểmcông suất cực đại (MPPT), chuyển đổi nguồn DC thành AC, đồng bộ hóa lưới điện,đáp ứng các thông số yêu cầu của lưới điện (chất lượng điện năng), kiểm soát côngsuất tác dụng và phản kháng và chống dòng phát ngược khi mất nguồn lưới

Hình 2.1 Công suất năng lượng mặt trời được lắp đặt và tích lũy hàng năm

Tổng quan về giao diện bộ chuyển đổi công suất chung cho các hệ thống PVnối lưới được trình bày trong Hình 2.2 Hệ thống này bao gồm một hệ thống tạo PV,

có thể là một mô-đun đơn, một chuỗi mô-đun được kết nối theo chuỗi hoặc một mảngcác chuỗi được kết nối song song Hệ thống PV được theo sau bởi một bộ lọc đầu vàothụ động, thường là một tụ điện, được sử dụng để ổn định sự thay đổi của dòng điện vàđiện áp (công suất) ở phía PV vào các giai đoạn tiếp theo Bộ lọc đầu vào có thể đượctheo sau bởi bộ DC–DC, giai đoạn này thường được sử dụng để thực hiện MPPT của

hệ thống PV, nâng cao điện áp đầu ra của nó và trong một số trường hợp cũng để tăngcách điện (khi sử dụng bộ biến đổi DC–DC ở tần số cao ( HF)) Vấn đề sẽ được thảoluận như sau, một số hệ thống PV bao gồm một số bộ chuyển đổi nguồn DC–DC đểphân phối chuyển đổi và điều khiển ở phía DC Giai đoạn DC–DC (hoặc bộ lọc đầuvào nếu không sử dụng giai đoạn DC–DC) được kết nối thông qua liên kết DC với bộchuyển đổi DC–AC nối lưới, thường được gọi là biến tần PV Trong các hệ thống PVkhông sử dụng tầng DC–DC, bộ lọc đầu vào tương đương với tụ điện DC-link nhưtrong Hình 2.2

Hình 2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lượng PV

Biến tần PV được kết nối với lưới điện thông qua bộ lọc đầu ra, thường đượclàm từ sự kết hợp của cuộn cảm (L) và tụ điện (C), thường ở cấu hình L, LC hoặcLCL Bộ lọc AC cho phép điều hòa giảm thiểu và hỗ trợ điều khiển giao diện lưới-bộchuyển đổi Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống PV và kết nối lưới có sẵn, máy biến

áp tần số thấp (LF) được sử dụng để nâng cao điện áp và cách ly (điều này là khôngcần thiết nếu sử dụng tầng DC–DC cách ly)

Bộ chuyển đổi nối lưới cũng bao gồm một bộ giám sát và thao tác lưới điện(với bộ ngắt mạch và cầu chì) để ngắt kết nối hệ thống khi được yêu cầu, chẳng hạnnhư trong đêm, sự cố lưới hoặc kiểm soát phát ngược Tín hiệu cho hệ thống điềukhiển bao gồm một số cảm biến dòng điện và điện áp ở phía đầu vào PV (đối vớiMPPT), bộ DC-link (dùng để điều khiển điện áp DC-link) và phía lưới điện (để điềukhiển công suất tác dụng/phản kháng hòa lưới điện) Hệ thống điều khiển còn bao gồmcác bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bộ vi xử lý kỹ thuật số (hoặctương đương) và bộ điều khiển cổng để điều khiển các thiết bị bán dẫn của các giaiđoạn công suất khác nhau

Không phải tất cả các hệ thống PV nối lưới đều giống nhau; chúng có thể thayđổi đáng kể về kích thước và công suất từ quy mô nhỏ (một mô-đun duy nhất vài trămwatt) đến nhà máy điện quy mô lớn (hiện lên tới 290 MW) Chúng cũng có thể đượcsắp xếp theo các cấu hình chuỗi khác nhau và được kết nối với các lưới có sẵn khácnhau (một pha hoặc ba pha, 50 hoặc 60 Hz, điện áp thấp (LV) hoặc điện áp trung bình(MV) tại điểm ghép nối chung (PCC), … Do đó, một số cấu hình chuyển đổi nănglượng đã được phát triển để điều chỉnh tốt hơn theo yêu cầu của từng hệ thống PV

Chương này trình bày các cấu hình hệ thống PV nối lưới được sử dụng rộng rãi nhất,cấu trúc liên kết bộ biến đổi nguồn DC–DC và DC–AC, bao gồm các nguyên tắc hoạtđộng và sơ đồ điều khiển của chúng Các khái niệm hệ thống PV bổ sung, chẳng hạnnhư phát hiện chống đảo, điểm công suất tối đa (MPP) và các phương pháp MPPTkhác nhau được giới thiệu Cuối cùng, một cuộc thảo luận ngắn gọn về những pháttriển gần đây trong các hệ thống PV dựa trên bộ chuyển đổi đa cấp cũng được đưa vào.

2.2 Đường cong công suất và điểm công suất cực đại của hệ thống PV:

Các mô-đun quang điện bao gồm các tế bào quang điện nối tiếp, về cơ bản đượclàm bằng hai lớp thiết bị bán dẫn và silicon (đơn tinh thể và đa tinh thể), hay còn gọi làvật liệu màng mỏng (cadmium Telluride, đồng indium gallium selenide và silicon vôđịnh hình) , tạo thành trường tiếp giáp loại p–n Nguyên tắc hoạt động cơ bản của tất

cả các công nghệ này là hiệu ứng quang điện, theo đó các photon có năng lượng bằnghoặc lớn hơn năng lượng vùng hóa trị của vật liệu bán dẫn có thể kích thích và trởthành các điện tử tự do Khi mạch PV được đóng (bằng cách kết nối tải hoặc bộchuyển đổi), các electron được giải phóng sẽ tạo ra dòng điện một chiều từ lớp dươngsang lớp âm để lấp đầy “lỗ trống dương” Do đó, dòng điện do mô-đun PV tạo ra phụthuộc trực tiếp vào số lượng photon tới từ bức xạ mặt trời: bức xạ cao hơn có nghĩa lànhiều photon hơn, do đó có nhiều electron tự do hơn và do đó dòng điện cao hơn

2.2.1 Mô hình điện của một tế bào PV:

Các đặc tính điện của mô-đun hoặc tế bào PV là phi tuyến tính và phụ thuộcnhiều vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ Tế bào PV có thể được mô hình hóa bằng mạchđiện tương đương như mạch điện trong Hình 2.3, với nguồn dòng quang song song vớimột diode, điện trở shunt Rsh và điện trở nối tiếp Rs

Mô hình của Hình 2.3 có thể được mô tả bằng toán học bởi Kishor et al

Trong đó: iPV là dòng điện đầu ra của PV, là hàm của điện áp đầu ra vPV và một

số biến như được định nghĩa trong Bảng 2.1

Hình 2.3 Mô hình điện tế bào PV

Bảng 2.1: Thông số tế bào PV

2.2.2 Mô đun quang điện I – V và P – V

Các đường cong dòng điện-điện áp (I-V) điển hình của mô-đun PV và cácđường cong công suất-điện áp (P-V) có thể được quan sát trong Hình 2.4 Từ cácđường cong I-V, có thể thấy rằng mô-đun PV hoạt động như một nguồn dòng điện mộtchiều hầu như không đổi ngay cả khi mô-đun PV được kết nối với các điện thế đầu rakhác nhau Khi điện áp trên mô-đun cao hơn, các điện tử tự do bắt đầu liên kết lại vàkhông tạo ra dòng điện Hiệu ứng này không tuyến tính đối với điện áp và nó cắt độtngột Khi tất cả các điện tử được kết hợp lại và không có dòng điện nào được tạo ra,mô-đun đang hoạt động ở một điện áp mạch hở Điện áp này thay đổi đối với các mứcchiếu xạ mặt trời khác nhau (ở cùng nhiệt độ), như có thể thấy trong Hình 2.4 (a)

Hình 2.4 Các đường cong I – V và P – V của mô-đun PV (a) các mức chiếu xạ mặt trời khác nhau ở 25 0 C, (b) các nhiệt độ khác nhau ở 1000 W/m 2

Ngược lại, khi ngắn mạch, mô đun tạo ra dòng điện lớn nhất (dòng ngắn mạch

isc), dòng điện này phụ thuộc rất tuyến tính vào bức xạ mặt trời (càng nhiều photon,càng nhiều electron tự do) Do đó, các đường cong P-V (thu được bằng cách nhân cáctrục của đường cong I-V) của mô-đun PV sẽ bao gồm ba đoạn: độ dốc dương không

đổi dp/dv > 0 bằng với dòng điện một chiều không đổi được tạo ra, một đoạn âm dp/dv

< 0 độ dốc khi hoạt động gần với điện áp hở mạch và một đoạn dp/dv = 0 tương ứng

với MPP cho bức xạ đã cho đó Điện áp mà MPP thu được được gọi là điện áp côngsuất cực đại vmp Độ dốc của đường cong I-V có thể được điều chỉnh bằng điện trởshunt Rsh và điện trở nối tiếp Rs trong mô hình ô PV để thể hiện tốt hơn ô PV thực

Điện áp mạch hở, mặc dù không bị ảnh hưởng nhiều bởi các mức chiếu xạ mặttrời khác nhau, nhưng thay đổi đáng kể khi mô-đun hoạt động ở các nhiệt độ khác

nhau, như có thể thấy trong Hình 2.4 (b) Tóm lại, nhiệt độ càng cao, điện áp hở mạchcàng giảm, làm giảm công suất cực đại mà mô-đun có thể tạo ra

Cả mức độ chiếu xạ mặt trời và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến công suất tối đa cóthể lấy ra từ các mô-đun Khi kết nối tải thụ động, đường cong I – V của tải sẽ giao vớiđường cong I – V của mô-đun và xác định công suất do mô-đun tạo ra Tuy nhiên, một

bộ chuyển đổi công suất được điều khiển, dù là DC – DC hay DC – AC, đều có thểđiều khiển đặc tính đường cong tải và cắt đường cong PV tại MPP Điều này đạt được

bằng cách kiểm soát điện áp đầu ra PV ở vmp Vì các điều kiện hoạt động của chiếu xạ

và nhiệt độ vốn có biến thiên theo thời gian, nên vmp tức thời không xác định được (trừkhi đo bức xạ và nhiệt độ, điều này rất tốn kém) Việc tìm kiếm MPP sau đó được thựchiện bởi bộ chuyển đổi nguồn, do đó tầm quan trọng của điện tử công suất đối với ứngdụng cụ thể này Các kỹ thuật điều khiển được sử dụng cho nhiệm vụ như vậy đượcgọi là phương pháp theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) và sẽ là được thảo luận sautrong chương này Thuật toán MPPT tạo ra tham chiếu điện áp được điều khiển bởi bộchuyển đổi

Điều đáng nói là các đường cong công suất thể hiện trong Hình 2.4 tương ứngvới một mô-đun PV duy nhất; do đó, các mô-đun được kết nối theo chuỗi tạo thànhmột chuỗi PV sẽ có MPP kết hợp khác nhau, tùy thuộc vào sự không phù hợp của mô-đun, sự khác biệt về nhiệt độ và che bóng một phần của các mô-đun Điều tương tựcũng áp dụng cho các mảng PV được tạo thành bởi các chuỗi kết nối song song Trongnhững trường hợp này, đường cong I-V có một số MPP cục bộ và một MPP lớn nhất,khiến việc đạt được MPPT thực sự khó khăn hơn

2.2.3 MPP bị che bóng một phần:

Việc che bóng một phần và mô-đun không giống nhau gây ra sự khác biệttrong cấu tạo hoặc sự khác nhau gây ra hư hỏng và sự lão hóa được xác định lànguyên nhân chính làm giảm năng suất của chuỗi và mảng PV Chúng cũng là nguyênnhân tạo ra các điểm nóng trong các ô của mô-đun, điều này không chỉ làm giảm sảnxuất năng lượng mà còn làm giảm tuổi thọ của mô-đun

Hình 2.5: Các đường cong I – V và P – V của một chuỗi hai mô-đun, với một cell bị

che bóng 40%: (a) qua điốt và (b) không qua diode

Trong một chuỗi gồm hai hoặc nhiều đun được kết nối nối tiếp, một đun được tô bóng sẽ có dòng quang rất thấp hoặc thậm chí bằng không, và do đó dòngđiện được tạo ra bởi các mô-đun khác đi qua điện trở shunt, dẫn đến điện thế âm Vì

mô-Rsh thường lớn, mô-đun bị bóng mờ làm giảm điện áp tổng thể của chuỗi thay vì thêmvào nó Để khắc phục hiệu ứng này, một diode thường được thêm vào song song vớicác mô-đun, để trong trường hợp che bóng một phần, dòng điện đi qua diode chỉ dẫnđến giảm điện áp bán dẫn Tương tự, trong các mô-đun hoặc chuỗi được kết nối songsong, một diode được nối nối tiếp với mỗi chuỗi để ngăn dòng ngược chảy vào chuỗi

2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới:

Các hệ thống chuyển đổi năng lượng PV hòa lưới có thể được nhóm thành bốnloại cấu hình khác nhau: cấu hình tập trung cho các nhà máy PV quy mô lớn (ba pha),cấu hình chuỗi cho các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ (một pha và ba pha), nhiềuchuỗi cấu hình cho các hệ thống quy mô nhỏ đến lớn (một pha và ba pha) và cấu hìnhmô-đun AC cho các hệ thống quy mô nhỏ (thường là một pha) Sơ đồ đơn giản củatừng cấu hình này được trình bày trong Hình 2.6

Hình 2.6 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới (a) cấu hình tập trung, (b) cấu hình chuỗi, (c) cấu hình kết hợp nhiều chuỗi và (d) cấu hình mô-đun AC

Cấu hình hệ thống tập trung (Hình 2.6 (a)) có đặc điểm chính là sử dụng bộnghịch lưu nguồn điện áp ba pha đơn (VSI) để kết nối toàn bộ nhà máy PV với lướiđiện, hoặc một phần của nó, trong trường hợp các nhà máy PV vượt quá định mứccông suất của các biến tần trung tâm hiện có Hệ thống PV được hình thành bởi chuỗikết nối các mô-đun (chuỗi) để đạt được điện áp liên kết DC mong muốn và bằng một

số chuỗi song song để đạt được định mức công suất của biến tần Ưu điểm của cấuhình này là cấu trúc đơn giản, máy biến áp LF độc lập và hệ thống điều khiển đơn (một

bộ cảm biến, điều khiển khiển và đơn vị giám sát lưới điện) Điều này phải trả giá

bằng việc giảm phát điện do một thuật toán MPPT duy nhất cho toàn bộ hệ thống PV.Ngoài ra, tổn thất dẫn truyền đi-ốt được đưa vào bởi các điốt chặn chuỗi chuỗi Hiệntại, cấu hình trung tâm là cấu trúc liên kết được sử dụng rộng rãi nhất cho các nhà máy

PV quy mô lớn

Cấu hình chuỗi (Hình 2.6 (b)) sử dụng một biến tần trên mỗi chuỗi PV; do đókhông cần diode chặn các chuỗi nối tiếp Ngoài ra, đối với một nhà máy PV bao gồmmột số bộ biến tần thay vì một bộ biến tần trung tâm, sẽ có nhiều MPPT riêng lẻ hơn,làm tăng tổng năng suất năng lượng Độ bóng một phần và sự không phù hợp đượcgiảm ở cấp độ chuỗi chứ không phải ở cấp độ mức mảng Cấu hình chuỗi cũng tăngtính mô-đun, vì các chuỗi PV bổ sung và bộ nghịch lưu chuỗi có thể được thêm vào bộnguồn mà không ảnh hưởng đến các chuỗi hiện có Về nhược điểm, so với biến tầntrung tâm, cấu hình chuỗi có số lượng thành phần cao hơn, nhiều biến áp LF hoặc HFnếu cần cách ly và được cải tiến cho một số hệ thống điều khiển lưới riêng lẻ (cảmbiến, nền tản điều khiển, đơn vị giám sát lưới điện, v.v.) cho một nhà máy điện cócùng quy mô Đối với các nhà máy PV lớn, chi phí đầu tư của cấu hình biến tần chuỗi

có thể cao hơn tới 60% so với cấu hình biến tần trung tâm Do đó, hệ thống chuỗi hạtnhân được áp dụng rộng rãi như một giải pháp cho các hệ thống PV quy mô vừa vànhỏ như hệ thống sân thượng và khu dân cư

Cấu hình đa chuỗi biến tần (Hình 2.6 (c)) kết hợp các lợi ích của hệ thống tậptrung và hệ thống chuỗi Nó cho thấy khả năng MPPT phân tán của cấu hình chuỗithông qua các bộ chuyển đổi DC – DC riêng lẻ giao tiếp từng chuỗi với bộ biến tần tậptrung Giai đoạn DC – DC nhằm mục đích cho việc nâng cao điện áp và tăng cách điệnnếu sử dụng bộ chuyển đổi DC – DC cách ly tần số cao( HF) Bằng cách này, hệ thốngđạt được hiệu suất của mô đun cao hơn so với cấu trúc liên kết trung tâm, trong khivẫn giữ được các ưu điểm chính của nó (cấu trúc đơn giản và hệ thống điều khiển phíalưới đơn) Về số lượng thành phần, cấu hình đa chuỗi nằm trên cấu trúc liên kết trungtâm, vì các bộ chuyển đổi DC – DC bổ sung và bên dưới bộ nghịch lưu chuỗi, vì giaiđoạn DC – DC yêu cầu ít thành phần hơn so với các bộ biến tần nối lưới Trong số cácnhược điểm là tổn hao cáp DC cao hơn, cần thiết để kết nối các bộ phận nhỏ hơn của

hệ thống PV và bộ chuyển đổi DC – DC với biến tần trung tâm Cấu hình đa chuỗi phổbiến cho các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ như hệ thống trên mái nhà Gần đây hơn,

nó cũng đã được dùng cho các nhà máy PV quy mô lớn hoặc quy mô phổ biến

Cuối cùng, cấu hình mô-đun AC hoặc cấu trúc liên kết tích hợp mô-đun, thườngđược gọi là biến tần siêu nhỏ (Hình 2.6 (d)), là cấu trúc chuyển đổi năng lượng phântán nhất cho các hệ thống PV nối lưới, vì nó có một biến tần cho mỗi mô-đun PV Do

đó, nó có thể đạt MPPT tốt nhất trong tất cả các cấu hình Vì các mô-đun PV thườngtạo ra LV (<50 V), nên cần phải nâng cao điện áp cho kết nối lưới của cấu hình này

Do đó, cấu trúc liên kết mô-đun AC thường bao gồm giai đoạn tăng cường DC–DC đểnâng cao điện áp của mô-đun Trong hầu hết các trường hợp, giai đoạn DC – DC cũngbao gồm một máy biến áp cách ly HF để cung cấp khả năng cách điện Trong cấu hìnhnày, tất cả các thiết bị điện tử công suất, linh kiện, bộ lọc, hệ thống điều khiển, v.v.được phân phối giữa tất cả các mô-đun của nhà máy, do đó có thể dẫn đến chi phí caohơn và giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi (không bao gồm hiệu suất MPPT cao hơn)

Do đó, cấu trúc liên kết này được thiết kế cho các hệ thống PV quy mô nhỏ và sử dụngtrong nước nhiều hơn Bảng tóm tắt các đặc điểm chính của bốn cấu hình được đưa ratrong Bảng 2.2

Cấu hình Dải công suất Chi phí Thiết bị Ưu Điểm Nhược điểm Biến tần trung

tâm

<1.6MW Thấp IGBT Thiết kế đơn

giản, hệ thống điềnu khiển đơn giản

Tổn thất, giảm hiệu suất năng lượng, diode chặn chuỗi Chuỗi biến tần <10kW Trung bình MOSFET/IGBT MPPT riêng

biệt, giảm dây DC

Số lượng thành phần cao, một

số hệ thống điều khiển lưới

Đa chuỗi biến

Đếm thành phần trung bình, chuyển đổi công suất hai giai đoạn Module biến

tần AC

<300W Cao MOSFET Không có dây

DC, năng suất cao

Số lượng thành phần cao nhất, một hệ thống điều khiển cho mỗi mô-đun

Bảng 2.2: Tóm tắt các đặc điểm cấu hình hệ thống PV nối lưới

2.3.1 Cấu hình tập trung:

Cấu hình trung tâm là hệ thống PV được áp dụng rộng rãi nhất cho các nhà máy

PV có quy mô lớn hoặc phổ biến Hiện tại, các nhà máy PV hiệu quả đang phát triểnbùng nổ và mở đường cho việc thâm nhập năng lượng PV quy mô lớn trên toàn thếgiới Chỉ 5 năm trước, đã có một số ít nhà máy PV có công suất lắp đặt trên 20 MW,trong đó lớn nhất là Công viên năng lượng mặt trời Olmedilla de Alarcon ở Tây Ban

Nha với công suất lắp đặt cao nhất là 60 MW (đi vào hoạt động năm 2008) Hiện tại,hơn 50 nhà máy vượt qua 40 MW, với công suất lớn nhất đạt 290 MW (Dự án nănglượng mặt trời Agua Caliente, Yuma, Hoa Kỳ) Các nhà máy lớn hơn, công suất hàng

GW, hiện đang được phát triển ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hy Lạp và Dubai, và có hơn

25 nhà máy trên phạm vi 250 MW trên toàn thế giới sẽ được hoàn thành trong thập kỷnày Hình 2.7 cho thấy nhà máy PV Sarnia đặt tại Ontario, Canada, với công suất lắpđặt cao nhất là 97 MW, là nhà máy PV lớn nhất hoạt động vào năm 2011 (1,3 triệumô-đun PV)

Hình 2.7: Nhà máy điện PV Sarnia, Ontario, Canada, đỉnh 97 MW, 1,3 triệu mô-đun

(ảnh của First Solar)

Hình 2.8: Cấu hình biến tần trung tâm điển hình dựa trên biến tần

nguồn điện áp hai cấp

Hình 2.8 mô tả cấu hình điển hình của hệ thống PV biến tần trung tâm nối lưới.Các mô-đun PV được kết nối nối tiếp để tạo thành chuỗi, lần lượt được kết nối songsong để tạo thành một mảng kết nối với biến tần trung tâm Các phiên bản đầu tiên củacấu trúc liên kết trung tâm là bộ nghịch lưu chuyển mạch dòng với hệ số công suất 0,7.Công nghệ biến tần trung tâm hiện nay thường là bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha haicấp và được thể hiện trong Hình 2.8 Nó được trang bị tự chuyển mạch được cách điệnvới đầu vào công nghệ bán dẫn lưỡng cực (IGBT), được điều khiển bởi bộ xử lý tínhiệu kỹ thuật số (DSP) và được điều chế bằng điều chế độ rộng xung dựa trên sóngmang (PWM) hoặc điều chế PWM dựa trên vectơ không gian (SVM) Chức năng cơbản của biến tần là thực hiện chuyển đổi DC – AC từ nguồn DC PV sang lưới điệnxoay chiều ba pha Ngoài ra, biến tần phụ trách thực hiện MPPT của mảng PV bằngcách điều khiển điện áp liên kết DC thành vmp, và đồng bộ hóa dòng điện lưới AC vớiđiện áp lưới để điều khiển công suất phản kháng và hoạt động Biến tần được kết nốivới lưới điện thông qua một bộ lọc lưới điện cảm ứng và một máy biến áp LF để đi từ

LV đến MV một vài nghìn vôn (LV / MV) nhằm giảm tổn thất khi truyền năng lượng

PV vào lưới

Điện áp liên kết DC điển hình trong hệ thống PV biến tần trung tâm được thểhiện trong Hình 2.8 nằm trong khoảng từ 550 đến 850V Điện áp liên kết DC hoạtđộng tối đa của bộ chuyển đổi được giới hạn ở 1000V, vì đây là khả năng cách điệncủa hầu hết các mô-đun PV thương mại (một chuỗi không được vượt quá 1000V)

Điều này có nghĩa là nếu xem xét mô-đun điển hình 30V vmp và công suất cực đại 250

W, thì một chuỗi có thể được làm từ khoảng 15–25 mô-đun kết nối nối tiếp, với tổngcông suất đỉnh là 3,75–6,25 kW Vì công nghệ IGBT hiện tại giới hạn VSI hai cấphoạt động ở LV ở mức <800 kW, hơn 120 chuỗi (hơn 3000 mô-đun) có thể được tậptrung vào một biến tần trung tâm duy nhất Do đó, khả năng xảy ra hiện tượng bóngmột phần và không khớp mô-đun là rất cao, điều này yêu cầu kết nối song song vớitừng mô-đun qua một diode (thường đã được tích hợp trong mô-đun) và mắc nối tiếpvới một diode chặn để ngăn các mô-đun và chuỗi yếu hơn hoạt động dưới dạng tải

Vì biến tần trung tâm là giai đoạn chuyển đổi công suất duy nhất của hệ thốngnên hiệu suất chuyển đổi công suất cao, thường có thể đạt được 97% từ hệ thống PVsang lưới điện Tuy nhiên, thực tế là một biến tần duy nhất chỉ có một điện áp liên kết

DC được điều khiển giới hạn khả năng MPPT của biến tần trung tâm ở một mức độ tự

do, làm giảm sản lượng năng lượng được tạo ra so với các hệ thống MPPT phân tán.Một nhược điểm khác là cáp DC dài từ các dây nằm cách xa biến tần Tuy nhiên, chiphí thấp, khả năng tập trung một nhà máy PV lớn và cấu trúc đơn giản đã làm cho cấuhình này được áp dụng nhiều nhất trong các nhà máy PV quy mô lớn.

Hình 2.9: Nhà máy PV quy mô lớn điển hình dựa trên cấu hình biến tần trung tâm

Hình 2.9 cho thấy một nhà máy PV quy mô lớn điển hình như nhà máy nănglượng mặt trời Sarnia được thể hiện trong Hình 2.7 Các trang trại PV lớn này, đượcđánh giá ở công suất trên hàng chục và thậm chí hàng trăm megawatt, vượt qua địnhmức công suất của bộ biến tần trung tâm lớn nhất (800 kW) và do đó yêu cầu cần phảikết nối một số bộ biến tần trung tâm Các bộ biến tần trung tâm được đặt bên cạnh mộtmáy biến áp LV đến MV để nâng cao điện áp của thanh cái thu xoay chiều của nhàmáy PV (thường nằm trong khoảng từ 2,3 đến 35 kV) Sau đó, điện của nhà máy PVđược truyền đến một trạm biến áp nơi có một máy biến áp nâng điện áp từ trung áp lêncao áp để truyền tải điện năng

Khi các trang trại PV ngày càng lớn hơn, ngành công nghiệp biến tần PV đãgiới thiệu bộ biến tần trung tâm kép, được thể hiện trong Hình 2.10, về cơ bản là hai

bộ biến tần trung tâm được kết nối với thanh cái thu PV AC thông qua một máy biến

áp 12 xung để giảm LF và một số sóng hài chuyển mạch Đây là lý do tại sao một sốnhà sản xuất cung cấp bộ biến tần trung tâm có công suất lên đến 1,6 MW, thực tế baogồm hai bộ biến tần trung tâm 800 kW Giảm chi phí bằng cách sử dụng một hệ thốnggiám sát lưới điện đơn cho cả biến tần và tập trung hệ thống điều khiển, bộ chuyển đổiđiện, bộ lọc và thậm chí cả máy biến áp vào một vỏ duy nhất, thường là một thùngchứa Ngoài ra, biến áp 12 xung có khả năng triệt tiêu hoặc giảm sóng hài nhất định

Bảng 2.3 cho thấy một số ví dụ thương mại về các bộ biến tần này và xếp hạng củachúng

Hình 2.10: Cấu hình biến tần trung tâm kép với biến áp nhiều cuộn dây

Bảng 2.3: Ví dụ về biến tần trung tâm kép thương mại

VSI hai cấp hiện đang có khả năng như một giải pháp tối ưu cho các nhà máy

PV quy mô lớn ở trung tâm Để tăng hiệu suất bộ chuyển đổi, giảm kích thước bộ lọc,cải thiện chất lượng điện và có thể đáp ứng các mã lưới ngày càng khắt khe, cấu trúcliên kết biến tần trung tâm mới đã được phát triển Trong số đó có bộ chuyển đổi bapha, ba điểm trung tính nối chung (3L-NPC) và bộ chuyển đổi loại T ba pha ba cấp(3L-T), như trong Hình 2.11 (a) và (b), tương ứng Hai cấu trúc liên kết biến tần trungtâm này thuộc dòng bộ chuyển đổi đa cấp

Bộ chuyển đổi đa cấp ban đầu được sử dụng cho công suất cao (> 1 MW) và

MV vì khả năng vượt qua điện áp giới hạn của bán dẫn cổ điển Tuy nhiên, gần đâychúng đã được sử dụng cho LV, công suất thấp và hiệu suất cao/ hiệu quả cao / chất

lượng điện năng cao yêu cầu phải duy trì như bộ cấp nguồn (UPSs) và hệ thốngchuyển đổi PV.

Mức tăng điện áp đầu ra pha của các bộ biến tần ba mức này cung cấp mứcgiảm xuống một nửa dv/dt ban đầu do 2L-VSI tạo ra Điều này cho phép giảm tần sốchuyển đổi trung bình của thiết bị, do đó giảm tổn thất khi chuyển đổi, giúp cải thiệnhiệu suất chuyển đổi điện năng mà không ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Một sốnhà sản xuất chất bán dẫn (Infineon, Semikron, Fuji, Mitsubishi, tên một số ít) cungcấp các mô-đun chuyển đổi điện năng với các bố trí thiết bị này được thiết kế đặc biệtcho các hệ thống UPS và PV

Hình 2.11: Hệ thống PV biến tần trung tâm đa cấp:

(a) Hệ thống PV biến tần 3L-NPC và (b) Hệ thống PV biến tần 3L-T

2.3.2 Cấu hình chuỗi:

Biến tần chuỗi là phiên bản rút gọn của biến tần trung tâm, theo nghĩa là thay vìmảng PV với các chuỗi được kết nối song song, chỉ các chuỗi đơn (không cần điốtchặn) được kết nối thông qua một biến tần hòa lưới chuyên dụng với một MPPT độclập như thể hiện trong Hình 2.6 (b) Công nghệ này làm tăng hiệu suất năng lượng lên1-3% so với công nghệ cấu trúc liên kết biến tần trung tâm do giảm sự không phù hợp

và tổn thất bóng một phần Vì chúng chỉ tiếp xúc với một chuỗi PV duy nhất, chúngthường được sử dụng kết nối lưới điện một pha và công suất thấp và dòng này rất phổbiến đối với hộ gia đình có hệ thống quy mô nhỏ (thường là mái nhà)

Tùy thuộc vào quốc gia và tiêu chuẩn kết nối lưới điện, bộ biến tần có thể cóhoặc không yêu cầu về cách điện Khi cần cách điện, các máy biến áp LF ở phía lướihoặc máy biến áp HF trong giai đoạn chuyển đổi DC – DC được sử dụng Cả hai đềudùng cách ly điện, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng cho mục đích nâng cao điện

áp Máy biến áp LF (tần số lưới) có tỷ trọng công suất thấp hơn đáng kể so với máybiến áp HF Tuy nhiên, bộ chuyển đổi DC – DC với cách ly HF yêu cầu tần số chuyểnmạch rất cao từ 20–100 kHz, điều này có thể dẫn đến nhiều tổn thất hơn Để giảm ảnh

hưởng này, các thiết bị chuyển mạch nhanh và hiệu quả được sử dụng Giai đoạn cách

ly HF cũng xuất hiện trong một cấu trúc mạch phức tạp hơn, điều khiển phức tạp hơn

và nhiễu điện từ (EMI) / tương thích điện từ (EMC) so với các giải pháp biến áp LFhoặc không có biến áp

Ở một số quốc gia, bao gồm cả Tây Ban Nha và Đức, không yêu cầu cách điện,điều này có thể dẫn đến giảm chi phí, các bộ biến tần nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn.Tuy nhiên, hoạt động không có máy biến áp cũng yêu cầu thiết kế cẩn thận hơn về cấutrúc liên kết bộ chuyển đổi và sơ đồ điều chế, vì chế độ chung được chuyển mạch điện

áp dẫn đến nguy cơ rò rỉ dòng nối đất cao, vì điện dung ký sinh của chuỗi PV Điệndung này được hình thành giữa các lớp dẫn điện, polyme, thủy tinh và khung của mô-đun PV (thể hiện trong Hình 2.12 (a)) cho thấy một đường dẫn dòng điện vì nó đượckết nối trực tiếp với lưới điện xoay chiều được nối đất để tạo ra khả năng cân bằngcũng như cho Khung mô-đun PV (thể hiện trong Hình 2.12 (b)) Điện dung này tăngtheo kích thước của hệ thống PV và có thể khá lớn, do đó nguy cơ rò rỉ dòng chạm đấtcao bởi dv/dt trong điện áp chế độ chung được chuyển mạch Vì trong những trườnghợp này không sử dụng máy biến áp, một giai đoạn DC – DC bổ sung cũng có thể cầnthiết để nâng cao điện áp cho kết nối lưới, tùy thuộc vào kích thước của chuỗi PV (sốlượng mô-đun mắc nối tiếp) Nếu một giai đoạn DC – DC được thêm vào, chúng đượcgọi là bộ nghịch lưu chuỗi hai giai đoạn

Hình 2.12: Điện dung ký sinh và dòng rò trong các hệ thống PV không máy biến áp: (a) điện dung ký sinh (mặt cắt ngàng của mô-đun PV) và (b) đường dẫn dòng rò.

Bảng 2.4 trình bày tóm tắt tất cả các kết hợp giữa giai đoạn DC – DC và các tùychọn cách ly được tìm thấy trong các cấu hình chuỗi thực tế Một số nhà sản xuất đãphát triển và cung cấp cấu trúc liên kết độc quyền hoặc sự kết hợp của các giai đoạn

DC – DC và DC – AC khác nhau, bao gồm các loại cách ly khác nhau, ngay cả đối vớikết nối lưới một hoặc ba pha Do đó, có rất nhiều lựa chọn về chuỗi bộ nghịch lưu, màkhông thể đề cập hết trong chương này

Bảng 2.4: Các cấu hình chuỗi tùy thuộc vào cách ly và giai đoạn DC – DC

Biến tần chuỗi phổ biến nhất là biến tần toàn cầu (full-bridge) một pha, cònđược gọi là biến tần cầu H (H-bridge) Nhiều cấu trúc liên kết biến tần dạng chuỗi cónguồn gốc từ cấu trúc liên kết này hoặc được sử dụng làm khối xây dựng cơ bản vớimột vài thành phần bổ sung để cải thiện hiệu quả và hiệu suất Các kết hợp khác nhaugiữa cách ly và chuyển đổi hai giai đoạn sử dụng bộ nghịch lưu chuỗi cầu H được thểhiện trong Hình 2.13 và 2.14 Lưu ý rằng cấu trúc liên kết không có máy biến áp phải

có bộ lọc lưới được chia thành hai phần đối xứng: một trong pha và một trong các dâytrung tính để giảm sự thay đổi điện áp chế độ chung mà nếu không có có thể dẫn đếndòng rò cao hơn

Hình 2.13 (a) cho thấy cấu hình biến tần chuỗi cầu H cơ bản nhất với máy biến

áp LF phía lưới và không có giai đoạn DC – DC Ưu điểm của cấu hình này là mạchnguồn đơn giản, cách ly điện và độ cao điện áp do máy biến áp cung cấp, cho phépphạm vi điện áp đầu vào lớn hơn PWM đơn cực được sử dụng để tạo ra dạng sóngđiện áp ba mức với hàm lượng hài ở đó gấp đôi tần số chuyển mạch của thiết bị để cóđược chất lượng điện năng cao hơn Một điều chế hỗn hợp cũng được sử dụng, trong

đó chân pha đầu ra của cầu H được điều khiển bởi PWM dựa trên sóng mang trong khichân trung tính được điều khiển bởi dạng sóng vuông tần số cơ bản để giảm tổn thấtchuyển mạch so với chân của PWM đơn cực Tuy nhiên, nó tạo ra dao động dòng điện

lưới cao hơn do tần số chuyển mạch tương đương của điện áp đầu ra thấp hơn Vì cảhai đều là sơ đồ điều chế ba mức, trạng thái chuyển mạch rẽ nhánh (mức điện áp bằngkhông) ngăn dòng phản ứng giữa cuộn cảm của bộ lọc và tụ điện liên kết DC Cácnhược điểm của cấu trúc liên kết này chủ yếu do máy biến áp LF đưa ra: chi phí caohơn, mật độ công suất thấp hơn, hệ số công suất không thống nhất ở hoạt động thấphơn danh định vì dòng từ hóa và hiệu suất giảm (tổn thất thêm 2%) Cấu trúc liên kếtnày đã được thương mại hóa bởi một số nhà sản xuất, nhưng liên tục mất đi tính phổbiến vì hiệu quả thấp và kích thước lớn.

Hình 2.13: Các loại biến tần chuỗi cầu H không máy biến áp:

(a) với máy biến áp cách ly tần số thấp, (b) không có máy biến áp với tầng tăng DC –

DC và (c) với máy biến áp cách ly tần số cao ở tầng DC – DC

Phiên bản không biến áp của bộ nghịch lưu chuỗi cầu H, còn được gọi là cấutrúc liên kết H4, chỉ khả dụng với bộ lọc đối xứng (các thành phần được phân bổ đềugiữa dây pha và dây trung tính) ở phía lưới, và không giống như phiên bản biệt lập, nókhông thể được điều khiển bằng cách sử dụng đơn cực PWM hoặc điều chế lai Điềunày là do các thành phần sóng vuông trong điện áp chế độ chung, dẫn đến dòng rò cao

và các nguy cơ an toàn tương ứng Thay vào đó, PWM lưỡng cực (điện áp đầu ra haimức) được sử dụng, vì nó tạo ra điện áp chế độ chung không đổi cùng với bộ lọc đốixứng phân chia, dẫn đến điện áp tần số đường dây trên điện dung ký sinh, an toàn chohoạt động không biến áp Tuy nhiên, nó có hiệu suất thấp hơn vì có dòng điện phảnkháng giữa các phần tử thụ động của mạch ở điện áp bằng không qua các điốt tự dokhi sử dụng điều chế này, vì tụ điện liên kết DC không bị cách ly khỏi lưới bất kỳ lúc

nào Đây là lý do chính tại sao cấu trúc liên kết H4 không phải là cấu hình phổ biếntrong các bộ nghịch lưu chuỗi hiện đại.

Cả hai phiên bản của biến tần chuỗi cầu H, có và không có biến áp LF, có thểđược tìm thấy với một giai đoạn DC-DC tăng cường bổ sung Mục đích chính của bộchuyển đổi tăng cường là nâng cao điện áp chuỗi PV, vì điện áp MPP có thể thay đổitùy thuộc vào bức xạ và nhiệt độ Do đó, giai đoạn DC – DC tách điện áp PV DC khỏiđiện áp liên kết DC của biến tần Đây là một tính năng mong muốn khi bộ nghịch lưunối lưới yêu cầu điện áp liên kết DC cao hơn điện áp lưới đỉnh để hoạt động bìnhthường (để có thể điều khiển dòng điện lưới) Điều này mở rộng phạm vi điện áp đầuvào của hệ thống và cũng cho phép điện áp liên kết DC ổn định hơn, giúp cải thiệnhiệu suất điều khiển lưới điện Cấu hình này được hiển thị cho bộ nghịch lưu chuỗi cầu

H không có biến áp trong Hình 2.13 (b), mặc dù có thể thêm cùng một bộ chuyển đổi

DC – DC vào phiên bản cách ly LF Lưu ý rằng có một diode rẽ nhánh tùy chọn (đượchiển thị bằng màu xám), vô hiệu hóa giai đoạn DC – DC khi điện áp DC của hệ thống

PV lớn hơn điện áp liên kết DC của biến tần, để cải thiện hiệu quả khi hoạt động gầnvới các điều kiện thiết kế danh định, tránh tổn thất chuyển mạch và cũng như phục hồingược diode tăng cường Mặc dù có thêm giai đoạn DC – DC, cấu hình này vẫn giữnguyên những nhược điểm vốn có trong việc sử dụng biến tần cầu H nối lưới đã được

đề cập trước đó

Cuối cùng, Hình 2.13 (c) cho thấy một bộ nghịch lưu chuỗi cầu H hai giai đoạncách ly HF Trong ví dụ cụ thể này, giai đoạn DC – DC cách ly bao gồm bộ nghịch lưutoàn cầu MOSFET và bộ chỉnh lưu toàn cầu điốt Mặc dù MOSFET H-bridge được sửdụng phổ biến nhất trong cấu hình này, nhiều giai đoạn DC – DC cách ly HF có thểđược sử dụng thay thế, bao gồm nửa cầu, đẩy – kéo (push-pull), forward và bộ chuyểnđổi flyback Cách tiếp cận này làm giảm đáng kể kích thước của bộ chuyển đổi so vớicấu trúc liên kết cô lập LF, do đó cải thiện mật độ công suất (khối lượng và trọnglượng) Nó cũng cho phép sử dụng PWM đơn cực và mở rộng dải điện áp đầu vào của

hệ thống PV so với các cấu trúc liên kết không biến áp, do đó cho phép thiết kế chuỗi

PV linh hoạt hơn và phạm vi rộng cho MPPT Tuy nhiên, các giai đoạn chuyển đổi bổsung gây ra sự phức tạp trong thiết kế, tổn thất cao hơn, chi phí cao hơn và độ tin cậythấp hơn

Để khắc phục sự cố truyền dòng điện phản kháng giữa bộ lọc lưới và tụ điệnliên kết DC trong biến tần cầu H không có biến áp, một số giải pháp độc quyền đãđược giới thiệu bởi các nhà sản xuất khác nhau Hình 2.14 (a) cho thấy bộ nghịch lưuchuỗi H5 do SMA giới thiệu, trong đó một công tắc đã được thêm vào giữa liên kết

DC và bộ nghịch lưu cầu H để mở đường dẫn dòng điện giữa các thành phần thụ độngkhi quay tự do nhằm tăng hiệu suất Mục tiêu tương tự có thể được thực hiện bằngcách đưa vào một công tắc hai chiều bỏ qua toàn bộ bộ nghịch lưu cầu H, tách bộ lọclưới khỏi bộ chuyển đổi trong quá trình quay tự do, như thể hiện trong Hình 2.14 (b)

Bộ chuyển đổi này còn được gọi là bộ chuyển đổi Biến tần hiệu quả cao và đáng tincậy (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept: HERIC), được giới thiệu bởiSunways Mặc dù bộ chuyển đổi HERIC có thêm một công tắc so với H5, nó chỉ cóhai công tắc trong đường dẫn hiện tại bất kỳ lúc nào, trong khi H5 có ba công tắc khi

nó không tự do, dẫn đến suy hao dẫn cao hơn

Hình 2.14: Các biến thể của bộ nghịch lưu chuỗi cầu H không biến áp:

(a) H5, (b) HERIC, (c) H6D1 và (d) H6D2

Các bộ chuyển đổi này cho phép tạo ra đầu ra điện áp ba mức, bao gồm cả mứcđiện áp 0, mà không tạo ra điện áp chế độ chung chuyển mạch và do đó thích hợp chohoạt động không có máy biến áp Bằng cách này, thu được các bộ nghịch lưu chuỗimật độ công suất cao, chi phí thấp và rất hiệu quả so với các bộ biến tần trong Hình2.13 chỉ có bộ nghịch lưu cầu H Ngoài ra, các bộ chuyển đổi này cũng có thể bao gồmmột giai đoạn DC – DC bổ sung để mở rộng tính linh hoạt của điện áp đầu vào và tách

điện áp DC của hệ thống PV khỏi điện áp liên kết DC của biến tần để có hiệu suất điềukhiển bộ chuyển đổi lưới tốt hơn.

Một cách khác để cách ly phía DC khỏi phía AC trong quá trình quay tự do làthêm một công tắc bổ sung trong thanh DC âm vào cấu trúc liên kết H5, tạo thành cấutrúc liên kết H6 như trong Hình 2.14 (c) Ưu điểm là việc quay vòng tự do được phân

bổ đồng đều giữa các thiết bị cầu H trong một chu kỳ cơ bản, đảm bảo việc sử dụngđồng đều tất cả các thiết bị chuyển mạch Điểm bất lợi là bốn công tắc dẫn điện trongquá trình hoạt động bình thường, gây ra nhiều tổn thất dẫn điện hơn Nếu một diodeđược kết nối song song với phía DC của cầu H của cấu trúc liên kết H6, một đườngdẫn dòng điện tự do phụ được thêm vào, cho phép sử dụng PWM lưỡng cực trong cầu

H, dẫn đến điện áp đầu ra đơn cực Bộ chuyển đổi này còn được gọi là H6D1 Một bấtlợi là một diode bổ sung đang dẫn điện trong quá trình quay tự do, so với diode củaH6, và do đó có nhiều tổn thất hơn Bằng cách thêm hai điốt tự do phụ thay vì mộtđiốt, bộ nghịch lưu chuỗi H6D2 như trong Hình 2.14 (d) được hình thành, với điốt bổsung Điện áp chặn trên các công tắc DC có thể được cố định bằng một nửa điện áp

DC, giảm tổn thất so với H6D1 Cả biến tần H6D1 và H6D2 đều được Ingeteam giớithiệu

Các bộ nghịch lưu chuỗi khác được giới thiệu trong các ứng dụng PV thực tế làNPC ba cấp một pha (single-phase three-level NPC: 3L-NPC), bộ chuyển đổi dạng kẹpbóng bán dẫn, còn được gọi là bộ chuyển đổi loại T và NPC Conergy và năm cấp NPCcầu H (5L-HNPC) như trong Hình 2.15

Hình 2.15 Bộ nghịch lưu chuỗi có kẹp điểm trung tính không có cách ly:

(a) 3L-NPC, (b) T-type và (c) 5L-HNPC

Bộ nghịch lưu chuỗi 3L-NPC, còn được gọi là bộ chuyển đổi kẹp diode, đượckết nối với pha và trung tính của lưới điện thông qua nút pha đầu ra và điểm trung tínhliên kết DC, tương ứng Tùy thuộc vào trạng thái chuyển mạch, bộ nghịch lưu kẹp pha

lưới thành điện thế dương, âm và trung tính của liên kết DC, do đó có ba mức Kết nốivới điểm trung tính đạt được bằng cách bật hai thiết bị bên trong và bằng cách quay tự

do thông qua các điốt kẹp Trạng thái chuyển mạch này tạo ra mức điện áp bằng không

ở đầu ra, vì điểm trung tính được nối đất Ba mức điện áp có cùng chất lượng điện nhưđiện áp đơn cực do cầu H tạo ra, nhưng trong trường hợp này không có vấn đề vềchuyển mạch HF trong điện áp chế độ chung, vì trung tính của lưới được nối cố địnhvới điểm trung tính của liên kết DC và không thay đổi điện thế của nó đối với hệ thống

PV đối với bất kỳ trạng thái chuyển mạch nào Vì trên thực tế, điện áp ở chế độ chung

là không đổi (điện áp DC), không có vấn đề gì với dòng rò và EMI, làm cho 3L-NPCtrở thành cấu trúc liên kết phù hợp cho các ứng dụng không có máy biến áp Hạn chếchính là điện áp liên kết DC là gấp đôi của cấu trúc liên kết cầu H, có thể yêu cầu mộtgiai đoạn tăng cường bổ sung gây ra tổn thất, đặc biệt khi cần nỗ lực tăng cường lớn.Lưu ý rằng trong trường hợp này, bộ lọc lưới không cần phải được chia đối xứng trong

cả hai đường dẫn hiện tại của kết nối lưới, như với cấu trúc liên kết cầu H Biến tầnchuỗi 3L-NPC đã được Danfoss giới thiệu trên thực tế

Một cách thay thế để kẹp pha của lưới điện vào điểm trung tính của liên kết DCđược phân chia là chuyển mạch hai chiều giữa hai nút, do đó có tên là “biến tần kẹpbóng bán dẫn” Vì nó tạo thành chữ T với chân bộ chuyển đổi nửa cầu được nối vớicác thanh âm và dương của liên kết DC nên nó còn được gọi là bộ chuyển đổi kiểu T.Đặc biệt trong các ứng dụng PV, nó thường được gọi là NPC Conergy, vì nó được giớithiệu bởi công ty cùng tên Như với cấu trúc liên kết trước đó, bộ chuyển đổi tạo ra bamức điện áp nhưng không yêu cầu hai điốt kẹp bổ sung Tuy nhiên, các công tắc chânpha phải chặn gấp đôi điện áp thông thường nếu được kết nối với cùng một lưới,không phải là trường hợp cho các công tắc kẹp, chia sẻ điện áp chặn Vì trung tính củalưới điện được nối cố định với trung tính của liên kết DC (được nối đất), nó gây rađiện áp chế độ chung cố định và do đó không có nguy cơ rò rỉ dòng điện, do đó thíchhợp cho vận hành không máy biến áp Vì lý do tương tự, không cần phân chia đốixứng của bộ lọc lưới

Gần đây, biến tần chuỗi 5L-HNPC đã được ABB giới thiệu Không giống nhưhai bộ chuyển đổi trước, cấu trúc liên kết này không kết nối lưới trung tính với điểmgiữa của liên kết DC và với đất Trên thực tế, nó là một cầu đầy đủ được làm bằng haichân pha 3L-NPC có khả năng tạo ra năm mức điện áp đầu ra giữa cả hai đầu cuối của