Hệ thống điện mặt trời (p3)

Trong các bài viết trước đã giới thiệu cơ bản về tế bào quang điện và hệ thống điện mặt trời. Phần này sẽ trình bày về bộ biến đổi (inverter). Sơ đồ khối hệ thống một lần nữa được chỉ ra như trong Hình GA3-1

Bộ biến đổi: Bộ biến đổi là một bộ biến đổi DC-AC trong đó lấy điện áp ra của ắc-qui trong hệ thống điện mặt trời và biến đổi thành điện áp ra tiêu chuẩn 220 V, 50 Hz (hoặc 120 V, 60 Hz theo tiêu chuẩn Mỹ). Điện áp này giống như điện áp được cung cấp bởi các công ty phân phối điện năng. Một số bộ biến đổi có thể tạo ra điện áp 240 V.

Một cách cơ bản, bộ biến đổi gồm các chuyển mạch (switch) liên tục chuyển đổi giữa trạng thái ON và OFF để biến điện áp một chiều của ắc-qui thành dạng xung vuông và xử lý để tạo ra một trong những dạng sóng đầu ra sau: sóng hình sin, dạng sóng bậc thang, còn gọi là sóng hình sin sửa đổi hoặc sóng gần như hình sin (đôi khi gọi là sóng hình vuông sửa đổi), hoặc sóng hình vuông. Hầu hết bộ biến đổi tạo ra sóng hình sin chuẩn, đó cũng là dạng sóng mà nhà cung cáp điện tạo ra. Những dạng đầu ra khác có thể tìm thấy trong những bộ biến đổi rẻ tiền hơn và hạn chế bởi hiệu suất thấp hơn và chỉ cung cấp được cho một số loại tải nhất định.  Dạng sóng hình vuông rất hiếm khi được sử dụng, mặt dùng nó có thể được sử dụng làm dạng cơ bản để tạo ra sóng hình sin chuẩn. Ba dạng sóng đầu ra của bộ biến đổi được cho như trong Hình GA3-2.

Nhắc lại kiến thức đã học trong khóa học về chuyển đổi DC/AC rằng các hài chứa trong sóng hình vuông gồm có một sóng hình sin cơ bản và một dãy các hài bậc lẻ. Một phương pháp để thực hiện bộ chuyển đổi sóng hình sin tương đối là sử dụng phương pháp chuyển đổi DC sang sóng hình vuông. Sóng hình vuông được xử lý thông qua một hệ thống lọc để loại bỏ toàn bộ các hài bậc lẻ, để lại mỗi thành phần hình sin cơ bản, như mô tả trong Hình GA3-3. Một biến áp tăng áp được sử dụng để tạo ra điện áp 120 V, 60 Hz (tiêu chuẩn Mỹ).

Một mạch điện chuyển mạch có thể sử dụng trong quá trình chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC. Mạch điện đó được mô tả như trong Hình GA3-4 trong đó ký hiệu chuyển mạch được sử dụng để đại diện cho transistor chuyển mạch như MOS-FET chẳng hạn. Ở phần (a), chuyển mạch S2 và S3 đóng và chuyển mạch S1 và S4 mở trong một thời điểm nhất định. Dòng điện chạy qua tải như hình vẽ tạo nên điện áp dương ở đầu ra. Ở phần (b), các chuyển mạch đóng và mở ngược lại so với phần (a). Dòng điện theo hướng ngược lại qua tải và điện áp ra âm. Chu kỳ đóng/mở hoàn chỉnh của chuyển mạch tạo ra một sóng hình vuông xoay chiều. Những transistor được đóng/mở (ON/OFF) bởi một mạch điều khiển thời gian (không được chỉ thể hiện ở đây để cho đơn giản). Tải là mạch lọc trong bộ chuyển đổi xung vuông thành sóng hình sin tuyệt đối.

Hình GA 3-4: Một phương pháp tạo ra sóng hình vuông từ điện áp dc.

Bộ chuyển đổi có thể có hai kiểu giao tiếp: độc lập và hòa lưới. Bộ chuyển đổi độc lập được sử dụng trong những ứng dụng ở đó tất cả công suất ra một tải nhất định, ví dụ như chiếu sáng, đồ gia dụng, động cơ và không phụ thuộc vào lưới điện. Hình GA3-1 là một hệ thống độc lập. Bộ biến đổi hòa lưới được sử dụng trong những ứng dụng ở đó toàn bộ hoặc một phần công suất được cung cấp cho lưới điện. Ví dụ, một hệ thống điện mặt trời tại gia đình có thể chia sẻ phần công suất dư thừa không sử dụng đến trong gia đình với công ty cung cấp điện qua một công tơ. Một số công ty điện có chính sách đo lường trong đó một loại công tơ đặc biệt được lắp đặt và toàn bộ công suất đưa ra điện lưới được trừ đi trong lượng điện mà hộ gia đình đó sử dụng. Một hệ thống điện mặt trời lớn có thể hoàn toàn cung cấp điện đủ để thay thế cho lưới điện.

Hệ thống hòa lưới: Bộ chuyển đổi hòa lưới (grid-tie inverter: GTI) phải đồng bộ tần số điện áp đầu ra (60 Hz) và pha với lưới điện, hạn chế biên độ của nó để tương thích với lưới điện, và điều chỉnh hệ số công suất tới thống nhất (điện áp và dòng điện cùng pha). Vì lý do an toàn, bổ chuyển đổi hòa lưới phải ngừng kết nối với lưới điện nếu nó bị hư hỏng. Một lựa chọn cho hệ thống hòa lưới đó là khối pin mặt trời có thể kết nối trực tiếp với bộ chuyển đổi mà không cần qua ắc-qui. Tuy nhiên, ắc-qui cho phép người sử dụng sử dụng điện khi điện lưới bị mất. Hình GA3-5 cho thấy nguyên lý cơ bản của hệ thống điện mặt trời với ắc-qui dự phòng.

Trong hoạt động thông thường, lưới điện cung cấp công suất điện cho người dùng và công suất điện từ bộ chuyển đổi hòa lưới phản hồi ngược lại lưới thông qua hệ thống phân phối và mạch điều khiển để thanh toán với công ty cung cấp điện. Nếu lưới điện bị sự cố, điện xoay chiều sẽ bị ngừng kết nối để ngăn điện từ hệ thống chuyển đổi hòa lưới và điện mặt trời sẽ được chuyển sang để cấp trực tiếp cho người sử dụng.

Tài liệu tham khảo: Electronic Devices, Thomas L. Floyd, 9th edition, Pearson 2012.