Tích hợp năng lượng mặt trời: Cơ bản về biến tần và dịch vụ lưới điện

BIẾN TẦN LÀ GÌ?

Biến tần là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống năng lượng mặt trời. Đó là một thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) mà một tấm pin mặt trời tạo ra thành dòng điện xoay chiều (AC) mà lưới điện sử dụng. Trong DC, điện được duy trì ở điện áp không đổi theo một hướng. Trong AC, dòng điện chạy theo cả hai hướng trong mạch khi điện áp thay đổi từ dương sang âm. Biến tần chỉ là một ví dụ về một loại thiết bị được gọi lànăng lượng điện that regulate the flow of electrical power.

Về cơ bản, một biến tần hoàn thành việc chuyển đổi DC-AC bằng cách chuyển đổi hướng của đầu vào DC qua lại rất nhanh. Kết quả là đầu vào DC trở thành đầu ra AC. Ngoài ra, các bộ lọc và các thiết bị điện tử khác có thể được sử dụng để tạo ra điện áp thay đổi dưới dạng sóng hình sin sạch, lặp lại có thể được đưa vào lưới điện. Sóng hình sin là hình dạng hoặc dạng mà điện áp tạo ra theo thời gian và đó là dạng công suất mà lưới điện có thể sử dụng mà không làm hỏng thiết bị điện vốn được chế tạo để hoạt động ở các tần số và điện áp nhất định.

Biến tần đầu tiên được tạo ra vào thế kỷ 19 và là cơ khí. Ví dụ, một động cơ quay sẽ được sử dụng để thay đổi liên tục xem nguồn DC được kết nối xuôi hay ngược. Ngày nay chúng ta chế tạo công tắc điện từ bóng bán dẫn, thiết bị thể rắn không có bộ phận chuyển động. Các bóng bán dẫn được làm bằng vật liệu bán dẫn như silicon hoặc gali arsenua. Họ kiểm soát dòng điện để đáp ứng với các tín hiệu điện bên ngoài.

Nếu bạn có một hệ thống năng lượng mặt trời gia đình, biến tần của bạn có thể thực hiện một số chức năng. Ngoài việc chuyển đổi năng lượng mặt trời của bạn thành nguồn điện xoay chiều, nó có thể giám sát hệ thống và cung cấp một cổng giao tiếp với mạng máy tính. Các hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời cộng với “pin” dựa vào các bộ biến tần tiên tiến để hoạt động mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào từ lưới điện trong trường hợp mất điện, nếu chúng được thiết kế để làm như vậy.

HƯỚNG ĐẾN LƯỚI DỰA TRÊN BIẾN TẦN

Trong lịch sử, năng lượng điện chủ yếu được tạo ra bằng cách đốt cháy nhiên liệu và tạo ra hơi nước, sau đó làm quay một máy phát điện tua-bin để tạo ra điện. Chuyển động của các máy phát này tạo ra nguồn điện xoay chiều khi thiết bị quay, điều này cũng đặt tần số hoặc số lần sóng hình sin lặp lại. Tần số nguồn là một chỉ số quan trọng để theo dõi tình trạng của lưới điện. Chẳng hạn, nếu có quá nhiều tải—quá nhiều thiết bị tiêu thụ năng lượng—thì năng lượng sẽ bị lấy ra khỏi lưới điện nhanh hơn mức có thể được cung cấp. Kết quả là tua-bin sẽ chạy chậm lại và tần số AC sẽ giảm. Bởi vì tua-bin là những vật thể quay khối lượng lớn, chúng chống lại những thay đổi về tần số giống như tất cả các vật thể chống lại những thay đổi trong chuyển động của chúng, một đặc tính được gọi là quán tính.

Khi nhiều hệ thống năng lượng mặt trời được thêm vào lưới điện, nhiều bộ biến tần được kết nối với lưới điện hơn bao giờ hết. Thế hệ dựa trên biến tần có thể tạo ra năng lượng ở bất kỳ tần số nào và không có các đặc tính quán tính giống như thế hệ dựa trên hơi nước, bởi vì không có tuabin liên quan. Do đó, việc chuyển đổi sang lưới điện có nhiều bộ biến tần hơn đòi hỏi phải xây dựng các bộ biến tần thông minh hơn, có thể đáp ứng với những thay đổi về tần số và các gián đoạn khác xảy ra trong quá trình vận hành lưới điện, đồng thời giúp ổn định lưới điện trước những gián đoạn đó.

DỊCH VỤ LƯỚI VÀ BIẾN TẦN

Các nhà vận hành lưới điện quản lý cung và cầu điện trên hệ thống điện bằng cách cung cấp một loạt các dịch vụ lưới điện. Dịch vụ lưới điện là các hoạt động mà người vận hành lưới điện thực hiện để duy trì sự cân bằng trên toàn hệ thống và quản lý truyền tải điện tốt hơn.

Khi lưới điện ngừng hoạt động như mong đợi, chẳng hạn như khi có sai lệch về điện áp hoặc tần số, bộ biến tần thông minh có thể phản hồi theo nhiều cách khác nhau. Nói chung, tiêu chuẩn cho các bộ biến tần nhỏ, chẳng hạn như các bộ biến tần được gắn vào hệ thống năng lượng mặt trời hộ gia đình, là duy trì hoạt động trong suốt hoặc "đi qua" các sự cố gián đoạn nhỏ về điện áp hoặc tần số và nếu sự gián đoạn đó kéo dài trong một thời gian dài hoặc lớn hơn bình thường, chúng sẽ tự ngắt kết nối với lưới điện và ngừng hoạt động. Đáp ứng tần số đặc biệt quan trọng vì việc giảm tần số có liên quan đến việc thế hệ bị ngắt kết nối ngoại tuyến một cách bất ngờ. Để đáp ứng với sự thay đổi về tần số, các bộ biến tần được cấu hình để thay đổi công suất đầu ra của chúng nhằm khôi phục lại tần số tiêu chuẩn. Các tài nguyên dựa trên biến tần cũng có thể phản hồi các tín hiệu từ người vận hành để thay đổi sản lượng điện của họ khi cung và cầu khác trên hệ thống điện dao động, một dịch vụ lưới điện được gọi là điều khiển phát điện tự động. Để cung cấp các dịch vụ lưới điện, các bộ biến tần cần có các nguồn năng lượng mà chúng có thể điều khiển. Đây có thể là thế hệ, chẳng hạn như bảng điều khiển năng lượng mặt trời hiện đang sản xuất điện hoặc lưu trữ, chẳng hạn như hệ thống pin có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng đã được lưu trữ trước đó.

Một dịch vụ lưới khác mà một số bộ biến tần tiên tiến có thể cung cấp là tạo lưới. Biến tần tạo lưới có thể khởi động lưới nếu nó gặp sự cố—một quá trình được gọi là khởi động đen. Biến tần âtheo lướiâ truyền thống yêu cầu tín hiệu bên ngoài từ lưới điện để xác định thời điểm chuyển đổi sẽ xảy ra nhằm tạo ra sóng hình sin có thể đưa vào lưới điện. Trong các hệ thống này, nguồn điện từ lưới cung cấp tín hiệu mà biến tần cố gắng khớp. Các bộ biến tần tạo lưới tiên tiến hơn có thể tự tạo tín hiệu. Ví dụ: một mạng lưới các tấm pin mặt trời nhỏ có thể chỉ định một trong các bộ biến tần của nó hoạt động ở chế độ tạo lưới trong khi phần còn lại tuân theo sự dẫn dắt của nó, giống như các bạn nhảy, tạo thành một lưới điện ổn định mà không cần bất kỳ thế hệ dựa trên tua-bin nào.

Công suất phản kháng là một trong những dịch vụ lưới điện quan trọng nhất mà bộ biến tần có thể cung cấp. Trên lưới điện, điện áp lực đẩy điện tíchluôn chuyển đổi qua lại, và dòng điện cũng vậysự chuyển động của điện tích. Công suất điện được tối đa hóa khi điện áp và dòng điện được đồng bộ hóa. Tuy nhiên, có thể đôi khi điện áp và dòng điện có độ trễ giữa hai kiểu xoay chiều của chúng giống như khi động cơ đang chạy. Nếu chúng không đồng bộ, một số năng lượng chạy qua mạch không thể được hấp thụ bởi các thiết bị được kết nối, dẫn đến mất hiệu quả. Sẽ cần nhiều tổng công suất hơn để tạo ra cùng một lượng „thực„„‟‟‟‟      công suất mà các phụ tải có thể hấp thụ. Để chống lại điều này, các tiện ích cung cấp công suất phản kháng, giúp đưa điện áp và dòng điện trở lại đồng bộ và giúp tiêu thụ điện dễ dàng hơn. Bản thân công suất phản kháng này không được sử dụng mà làm cho công suất khác trở nên hữu ích. Các bộ biến tần hiện đại có thể vừa cung cấp vừa hấp thụ công suất phản kháng để giúp lưới điện cân bằng nguồn tài nguyên quan trọng này. Ngoài ra, do công suất phản kháng khó vận chuyển đi xa nên các nguồn năng lượng phân tán như năng lượng mặt trời trên mái nhà là những nguồn công suất phản kháng đặc biệt hữu ích.

CÁC LOẠI BIẾN TẦN

Có một số loại biến tần có thể được cài đặt như một phần của hệ thống năng lượng mặt trời. Trong một nhà máy tiện ích quy mô lớn hoặc dự án năng lượng mặt trời cộng đồng quy mô trung bình, mỗi tấm pin mặt trời có thể được gắn vào một tấm duy nhất.biến tần trung tâm. Chuỗi inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. biến tần siêu nhỏ are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.