Đăng ký thành viên

Tại sao sự cố bộ nghịch lưu PV có thể dẫn đến các vấn đề về chất lượng điện xoay chiều

Nghiên cứu điển hình này cân nhắc vấn đề một sự cố bộ nghịch lưu quang điện (PV) phổ biến có thể gây ra nhiều vấn đề ít gặp trong lĩnh vực này - cụ thể là, dòng điện chạm chập một chiều (DC) trong thời gian ngắn gây hư hại các thiết bị bảo vệ xoay chiều (AC) khi xảy ra chạm chập điện tử công suất trong bộ nghịch lưu không có máy biến áp.

Các bộ nghịch lưu là điểm hỏng hóc phổ biến nhất trong hệ thống PV (Ảnh st)

Mặc dù các bộ nghịch lưu đã không ngừng cải thiện về độ tin cậy, nhưng chúng vẫn là điểm hỏng hóc phổ biến nhất trong hệ thống PV. Các sự cố bộ nghịch lưu có thể bắt nguồn từ lỗi ban đầu, sai sót trong lắp đặt, hoặc tuổi thọ và hao mòn.

Việc thay đổi các thiết bị bị hư hỏng rất đơn giản và không yêu cầu phải khắc phục sự cố nhiều. Nhưng tổng quan về sản phẩm và các nghiên cứu tình huống trình bày trong bài viết này đã cho thấy rằng, ngay cả hiện nay, vẫn còn có thể cải thiện các thiết kế hiện tại - và cần đưa các bài học trong quá khứ vào tất cả các thiết kế trong tương lai. Bài viết này sẽ chứng minh bằng cách nào các sự cố trong các bộ nghịch lưu nối lưới có thể dẫn đến việc sửa chữa tốn kém hơn.

Thiết kế bộ nghịch lưu hiện tại

Do áp lực về các máy nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí hơn, hầu hết các bộ nghịch lưu dạng chuỗi và vi mô là những bộ nghịch lưu không có máy biến áp hoặc không chứa những thiết bị cách ly điện hóa để tách riêng các thành phần chuyển đổi DC và AC. Các bộ nghịch lưu này chứa một mạng lưới các công tắc bật và tắt theo các khoảng thời gian cụ thể để tạo ra sóng hình sin giả.

Các sự cố trong mạng lưới chuyển mạch này có thể gây ra tác động thảm khốc đến các mạch nghịch lưu cũng như các thành phần DC ở thượng nguồn và các thành phần AC ở hạ nguồn. Các nhà chế tạo đưa vào các công tắc an toàn dự phòng (failsafe) hoặc các công tắc chặn nối tắt (bypass blocking switches) để cô lập galvanic điện tử tương đương thường thấy trong các bộ nghịch lưu dựa trên máy biến áp. Mạng lưới chuyển mạch này, khi thiết kế đúng cách, sẽ tách riêng các dòng điện AC và DC trong quá trình vận hành và trong trường hợp xảy ra sự cố. Các thành phần mạch DC (các mođun PV) sẽ không bao giờ tương tác trực tiếp với các bảng điều khiển AC và máy cắt ở hạ nguồn (Hình 1).

Hình 1. Tạo sóng hình sin bằng bộ nghịch lưu không cần máy biến áp (Ảnh st)

Các công tắc này hoạt động ra sao? Trong trường hợp hỏng một mạng lưới công tắc, bộ nghịch lưu sẽ ngắt và chặn hoặc nối tắt dòng điện DC xuống đất hoặc điểm chung. ở Hình 2, các công tắc này dán nhãn "Sfail" (công tắc an toàn dự phòng). Trong cấu trúc này, các công tắc sẽ bật lên và dòng điện DC sẽ bị nối tắt trở lại các mođun PV trong quá trình tắt bộ nghịch lưu. Thiết kế phù hợp sẽ chỉ ra rằng, trong trường hợp mạng lưới công tắc bị lỗi, các thành phần khác trong mạch điện sẽ nằm trong sự bảo vệ, điều này giúp giảm thiểu thiệt hại cho cơ sở hạ tầng hoặc thiết bị lân cận khác.

Hình 2. Cấu trúc bộ nghịch lưu không có máy biến áp (Ảnh st)

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu các thiết kế này kém tối ưu hơn hoặc thiếu cơ chế đóng cắt an toàn dự phòng cần thiết? Sự cố bộ nghịch lưu có thể gây ra thảm họa cho các bộ phận bên trong của máy biến áp, giải phóng rất nhiều năng lượng vào một không gian hạn chế. Một khi điều này xảy ra, hồ quang DC sẽ không dập tắt cho đến khi vượt quá điện áp yêu cầu để duy trì hồ quang. Trong trường hợp bộ nghịch lưu không có cơ chế an toàn dự phòng, có thiết kế không đúng cách hoặc quá tải, dòng điện DC có thể tiếp xúc với thanh cái AC trong một khoảng thời gian ngắn trong khi hồ quang đó vẫn đang diễn ra. Đây sẽ là một tình huống xấu nhất và là tình trạng nằm ngoài thiết kế của các nhà chế tạo bảng điều khiển AC và máy cắt.

Bài học kinh nghiệm từ các nghiên cứu điển hình

Các trường hợp đã nêu ở đây cho thấy một số nhà chế tạo bộ nghịch lưu có các mạng lưới cơ chế an toàn dự phòng không phù hợp hoặc không đầy đủ, góp phần trực tiếp vào các vấn đề về chất lượng điện (PQ) trong một số bảng điều khiển AC. Để hiểu rõ hơn các vấn đề này, cần cân nhắc kỹ hơn cách phát hiện, lan truyền, và cuối cùng là giải quyết các sự cố này.

Khi đưa một dãy hoặc một hệ thống PV vào vận hành, cần thực hiện một số cuộc kiểm tra về điện và cơ học để xác minh tính an toàn và tính đúng đắn của hệ thống đó. Nếu một thành phần nào đó bị hỏng, thì ngay sau khi khắc phục sự cố phần cứng hiện có, người ta sẽ thay thế chúng để đảm bảo các thành phần khác không bị hư hỏng do sự cố này. Trong nghiên cứu trường hợp này, các bộ nghịch lưu bị hỏng đã gây ra thiệt hại khó phát hiện đối với các máy cắt vỏ đúc (MCCB) trong tủ đóng cắt mà các kỹ thuật viên thực hiện việc sửa chữa không phát hiện ra.

Để hiểu các cơ chế hỏng hóc tiếp theo, chúng tôi cung cấp một phác thảo về sự cố và tiến trình tại đây. Một sự cố bộ nghịch lưu xảy ra - cụ thể là, mạng lưới chuyển mạch của mô hình không có máy biến áp bị hỏng hoặc cháy. Điều này làm ngắt máy cắt AC của bộ nghịch lưu và nhân viên được cử đến để sửa chữa thấy rằng bộ nghịch lưu không bật nguồn. Máy cắt AC liên quan này có thể bị cháy xém, bốc khói hoặc hư hỏng.

Tuy nhiên, hư hỏng máy cắt không phải lúc nào cũng dễ nhận thấy đối với nhân viên sửa chữa. Họ thay bộ nghịch lưu bằng một bộ mới, đóng máy cắt và đưa bộ nghịch lưu thay thế vào hoạt động trở lại. Khi bật nguồn bộ nghịch lưu thay thế, nhiều khả năng nó sẽ bật và có vẻ hoạt động bình thường. Trong một số trường hợp, máy cắt AC này có thể bốc khói hoặc không đóng mạch, hoặc bộ nghịch lưu mới có thể bật nguồn rồi tắt ngay do lỗi PQ.

Trường hợp khó hiểu nhất là khi bộ nghịch lưu này có vẻ vẫn hoạt động bình thường, nhưng các bộ nghịch lưu trên các mạch điện liền kề bắt đầu hiển thị các mã lỗi. Đây là tình trạng khi chúng tôi lần đầu tiên phát hiện ra rắc rối cơ bản. Một địa điểm đã có tiền sử lỗi bộ nghịch lưu, bao gồm các vấn đề PQ mãn tính và tỷ lệ hỏng bộ nghịch lưu rất cao. Tại địa điểm này, hơn 50% bộ nghịch lưu đã bị hỏng/cần thay thế trong khoảng thời gian bốn năm. Sau đó, các máy cắt AC tại địa điểm này cũng cần thay thế do các vấn đề PQ.

Các vấn đề PQ này có thể mở rộng đến tất cả các bộ nghịch lưu hoặc chỉ một tập hợp con kết nối với cùng một bảng điều khiển AC. Khi các bộ nghịch lưu được phép hoạt động, vấn đề này có xu hướng trở nên tồi tệ hơn. Tại sao? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần hiểu một chút về chất lượng điện và chính xác hơn, là độ méo.

Chất lượng điện là phép đo mức độ hoàn hảo của các sóng hình sin dòng điện và điện áp AC. Phép đo này gọi là méo hài tổng (hay THD). Lượng méo này điều tiết theo một số tiêu chuẩn mô tả cách các bộ nghịch lưu PV tương tác với lưới điện AC. Các tiêu chuẩn IEEE Std 929-2000 và UL 1741 (tiêu chuẩn chất lượng bộ nghịch lưu) quy định giới hạn độ méo dưới 5%. Nếu bộ nghịch lưu đo thấy THD lớn hơn 5%, nó có thể tắt và ngắt kết nối khỏi thanh cái AC cho đến khi THD giảm xuống dưới mức 5% hoặc phát hiện ra lỗi nghiêm trọng. Hình 3 cho thấy một ví dụ về sóng hình sin có THD 5,7%.

Hình 3. Ví dụ về điện áp có THD 5,7% (Ảnh st)

Hiểu được cách một bộ nghịch lưu phản ứng ra sao với độ méo giúp xác định các thành phần có khả năng bị hỏng khác. THD tăng cao có thể gây ra hiện tượng phát nóng ở máy cắt, máy biến áp và các cầu chảy, khiến chúng bị hỏng sớm. Trong trường hợp nghiên cứu này, độ méo tăng cao là do trở kháng tăng trên máy cắt AC liên quan của bộ nghịch lưu. Làm thế nào các tiếp điểm máy cắt có thể tạo ra sự gia tăng độ méo hình sin?

Việc ngắn mạch mạng lưới đóng cắt của bộ nghịch lưu đã cho phép dòng điện DC chạy từ các dàn PV qua mạng lưới đóng cắt, tại đó cuối cùng chúng đã tiếp xúc với máy cắt AC. Các máy cắt thiết kế riêng cho thanh cái AC và bảng điều khiển không phù hợp cho các dòng điện DC - ngay cả trong một khoảng thời gian ngắn. Cuối cùng, máy cắt này sẽ ngắt và giải trừ chạm chập, nhưng nó có thể tự làm hỏng chính nó trong quá trình này. Khi kiểm tra hệ thống, chúng tôi thấy rằng các máy cắt đã "gặp phải" những dòng điện DC lớn, có thể trong các khoảng thời gian dài, khi mà các cực của máy cắt đã phóng điện hồ quang trong suốt thời gian mà mạng lưới đóng cắt nghịch lưu bị phát nóng quá mức. Điều này gây ra hồ quang và phát nóng các phần tử đóng cắt của máy cắt, dẫn đến các đặc tính trở kháng của máy cắt thay đổi, thường là do tăng trở kháng trên mỗi cực.

Các máy cắt thiết kế riêng để ngắt dòng điện AC có thiết kế khác với các máy cắt dòng điện DC, đòi hỏi những cân nhắc đặc biệt để mở hoặc dập tắt mạch. Vì nguồn điện AC có điểm cắt bằng 0 sau mỗi 8,33 mili giây trong hệ thống 60Hz (Hình 4), nên chúng cho phép các thiết bị ngắt cơ học đơn giản hơn sử dụng các đặc tính nhiệt hoặc nhiệt-từ để mở trạng thái quá dòng. Tuy nhiên, các hồ quang DC cần phải dập tắt, hoặc là thông qua cách điện áp của chúng vượt quá điện áp cần thiết để duy trì hồ quang, hoặc dập tắt bằng “thiết bị thổi tắt bằng từ trường”, giống như thiết bị thể hiện trong Hình 5.

Hình 4. Sơ đồ mạch điện của máy cắt AC thông thường (Ảnh st)

Hình 5. Ảnh chụp một máy cắt có cuộn dây thổi tắt bằng từ trường DC (Ảnh st)

Thiết bị này thường sử dụng song song với bộ tác động cơ học để ngắt dòng điện và dập tắt hồ quang giữa các cực. Nhưng chúng không nằm trong thiết kế của hầu hết các máy cắt AC, cũng như thiết kế của chúng không đủ để nhanh chóng dập tắt một hồ quang DC. Đây là lý do tại sao các máy cắt điện dùng để cắt cả dòng điện DC và AC có dòng điện danh định nhỏ hơn đáng kể khi tác động cắt các dòng điện DC thuần túy.

Điều gì đã xảy ra với các máy cắt AC trong các cánh đồng PV? Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm điện trở và trở kháng các máy cắt thu hồi từ các địa điểm có các vấn đề về PQ. Họ cũng chụp ảnh trực quan bằng tia X, sau đó tháo rời và thanh tra về mặt vật lý các máy bị sự cố để xem có bị hư hại gì không. Tất cả các máy cắt đã xem xét đều hiển thị trở kháng cao hơn thiết bị mới xuất xưởng. Họ cũng đo mỗi cực để xác định xem có thể nhìn thấy một mẫu nào đó trong bộ mẫu giới hạn hay không.

Tất cả các máy cắt đều cho thấy trở kháng trên mỗi cực cao hơn so với thiết bị mới, có sẵn. Trở kháng trên các cực của máy cắt bị hỏng khi các máy cắt đã khép mạch cho thấy điện trở tăng từ 10 đến 100 lần so với các cực máy cắt vẫn vận hành tốt. Hình 6 cho thấy năm máy cắt bị hỏng (A1, B1-3 và C1) và một máy cắt vẫn vận hành tốt (N11). Các phép đo thực hiện thông qua một công tơ điện cảm, điện dung và điện trở (LCR) có sẵn, có thiết lập để đáp ứng tần số 60Hz. Các giá trị điện trở sau đó đã xác nhận bằng cách sử dụng một miliômmét tiêu chuẩn.

Hình 6. Dữ liệu trở kháng theo pha (Ảnh st)

Máy cắt mới/tốt cho thấy trở kháng dưới 1 milIiôm trên mỗi cực, trong khi các cực bị lỗi là từ 0,01 đến 1 ôm (100-1000 miliôm), như thể hiện trên Hình 6. Ngoài ra, các điện trở không giống nhau trong cùng một máy cắt, với B1, B5 và C1 cho thấy điện trở trên mỗi cực khác nhau tới 10 lần giữa các cực.

Bằng cách mô hình hóa trở kháng theo độ sụt áp, sử dụng các giá trị đo được trong Hình 6, chúng ta có thể tính toán độ sụt áp 10V_AC với phụ tải giả định là 150A, như thể hiện trong Hình 7. Độ sụt áp 10V_AC trở lên trên các tiếp điểm của máy cắt sẽ dẫn đến tăng THD. Nếu độ méo tăng lên vượt quá một vài phần trăm, các cảm biến trong bộ nghịch lưu sẽ đánh dấu lỗi PQ và sẽ tắt thiết bị để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi bị hư hại.

Hình 7: Sử dụng các giá trị đo được trong Hình 6, chúng ta có thể tính toán độ sụt áp 10VAC với tải giả định là 150A (Ảnh st)

Những kết quả này giải thích tại sao một số máy cắt không bị hư hỏng rõ ràng hoặc không phát ra âm thanh "lạo xạo" khi vận hành, nhưng vẫn tạo ra các rắc rối. Khi độ sụt áp là nhỏ trên mỗi pha, hình ảnh nhiệt hồng ngoại (IR) tiêu chuẩn không hiển thị máy cắt phát nóng quá mức. Tuy nhiên, độ sụt áp trên máy cắt đã không còn cân bằng giữa các pha, tạo ra sự mất cân bằng pha nhỏ ở mỗi máy cắt. Hệ thống ba pha cần phải đối xứng và cân bằng nhất có thể để cung cấp nguồn điện sạch, và sự mất cân bằng điện áp hoặc dòng điện giữa các pha máy cắt có thể lan truyền thành các độ méo cao hơn.

Khi nhìn vào các dạng sóng dòng điện thực tế của điện áp và dòng điện trong bảng điều khiển AC, chúng ta có thể thấy rằng, ngay sau khi bộ nghịch lưu hỏng, có tiếng ồn hài đáng kể trên thanh cái AC. Sau khi hoán đổi máy cắt, tiếng ồn giảm xuống dưới ngưỡng 5% theo yêu cầu của quy phạm (Hình 8). Người ta đã thu thập dữ liệu này bằng một công tơ chất lượng điện tại hai vị trí trên một địa điểm PV đang hoạt động - cả trước và sau khi thay thế máy cắt.

Hình 8. Tín hiệu dòng điện của máy cắt theo từng pha trước và sau khi thay thế ACC2 (Ảnh st)

Nhiều bộ nghịch lưu tại địa điểm này cho thấy linh kiện bị tách rời trong phần bộ lọc sóng hài do mối hàn bị nóng chảy, thể hiện tình trạng phát nóng quá mức đáng kể. Các thiết bị này có chức năng theo dõi nhiệt độ của "bộ tản nhiệt" thông qua hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA), không bao giờ cho thấy nhiệt độ vận hành quá mức. Sau khi thay thế tất cả các máy cắt tại địa điểm này (tổng cộng 35 bộ), sóng hài hoàn toàn biến mất. Chúng tôi gợi ý rằng khi một bộ nghịch lưu không có máy biến áp gặp sự cố nghiêm trọng và cần thay thế, thì cần thay luôn cả máy cắt mắc vào bộ nghịch lưu đó để tránh rắc rối này.

Việc không thay thế một máy cắt bị hỏng duy nhất có thể bắt đầu một quá trình mà một trong những tác giả đã gọi là "ung thư máy cắt", theo đó, sóng hài tăng lên tại một địa điểm sẽ khiến phát nóng quá mức và hư hại thêm cho bộ nghịch lưu, điều này có thể gây hư hại thêm cho máy cắt. Đây là trường hợp tại địa điểm thu thập dữ liệu trong Hình 6. Trước khi chúng tôi tham gia, nhà thầu phụ vận hành và bảo trì (O&M) này đã nộp nhiều yêu cầu bảo hành cho nhà chế tạo bộ nghịch lưu, nâng cấp chương trình cơ sở nhiều lần và đã thử mọi cách khác. Địa điểm này không cho thấy hư hỏng rõ ràng nào đối với bất kỳ máy cắt nào, và các vạn năng kế thông thường tại địa điểm này không đủ nhạy để đo độ lệch cấp miliôm giữa các pha của máy cắt, có thể dễ dàng phát hiện bằng thiết bị đo lường cấp phòng thí nghiệm.

Các thiết bị sử dụng để dập tắt các dòng điện DC, còn gọi là thiết bị thổi tắt bằng từ trường, đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu là có khả năng cắt giảm đáng kể hồ quang và thời gian mở máy cắt nhanh hơn trong các hệ thống DC. Các nhà thiết kế máy cắt AC không kỳ vọng các thiết bị này sẽ gặp phải các dòng điện DC; do đó, họ thường không tích hợp các thiết bị thổi tắt bằng từ trường. Nếu các máy cắt AC lắp đặt trong PV hoặc trên các mạch có cấu trúc đóng cắt mạch nghịch lưu chứa các thiết bị thổi tắt bằng từ trường DC, chúng sẽ không bị hư hại hoặc phát nóng quá mức.

Kết luận

Các máy cắt vỏ đúc (MCCB) AC thường không trang bị các thiết bị thổi tắt hồ quang DC vì đây không phải là một chế độ vận hành dự kiến. Tuy nhiên, chúng có thể chứa các máng hồ quang hoặc thiết bị làm lệch hướng, như trong trường hợp có ít nhất một thiết bị mà chúng tôi đưa ra trong nghiên cứu này. Máng hồ quang dùng để dẫn hướng hoặc hướng các hồ quang dập tắt trong quá trình hình thành/cắt bình thường và ít hoặc không hiệu quả trong việc giúp giảm hồ quang dưới dòng điện DC. Hiểu được cách các sự cố lan truyền trong các bộ nghịch lưu DC-thành-AC, bảng điều khiển AC và máy cắt là chìa khóa để đảm bảo rằng các sự cố nằm trong tầm kiểm soát và có thể tiên đoán.

Năng lượng tái tạo không phải là ngành công nghiệp duy nhất sử dụng bộ nghịch lưu không có máy biến áp, cũng không phải là ngành công nghiệp duy nhất chứng kiến ​​các loại hỏng hóc này. Bất kỳ bộ nghịch lưu không có máy biến áp nào tương tác với thanh cái AC đều có thể bị hỏng như vậy. Các biện pháp bảo vệ cần nằm trong thiết kế kiến ​​trúc của mạng lưới đóng cắt để ngăn ngừa hỏng hóc thảm khốc và hư hại thiết bị, đồng thời giảm khả năng gây thương tích cho người lao động.

Lĩnh vực nghịch lưu PV đã có thiết kế các cơ chế an toàn dự phòng và tắt đúng cách các mạch bị hỏng. Thật không may, một số nhà chế tạo không triển khai các thiết kế này theo cách bền chắc. Mặc dù không bắt buộc theo các quy chuẩn và tiêu chuẩn hiện hành, nhưng các nhà chế tạo bảng điều khiển AC và máy cắt nên bổ sung thêm hoặc đưa vào các cơ chế dập hồ quang DC thích hợp vào MCCB. Khi tất cả các nhà chế tạo chưa thiết kế và tính đến chế độ hỏng hóc này trong các bộ nghịch lưu không có máy biến áp một cách phù hợp, các sự cố hỏng hóc và các vấn đề PQ liên quan đã nêu trong nghiên cứu này sẽ tiếp tục gây ảnh hưởng đến lĩnh vực năng lượng tái tạo cũng như các ngành công nghiệp khác, nơi các bộ nghịch lưu không có máy biến áp tương tác với lưới điện AC (ví dụ như các bộ nguồn điện dự phòng - UPS).

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo "ecmweb", tháng 1/2025