Demo

Trong hệ thống điện mặt trời (PV), inverter (bộ nghịch lưu) đóng vai trò trung tâm, chuyển đổi điện một chiều (DC) từ các tấm pin thành điện xoay chiều (AC) phù hợp cho lưới điện. Một thành phần thiết yếu trong inverter PV là bộ theo dõi điểm công suất tối đa – MPPT (Maximum Power Point Tracker).

Nhiệm vụ của MPPT là điều chỉnh điện áp và dòng điện sao cho mỗi chuỗi pin mặt trời hoạt động đúng tại điểm công suất cực đại của nó, bất kể điều kiện môi trường thay đổi ra sao. Nói cách khác, MPPT liên tục “theo dõi” và hiệu chỉnh điểm vận hành của mảng PV để thu được công suất lớn nhất có thể tại mọi thời điểm.

Xem thêm

Các yếu tố gây suy giảm pin năng lượng mặt trời và giải pháp

Năm khí tượng điển hình là gì tầm quan trọng của nó

Cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời và tầm quan trọng phát triển nguồn năng lượng tái tạo

Tối ưu hóa hướng đặt Pin mặt trời trong năng lượng tái tạo

Tuy nhiên, trong thực tế triển khai, các tấm pin thường không đồng nhất hoàn toàn về điều kiện hoạt động. Sự khác biệt về góc nghiêng, hướng lắp đặt, mức bức xạ mặt trời trên mỗi phần của giàn pin, hay hiện tượng bóng che cục bộ (partial shading), có thể khiến đường đặc tuyến I-V của toàn bộ hệ thống xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ. Nếu inverter chỉ có một MPPT duy nhất cho tất cả các chuỗi pin, việc tìm và duy trì điểm công suất tối ưu cho toàn hệ thống sẽ gặp khó khăn.

Để giải quyết vấn đề này, các inverter hiện đại thường được trang bị nhiều ngõ vào MPPT độc lập (multi-MPPT), cho phép chúng theo dõi đồng thời nhiều điểm công suất tối đa của các phần mảng PV khác nhau. Bài viết này sẽ phân tích lý do kỹ thuật vì sao cần nhiều MPPT độc lập trong inverter (từ quy mô áp mái đến thương mại, công nghiệp, nông nghiệp), nguyên lý hoạt động, các ưu điểm đạt được, cũng như liên hệ với tiêu chuẩn kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn.

inverter
Một mẫu Inverter có 12 MPPT độc lập

MPPT và hạn chế của inverter một MPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracking) là thuật toán hoặc mạch điều khiển trong inverter, giúp tìm và duy trì điểm làm việc tối ưu của mảng pin để đạt công suất cực đại. Khi các mô-đun PV trong một chuỗi có điều kiện đồng nhất, inverter dễ dàng xác định điểm cực đại này. Tuy nhiên, nếu các mô-đun hoặc các chuỗi nhận bức xạ không đồng đều (do bóng râm hoặc hướng khác nhau), đường cong công suất-theo-điện áp (P-V) có thể xuất hiện nhiều cực đại. Inverter chỉ có một MPPT sẽ gặp hai hạn chế chính:

Không tối ưu khi chuỗi pin không đồng nhất: Tất cả các chuỗi PV phải vận hành tại cùng một điện áp, nên nếu một chuỗi bị lệch điều kiện (ví dụ bị bóng râm), toàn bộ hệ thống bị giảm hiệu suất do không còn ở điểm cực đại của từng chuỗi.

Đường đặc tính đa đỉnh và thuật toán MPPT phức tạp: Đường cong P-V có nhiều cực đại khiến thuật toán MPPT cổ điển không còn hiệu quả, làm giảm khả năng vận hành tối ưu. Các thuật toán quét toàn phần giúp khắc phục phần nào nhưng vẫn giảm hiệu suất động và độ nhanh nhạy.

Nguyên lý hoạt động của inverter đa MPPT

Inverter đa MPPT được thiết kế với nhiều bộ điều khiển MPPT riêng rẽ, thường tương ứng với nhiều ngõ đầu vào DC độc lập. Mỗi ngõ vào MPPT kết nối với một phân đoạn mảng pin (một hoặc nhiều chuỗi pin song song) có đặc tính tương đồng. Chẳng hạn, trong hệ áp mái phức tạp, các tấm pin hướng Đông sẽ vào MPPT số 1, còn các tấm hướng Tây vào MPPT số 2; hoặc trong hệ thống nông nghiệp, mảng pin trên mái nhà kính nối vào một MPPT, còn mảng pin trên đồng ruộng nối vào MPPT khác, v.v.

Mỗi MPPT sẽ tự điều chỉnh điện áp riêng cho phân đoạn PV của mình, độc lập với các phân đoạn khác. Từ góc nhìn kỹ thuật, điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều bộ biến đổi DC-DC nâng/hạ áp riêng cho từng ngõ PV trước khi gộp chung vào bộ nghịch lưu DC-AC. Kết quả là, các phân đoạn PV có thể hoạt động tại những điện áp tối ưu khác nhau cùng một thời điểm.

Một chuyên gia từ SMA đã nhận xét rằng các inverter chuỗi hiện đại (dùng cho hệ dân dụng và thương mại) ngày nay thường tích hợp nhiều kênh MPPT độc lập với dải điện áp hoạt động rộng. Nhờ đó, nhiều chuỗi pin có độ dài và hướng nghiêng khác nhau có thể kết nối vào một inverter duy nhất, và mỗi chuỗi vẫn được vận hành tại điểm tối ưu riêng ngay cả khi điện áp MPP của chúng khác nhau.

Nói cách khác, inverter đa MPPT có thể “tách” bài toán tối ưu thành nhiều bài toán con: tối ưu riêng cho từng phần mảng, sau đó tổng hợp công suất lại trên DC bus chung. Khi một phần giàn pin bị che bóng cục bộ tạo ra những “gồ” (hump) trên đường cong I-V/P-V, thuật toán MPPT của inverter đa kênh sẽ kiểm tra từng kênh để đảm bảo mỗi kênh đang vận hành tại điểm công suất cao nhất của nó. Nhờ vậy, hiện tượng một chuỗi yếu làm giới hạn chuỗi khỏe (“một chuỗi PV bị giới hạn bởi tấm yếu nhất”) không còn đúng trong trường hợp này

Ưu điểm của nhiều ngõ MPPT độc lập

Trang bị nhiều MPPT độc lập giúp tăng hiệu suất và linh hoạt cho hệ thống PV. Thứ nhất, năng lượng thu được tăng lên rõ rệt, đặc biệt ở các hệ có bóng che hoặc nhiều hướng mái, nhờ từng mảng PV luôn được tối ưu hóa riêng. Inverter đa MPPT cho phép thiết kế linh hoạt, đấu nối nhiều cấu hình pin khác nhau mà không lo mất đồng bộ. Ngoài ra, mỗi MPPT độc lập giúp chuỗi bị suy giảm (do bóng, bụi) không ảnh hưởng chuỗi còn lại, nhờ đó hiệu suất hệ thống luôn cao hơn so với inverter một MPPT.

Việc giám sát và bảo trì cũng thuận tiện hơn, vì mỗi kênh MPPT cung cấp dữ liệu riêng, giúp kỹ thuật viên dễ dàng phát hiện và xử lý sự cố. Hệ thống đa MPPT còn thuận lợi khi mở rộng hoặc thích ứng với nhu cầu thay đổi, giúp dễ lắp thêm các chuỗi pin mới mà không ảnh hưởng tới phần cũ.

Cuối cùng, nhiều MPPT tạo ra tính dự phòng phân tán: khi một kênh gặp sự cố, các kênh khác vẫn hoạt động, đảm bảo hệ thống chỉ mất một phần công suất. Tuy nhiên, cần cân nhắc số lượng MPPT hợp lý, tránh tăng quá nhiều linh kiện bên trong inverter, có thể làm giảm độ tin cậy phần cứng và hiệu suất đỉnh trong một số trường hợp quy mô lớn.

Về mặt kỹ thuật, việc trang bị nhiều ngõ vào MPPT độc lập cho phép inverter tối ưu hóa sâu hơn hiệu suất của hệ thống PV trong các điều kiện thực tế đa dạng. Các lợi ích nổi bật bao gồm tăng sản lượng năng lượng nhờ giảm tổn thất không đồng bộ, linh hoạt hơn trong thiết kế và mở rộng hệ thống, cải thiện khả năng giám sát và bảo trì, cũng như duy trì hoạt động ổn định khi một phần hệ thống gặp sự cố.

Những ưu điểm này giải thích vì sao các nhà sản xuất inverter uy tín (SMA, Fronius, Huawei, Sungrow, SolarEdge, v.v.) đều phát triển dòng sản phẩm multi-MPPT, đáp ứng nhu cầu thiết kế hệ thống phức tạp nhưng hiệu quả cao cho khách hàng.

Share.

Leave A Reply