Biến tần năng lượng mặt trời: bơm nước và inverter cho nhà máy

Biến tần năng lượng mặt trời là cụm từ người tìm hay dùng chung cho ba thiết bị khác hẳn nhau: inverter hòa lưới của hệ điện mặt trời, biến tần chuyên dụng cho bơm nước chạy điện mặt trời, và biến tần công nghiệp điều khiển động cơ vốn là nghề chính của HL Auto. Ba thiết bị này cùng nền tảng điện tử công suất nhưng khác nhiệm vụ, khác cách chọn và khác đơn vị phụ trách khi có sự cố — gọi lẫn tên là chọn sai thiết bị và gọi sai thợ. Bài này đứng ở góc của người làm biến tần công nghiệp nhìn sang hệ mặt trời của nhà máy: phân biệt rõ ba loại thiết bị, đi sâu vào biến tần bơm nước năng lượng mặt trời — điểm giao thật với nghề của bên mình — và trình bày inverter mặt trời trong nhà máy ở mức nhận biết lỗi cho người quản lý hệ thống. 

Phạm vi cần chốt ngay từ đầu: HL Auto không sửa chữa, không lắp đặt inverter năng lượng mặt trời hòa lưới — đó là nghề của các đơn vị chuyên điện mặt trời. Phần bên mình nhận là biến tần điều khiển động cơ: biến tần bơm nước (gồm loại chạy năng lượng mặt trời) và biến tần công nghiệp.

Biến tần năng lượng mặt trời là gì: ba thiết bị hay bị gọi lẫn

Nguồn gốc của sự lẫn lộn là cả ba cùng dùng một họ linh kiện công suất và cùng xuất hiện quanh nhà máy. Đặt cạnh nhau theo đúng nhiệm vụ thì ranh giới rất rõ:

Điểm chung: cùng nền tảng điện tử công suất

Cả ba thiết bị đều xây trên cùng một nền: tầng công suất IGBT đóng cắt dòng điện, tầng DC trung gian với tụ lọc, mạch điều khiển theo thời gian thực và các lớp bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt. Người quen biến tần công nghiệp nhìn vào inverter mặt trời sẽ thấy cấu trúc rất thân thuộc, với khối công suất IGBT là phần bên mình trình bày riêng ở bài nguyên lý và vai trò của IGBT trong biến tần. Nhưng cùng nền không có nghĩa là thay thế được cho nhau: phần quyết định thiết bị làm được việc gì nằm ở thuật toán điều khiển và điều kiện làm việc nó được thiết kế cho, và hai phần đó khác nhau hoàn toàn giữa ba loại.

Khác biệt quyết định nằm ở đầu ra và nhiệm vụ

Solar inverter sinh ra để phục vụ lưới điện: đầu ra của nó phải khớp điện áp, tần số, pha với lưới và ngắt ngay khi lưới mất điện để bảo vệ người sửa đường dây — nó không điều khiển tốc độ của bất kỳ động cơ nào. Biến tần công nghiệp làm việc ngược lại: nó chỉ quan tâm tới động cơ ở đầu ra, điện áp và tần số ra thay đổi liên tục theo nhu cầu tốc độ, và không có khái niệm đồng bộ lưới ở đầu ra. Biến tần bơm nước NLMT đứng giữa: đầu vào giống solar inverter (điện DC từ dàn pin, cần MPPT), đầu ra giống biến tần công nghiệp (tần số thay đổi cho động cơ) — chính nó là phần thực hành chính của bài này.

Biến tần bơm nước năng lượng mặt trời: phần giao với nghề của HL Auto

Đây là mảng nhu cầu rõ nhất trong họ tìm kiếm năng lượng mặt trời mà một đơn vị biến tần phục vụ được thật: trang trại, khu tưới, trạm bơm ở nơi kéo điện lưới xa hoặc điện yếu, cần bơm nước vào ban ngày đúng lúc có nắng. Toàn bộ phần kỹ thuật dưới đây là nghề biến tần điều khiển động cơ — đúng chuyên môn của bên mình.

Cấu trúc hệ: tấm pin, biến tần bơm, động cơ bơm

Hệ gồm ba khối nối tiếp: dàn pin mặt trời phát điện một chiều, biến tần bơm nhận điện DC đó và tạo điện xoay chiều tần số thay đổi, động cơ bơm (thường là bơm chìm giếng khoan hoặc bơm ly tâm mặt đất) quay theo. Điểm khác biệt lớn nhất so với hệ bơm điện lưới là cấu hình phổ biến không có ắc quy: năng lượng không trữ dưới dạng điện mà trữ dưới dạng nước — bơm lên bể chứa, hồ chứa vào giờ có nắng, dùng dần sau. Cách tổ chức này tránh chi phí và tuổi thọ hạn chế của ắc quy, và là lý do hệ bơm NLMT thực tế đơn giản hơn nhiều người hình dung. Nhu cầu bơm ban đêm mới phải tính thêm lưu trữ dạng hybrid có ắc quy.

MPPT trong biến tần bơm: công suất nắng quyết định tốc độ bơm

Giống solar inverter, biến tần bơm cũng có MPPT — thuật toán liên tục dò điểm làm việc mà dàn pin cho công suất lớn nhất tại mức nắng hiện tại. Khác biệt nằm ở cách dùng phần công suất đó: inverter hòa lưới đẩy toàn bộ lên lưới ở tần số cố định, còn biến tần bơm đổi công suất nắng thành tốc độ quay — nắng mạnh thì bơm quay nhanh, lưu lượng lớn; nắng yếu thì bơm quay chậm lại tương ứng, lưu lượng giảm nhưng hệ vẫn làm việc. Khi công suất nắng xuống dưới ngưỡng tối thiểu để thắng cột áp, biến tần cho bơm dừng và tự khởi động lại khi nắng lên đủ. Hiểu cơ chế này thì mọi hiện tượng vận hành của hệ đều giải thích được, thay vì coi là lỗi.

Cách chọn biến tần bơm theo công suất bơm và dàn pin

Thứ tự chọn đúng phải đi từ phía nước về phía điện. Trước hết là nhu cầu dùng nước: lưu lượng cần trong ngày và cột áp tổng (độ sâu hút, độ cao đẩy, tổn thất đường ống) — hai thông số này quyết định việc chọn bơm và động cơ bơm. Sau đó mới chọn biến tần bơm theo công suất và dòng điện của động cơ đã chốt, đúng như nguyên tắc chọn biến tần cho bơm nói chung ở bài biến tần cho quạt và bơm nước. Cuối cùng là dàn pin: tổng công suất pin và cách ghép nối tiếp các tấm phải đưa điện áp DC về đúng dải làm việc mà biến tần bơm yêu cầu — ghép thiếu tấm thì không đủ ngưỡng chạy, ghép thừa tấm thì vượt điện áp tối đa cho phép, cả hai đều là lỗi chọn hệ chứ không phải lỗi thiết bị. Thực tế, dàn pin thường được tính dư công suất so với định mức của bơm để bơm chạy được nhiều giờ hơn trong ngày, kể cả giờ nắng yếu; mức dư tùy số giờ nắng cần bơm tại điểm lắp, không có tỉ lệ chung.

Tình huống vận hành thường gặp

Ba tình huống người dùng hay gặp và hay lo lắng quá mức. Thứ nhất, sáng sớm và chiều muộn bơm chạy chậm hoặc dừng hẳn: hoạt động đúng thiết kế — công suất nắng chưa đủ thắng cột áp, biến tần giữ bơm đứng chờ nắng thay vì cố chạy non tải gây hại động cơ. Thứ hai, trời nhiều mây, tốc độ bơm lên xuống theo mây: biến tần đang bám MPPT đúng nghĩa; bể chứa đủ lớn để đệm thì phía dùng nước gần như không cảm nhận được. Thứ ba, bơm giếng khoan sâu khởi động ì vào giờ nắng yếu: bơm chìm cột áp cao cần mô-men khởi động lớn đúng lúc công suất nắng còn thấp — hệ tính đúng sẽ dành phần việc nặng cho giờ nắng mạnh; chỉ khi tình trạng này xảy ra cả giữa trưa nắng tốt mới cần kiểm tra lại sự phù hợp giữa dàn pin, biến tần và bơm.

Inverter năng lượng mặt trời trong nhà máy: kiến thức ở mức nhận biết

Phần này dành cho người quản lý nhà máy đang có hoặc sắp có hệ điện mặt trời trên mái xưởng. Mục tiêu không phải để tự sửa inverter — phần đó thuộc đơn vị chuyên điện mặt trời — mà để nhận biết đúng tình trạng, phân biệt lỗi nằm ở đâu và gọi đúng đơn vị ngay từ đầu.

Hai dạng hệ hay gặp trên mái nhà xưởng

Dạng phổ biến nhất là hòa lưới bám tải: điện mặt trời sản xuất ra được ưu tiên cấp cho tải trong nhà máy đang chạy, thiếu thì lấy thêm từ lưới; hệ không có lưu trữ và mất điện lưới thì inverter dừng theo nguyên tắc chống phát điện đảo. Dạng thứ hai là hybrid có pin lưu trữ: ngoài hòa lưới, hệ giữ một phần điện trong ắc quy để cấp cho nhóm tải ưu tiên khi mất điện. Trên mái nhà xưởng lớn, inverter thường là dạng string inverter — nhiều chuỗi tấm pin ghép vào một inverter trung tâm. Đọc đúng hiện tượng bắt đầu từ việc biết nhà mình thuộc dạng nào: mất điện lưới mà hệ mặt trời cũng dừng là bình thường với hệ bám tải, nhưng là bất thường với hệ hybrid.

Các lỗi đặc trưng: dấu hiệu nhận biết và kiểm tra ban đầu

Grid Fault — lỗi phía lưới. Dấu hiệu: inverter ngắt kết nối và báo lỗi lưới, thường lặp lại vào cùng khung giờ (giờ cao điểm, lúc nhà máy bên cạnh khởi động tải lớn). Bản chất thường gặp không phải inverter hỏng: điện áp hoặc tần số lưới tại điểm đấu nối vượt ngoài dải cho phép mà inverter được cài, và inverter ngắt là để bảo vệ. Kiểm tra ban đầu: ghi lại mã lỗi và khung giờ, đối chiếu điện áp lưới trên ứng dụng giám sát; nếu lỗi bám theo giờ và theo hoạt động của tải lớn trong khu vực, hướng xử lý nằm ở chất lượng điện lưới và cài đặt ngưỡng bảo vệ — việc của đơn vị lắp đặt hệ cùng điện lực, không phải thay inverter.

Lỗi cách điện và cảnh báo hồ quang DC (AFD). Dấu hiệu: inverter ngắt kèm cảnh báo về cách điện phía DC hoặc hồ quang. Phía DC của dàn pin có điện áp cao và luôn có điện mỗi khi có nắng; điểm nối MC4 lỏng, cáp bị chuột cắn hoặc ẩm vào hộp nối đều có thể sinh hồ quang — nguy cơ cháy thật, không phải lỗi vặt. Khi gặp cảnh báo này: không reset lặp lại để cố chạy, ghi lại mã lỗi và gọi đơn vị chuyên điện mặt trời kiểm tra dàn pin và đường cáp DC.

Sản lượng sụt mà không báo lỗi. Dấu hiệu: sản lượng ngày thấp hơn hẳn cùng kỳ nắng tương đương, inverter vẫn chạy êm. Nhóm nguyên nhân hay gặp nhất nằm ngoài inverter: bụi bẩn phủ tấm pin lâu ngày không vệ sinh, bóng che mới xuất hiện (cây lớn, công trình mới), hoặc một chuỗi pin yếu hẳn so với các chuỗi còn lại. Kiểm tra ban đầu: trên ứng dụng giám sát, so sản lượng giữa các chuỗi pin cùng thời điểm — một chuỗi thấp hẳn thì vấn đề nằm ở chuỗi đó (tấm pin, cáp, điểm nối), tất cả cùng thấp đều thì nghĩ tới bụi bẩn và điều kiện nắng trước khi nghi inverter.

Giảm công suất khi quá nóng (derating). Dấu hiệu: sản lượng đạt đỉnh thấp hơn công suất lắp đặt đúng vào giờ nắng gắt nhất, sáng và chiều lại bình thường, không mã lỗi. Đây là cơ chế tự bảo vệ: inverter đặt ở vị trí nắng chiếu trực tiếp, phòng kỹ thuật quá nóng hoặc khe tản nhiệt bám bụi sẽ tự hạ công suất để giữ nhiệt độ linh kiện trong giới hạn. Kiểm tra ban đầu là vị trí lắp, thông gió và vệ sinh khe tản nhiệt — phần vận hành, chưa phải hỏng hóc.

Những câu hỏi thực tế quanh hệ năng lượng mặt trời của nhà máy

Điện mặt trời có chạy được động cơ và bơm 3 pha không?

Được, theo hai đường khác nhau. Đường thứ nhất: hệ inverter hòa lưới cấp điện xoay chiều vào mạng điện nội bộ của nhà máy, các động cơ và bơm 3 pha vẫn chạy qua biến tần công nghiệp như khi dùng điện lưới — điện mặt trời lúc này chỉ là một nguồn cấp thêm, phía động cơ không có gì thay đổi. Đường thứ hai: tại điểm dùng không có lưới hoặc không muốn phụ thuộc lưới, động cơ bơm chạy trực tiếp từ dàn pin qua biến tần bơm nước NLMT như mục trọng tâm ở trên. Chọn đường nào phụ thuộc vào điểm dùng có lưới ổn định hay không, và tải là tải sản xuất liên tục hay tải bơm theo giờ nắng.

Hòa lưới bám tải, hybrid và độc lập khác nhau ở đâu?

Khác nhau ở hai điểm: có lưu trữ hay không, và khi mất điện lưới hệ có còn cấp điện hay không. Bám tải: không lưu trữ, mất điện lưới là dừng — đơn giản và rẻ nhất, hợp với nhà máy chủ yếu cần giảm tiền điện ban ngày. Hybrid: có pin lưu trữ, mất điện vẫn cấp được cho nhóm tải ưu tiên trong giới hạn dung lượng pin — đổi lại chi phí và bảo trì đều tăng. Độc lập hoàn toàn: không nối lưới, toàn bộ nhu cầu phải tính đủ từ dàn pin và lưu trữ — chỉ hợp nơi không có lưới hoặc lưới quá yếu, vì chi phí lưu trữ đủ dùng thường cao hơn hẳn. Phần lớn thắc mắc "lắp điện mặt trời mà mất điện vẫn không có điện dùng" đến từ việc đặt kỳ vọng của hệ hybrid lên một hệ bám tải.

Đã có inverter hòa lưới, sao còn cần biến tần riêng cho bơm?

Không phải lúc nào cũng cần. Nếu điểm bơm nằm trong khuôn viên đã có điện lưới và hệ hòa lưới, bơm chạy bằng biến tần bơm thông thường lấy điện AC chung là phương án gọn và đúng. Biến tần bơm NLMT chỉ thật sự có ý nghĩa khi điểm bơm xa lưới, kéo điện tốn kém hoặc không thể kéo, và nhu cầu bơm trùng giờ có nắng: lúc đó lấy điện DC trực tiếp từ dàn pin qua biến tần chuyên dụng giúp bỏ cả khâu inverter hòa lưới lẫn ắc quy, hệ đơn giản và ít điểm hỏng hơn hẳn. Nhu cầu bơm chủ yếu vào ban đêm thì điện mặt trời không phải đáp án chính, dù cấu hình nào.

Phạm vi của HL Auto với mảng năng lượng mặt trời

Nói thẳng để anh em khỏi mất thời gian qua lại: HL Auto là đơn vị làm biến tần điều khiển động cơ. Bên mình không sửa chữa, không bảo trì, không lắp đặt inverter năng lượng mặt trời hòa lưới và các hệ điện mặt trời trọn gói — khi hệ có sự cố, đơn vị đúng để gọi là đơn vị đã lắp đặt hệ hoặc đơn vị chuyên điện mặt trời tại khu vực.

Phần việc bên mình nhận và làm đúng chuyên môn: tư vấn, lắp đặt và sửa chữa biến tần công nghiệp các hãng; tư vấn và lắp đặt biến tần cho bơm nước, trong đó có biến tần bơm nước năng lượng mặt trời cho trang trại, trạm bơm và nhà máy cần bơm nước ở điểm xa lưới. Ranh giới chạy đúng theo bản chất thiết bị: thiết bị điều khiển động cơ thuộc nghề của bên mình, thiết bị hòa lưới phát điện thuộc nghề điện mặt trời.

Câu hỏi thường gặp về biến tần năng lượng mặt trời