Bộ nghịch lưu tạo lưới so với bộ nghịch lưu theo lưới

Trong một hệ thống điện ngoài lưới, việc lựa chọn giữa bộ nghịch lưu tạo lưới và bộ nghịch lưu theo lưới không chỉ liên quan đến vài phần trăm hiệu suất. Đây là sự khác biệt giữa một hệ thống có khả năng thiết lập điện áp và một hệ thống hoàn toàn không thể khởi động. Sự phân biệt này bắt nguồn từ một nguyên lý điều khiển duy nhất: nguồn dòng điện so với nguồn điện áp.

Nguồn Dòng Điện So Với Nguồn Điện Áp

Bộ biến tần theo lưới hoạt động như một nguồn dòng điện được điều khiển. Nó sử dụng vòng khóa pha (phase-locked loop) để đo pha của điện áp xoay chiều hiện có và đưa dòng điện vào đồng bộ với tham chiếu đó. Hoạt động của nó hoàn toàn phụ thuộc vào tham chiếu điện áp và tần số bên ngoài. Trong môi trường độc lập với lưới (off-grid), nơi không tồn tại tham chiếu như vậy, bộ biến tần theo lưới sẽ không có gì để bám theo.

Ngược lại, bộ biến tần tạo lưới hoạt động như một nguồn điện áp. Nó thiết lập riêng một véc-tơ điện áp nội tại với biên độ và tần số được đặt cục bộ, và các nguồn khác cũng như tải sẽ đồng bộ với tham chiếu đó. Theo nghĩa này, hành vi của nó tương tự như máy phát đồng bộ: nó không chờ đợi sự tồn tại của lưới mà tự tạo ra các điều kiện cần thiết để hình thành một lưới.

Tại sao Hệ thống Độc lập với Lưới Cần Điều khiển Tạo Lưới

Trong một lưới điện vi mô hoặc hệ thống cô lập, không có lưới điện tiện ích nào cung cấp chuẩn điện áp và tần số. Nếu hệ thống chuyển đổi điện năng (PCS) vận hành ở chế độ bám theo lưới, thì không có thiết bị nào trong hệ thống chịu trách nhiệm thiết lập chuẩn đó. Lưới điện vi mô sẽ không thể được cấp điện. Đây không phải là một giới hạn hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện biên; đây là một điều kiện chức năng bắt buộc.

Nguyên lý tương tự cũng áp dụng khi kết nối các tải động cơ công suất cao. Động cơ cảm ứng tiêu thụ dòng điện khởi động rất lớn, và dòng điện này có thể gây nhiễu các vòng điều khiển bộ nghịch lưu trong một lưới điện vi mô cô lập. Một bộ nghịch lưu tạo lưới phải cho phép sụt giảm điện áp tức thời trong giới hạn chịu tải theo IEEE Std. 1547, đồng thời vẫn duy trì việc điều chỉnh điện áp và tránh ngắt hoạt động.

Các bộ nghịch lưu theo lưới không có khả năng này trong bối cảnh hoạt động ngoài lưới, bởi vì chúng không phải là thiết bị thiết lập điện áp ngay từ đầu. Do đó, trong các vi mạng (microgrid), các cơ sở công nghiệp vận hành độc lập (islanded), và các hoạt động khai thác hoặc chế biến ở vùng xa xôi, khả năng hình thành lưới (grid-forming) là yêu cầu cơ bản, chứ không phải là nâng cấp tùy chọn.

Những yếu tố cần lưu ý khi lựa chọn hệ thống chuyển đổi nguồn điện (PCS) có khả năng hình thành lưới

Các khả năng thiết yếu bao gồm khởi động đen (black start – thiết lập điện áp từ trạng thái không có năng lượng), phản ứng quán tính trên thang thời gian miligiây, đóng góp dòng ngắn mạch để duy trì hoạt động ổn định trong các quá trình khởi động động cơ (motor-starting transients), và chuyển đổi mượt mà giữa chế độ nối lưới và chế độ vận hành độc lập (islanded mode).

Một ví dụ thực tiễn là bộ điều khiển nguồn điện lưới (PCS) tạo lưới tích hợp với máy biến áp tăng áp, chẳng hạn như các sản phẩm do Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical) cung cấp. Đơn vị tích hợp PCS tạo lưới của hãng này có thời gian phản hồi dưới hoặc bằng 10 ms và hoạt động ổn định ở tỷ số ngắn mạch (SCR) dưới 1,1 — dải giá trị mà thiết bị theo lưới thông thường thường không thể đáp ứng.

Đơn vị này còn tích hợp khả năng phản ứng quán tính, điều khiển giảm chấn, vận hành song song nhiều đơn vị, khởi động lại khi mất điện hoàn toàn (black start), và chịu được sự thay đổi đột ngột về góc pha, với hiệu suất chuyển đổi đạt hoặc vượt 98,5%. Các thông số kỹ thuật này không chỉ mang tính quảng cáo, mà còn có ý nghĩa thực tế vì chúng trực tiếp tương ứng với các điều kiện vận hành ngoài lưới nêu trên.

Danh sách kiểm tra lựa chọn ngắn gọn

Trước khi lựa chọn một PCS cho dự án ngoài lưới, cần đặt ra bốn câu hỏi.

1. Dự án có thực sự vận hành ở chế độ cô lập (islanded operation) hay không? Nếu đúng như vậy, thì điều khiển tạo lưới là điều kiện tiên quyết.

2. PCS có khả năng khởi động lại khi mất điện hoàn toàn (black start) và thiết lập điện áp trên thanh cái trống hay không?

3. Thời gian phản ứng quán tính là bao nhiêu, và giá trị này có được quy định bằng mili giây thay vì giây không?

4. Thiết bị có thể chịu được dòng điện khởi động của tải động cơ mà không ngắt mạch không?

Nếu bất kỳ câu trả lời nào trong số này chưa rõ ràng, thì chế độ điều khiển chưa được xác minh đầy đủ.

Các tình huống ứng dụng

Bộ nghịch lưu tạo lưới (grid-forming) không phải là một bộ nghịch lưu bám lưới (grid-following) "tốt hơn". Đây là một loại thiết bị khác biệt, phù hợp với điều kiện lưới điện khác biệt. Trong các hệ thống ngoài lưới, việc lựa chọn kiến trúc điều khiển phù hợp quan trọng hơn so với việc so sánh công suất định mức.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Sự khác biệt chính giữa bộ nghịch lưu tạo lưới và bộ nghịch lưu bám lưới là gì?

Câu trả lời: Bộ nghịch lưu tạo lưới hoạt động như một nguồn điện áp, tự tạo ra điện áp tham chiếu; bộ nghịch lưu bám lưới hoạt động như một nguồn dòng, cần có điện áp hiện hữu để bám theo.

Câu hỏi: Bộ nghịch lưu bám lưới có thể hoạt động trong hệ thống ngoài lưới hay không?

Câu trả lời: Không. Nếu không có điện áp tham chiếu bên ngoài, bộ nghịch lưu bám lưới sẽ không có tín hiệu nào để đồng bộ và không thể khởi động.

Câu hỏi: Khả năng khởi động đen (black start) là gì?

Câu trả lời: Khả năng cấp điện cho một thanh cái đã mất điện và thiết lập điện áp mà không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào.

Câu hỏi: Tại sao thời gian phản hồi lại quan trọng đối với hệ thống PCS hoạt động ngoài lưới?

Trả lời: Thời gian phản hồi nhanh (10 ms hoặc ít hơn) đảm bảo độ ổn định điện áp trong các tình huống thay đổi tải đột ngột và khi khởi động động cơ trong các hệ thống cô lập.

Câu hỏi: SCR dưới 1,1 có ý nghĩa gì đối với một hệ thống PCS?

Trả lời: Điều này cho thấy hệ thống PCS có thể duy trì hoạt động ổn định trong điều kiện lưới yếu, nơi tỷ số ngắn mạch (SCR) rất thấp. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.