BIẾN TẦN CHUYÊN DỤNG CHO HỆ THỐNG SOLAR PUMP
BIẾN TẦN CHUYÊN DỤNG CHO HỆ THỐNG SOLAR PUMP
1.1. Khái niệm và cấu trúc
Biến tần chuyên dụng Solar Pump là thiết bị điện tử công suất được cấu hình để khai thác nguồn điện từ hệ thống quang điện (PV) và điều khiển động cơ bơm theo điều kiện nguồn năng lượng khả dụng.
Trong hệ thống này, biến tần thực hiện đồng thời các chức năng chính:
- Tiếp nhận và xử lý nguồn DC từ dàn pin PV.
- Theo dõi điểm công suất cực đại của dàn PV thông qua thuật toán MPPT.
- Chuyển đổi DC/AC để cấp cho động cơ bơm.
- Điều khiển tần số và điện áp đầu ra phù hợp với động cơ.
- Thực hiện các chức năng bảo vệ và giám sát hệ thống.
- Điều khiển quá trình khởi động, dừng và vận hành của máy bơm.
Cấu trúc cơ bản:
PV ARRAY → DC PROTECTION → SOLAR PUMP INVERTER → MOTOR → PUMP
Đối với cấu hình có nguồn AC bổ sung:
PV ARRAY + AC SOURCE → SOLAR PUMP INVERTER → MOTOR → PUMP
SP100 là dòng bộ điều khiển bơm được thiết kế cho hệ thống bơm năng lượng mặt trời, với các cấu hình sử dụng nguồn DC từ PV và cấu hình AC&DC. Theo catalogue, thiết bị có các mức công suất từ 0,75 kW đến 22 kW, tùy cấu hình điện áp và nguồn cấp.
1.2. Xử lý nguồn PV và thuật toán MPPT
Nguồn PV có đặc tính phi tuyến. Điểm công suất cực đại thay đổi theo cường độ bức xạ và nhiệt độ của module.
Vì vậy, biến tần Solar Pump phải có khả năng xác định và bám theo điểm công suất phù hợp của dàn PV thay vì chỉ nhận một nguồn DC có điện áp cố định.
Chức năng này được thực hiện thông qua MPPT – Maximum Power Point Tracking.
Đối với SP100, catalogue công bố thuật toán MPPT với hiệu suất 99,99%.
Về nguyên lý, chuỗi năng lượng được xử lý theo:
PV → MPPT → DC Link → Inverter → AC Output → Motor
Trong đó:
- PV: tạo nguồn DC.
- MPPT: xác định vùng vận hành phù hợp của dàn PV.
- DC Link: ổn định và xử lý năng lượng DC trung gian.
- Inverter: chuyển đổi DC thành AC và điều khiển động cơ.
- Motor: biến đổi điện năng thành cơ năng.
- Pump: chuyển đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực.
1.3. Điều khiển động cơ bơm
Động cơ bơm là tải có đặc tính phụ thuộc vào tốc độ quay.
Khi tốc độ động cơ thay đổi, các thông số thủy lực của bơm cũng thay đổi. Do đó, biến tần không đơn thuần đóng/cắt nguồn cấp mà thực hiện điều khiển động cơ theo chế độ vận hành được thiết lập.
SP100 có các chức năng điều khiển như:
- Tự động khởi động.
- Tự động dừng.
- Điều khiển đa bơm.
- Hiển thị thông số trên LCD.
- Giám sát từ xa thông qua 4G/Wi-Fi tùy cấu hình.
Điều này cho phép hệ thống điều khiển quá trình bơm theo trạng thái nguồn điện và điều kiện vận hành thay vì sử dụng phương thức đóng/cắt trực tiếp động cơ.
1.4. Dải điện áp DC và thiết kế chuỗi PV
Đây là một trong những thông số quan trọng nhất khi thiết kế Solar Pump.
Theo catalogue SP100:
- D2: DC 150–450 V.
- D4: DC 250–900 V.
- Cấu hình 4: AC 3 pha 380–440 V; DC 250–900 V.
- Cấu hình 2: AC 1/3 pha 220–240 V; DC 150–450 V.
Khi xác định số lượng module mắc nối tiếp, cần kiểm tra:
Điện áp hở mạch Voc của chuỗi
Điện áp tại điểm công suất cực đại Vmp
Dòng điện ngắn mạch Isc
Dòng điện tại điểm công suất cực đại Imp
Tổng công suất Pmax của dàn PV
Đồng thời phải kiểm tra điện áp chuỗi PV trong điều kiện nhiệt độ thấp nhất và cao nhất của khu vực lắp đặt.
Do đó:
Số lượng tấm pin không được xác định chỉ dựa trên công suất kWp.
Phải đồng thời thỏa mãn giới hạn điện áp DC, dòng điện đầu vào và công suất PV cho phép của biến tần.
1.5. Tích hợp bảo vệ phía DC
Trong hệ thống PV, phía DC có các đặc điểm khác biệt so với phía AC, đặc biệt là khả năng duy trì hồ quang khi xảy ra sự cố.
Do đó, hệ thống cần được thiết kế các chức năng bảo vệ phù hợp.
SP100 tích hợp các thành phần:
DC Circuit Breaker + Fuse + SPD + Bus-bar
theo cấu hình sản phẩm.
Các chức năng này liên quan đến:
- Đóng/cắt nguồn DC.
- Bảo vệ quá dòng.
- Bảo vệ chống xung quá áp.
- Phân phối nguồn DC trong thiết bị.
Việc có tích hợp bảo vệ hay không vẫn phải được xem xét cùng với thiết kế tổng thể của hệ thống, chiều dài tuyến cáp DC, cấu hình chuỗi PV, hệ thống tiếp địa và yêu cầu chống sét của công trình.
1.6. Cấp bảo vệ và điều kiện lắp đặt
Thiết bị Solar Pump thường được lắp đặt gần khu vực dàn pin và máy bơm, có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp của bụi, nước và độ ẩm.
SP100 có cấu hình IP66. Theo catalogue, cấp bảo vệ này giúp thiết bị có khả năng chống bụi và chống nước, phù hợp với các yêu cầu lắp đặt ngoài trời theo thiết kế.
Tuy nhiên, cấp IP của thiết bị không thay thế cho yêu cầu thiết kế tổng thể về:
- Vị trí lắp đặt.
- Hướng và phương pháp cố định thiết bị.
- Nhiệt độ môi trường.
- Thông gió/tản nhiệt.
- Tuyến cáp.
- Tiếp địa.
- Chống sét lan truyền.
1.7. Cấu hình AC&DC
Đối với các hệ thống yêu cầu nguồn điện bổ sung, có thể sử dụng biến tần Solar Pump hỗ trợ AC&DC.
SP100 AC&DC hỗ trợ kết nối với nguồn điện lưới và máy phát diesel. Catalogue cũng thể hiện chức năng bù đắp năng lượng tự động và hiển thị mức tiêu thụ năng lượng AC/DC.
Cấu trúc:
PV + AC → Inverter → Motor → Pump
Trong trường hợp công suất PV thay đổi theo điều kiện bức xạ, nguồn AC có thể được sử dụng theo cấu hình điều khiển của hệ thống.
Đây là cấu hình phù hợp với các công trình yêu cầu duy trì khả năng cấp nước trong những thời điểm nguồn PV không đáp ứng đủ yêu cầu vận hành.
1.8. Tích hợp Boost Module
Một số cấu hình SP100 có tích hợp Boost Module.
Theo catalogue, mô-đun tăng áp được sử dụng cho hệ thống dưới 4 kW, bao gồm 4 kW, hỗ trợ biến tần khởi động ở điện áp thấp hơn.
Khi sử dụng cấu hình này, vẫn phải kiểm tra đồng thời:
Điện áp PV → Dải điện áp đầu vào → Công suất PV → Công suất motor → Điều kiện bức xạ
Không nên hiểu Boost Module là cơ sở để tùy ý giảm số lượng tấm pin. Cấu hình thực tế phải được xác định từ thông số điện của module PV và giới hạn đầu vào của biến tần.
1.9. Các thông số cần xác định khi lựa chọn biến tần
Việc lựa chọn Solar Pump Inverter nên được thực hiện theo trình tự:
Phía tải
Q → H → Pump → Motor
Trong đó:
- Q: lưu lượng yêu cầu.
- H: cột áp tổng.
- Pump: đặc tính bơm.
- Motor: công suất, điện áp, dòng điện và chế độ vận hành.
Phía nguồn PV
Pmax → Vmp → Voc → Imp → Isc
Phía biến tần
Pout → Uin DC → Iin DC → Uout AC → Iout
Sau đó kiểm tra tính tương thích giữa ba nhóm:
Hydraulic Load ↔ Motor ↔ Inverter ↔ PV Array
Đây mới là cơ sở kỹ thuật để xác định cấu hình Solar Pump.
1.10. Bản chất của biến tần Solar Pump chuyên dụng
Điểm khác biệt của biến tần chuyên dụng Solar Pump không nằm đơn thuần ở việc thiết bị có thể nhận nguồn DC.
Giá trị kỹ thuật nằm ở việc kiến trúc điều khiển được xây dựng đồng thời cho nguồn PV và tải bơm:
PV có công suất biến thiên
↓
MPPT xác định vùng khai thác năng lượng
↓
DC Link xử lý nguồn DC
↓
Inverter điều khiển điện áp/tần số AC
↓
Motor thay đổi chế độ vận hành
↓
Pump tạo lưu lượng và cột áp theo yêu cầu
Do đó, một hệ thống Solar Pump được thiết kế đúng phải xem PV – biến tần – động cơ – bơm là một chuỗi kỹ thuật thống nhất, thay vì lựa chọn từng thiết bị độc lập.
Kết luận
Biến tần chuyên dụng Solar Pump phù hợp với các công trình được thiết kế ngay từ đầu theo nguồn năng lượng mặt trời, đặc biệt là hệ thống tưới tiêu, cấp nước và bơm nước tại khu vực có nguồn PV khả dụng.
Với SP100, các chức năng được catalogue thể hiện gồm MPPT, điều khiển bơm, bảo vệ DC, IP66 tùy cấu hình, AC&DC tùy phiên bản và khả năng giám sát từ xa.
Nguyên tắc lựa chọn: không chọn biến tần theo công suất motor một cách độc lập; phải kiểm tra đồng bộ yêu cầu thủy lực, đặc tính động cơ, dải điện áp DC, dòng điện PV và cấu hình vận hành của toàn hệ thống.
