Giải quyết hiện tượng 'Tiêu thụ điện năng ma' ở chế độ chờ đối với các hệ thống biến tần B2B quy mô lớn.

Giới thiệu về tổn thất ở chế độ chờ của bộ biến tần

Trong các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) quy mô lớn dành cho thương mại, công nghiệp và cấp độ nhà máy điện, hiệu suất được tính toán đến phần mười của một phần trăm. Mặc dù nhiều sự chú ý tập trung vào hiệu suất chuyển đổi của bộ biến tần trong giai đoạn sản xuất đỉnh điểm, một khoản hao phí tài chính tiềm ẩn thường xảy ra khi hệ thống không hoạt động. Hiện tượng này được gọi là 'Tiêu thụ điện năng “ma”' hoặc tổn thất ở chế độ chờ/không tải.

Khi các dàn pin mặt trời ngừng hoạt động vào ban đêm hoặc khi máy móc công nghiệp được tắt trong cuối tuần, các cụm biến tần có công suất nhiều kilowatt vẫn tiếp tục được kết nối với hệ thống. Ngay cả khi không cung cấp điện xoay chiều (AC) nào cho tải, những thiết bị này vẫn tiếp tục lấy dòng điện từ cụm pin một chiều (DC) hoặc từ lưới điện xoay chiều (AC) để duy trì năng lượng cho các mạch điện nội bộ. Trong suốt một năm, việc tiêu thụ điện liên tục nhưng không mang lại hiệu quả sản xuất này có thể dẫn đến tổn thất hàng nghìn kilowatt-giờ năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ suất hoàn vốn đầu tư (ROI) của hệ thống.

Bài viết này phân tích các nguyên lý vật lý gây ra tổn thất ở chế độ chờ trong các biến tần công suất cao và trình bày các giải pháp kỹ thuật nhằm loại bỏ hiện tượng tiêu thụ điện 'ma'.

Câu hỏi: Nguyên nhân nào gây ra hiện tượng 'Tiêu thụ điện ma' trong các cụm biến tần công suất lớn, và làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng này?

Tiêu thụ điện năng 'ma' ở chế độ chờ phát sinh do các mạch điều khiển điện tử đang hoạt động, quạt làm mát vận hành và tổn thất lõi từ trong các biến áp có công suất quá lớn. Để giảm thiểu các tổn thất ở chế độ chờ trong các hệ thống B2B quy mô lớn, kỹ sư cần triển khai ngưỡng chuyển sang chế độ ngủ động, cấu hình cụm song song chủ-tớ thông minh, lắp đặt các công tắc cách ly một chiều tiêu thụ thấp bên ngoài và lựa chọn các bộ nghịch lưu hiệu suất cao dựa trên lõi xuyến, hoạt động ở tần số thấp hoặc cao, do JYINS thiết kế với chế độ tiết kiệm năng lượng tích hợp.

Cơ sở vật lý và nguồn gốc của tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ

Để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tiêu thụ điện năng 'ma', trước tiên chúng ta phải xác định vị trí tiêu thụ năng lượng này trong kiến trúc bộ nghịch lưu. Có ba nhóm thành phần phần cứng chính chịu trách nhiệm cho mức tiêu thụ điện khi không tải:

• Điện tử điều khiển và truyền thông chủ động: Mỗi biến tần công nghiệp đều chứa một loạt bộ xử lý tín hiệu số (DSP), vi điều khiển, modem viễn thông Wi-Fi/GPRS và các mảng cảm biến (giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ). Các bo mạch điều khiển này yêu cầu nguồn điện áp một chiều (DC) ổn định và liên tục (thường là 5 V hoặc 12 V) do nguồn cấp điện phụ nội bộ cung cấp. Mức tiêu thụ điện năng liên tục này không thay đổi bất kể biến tần đang tải 0% hay 100%.
• Bộ điều khiển cổng và tổn thất chuyển mạch: Để tạo ra sóng sin xoay chiều (AC), vi điều khiển của biến tần liên tục gửi các tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) có tần số cao tới các cổng của các transistor MOSFET hoặc IGBT công suất. Việc chuyển mạch vật lý của các linh kiện bán dẫn này, ngay cả khi không tải, vẫn tiêu thụ dòng điện do điện dung ký sinh tại các cổng bán dẫn. Đây được gọi là tổn thất chuyển mạch ở trạng thái không tải.
• Tổn thất lõi từ và máy biến áp: Các bộ nghịch lưu tần số thấp sử dụng máy biến áp bằng đồng nặng để tăng điện áp và cách ly các mạch. Ngay cả khi không có tải nào được kết nối với đầu ra AC, cuộn sơ cấp của máy biến áp vẫn bị kích thích bởi mạch chuyển mạch của bộ nghịch lưu. Sự kích thích này tạo ra các thông lượng từ xoay chiều trong lõi thép, dẫn đến tổn thất dòng xoáy và tổn thất trễ từ liên tục, được gọi chung là 'tổn thất sắt' hoặc công suất kích thích tiêu thụ. Ở một bộ nghịch lưu tần số thấp công suất lớn 10 kW, tổn thất sắt có thể dễ dàng vượt quá 80 W đến 150 W công suất tiêu thụ liên tục.
• Hoạt động của quạt làm mát: Các bộ nghịch lưu công suất cao sử dụng hệ thống làm mát chủ động bằng quạt. Nếu nhiệt độ bộ nghịch lưu vẫn ở mức cao sau một khoảng thời gian hoạt động tải cao, hoặc nếu các thuật toán điều khiển quạt được lập trình kém, các quạt làm mát có thể tiếp tục chạy ở tốc độ tối đa ngay cả khi không tải, tiêu thụ 20 W đến 100 W mỗi quạt.

Định lượng tác động tài chính lên các hệ thống B2B

Hãy xem xét một lưới điện vi mô công nghiệp độc lập quy mô trung bình sử dụng năm bộ biến tần song song tần số thấp, mỗi bộ có công suất 10 kW, tổng công suất đạt 50 kW.

Nếu mỗi bộ biến tần có mức tiêu thụ ở chế độ chờ không tải là 120 W, thì tổng mức tiêu thụ ở chế độ chờ của toàn bộ hệ thống là 600 W.

Trong khoảng thời gian không sản xuất điển hình kéo dài 14 giờ (từ 17:00 đến 07:00 sáng hôm sau), hệ thống này sẽ tiêu thụ:

0,6 kW × 14 giờ = 8,4 kWh năng lượng mỗi ngày.

Trong suốt cả năm, tổn thất do chế độ chờ này lên tới:

8,4 kWh × 365 ngày = 3.066 kWh năng lượng bị lãng phí.

Nếu hệ thống dựa vào lưu trữ pin, trong đó chi phí cho mỗi kWh năng lượng được lưu trữ là 0,15 USD (đã tính cả chi phí đầu tư ban đầu cho pin mặt trời và suy giảm tuổi thọ pin), thì tổn thất do chế độ chờ này làm tốn kém cơ sở 460 USD mỗi năm cho mỗi địa điểm. Đối với các nhà khai thác trạm phát sóng viễn thông có 1.000 địa điểm từ xa, khoản tổn thất hàng năm này gần đạt nửa triệu đô la Mỹ.

Các giải pháp kỹ thuật nhằm loại bỏ hiện tượng tiêu thụ điện ‘ma’

May mắn thay, kỹ thuật điện hiện đại cung cấp nhiều chiến lược mạnh mẽ nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn lượng điện tiêu thụ ở chế độ chờ này:

• 1. Kích hoạt Chế độ Tiết kiệm năng lượng/Ngủ với cảm biến tải

Các bộ nghịch lưu JYINS được trang bị chế độ 'Tiết kiệm năng lượng' (Eco Mode) hoặc 'Chế độ dò tìm' (Search Mode) cực kỳ hiệu quả. Khi được kích hoạt, bộ nghịch lưu sẽ tắt mạch chuyển đổi tần số cao và chuyển sang trạng thái ngủ sâu nếu tải hoạt động giảm xuống dưới ngưỡng nhất định (ví dụ: 20 W). Trong trạng thái Tiết kiệm năng lượng, bộ nghịch lưu chỉ phát một xung 'dò tìm' ngắn mỗi 2–5 giây để kiểm tra xem có thiết bị tải nào vừa được bật lên hay không. Khi vận hành ở Chế độ Tiết kiệm năng lượng, mức tiêu thụ điện ở chế độ chờ giảm từ 100 W xuống dưới 5 W. Ngay khi một công cụ hoặc máy móc được bật lên, bộ nghịch lưu sẽ thức dậy ngay lập tức và cung cấp nguồn điện liên tục trong vòng vài mili-giây.

• 2. Nhóm điều khiển Chính–Phụ (giảm pha động)

Trong các cấu hình biến tần nối song song, việc vận hành đồng thời tất cả các bộ biến tần ở điều kiện tải thấp là cực kỳ kém hiệu quả. Việc nhóm theo chế độ chủ-tớ (master-slave) giải quyết vấn đề này. Ở điều kiện tải thấp, chỉ một bộ biến tần 'chủ' duy nhất vẫn hoạt động để đáp ứng tải, trong khi các bộ biến tần 'tớ' còn lại được đặt ở trạng thái chờ không tiêu thụ điện năng. Khi nhu cầu tăng lên, bộ điều khiển hệ thống sẽ đánh thức từng bộ biến tần bổ sung một cách linh hoạt để hỗ trợ tải, và tắt chúng đi khi tải giảm. Điều này đảm bảo các bộ biến tần đang hoạt động luôn vận hành ở vùng hiệu suất cao nhất của chúng.

• 3. Bộ tiếp điểm DC bên ngoài và tự động hóa rơ-le

Đối với các hệ thống hoàn toàn không hoạt động trong những khoảng thời gian nhất định (ví dụ: văn phòng thương mại vào cuối tuần), kỹ sư có thể lắp đặt các công tắc cách ly một chiều (DC) điều khiển bằng động cơ hoặc các công tắc tiếp điểm công suất cao trên các đường dây đầu vào pin. Các công tắc tiếp điểm này có thể được điều khiển bởi bộ hẹn giờ lập trình theo tuần đơn giản hoặc hệ thống PLC chủ. Vào lúc 18:00 thứ Sáu, các công tắc tiếp điểm sẽ ngắt vật lý bộ nghịch lưu khỏi cụm pin, loại bỏ hoàn toàn dòng điện DC tiêu thụ khi ở trạng thái chờ. Các công tắc tiếp điểm sẽ đóng lại vào lúc 06:00 sáng thứ Hai, trước khi nhân viên đến làm việc.

• 4. Lựa chọn các thiết kế hình xuyến (toroidal) có hiệu suất cao

Khi cần sử dụng bộ biến tần tần số thấp, các nhà tích hợp hệ thống nên chọn các thiết bị được trang bị biến áp hình xuyến (dạng bánh rán) thay vì biến áp lõi EI vuông truyền thống. JYINS sử dụng biến áp hình xuyến làm từ thép silic định hướng cao cấp. Hình dạng vòng liên tục của lõi hình xuyến mang lại độ ghép nối từ tính chặt chẽ hơn nhiều và độ rò rỉ từ thông thấp hơn đáng kể, nhờ đó giảm tổn thất ‘sắt’ ở chế độ không tải tới 50% so với các biến áp vuông tiêu chuẩn.

Kết luận

Giải quyết hiện tượng tiêu thụ điện năng “ma” là một phương pháp cực kỳ hiệu quả nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của các hệ thống nghịch lưu B2B. Bằng cách nhận thức rằng tổn thất ở chế độ chờ bắt nguồn từ điện tử điều khiển, chuyển mạch ở trạng thái không hoạt động và từ hóa lõi biến áp, các kỹ sư có thể chủ động thực hiện các bước thiết kế phù hợp. Kích hoạt các chế độ Eco-search tích hợp của JYINS, thiết kế các vòng điều khiển chủ-tớ thông minh và sử dụng phần cứng biến áp hình xuyến hiệu suất cao sẽ giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ khi không tải, bảo vệ dung lượng pin quan trọng và tối đa hóa lợi ích kinh tế từ cơ sở hạ tầng điện quy mô lớn.