Điểm khác biệt thực sự của cấu trúc Microinverter Enphase là sự an toàn. Chủ sở hữu nhà cũng như Người lắp đặt trên toàn thế giới đều quan tâm đến sự an toàn hơn bất kỳ điều gì khác và Microinverter Enphase là một trong những sản phẩm có cấu trúc biến tần an toàn nhất trong ngành. Để hiểu thêm về cấu trúc của Microinverter Enphase, chúng ta hãy bắt đầu từ những điều cơ bản.
Dòng điện AC so với DC
Dòng điện là dòng điện tích trong dây dẫn được phân loại làm dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC). Dòng điện một chiều là dòng điện có dòng điện tích đi về một hướng. Dòng điện xoay chiều là dòng điện có dòng điện tích có hướng thay đổi định kỳ.
Nhiều mối lo ngại về an toàn đối với năng lượng mặt trời chủ yếu liên quan đến điện áp và dòng điện một chiều. Ở mức điện áp cực thấp (ELV), chúng tương đối vô hại. Tuy nhiên, khi mức điện áp DC tăng lên thì nguy cơ gây hại liên quan đến nó cũng tăng theo, thậm chí đôi khi dẫn đến thảm họa hỏa hoạn nguy hiểm.
Với các bộ biến tần chuỗi kiểu cũ, các tấm PV (cho dù chúng có bộ tối ưu hóa bên dưới hay không) đều được nối dây theo cấu hình nối tiếp (tham khảo Hình 2). Mỗi tấm PV được thêm vào mạch nối tiếp sẽ làm tăng điện áp DC trong mạch. Hệ thống dân cư có thể có tới 600 Volt DC trên mái nhà. Đối với các hệ thống thương mại, có thể tìm thấy điện áp lên tới 1000 Volts DC. Điện áp DC rất cao này sau đó sẽ chạy từ dưới các mảng PV, xuyên qua khu vực trần nhà và xuống tường tới bộ biến tần chuỗi thường nằm ở đâu đó gần tủ điện chính trong nhà. Điều này không chỉ nguy hiểm cho chủ nhà mà còn nguy hiểm cho những người lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và bất kỳ nhà thầu nào khác làm việc trên mái nhà hoặc trong không gian hạn chế của mái nhà.
Ngược lại, không có điện áp DC cao trong Hệ thống Enphase vì tất cả các kết nối DC đều được thực hiện ở điện áp cực thấp. Mỗi mô-đun PV chỉ cung cấp 35–60 VDC được kết nối với một bộ Microinverter duy nhất dưới mỗi tấm pin mặt trời. Dòng điên DC từ mô-đun PV được chuyển đổi trực tiếp thành nguồn AC bằng Microinverter. Enphase cung cấp một cáp AC đặc biệt cắm an toàn vào từng Microinverter và sau đó được kết nối với cáp AC thông thường đấu nối đến tủ điện chính. Xem Hình 3.
Lỗi hồ quang DC
Sự cố hồ quang là dòng năng lượng điện truyền qua khe hở không khí bằng các phân tử khí bị ion hóa. Không khí thường được coi là môi trường không dẫn điện, nhưng sự chênh lệch điện thế (điện áp) cao giữa hai dây dẫn (Ví dụ: lỗi ở dây do kết nối dây lỏng) ở gần nhau có thể khiến các phân tử không khí bị phân hủy thành các thành phần ion hóa của chúng (được gọi là ‘plasma’), sau đó có thể mang điện tích từ dây dẫn này sang dây dẫn khác. Dòng điện tích (electron) này khi được duy trì sẽ tạo ra một hồ quang sáng tạo ra nhiệt, phá vỡ lớp cách điện của dây và gây ra cháy điện.
Các khả năng lỗi hồ quang khác nhau trong hệ mặt trời dựa trên bộ biến tần chuỗi được nêu bật trong Hình 4. Vị trí D (Lỗi tại điểm nối tiếp MC4 trong chuỗi PV) là lỗi quan trọng và thường gặp nhất.
Xem minh họa lỗi hồ quang trong video tại đây. Khoảng cách giữa hai dây dẫn trong trường hợp đầu tiên là khoảng ½ đến ¾ inch, ở khoảng 280 VDC. Hồ quang tại thời điểm này đủ nóng để làm tan chảy vonfram tương tự như việc hàn. Điều này cho thấy mức độ nguy hiểm khi có hệ thống DC điện áp cao trên mái nhà của bạn.
Trong trường hợp thứ hai của video, minh họa lỗi hồ quang là khoảng 35 VDC và trên một khoảng cách nhỏ hơn rất nhiều. Vòng cung mờ nhạt không thể tự duy trì được.
Do đó khi sử dụng Microinverter hệ thống PV sẽ an toàn hơn rất nhiều so với hệ thống PV sử dụng dòng biến tần chuỗi truyền thống. Nếu xảy ra hồ quang tại các vị trí nối tiếp trong hệ thống dây DC thì các đặc tính vốn có của tấm PV, điện dung đầu vào DC của bộ Microinverter và hoạt động của thuật toán MPPT ba yếu tố này sẽ kết hợp và tương tác một cách tự động khiến cho điểm phát hồ quang sẽ tự tắt khi nó hình thành gần như ngay lập tức.
Đường cong I-V của tấm PV
Đường hoạt động điện của tất cả các tấm PV được xác định bởi đường cong đặc tuyến I-V của chúng. Tham khảo Hình 5. Đối với mức bức xạ và nhiệt độ vận hành nhất định, điện áp và dòng điện của tấm pin sẽ luôn nằm trên đường cong I-V này. Các điểm cuối của đường cong I-V xác định dòng điện tối đa (Isc) và điện áp tối đa (Voc) mà tấm PV có thể tạo ra. Định luật Ohm định nghĩa Công suất là Điện áp nhân với Dòng điện (P = I x V). Do đầu ra của tấm PV tuân theo đường cong I-V nên sẽ có điện áp tối ưu (Vmp) và dòng điện tối ưu (Imp) trên đường cong I-V nơi công suất đầu ra của tấm pin là tối đa.
MPPT
Khi bộ Microinverter đang hoạt động, nó liên tục đo điện áp và dòng điện của tấm PV, đồng thời điều chỉnh công suất đầu ra của bộ microinverter để duy trì tấm pin ở điểm vận hành điểm công suất tối đa. Chức năng này được gọi là theo dõi điểm công suất tối đa hoặc MPPT. Trong thực tế, điều này có nghĩa là tấm PV ở mức công suất tối đa bất cứ khi nào Microinverter hoạt động. Do điện dung đầu vào của Microinverter song song với tấm PV nên điện dung này cũng ở mức điện áp điểm công suất tối đa (Vmp).
Điện dung đầu vào của microinverter
Tất cả các bộ Microinverter Enphase đều có công suất đầu vào tương đối lớn, có tác dụng ổn định điện áp của tấm PV ở điểm công suất tối đa. Khi một hồ quang nối tiếp hình thành, nó tạo ra một điện áp tức thời từ 20 đến 40 Vôn, tức là nối tiếp với điện áp trên điện dung đầu vào. Do điện dung đầu vào lớn hơn nhiều so với điện dung của bảng điều khiển nên điện áp đầu vào DC của microinverter về cơ bản không đổi khi hình thành hồ quang. Do đó, sự hình thành hồ quang đòi hỏi điện áp bảng tăng từ 20 đến 40 Volt để duy trì hồ quang. Điện áp tụ điện kết hợp này cộng với điện áp hồ quang nằm trên điện áp mạch hở của bảng điều khiển (Voc). Vì vậy, bảng điều khiển không thể tạo ra dòng điện ở điện áp này. Kết quả là, hồ quang tự dập tắt khi nó hình thành, làm giảm đáng kể nguy cơ cháy.
Để một cung duy trì, phương trình này phải đúng: Voc > Varc + Vmp. Đối với một hệ thống mô-đun đơn, Vmp + Varc lớn hơn Voc. Vì vậy, vòng cung không thể tồn tại. Đối với hai mô-đun nối tiếp, phương trình có thể đúng tùy thuộc vào nhiệt độ và hệ số lấp đầy của mô-đun, tức là hình dạng của đường cong I-V. Đối với ba mô-đun hoặc nhiều mô-đun nối tiếp, Varc + Vmp sẽ nhỏ hơn Voc. Vì vậy, sợi dây có khả năng duy trì hồ quang.
Trong các hệ thống biến tần chuỗi phi toán học khi hồ quang hình thành, cường độ của hồ quang phụ thuộc vào dòng điện. Bởi vì tổng điện áp DC trong chuỗi cao (khoảng 600 đến 1000 Volt DC), điện áp hồ quang từ 20 đến 40 Volt nối tiếp không tạo ra sự thay đổi đáng kể về điện áp chuỗi. Điều này có nghĩa là các PV sẽ tiếp tục cung cấp dòng điện cần thiết để duy trì hồ quang. Kết quả là hồ quang không tự dập tắt và cần có các biện pháp khác để giảm nguy cơ lỗi hồ quang.
Ở Úc, phần lớn lỗi hồ quang DC xảy ra ở các bộ ngắt kết nối DC được đặt ở cả mảng PV và Biến tần chuỗi. Đặc biệt, “Bộ cách ly DC trên mái nhà” được yêu cầu để hoạt động trên mái nhà nóng có thể lên tới trên 60 độ C vào Mùa hè cũng như đối phó với lượng mưa lớn. Các bộ cách ly DC trên mái nhà này là lỗi phổ biến nhất trong hệ thống biến tần chuỗi khi hồ quang DC xảy ra do quá nhiệt hoặc do nước xâm nhập. Những hư hỏng này có thể dẫn đến hỏa hoạn cục bộ và có thể lan sang phần còn lại của ngôi nhà nếu không phát hiện ra đám cháy.
Do hệ thống Microinverter Enphase luôn hoạt động ở mức điện áp DC thấp hơn nên không cần thiết phải thêm DC AFCI (Bộ ngắt mạch lỗi hồ quang) bên ngoài vào quá trình lắp đặt hệ thống MicroInverter Enphase. Các đặc tính vốn có của bộ Enphase làm cho nó trở thành công nghệ biến tần vô cùng an toàn.
Lỗi hồ quang AC
DC là dòng điện trực tiếp, luôn luôn có và không bao giờ về giá trị 0. AC là dòng điện có chiều đảo luân phiên và vượt qua số 0 cứ sau nửa chu kỳ, do đó nguy cơ xảy ra sự cố hồ quang thấp hơn nhiều so với DC. Hệ thống Microinverter Enphase sử dụng ELV nên không cần có bộ cách ly DC trên mái nhà. Ngoài ra, việc chuyển đổi nguồn điện từ tấm PV thành AC ở cấp độ từng mô đun sẽ làm giảm độ dài của cáp DC và do đó giảm nguy cơ xảy ra sự cố hồ quang nối tiếp.
Điện giật
Khi bị giật bởi dòng điện DC, dòng điện này có xu hướng kéo bạn vào, trong khi dòng điện AC thì ngược lại đẩy bạn ra xa. Vì lý do an toàn nên hầu hết các ngôi nhà thường được đấu nối điện AC.
Tắt máy nhanh – Rapid Shutdown
Mục đích của việc tắt máy nhanh là nâng cao tính an toàn cho các nhân viên cứu hỏa khi ứng phó với các đám cháy trên các tòa nhà sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời. Yêu cầu đặt ra để các nhân viên cứu hỏa có thể dễ dàng ngắt điện trên các dây dẫn DC của hệ thống giảm tối đa rủi ro về cháy nổ và điện giật. Điều này là do trên hệ mặt trời biến tần chuỗi tiêu chuẩn, khi tắt biến tần, hệ thống dây DC từ hệ mặt trời đến biến tần vẫn hoạt động miễn là mặt trời vẫn chiếu sáng.
Hệ thống điện mặt trời Enphase là hệ thống có biến tần đặt ngay dưới tấm pin chuyển đổi trực tiếp dòng điện DC của tấm pin thành điện AC có các thông số tương thích với lưới điện. Khi có ánh nắng và được đấu nối với lưới điện, Microinverter sẽ kích hoạt và chuyển đổi điện năng cung cấp cho tải tiêu thụ hoặc đẩy lên lưới điện chung. Khi lưới điện gặp sự cố hoặc hệ thống dây AC của biến tần được ngắt bằng CB, Microinverter Enphase sẽ ngừng sản xuất năng lượng (IQ7TM, IQ6TM, M/S/C) và không thể hoạt động như một nguồn điện xoay chiều.
Đối với hệ thống biến tần chuỗi truyền thống để có chức năng tắt máy nhanh trong hệ thống thì cần phải lắp thêm một hộp điện chuyên dụng có chức năng này. Hộp điện này cần được lắp đặt tại khu vực gần với hệ thống dây điện DC và phải dễ dàng tiếp cận đối với những người phản ứng đầu tiên (lính cứu hỏa) trong trường hợp xảy ra sự cố. Điều này sẽ gây phát sinh chi phí và thời gian lắp đặt. Ngoài ra khi lắp đặt thêm hệ thống này, mỗi thiết bị phần cứng của hệ thống có thể là điểm phát sinh lỗi trong tương lại.
Hệ thống Microinverter Enphase cung cấp khả năng tắt nhanh chóng và an toàn theo tiêu chuẩn, nghĩa là một bộ cách ly AC tại tủ điện tổng sẽ ngắt điện hoàn toàn tất cả các hệ thống cáp chạy trên mái nhà và xuyên qua tòa nhà. Không cần phải leo lên mái nhà như yêu cầu trong trường hợp khẩn cấp đối với hệ thống biến tần chuỗi. Vì vậy, trong trường hợp khẩn cấp, những người phản hồi đầu tiên có thể nhanh chóng đảm bảo hệ thống an toàn để họ có thể vào tòa nhà để hỗ trợ.
Đối với dạng biến tần chuỗi có sử dụng bộ tối ưu hóa DC, khi bắt đầu chức năng tắt máy nhanh (do lỗi dây hoặc biến tần), mỗi bộ tối ưu hóa sẽ chỉ cấp ra ngoài điện áp 1VDC. Tuy nhiên khi bộ tối ưu hóa này lỗi, nó có thể khiến điện áp từ nhiều tấm PV vượt qua điện áp của nó và gây giật điện cho bất kì ai đang thao tác tại khu vực đó (người đó cho rằng hệ thống đã tắt nguồn).
Ở một số khu vực, các quy định yêu cầu rõ ràng các thiết bị khởi động phải tắt PCU hoặc Bộ điều hòa nguồn (bộ microinverter). Trong trường hợp microinverter Enphase, cầu dao ở trung tâm phụ tải chính (kết nối PCU với thanh cái) hoặc cầu dao kết hợp, hoạt động như thiết bị khởi động.
Tóm lại đối với Microinverter Enphase khi nguồn điện lưới AC được cách ly bằng bất kì phương thức nào, hoặc loại bỏ năng lượng mặt trời chúng sẽ thực hiện chức năng tắt máy nhanh. Quá trình này diễn ra chỉ trong vài giây vì tất cả các Microinverter đều nằm trong mảng nên không có dây dẫn điện nào khác kéo dài hơn 1 feet theo mọi hướng từ mảng kể cả bên trong tòa nhà. Microinverter Enphase không cần lắp đặt thêm thiết bị nào vẫn đáp ứng tiêu chuẩn tắt máy nhanh.
