Thiết kế chuỗi pin (string): cách tính số tấm nối tiếp đúng dải điện áp MPPT

Thiết kế chuỗi pin (string) là bài toán xác định số tấm pin nối tiếp trong mỗi chuỗi sao cho điện áp làm việc của chuỗi luôn nằm trong dải điện áp MPPT của inverter, đồng thời điện áp hở mạch của chuỗi ở ngày lạnh nhất cũng không vượt quá điện áp DC tối đa mà inverter chịu được. Công thức cốt lõi chỉ gồm hai phép nhân đơn giản: điện áp chuỗi bằng số tấm nhân với điện áp tại điểm công suất cực đại (Vmp) của một tấm, và điện áp hở mạch chuỗi bằng số tấm nhân với điện áp hở mạch (Voc) của một tấm — nhưng chọn sai số tấm là một trong những lỗi thiết kế phổ biến nhất, gây hậu quả từ việc inverter không khởi động vào sáng sớm cho tới quá áp cháy thiết bị. Bài viết này hướng dẫn cách tính đúng, có ví dụ số cụ thể, theo đúng phương pháp mà tài liệu thiết kế điện mặt trời chuyên nghiệp đang áp dụng.

Trước hết cần làm rõ hai khái niệm. Khi các tấm pin được nối tiếp — cực dương của tấm này nối với cực âm của tấm kế tiếp — ta được một chuỗi pin (string). Trong mạch nối tiếp, điện áp của các tấm cộng dồn lại với nhau, còn dòng điện của chuỗi bằng dòng điện của một tấm duy nhất. Ngược lại, khi nối song song, điện áp giữ nguyên theo một tấm còn dòng điện cộng dồn. Inverter hòa lưới và inverter hybrid hiện nay làm việc ở điện áp DC cao, vài trăm volt, nên dàn pin cho hộ gia đình hầu như luôn được tổ chức thành các chuỗi nối tiếp, mỗi chuỗi đưa về một đầu vào MPPT của inverter.

Bốn thông số quyết định số tấm trong một chuỗi

Mọi phép tính thiết kế chuỗi đều xoay quanh bốn con số lấy từ datasheet của tấm pin và của inverter. Đây là lý do kỹ sư luôn phải đối chiếu datasheet của đúng model thiết bị trước khi chốt sơ đồ đấu nối, thay vì dùng “kinh nghiệm” chung cho mọi hệ thống.

Ví dụ thực tế từ một hồ sơ thiết kế điện mặt trời cho nhà mái tôn: tấm pin được chọn có Vmp bằng 40,71 V và Imp bằng 9,7 A; inverter 8 kW có dải điện áp MPPT từ 200 V đến 950 V, điện áp làm việc tốt nhất quanh 600 Vdc và dòng điện vào tối đa mỗi MPPT là 11 A. Với các con số đầu vào này, người thiết kế kiểm tra lần lượt từng phương án số tấm để tìm ra cấu hình chuỗi thỏa mãn đồng thời cả ba hàng rào giới hạn, đồng thời đưa điện áp chuỗi càng gần vùng làm việc tốt nhất của inverter càng tốt.

Ví dụ tính toán: chọn 12 tấm cho một chuỗi

Phương án được hồ sơ thiết kế trên chốt là 12 tấm nối tiếp cho mỗi chuỗi, inverter có 2 MPPT nên bố trí hai chuỗi, mỗi chuỗi 12 tấm, tổng công suất dàn pin đạt 9,48 kWp cho inverter 8 kW (tỷ lệ DC/AC bằng 1,185 — nằm trong vùng hợp lý 1,1–1,3). Các bước kiểm tra diễn ra như sau.

Bước một, kiểm tra điện áp làm việc: điện áp chuỗi bằng 12 nhân 40,71 V bằng 488,52 Vdc. Giá trị này nằm gọn trong dải MPPT 200–950 V của inverter và tương đối gần điện áp làm việc tốt nhất 600 Vdc, nên inverter sẽ dò điểm công suất cực đại hiệu quả trong phần lớn thời gian vận hành. Bước hai, kiểm tra dòng điện: dòng của chuỗi nối tiếp bằng dòng của một tấm, tức 9,7 A, nhỏ hơn giới hạn 11 A của mỗi MPPT nên đạt yêu cầu. Bước ba, kiểm tra điện áp hở mạch: lấy Voc của một tấm nhân với 12 và cộng thêm biên an toàn cho những sáng mùa đông nhiệt độ thấp (điện áp hở mạch của tấm pin tăng lên khi trời lạnh), kết quả bắt buộc phải nhỏ hơn điện áp DC tối đa của inverter — đây là bước kiểm tra sống còn nhưng hay bị bỏ qua nhất.

Để thấy rõ vì sao không thể chọn số tấm tùy tiện, hãy nhìn bảng so sánh các phương án trên cùng một bộ thông số. Chuỗi quá ngắn làm điện áp rơi xuống thấp, chuỗi quá dài đẩy điện áp và rủi ro quá áp lên cao.

Vì sao bắt buộc phải chừa biên an toàn cho thời tiết nóng và lạnh?

Datasheet của tấm pin ghi Vmp và Voc ở điều kiện thử nghiệm chuẩn với nhiệt độ tế bào 25 độ C, nhưng mái nhà của bạn không vận hành ở điều kiện chuẩn đó. Điện áp của tấm pin thay đổi theo nhiệt độ tế bào theo hai chiều hướng ngược nhau, và cả hai đều gây rắc rối nếu thiết kế chuỗi chạm sát giới hạn.

Chiều thứ nhất: khi trời lạnh, điện áp hở mạch Voc của tấm pin tăng lên. Tình huống nguy hiểm nhất thường xảy ra vào sáng sớm mùa đông ở miền Bắc hoặc vùng cao: trời lạnh, nắng vừa lên, inverter chưa đóng tải nên chuỗi pin đang ở trạng thái hở mạch với điện áp cao nhất trong ngày. Nếu tổng Voc của chuỗi khi đó vượt quá điện áp DC tối đa của inverter, hậu quả có thể là hỏng cổng đầu vào DC — hư hại phần cứng không được bảo hành vì thuộc về lỗi thiết kế. Đây là lý do phép tính kiểm tra bắt buộc phải lấy Voc nhân số tấm rồi cộng thêm biên dự phòng cho nhiệt độ thấp nhất có thể tại địa điểm lắp đặt, thay vì lấy nguyên con số trong datasheet.

Chiều thứ hai: khi trời nóng, điện áp làm việc Vmp của tấm pin giảm xuống. Giữa trưa nắng gắt, tế bào pin có thể nóng tới 60–65 độ C và điện áp của cả chuỗi tụt theo tương ứng. Nếu chuỗi được thiết kế quá ngắn, điện áp làm việc lúc nóng nhất có thể rơi xuống sát hoặc thấp hơn ngưỡng dưới của dải MPPT, khiến inverter không còn dò được điểm công suất tối ưu, sản lượng sụt mạnh đúng vào những giờ nắng giá trị nhất, thậm chí inverter ngắt kết nối rồi khởi động lại liên tục. Thiết kế đúng phải bảo đảm ngay cả ở ngày nóng đỉnh điểm, điện áp chuỗi vẫn nằm thoải mái bên trong dải MPPT.

Nói cách khác, số tấm trong một chuỗi phải thỏa mãn đồng thời hai bất đẳng thức ở hai cực thời tiết trái ngược nhau: đủ dài để ngày nóng nhất không tụt khỏi dải MPPT, và đủ ngắn để sáng lạnh nhất không vượt giới hạn điện áp của inverter. Khoảng số tấm thỏa mãn cả hai điều kiện này chính là “cửa sổ thiết kế” của chuỗi — và cửa sổ này thay đổi theo từng cặp tấm pin – inverter cụ thể, không có một con số chung áp cho mọi hệ thống.

Hình 1: Các tấm pin được ghép thành từng chuỗi nối tiếp — số tấm trong mỗi chuỗi quyết định điện áp làm việc của cả chuỗi.

Ghép song song nhiều chuỗi vào cùng một MPPT: điều kiện bắt buộc

Khi dàn pin lớn hơn khả năng của một chuỗi, kỹ sư sẽ ghép hai hoặc nhiều chuỗi song song vào cùng một đầu vào MPPT. Ghép song song làm dòng điện cộng dồn trong khi điện áp giữ nguyên theo một chuỗi, vì vậy điều kiện tiên quyết là các chuỗi được ghép chung phải “giống nhau về điện”: cùng model tấm pin, cùng số tấm trong mỗi chuỗi, và cùng điều kiện chiếu sáng — tức cùng hướng mái và cùng góc nghiêng.

Lý do nằm ở nguyên lý làm việc của MPPT: mỗi MPPT chỉ dò được một điểm công suất cực đại duy nhất cho toàn bộ đầu vào của nó. Nếu ghép một chuỗi 12 tấm hướng Nam với một chuỗi 10 tấm hoặc một chuỗi hướng Đông vào cùng một MPPT, hai chuỗi có hai đường đặc tính khác nhau, bộ dò buộc phải chọn một điểm làm việc chung không tối ưu cho cả hai, chuỗi yếu hơn kéo hiệu suất của chuỗi còn lại xuống, và trong tình huống xấu, chuỗi có điện áp cao hơn còn có thể đẩy dòng ngược vào chuỗi thấp hơn. Quy tắc thực hành vì thế rất rõ ràng: mỗi hướng mái, mỗi cấu hình chuỗi khác nhau phải đi vào một MPPT riêng — đây cũng là tiêu chí quan trọng khi chọn số MPPT của inverter cho những mái nhà nhiều hướng.

Một yêu cầu nữa từ IEC 62548: khi số chuỗi ghép song song đủ lớn để dòng ngược sự cố có thể gây hại cho tấm pin, mỗi chuỗi phải có thiết bị bảo vệ quá dòng riêng (cầu chì chuỗi). Và trong khâu nghiệm thu theo TCVN 11855-1:2017, điện áp hở mạch của từng chuỗi được đo và so sánh với nhau — nếu chênh lệch giữa các chuỗi song song lớn hơn 10 V, đội nghiệm thu phải kiểm tra lại toàn bộ chuỗi đó vì rất có thể đã đấu sai số tấm, lẫn tấm khác model hoặc có đầu nối tiếp xúc kém.

Những lỗi thiết kế chuỗi pin thường gặp và hậu quả

Lỗi thứ nhất là tính chuỗi chỉ bằng điện áp làm việc mà quên kiểm tra điện áp hở mạch lúc lạnh. Hệ thống vận hành bình thường suốt mùa hè, rồi đến một sáng mùa đông lạnh, inverter báo lỗi quá áp đầu vào DC hoặc tệ hơn là hỏng cổng MPPT. Lỗi này đặc biệt phổ biến ở miền Bắc và vùng cao nguyên, nơi biên độ nhiệt ngày đêm và theo mùa lớn.

Lỗi thứ hai là ghép hai chuỗi khác số tấm — hoặc khác hướng mái — vào chung một MPPT để “tiết kiệm” đầu vào, khiến cả hai chuỗi cùng làm việc ở điểm không tối ưu và mất sản lượng mỗi ngày trong im lặng. Chủ nhà không nhận ra vì hệ thống vẫn phát điện, chỉ là luôn thấp hơn mức lẽ ra đạt được. Lỗi thứ ba là bỏ qua giới hạn dòng của MPPT khi ghép song song nhiều chuỗi: tổng dòng vượt khả năng của kênh đầu vào khiến inverter phải tự giới hạn, gây lãng phí công suất dàn pin vào giờ trưa, đồng thời tiềm ẩn rủi ro nóng đầu nối nếu hệ thống dây không được tính đúng.

Lỗi thứ tư, tinh vi hơn, là trộn lẫn tấm pin khác model hoặc khác lô công suất trong cùng một chuỗi nối tiếp. Vì dòng điện của chuỗi bị giới hạn bởi tấm yếu nhất, chỉ một tấm lạc loại cũng kéo hiệu suất của cả chuỗi xuống, đồng thời làm sai lệch toàn bộ phép tính điện áp ban đầu. Và lỗi thứ năm là thiết kế chuỗi “vừa khít” theo datasheet ở điều kiện chuẩn mà không chừa bất kỳ biên nào cho dung sai thông số của nhà sản xuất và điều kiện vận hành thực tế — một thiết kế đúng nghĩa luôn có khoảng dự phòng ở cả hai đầu giới hạn.

Kiểm tra chuỗi pin sau lắp đặt: khâu nghiệm thu không thể bỏ qua

Thiết kế đúng trên giấy vẫn cần được xác minh lại trên mái, vì một đầu nối đấu nhầm hay một tấm pin lắp lẫn cũng đủ phá vỡ mọi tính toán. Theo chương trình kiểm tra của TCVN 11855-1:2017, khâu nghiệm thu phía DC gồm các bước sau: đo điện áp hở mạch của từng chuỗi và đối chiếu với giá trị thiết kế — sai lệch bất thường là dấu hiệu chuỗi bị thiếu hoặc thừa tấm, đấu nhầm cực hoặc có đầu nối tiếp xúc kém; kiểm tra cực tính của từng chuỗi trước khi cắm vào inverter; đo điện trở cách điện của phía DC để phát hiện cáp bị trầy xước chạm mái hoặc chạm khung; và kiểm tra lại tính liên tục của dây nối đất bảo vệ dọc theo dàn pin.

Một tiêu chí định lượng rất hữu ích cho chủ nhà khi đọc biên bản nghiệm thu: điện áp hở mạch của các chuỗi song song giống nhau phải tương đương nhau, và nếu phát hiện chênh lệch lớn hơn 10 V giữa các chuỗi, đội nghiệm thu bắt buộc phải kiểm tra lại chuỗi đó thay vì bỏ qua. Sau khi đóng điện, kỹ thuật viên còn đối chiếu dòng điện và công suất tức thời của từng MPPT trên màn hình inverter hoặc ứng dụng giám sát để xác nhận các chuỗi đang phát cân bằng như thiết kế. Toàn bộ các số đo này cần được ghi vào hồ sơ bàn giao — đó là “đường nền” để so sánh trong mọi lần bảo trì, chẩn đoán sự cố về sau, và là thực hành chuẩn tại các dự án SOLPOWER đã nghiệm thu, bàn giao.

Hình 2: Đo kiểm thông số từng chuỗi pin trước khi bàn giao là bước bắt buộc để xác nhận thiết kế chuỗi nằm đúng dải điện áp MPPT.

Câu hỏi thường gặp

Ghép một chuỗi 10 tấm và một chuỗi 12 tấm vào cùng một MPPT có được không?

Không nên. Hai chuỗi khác số tấm có điện áp làm việc khác nhau, trong khi một MPPT chỉ dò được một điểm công suất cực đại duy nhất cho cả đầu vào — kết quả là cả hai chuỗi cùng bị kéo khỏi điểm tối ưu và mất sản lượng liên tục. Cách làm đúng là đưa mỗi cấu hình chuỗi vào một MPPT riêng, hoặc thiết kế lại để các chuỗi ghép chung có cùng số tấm, cùng model và cùng hướng mái.

Số tấm tối thiểu trong một chuỗi được xác định như thế nào?

Số tấm tối thiểu phải bảo đảm điện áp làm việc của chuỗi — tính ở ngày nóng nhất, khi điện áp của tấm pin giảm thấp nhất — vẫn nằm cao hơn ngưỡng dưới của dải MPPT và cao hơn điện áp khởi động của inverter. Nếu chuỗi quá ngắn, hệ thống sẽ khởi động muộn vào buổi sáng, ngắt sớm vào buổi chiều và dễ rớt khỏi vùng làm việc tối ưu giữa trưa nắng nóng.

Sau này muốn lắp thêm pin, tôi có nối dài chuỗi hiện tại được không?

Về nguyên tắc có thể nếu tổng điện áp sau khi nối dài vẫn nằm trong cửa sổ thiết kế của MPPT đó và các tấm mới cùng model, cùng đặc tính với tấm cũ. Tuy nhiên, thực tế thường gặp là model pin cũ đã ngừng sản xuất, nên phương án phổ biến và an toàn hơn là tạo một chuỗi mới riêng cho phần pin bổ sung và đấu vào MPPT còn trống của inverter — đây là điều cần tính trước ngay khi chọn inverter lần đầu.

Vì sao inverter nhà tôi hay báo lỗi quá áp DC vào buổi sáng mùa đông?

Đây là dấu hiệu kinh điển của chuỗi pin được thiết kế quá dài: sáng mùa đông trời lạnh làm điện áp hở mạch của từng tấm tăng lên, cộng dồn cả chuỗi vượt quá giới hạn điện áp đầu vào của inverter trước khi inverter kịp đóng tải. Cần liên hệ đơn vị thi công để đo lại điện áp hở mạch thực tế của chuỗi và tách bớt tấm sang chuỗi khác hoặc MPPT khác — tuyệt đối không nên tự ý thay đổi đấu nối phía DC.

Dòng điện của chuỗi vượt quá dòng tối đa của MPPT thì có nguy hiểm không?

Inverter hiện đại có cơ chế tự giới hạn dòng đầu vào nên thường không hỏng ngay, nhưng phần công suất vượt giới hạn sẽ bị cắt bỏ vào giờ nắng đỉnh, gây lãng phí dàn pin mỗi ngày. Về lâu dài, việc vận hành thường xuyên ở trạng thái quá dòng cũng không đúng thiết kế của nhà sản xuất. Khi ghép song song nhiều chuỗi, kỹ sư phải tính tổng dòng của cả nhóm và đối chiếu với giới hạn của MPPT trước khi chốt phương án.

Tóm lại, thiết kế chuỗi pin đúng là việc chọn số tấm sao cho điện áp chuỗi nằm gọn trong dải MPPT ở ngày nóng nhất, điện áp hở mạch không vượt giới hạn inverter ở sáng lạnh nhất, và dòng chuỗi không chạm trần của kênh MPPT. Ba phép kiểm tra này không tốn thêm chi phí thiết bị — chúng chỉ đòi hỏi kỹ sư chịu khó tính toán từ datasheet trước khi leo lên mái. Nếu bạn đang cân nhắc một hệ thống mới hoặc muốn rà soát lại hệ thống hiện tại, đặc biệt là các cấu hình có lưu trữ như hệ điện mặt trời hybrid, đội ngũ SOLPOWER sẵn sàng hỗ trợ kiểm tra và tư vấn miễn phí theo thông tin liên hệ dưới đây.

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI VÀ KỸ THUẬT SOLPOWER – MST 0318809681

Trụ sở: 24 đường TL12, Khu phố 1, Phường An Phú Đông, TP. Hồ Chí Minh

VPĐD: 16 TL20, Phường An Phú Đông, TP. Hồ Chí Minh

Chi nhánh Hà Nội: Căn 5th Ave Sunrise E, The Manor Central Park, Nguyễn Xiển, Đại Kim, Hoàng Mai, Hà Nội

Hotline: 0865.228.240 – 0792.225.678 | Email: solpower.vn@gmail.com