Как активният филтър за активна мощност потиска хармониците в фотоволтаични електроцентрали?

Разбиране на хармоничните изкривявания във фотогалванични електроцентрали

Източници на хармоници в свързани към мрежата PV системи

Основната причина за хармонични изкривявания във фотоволтаичните електроинсталации идва от нелинейната силова електроника, която виждаме навсякъде днес, особено фотоволтаичните инвертори и различните превключвателни устройства. Наскорошно проучване за интеграция в мрежата от 2024 г. установи интересен факт относно този проблем. Учениците установиха, че около две трети от всички измерени хармонични токове в слънчеви ферми всъщност идват от така наречените инвертори с източник на напрежение, когато изпълняват своята задача по преобразуване на постоянен ток в променлив. Това, което се случва тук, е доста ясно, но едновременно с това технически сложно. Тези инвертори генерират високочестотни превключващи хармоници в диапазона между 2 и 40 килогерца поради начина, по който модулират импулси (така нареченото ШИМ – широчинна импулсна модулация), както и поради прилагането на определени методи за интерлевинг. Има обаче и други фактори, които заслужават внимание. Трансформаторите понякога се насищат при определени условия, а когато множество инвертори работят заедно в големи слънчеви паркове, те могат да взаимодействат по начин, който създава допълнителни хармоници.

Въздействие на хармоничните изкривявания върху качеството на електроенергията и ефективността на системата

Когато хармониците не се контролират, те намаляват ефективността на системата с около 3 до 7 процента според проучване на Ponemon от миналата година. Това се случва, защото проводниците губят повече енергия и трансформаторите се нагряват повече от необходимото. Ако изкривяването на напрежението надвиши 5% THD, нещата започват да се развалят доста бързо. Защитните реле престават да работят правилно, а кондензаторите често излизат от строя неочаквано. Проблемът се влошава и за инверторите. Те, които работят в среди с високо ниво на хармоници, имат изолация, която се разрушава с около 15 до 20% по-бързо, което означава по-чести ремонти и по-високи разходи. Някои наистина лоши ситуации възникват, когато се появи резонанс между индуктивността на мрежата и изхода на PV инверторите. Този ефект прави определени хармоници толкова силни, че оборудването понякога се поврежда окончателно.

Разпространени стандарти за хармоници и съответствие при инсталации за възобновяема енергия

Организациите по стандарти в целия свят са установили доста строги правила относно нивата на хармонично изкривяване на напрежението (THD), които трябва да остават под 5%, като хармониците на тока не трябва да надвишават 8% в точките, където системите се свързват към електрическата мрежа. За фотоволтаични инсталации с мощност над 75 киловата има допълнително изискване според стандарта IEC 61000-3-6, което предвижда специфични тестове за измерване на тези хармонични емисии. Изпълнението на всички тези регулации обикновено изисква прилагането на различни методи за намаляване на смущенията. Някои често използвани подходи включват проектиране на инвертори с подобрени топологии и монтиране на активни филтри за захранване. Повечето регулаторни органи днес изискват непрекъснато наблюдение на хармониците в слънчевите ферми. Това помага да се избегнат скъпоструващи глоби, когато възникнат проблеми с устойчивостта на мрежата поради прекомерно хармонично съдържание.

Принцип на работа на активните филтри за захранване във фотоволтаични системи

Активните филтри за мощност или APF преодоляват досадните хармонични изкривявания в слънчеви системи, като откриват и неутрализират лоши токове в реално време. Те работят с токови сензори и DSP технология, за да анализират какво се случва с токовете на натоварването, като идентифицират дори най-малките хармонични проблеми, като трета степен изкривяване. Някои полеви тестове всъщност показват, че APF могат да намалят общото хармонично изкривяване с почти 88% в слънчеви централи с мощност 500 kW, в сравнение с традиционни пасивни филтри. Такава производителност прави голяма разлика за стабилността и ефективността на системата.

Как активният филтър за мощност открива и неутрализира хармоничните токове

Наблюдението на мрежовия ток се извършва непрекъснато чрез сензори на Хол, които улавят тези хармонични сигнали с доста висока точност – грешка около половин процент. След това идва сериозно пресмятане на данни чрез напреднали DSP алгоритми, които създават противотоци, точно в противофаза спрямо засечените хармоници. Вижте какво са открили изследователите в своята работа от 2023 г. за методи за компенсация в реално време. Те показаха, че когато активните филтри за мощност работят при честоти на превключване до 20 килогерца, могат да неутрализират почти напълно досадните пети и седми хармоници само за две хилядни от секундата. Доста впечатляващо постижение за всеки, който се занимава ежедневно с проблеми на качеството на електроенергията.

Теория за моментната реактивна мощност (p-q метод) за управление в реално време

Този метод за управление разделя моментните активни (p) и реактивни (q) компоненти на мощността, като използва преобразуванията на Кларк. Чрез синхронизиране с мрежовото напрежение чрез фазови заключващи контури (PLL), методът p-q поддържа коефициент на мощноста над 0,98 дори при колебания на осветеността до 30%. Проучвания показват, че този подход намалява нуждата от реактивна мощност с 72% в сравнение с традиционни PI регулатори.

Генериране на референтен ток и превключване на инвертор чрез ШИМ

Тази система взема тези компенсационни сигнали и ги превръща в реални команди за комутиране чрез така наречената модулация с векторно пространство PWM. В днешни дни повечето активни филтри за мощност са изградени около инвертори, базирани на IGBT, които работят с КПД над 97 процента благодарение на доста умни техники за компенсация на мъртво време, които намаляват досадните загуби при комутиране. Разглеждайки различни научни статии за изследвания на инвертори с източник на PWM напрежение, установяваме, че тези проекти могат да неутрализират хармониците в честотни ленти, значително надхвърлящи 2 kHz. И ето още нещо важно – те поддържат общите хармонични изкривявания под 4%, отговаряйки на всички изисквания, посочени в най-новия стандарт IEEE 519 от 2022 година.

Стратегии за интеграция и управление на активни филтри за мощност в PV централи

Правилното интегриране на активни филтри за активна мощност (APF) във фотоволтаични централи изисква внимателно настройване и стратегии за управление, които осигуряват съответствие с мрежовите стандарти и поддържат високо качество на електроенергията. Повечето съвременни инсталации използват шунтови APF конфигурации, тъй като те се свързват успоредно и могат да неутрализират хармониците в реално време, без да пречат на производството на слънчева енергия. Според проучване, публикувано през 2023 г. чрез IntechOpen, около 89 процента от всички нови големи слънчеви ферми вече използват тези шунтови APF системи, работещи заедно с фазово-заключващи контури (PLL). Тези конфигурации постигат много точно синхронизиране с мрежовото напрежение, обикновено в рамките на половин градус в двете посоки. Такава точност има значително влияние върху общата ефективност на слънчевите инсталации.

Конфигурация на шунтов активен филтър за активна мощност и синхронизация с мрежовото напрежение (PLL)

Шунтовите активни филтри за захранване (APF) работят, като въвеждат контрахармонични токове в мрежата чрез инвертори с източник на напрежение. Основните предимства включват:

• Съвместимост с променлив изход от фотоволтаични панели (честотен диапазон 3-150 Hz)
• точност на синхронизация 98,7% чрез контролери, базирани на PLL
• време за отклик <5 ms при рязка промяна на натоварването

Адаптивни срещу фиксирани контролери с постоянен коефициент в динамични фотоволтаични среди

Адаптивните контролери подобряват подавянето на хармониците при променливи условия на осветеност, като автоматично настройват параметрите на усилване. Полеви тестове през 2024 г. показаха, че адаптивните системи намаляват общите хармонични изкривявания (THD) от 8,2% до 3,1% при частично засенчване и надминават фиксираните модели по преходна реакция с 42%.

Методи за интегриране на активен филтър за мощност с инвертори за фотоволтаични системи

Три основни подхода за интегриране доминират в съвременните фотоволтаични централи:

Анализ от 2024 г. в ScienceDirect разкри, че хибридните системи повишават добива на енергия с 6,8% в сравнение със самостоятелни APF решения при слънчеви масиви от 500 kW.

Хибридни фотогалванични-активни филтри за мощност: проектиране и производителност

Проектиране на двойнофункционално инверторно устройство: едновременно производство на електроенергия и компенсация на хармоници

Хибридните фотогалванични-активни филтри за активна мощност сега използват специални инвертори, които едновременно обработват енергията и намаляват електрическия шум. Най-новите проекти всъщност вграждат функцията за филтриране на мощността директно в основния PV инвертор. Това намалява нужните компоненти с около 37% в сравнение с отделни компоненти, според изследване на Уонг и колеги от 2021 г. Тези системи извършват своята работа чрез умни комутационни техники, които им позволяват да проследяват точката на максимална слънчева мощност, докато едновременно неутрализират нежеланите хармоници. Те споделят ключови компоненти като DC-link кондензатори и IGBT модулите, които се срещат в повечето съвременни електронни устройства. Практически тестове показват, че тези конфигурации поддържат общото хармонично изкривяване под 3%, което е доста добро, като същевременно постигат преобразуване на слънчева светлина в електричество с около 98,2% ефективност. Доста впечатляващо за нещо, което помага за почистване на електрическите мрежи и по-ефективно използване на възобновяемите енергийни източници.

Симулация и полева ефективност на хибридни PV-APF системи

Хардуерно-в-контур (HIL) симулации на 500 kW хибридни системи показват 89% по-бързи времена за отклик на хармониците в сравнение с конвенционални пасивни филтри. Проучване от 2024 г. за възобновяема енергия разкрива, че адаптивните регулатори в PV-APF намаляват колебанията на напрежението с 62% при условия на частично затеняване. Полевите внедрявания показват устойчиво потискане на THD под 5% в продължение на над 1200 работни часа, дори и при 30% нелинейни натоварвания.

Примерно изследване: Намаляване на THD от 28% до под 5% във фотогалванична централа с мощност 500 kW

Търговска слънчева ферма премахна прегряването на трансформатора, причинено от хармоници, чрез интегриране на PV-APF. Хибридната система използва осем двойни инвертора по 60 kVA в шунтово включване, като постига:

• THD на мрежовия ток: Намален от 28% до 4,7%
• Компенсация на реактивната мощност: 92% капацитет при коефициент на мощност 0,95
• Спестяване на енергия: 7200 щ.д./месец спестявания от намалена поддръжка на филтри и избягване на глоби от мрежата

След монтажното наблюдение потвърди съответствието със стандарта IEEE 519-2022 при условия на променлива облачност от 25%.

Предимства и предизвикателства при разполагането на активни филтри за мощност в слънчеви ферми

Подобряване на съответствието с мрежовите правила и качеството на електроенергията в системи за възобновяема енергия

Активните филтри за активна мощност подпомагат запазването на напрежението в границите на регулациите на електроенергийните мрежи, като поддържат общото хармонично изкривяване (THD) под критичната прагова стойност от 5%, посочена в стандарта IEEE 519-2022. Според скорошни проучвания от 2023 г., изследвали дванадесет големи фотоволтаични инсталации, тези филтри обикновено повишават коефициента на мощност с между 0,15 и 0,25, като намаляват проблемите с несиметрията на напрежението приблизително с две трети. Особената им ценност идва от способността да компенсират внезапните спадове в напрежението, които възникват, когато облаци преминават над слънчевите масиви – явление, което може сериозно да наруши стабилността на мрежата. Повечето съвременни изисквания за мрежата допускат максимум 10% вариация в нивата на напрежението и активните филтри последователно отговарят на това изискване при различни работни условия.

Ограничаване на интерхармониците и колебанията на напрежението чрез активно филтриране

Промените в слънчевата облъчваност генерират нежелани интерхармоници в честотния диапазон от 1 до 2 kHz, с които стандартните инвертори просто не са оборудвани да се справят ефективно. За борба с този проблем активните филтри използват модулация на ширината на импулса в реално време с времена за отклик под 50 микросекунди, което успешно премахва тези хармонични изкривявания. Полеви тестове са показали впечатляващи резултати – наблюдава се намаление от около 85 до 90 процента конкретно за интерхармоници в диапазона 150 до 250 Hz. Тези подобрения са от решаващо значение, тъй като предотвратяват прегряването на трансформаторите, като едновременно с това намаляват загубите в линията с приблизително 12 до 18 процента във фотогалванични инсталации с капацитет над един мегават. Допълнително предимство се постига, когато тези филтри работят заедно с решения за съхранение на енергия – в този случай значително се намалят проблемите с флиker на напрежението по време на внезапни промени в генерирането на слънчева енергия, като според промишлени измервания се постига степен на подавяне между 60 и 75 процента.

Компромис между разходите и надеждността в големи фотоволтаични централи

Активните филтри за активна мощност струват около 30 до 40 процента повече от пасивните алтернативи, но това се компенсира от значително по-добри спестявания на дълга срока. Тези системи обикновено работят с ефективност от 92 до 97 процента, което намалява годишните разходи за поддръжка с приблизително 18 до 22 долара на киловат през петгодишен период. Още по-привлекателни ги прави модулната им конфигурация. Обектите могат да инсталират тези филтри поетапно и въпреки това да поддържат плавна работа, тъй като вградената резервност осигурява хармонично изкривяване под половин процент, дори когато отделен филтър се нуждае от внимание. Има обаче един недостатък – правилното пускане в експлоатация на тези системи изисква допълнително инвестиране от около 4,50 до 6,80 долара на киловат, добавени към разходите за инсталиране. За по-малки операции под 50 мегавата това означава задълбочен анализ на данните, преди да се вземе решение дали дългосрочните ползи надвишават първоначалната цена.

Часто задавани въпроси

Какви са основните източници на хармоници във фотоволтаични електроцентрали?

Основните източници на хармоници във фотоволтаични електроцентрали са инвертори с източник на напрежение, които допринасят за две трети от хармоничните токове, както и взаимодействия между множество инвертори или наситени трансформатори.

Как влияят хармоничните изкривявания върху ефективността на системата и качеството на електроенергията?

Хармоничните изкривявания могат да намалят ефективността на системата с 3 до 7%, да доведат до неправилно функциониране на защитни релеи и повреди на кондензатори, както и да увеличат разрушаването на изолацията на инверторите с 15 до 20%.

Кои стандарти регулират нивата на хармоници в инсталациите за възобновяема енергия?

Общото хармонично изкривяване на напрежението (THD) трябва да остава под 5%, а хармониците на тока не бива да надвишават 8% според няколко стандарта, включително IEC 61000-3-6 за инсталации с мощност над 75 kW.

Как работят активните филтри за активна мощност, за да намалят хармониците във фотоволтаични системи?

Активните филтри за активна мощност използват токови сензори и DSP технология, за да откриват и неутрализират хармонични токове в реално време, значително намалявайки общото хармонично изкривяване в системата.

Какви са предимствата и предизвикателствата при внедряването на активни филтри за активна мощност в слънчеви ферми?

Въпреки че активните филтри за активна мощност подобряват съответствието с правилата за мрежата и качеството на електроенергията, първоначалните им разходи са по-високи в сравнение с пасивните алтернативи. Въпреки това, те осигуряват по-добри дългосрочни спестявания чрез повишена ефективност и намалено поддръжване.