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

Източници на хармоници в PV системи

Фотоволтаичните системи обикновено създават хармоници предимно поради нелинейната електроника за управление на мощността, която се среща в инвертори и DC-DC преобразуватели. Тези компоненти променят формата на електрическите токове при преобразуването на енергия от един вид в друг. Трансформатори, работещи близо до границите на магнитното си наситяване, също допринасят за този проблем, както и неуравновесени товари в трифазни мрежи. Според последни изследвания от началото на 2024 г. относно произхода на тези нежелани честоти в съоръжения за зелена енергия, повечето проучвания сочат, че интерфейсите с електроника за управление на мощността са отговорни за около 72 процента от всички хармонични смущения, наблюдавани днес в съвременни фотоволтаични централи.

Как превключването на инвертора генерира хармонични токове

Когато инверторите превключват чрез модулация с ширина на импулса (PWM), те имат тенденция да създават досадни хармонични токове. Повечето инвертори работят в диапазон от около 2 до 20 килогерца за своите превключващи операции. Това, което се случва тук, всъщност е доста просто – получаваме всякакви високочестотни пулсации на тока, както и характерни групи хармоници, формиращи се точно около кратните на основната честота на превключване. Вземете предвид какво се случва, когато някой стартира 4 kHz инвертор заедно със стандартна 50 Hz електрическа мрежа. Изведнъж се появяват доминиращи хармоници в точки като 4 kHz плюс или минус следващото кратно на 50 Hz. Ако никой не инсталира подходящи филтри за справяне с този хаос, нежеланите токове продължават да се връщат обратно в основната електрическа система. Резултатът? По-лошо качество на напрежението общо и ненужно износване на всичко останало, свързано към същата мрежа.

Влияние на високото проникване на ФЕП върху нивата на хармоници в мрежата

Когато проникването на фотоволтаични системи надхвърли 30% в разпределителните мрежи, кумулативната хармонична деформация се засилва поради:

• Фазово взаимодействие : Синхронизираното превключване на инвертори усилва определени хармонични честоти
• Импеданс на мрежата : По-високият импеданс при хармонични честоти увеличава напрежението на деформацията
• Рискове от резонанс : Взаимодействието между капацитета на инвертора и индуктивността на мрежата може да създаде резонансни пикове

Полеви изследвания са регистрирали преходни пикове на общата хармонична деформация (THD), надвишаващи 30% по време на бързи промени в облъчването — значително над лимита от 5% за напрежение THD според IEEE 519-2022. Тези условия увеличават загубите в трансформаторите с 15–20% и повишават температурата на проводниците с 8–12 °C, което ускорява деградацията на изолацията и скъсява живота на оборудването.

Как активните филтри за активна мощност намаляват хармониците в реално време

Ограничения на пасивните филтри в динамични фотоволтаични среди

Пасивните хармонични филтри не са подходящи за съвременни фотоволтаични системи поради техните фиксирани настройки. Те не могат да се адаптират към променящия се хармоничен спектър, причинен от променлива облъчваност или динамика на натоварването. Основните недостатъци включват:

• Неспособност да реагират на хармонични вариации, предизвикани от облачност
• Риск от резонанс с мрежово свързани инвертори, наблюдаван в 63% от ФВ инсталациите
• 74% по-високи годишни разходи за поддръжка в сравнение с активни решения (EPRI 2022)

Тези ограничения намаляват надеждността и ефективността в среди, където хармоничните профили флуктуират през деня.

Принцип на работа на активния филтър за мощност: Реалновременно впръскване на хармоничен ток

Активните филтри за мощност (АФМ) използват инвертори на базата на IGBT и цифрови процесори за сигнали (DSP), за да откриват и неутрализират хармониците в рамките на 2 милисекунди. Както е описано в Техническите насоки IEEE 519-2022 , процесът включва:

1. Отчитане на мрежовия ток при 20–100 kHz, за да се улови хармоничното съдържание
2. Изчисляване на хармонични токове в противофаза в реално време
3. Впръскване на компенсиращи токове чрез високочестотно комутиране (10–20 kHz)

Този динамичен отговор позволява на активните филтри за мощност (APF) да поддържат общото хармонично изкривяване (THD) под 5%, дори при висока проникваемост на фотоволтаични панели (>80%) и бързо променящи се профили на генериране.

Оптимално разположение на активен филтър за мощност в точката на обща връзка (PCC)

Монтирането на APF в точката на обща връзка (PCC) максимизира ефективността при отстраняване на хармоници, като се справя както с изкривяванията, генерирани от инверторите, така и с нарушенията от мрежата нагоре по веригата. Това стратегическо разположение води до:

• 8–12% по-голямо намаляване на THD в сравнение с конфигурациите от страната на натоварването
• Едновременна корекция на трептене на напрежението и несбалансираност на фазите
• 32% по-ниска необходима мощност на филтъра благодарение на централизирана компенсация

Като отстранява хармониците в точката на връзка, APF, монтирани в PCC, предпазват оборудването надолу по веригата и осигуряват съответствие за цялата система.

Напреднали стратегии за управление на шунтови активни филтри за мощност във фотоволтаични системи

Теория на моментната реактивна мощност (p-q) при управление на паралелни активни филтри за мощност (SAPF)

PQ теорията е основата за това как работят шунтовите активни филтри за мощност (SAPF), като разпознават досадните хармонични и реактивни компоненти в електрическите натоварвания. Това, което се случва тук, всъщност е доста интересно: трите фазови тока се преобразуват в ортогонални компоненти, наречени p (активна мощност) и q (реактивна мощност), синхронизирани с процесите от страната на мрежата. Този подход е точен в около 9 от 10 случая при изолирането на хармоничните компоненти от общата смес. След като бъдат определени тези референтни сигнали, те управляват инвертора на SAPF, като посочват точно какви смущения трябва да бъдат компенсирани, особено упоритите хармоници от пети и седми ред, които често възникват в мрежи, захранвани от слънчеви панели, според проучване, публикувано в Nature Energy миналата година.

Подобряване на стабилността чрез регулиране на напрежението в постояннотоковия линк

Поддържането на стабилно напрежение в постояннотоковия линк е от голямо значение за постигане на последователна производителност при активните филтри за захранване (SAPF). Системата обикновено използва така наречения пропорционално-интегрален регулатор, за да поддържа баланс. Това устройство управлява напрежението на постояннотоковия кондензатор чрез регулиране на количеството реална мощност, която се предава между оборудването и електрическата мрежа. Тестовете показват, че този подход намалява пулсациите на напрежението с около 60 процента в сравнение с системи без регулиране. Какво означава това на практика? Помага за поддържане на правилната компенсация на хармониците дори когато възникнат проблеми като частично затеняване или внезапни промени в интензитета на слънчевата светлина. Такива видове проблеми се случват често в големи слънчеви ферми, което прави качественото управление на напрежението абсолютно задължително за безпроблемна работа.

Нови тенденции: Адаптивно и базирано на изкуствен интелект управление в паралелни активни филтри за захранване

Най-новите модели SAPF сега комбинират изкуствени невронни мрежи с методи за управление, базирани на прогнозни модели, за да предсказват хармоничното поведение въз основа на минали данни за производството на слънчеви панели и информация от мрежата. Това, което отличава тези интелигентни системи, е тяхната способност да реагират с 30 процента по-бързо в сравнение с традиционните методи, като автоматично променят честотите на превключване в диапазон от 10 до 20 kHz за по-добра настройка на производителността. Реални тестове показват, че когато изкуственият интелект участва в работата на SAPF, общото хармонично изкривяване остава последователно под 3%, което всъщност надминава строгите стандарти, установени от IEEE 519-2022, при всички видове операционни сценарии, според скорошни изследвания на системи за управление, публикувани от IEEE.

Допълнителни техники за намаляване на хармониците за подобряване на производителността на APF

Решения за предварително филтриране: Мултипулсни инвертори и LCL филтри

Мултиимпулсните инвертори намаляват хармоничното генериране още от източника чрез използване на фазово изместени трансформаторни навивки. Те могат да редуцират досадните 5-и и приблизително 7-и хармоници с между 40 и дори до 60 процента в сравнение с обикновените 6-импулсни конструкции. Добавете към това LCL филтър днес и вижте какво следва. Тези филтри вършат чудеса, подтискайки целия този високочестотен комутационен шум над около 2 kHz. Заедно те значително намаляват натоварването за всеки последващ APF в системата. За хора, работещи със слънчеви инсталации, тази многослойна стратегия за филтриране прави по-лесно спазването на строгите стандарти IEEE 519 2022. Някои изследвания от IntechOpen потвърждават това, показвайки подобрения в диапазона от приблизително 15% до цели 30% по-добро спазване на изискванията.

Хибридни подходи: Комбиниране на трансформатори с цигулна схема с активни силови филтри

Трансформаторът с цигулно свързване свърши доста добра работа при справянето с досадните хармоници от нулева последователност, известни като триплени (например 3-ти, 9-ти, 15-ти ред). Точно те са виновни за проблемите с претоварените неутрални проводници в тривъзлови фотогалванични системи. Съчетайте тези трансформатори с активни филтри за мощност и получаваме намаление на хармониците с по-ниска честота под 1 kHz с около 90% според различни тестове за връзка с мрежата. Това, което прави тази комбинация толкова интересна, е фактът, че позволява на инженерите да използват активни филтри с почти наполовина по-малки размери, понякога дори още по-малки. А по-малки активни филтри означават значителна икономия върху първоначалните разходи за оборудване, както и по-ниски разходи за поддръжка в бъдеще.

Интеграция на софтуерно осигуряване за умни инвертори за превантивно потискане на хармоници

Най-новото поколение инвертори за формиране на мрежа започна да използва предиктивни алгоритми за подавяне на хармониците, като коригира своите стратегии за модулация за по-малко от пет милисекунди. Тези интелигентни устройства комуникират с активни филтри за мощност чрез стандарта IEC 61850, което им позволява да отстраняват проблеми с формата на вълната точно там, където те възникват, вместо да позволяват натрупването им по-надолу по веригата. Практическите тестове показват интересен ефект, когато системите работят по този начин. Общото хармонично изкривяване пада под 3 процента, дори когато нивата на слънчева светлина се променят рязко, което е доста впечатляващо, като се има предвид колко чувствителни могат да бъдат слънчевите инсталации. Освен това има и друга полза, която заслужава внимание – активният филтър за мощност се включва и изключва с 40% по-малко често в сравнение с преди. Това означава по-дълъг живот на оборудването и по-добра обща ефективност на цялата енергийна система.

Оценка на производителността и икономическата стойност на активните филтри за мощност във фотovoltaични паркове

Измерване на ефективността: Случаи на съответствие с IEEE 519-2022 и намаляване на коефициента на хармонични изкривявания

Фотоволтаичните инсталации се нуждаят от активни филтри за активна мощност, за да отговарят на стандарта IEEE 519-2022, който задава лимит от 5% за общото хармонично изкривяване на напрежението в точките на връзка. При реална експлоатация тези активни филтри обикновено намаляват нивата на THD от около 12 процента до само 2 или 3 процента в повечето търговски слънчеви инсталации. Това помага оборудването да не се прегрява и предотвратява нежеланите изкривявания на формата на вълната, които могат да повредят системите с времето. Когато през 2023 година изследователи проучили седем големи слънчеви ферми, те забелязали нещо интересно: след монтажа на активни филтри за активна мощност, спазването на мрежовите правила рязко нараснало – от малко над половината (около 58%) до почти перфектно съответствие на 96%. Специалистите по въпросите на качеството на електроенергията често посочват и друго предимство – тези филтри продължават да работят доста ефективно дори когато системата не работи на пълна мощност, понякога до 30%, което ги прави особено подходящи за слънчева енергия, където производството на енергия естествено варира в рамките на деня.

Дългосрочна полева ефективност: активен филтър за активна мощност в германска слънчева инсталация

Фотоелектрическа централа с мощност 34 мегавата в Германия демонстрира впечатляваща производителност на системата си за активно филтриране на мощността в продължение на малко под четири и половина години. Общото хармонично изкривяване остана последователно под 3,8%, дори когато производството на централата варира рязко между 22% и 98% от капацитета. Забележителното в този постижение е фактът, че умната система за управление намалила замяната на кондензаторни батерии с около три четвърти в сравнение с традиционните пасивни методи. Като се имат предвид статистиките за непрекъсната работа, активният филтър за мощност е функционирал с изумителни 98,6%, което надминава резултатите на повечето пасивни филтри при съпоставими метеорологични условия (обикновено между 91% и 94%). Екипите за поддръжка също докладваха, че се налага да вмъкват с около 40% по-рядко в сравнение с по-старите подходи за филтриране, базирани на реактори, което води до значителни икономии с течение на времето.

Анализ на разходи и ползи: Балансиране на първоначалните инвестиции срещу спестявания от глоби за мрежата

APF определено имат по-висока първоначална цена, обикновено с около 25 до 35 процента повече в сравнение с обикновените пасивни филтри. Но ето къде е уловката: те спестяват на предприятията между осемнадесет хиляди и четиридесет и пет хиляди долара всяка година от досадните такси за мрежата поради хармонични смущения. Вземете типичен обект с мощност 20 мегавата например – спестените пари покриват допълнителната цена само след под четири години. Много компании вече комбинират APF със своите текущи LCL филтри. Този хибриден подход намалява разходите за овладяване на смущенията с около деветнадесет цента на пиков ват в сравнение с изцяло пасивни системи. Освен това регулаторите започнаха да третират APF като реални капиталови активи, които могат да се амортизират в рамките на седем до дванадесет години. Това ги прави финансово привлекателни в сравнение с традиционните решения, които се списват за цели петнадесет години. Математиката просто работи по-добре за повечето операции, които гледат към дългосрочни спестявания.

ЧЗВ

Какво причинява хармоници в фотогалваничните системи?

Хармониците във фотоволтаичните системи предимно се причиняват от нелинейни силови електронни компоненти, намиращи се в инвертори и DC-DC преобразуватели. Допълнителни източници включват трансформатори, работещи близо до границите на магнитното им насищане, и неуравновесени трифазни натоварвания.

Как инверторите генерират хармонични токове?

Инверторите, използващи модулация с импулсна ширина (PWM), създават хармонични токове при превключване, като по този начин формират високочестотни пулсации и групи хармоници около кратни на основната честота на превключване.

Какво е въздействието от високото проникване на ФВ системи върху хармониците в мрежата?

С увеличаването на проникването на ФВ системи, хармоничните деформации се засилват поради фазови взаимодействия, импеданс на мрежата и рискове от резонанс, което води до увеличени загуби в трансформаторите и повишаване на температурата на проводниците.

Как активните филтри за мощност помагат при ограничаване на хармониците?

Активните филтри за мощност (APF) откриват и неутрализират хармониците, като използват инвертори на базата на IGBT и цифрови сигнали процесори (DSP), намалявайки общата хармонична деформация под 5%, дори при високо слънчево проникване.

Какво е предимството от монтиране на активни филтри за захранване (APF) в точката на обща връзка (PCC)?

Монтирането на активни филтри за захранване (APF) в точката на обща връзка (PCC) отстранява както изкривяванията, генерирани от инверторите, така и смущенията в мрежата, което води до по-голямо намаляване на общите хармонични изкривявания (THD) и едновременно коригира трептенето на напрежението.