La causa principal de la distorsió harmònica en instal·lacions fotovoltaiques prové d'aquells dispositius electrònics no lineals que veiem arreu avui dia, especialment els inversors FV i diversos dispositius de commutació. Un estudi recent sobre la integració a la xarxa fet el 2024 va descobrir alguna cosa interessant sobre aquest problema. Van trobar que aproximadament dos terços de tots els corrents harmònics mesurats a parcs solars provenen realment dels anomenats inversors de font de tensió quan estan convertint potència de CC a CA. El que passa aquí és força senzill però tècnicament complex alhora. Aquests inversors generen harmònics de commutació d'alta freqüència que oscil·len entre 2 i 40 quilohertz a causa de com modulen els polsos (PWM, per les seves sigles en anglès) juntament amb alguns mètodes d'intercalat. Tanmateix, també hi ha altres factors destacables. De tant en tant, els transformadors saturen en certes condicions, i quan múltiples inversors treballen junts en grans parcs solars, poden interactuar de manera que produeixin harmònics addicionals.
Quan no es controlen, els harmònics redueixen l'eficiència del sistema entre un 3 i un 7 per cent segons la investigació de Ponemon de l'any passat. Això succeeix perquè els conductors perden més energia i els transformadors s'escalfen més del que haurien de fer. Si la distorsió de tensió supera el 5% THD, les coses comencen a fallar força ràpidament. Els relés de protecció deixen de funcionar correctament i els condensadors solen fallar inesperadament. El problema també empitjora per als inversors. Aquells que funcionen en entorns plens d'harmònics veuen com el seu aïllament es degrada un 15 a 20% més ràpid, cosa que comporta reparacions més freqüents i despeses més altes. Algunes situacions realment greus es produeixen quan hi ha ressonància entre la inductància de la xarxa i el que produeixen els inversors FV. Aquest efecte fa que certs harmònics creixin tant fort que de vegades els equips arriben a danys irreparables.
Les organitzacions estandarditzadores de tot el món han establert regles força estrictes sobre els nivells de distorsió harmònica total de tensió (THD), que han de romandre per sota del 5%, i les corrents harmòniques no han d'excedir l'8% en els punts on els sistemes es connecten a la xarxa elèctrica. Per a instal·lacions fotovoltaiques superiors a 75 quilowatts, existeix un altre requisit de l'estàndard IEC 61000-3-6 que exigeix proves específiques per mesurar aquestes emissions harmòniques. El compliment d'aquestes normatives normalment implica implementar diverses tècniques de mitigació. Alguns enfocaments habituals inclouen el disseny d'inversors amb topologies millorades i la instal·lació d'equips de filtratge actiu de potència. Avui en dia, la majoria de reguladors exigeixen un monitoratge continu dels harmònics dins les granges solars. Això ajuda a evitar multes costoses quan apareixen problemes d'estabilitat de la xarxa deguts a un contingut harmònic excessiu.
Els filtres actius de potència o FAP solucionen aquestes molestes distorsions harmòniques en sistemes solars detectant i cancel·lant corrents no desitjats en temps real. Funcionen mitjançant sensors de corrent i tecnologia DSP per analitzar el comportament dels corrents de càrrega, identificant fins i tot els problemes harmònics més petits, com ara distorsions de tercer ordre. Diverses proves in situ han demostrat que els FAP poden reduir la distorsió harmònica total en un 88% aproximadament en plantes solars de 500 kW, comparats amb filtres passius tradicionals. Aquest nivell de rendiment suposa una diferència significativa en l'estabilitat i eficiència del sistema.
La monitorització del corrent de la xarxa es produeix contínuament mitjançant sensors d'efecte Hall que detecten aquestes senyals harmòniques amb una precisió força elevada, propera a un marge d'error del mig per cent. A continuació, uns algoritmes DSP avançats realitzen càlculs intensius per generar corrents contraris exactament desfasats respecte als harmònics detectats. Consulteu el que van descobrir els investigadors en el seu treball de 2023 sobre tècniques de compensació en temps real. Van demostrar que quan els filtres actius de potència operen a freqüències de commutació d’uns 20 quilohertz, poden cancel·lar gairebé completament els molestos harmònics de cinquè i setè ordre en només dos mil·lèsimes de segon. Una cosa força impressionant per a qualsevol professional que tracti dia a dia amb problemes de qualitat del subministrament elèctric.
Aquesta metodologia de control separa els components d'energia activa (p) i reactiva (q) instantànies mitjançant transformacions de Clarke. Sincronitzant-se amb la tensió de la xarxa mitjançant bucles de bloqueig de fase (PLLs), el mètode p-q manté el factor de potència per sobre de 0,98 fins i tot durant fluctuacions d'irradiància del 30%. La recerca mostra que aquest enfocament redueix la demanda de potència reactiva en un 72% en comparació amb controladors PI tradicionals.
Aquest sistema pren aquestes senyals de compensació i les converteix en comandes reals de commutació mitjançant el que s'anomena modulació PWM de vector espacial. Avui dia, la majoria dels filtres actius de potència estan basats en inversors amb IGBT que funcionen amb una eficiència superior al 97 per cent gràcies a unes tècniques força intel·ligents de compensació del temps mort, que redueixen aquelles molestes pèrdues per commutació. Analitzant diversos articles científics sobre inversors de font de tensió amb modulació PWM, es comprova que aquests dissenys poden cancel·lar harmònics en amplades de banda molt superiors als 2 kHz. I aquí hi ha una altra cosa important: mantenen la distorsió harmònica total per sota del 4%, complint així tots els requisits establerts a l'última norma IEEE 519 del 2022.
| Paràmetre | Filtre tradicional | Filtre de potència activa |
|---|---|---|
| Temps de Resposta | 50–100 ms | <2 ms |
| Gestió d'ordre harmònic | Fix (5t, 7è) | 2n–50è |
| Reducció de THD | 40–60% | 85–95% |
| Adaptabilitat | Cap | Seguiment Dinàmic de Càrrega |
Per integrar correctament els filtres actius de potència (APF) en plantes fotovoltaiques cal una configuració i estratègies de control cuidadoses que assegurin el compliment amb les normatives de xarxa mentre es manté una bona qualitat del subministrament elèctric. La majoria d'instal·lacions modernes opten per configuracions APF en derivació, ja que es connecten en paral·lel, permetent-los cancel·lar harmònics sobre la marxa sense interferir amb la producció real d'energia solar. Segons una investigació publicada el 2023 a través d'IntechOpen, aproximadament el 89 per cent de les noves granges solars a gran escala incorporen actualment aquests APF en derivació que treballen al costat de sistemes de bucle de fase tancat (PLL). Aquestes configuracions aconsegueixen alinear les tensions de xarxa amb molta precisió, normalment dins de mig grau en qualsevol direcció. Aquest nivell d'exactitud fa una gran diferència en el rendiment general d'aquestes instal·lacions solars.
Els filtres d'activitat de derivació (APF) funcionen injectant corrents contraharmòniques a la xarxa mitjançant inversors de font de tensió. Els avantatges clau inclouen:
Els controladors adaptatius milloren la supressió d'harmònics en condicions d'irradiància fluctuant ajustant automàticament els paràmetres de guany. Les proves in situ el 2024 van mostrar que els sistemes adaptatius van reduir la distorsió harmònica total (THD) del 8,2% al 3,1% sota ombrejat parcial, superant els models de guany fix en un 42% en la resposta transitoria.
Tres aproximacions d'integració principals dominen les centrals fotovoltaiques modernes:
| Mètode | Reducció de THD | Cost d'implementació |
|---|---|---|
| APF centralitzat | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF a nivell de cadena | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Inversor híbrid APF-PV | 89-95% | Disseny Integrat |
Un anàlisi de ScienceDirect del 2024 va revelar que els sistemes híbrids van millorar el rendiment energètic en un 6,8% en comparació amb solucions APF autònomes en instal·lacions solars de 500 kW.
Els sistemes híbrids de filtres actius fotovoltaics-potència ara utilitzen inversors especials que gestionen alhora la conversió d'energia i la reducció del soroll elèctric. Els dissenys més recents integren efectivament la funció de filtratge de potència directament a l'inversor principal de PV. Això redueix el nombre de components necessaris en un 37% aproximadament en comparació amb sistemes formats per components separats, segons investigacions de Wong i col·legues del 2021. Aquests sistemes funcionen gràcies a tècniques intel·ligents de commutació que permeten seguir el punt màxim de potència solar mentre cancel·len harmònics no desitjats. Comparteixen components clau com els condensadors del bus de corrent continu (DC-link) i els mòduls IGBT que veiem en la majoria d'electrònica moderna. Proves en condicions reals indiquen que aquestes configuracions mantenen la distorsió harmònica total per sota del 3%, cosa força bona tenint en compte que també aconsegueixen convertir la llum solar en electricitat amb una eficiència d'aproximadament el 98,2%. Bastant impressionant per a un sistema que ajuda a netejar les nostres xarxes elèctriques mentre optimitza l'ús d'energies renovables.
Les simulacions hardware-in-the-loop (HIL) de sistemes híbrids de 500 kW demostren uns temps de resposta harmònica un 89% més ràpids que els filtres passius convencionals. Un estudi d'energies renovables del 2024 va revelar que els controladors adaptatius en PV-APF redueixen les fluctuacions de tensió en un 62% en condicions de sombra parcial. Les implementacions reals mostren una supressió sostenida de la THD per sota del 5% durant més de 1.200 hores de funcionament, fins i tot amb càrregues no lineals del 30%.
Una granja solar comercial va eliminar el sobrecalentament del transformador causat per harmònics mitjançant la integració de PV-APF. El sistema híbrid va desplegar vuit invertidors duals de 60 kVA en configuració en paral·lel, assolint:
La monitorització posterior a la instal·lació va confirmar el compliment de les normes IEEE 519-2022 en escenaris amb una cobertura variable de núvols del 25%.
Els filtres actius de potència ajuden a mantenir les condicions dins dels límits regulats de tensió mitjançant el control de la distorsió harmònica total (THD) per sota del llindar crític del 5% establert en les normes IEEE 519-2022. D'acord amb estudis recents de 2023 que analitzen dotze instal·lacions fotovoltaiques a gran escala, aquests filtres solen millorar el factor de potència entre 0,15 i 0,25 mentre redueixen els problemes de desequilibri de tensió aproximadament en dues terceres parts. El que els fa especialment valuables és la seva capacitat per gestionar les caigudes sobtades de tensió quan núvols passen per sobre dels camps solars, una situació que pot arribar a desestabilitzar greument la xarxa. La majoria d'especificacions modernes de xarxa exigeixen una variació màxima del 10% en els nivells de tensió, i els filtres actius compleixen consistentment aquest requisit en diferents condicions de funcionament.
Les variacions en la irradiància solar generen interharmonics no desitjats dins del rang de freqüència de 1 a 2 kHz, una cosa que els inversors estàndard simplement no estan preparats per gestionar de manera efectiva. Per combatre aquest problema, els filtres actius utilitzen una modulació d'amplada d'impulsos en temps real amb temps de resposta inferiors a 50 microsegons, eliminant amb èxit aquestes distorsions harmòniques. Les proves de camp han mostrat resultats impressionants, amb reduccions d'aproximadament entre l'85 i el 90 per cent observades específicament per als interharmonics de 150 a 250 Hz. Aquestes millores són fonamentals perquè eviten que els transformadors s'escalfin en excés, alhora que redueixen les pèrdues de línia aproximadament entre un 12 i un 18 per cent en instal·lacions fotovoltaiques amb capacitat superior al megawatt. Un benefici afegit es produeix quan aquests filtres treballen al costat de solucions d'emmagatzematge d'energia, ja que redueixen significativament els problemes de flicker de tensió durant canvis sobtats en la generació d'energia solar, assolint taxes de supressió entre el 60 i el 75 per cent segons mesuraments de la indústria.
Els filtres d'activitat activa tenen un cost inicial aproximadament un 30 a 40 per cent superior al dels sistemes passius, però aquest desemborsament inicial es compensa amb estalvis a llarg termini molt millors. Aquests sistemes solen funcionar amb una eficiència del 92 al 97 per cent, fet que redueix les despeses anuals de manteniment uns 18 a 22 dòlars per quilowatt durant cinc anys. El que els fa encara més atractius és la seva configuració modular. Les instal·lacions poden instal·lar aquests filtres de manera progressiva i continuar funcionant correctament, ja que la redundància integrada manté la distorsió harmònica per sota de mig percent quan cal revisar-ne un de sol. Tanmateix, hi ha un inconvenient: posar en marxa correctament aquests sistemes requereix una inversió addicional d'uns 4,50 a 6,80 dòlars per kW afegits als costos d'instal·lació. Per a operacions més petites de menys de 50 megawatts, això implica fer càlculs detallats abans de decidir si els beneficis a llarg termini compensen el preu inicial.
Les fonts principals d'harmonics en centrals fotovoltaiques són els inversors de font de tensió, que contribueixen dos terços dels corrents harmònics, i les interaccions entre múltiples inversors o transformadors saturats.
Les distorsions harmòniques poden reduir l'eficiència del sistema entre un 3% i un 7%, provocar el mal funcionament de relés de protecció i fallades de condensadors, i augmentar la deterioració de l'aïllament dels inversors entre un 15% i un 20%.
La distorsió harmònica total de tensió (THD) hauria de romandre per sota del 5%, i els harmònics de corrent no haurien de superar el 8% segons diverses normes, inclosa la IEC 61000-3-6 per a instal·lacions superiors a 75 kW.
Els filtres actius de potència utilitzen sensors de corrent i tecnologia DSP per detectar i cancel·lar els corrents harmònics en temps real, reduint significativament la distorsió harmònica total del sistema.
Tot i que els filtres actius de potència milloren el compliment amb el codi de xarxa i la qualitat de la potència, els seus costos inicials són més elevats en comparació amb les alternatives passives. No obstant això, ofereixen estalvis a llarg termini millors gràcies a una major eficiència i un manteniment reduït.
Notícies calentes 
EN
