Com suprimeix el filtre actiu d'harmonics els harmònics en centrals fotovoltaiques?

Fonts d'harmòniques en sistemes FV

Els sistemes d'energia solar solen generar harmònics principalment a causa dels components electrònics no lineals que es troben en inversors i convertidors CC-CC. Aquests components alteren la forma dels corrents elèctrics en convertir l'energia d'una forma a una altra. Els transformadors que funcionen proper als seus límits de saturació magnètica també contribueixen a aquest problema, juntament amb càrregues trifàsiques desequilibrades al llarg del sistema. Segons recerques recents de principis del 2024 sobre l'origen d'aquestes freqüències no desitjades en instal·lacions d'energia verda, la majoria d'estudis atribueixen aproximadament el 72 per cent de tots els problemes harmònics observats actualment en instal·lacions fotovoltaiques contemporànies a les interfícies d'electrònica de potència.

Com generen els inversors corrents harmònics mitjançant commutació

Quan els inversors commuten utilitzant la modulació d'amplada del pols (PWM), tendeixen a generar aquestes molestes corrents harmòniques. La majoria d'inversors funcionen en un rang d'aproximadament 2 a 20 quilohertz per a les seves operacions de commutació. El que passa aquí és força senzill, realment: obtenim tot tipus de ripple de corrent d'alta freqüència, a més dels característics grups harmònics que es formen just al voltant dels múltiples de la freqüència de commutació base. Observeu què ocorre quan algú fa funcionar un inversor de 4 kHz juntament amb una xarxa elèctrica estàndard de 50 Hz. De sobte apareixen harmònics dominants en punts com 4 kHz més o menys el següent múltiple de 50 Hz. Si ningú instal·la filtres adequats per gestionar aquest desori, aquestes corrents no desitjades continuen circulant cap enrere al sistema elèctric principal. El resultat? Una qualitat de tensió més pobra en general i un desgast innecessari de tota la resta d'equips connectats a aquesta mateixa xarxa.

Impacte de l'elevada penetració fotovoltaica en els nivells harmònics de la xarxa

A mesura que la penetració de PV supera el 30% en les xarxes de distribució, la distorsió harmònica acumulada s'intensifica a causa de:

• Interacció entre fases : L'activació sincronitzada dels inversors amplifica freqüències harmòniques específiques
• Impedància de la xarxa : Una impedància més elevada a freqüències harmòniques augmenta la distorsió de tensió
• Riscos de ressonància : La interacció entre la capacitancia de l'inversor i la inductància de la xarxa pot crear pics ressonants

Els estudis de camp han registrat pics transitoris de THD que superen el 30% durant canvis ràpids de irradiància — molt per sobre del límit de THD de tensió del 5% segons la norma IEEE 519-2022. Aquestes condicions augmenten les pèrdues del transformador en un 15–20% i fan pujar la temperatura dels conductors entre 8–12 °C, accelerant la degradació de l'aïllament i reduint la vida útil de l'equipament.

Com els filtres actius de potència mitiguen les harmoniques en temps real

Limitacions dels filtres passius en entorns fotovoltaics dinàmics

Els filtres harmònics passius no són adequats per a sistemes fotovoltaics moderns a causa de les seves característiques de sintonització fixes. No poden adaptar-se a espectres harmònics canviants causats per irradiància variable o dinàmiques de càrrega. Els inconvenients principals inclouen:

• Incapacitat per respondre a variacions harmòniques induïdes per núvols
• Risc de ressonància amb inversors connectats a la xarxa, observat en el 63% de les instal·lacions FV
• costos de manteniment anuals un 74% més elevats en comparació amb solucions actives (EPRI 2022)

Aquestes limitacions redueixen la fiabilitat i l'eficiència en entorns on els perfils harmònics fluctuen al llarg del dia.

Principi de funcionament del filtre actiu de potència: Injecció en temps real de corrent harmònic

Els filtres actius de potència (FAP) utilitzen inversors basats en IGBT i processadors digitals de senyal (DSP) per detectar i neutralitzar els harmònics en menys de 2 mil·lisegons. Tal com es detalla en les Directrius tècniques IEEE 519-2022 , el procés implica:

1. Mostreig del corrent de xarxa a 20–100 kHz per capturar el contingut harmònic
2. Càlcul de corrents harmòniques en contrafase en temps real
3. Injecció de corrents de compensació mitjançant commutació d'alta freqüència (10–20 kHz)

Aquesta resposta dinàmica permet als filtres actius de potència (APF) mantenir la distorsió harmònica total (THD) per sota del 5%, fins i tot amb una alta penetració d'energia fotovoltaica (>80%) i perfils de generació ràpidament variables.

Col·locació òptima del filtre actiu de potència al punt de connexió comuna (PCC)

La instal·lació d'APFs al punt de connexió comuna (PCC) maximitza l'eficàcia de mitigació harmònica en abordar tant les distorsions generades pels inversors com les pertorbacions de la xarxa superior. Aquesta col·locació estratègica comporta:

• una reducció del THD entre un 8% i un 12% superior a les configuracions costat càrrega
• Correcció simultània dels batecs de tensió i el desequilibri de fases
• una capacitat de filtre requerida un 32% inferior mitjançant compensació centralitzada

En mitigar els harmònics al punt d'interfície, els APFs instal·lats al PCC protegeixen l'equipament situat aigües avall i asseguren el compliment normatiu en tot el sistema.

Estratègies de control avançades per a filtres actius de potència en derivació en sistemes fotovoltaics

Teoria de la Potència Reactiva Instantània (p-q) en el Control del FAP

La teoria PQ constitueix la base del funcionament dels filtres actius de potència en derivació (FAP) a l’hora d’identificar components harmònics i reactius indesitjats en càrregues elèctriques. El que succeeix aquí és realment interessant: les corrents trifàsiques es converteixen en components ortogonals anomenats p (potència activa) i q (potència reactiva), alineats amb el que ocorre al costat de la xarxa. Aquest mètode encerta aproximadament 9 de cada 10 vegades quan es tracta d’extreure components harmònics del conjunt. Un cop obtinguts aquests senyals de referència, indiquen exactament a l’inversor del FAP què s’ha de compensar, especialment aquelles harmòniques obstinades de cinquè i setè ordre que solen aparèixer freqüentment en xarxes alimentades per panells solars, segons una investigació publicada l’any passat a Nature Energy.

Millora de l'Estabilitat mitjançant la Regulació de la Tensió del Bus de Continua

Mantenir una tensió estable en l'enllaç de CC és molt important per obtenir un rendiment consistent dels filtres actius de potència en paral·lel (SAPF). Normalment, el sistema utilitza el que es coneix com a controlador proporcional-integral per mantenir l'equilibri. Aquest dispositiu regula la tensió del condensador de CC mitjançant ajustaments en la quantitat de potència activa que circula entre l'equip i la xarxa elèctrica. Les proves mostren que aquest enfocament redueix el ripple de tensió aproximadament un 60 per cent en comparació amb sistemes sense regulació. Què significa això pràcticament? Ajuda a mantenir una compensació harmònica adequada fins i tot quan hi ha problemes com ombreig parcial o canvis sobtats en la intensitat de la llum solar. Aquests tipus de problemes succeeixen sovint en grans parcs solars, fet que fa que un bon control de la tensió sigui absolutament essencial per a un funcionament correcte.

Tendències emergents: Control adaptatiu i basat en IA en filtres actius de potència en paral·lel

Els darrers models SAPF ara combinen xarxes neuronals artificials amb tècniques de control predictiu basat en models per predir el comportament harmònic a partir de les sortides anteriors dels panells solars i la informació de la xarxa. El que fa destacar aquests sistemes intel·ligents és la seva capacitat de reaccionar un 30 per cent més ràpid que els mètodes tradicionals, canviant automàticament les freqüències de commutació entre 10 i 20 kHz per un millor ajust de rendiment. Les proves en condicions reals han demostrat que quan la intel·ligència artificial intervé en el funcionament del SAPF, la distorsió harmònica total roman constantment per sota del 3%, superant així les estrictes normes establertes per la IEEE 519-2022 en tot tipus d'escenaris operatius, segons recents investigacions sobre sistemes de control publicades per la IEEE.

Tècniques complementàries de reducció harmònica per millorar el rendiment dels APF

Solucions de prè-filtratge: Inversors multipuls i filtres LCL

Els inversors multipols redueixen la generació d'harmònics directament a la font mitjançant l'ús d'espires de transformador desfasades. Poden eliminar entre un 40 i fins i tot un 60 per cent aquells molestos harmònics 5è i aproximadament 7è en comparació amb els dissenys convencionals de 6 pols. Afegiu avui en dia un filtre LCL al conjunt i observeu què passa a continuació. Aquests filtres funcionen extraordinàriament bé suprimint tot el soroll de commutació d'alta freqüència per sobre de la marca dels 2 kHz. Junts, realment alleugen la càrrega per a qualsevol FPA que vingui després en el sistema. Per a professionals que treballen amb instal·lacions solars, aquesta estratègia de filtratge en capes facilita molt complir amb les exigents normes IEEE 519 2022. Alguns estudis d'IntechOpen recolzen aquesta afirmació, mostrant millores que varien aproximadament entre un 15% i fins a un 30% en les taxes de compliment.

Aproximacions híbrides: combinació de transformadors zig-zag amb filtres actius de potència

El transformador en zig-zag fa una feina força bona al combatre aquells molestos harmònics de seqüència zero coneguts com a triplens (penseu en ordres 3r, 9è, 15è). Aquests petits causants de problemes són els responsables de la sobrecàrrega dels conductors neutres en sistemes fotovoltaics trifàsics. Combinant aquests transformadors amb filtres actius de potència, assolim una reducció d’aproximadament un 90% dels harmònics de baixa freqüència per sota de 1 kHz segons diverses proves de connexió a la xarxa. El que fa tan interessant aquesta combinació és que permet als enginyers reduir la mida dels seus APF aproximadament a la meitat, de vegades fins i tot més. I uns APF més petits signifiquen estalvis importants en costos d'equipament inicials, a més de despeses de manteniment contínues més baixes.

Integració de programari d'inversors intel·ligents per a la supressió proactiva d'harmònics

La darrera generació d'inversors formadors de xarxa ha començat a utilitzar algorismes predictius per suprimir els harmònics, ajustant les seves estratègies de modulació en menys de cinc mil·lisegons. Aquests dispositius intel·ligents comuniquen amb filtres actius de potència mitjançant estàndards IEC 61850, permetent-los corregir problemes d'ona exactament on comencen, en lloc de permetre que els problemes s'acumulin aguavall avall. Les proves reals mostren un fenomen interessant quan els sistemes treballen conjuntament d'aquesta manera. La distorsió harmònica total cau per sota del 3% fins i tot quan els nivells de llum solar canvien sobtadament, fet força impressionant si es té en compte la sensibilitat que poden arribar a tenir les instal·lacions solars. A més, hi ha un altre benefici destacable: el filtre actiu de potència s'activa i desactiva un 40% menys sovint que abans. Això vol dir una vida útil més llarga dels equips i una eficiència general millorada per a tot el sistema elèctric.

Avaluació del rendiment i del valor econòmic dels filtres actius de potència en plantes fotovoltaiques

Mesura de l'eficàcia: estudi de casos sobre el compliment de la norma IEEE 519-2022 i la reducció de la THD

Les instal·lacions fotovoltaiques necessiten filtres actius de potència per complir amb les normes IEEE 519-2022, que estableixen un límit del 5% en la distorsió harmònica total de tensió als punts de connexió. Quan entren en funcionament real, aquests FAP solen reduir els nivells de DHT des d'uns aproximadament el 12% fins a només el 2 o 3% en la majoria d'instal·lacions solars comercials. Això ajuda a evitar que l'equipament s'escalfi massa i impedeix les molestes distorsions d'ona que poden danyar els sistemes amb el temps. Analitzant el que va passar el 2023, quan investigadors van examinar set granges solars a gran escala, van observar alguna cosa interessant: després de la instal·lació dels FAP, el compliment amb els codis de xarxa va augmentar dràsticament, passant d'una mica més de la meitat (aproximadament el 58%) fins a gairebé el compliment perfecte del 96%. Els experts en qüestions de qualitat del subministrament també assenyalen un altre benefici. Aquests filtres continuen funcionant força bé encara que el sistema no estigui treballant al màxim, de vegades fins al 30%, fet que els fa especialment adequats per a aplicacions solars, on la producció d'energia varia naturalment al llarg del dia.

Rendiment a llarg termini en camp: filtre actiu de potència en una instal·lació solar alemanya

Una planta fotovoltaica que opera a 34 megawatts a Alemanya va mostrar un rendiment impressionant del seu sistema de filtre actiu de potència durant un període d'una mica menys de quatre anys i mig. La distorsió harmònica total es va mantenir constantment per sota del 3,8%, fins i tot quan la producció de la planta variava de manera dramàtica entre el 22% i el 98% de la capacitat. El que fa notable aquest assoliment és el fet que el sistema intel·ligent de control va reduir els canvis de bancs de condensadors aproximadament tres quarts en comparació amb els mètodes passius tradicionals. En quant a les estadístiques de temps operatiu, el filtre actiu de potència (APF) va mantenir una operativitat sorprenent del 98,6%, superant el que aconsegueixen la majoria de filtres passius en condicions climàtiques comparables (normalment entre el 91% i el 94%). A més, els equips de manteniment van informar que necessitaven intervenir un 40% menys freqüentment que amb els mètodes antics basats en reactors, cosa que suposa estalvis significatius al llarg del temps.

Anàlisi Cost-Benefici: Equilibrar la Inversió Inicial amb els Estalvis en Penalitzacions de Xarxa

Els filtres actius (APF) tenen clarament un preu inicial més elevat, normalment entre un 25 i un 35 per cent més que els filtres passius convencionals. Però aquí hi ha el detall: estalvien a les instal·lacions entre divuit mil i quaranta-cinc mil dòlars anuals en penalitzacions de xarxa degudes a problemes de harmònics. Preneu, per exemple, una instal·lació típica de 20 megawatts, i l'estalvi generat cobreix el cost addicional en poc menys de quatre anys. Moltes empreses ara combinen els APF amb els seus filtres LCL existents. Aquest enfocament híbrid redueix les despeses de mitigació aproximadament dinou cèntims per watt pic, comparat amb apostar totalment per sistemes passius. A més, els reguladors han començat a tractar els APF com a actius capitals reals que es poden amortitzar entre set i dotze anys. Això els fa financerament més atractius en comparació amb les solucions tradicionals, que necessiten quinze anys sencers per ser amortitzades. El càlcul simplement surt millor per a la majoria d'operacions que busquen estalvis a llarg termini.

FAQ

Què causa els harmònics en els sistemes fotovoltaics?

Les harmoniques en sistemes fotovoltaics són causades principalment per l'electrònica de potència no lineal present en inversors i convertidors CC-CC. Altres fonts inclouen transformadors prop dels seus límits de saturació magnètica i càrregues trifàsiques desequilibrades.

Com generen els inversors corrents harmònics?

Els inversors que utilitzen modulació d'amplada d'impuls (PWM) generen corrents harmònics en commutar, creant ones de rissat d'alta freqüència i grups harmònics al voltant de múltiples de la freqüència de commutació base.

Quin és l'impacte de l'elevada penetració fotovoltaica en les harmoniques de la xarxa?

A mesura que augmenta la penetració fotovoltaica, la distorsió harmònica s'intensifica a causa de les interaccions de fase, l'impedància de la xarxa i els riscos de ressonància, provocant un increment de les pèrdues en transformadors i temperatures elevades en conductors.

Com ajuden els filtres actius de potència a mitigar les harmoniques?

Els filtres actius de potència (FAP) detecten i neutralitzen les harmoniques mitjançant inversors basats en IGBT i DSP, reduint la distorsió harmònica total per sota del 5%, fins i tot amb alta penetració solar.

Quina és l'avantatge de instal·lar filtres actius de potència (APF) al punt de connexió comuna?

Instal·lar filtres actius de potència (APF) al PCC aborda tant les distorsions generades per l'inversor com les pertorbacions de la xarxa, resultant en una reducció més gran del THD i en la correcció simultània dels parpelleigs de tensió.