Jak aktivní filtr činného výkonu potlačuje harmonické složky ve fotovoltaických elektrárnách?

Zdroje harmonických složek ve FV systémech

Fotovoltaické systémy mají tendenci vytvářet harmonické složky především kvůli nelineárním výkonovým elektronickým prvkům, které nacházíme v měničích a DC-DC měničích. Tyto komponenty narušují tvar elektrických proudů při přeměně energie z jedné formy na druhou. Transformátory provozované blízko hranice magnetické saturace také přispívají k tomuto problému, stejně jako nerovnoměrné zatížení třífázových obvodů v rámci systému. Podle nedávného výzkumu z počátku roku 2024, který zkoumal původ těchto nežádoucích frekvencí ve zařízeních pro výrobu zelené energie, ukazují většina studií na rozhraní výkonové elektroniky jako hlavní příčinu přibližně 72 procent všech harmonických problémů pozorovaných v současných fotovoltaických zařízeních.

Jak spínání měniče generuje harmonické proudy

Když měniče přepínají pomocí šířkové modulace pulzu (PWM), mají tendenci vytvářet ty otravné harmonické proudy. Většina měničů pracuje při spínacích operacích v rozsahu přibližně 2 až 20 kilohertzů. Co se zde děje, je vlastně docela jednoduché – vznikají různé vysokofrekvenční zvlnění proudu spolu s charakteristickými shluky harmonických složek tvořícími se právě kolem násobků naší základní spínací frekvence. Podívejte se, co se stane, když někdo provozuje měnič 4 kHz spolu se standardní elektrickou sítí 50 Hz. Náhle se objevují dominantní harmonické složky v bodech jako 4 kHz plus nebo minus další násobek 50 Hz. Pokud nikdo neinstaluje vhodné filtry pro řešení tohoto nepořádku, tyto nežádoucí proudy prostě pokračují ve svém toku zpět do hlavní elektrické sítě. Výsledek? Horší kvalita napětí a zbytečné opotřebení všeho dalšího připojeného k této síti.

Vliv vysokého podílu FVE na úroveň harmonických ve síti

Jakmile podíl FV překročí 30 % v distribučních sítích, kumulativní harmonická zkreslení se zvyšují kvůli:

• Interakce fází : Synchronizované spínání měničů zesiluje specifické harmonické frekvence
• Impedance sítě : Vyšší impedance na harmonických frekvencích zvyšuje napěťové zkreslení
• Rizika rezonance : Interakce mezi kapacitou měniče a indukčností sítě může vytvářet rezonanční špičky

Terénní studie zaznamenaly přechodné špičky celkového harmonického zkreslení (THD) přesahující 30 % během rychlých změn ozáření – daleko nad limitní hodnotou napěťového THD podle IEEE 519-2022, která činí 5 %. Tyto podmínky zvyšují ztráty transformátorů o 15–20 % a teplotu vodičů o 8–12 °C, což urychluje degradaci izolace a zkracuje životnost zařízení.

Jak aktivní filtry napájení odstraňují harmonické složky v reálném čase

Omezení pasivních filtrů v dynamických prostředích s FV

Pasivní harmonické filtry nejsou vhodné pro moderní fotovoltaické systémy kvůli jejich pevně nastaveným ladicím vlastnostem. Nedokážou se přizpůsobit měnícím se harmonickým spektrům způsobeným proměnnou intenzitou záření nebo dynamikou zátěže. Mezi hlavní nevýhody patří:

• Neschopnost reagovat na změny harmonických složek způsobené oblačností
• Riziko rezonance se síťovými střídači, pozorované ve 63 % fotovoltaických instalací
• o 74 % vyšší roční náklady na údržbu ve srovnání s aktivními řešeními (EPRI 2022)

Tyto omezení snižují spolehlivost a účinnost v prostředích, kde se harmonické profily během dne mění.

Princip činnosti aktivního filtru: Injektáž kompenzačních harmonických proudů v reálném čase

Aktivní filtry (APF) využívají invertory na bázi IGBT a digitální signálové procesory (DSP) k detekci a potlačení harmonických složek během 2 milisekund. Jak je uvedeno v Technických pokynech IEEE 519-2022 , zahrnuje tento proces:

1. Vzorkování síťového proudu v rozsahu 20–100 kHz za účelem zachycení harmonického obsahu
2. Výpočet protifázových harmonických proudů v reálném čase
3. Vstřikování kompenzačních proudů pomocí vysokofrekvenčního spínání (10–20 kHz)

Tato dynamická odezva umožňuje aktivním filtrům udržovat celkové harmonické zkreslení (THD) pod 5 %, i při vysokém podílu FVE (>80 %) a rychle se měnících profilech generace.

Optimální umístění aktivního filtru výkonu v bodě společného připojení (PCC)

Instalace aktivních filtrů výkonu v bodě společného připojení (PCC) maximalizuje účinnost potlačování harmonických složek tím, že eliminuje jak zkreslení generovaná měničem, tak poruchy ze sítě vyššího řádu. Toto strategické umístění má za následek:

• o 8–12 % větší redukci THD ve srovnání s konfiguracemi na straně zátěže
• Současnou korekci flikru napětí a nerovnováhy fází
• o 32 % nižší požadovanou kapacitu filtru díky centralizované kompenzaci

Tím, že potlačují harmonické složky v rozhraní, chrání v PCC instalované aktivní filtry výkonu zařízení na straně zátěže a zajišťují soulad s normami v celém systému.

Pokročilé řídicí strategie pro paralelní aktivní filtry výkonu ve fotovoltaických systémech

Teorie okamžitého jalového výkonu (p-q) v řízení SAPF

PQ teorie tvoří základ toho, jak paralelní aktivní filtry výkonu (SAPF) fungují a detekují ty nepříjemné harmonické a jalové složky v elektrických zátěžích. Děje se tu následující zajímavý proces: třífázové proudy jsou převedeny na ortogonální složky nazývané p (činný výkon) a q (jalový výkon), které jsou synchronizovány s ději na straně sítě. Tento přístup je při identifikaci harmonických složek úspěšný asi v devíti případech z deseti. Jakmile jsou referenční signály určeny, řídí měnič SAPF tak, aby přesně kompenzoval nežádoucí složky, zejména tvrdohlavé harmoniky pátého a sedmého řádu, které se často vyskytují v sítích napájených solárními panely, jak vyplývá z výzkumu publikovaného minulý rok v časopise Nature Energy.

Zvyšování stability regulací napětí v DC meziobvodu

Udržování stabilního napětí na DC meziobvodu je velmi důležité pro dosažení konzistentního výkonu SAPF. Systém obvykle využívá takzvaný proporcionálně-integrační regulátor k udržování rovnováhy. Toto zařízení řídí napětí DC kondenzátoru úpravou množství činného výkonu protékajícího mezi zařízením a elektrickou sítí. Testy ukazují, že tento přístup snižuje zvlnění napětí přibližně o 60 procent ve srovnání se systémy bez regulace. Co to znamená v praxi? Pomáhá udržet správnou kompenzaci harmonických i v případě problémů, jako je částečné zastínění nebo náhlé změny intenzity slunečního světla. Takovéto problémy se běžně vyskytují ve velkých solárních elektrárnách, což činí kvalitní řízení napětí naprosto nezbytným pro hladký provoz.

Nové trendy: Adaptivní a AI-řízené řízení paralelních aktivních filtrů

Nejnovější modely SAPF nyní kombinují umělé neuronové sítě s technikami prediktivního řízení modelů, které předpovídají harmonické chování na základě dřívějších výstupů solárních panelů a informací ze sítě. To, co tyto chytré systémy odlišuje, je jejich schopnost reagovat o 30 procent rychleji než tradiční metody, přičemž automaticky mění spínací frekvence v rozsahu od 10 do 20 kHz pro lepší ladění výkonu. Reálné testování prokázalo, že když se umělá inteligence zapojí do provozu SAPF, celkové zkreslení harmonických průběhů stále zůstává pod 3 %, čímž ve skutečnosti překonává přísné normy stanovené IEEE 519-2022 ve všech typech provozních scénářů, jak vyplývá z nedávného výzkumu řídicích systémů publikovaného IEEE.

Doplňkové techniky potlačování harmonických složek pro zlepšení výkonu APF

Předfiltrční řešení: vícepulzní měniče a LCL filtry

Vícepulzní měniče snižují tvorbu harmonických složek přímo ve zdroji díky použití fázově posunutých vinutí transformátoru. Mohou eliminovat obtížné 5. a přibližně 7. harmonické složky o 40 až dokonce 60 procent ve srovnání s běžnými 6pulzními konfiguracemi. Přidejte k tomu dnešní LCL filtr a sledujte, co se stane dále. Tyto filtry vynikají potlačením veškerého vysokofrekvenčního spínacího šumu nad hranicí přibližně 2 kHz. Společně výrazně ulehčují zátěž pro jakékoli pasivní filtry (APF), které v systému následují. Pro odborníky pracující se solárními instalacemi usnadňuje tato vícevrstvá filtrační strategie splnění přísných norem IEEE 519 2022. Některé studie od IntechOpen to podporují, a ukazují zlepšení v rozmezí přibližně 15 % až dokonce 30 % lepších hodnot shody.

Hybridní přístupy: Kombinace zig-zag transformátorů s aktivními filtry výkonu

Zig-zag transformátor velmi dobře zvládá ty otravné harmonické složky nulové posloupnosti, známé jako tripleny (např. 3., 9., 15. řád). Právě tyto malé škůdce způsobují problémy s přetíženými neutrálními vodiči ve třífázových fotovoltaických systémech. Kombinací těchto transformátorů s aktivními filttry dosahuje snížení nízkofrekvenčních harmonických složek pod 1 kHz přibližně na úrovni 90 a více procent, jak vyplývá z různých testů připojení do sítě. Co činí tuto kombinaci tak zajímavou, je skutečnost, že umožňuje inženýrům zmenšit velikost APF přibližně na polovinu, někdy i více. A menší APF znamenají významné úspory pořizovacích nákladů na zařízení, stejně jako pokles provozních a údržbových nákladů.

Integrace firmwaru chytrého měniče pro preventivní potlačení harmonických složek

Nejnovější generace invertorů s tvarem sítě začala využívat prediktivní algoritmy ke potlačení harmonických složek, přičemž upravují své modulační strategie během méně než pěti milisekund. Tyto inteligentní zařízení komunikují s aktivními filtry výkonu podle standardu IEC 61850, čímž mohou odstraňovat problémy s průběhem vlny přímo v místě jejich vzniku, místo aby dovolily, aby se problémy hromadily ve směru toku energie. Reálné testování ukazuje něco zajímavého, co se děje, když systémy spolupracují tímto způsobem. Celkové harmonické zkreslení klesá pod 3 procenta, i když se úroveň osvětlení náhle změní, což je docela působivé, vezmeme-li v potaz, jak citlivá mohou být solární instalace. Navíc existuje další výhoda, o které stojí zmínit – aktivní filtr výkonu se zapíná a vypíná o 40 % méně často než dříve. To znamená delší životnost zařízení a lepší celkovou účinnost celého energetického systému.

Hodnocení výkonu a ekonomické hodnoty aktivních filtrů výkonu ve FV elektrárnách

Měření účinnosti: případové studie dodržování normy IEEE 519-2022 a snižování THD

Fotovoltaické instalace potřebují aktivní filtry výkonu, aby splnily normy IEEE 519-2022, které stanovují limit celkové harmonické zkreslení napětí na úrovni 5 % v místech připojení. Při skutečném provozu tyto AFP obvykle snižují úroveň THD z přibližně 12 procent na pouhá 2 až 3 procenta u většiny komerčních solárních zařízení. To pomáhá zabránit přehřívání zařízení a eliminuje rušivé deformace průběhu vln, které mohou systémy poškozovat v průběhu času. Při pohledu na rok 2023, kdy výzkumníci analyzovali sedm velkých solárních elektráren, si všimli zajímavého jevu: po instalaci AFP stoupla shoda s pravidly rozvodné sítě výrazně z nepatrně přes poloviny (přibližně 58 %) až téměř na dokonalou úroveň 96 %. Odborníci, kteří se pravidelně zabývají otázkami kvality elektrické energie, upozorňují i na další výhodu. Tyto filtry dobře fungují i tehdy, když systém nepracuje na plný výkon, někdy až do úrovně 30 %, což je činí obzvláště vhodnými pro solární elektrárny, kde se produkce energie během dne přirozeně mění.

Dlouhodobý provozní výkon: Aktivní filtr harmonických ve fotovoltaické elektrárně v Německu

Fotovoltaická elektrárna o výkonu 34 megawattů v Německu vykázala působivý výkon svého systému aktivního filtru harmonických během období trvajícího nepatrně méně než čtyři a půl roku. Celkové nelineární zkreslení zůstávalo stále pod hranicí 3,8 %, i když výkon elektrárny kolísal mezi 22 % až 98 % kapacity. Tento výsledek je tím více významný, že chytrý řídicí systém snížil počet výměn kondenzátorových bank přibližně o tři čtvrtiny ve srovnání s tradičními pasivními metodami. Co se týče dostupnosti, aktivní filtr harmonických dosahoval provozního času úctyhodných 98,6 %, což je více než u většiny pasivních filtrů za srovnatelných povětrnostních podmínek (obvykle mezi 91 % až 94 %). Technici také hlásili, že museli zasahovat přibližně o 40 % méně často než u starších reaktorových filtrů, což v průběhu času přináší významné úspory nákladů.

Analýza nákladů a přínosů: Vyvažování počátečních investic oproti úsporám z poplatků za síť

APF rozhodně mají vyšší počáteční cenu, obvykle o 25 až 35 procent vyšší než běžné pasivní filtry. Ale je tu háček: ušetří provozovnám každý rok mezi osmnácti tisíci a čtyřiceti pěti tisíci dolary na poplatcích za přetížení sítě způsobených harmonickými složkami. Vezměme si typické zařízení o výkonu 20 megawattů – ušetřené peníze pokryjí vyšší náklady za necelé čtyři roky. Mnoho společností nyní kombinuje APF s již existujícími LCL filtry. Tento hybridní přístup snižuje náklady na potlačení harmonických složek přibližně o devatenáct centů na každý špičkový watt ve srovnání s výhradním použitím pasivních systémů. Navíc regulátoři začali považovat APF za skutečná kapitálová aktiva, která lze odpisovat během sedmi až dvanácti let. To je z hlediska financí výhodnější ve srovnání s tradičními řešeními, která lze odepsat až během patnácti let. Z hlediska ekonomiky to prostě vychází lépe pro většinu provozů, které sledují dlouhodobé úspory.

FAQ

Co způsobuje harmonické složky ve fotovoltaických soustavách?

Harmonické složky v fotovoltaických systémech jsou způsobeny především nelineárními výkonovými elektronickými součástkami invertorů a DC-DC měničů. Dalšími zdroji jsou transformátory pracující v blízkosti hranice magnetické saturace a nesymetrické třífázové zátěže.

Jak generují invertory harmonické proudy?

Invertory používající šířkovou modulaci pulzů (PWM) generují harmonické proudy při spínání, čímž vytvářejí vysokofrekvenční zvlnění a shluky harmonických složek kolem násobků základní spínací frekvence.

Jaký je dopad vysokého podílu fotovoltaiky na harmonické složky sítě?

S rostoucím podílem fotovoltaiky se zhoršuje harmonická deformace díky fázovým interakcím, impedanci sítě a riziku rezonance, což vede ke zvýšeným ztrátám v transformátorech a vyšším teplotám vodičů.

Jak aktivní filtry výkonu pomáhají při potlačování harmonických složek?

Aktivní filtry výkonu (APF) detekují a ruší harmonické složky pomocí invertorů na bázi IGBT a digitálních signálových procesorů (DSP), čímž snižují celkové harmonické zkreslení pod 5 %, i při vysokém podílu solární energie.

Jaká je výhoda instalace aktivních filtrů harmonických (APF) v bodě společného připojení (PCC)?

Instalace aktivních filtrů harmonických (APF) v bodě PCC řeší jak zkreslení generovaná měniči, tak poruchy sítě, čímž dochází k většímu snížení celkového harmonického zkreslení (THD) a současné korekci kolísání napětí.