Hvordan undertrykker aktiv effektfiltre harmoniske svingninger i solcelleanlæg?

Kilder til harmoniske svingninger i PV-systemer

Solcelleanlæg har tendens til at skabe harmoniske svingninger primært på grund af de ikke-lineære effektelektronikkomponenter, vi finder i vekselrettere og DC-DC-konvertere. Disse komponenter forvrider strømmenes form, når energi konverteres fra en form til en anden. Transformatorer, der kører tæt på deres magnetiske mætningsgrænse, bidrager også til dette problem, ligesom ubalancerede trefasede belastninger i systemet. Ifølge nyere forskning fra begyndelsen af 2024 omkring oprindelsen af disse uønskede frekvenser i grønne energianlæg, peger de fleste undersøgelser på, at effektelektroniske grænseflader står for cirka 72 procent af alle harmoniske problemer i moderne fotovoltaiske anlæg i dag.

Hvordan vekselretterskift genererer harmoniske strømme

Når invertere skifter ved hjælp af pulsbredde-modulation (PWM), har de tilbøjelighed til at skabe disse irriterende harmoniske strømme. De fleste invertere fungerer inden for et område på ca. 2 til 20 kilohertz for deres switchoperationer. Hvad der sker her, er ret ligetil – vi får alle mulige højfrekvente strømrippel samt karakteristiske harmoniske klynger, der dannes omkring multipla af vores grundlæggende switchfrekvens. Se på, hvad der sker, når nogen kører en 4 kHz-inverter sammen med et standard 50 Hz strømforsyningsnet. Pludselig optræder dominerende harmoniske signaler ved punkter som 4 kHz plus eller minus det næste multiplum af 50 Hz. Hvis ingen installerer passende filtre til at håndtere dette rod, vil de uønskede strømme blot fortsætte med at flyde tilbage i det primære elsystem. Resultatet? Dårligere spændingskvalitet i almindelighed og unødigt slid og slæb på alt andet, der er tilsluttet det samme net.

Indvirkning af høj PV-penetration på nettets harmoniske niveauer

Når PV-indsivringen overstiger 30 % i distributionsnet, forøges den kumulative harmoniske forvrængning på grund af:

• Faseinteraktion : Synkroniseret invertere tænder og forstærker bestemte harmoniske frekvenser
• Netimpedans : Højere impedans ved harmoniske frekvenser øger spændingsforvrængning
• Resonansrisici : Interaktion mellem inverterkapacitans og netinduktans kan skabe resonante toppe

Feltundersøgelser har registreret transiente THD-toppe, der overskrider 30 % under hurtige ændringer i solindstråling – langt over IEEE 519-2022's grænse på 5 % spændings-THD. Disse forhold øger transformertab med 15–20 % og hæver lederens temperatur med 8–12 °C, hvilket fremskynder isoleringsslid og forkorter udstyrets levetid.

Hvordan aktive effektfiltre dæmper harmoniske svingninger i realtid

Begrænsninger ved passive filtre i dynamiske PV-miljøer

Passive harmoniske filtre er uegnede til moderne fotovoltaiske systemer på grund af deres faste afstemningskarakteristikker. De kan ikke tilpasse sig skiftende harmoniske spektre forårsaget af varierende belastning eller solindstråling. Hovednachdelene inkluderer:

• Umulighed for at reagere på skydækkede forårsagede harmoniske variationer
• Risiko for resonans med nettilsluttede inverters, observeret i 63 % af PV-anlæg
• 74 % højere årlige vedligeholdelsesomkostninger sammenlignet med aktive løsninger (EPRI 2022)

Disse begrænsninger nedsætter pålideligheden og effektiviteten i miljøer, hvor harmoniske profiler svinger gennem døgnet.

Aktivt effektfilters arbejdsprincip: Realtime indsprøjtning af harmonisk strøm

Aktive effektfiltre (APF) bruger IGBT-baserede inverters og digitale signalprocessorer (DSP) til at registrere og neutralisere harmoniske svingninger inden for 2 millisekunder. Som beskrevet i IEEE 519-2022 tekniske retningslinjer , omfatter processen:

1. Indsamling af nettets strøm ved 20–100 kHz for at fange harmonisk indhold
2. Beregner modfaserede harmoniske strømme i realtid
3. Indsætter kompenserende strømme via højfrekvens-switching (10–20 kHz)

Denne dynamiske respons gør det muligt for aktive effektfiltre (APF) at holde den totale harmoniske forvrængning (THD) under 5 %, selv ved høj PV-indsprøjtning (>80 %) og hurtigt skiftende genereringsprofiler.

Optimal placering af aktivt effektfilte ved fælles tilslutningspunkt (PCC)

Installation af APF'er ved fælles tilslutningspunktet (PCC) maksimerer virkningen af harmonisk reduktion ved at adressere både invertergenererede forvrængninger og forstyrrelser fra overliggende net. Denne strategiske placering resulterer i:

• 8–12 % større THD-reduktion end belastningssiden konfigurationer
• Samtidig korrektion af spændingsflimren og faseubalance
• 32 % lavere nødvendig filterkapacitet gennem centraliseret kompensation

Ved at reducere harmoniske forvrængninger ved grænsefladepunktet beskytter APF'er installeret ved PCC udstyr nedstrøms og sikrer overholdelse gennem hele systemet.

Avancerede styrestrategier for parallelkoblede aktive effektfiltre i PV-systemer

Øjeblikkelig reaktiv effekt (p-q) teori i SAPF-styring

PQ-teori danner grundlaget for, hvordan shunt-aktive effektfiltre (SAPF'er) udfører deres funktion, når det gælder at identificere de irriterende harmoniske og reaktive komponenter i elektriske belastninger. Det, der sker her, er faktisk ret elegant: tre-fasede strømme omdannes til ortogonale komponenter kaldet p (aktiv effekt) og q (reaktiv effekt), justeret efter forholdene på netsiden. Denne metode er korrekt omkring 9 ud af 10 gange, når det kommer til at isolere harmoniske komponenter fra blandingen. Når disse referencesignaler først er fastlagt, fortæller de SAPF-inverteren præcis, hvad der skal neutraliseres, især de vedholdende femte- og syvendeordens harmoniske, som ifølge forskning offentliggjort i Nature Energy sidste år ofte optræder i net drevet af solceller.

Forbedring af stabilitet med regulering af DC-link spænding

At opretholde en stabil DC-linkspænding er meget vigtigt for at få konsekvent ydelse fra SAPF'er. Systemet bruger typisk det, der kaldes en proportional-integral-regulator, for at holde tingene i balance. Denne enhed styrer spændingen over DC-kondensatoren ved at regulere mængden af aktiv effekt, der flyder mellem udstyret og elnettet. Tests viser, at denne metode reducerer spændingspulsationer med omkring 60 procent i forhold til systemer uden regulering. Hvad betyder det i praksis? Det hjælper med at opretholde korrekt harmonisk kompensation, selv når der opstår problemer som delvis skygge eller pludselige ændringer i sollysstyrken. Denne type problemer opstår hyppigt på store solcellerhaver, hvilket gør god spændingsstyring absolut nødvendig for problemfri drift.

Nye tendenser: Adaptiv og AI-baseret styring i parallel aktive effektfiltre

De nyeste SAPF-modeller kombinerer nu kunstige neurale netværk med modelbaserede prediktive kontrolteknikker til at forudsige harmonisk adfærd baseret på tidligere solcellepanelers ydelser og netoplysninger. Det, der gør disse intelligente systemer fremtrædende, er deres evne til at reagere 30 procent hurtigere end traditionelle metoder, samtidig med at de automatisk ændrer switchfrekvenser mellem 10 og 20 kHz for bedre ydelsesafstemning. Praksisnære tests har vist, at når AI inddrages i SAPF-drift, forbliver den totale harmoniske forvrængning konsekvent under 3 %, hvilket faktisk overgår de strenge standarder fastsat af IEEE 519-2022 overfor alle slags forskellige driftsscenarier ifølge nyeste styresystemforskning offentliggjort af IEEE.

Komplementære teknikker til reduktion af harmoniske svingninger for forbedret APF-ydelse

Forudgående filtreringsløsninger: Multipuls-invertere og LCL-filtre

Multi-puls-invertere reducerer harmonisk generering direkte ved kilden ved at anvende faseforskudte transformerviklinger. De kan eliminere de irriterende 5. og ca. 7. overtoner med mellem 40 og måske endda 60 procent i forhold til almindelige 6-puls-konstruktioner. Tilføj en LCL-filter til billedet disse dage, og se hvad der sker herefter. Disse filtre er yderst effektive til undertrykkelse af alt det højfrekvente switchende støj over ca. 2 kHz. Tilsammen gør de det væsentligt lettere for eventuelle APF'er, der kommer efter dem i systemet. For personer, der arbejder med solcelleanlæg, gør denne lagdelte filtreringsstrategi det meget nemmere at opfylde de krævende IEEE 519 2022-standarder. Nogle studier fra IntechOpen understøtter dette og viser forbedringer på mellem cirka 15 % og op til 30 % bedre overholdelse.

Hybride tilgange: Kombination af zig-zag-transformatorer med aktive effektfiltre

Zig-zag-transformeren udfører et ret godt stykke arbejde med at tackle de irriterende nulfølgeharmoniske, også kendt som triplener (tænk 3., 9., 15. orden). Det er netop disse små problemer, der forårsager overbelastede nulledere i trefasede solcelleanlæg. Kombineres disse transformere med aktive effektfiltre, opnås en reduktion på omkring 90 procent af lavfrekvente harmoniske under 1 kHz ifølge forskellige nettilslutningstests. Det, der gør denne kombination så interessant, er, at den faktisk tillader ingeniører at dimensionere deres APF'er til cirka halvdelen – nogle gange endnu mere. Og mindre APF'er betyder store besparelser i udstyrsomkostninger fra start og samtidig falder de løbende vedligeholdelsesudgifter også.

Smart inverterfirmwareintegration til proaktiv undertrykkelse af harmoniske

Den nyeste generation af netdannende invertere har startet med at bruge prediktive algoritmer til at undertrykke harmoniske forstyrrelser, hvor de justerer deres modulationsstrategier på under fem millisekunder. Disse intelligente enheder kommunikerer med aktive effektfiltre via IEC 61850-standarder, hvilket gør det muligt for dem at rette formforstyrrelser lige der, hvor de opstår, i stedet for at lade problemerne opbygge sig nedstrøms. Reelle tests viser noget interessant, når systemer arbejder sammen på denne måde. Den totale harmoniske forvrængning falder under 3 procent, selv når sollysniveauet ændrer sig pludseligt, hvilket er imponerende set i betragtning af, hvor følsomme solcelleanlæg kan være. Derudover er der en anden fordel, der er værd at nævne: det aktive effektfilter tændes og slukkes 40 % mindre hyppigt end før. Det betyder længere levetid for udstyret og bedre samlet effektivitet for hele strømsystemet.

Vurdering af ydeevne og økonomisk værdi af aktive effektfiltre i PV-anlæg

Måling af effektivitet: I overensstemmelse med IEEE 519-2022 og casestudier over reduktion af THD

Fotovoltaiske installationer kræver aktive effektfiltre for at overholde IEEE 519-2022-standarderne, som sætter en grænse på 5 % for total harmonisk forvrængning af spændingen ved tilslutningspunkter. Når disse APF'ere anvendes i praksis, reducerer de typisk THD-niveauerne fra omkring 12 procent ned til blot 2 eller 3 procent i de fleste kommercielle solcelleinstallationer. Dette hjælper med at forhindre, at udstyret bliver for varmt, og standser de irriterende bølgeformforvrængninger, der kan beskadige systemer over tid. Set i lyset af, hvad der skete i 2023, da forskere undersøgte syv store solceller, bemærkede de noget interessant: efter installation af APF'er steg overholdelsen af netkodekravene dramatisk fra knap over halvdelen (cirka 58 %) til næsten perfekt overholdelse på 96 %. Fagfolk, der arbejder med strømkvalitetsproblemer, peger regelmæssigt på en anden fordel. Disse filtre fungerer stadig ret godt, selv når systemet ikke kører med fuld kapacitet, nogle gange så lavt som 30 %, hvilket gør dem særligt velegnede til solenergi, hvor energiproduktionen naturligt varierer hen over dagen.

Langsigtet Feltydelse: Aktivt Effektfilte i en Tysk Solinstallation

En fotovoltaisk anlæg, der fungerer ved 34 megawatt i Tyskland, viste imponerende ydeevne fra sit aktive effektfiltersystem i en periode på lidt under fire og et halvt år. Den totale harmoniske forvrængning holdt sig konsekvent under 3,8 %, selv når anlæggets ydelse svingede kraftigt mellem 22 % og 98 % af kapaciteten. Det, der gør denne præstation bemærkelsesværdig, er, at det intelligente styresystem reducerede behovet for udskiftning af kondensatorbatterier med omkring tre fjerdedele sammenlignet med traditionelle passive metoder. Set i lyset af driftstidstatistikker opretholdt APF-driften på imponerende 98,6 %, hvilket er bedre end hvad de fleste passive filtre klarer under sammenlignelige vejrforhold (typisk mellem 91 % og 94 %). Vedligeholdelseshold rapporterede også, at de skulle gribe ind cirka 40 % mindre hyppigt end med ældre reaktorbaserede filtreringsmetoder, hvilket resulterede i betydelige besparelser over tid.

Fordeelsanalyse: Afvejning af indledende investering mod besparelser på netafgifter

APF'er har definitivt en højere startpris, typisk cirka 25 til 35 procent mere end almindelige passive filtre. Men her er faldgruben: de sparer anlæg mellem atten tusind og femogfyrre tusind dollars om året i de irriterende netafgifter pga. harmoniske forstyrrelser. Tag et typisk 20 megawatt-anlæg som eksempel, så dækker de besparelser penge den ekstra omkostning på lidt under fire år. Mange virksomheder kombinerer nu APF'er med deres eksisterende LCL-filtre. Denne hybridtilgang reducerer afbødningsomkostningerne med cirka nitten cent pr. watt top i forhold til at anvende udelukkende passive systemer. Desuden har myndigheder begyndt at behandle APF'er som reelle kapitalaktiver, der kan afskrives over syv til tolv år. Det gør dem økonomisk attraktive i forhold til traditionelle løsninger, som kræver hele femten år at afskrive. Regnestykket går simpelthen bedre op for de fleste virksomheder, der ser på langsigtede besparelser.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad forårsager harmoniske svingninger i fotovoltaiske systemer?

Harmoniske svingninger i solcelleanlæg skyldes primært ikke-lineære effektelektronikkomponenter, som findes i vekselrettere og DC-DC-konvertere. Yderligere kilder inkluderer transformatorer nær deres magnetiske mætningsgrænse og ubalancerede trefasede belastninger.

Hvordan genererer vekselrettere harmoniske strømme?

Vekselrettere, der bruger pulsbreddemodulation (PWM), skaber harmoniske strømme ved at skifte tilstand, hvilket resulterer i højfrekvente rippel og harmoniske grupper omkring multipla af den grundlæggende switchfrekvens.

Hvad er indvirkningen af høj PV-penetration på nettets harmoniske svingninger?

Når PV-penetrationen stiger, forstærkes harmonisk forvrængning på grund af faseinteraktioner, netimpedans og resonansrisici, hvilket fører til øgede transformertab og forhøjede leder temperaturer.

Hvordan hjælper aktive effektfiltre med at reducere harmoniske svingninger?

Aktive effektfiltre (APF) registrerer og neutraliserer harmoniske svingninger ved hjælp af IGBT-baserede vekselrettere og digitale signalprocessorer (DSP), og reducerer den totale harmoniske forvrængning under 5 %, selv ved høj solenergi-penetration.

Hvad er fordelene ved at installere APF'er ved tilslutningspunktet?

Ved at installere APF'er ved PCC håndteres både invertergenererede forvrængninger og nettets forstyrrelser, hvilket resulterer i en større reduktion af THD og samtidig korrektion af spændingsflimren.