علت اصلی اعوجاج هارمونیکی در نصبهای انرژی فتوولتائیک، دستگاههای الکترونیک قدرت غیرخطی است که امروزه در همه جا دیده میشود، به ویژه اینورترهای فتوولتائیک و انواع مختلف دستگاههای سوئیچینگ. مطالعهای که در سال ۲۰۲۴ در مورد اتصال به شبکه انجام شد، یافتهای جالب در این زمینه آشکار کرد. آنها کشف کردند که حدود دو سوم کل جریانهای هارمونیکی اندازهگیریشده در مزارع خورشیدی، در واقع از نوع اینورترهای منبع ولتاژ ناشی میشود، در هنگام تبدیل توان از حالت مستقیم (DC) به متناوب (AC). آنچه در اینجا رخ میدهد، از یک سو ساده است و از سوی دیگر از نظر فنی پیچیده است. این اینورترها به دلیل روش مدولاسیون پالس (به اختصار PWM) و همچنین روشهای همپوشانی، ایجاد کننده هارمونیکهای سوئیچینگ با فرکانس بالا در محدودهای بین ۲ تا ۴۰ کیلوهرتز میباشند. البته عوامل دیگری نیز وجود دارند که ارزش اشاره دارند. ترانسفورماتورها گاهی تحت شرایط خاصی اشباع میشوند و هنگامی که چندین اینورتر در پارکهای خورشیدی بزرگ با هم کار میکنند، ممکن است به گونهای با یکدیگر تعامل داشته باشند که هارمونیکهای اضافی نیز تولید شوند.
هنگامی که هارمونیکها کنترل نشوند، طبق تحقیق پونمون از سال گذشته، بازده سیستم را حدود ۳ تا ۷ درصد کاهش میدهند. این امر به این دلیل رخ میدهد که هادیها انرژی بیشتری از دست میدهند و ترانسفورماتورها بیش از حد لازم گرم میشوند. اگر اعوجاج ولتاژ از ۵٪ THD فراتر رود، امور به سرعت بد میشود. رلههای حفاظتی دیگر به درستی کار نمیکنند و خازنها تمایل به خرابی غیرمنتظره دارند. مشکل برای اینورترها نیز بدتر میشود. دستگاههایی که در محیطهای پر از هارمونیک کار میکنند، عایقبندی آنها حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد سریعتر از بین میرود، که این امر به معنای تعمیرات مکررتر و هزینههای بالاتر است. برخی موقعیتهای واقعاً بد زمانی رخ میدهد که تشدید بین القای شبکه و خروجی اینورترهای فتوولتائیک رخ دهد. این اثر باعث تقویت شدید برخی هارمونیکها میشود تا جایی که گاهی اوقات تجهیزات آسیب دیده و غیرقابل تعمیر میشوند.
سازمانهای استاندارد در سراسر جهان قوانین بسیار سختی در مورد سطح اعوجاج هارمونیک کل ولتاژ (THD) وضع کردهاند که نیازمند حفظ این مقدار در سطح پایینتر از ۵٪ است و همچنین هارمونیک جریان نباید از ۸٪ در نقاط اتصال سیستم به شبکه برق تجاوز کند. برای نصبهای فتوولتائیک بزرگتر از ۷۵ کیلووات، استاندارد IEC 61000-3-6 الزام دیگری تعیین میکند که آزمونهای خاصی را برای اندازهگیری این انتشارات هارمونیکی لازم میداند. رعایت تمام این مقررات معمولاً به معنای اجرای تکنیکهای مختلف کاهش اثرات است. برخی از رویکردهای رایج شامل طراحی اینورترها با توپولوژیهای بهتر و نصب تجهیزات فیلتر فعال توان است. اکثر نهادهای نظارتی امروزه بر نظارت مداوم بر هارمونیکها در مزارع خورشیدی اصرار دارند. این امر به جلوگیری از جریمههای پرهزینه در صورت بروز مشکلات در پایداری شبکه به دلیل محتوای هارمونیک بیش از حد کمک میکند.
فیلترهای توان فعال یا APF با تشخیص و حذف جریانهای نامطلوب در زمان واقعی، اعوجاج هارمونیک مزاحم در سیستمهای خورشیدی را کاهش میدهند. این فیلترها با استفاده از حسگرهای جریان و فناوری DSP، جریانهای بار را بررسی کرده و حتی کوچکترین مشکلات هارمونیکی مانند اعوجاجات مرتبه سوم را شناسایی میکنند. آزمایشهای میدانی نشان دادهاند که فیلترهای APF میتوانند اعوجاج کلی هارمونیکی (THD) را در نیروگاههای خورشیدی 500 کیلوواتی تا حدود 88 درصد نسبت به فیلترهای غیرفعال سنتی کاهش دهند. این عملکرد بالا تأثیر قابل توجهی در پایداری و کارایی سیستم دارد.
نظارت بر جریان شبکه بهطور مداوم از طریق سنسورهای اثر هال انجام میشود که این سیگنالهای هارمونیکی را با دقت نسبتاً خوبی و با خطایی در حدود نیم درصد تشخیص میدهند. پس از آن، الگوریتمهای پیشرفته DSP محاسبات گستردهای انجام میدهند تا جریانهای معکوسی تولید کنند که دقیقاً در مقابل فاز هر یک از هارمونیکهای شناساییشده قرار گیرند. به یافتههای محققان در پژوهش سال 2023 خود در مورد تکنیکهای جبرانسازی لحظهای نگاهی بیندازید. آنها نشان دادند که هنگامی که فیلترهای توان فعال با نرخ سوئیچزنی به ۲۰ کیلوهرتز میرسند، قادرند تقریباً تمام هارمونیکهای مزاحم مرتبه پنجم و هفتم را ظرف تنها دو هزارم ثانیه حذف کنند. برای کسانی که روزانه با مسائل کیفیت توان سروکار دارند، واقعاً چیزی قابل توجه است.
این روش کنترل، مؤلفههای لحظهای توان فعال (p) و توان راکتیو (q) را با استفاده از تبدیلات کلارک جدا میکند. با همگامسازی با ولتاژ شبکه از طریق حلقههای قفل فاز (PLL)، روش p-q ضریب توان را حتی در نوسانات تابش تا ۳۰٪ بالاتر از ۰٫۹۸ نگه میدارد. پژوهشها نشان میدهند که این روش تقاضای توان راکتیو را نسبت به کنترلکنندههای سنتی PI تا ۷۲٪ کاهش میدهد.
این سیستم این سیگنالهای جبرانی را گرفته و آنها را به دستورات کلیدزنی واقعی تبدیل میکند که از طریق روشی به نام مدولاسیون پهنای پالس بردار فضایی (SVPWM) انجام میشود. امروزه، بیشتر فیلترهای توان فعال حول اینورترهای مبتنی بر IGBT ساخته میشوند که بیش از ۹۷ درصد بازدهی دارند و این بخاطر تکنیکهای هوشمندانه جبران زمان مرده هستند که باعث کاهش تلفات کلیدزنی مزاحم میشوند. با بررسی مقالات مختلف در مورد اینورترهای منبع ولتاژ PWM، مشاهده میکنیم که این طراحیها قادر به حذف هارمونیکها در پهنای باندهایی فراتر از ۲ کیلوهرتز نیز هستند. و نکته مهم دیگری هم این است که این سیستمها میزان اعوجاج هارمونیکی کل (THD) را کمتر از ۴ درصد نگه میدارند و بدین ترتیب تمام الزامات تعیین شده در آخرین ویرایش استاندارد IEEE 519 از سال 2022 را برآورده میکنند.
| پارامتر | فیلتر سنتی | فیلتر قدرت فعال |
|---|---|---|
| زمان پاسخ | ۵۰–۱۰۰ میلیثانیه | کمتر از ۲ میلیثانیه |
| مدیریت مرتبه هارمونیک | ثابت (۵ام، ۷ام) | از ۲ام تا ۵۰ام |
| کاهش THD | 40–60% | 85–95% |
| سازگاری | هیچکدام | ردیابی بار دینامیک |
ادغام صحیح فیلترهای توان اکتیو (APF) در نیروگاههای فتوولتائیک نیازمند راهاندازی دقیق و استراتژیهای کنترلی است که ضمن رعایت استانداردهای شبکه، کیفیت توان را نیز حفظ میکنند. اکثر نصبهای مدرن از پیکربندی APF موازی (شانت) استفاده میکنند، زیرا این سیستمها به صورت موازی به شبکه متصل شده و قادرند هارمونیکها را به طور پویا حذف کنند، بدون آنکه بر تولید واقعی انرژی خورشیدی تأثیر بگذارند. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال 2023 از طریق IntechOpen، حدود 89 درصد از مزارع خورشیدی بزرگ مقیاس جدید از این نوع فیلترهای شانت APF همراه با سیستمهای قفل فاز (PLL) استفاده میکنند. این پیکربندیها توانایی تطبیق بسیار دقیق ولتاژ شبکه را دارند که معمولاً در محدوده نیم درجه به صورت مثبت یا منفی است. این سطح از دقت تأثیر قابل توجهی در عملکرد کلی نیروگاههای خورشیدی دارد.
فیلترهای اکتیو شنت با تزریق جریانهای ضد هارمونیک به شبکه از طریق اینورترهای منبع ولتاژ کار میکنند. مزایای کلیدی شامل:
کنترلکنندههای تطبیقی با تنظیم خودکار پارامترهای بهره، سرکوب هارمونیک را در شرایط تابش متغیر بهبود میبخشند. آزمایشهای میدانی در سال 2024 نشان داد که سیستمهای تطبیقی در شرایط سایهپاشی جزئی، اعوجاج هارمونیکی کل (THD) را از 8.2% به 3.1% کاهش داده و در پاسخ گذرا 42% عملکرد بهتری نسبت به مدلهای بهره ثابت داشتهاند.
سه رویکرد ادغام اصلی در نیروگاههای فتوولتائیک مدرن غالب هستند:
| روش | کاهش THD | هزینه پیادهسازی |
|---|---|---|
| فیلتر اکتیو مرکزی | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| فیلتر اکتیو سطح استرینگ | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| اینورتر ترکیبی APF-PV | 89-95% | طراحی یکپارچه |
تحلیل سال 2024 در ScienceDirect نشان داد که سیستمهای ترکیبی باعث بهبود ۶٫۸ درصدی تولید انرژی در مقایسه با راهحلهای مستقل APF در آرایههای خورشیدی 500 کیلوواتی میشوند.
سیستمهای ترکیبی فتوولتائیک-فیلتر توان فعال اکنون از اینورترهای خاصی استفاده میکنند که همزمان هم تبدیل انرژی را انجام میدهند و هم نویز الکتریکی را کاهش میدهند. طراحیهای جدیدتر در واقع عملکرد فیلتر کردن توان را مستقیماً در واحد اصلی اینورتر فتوولتائیک تعبیه میکنند. این امر موجب کاهش حدود ۳۷٪ قطعات مورد نیاز نسبت به سیستمهایی با اجزای جداگانه میشود، بر اساس تحقیقات وونگ و همکارانش در سال ۲۰۲۱. این سیستمها از طریق تکنیکهای هوشمند کلیدزنی عمل میکنند که به آنها اجازه میدهد نقطه حداکثر توان خورشیدی را ردیابی کنند و در عین حال هارمونیکهای ناخواسته را حذف نمایند. این سیستمها از اجزای مشترکی مانند خازنهای لینک DC و ماژولهای IGBT که در بیشتر الکترونیکهای مدرن دیده میشوند، بهره میبرند. آزمایشهای عملی نشان میدهند که این سیستمها میزان اعوجاج هارمونیکی کل (THD) را زیر ۳٪ نگه میدارند که با توجه به اینکه همزمان بازده تبدیل انرژی خورشیدی به برق را حدود ۹۸٫۲٪ حفظ میکنند، عملکرد بسیار خوبی محسوب میشود. دستاوردی شگفتانگیز برای دستگاهی که ضمن بهبود استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، به پاکسازی شبکههای برق نیز کمک میکند.
شبیهسازیهای حلقهسختافزاری (HIL) از سیستمهای ترکیبی 500 کیلوواتی نشان میدهد که زمان پاسخ هارمونیکی آنها 89٪ سریعتر از فیلترهای غیرفعال متداول است. یک مطالعه انرژی تجدیدپذیر در سال 2024 نشان داد که کنترلکنندههای تطبیقی در سیستمهای PV-APF تحت شرایط سایهگذاری جزئی، نوسانات ولتاژ را تا 62٪ کاهش میدهند. پیادهسازیهای میدانی نشان میدهند که سطح THD به مدت بیش از 1200 ساعت عملیاتی به صورت پایدار زیر 5٪ باقی میماند، حتی در حضور بارهای غیرخطی تا 30٪.
یک مزرعه خورشیدی تجاری از طریق یکپارچهسازی سیستم PV-APF، مشکل گرمایش اضافی ترانسفورماتور ناشی از هارمونیکها را رفع کرد. سیستم ترکیبی شامل هشت اینورتر دوکاره 60 کیلوولتآمپر در پیکربندی موازی بود که به موارد زیر دست یافت:
نظارت پس از نصب، مطابقت با استانداردهای IEEE 519-2022 را در شرایط پوشش ابری متغیر 25٪ تأیید کرد.
فیلترهای فعال توان با نگه داشتن کل اعوجاج هارمونیکی (THD) زیر آستانه حساس ۵٪ که در استانداردهای IEEE 519-2022 تعیین شده است، به حفظ محدودههای ولتاژ شبکه برق کمک میکنند. بر اساس مطالعات اخیر در سال ۲۰۲۳ که بر روی دوازده نصب فتوولتائیک بزرگ مقیاس انجام شده است، این فیلترها معمولاً ضریب توان را بین ۰٫۱۵ تا ۰٫۲۵ افزایش داده و مشکلات ناهمسانی ولتاژ را حدوداً به میزان دو سوم کاهش میدهند. چیزی که این فیلترها را به ویژه ارزشمند میکند، توانایی آنها در مدیریت ناگهانی افتهای ولتاژ در هنگام عبور ابرها از روی آرایههای خورشیدی است که میتواند پایداری شبکه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد. اکثر مشخصات مدرن شبکه، تغییرات ولتاژ را حداکثر تا ۱۰٪ مجاز میدانند و فیلترهای فعال به طور مداوم این الزام را در شرایط مختلف عملیاتی رعایت میکنند.
تغییرات در تابش خورشیدی باعث ایجاد هارمونیکهای ناخواسته در محدوده فرکانسی ۱ تا ۲ کیلوهرتز میشوند که اینورترهای استاندارد به سادگی قادر به مدیریت مؤثر آنها نیستند. برای مقابله با این مشکل، فیلترهای فعال از مدولاسیون عرض پالس در زمان واقعی با زمان پاسخ کمتر از ۵۰ میکروثانیه استفاده میکنند و به این ترتیب این اعوجاجات هارمونیکی را بهطور موفقیتآمیزی حذف میکنند. آزمایشهای میدانی نتایج قابل توجهی را نشان دادهاند؛ بهطور خاص کاهش حدود ۸۵ تا ۹۰ درصدی در محدوده فرکانسی ۱۵۰ تا ۲۵۰ هرتز مشاهده شده است. این بهبودها از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا از داغ شدن بیش از حد ترانسفورماتورها جلوگیری میکنند و همزمان با آن تلفات خط را در نیروگاههای فتوولتائیک با ظرفیت بیش از یک مگاوات به میزان تقریبی ۱۲ تا ۱۸ درصد کاهش میدهند. مزیت اضافی زمانی رخ میدهد که این فیلترها همراه با راهکارهای ذخیرهسازی انرژی کار کنند، جایی که مشکلات ناشی از نوسان ولتاژ را در طی تغییرات ناگهانی در تولید انرژی خورشیدی بهطور قابل توجهی کاهش میدهند و بر اساس اندازهگیریهای صنعتی، نرخ سرکوب بین ۶۰ تا ۷۵ درصد دستیابی یافته است.
فیلترهای توان اکتیو در مقایسه با گزینههای منفعل، در ابتدا حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد گرانتر هستند، اما این هزینه را از طریق صرفهجویی قابل توجه در بلندمدت جبران میکنند. این سیستمها معمولاً با راندمانی بین ۹۲ تا ۹۷ درصد کار میکنند که این امر هزینههای نگهداری سالانه را در طی پنج سال برای هر کیلووات به میزان تقریبی ۱۸ تا ۲۲ دلار کاهش میدهد. چیزی که این سیستمها را حتی جذابتر میکند، پیکربندی ماژولار آنهاست. تسهیلات میتوانند این فیلترها را به صورت تدریجی نصب کنند و با این حال عملکرد خود را بدون وقفه حفظ کنند، زیرا افزونگی داخلی طراحی شده است تا در هنگام تعمیر یا نگهداری هر فیلتر منفرد، نوسان هارمونیک را کمتر از نیم درصد نگه دارد. با این حال یک محدودیت وجود دارد: راهاندازی صحیح این سیستمها نیازمند سرمایهگذاری اضافی در حدود ۴٫۵۰ تا ۶٫۸۰ دلار برای هر کیلووات است که به ه chiyn هزینه نصب اضافه میشود. برای عملیات کوچکتر با ظرفیت زیر ۵۰ مگاوات، این بدان معناست که پیش از تصمیمگیری درباره اینکه آیا مزایای بلندمدت این سیستمها از هزینه اولیه آنها فراتر میرود، باید محاسبات دقیقی انجام شود.
منابع اصلی هارمونیکها در نیروگاههای فتوولتائیک، مبدلهای منبع ولتاژ هستند که دو سوم جریانهای هارمونیکی را تولید میکنند، و همچنین برهمکنش بین چند مبدل یا ترانسفورماتورهای اشباعشده.
حرفتهای هارمونیکی میتوانند بازده سیستم را ۳ تا ۷ درصد کاهش دهند، باعث خرابی رلههای حفاظتی و خازنها شوند، و خرابی عایق مبدلها را ۱۵ تا ۲۰ درصد افزایش دهند.
حرفت کلی ولتاژ (THD) باید کمتر از ۵ درصد باشد و هارمونیکهای جریان نباید بیش از ۸ درصد باشند که این موارد طبق چندین استاندارد از جمله IEC 61000-3-6 برای نصبهای بزرگتر از ۷۵ کیلووات تعیین شدهاند.
فیلترهای توان فعال از حسگرهای جریان و فناوری DSP برای تشخیص و حذف جریانهای هارمونیکی در زمان واقعی استفاده میکنند و بهطور قابل توجهی اعوجاج هارمونیکی کلی سیستم را کاهش میدهند.
اگرچه فیلترهای توان فعال انطباق با استانداردهای شبکه و کیفیت توان را بهبود میبخشند، اما هزینه اولیه آنها در مقایسه با گزینههای منفعل بالاتر است. با این حال، این فیلترها از طریق افزایش بازده و کاهش نگهداری، صرفهجویی بهتری در بلندمدت ارائه میدهند.
EN
اخبار داغ