فیلتر توان فعال چگونه هارمونیک‌ها را در نیروگاه‌های فتوولتائیک سرکوب می‌کند؟

منابع هارمونیک در سیستم‌های فتوولتائیک

سیستم‌های انرژی خورشیدی تمایل دارند به دلیل اینورترها و مبدل‌های DC-DC که حاوی الکترونیک قدرت غیرخطی هستند، هارمونیک تولید کنند. این اجزا شکل جریان‌های الکتریکی را هنگام تبدیل انرژی از یک شکل به شکل دیگر تغییر می‌دهند. ترانسفورماتورهایی که در نزدیکی حد اشباع مغناطیسی خود کار می‌کنند نیز به این مشکل کمک می‌کنند، همراه با بارهای نامتعادل سه فاز در سراسر سیستم. با بررسی تحقیقات اخیر از اوایل سال ۲۰۲۴ درباره منشأ این فرکانس‌های ناخواسته در نصب‌های انرژی سبز، بیشتر مطالعات اشاره می‌کنند که رابط‌های الکترونیک قدرت مسئول حدود ۷۲ درصد از تمام مشکلات هارمونیک در نیروگاه‌های فتوولتائیک امروزی هستند.

چگونه سوئیچینگ اینورتر جریان‌های هارمونیکی تولید می‌کند

هنگامی که اینورترها با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) سوئیچ می‌شوند، تمایل به تولید جریان‌های هارمونیک مزاحم دارند. بیشتر اینورترها در محدوده‌ای حدود ۲ تا ۲۰ کیلوهرتز برای عملیات سوئیچینگ خود کار می‌کنند. آنچه در اینجا اتفاق می‌افتد در واقع بسیار ساده است — ما شاهد انواع ریپل‌های جریان با فرکانس بالا و همچنین خوشه‌های مشخصی از هارمونیک‌ها هستیم که دقیقاً در مضرب‌های فرکانس پایه سوئیچینگ ما شکل می‌گیرند. به این موضوع نگاه کنید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی شخصی یک اینورتر ۴ کیلوهرتزی را در کنار شبکه برق استاندارد ۵۰ هرتزی راه‌اندازی می‌کند. ناگهان هارمونیک‌های غالبی در نقاطی مانند ۴ کیلوهرتز به علاوه یا منهای هر مضرب بعدی از ۵۰ هرتز ظاهر می‌شوند. اگر فیلترهای مناسبی برای مدیریت این وضعیت نصب نشوند، این جریان‌های ناخواسته به راحتی به سیستم الکتریکی اصلی بازمی‌گردند. نتیجه چیست؟ کیفیت ولتاژ پایین‌تر و سایش و فرسودگی غیرضروری در تمام تجهیزات دیگری که به همان شبکه متصل هستند.

تأثیر نفوذ بالای فتوولتائیک بر سطح هارمونیک‌های شبکه

با افزایش نفوذ فتوولتائیک به بیش از ۳۰٪ در شبکه‌های توزیع، تشوه هارمونیک تجمعی به دلایل زیر تشدید می‌شود:

• تعامل فاز : کلیدزنی همزمان اینورترها فرکانس‌های هارمونیک خاصی را تقویت می‌کند
• امپدانس شبکه : امپدانس بالاتر در فرکانس‌های هارمونیکی باعث افزایش تشوه ولتاژ می‌شود
• خطرات رزونانس : تعامل بین خازنی اینورتر و سلفی شبکه می‌تواند پیک‌های تشدیدی ایجاد کند

مطالعات میدانی ضربان‌های گذرا در THD را بیش از ۳۰٪ در طی تغییرات سریع تابش ثبت کرده‌اند — بسیار بالاتر از حد مجاز ۵٪ THD ولتاژ در استاندارد IEEE 519-2022. این شرایط باعث افزایش ۱۵ تا ۲۰ درصدی تلفات ترانسفورماتور و افزایش دمای هادی‌ها به میزان ۸ تا ۱۲ درجه سانتی‌گراد می‌شوند و منجر به تسریع در تخریب عایق و کاهش عمر تجهیزات می‌گردند.

چگونه فیلترهای توان اکتیو به صورت لحظه‌ای از هارمونیک‌ها می‌کاهند

محدودیت‌های فیلترهای غیرفعال در محیط‌های پویای فتوولتائیک

فیلترهای هارمونیک غیرفعال به دلیل مشخصات تنظیم ثابت، برای سیستم‌های فتوولتائیک مدرن مناسب نیستند. این فیلترها نمی‌توانند به طیف هارمونیک متغیر ناشی از تابش متغیر یا دینامیک بار واکنش نشان دهند. معایب کلیدی شامل:

• عدم توانایی در پاسخ به تغییرات هارمونیک ناشی از ابر
• خطر رزونانس با اینورترهای متصل به شبکه، که در ۶۳٪ نصب‌های فتوولتائیک مشاهده شده است
• هزینه‌های تعمیر و نگهداری سالانه ۷۴٪ بالاتر نسبت به راه‌حل‌های فعال (EPRI 2022)

این محدودیت‌ها قابلیت اطمینان و کارایی را در محیط‌هایی که پروفایل هارمونیک در طول روز نوسان دارد، کاهش می‌دهند.

اصل کار فیلتر توان فعال: تزریق جریان هارمونیک در زمان واقعی

فیلترهای توان فعال (APFs) از اینورترهای مبتنی بر IGBT و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) برای تشخیص و خنثی‌سازی هارمونیک‌ها در عرض ۲ میلی‌ثانیه استفاده می‌کنند. همان‌طور که در راهنمای فنی IEEE 519-2022 آمده است، این فرآیند شامل:

1. نمونه‌برداری از جریان شبکه در فرکانس ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز برای ثبت محتوای هارمونیکی
2. محاسبه جریان‌های هارمونیک خلاف فاز به صورت زمان واقعی
3. تزریق جریان‌های جبرانی از طریق کلیدزنی با فرکانس بالا (10 تا 20 کیلوهرتز)

این پاسخ دینامیکی به فیلترهای توان اکتیو امکان می‌دهد تا نوسان کلی هارمونیک (THD) را حتی در شرایط نفوذ بالای فتوولتائیک (>80%) و الگوهای تولید متغیر سریع، زیر 5% حفظ کنند.

جایگاه بهینه فیلتر توان اکتیو در نقطه اتصال مشترک (PCC)

نصب فیلترهای توان اکتیو در نقطه اتصال مشترک (PCC) با برطرف کردن همزمان اعوجاجات تولیدشده توسط اینورتر و اختلالات شبکه از سمت بالادست، اثربخشی کاهش هارمونیک را به حداکثر می‌رساند. این چیدمان استراتژیک منجر به موارد زیر می‌شود:

• کاهش 8 تا 12 درصدی بیشتر THD نسبت به پیکربندی‌های جانب بار
• اصلاح همزمان نوسان ولتاژ و عدم تعادل فاز
• ظرفیت فیلتر مورد نیاز تا 32 درصد کمتر به دلیل جبران‌سازی متمرکز

با کاهش هارمونیک‌ها در نقطه اتصال، فیلترهای توان اکتیو نصب‌شده در PCC تجهیزات پایین‌دست را محافظت کرده و انطباق کل سیستم را تضمین می‌کنند.

راهبردهای کنترل پیشرفته برای فیلترهای توان اکتیو موازی در سیستم‌های فتوولتائیک

نظریه توان لحظه‌ای راکتیو (p-q) در کنترل فیلترهای توان اکتیو موازی (SAPF)

نظریه PQ اساس کار فیلترهای توان اکتیو شانت (SAPF) را تشکیل می‌دهد که به آنها اجازه می‌دهد هارمونیک‌ها و مؤلفه‌های راکتیو ناخواسته در بارهای الکتریکی را تشخیص دهند. در این روش، جریان‌های سه‌فاز به مؤلفه‌های متعامد p (توان اکتیو) و q (توان راکتیو) تبدیل می‌شوند که با شرایط شبکه هم‌راستا هستند. این روش تقریباً در ۹ از هر ۱۰ مورد موفقیت‌آمیز است و به خوبی مؤلفه‌های هارمونیکی را از سیگنال اصلی جدا می‌کند. پس از تعیین این سیگنال‌های مرجع، اینورتر فیلتر توان اکتیو شانت (SAPF) متوجه می‌شود که دقیقاً چه مؤلفه‌هایی باید حذف شوند، به‌ویژه هارمونیک‌های مقاوم پنجم و هفتم که طبق تحقیقات منتشر شده در مجله Nature Energy سال گذشته، در شبکه‌های تغذیه‌شده از پنل‌های خورشیدی بسیار شایع هستند.

بهبود پایداری با تنظیم ولتاژ DC-Link

حفظ ولتاژ پایدار در لینک مستقیم (DC-link) نقش بسیار مهمی در دستیابی به عملکرد مداوم فیلترهای اکتیو سری (SAPF) دارد. معمولاً سیستم از کنترل‌کننده‌ای به نام کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (proportional-integral) برای حفظ تعادل استفاده می‌کند. این دستگاه، ولتاژ خازن DC را از طریق تنظیم مقدار توان حقیقی جریان یافته بین تجهیزات و شبکه الکتریکی کنترل می‌کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این روش در مقایسه با سیستم‌های بدون تنظیم، حدود ۶۰ درصد به کاهش نوسان ولتاژ کمک می‌کند. این موضوع در عمل چه معنایی دارد؟ این روش به حفظ جبران هارمونیک مناسب کمک می‌کند، حتی زمانی که مشکلاتی مانند سایه‌اندازی جزئی یا تغییرات ناگهانی شدت نور خورشید رخ می‌دهد. این نوع مشکلات در مزارع خورشیدی بزرگ بسیار رایج هستند و کنترل مناسب ولتاژ را به یک عامل ضروری برای عملکرد روان تبدیل می‌کنند.

روند‌های نوظهور: کنترل تطبیقی و مبتنی بر هوش مصنوعی در فیلترهای اکتیو موازی

مدل‌های جدید SAPF اکنون شبکه‌های عصبی مصنوعی را با تکنیک‌های کنترل پیش‌بین مدل ترکیب می‌کنند تا رفتار هارمونیک را بر اساس خروجی‌های گذشتهٔ پنل‌های خورشیدی و اطلاعات شبکه پیش‌بینی کنند. آنچه این سیستم‌های هوشمند را متمایز می‌کند، توانایی آن‌ها در واکنش ۳۰ درصد سریع‌تر نسبت به روش‌های سنتی و تغییر خودکار فرکانس‌های سوئیچینگ در محدودهٔ ۱۰ تا ۲۰ کیلوهرتز برای تنظیم بهتر عملکرد است. آزمایش‌های واقعی نشان داده‌اند که هنگامی که هوش مصنوعی در عملیات SAPF نقش دارد، اعوجاج هارمونیک کلی به طور مداوم زیر ۳٪ باقی می‌ماند، که در تمام سناریوهای عملیاتی مختلف، استانداردهای سخت‌گیرانهٔ IEEE 519-2022 را شکست می‌دهد؛ این یافته مطابق با تحقیقات اخیر سیستم‌های کنترلی منتشر شده توسط IEEE است.

تکنیک‌های مکمل کاهش هارمونیک برای بهبود عملکرد APF

راه‌حل‌های پیش‌فیلتراسیون: اینورترهای چندپالسی و فیلترهای LCL

اینورترهای چند ضربه‌ای با استفاده از سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور با اختلاف فاز، تولید هارمونیک را درست از مبدأ کاهش می‌دهند. آنها می‌توانند هارمونیک‌های مزاحم پنجم و حدوداً هفتم را در مقایسه با طرح‌های قدیمی 6 ضربه‌ای معمولی، بین ۴۰ تا شاید حتی ۶۰ درصد کاهش دهند. امروزه با افزودن فیلتر LCL به این سیستم، شاهد تغییرات چشمگیری خواهید بود. این فیلترها در سرکوب نویز سوئیچینگ فرکانس بالا بالای حدود ۲ کیلوهرتز عملکردی شگفت‌انگیز دارند. با هم، این عناصر بار را برای هر فیلتر توان اکتیو (APF) که بعداً در سیستم قرار دارد، به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهند. برای افرادی که با نصب‌های خورشیدی کار می‌کنند، این استراتژی لایه‌بندی شده فیلترکردن، رعایت استانداردهای سخت‌گیرانه IEEE 519 2022 را بسیار آسان‌تر می‌کند. برخی مطالعات منتشر شده توسط IntechOpen این موضوع را تأیید می‌کنند و بهبودهایی در حدود ۱۵ درصد تا حداکثر ۳۰ درصد در نرخ انطباق را نشان می‌دهند.

رویکردهای ترکیبی: ترکیب ترانسفورماتورهای زیگ‌زاگ با فیلترهای توان اکتیو

ترانسفورماتور زیگ‌زاگ کار خوبی در مقابله با هارمونیک‌های مزاحم سری صفر که به آنها تریپلین (مانند مرتبه‌های ۳، ۹ و ۱۵) می‌گویند انجام می‌دهد. این عوامل مشکل‌ساز هستند که باعث اضافه بار شدن هادی نول در سیستم‌های فتوولتائیک سه فاز می‌شوند. با ترکیب این ترانسفورماتورها با فیلترهای فعال توان، طبق آزمون‌های مختلف اتصال به شبکه، حدود ۹۰ درصد یا بیشتر کاهش در هارمونیک‌های فرکانس پایین‌تر از ۱ کیلوهرتز حاصل می‌شود. چیزی که این ترکیب را جالب می‌کند این است که مهندسان را قادر می‌سازد تا ظرفیت فیلترهای فعال توان (APF) خود را تقریباً به نصف کاهش دهند و گاهی حتی بیشتر. و APFهای کوچکتر به معنای صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه‌های اولیه تجهیزات و همچنین کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در طول زمان است.

ادغام فرم‌افزار اینورتر هوشمند برای کاهش فعال هارمونیک

نسل جدید اینورترهای تشکیل‌دهنده شبکه شروع به استفاده از الگوریتم‌های پیش‌بینی برای سرکوب هارمونیک‌ها کرده‌اند و در کمتر از پنج میلی‌ثانیه استراتژی مدولاسیون خود را تنظیم می‌کنند. این دستگاه‌های هوشمند از طریق استانداردهای IEC 61850 با فیلترهای توان اکتیو ارتباط برقرار می‌کنند و این امکان را فراهم می‌آورند که مشکلات موج را دقیقاً در محل بروز آن رفع کنند، نه اینکه اجازه دهند مشکلات در بخش‌های پایین‌دست انباشته شوند. آزمایش‌های واقعی چیز جالبی را نشان می‌دهند وقتی سیستم‌ها به این شکل با هم کار می‌کنند. اعوجاج هارمونیکی کلی حتی زمانی که سطح نور خورشید به صورت ناگهانی تغییر می‌کند، به کمتر از ۳ درصد کاهش می‌یابد که با توجه به حساسیت نصب‌های خورشیدی، قابل توجه است. علاوه بر این، فایده دیگری هم وجود دارد که ارزش اشاره دارد: فیلتر توان اکتیو خود را ۴۰ درصد کمتر از قبل روشن و خاموش می‌کند. این بدین معناست که عمر تجهیزات افزایش یافته و راندمان کلی سیستم برق بهبود می‌یابد.

ارزیابی عملکرد و ارزش اقتصادی فیلترهای توان اکتیو در نیروگاه‌های فتوولتائیک

اندازه‌گیری اثربخشی: مطالعات موردی انطباق با IEEE 519-2022 و کاهش THD

نصب‌های فتوولتائیک به فیلترهای توان اکتیو نیاز دارند تا با استانداردهای IEEE 519-2022 که حد حداکثر ۵٪ برای اعوجاج هارمونیکی کل ولتاژ در نقاط اتصال تعیین کرده‌اند، سازگار باشند. هنگامی که این فیلترهای اکتیو (APF) در عمل مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً سطح اعوجاج هارمونیکی کل (THD) را از حدود ۱۲ درصد به تنها ۲ یا ۳ درصد در بیشتر سیستم‌های تجاری خورشیدی کاهش می‌دهند. این امر جلوی گرم شدن بیش از حد تجهیزات را می‌گیرد و از ایجاد اعوجاج‌های نامطلوب در شکل موج که می‌تواند به مرور زمان به سیستم‌ها آسیب برساند، جلوگیری می‌کند. با بررسی اتفاقات سال ۲۰۲۳ که در آن محققان هفت مزرعه خورشیدی بزرگ مقیاس را بررسی کردند، چیز جالبی مشاهده شد: پس از نصب فیلترهای توان اکتیو، میزان انطباق با کدهای شبکه از حدود ۵۸ درصد (کمی بیش از نیمی) به طور چشمگیری افزایش یافت و به تقریباً ۹۶ درصد رسید. کارشناسان کیفیت توان همچنین به مزیت دیگری اشاره می‌کنند: این فیلترها حتی زمانی که سیستم با ظرفیت کامل کار نمی‌کند — گاهی تنها با ۳۰ درصد ظرفیت — عملکرد مناسبی دارند که آن‌ها را به ویژه برای کاربردهای خورشیدی که تولید انرژی در طول روز به صورت طبیعی متغیر است، بسیار مناسب می‌سازد.

عملکرد بلندمدت در محل: فیلتر توان فعال در یک نصب خورشیدی آلمانی

یک نیروگاه فتوولتائیک با ظرفیت ۳۴ مگاوات در آلمان، عملکرد چشمگیری از سیستم فیلتر توان فعال خود در طی دوره‌ای کمی کمتر از چهار و نیم سال نشان داد. اعوجاج هارمونیک کل به طور مداوم زیر ۳٫۸٪ باقی ماند، حتی زمانی که خروجی نیروگاه بین ۲۲٪ تا ۹۸٪ ظرفیت نوسان داشت. آنچه این دستاورد را قابل توجه می‌کند این است که سیستم کنترل هوشمند، تعویض بانک خازنی را در مقایسه با روش‌های منفعل سنتی حدود سه چهارم کاهش داده است. با بررسی آمار دسترسیپذیری، فیلتر توان فعال (APF) عملیات خود را در سطح شگفت‌انگیز ۹۸٫۶٪ حفظ کرد که این رقم بالاتر از عملکرد اکثر فیلترهای منفعل در شرایط آب‌وهوایی مشابه (معمولاً بین ۹۱٪ تا ۹۴٪) است. تیم‌های نگهداری همچنین گزارش دادند که مداخله آن‌ها حدود ۴۰٪ کمتر از روش‌های قدیمی‌تر مبتنی بر رآکتور بوده است که این امر منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها در طول زمان شده است.

تحلیل هزینه-فایده: تعادل بین سرمایه‌گذاری اولیه و صرفه‌جویی در جریمه شبکه

فیلترهای فعال (APF) قطعاً در ابتدا هزینه بیشتری دارند و معمولاً حدود ۲۵ تا ۳۵ درصد نسبت به فیلترهای غیرفعال معمولی گران‌تر هستند. اما نکته اینجاست: این فیلترها سالانه بین هجده هزار تا چهل و پنج هزار دلار از هزینه‌های جریمه شبکه ناشی از مشکلات هارمونیک برای کارخانه‌ها صرفه‌جویی می‌کنند. به عنوان مثال، در یک واحد ۲۰ مگاواتی معمولی، پول صرفه‌جویی‌شده هزینه اضافی را در کمتر از چهار سال جبران می‌کند. بسیاری از شرکت‌ها اکنون فیلترهای فعال را با فیلترهای LCL موجود خود ترکیب می‌کنند. این رویکرد ترکیبی هزینه‌های کاهش آلودگی را حدود ۱۹ سنت به ازای هر وات پیک نسبت به استفاده انحصاری از سیستم‌های غیرفعال کاهش می‌دهد. علاوه بر این، مقررات‌گذاران اخیراً شروع به تلقی فیلترهای فعال به عنوان دارایی‌های سرمایه‌ای واقعی کرده‌اند که می‌توان آنها را طی دوره ۷ تا ۱۲ سال استهلاک داد. این امر باعث می‌شود این فیلترها از نظر مالی در مقایسه با راه‌حل‌های سنتی که ۱۵ سال کامل زمان می‌برد تا اموالشان تنخواه شود، جذاب‌تر به نظر برسند. از دیدگاه مالی، محاسبات برای بیشتر عملیاتی که به دنبال صرفه‌جویی بلندمدت هستند، منطقی‌تر عمل می‌کند.

‫سوالات متداول‬

علت ایجاد هارمونیک در سیستم‌های فتوولتائیک چیست؟

هارمونیک‌ها در سیستم‌های فتوولتائیک عمدتاً توسط الکترونیک قدرت غیرخطی موجود در اینورترها و مبدل‌های DC-DC ایجاد می‌شوند. منابع دیگر شامل ترانسفورماتورهایی که نزدیک به حد اشباع مغناطیسی خود هستند و بارهای نامتعادل سه‌فاز می‌شود.

اینورترها چگونه جریان‌های هارمونیکی تولید می‌کنند؟

اینورترهایی که از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) استفاده می‌کنند، هنگام کلیدزنی جریان‌های هارمونیکی ایجاد می‌کنند که باعث ایجاد ریپل‌های فرکانس بالا و خوشه‌های هارمونیکی در مضرب‌هایی از فرکانس پایه کلیدزنی می‌شوند.

تأثیر نفوذ بالای فتوولتائیک بر هارمونیک شبکه چیست؟

با افزایش نفوذ فتوولتائیک، تشوه هارمونیکی به دلیل تعاملات فاز، امپدانس شبکه و خطرات تشدید، تشدید می‌یابد که منجر به افزایش تلفات ترانسفورماتور و افزایش دمای هادی‌ها می‌شود.

فیلترهای توان فعال چگونه در کاهش هارمونیک‌ها کمک می‌کنند؟

فیلترهای توان فعال (APF) با استفاده از اینورترهای مبتنی بر IGBT و DSP، هارمونیک‌ها را تشخیص داده و خنثی می‌کنند و حتی در شرایط نفوذ بالای انرژی خورشیدی، میزان کلی تشوه هارمونیکی (THD) را به زیر ۵٪ کاهش می‌دهند.

مزیت نصب فیلترهای فعال توان (APF) در نقطه اتصال مشترک چیست؟

نصب فیلترهای فعال توان (APF) در نقطه اتصال مشترک (PCC) هم اعوجاج‌های تولیدشده توسط اینورتر و هم اختلالات شبکه را برطرف می‌کند که منجر به کاهش بیشتر THD و همچنین اصلاح دو زدن ولتاژ می‌شود.