Harmonisen vääristymän pääasiallinen syy fotovoltaikkasähköasennuksissa on niissä epälineaarisissa tehoelektroniikkalaitteissa, joita näemme kaikkialla nykypäivänä, erityisesti PV-muuntajissa ja erilaisissa kytkinlaitteissa. Vuonna 2024 julkaistu tutkimus verkkoon liittämisestä paljasti mielenkiintoisia havaintoja tästä ongelmasta. Tutkijat havaitsivat, että noin kaksi kolmasosaa kaikista aurinkopuistojen mitatuista harmonisista virroista aiheutuu ns. jännitelähtömuuntajista, kun ne muuntavat tasavirtaa vaihtovirraksi. Tässä tapahtuu jotain melko yksinkertaista, mutta samalla teknisesti monimutkaista. Nämä muuntajat tuottavat korkeataajuuisia kytkentäharmonisia taajuuksia välillä 2–40 kilohertsiä pulssinleveysmoduloinnin (PWM lyhyesti) ja erilaisten ristiintekniikoiden vuoksi. On kuitenkin huomioitava myös muita tekijöitä. Muuntajat voivat joskus saturoitua tietyissä olosuhteissa, ja kun useita muuntajia toimii yhdessä suurissa aurinkopuistoissa, ne voivat vuorovaikuttaa tavalla, joka synnyttää lisää harmonisia.
Kun harmonisia värähtelyitä ei hallita, ne vähentävät järjestelmän tehokkuutta noin 3–7 prosenttia edellisen vuoden Ponemonin tutkimuksen mukaan. Tämä johtuu siitä, että johtimet menettävät enemmän energiaa ja muuntajat kuumentuvat normaalia enemmän. Jos jännitteen vääristymä ylittää 5 % THD:n, asiat alkavat mennä pieleen melko nopeasti. Suojareleet eivät toimi kunnolla ja kondensaattorit usein rikkoutuvat odottamatta. Ongelma pahenee myös inverttereille. Ne, jotka toimivat ympäristössä, jossa on paljon harmonisia värähtelyitä, kärsivät eristeen heikkenemisestä noin 15–20 % nopeammin, mikä tarkoittaa useampia korjauksia ja korkeampia kustannuksia. Erityisen vakavia tilanteita esiintyy, kun verkon induktanssin ja PV-invertterien lähtövirran välillä syntyy resonanssi. Tämä ilmiö saa tietyt harmoniset värähtelyt niin voimakkaisiksi, että laitteet vaurioituvat joskus täysin korjaamattomiksi.
Maailmanlaajuisesti standardointijärjestöt ovat asettaneet melko tiukat säännöt jännitteen kokonaisharmoniseen vääristymään (THD), joiden mukaan vääristymä tulee pysyä alle 5 %:n ja virran harmonisten yliaaltojen ei saa ylittää 8 %:a siinä kohdassa, missä järjestelmät liitetään sähköverkkoon. Fotovoltaikkolaitoksille, joiden teho on yli 75 kilowattia, IEC 61000-3-6 -standardi asettaa lisävaatimuksen, joka edellyttää erityisiä testejä näiden harmonisten päästöjen mittaamiseksi. Kaikkien näiden säädösten noudattaminen edellyttää yleensä useita lievitysmenetelmiä. Yleisiä ratkaisuja ovat muun muassa tehokkaampien invertteripitomusten suunnittelu ja aktiivisten tehofilttereiden asentaminen. Useimmat sääntelyviranomaiset vaativat nykyisin jatkuvaa harmonisten aaltojen seurantaa aurinkovoimaloissa. Tämä auttaa välttämään kalliita sakkoja, kun verkon vakavuusongelmat johtuvat liiallisesta harmonisesta sisällöstä.
Aktiiviset suodattimet eli APF:t torjuvat haitallisia yliaaltoja aurinkosysteemeissä tunnistamalla ja kumoamalla haitalliset virrat reaaliajassa. Ne käyttävät virtasensoreita ja DSP-teknologiaa tarkkaillakseen kuormavirtojen tilaa ja erottaaakseen jopa pienimmätkin yliaalto-ongelmat, kuten kolmannen asteen värähtelyt. Joidenkin kenttätestien perusteella APF:t voivat vähentää kokonaisylioista vääristymää lähes 88 %:lla 500 kW:n tehokkaissa aurinkovoimaloissa verrattuna perinteisiin passiivisuodattimiin. Tämä suorituskyky parantaa huomattavasti järjestelmän vakautta ja tehokkuutta.
Verkon virran seuranta tapahtuu jatkuvasti Hallin antureiden kautta, jotka havaitsevat harmoniset signaalit melko hyvällä tarkkuudella, noin puolen prosentin virhemarginaalilla. Tämän jälkeen edistyneet DSP-algoritmit suorittavat vakavan määrän laskentatehoa ja tuottavat vastavirrat täsmälleen vaiheessa harmonisten komponenttien kanssa, joita on havaittu. Tutustu siihen, mitä tutkijat löysivät vuoden 2023 työstään reaaliaikaisista kompensointitekniikoista. He osoittivat, että kun aktiiviset suodattimet toimivat kytkentänopeudella jopa 20 kilohertsissä, ne voivat poistaa lähes kaikki ikävät viidennen ja seitsemännen kertaluvun harmoniset komponentit vain kahdessa tuhannesosasekunnissa. Melko vaikuttavaa kaikille, jotka kohtaavat virtalaatuongelmia arjessaan.
Tämä ohjausmenetelmä erottaa hetkelliset teholliset (p) ja loisteho (q) -komponentit käyttäen Clarke-muunnoksia. Synchronisoimalla verkkojännitteen kanssa vaihelukittujen silmukoiden (PLL) kautta p-q-menetelmä pitää tehokerroin yli 0,98 jopa 30 %:n säteilyvaihteluiden aikana. Tutkimukset osoittavat, että tämä menetelmä vähentää loistehon tarvetta 72 % verrattuna perinteisiin PI-säätimiin.
Tämä järjestelmä ottaa nämä kompensaatioviestit ja muuntaa ne varsinaisiksi kytkentäkäskyiksi niin kutsutun tilavektorin PWM-moduloinnin avulla. Nykyään useimmat aktiiviset suodattimet perustuvat IGBT-perusteisiin inverttereihin, jotka toimivat yli 97 prosentin hyötysuhteella ansiosta erittäin kehittyneille kuollossaajan kompensointitekniikoille, jotka vähentävät näitä ikäviä kytkentähäviöitä. Tutkimalla erilaisia PWM-jännitelähteen invertteriin liittyviä tutkimusartikkeleita huomataan, että nämä ratkaisut voivat poistaa harmonisia värähtelyjä kaistoilla, jotka ylittävät selvästi 2 kHz:n. Ja tässä on jotain tärkeää: ne pitävät kokonaisharmonisen v distortionin alle 4 %:n, täyttäen kaikki vaatimukset, jotka on esitetty viimeisimmässä IEEE 519 -standardissa vuodelta 2022.
| Parametri | Perinteinen suodatin | Aktiivisen tehon suodatin |
|---|---|---|
| Vasteaika | 50–100 ms | <2 ms |
| Harmonisten yliaaltojen käsittely | Kiinteä (5., 7.) | 2. – 50. |
| THD:n väheneminen | 40–60% | 85–95% |
| Sopeutumiskyky | Ei mitään | Dynaaminen kuormanseuranta |
Aktiivisten tehonkorjaussuodinten (APF) asianmukainen integrointi fotovoltaikkoparviin edellyttää huolellista asennusta ja ohjausstrategioita, jotka pitävät järjestelmän yhteensopivana sähköverkkostandardien kanssa samalla kun taataan hyvä sähkönlaatu. Useimmat nykyaikaiset asennukset valitsevat rinnankytketyt APF-ratkaisut, koska ne kytketään rinnakkain, mikä mahdollistaa harmonisten värähtelyjen kumoamisen reaaliajassa ilman, että varsinaista aurinkosähkön tuotantoa häiritään. IntechOpenissa vuonna 2023 julkaistun tutkimuksen mukaan noin 89 prosenttia uusista suurista aurinkovoimaloista sisältää nyt näitä rinnankytkettyjä APF-järjestelmiä, jotka toimivat yhdessä vaihelukittujen siltojen (PLL) kanssa. Nämä järjestelmät onnistuvat saavuttamaan verkon jännitteen tarkan yhdenmukaisuuden, tyypillisesti puolen asteen tarkkuudella molemmille puolille. Tällainen tarkkuus vaikuttaa merkittävästi aurinkovoimaloiden kokonaissuorituskykyyn.
Shunt-APF:t toimivat injektoimalla vastaharmonisia virtoja sähköverkkoon jännitelähteellä varustettujen invertterien kautta. Avaintiedot sisältävät:
Adaptiiviset säätimet parantavat harmonisen vääristymän hillintää vaihtelevissa valoisuusolosuhteissa säätämällä automaattisesti vahvistusparametreja. Kenttätestit vuonna 2024 osoittivat, että adaptiiviset järjestelmät alentavat kokonaisharmonista vääristymää (THD) 8,2 %:sta 3,1 %:iin osittaisen varjostuksen alaisuudessa, tehden 42 % paremmin kuin kiinteän vahvistuksen mallit transienttivasteessa.
Kolme keskeistä integrointitapaa hallitsee nykyaikaisia PV-laitoksia:
| Menetelmä | THD:n väheneminen | Kustannukset toteutukseen |
|---|---|---|
| Keskitetty APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| Jonoitasoinen APF | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hybridi APF-PV-invertteri | 89-95% | Integroitu suunnittelu |
Vuoden 2024 ScienceDirect-analyysi osoitti, että hybridijärjestelmät paransivat energiantuottoa 6,8 % verrattuna erillisiin APF-ratkaisuihin 500 kW:n aurinkopaneeleissa.
Hybridi-fotovoltaista aktiivista tehonsuodatinta käyttävät järjestelmät hyödyntävät nykyisin erityisiä inverttereitä, jotka hoitavat sekä energianmuunnoksen että sähköisten häiriöiden vähentämisen samanaikaisesti. Uusimmat ratkaisut sisällyttävät tehonsuodatuksen suoraan pääinverteriyksikköön. Tämä vähentää tarvittavien komponenttien määrää noin 37 % verrattuna erillisiin komponentteihin, kuten Wongin ja kollegoiden vuonna 2021 julkaistu tutkimus osoittaa. Nämä järjestelmät toimivat älykkäiden kytkentätekniikoiden avulla, joiden ansiosta ne voivat seurata aurinkosähkön maksimitehopistettä samalla kun ne poistavat epätoivottuja harmonisia värähtelyjä. Järjestelmät jakavat keskeisiä komponentteja, kuten DC-linkkikondensaattoreita ja IGBT-moduuleja, joita käytetään useimmissa nykyaikaisissa elektroniikkalaitteissa. Käytännön testit osoittavat, että nämä järjestelyt pitävät kokonaisharmoninen vääristymä alle 3 %:n, mikä on melko hyvä taso ottaen huomioon, että ne myös muuntavat auringonvalon sähköksi noin 98,2 %:n hyötysuhteella. Melko vaikuttavaa sellaisesta ratkaisusta, joka auttaa puhdistamaan sähköverkkojamme ja samalla tehostaa uusiutuvien energialähteiden hyödyntämistä.
500 kW:n hybridijärjestelmien laitteessa-silmukassa (HIL) suoritetut simuloinnit osoittavat 89 % nopeammat värähtelyvasteajat verrattuna perinteisiin passiivisuodattimiin. Vuoden 2024 uusiutuvan energian tutkimus paljasti, että PV-APF-järjestelmissä olevat mukautuvat säätimet vähentävät jännitevaihteluita 62 % osittaisen varjostuksen ehdoissa. Kenttäkäytössä saavutettiin kestävä THD-puristus alle 5 %:n yli 1 200 käyttötunnin ajan, jopa 30 %:n epälineaaristen kuormien ollessa kyseessä.
Kaupallinen aurinkopuisto poisti harmoniseen ylikuumenemiseen johtaneet ongelmat PV-APF-järjestelmän integroinnilla. Hybridijärjestelmään asennettiin kahdeksan 60 kVA:n kaksitoimista invertteriä rinnankytkentänä, saavuttaen seuraavat arvot:
Asennuksen jälkeinen valvonta vahvisti, että noudatetaan IEEE 519-2022 -standardeja 25 %:n muuttuvan pilvisyyden skenaarioissa.
Aktiiviset suodattimet auttavat pitämään asioita sähköverkkolaitteiden jännitesäädösten rajoissa pitämällä kokonaisharmoninen vääristymä (THD) alle kriittisen 5 %:n rajan, joka on määritelty IEEE 519-2022 -standardissa. Vuoden 2023 tuoreiden tutkimusten mukaan, jotka perustuvat kahdeksaan laajakaistaan aurinkosähköasennukseen, nämä suodattimet parantavat tyypillisesti tehokerrointa välillä 0,15–0,25 ja vähentävät jänniteepätasapainoon liittyviä ongelmia noin kaksi kolmasosaa. Niiden erityinen arvo perustuu kykyyn selviytyä äkillisistä jänniteheikennyksistä, kun pilvet peittävät aurinkopaneeleita – tilanteessa, joka voi todella heikentää verkon vakautta. Useimmat nykyaikaiset verkkomääräykset edellyttävät, ettei jännitetaso saa vaihdella enempää kuin 10 %, ja aktiiviset suodattimet täyttävät jatkuvasti tämän vaatimuksen erilaisissa käyttöolosuhteissa.
Aurinkosäteilyn vaihtelut aiheuttavat epätoivottuja väliharmonisia taajuuksia 1–2 kHz:n alueella, joihin tavalliset invertterit eivät yksinkertaisesti ole riittävän varusteltuja reagoimaan tehokkaasti. Tämän ongelman ratkaisemiseksi aktiivisuodattimet käyttävät todellista aikaa vaativaa pulssileveysmodulointia alle 50 mikrosekunnin vastausajoilla, mikä onnistuneesti poistaa nämä harmoniset vääristymät. Kenttätestauksissa on saavutettu vaikuttavia tuloksia, joissa 150–250 Hz:n välharmonisten komponenttien määrä on vähentynyt noin 85–90 prosenttia. Nämä parannukset ovat kriittisiä, koska ne estävät muuntajien ylikuumenemisen ja samalla vähentävät linjamenetyksiä noin 12–18 prosenttia yli megawatin tehoisissa aurinkosähköasennuksissa. Lisäetuna on, että kun nämä suodattimet toimivat yhdessä energiavarastojen kanssa, ne vähentävät huomattavasti jännitefläppiä äkillisten muutosten yhteydessä aurinkoenergian tuotannossa, saavuttaen teollisuusmittausten mukaan 60–75 prosentin vaimennustasoja.
Aktiiviset suodattimet maksavat noin 30–40 prosenttia enemmän alussa kuin passiiviset vaihtoehdot, mutta ne kompensoivat tämän huomattavasti paremmilla pitkän aikavälin säästöillä. Näiden järjestelmien hyötysuhde on tyypillisesti 92–97 prosenttia, mikä vähentää vuosittaisia kunnossapitokustannuksia noin 18–22 dollaria jokaista kilowattia kohti viiden vuoden aikana. Niiden houkuttelevuutta lisää modulaarinen rakenne. Laitokset voivat asentaa nämä suodattimet vaiheittain ja silti pitää toiminnan tasaisena, koska sisäänrakennettu redundanssi pitää harmonisen vääristymän alle puolessa prosentissa, vaikka yksittäistä suodatinta huollettaisiin. Tässä on kuitenkin yksi este – näiden järjestelmien kunnonvarmistus vaatii asennuskustannuksiin lisäpanostuksen noin 4,50–6,80 dollaria kohden lisättävää kW:ta. Alle 50 megawatin toiminnoille tämä tarkoittaa sitä, että on tehtävä perusteellista laskelmaa ennen päätöstä siitä, antavatko pitkän aikavälin edut riittävästi takaisin alkuperäisen hinnan suhteen.
Fotovoltaikkavoimaloiden pääasialliset harmonisten yliaaltojen lähteet ovat jännitelähtöiset invertterit, jotka aiheuttavat kaksi kolmasosaa harmonisista virroista, sekä useiden invertterien välinen vuorovaikutus tai kyllästyneet muuntajat.
Harmoniset värähtelyt voivat vähentää järjestelmän tehokkuutta 3–7 %:lla, johtaa suojareleiden toimintahäiriöihin ja kondensaattorien rikkoutumiseen sekä lisätä invertterin eristeen hajoamista 15–20 %:lla.
Jännitteen kokonaisharmoninen värähtely (THD) tulisi pitää alle 5 %:n ja virtaharmonisten tasojen ei tulisi ylittää 8 %:a useiden standardien mukaan, mukaan lukien IEC 61000-3-6 yli 75 kW:n asennuksille.
Aktiiviset suodattimet käyttävät virtasensoreita ja DSP-teknologiaa harmonisten virtojen tunnistamiseen ja kumoamiseen reaaliajassa, mikä vähentää huomattavasti kokonaisharmonista vääristymää järjestelmässä.
Vaikka aktiiviset suodattimet parantavat verkkokoodinmukaisuutta ja sähkön laatua, niiden alkuhinta on korkeampi verrattuna passiivisiin vaihtoehtoihin. Ne tarjoavat kuitenkin parempia pitkän aikavälin säästöjä tehokkuuden kasvaessa ja huoltotarpeen vähentyessä.
EN
Uutiskanava