Miten aktiivinen suodatin estää harmonisia värähtelyitä fotovoltaikkavoimaloissa?

Harmonisten värähtelyjen lähteet PV-järjestelmissä

Aurinkosähköjärjestelmät aiheuttavat yleensä harmonisia värähtelyitä pääasiallisesti niiden epälineaaristen tehoelektroniikkakomponenttien vuoksi, joita löytyy inverttereistä ja DC-DC-muuntimista. Nämä komponentit häiritsevät sähkövirtojen muotoa energian muunnettaessa toisesta muodosta toiseen. Myös muuntimet, jotka toimivat lähellä magneettista kytkentärajaaan, edistävät tätä ilmiötä samoin kuin epätasapainoiset kolmivaihekuormat järjestelmässä. Tarkasteltaessa alkuvuoden 2024 viimeisintä tutkimusta siitä, mistä näitä epätoivottuja taajuuksia syntyy vihreissä energiaratkaisuissa, useimmat tutkimukset osoittavat sormea tehoelektroniikan rajapintojen suuntaan, jotka ovat vastuussa noin 72 prosentista kaikista harmonisista ongelmista nykypäivän fotovoltaattisissa laitoksissa.

Miten invertterin kytkentä synnyttää harmonisia virtoja

Kun invertterit kytkentää käyttäen pulssileveysmodulointia (PWM), ne aiheuttavat usein häiritseviä yliaaltoja. Useimmat invertterit toimivat noin 2–20 kilohertsin taajuusalueella kytkentätoiminnassaan. Tässä tapahtuu itse asiassa melko yksinkertainen ilmiö – saamme erilaisia korkeataajuisia virran ripulointeja sekä niitä tyypillisiä yliaaltojoukkoja, jotka muodostuvat tasan kertomissa perustaajuuden mukaisesta kytkentätaajuudesta. Tarkastellaan tilannetta, jossa 4 kHz:n invertteriä käytetään yhdessä vakioarvoisen 50 Hz:n sähköverkon kanssa. Äkkiä näkyviin ilmestyy hallitsevia yliaaltoja esimerkiksi kohdissa 4 kHz plus tai miinus seuraava 50 Hz:n monikerta. Jos kukaan ei asenna asianmukaisia suodattimia tämän häiriön hallitsemiseksi, nämä epätoivottavat virrat jatkavat virtaamistaan takaisin pääsähköverkkoon. Tuloksena? Huonompi jännitelaatu yleisesti ja tarpeetonta kulumista kaikissa verkkoon kytketyissä laitteissa.

Korkean aurinkosähkön osuuden vaikutus verkon yliaaltoihin

Kun PV:n läpäisyaste ylittää 30 % jakeluverkoissa, kumulatiivinen harmoninen vääristymä voimistuu seuraavista syistä:

• Vaiheen vuorovaikutus : Synkronoidut invertterien kytkennät vahvistavat tiettyjä harmonisia taajuuksia
• Verkon impedanssi : Korkeampi impedanssi harmonisilla taajuuksilla lisää jännitevääristymää
• Resonanssiriskit : Vuorovaikutus invertterin kapasitanssin ja verkon induktanssin välillä voi aiheuttaa resonanssihuippuja

Kenttätutkimukset ovat rekisteroineet transientteja THD-piikkejä, jotka ylittävät 30 % nopeiden säteilymuutosten aikana – selvästi yli IEEE 519-2022 -standardin salliman 5 %:n jännitteen THD-rajan. Nämä olosuhteet lisäävät muuntajan häviöitä 15–20 %:lla ja nostavat johtimien lämpötilaa 8–12 °C, mikä kiihdyttää eristeen vanhenemista ja lyhentää laitteiden käyttöikää.

Miten aktiiviset tehonsuodattimet lievittävät harmonisia värähtelyjä reaaliajassa

Passiivisten suodattimien rajoitukset dynaamisissa PV-ympäristöissä

Passiiviset harmoniset suodattimet eivät sovi nykyaikaisiin fotovoltaalijärjestelmiin niiden kiinteiden säätöominaisuuksien vuoksi. Ne eivät pysty mukautumaan muuttuvaan harmoniseen spektriin, joka johtuu muuttuvasta säteilyvoimakkuudesta tai kuorman dynamiikasta. Tärkeimmät haitat ovat:

• Kykenemättömyys reagoida pilvisyyden aiheuttamiin harmonisiin vaihteluihin
• Resonanssiriski verkkoon kytkettyjen invertterien kanssa, mikä on havaittu 63 %:ssa PV-asennuksista
• 74 % korkeammat vuosittaiset kustannukset verrattuna aktiiviratkaisuihin (EPRI 2022)

Nämä rajoitukset heikentävät luotettavuutta ja tehokkuutta ympäristöissä, joissa harmoniset profiilit vaihtelevat päivän aikana.

Aktiivisen suodattimen toimintaperiaate: Reaaliaikainen harmoninen virran injektio

Aktiiviset suodattimet (APF) käyttävät IGBT-perusteisia inverttereitä ja digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP) harmonisten komponenttien havaitsemiseen ja neutralointiin alle 2 millisekunnissa. Kuten IEEE 519-2022 teknisissä ohjeissa mainitaan, prosessi sisältää:

1. Verkkovirran näytteenotto taajuudella 20–100 kHz harmonisten komponenttien havaitsemiseksi
2. Lasketaan vastavaiheisten harmonisten virtojen reaaliaikaisesti
3. Korvausvirtojen injektointi korkeataajuudella kytkennällä (10–20 kHz)

Tämä dynaaminen reaktio mahdollistaa aktiivisten tehokorjauslaitteiden (APF) ylläpitää kokonaisharmoninen vääristymä (THD) alle 5 %:ssa, myös suuressa aurinkosähkön osuudessa (>80 %) ja nopeasti muuttuvissa tuotantoprofiileissa.

Aktiivisen tehokorjauslaitteen optimaalinen sijoitus yhteispistorasialla (PCC)

APF-laitteiden asentaminen yhteispistorasiaan (PCC) maksimoi harmonisten vääristymien hillinnän ottamalla huomioon sekä inverstaattoreiden aiheuttamat vääristymät että verkon ylävirran häiriöt. Tämä strateginen sijoittaminen johtaa seuraaviin tuloksiin:

• 8–12 % suurempi THD-vähennys kuin kuormalähdön konfiguraatioilla
• Samanaikainen jännitteen räpsytyksen ja vaiheen epätasapainon korjaus
• 32 % pienempi tarvittava suodinkapasiteetti keskitetyn kompensoinnin kautta

Sijoittamalla APF:t liityntäpisteeseen, voidaan suojata alavirtalaitteita ja taata standardienmukaisuus koko järjestelmässä.

Edistyneet ohjausstrategiat rinnankytkettyjen aktiivisten tehokorjauslaitteiden käytölle aurinkosähköjärjestelmissä

Heti reaktiivinen tehoteoria (p-q) SAPF-ohjauksessa

PQ-teoria muodostaa perustan siitä, miten rinnankytkennän aktiiviset suodattimet (SAPF:t) toimivat taikuuttaan epäpuhtaiden harmonisten ja reaktiivisten komponenttien havaitsemisessa sähkökuormissa. Tässä tapahtuu itse asiassa melko nerokasta: kolmivaiheiset virrat muunnetaan ortogonaalisiksi komponenteiksi, joita kutsutaan p:ksi (teho) ja q:ksi (reaktiivinen teho), kaikki linjassa verkon puolen tapahtumien kanssa. Tämä menetelmä on oikeassa noin 9 kertaa 10:stä, kun kyseessä on harmonisten komponenttien erottaminen sekoituksesta. Kun nämä vertailusignaalit on selvitetty, ne kertovat SAPF-invertterille tarkalleen, mitä on kumottava, erityisesti niistä sitkeistä viidennen ja seitsemännen kertaluvun harmonisista, jotka usein esiintyvät aurinkopaneelien käyttämissä verkoissa, kuten Nature Energyn viime vuonna julkaisemassa tutkimuksessa todettiin.

Stabiilisuuden parantaminen DC-linkkijännitteen säädöllä

Stabiilin DC-link-jännitteen ylläpitäminen on erittäin tärkeää, jotta SAPF-laitteista saadaan tasalaatuista suorituskykyä. Järjestelmä käyttää tyypillisesti niin sanottua verrannollis-integraaliohjainta tasapainon pitämiseksi. Tämä laite säätää DC-kondensaattorin jännitettä ohjaamalla todellisen tehon virtausta laitteen ja sähköverkon välillä. Testit osoittavat, että tämä menetelmä vähentää jännitteen aaltomaisuutta noin 60 prosentilla verrattuna järjestelmiin, joissa ei ole sääntelyä. Mitä tämä käytännössä tarkoittaa? Se auttaa ylläpitämään asianmukaista harmoninen kompensaatiota myös silloin, kun esiintyy ongelmia, kuten osittaista varjostusta tai äkillisiä muutoksia valon intensiteetissä. Tällaisia ongelmia esiintyy jatkuvasti suurissa aurinkovoimaloissa, mikä tekee tehokkaasta jännitteen säädöstä ehdottoman välttämättömän moitteettoman toiminnan kannalta.

Uudet trendit: Adaptiivinen ja tekoälypohjainen säätö rinnankytkettyjen aktiivisten suodinten ohjauksessa

Uusimmat SAPF-mallit yhdistävät tekoälyverkot ja mallipohjaiset ennakoivat ohjausmenetelmät ennustamaan harmonisen käyttäytymisen aiemmista aurinkopaneelien tuotoista ja sähköverkon tiedoista. Näiden älykkäiden järjestelmien erottuva piirre on niiden kyky reagoida 30 prosenttia nopeammin kuin perinteiset menetelmät samalla, kun ne automaattisesti muuttavat kytkentätaajuuksia 10–20 kHz:n välillä paremman suorituskyvyn säädön saavuttamiseksi. Käytännön testauksessa on osoitettu, että kun tekoäly otetaan mukaan SAPF-järjestelmien toimintaan, kokonaisharmoninen vääristymä pysyy jatkuvasti alle 3 %:n, mikä todella ylittää IEEE 519-2022:n asettamat tiukat standardit kaikenlaisissa erilaisissa käyttötilanteissa, kuten äskettäin IEEE:n julkaisemassa säätöjärjestelmätutkimuksessa esitetään.

Komplementtiset harmonisten värähtelyjen vähentämismenetelmät tehokkaampaa APF-suorituskykyä varten

Esisuodatusratkaisut: monipulssimuuntimet ja LCL-suodattimet

Monipulssinvertterit vähentävät harmonisten yliaaltojen syntymistä jo lähteessä käyttämällä vaihesiirrettyjä muuntajakeloja. Ne voivat poistaa häiritsevät 5. ja noin 7. yliaallot jopa 40–60 prosentilla verrattuna tavallisiin 6-pulssisuunnitelmiin. Lisää nykyään LCL-suodatin sekaan ja katso, mitä sitten tapahtuu. Nämä suodattimet toimivat erinomaisesti kaiken kytkentätaajuuden korkeataajuista kohinaa yli noin 2 kHz:n alueella vaimentaessaan. Yhdessä ne todella keventävät kuormaa järjestelmän jälkeen tuleville aktiivisille tehokorjaussuotimille (APF). Aurinkoenergiajärjestelmissä työskenteleville tämä kerrostettu suodatusstrategia tekee tiukkojen IEEE 519-2022-standardien noudattamisesta paljon helpompaa. Joidenkin IntechOpenin tutkimusten mukaan tämä parantaa standardien noudattamista noin 15–30 prosenttia.

Hybridiapproachit: Yhdistämällä zig-zag-muuntajat aktiivisiin tehokorjaussuotimiin

Saksetransformaattori tekee melko hyvää työtä näiden vaivaisiin nollajärjestyksen harmonisiin, joita kutsutaan tripleneiksi (ajattele 3., 9., 15. kertalukua). Nämä pienten ongelmien aiheuttajat ovat syyt ylivirratuille neutraaleille johtimille kolmivaiheisissa aurinkosähköjärjestelmissä. Yhdistämällä nämä transformaattorit aktiivisiin suodattimiin saavutetaan noin 90 prosentin luokkaa oleva vähennys alhaisemmissa taajuuksissa oleviin harmonisiin alle 1 kHz:n alueella erilaisten verkkoliitäntätestien mukaan. Tämä yhdistelmä on mielenkiintoinen siksi, että se mahdollistaa suunnittelijoiden mitoittaa APF:t noin puoleen alkuperäisestä koosta, joskus jopa enemmän. Ja pienemmät APF:t tarkoittavat merkittäviä säästöjä laitteiden hankintakustannuksissa sekä jatkuvien huoltokustannusten laskussa.

Älykkään invertterin ohjelmiston integrointi ennakoivaan harmonisen vaimennukseen

Uusimman sukupolven verkkomuodostavat invertterit ovat alkaneet käyttää ennakoivia algoritmeja harmonisten värähtelyjen hillitsemiseen, ja ne säätävät modulointistrategioitaan alle viidessä millisekunnissa. Nämä älykkäät laitteet kommunikoivat aktiivisten tehonsuodinten kanssa IEC 61850 -standardien kautta, mikä mahdollistaa aaltomuoto-ongelmien korjaamisen juuri niiden syntyessä, eikä ongelmia anneta kasvaa järjestelmän myöhemmissä vaiheissa. Käytännön testauksessa ilmenee mielenkiintoinen ilmiö, kun järjestelmät toimivat yhdessä tällä tavalla. Kokonaisharmoninen v distortion laskee alle kolmeen prosenttiin, vaikka auringonvalon taso muuttuisi äkillisesti – tämä on erityisen vaikuttavaa, kun otetaan huomioon aurinkovoimalaitosten herkkyys. Lisäksi on mainittava vielä toinen etu: aktiivinen tehonsuodin kytkentää itseään päälle ja pois 40 % harvemmin kuin aiemmin. Tämä tarkoittaa pitempää laitteiston käyttöikää ja parempaa kokonaisuudistusta koko energiaverkon tehokkuudelle.

Aktiivisten tehonsuodinten suorituskyvyn ja taloudellisen arvon arviointi aurinkovoimalaitoksissa

Mittauksen tehokkuus: IEEE 519-2022 -määräysten noudattaminen ja THD:n vähentäminen – esimerkkitapauksia

Fotovoltaikkasäädöt tarvitsevat aktiivisia tehofilttereitä noudattaaakseen IEEE 519-2022 -standardit, jotka asettavat 5 %:n rajan jännitteen kokonaisharmoniseen vääristymään liityntäpisteissä. Käytännössä nämä APF:t tyypillisesti vähentävät THD-tasot noin 12 prosentista vain 2–3 prosenttiin useimmissa kaupallisissa aurinkosähköjärjestelmissä. Tämä auttaa estämään laitteiden liiallista lämpenemistä ja pysäyttää ne ikävät aaltomuodon vääristymät, jotka voivat vaurioittaa järjestelmiä ajan myötä. Tarkasteltaessa vuonna 2023 tehtyä tutkimusta, jossa tarkasteltiin seitsemää suurta aurinkovoimalaa, huomattiin mielenkiintoinen asia: APF:n asennuksen jälkeen verkkokoodien noudattaminen nousi dramaattisesti hieman yli puolesta (noin 58 %) lähes täydelliseen noudattamiseen 96 %:iin. Virranlaatua tutkivat asiantuntijat huomauttavat säännöllisesti toisestakin edusta: nämä suodattimet toimivat vielä varsin hyvin, vaikka järjestelmä ei toimisi täydellä teholla, joskus jopa 30 %:n tasolla, mikä tekee niistä erityisen soveltuvia aurinkoenergiaan, jossa energiantuotanto vaihtelee luonnollisesti koko päivän ajan.

Pitkän aikavälin kenttäsuoritus: Aktiivinen tehofiltteri saksalaisessa aurinkovoimalassa

Saksassa toimiva 34 megawatin fotovoltaikkavoimala osoitti vaikuttavaa suoritusta aktiivisen tehofiltterijärjestelmänsä osalta lähes neljän ja puolen vuoden ajanjaksolla. Kokonaisharmoninen vääristymä pysyi tasaisesti alle 3,8 prosentin, jopa silloin, kun voimalan tuotanto vaihteli dramaattisesti 22–98 prosentin kapasiteetista. Tämä saavutus on huomionarvoinen, koska älykäs ohjausjärjestelmä vähensi kondensaattorirakennusten vaihtamista noin kolme neljäsosaa verrattuna perinteisiin passiivisiin menetelmiin. Katsottaessa käytettävyystilastoja, APF ylläpiti toimintaa hämmästyttävällä 98,6 prosentilla, mikä ylittää useimpien passiivisten suodinten saavuttaman tuloksen vertailukelpoisissa sääoloissa (yleensä 91–94 prosenttia). Huoltotiimit ilmoittivat myös tarvitsevansa puuttua noin 40 prosenttia harvemmin verrattuna vanhempiin reaktoripohjaisiin suodatusmenetelmiin, mikä toi merkittäviä kustannussäästöjä pitkällä aikavälillä.

Kustannus-hyötyanalyysi: Alkuperäisen sijoituksen tasapainottaminen verkon sakkojen säästöillä

APF:t tulevat varmasti korkeammalla alkuperäisellä hinnalla, yleensä noin 25–35 prosenttia enemmän kuin tavalliset passiivisuodattimet. Mutta siinä kopsahtaa: ne säästävät tehtaita kahdeksantoistatuhannesta neljäänkymmeneenviiteentuhanteen dollariin vuodessa näistä ikävistä verkon sakkoista, jotka johtuvat harmonisista ongelmista. Otetaan tyypillinen 20 megawatin laitos esimerkiksi, ja säästetyt rahat kattavat ylimääräisen hinnan hieman alle neljässä vuodessa. Monet yritykset yhdistävät nykyään APF:t nykyisiin LCL-suodattimiinsa. Tämä hybridiratkaisu vähentää hillintakustannuksia noin 19 sentillä jokaista huippuwattia kohti verrattuna täyteen passiivisiin järjestelmiin. Lisäksi sääntelyviranomaiset ovat alkaneet kohdella APF:itä todellisina pääomavaatteina, joita voidaan poistaa seitsemästä kahdentoista vuoteen. Tämä tekee niistä taloudellisesti houkuttelevampia verrattuna perinteisiin ratkaisuihin, joiden kirjaaminen pois kestää koko 15 vuotta. Laskelmat toimivat yksinkertaisesti paremmin useimmille toiminnoille, jotka katsovat pitkän aikavälin säästöjä.

UKK

Mitä aiheuttaa harmonisia värähtelyjä fotovoltaattijärjestelmissä?

Harmoniset värähtelyt fotovoltaattijärjestelmissä aiheutuvat ensisijaisesti epälineaarisista tehoelektroniikkakomponenteista, kuten inverttereistä ja DC-DC-muuntimista. Muita lähteitä ovat muuntimet, jotka toimivat lähellä magneettista kytkentärajaa, sekä epätasapainoiset kolmivaihekuormat.

Kuinka invertterit tuottavat harmonisia virtoja?

Pulssileveysmodulointia (PWM) käyttävät invertterit luovat harmonisia virtoja kytkentähetkillä, mikä aiheuttaa korkeataajuisia aaltoiluja ja harmonisia ryhmiä peruskytkentätaajuuden monikerroilla.

Mikä on suuren PV-kannattimen vaikutus verkon harmonisiin värähtelyihin?

Kun PV-kannatin lisääntyy, harmoninen vääristymä voimistuu vaiheiden vuorovaikutumisen, verkon impedanssin ja resonanssiriskien vuoksi, mikä johtaa suurempiin muuntajahäviöihin ja johtimien lämpötilan nousuun.

Kuinka aktiiviset suodattimet auttavat harmonisten värähtelyjen hillinnässä?

Aktiiviset tehonsuodattimet (APF) tunnistavat ja neutraloivat harmoniset värähtelyt IGBT-pohjaisilla inverttereillä ja DSP:llä, vähentäen kokonaisharmonista vääristymää alle 5 %:iin, edes suurella aurinkoenergian osuudella.

Mikä on edun APF:n asentamisessa yhteiseen liitospisteeseen (PCC)?

APF:n asentaminen PCC:hen korjaa sekä invertterin aiheuttamat vääristymät että sähköverkon häiriöt, mikä johtaa suurempaan kokonaisharmoniseen vääristymään (THD) ja samanaikaiseen jännitteen räpsytyksen korjaukseen.