Glavni uzrok harmonijskih izobličenja u fotonaponskim postrojenjima potječe od nelinearnih elektroničkih komponenti za napajanje koje danas svuda vidimo, posebno fotonaponskih invertora i različitih prekidačkih uređaja. Nedavna studija o integraciji u mrežu iz 2024. godine otkrila je nešto zanimljivo vezano uz ovaj problem. Otkriveno je da otprilike dvije trećine svih izmjerene harmonijske struje na solarnim farmama zapravo potječu od tzv. invertora izvora napona dok obavljaju svoj posao pretvaranja istosmjernog u izmjenični napon. Ono što se događa ovdje je prilično jednostavno, ali istovremeno tehnički složeno. Ti inverteri stvaraju visokofrekventne prekidačke harmonike u rasponu od 2 do 40 kiloherca zbog načina na koji moduliraju impulse (takozvana PWM metoda) uz korištenje nekih metoda međusobnog pomicanja (interleaving). Postoje i drugi doprinositelji koje vrijedi spomenuti. Transformatori se ponekad zasićuju pod određenim uvjetima, a kada više invertora radi zajedno u velikim solarnim parkovima, mogu međusobno djelovati na načine koji proizvode dodatne harmonike.
Kada se harmonici ne kontroliraju, smanjuju učinkovitost sustava za otprilike 3 do 7 posto, prema istraživanju Ponemona iz prošle godine. To se događa zato što vodiči gube više energije, a transformatori postaju previše vrući. Ako naponska izobličenja prijeđu 5% THD-a, stvari počinju brzo krenuti po zlu. Zaštitni releji prestaju ispravno raditi, a kondenzatori imaju sklonost neočekivanim kvarovima. Problem se pogoršava i za invertore. Oni koji rade u okolini punoj harmonika imaju približno 15 do 20% brže oštećenje izolacije, što znači češći popravak i veći troškovi. Neki zaista loši slučajevi nastaju kada dođe do rezonancije između induktivnosti mreže i onoga što proizlazi iz PV invertera. Ovaj efekt uzrokuje pojačanje određenih harmonika toliko jako da oprema ponekad dođe do trajnog oštećenja.
Organizacije za standarde širom svijeta postavile su prilično stroge pravila prema kojima ukupna harmonijska izobličenja napona (THD) moraju ostati ispod 5%, a harmonici struje ne smiju prelaziti 8% na točkama priključenja sustava na električnu mrežu. Za fotonaponske instalacije veće od 75 kilovata, postoji dodatni zahtjev iz standarda IEC 61000-3-6 koji zahtijeva specifična ispitivanja mjerenja ovih emisija harmonika. Ispunjenje svih ovih propisa obično znači primjenu različitih tehnika ublažavanja. Neke uobičajene metode uključuju projektiranje invertora s boljim topologijama i ugradnju aktivne opreme za filtriranje snage. Većina regulatora danas zahtijeva kontinuirano praćenje harmonika unutar solarnih parkova. To pomaže u izbjegavanju skupih kazni kada dođe do problema sa stabilnošću mreže zbog prekomjerne razine harmonika.
Aktivni filtri snage ili APF-ovi se bore protiv dosadnih harmonijskih izobličenja u solarnim sustavima tako što u stvarnom vremenu otkrivaju i poništavaju loše struje. Oni rade uz pomoć senzora struje i DSP tehnologije kako bi analizirali što se događa s teretnim strujama, prepoznajući čak i najmanje probleme poput izobličenja trećeg reda. Neki poljski testovi zapravo su pokazali da APF-ovi mogu smanjiti ukupno harmonijsko izobličenje za skoro 88% u solarnim elektranama snage 500 kW u usporedbi s tradicionalnim pasivnim filterima. Ova vrsta performansi znatno utječe na stabilnost i učinkovitost sustava.
Praćenje struje u mreži odvija se kontinuirano putem senzora efekta Hala koji detektiraju te harmoničke signale s prilično dobrim stupnjem točnosti, oko pola posto pogreške. Nakon toga slijedi ozbiljno računanje pomoću naprednih DSP algoritama koji stvaraju suprotne struje točno u protufazi s bilo kojim detektiranim harmonikama. Pogledajte na što su istraživači naišli u svom radu iz 2023. godine o tehnikama kompenzacije u realnom vremenu. Pokazali su da kada aktivni filtri snage rade na frekvencijama preklopa do 20 kiloherca, oni zapravo mogu neutralizirati gotovo sve one dosadne pete i sedme harmonike u samo dvije tisućinke sekunde. Prilično impresivno za sve one koji se svakodnevno suočavaju s problemima kvalitete električne energije.
Ova metoda upravljanja odvaja trenutne aktivne (p) i reaktivne (q) komponente snage koristeći Clarkeove transformacije. Sinkronizacijom s naponom mreže putem petlje s faznom zaključavanjem (PLL), p-q metoda održava faktor snage iznad 0,98 čak i tijekom fluktuacija osvjetljenja od 30%. Istraživanja pokazuju da ovaj pristup smanjuje potrošnju reaktivne snage za 72% u usporedbi s tradicionalnim PI regulatorima.
Ovaj sustav uzima te kompenzacijske signale i pretvara ih u stvarne naredbe za prekidanje putem tzv. modulacije PWM prostornog vektora. Danas se većina aktivnih filtera izrađuje oko IGBT invertora koji rade s učinkom većim od 97 posto zahvaljujući prilično pametnim tehnikama kompenzacije mrtvog vremena koje smanjuju one dosadne gubitke uslijed prebacivanja. Analizirajući različite znanstvene radove o istraživanjima invertora izvora napona s PWM-om, nalazimo da ovi dizajni mogu poništiti harmonike unutar frekvencijskih opsega znatno iznad 2 kHz. A evo još nečega važnog: oni drže ukupnu harmonijsku izobličenost ispod 4%, ispunjavajući sve zahtjeve utvrđene u najnovijem IEEE 519 standardu iz 2022. godine.
| Parametar | Tradicionalni filter | Aktivni filtar snage |
|---|---|---|
| Vrijeme odziva | 50–100 ms | <2 ms |
| Rukovanje redom harmonika | Fiksno (5., 7.) | 2. do 50. |
| Smanjenje THD-a | 40–60% | 85–95% |
| Prilagođenost | Nijedan | Dinamičko praćenje opterećenja |
Ispravna integracija aktivnih filtera snage (APF) u fotonaponske postrojenja zahtijeva pažljivu podešavanje i strategije upravljanja koje osiguravaju sukladnost s mrežnim standardima, uz održavanje visokog kvaliteta struje. Većina modernih instalacija koristi paralelne APF konfiguracije jer se one spajaju paralelno, omogućujući im da u stvarnom vremenu neutraliziraju harmonike bez utjecaja na stvarnu proizvodnju solarne energije. Prema istraživanju objavljenom 2023. godine putem IntechOpena, otprilike 89 posto novih velikih solarnih elektrana sada uključuje ove paralelne APF-ove koji rade uz sustave zaključavanja faze (PLL). Ovi sustavi uspijevaju vrlo precizno poravnati napon mreže, obično unutar pola stupnja u bilo kojem smjeru. Takva točnost znatno utječe na ukupnu učinkovitost ovih solarnih instalacija.
Shunt APF-ovi rade tako da ubacuju suprotne harmoničke struje u mrežu putem invertora izvora napona. Ključne prednosti uključuju:
Adaptivni kontroleri poboljšavaju potiskivanje harmonika u uvjetima promjenjivog osvjetljenja automatskom prilagodbom parametara pojačanja. Terenski testovi 2024. pokazali su da adaptivni sustavi smanjuju ukupnu harmonijsku izobličenost (THD) s 8,2% na 3,1% pod djelomičnim zasjenjivanjem, nadmašujući fiksne modele za 42% u prijelaznoj reakciji.
Tri primarna pristupa integraciji dominiraju modernim PV postrojenjima:
| Metoda | Smanjenje THD-a | Trošak implementacije |
|---|---|---|
| Centralizirani APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF na razini stringa | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hibridni APF-PV invertor | 89-95% | Integrirani dizajn |
Analiza provedena 2024. godine na ScienceDirectu pokazala je da hibridni sustavi povećavaju proizvodnju energije za 6,8% u usporedbi s samostalnim APF rješenjima u 500 kW solarnim poljima.
Hibridni fotonaponski-sustavi aktivnih filtra snage sada koriste posebne invertore koji istovremeno obavljaju pretvorbu energije i smanjuju električne smetnje. Najnoviji dizajni funkciju filtriranja snage izravno ugrađuju u glavnu PV inverter jedinicu. Prema istraživanju Wonga i suradnika iz 2021., to smanjuje potreban broj dijelova za oko 37% u usporedbi s odvojenim komponentama. Ovi sustavi ostvaruju svoj učinak pomoću naprednih tehnika preklapanja koje im omogućuju praćenje maksimalne točke solarne snage, istovremeno neutralizirajući neželjene harmonike. Dijele ključne komponente poput DC-veznih kondenzatora i IGBT modula koje nalazimo u većini modernih elektroničkih uređaja. Stvarna ispitivanja pokazuju da ovi sustavi zadržavaju ukupnu harmonijsku izobličenost ispod 3%, što je prilično dobro uz činjenicu da uspijevaju pretvarati sunčanu svjetlost u električnu energiju s učinkovitošću od oko 98,2%. Prilično impresivno za nešto što pomaže u čišćenju naših električnih mreža i istovremeno bolje iskorištava obnovljive izvore energije.
Simulacije s hardverom u petlji (HIL) od 500 kW hibridnih sustava pokazuju 89% brže vremenske odzive na harmonike u odnosu na konvencionalne pasivne filtre. Istraživanje iz 2024. o obnovljivim izvorima energije pokazalo je da adaptivni regulatori u PV-APF-ovima smanjuju fluktuacije napona za 62% u uvjetima djelomičnog zasjenjivanja. U stvarnim primjenama postiže se održivo suzbijanje THD-a ispod 5% tijekom više od 1.200 radnih sati, čak i uz 30% nelinearnih opterećenja.
Komercijalna solarna farma riješila se pregrijavanja transformatora uzrokovanog harmonikama korištenjem PV-APF integracije. Hibridni sustav koristi osam dvostruko funkcionalnih invertora od 60 kVA spojenih paralelno, postižući:
Nadzor nakon instalacije potvrdio je sukladnost s IEEE 519-2022 standardima u scenarijima s 25% promjenjivog oblačenja.
Aktivni filteri aktivne snage pomažu u održavanju granica propisanih od strane distributera električne energije tako što zadržavaju ukupnu harmonijsku izobličenost (THD) ispod kritične granice od 5% kako je navedeno u IEEE 519-2022 standardima. Prema nedavnim istraživanjima iz 2023. godine koja su analizirala dvanaest velikih fotonaponskih instalacija, ovi filteri obično povećavaju faktor snage za između 0,15 i 0,25, smanjujući time probleme s nestabilnim naponom za otprilike dvije trećine. Ono što ih posebno čini vrijednima jest njihova sposobnost da rade s naglim padovima napona kada oblačnost prekrije solarno polje, što može znatno poremetiti stabilnost mreže. Većina modernih specifikacija za mrežu zahtijeva ne više od 10% varijacije u razinama napona, a aktivni filteri dosljedno zadovoljavaju ovaj zahtjev u različitim radnim uvjetima.
Varijacije u sunčevoj zračnosti proizvode neželjene međuharmonike u frekvencijskom rasponu od 1 do 2 kHz, s čime standardni invertori jednostavno nisu opremljeni da učinkovito rade. Kako bi se ovaj problem suzbio, aktivni filtri koriste modulaciju širine impulsa u stvarnom vremenu s vremenima reakcije ispod 50 mikrosekundi, uspješno uklanjajući ova harmonijska izobličenja. Ispitivanja na terenu pokazala su impresivne rezultate, smanjenje za oko 85 do 90 posto primijećeno je posebno za međuharmonike u rasponu od 150 do 250 Hz. Ova poboljšanja imaju ključnu važnost jer sprječavaju pregrijavanje transformatora, istovremeno smanjujući gubitke u vodovima za približno 12 do 18 posto u fotonaponskim postrojenjima kapaciteta većeg od jednog megavata. Dodatna prednost nastaje kada ovi filteri rade uz rješenja za pohranu energije, gdje znatno smanjuju probleme treperenja napona tijekom naglih promjena u proizvodnji solarne energije, postižući stope potiskivanja između 60 i 75 posto, prema industrijskim mjerenjima.
Aktivni filteri za aktivnu snagu koštaju otprilike 30 do 40 posto više na početku u odnosu na pasivne alternative, ali to nadoknađuju znatno boljim dugoročnim uštedama. Ovi sustavi obično rade s učinkovitošću od 92 do 97 posto, što smanjuje godišnje troškove održavanja za približno 18 do 22 dolara po kilovatu tijekom pet godina. Još jedan dodatni plus je njihova modularna konfiguracija. Objekti ih mogu postupno instalirati i pri tome zadržati stabilan rad, budući da ugrađena rezervna komponenta osigurava manje od pola posto harmonijskih izobličenja čak i kada se neki pojedinačni filter održava. Postoji jedna prepreka – pravilna puštanja u pogon ovih sustava zahtijeva dodatna ulaganja od oko 4,50 do 6,80 dolara po kW, što se dodaje troškovima instalacije. Za manje pogone ispod 50 megavata, to znači da treba temeljito analizirati brojke prije nego što se odluči je li dugoročna korist veća od visoke početne cijene.
Glavni izvori harmonika u fotonaponskim elektranama su invertori izvora napona, koji doprinose dvije trećine struja harmonika, te međudjelovanje više invertora ili zasićenih transformatora.
Harmonijske distorzije mogu smanjiti učinkovitost sustava za 3 do 7%, uzrokovati neispravno funkcioniranje zaštitnih releja i kvarove kondenzatora te povećati oštećenje izolacije invertora za 15 do 20%.
Ukupna harmonijska distorzija napona (THD) treba ostati ispod 5%, a strujni harmonici ne smiju premašiti 8% prema nekoliko standarda, uključujući IEC 61000-3-6 za postrojenja veća od 75 kW.
Aktivni filteri aktivne snage koriste senzore struje i DSP tehnologiju za otkrivanje i neutralizaciju harmonijskih struja u stvarnom vremenu, znatno smanjujući ukupnu harmonijsku izobličenost u sustavu.
Iako aktivni filteri aktivne snage poboljšavaju usklađenost s mrežnim kodom i kvalitetu energije, njihove početne cijene su više u odnosu na pasivne alternative. Međutim, oni nude bolje dugoročne uštede kroz povećanu učinkovitost i smanjene troškove održavanja.
Vruće vijesti
EN
