Kako aktivni filteri snage potiskuju harmonike u fotonaponskim elektranama?

Izvori harmonika u PV sustavima

Fotovoltačni sustavi imaju tendenciju stvaranja harmonika uglavnom zbog nelinearnih elektroničkih komponenti za upravljanje snagom koje se nalaze u pretvaračima i DC-DC pretvaračima. Ove komponente remete oblik električnih struja pri pretvorbi energije iz jednog oblika u drugi. Transformatori koji rade blizu granice magnetske zasićenosti također doprinose ovom problemu, kao i neuravnoteženi trofazni tereti u sustavu. Sudeći prema nedavnom istraživanju iz početka 2024. godine o podrijetlu ovih neželjenih frekvencija u postrojenjima zelene energije, većina studija optužuje sučelja s elektronikom za upravljanje snagom za otprilike 72 posto svih problema s harmonikama u današnjim fotonaponskim postrojenjima.

Kako generiranje struje u invertoru proizvodi harmoničke struje

Kada invertori prebacuju koristeći modulaciju širine impulsa (PWM), često stvaraju one dosadne harmonijske struje. Većina invertora radi u rasponu od otprilike 2 do 20 kiloherca za svoje preklopne operacije. Ono što se ovdje događa prilično je jednostavno – dobivamo sve vrste visokofrekventnih titraja struje, uz karakteristične skupine harmonika koje nastaju točno oko višekratnika naše osnovne frekvencije preklapanja. Pogledajte što se događa kada netko pokreće 4 kHz inverter uz standardnu 50 Hz električnu mrežu. Odjednom se pojavljuju dominatni harmonici na točkama poput 4 kHz plus ili minus sljedeći višekratnik 50 Hz. Ako nitko ne instalira odgovarajuće filtre za rukovanje ovim neredom, te neželjene struje nastavljaju teći natrag u glavni električni sustav. Rezultat? Lošija kvaliteta napona u cjelini i nepotrebno trošenje svih ostalih uređaja priključenih na istu mrežu.

Utjecaj visoke prodiranja FV na razine harmonika u mreži

Kada prodiranje FV premaši 30% u distribucijskim mrežama, kumulativna harmonijska izobličenja se pojačavaju zbog:

• Interakcija faza : Sinkronizirano uključivanje invertora pojačava određene harmonijske frekvencije
• Impedancija mreže : Veća impedancija na harmonijskim frekvencijama povećava izobličenje napona
• Rizici od rezonancije : Interakcija između kapaciteta invertora i induktivnosti mreže može stvoriti rezonantne vrhove

Istraživanja na terenu zabilježila su privremene vrhove ukupnog harmonijskog izobličenja (THD) veće od 30% tijekom brzih promjena osvjetljenja — znatno iznad granice od 5% za THD napona prema IEEE 519-2022. Ovi uvjeti povećavaju gubitke u transformatorima za 15–20% te podižu temperaturu vodiča za 8–12 °C, ubrzavajući degradaciju izolacije i skraćujući vijek trajanja opreme.

Kako aktivni filtri snage u stvarnom vremenu ublažavaju harmonike

Ograničenja pasivnih filtera u dinamičnim FV okruženjima

Pasivni harmonijski filtri nisu prikladni za moderne fotovoltaičke sustave zbog njihovih fiksnih karakteristika podešavanja. Oni se ne mogu prilagoditi promjenama harmonijskog spektra uzrokovanim varijabilnom osvjetljenošću ili dinamikom opterećenja. Ključne mane uključuju:

• Nemogućnost reagiranja na harmonijske varijacije uzrokovane oblačnošću
• Rizik od rezonancije s mrežnim invertorima, što je uočeno u 63% PV instalacija
• 74% viši godišnji troškovi održavanja u usporedbi s aktivnim rješenjima (EPRI 2022)

Ova ograničenja smanjuju pouzdanost i učinkovitost u uvjetima u kojima se harmonijski profili tijekom dana mijenjaju.

Načelo rada aktivnog filtra snage: Upravljanje strujom u realnom vremenu radi neutralizacije harmonika

Aktivni filtri snage (APF) koriste invertore zasnovane na IGBT-ovima i procesore digitalnih signala (DSP) kako bi otkrili i neutralizirali harmonike unutar 2 milisekunde. Kao što je izloženo u Tehničkim smjernicama IEEE 519-2022 , postupak uključuje:

1. Uzorkovanje struje u mreži na 20–100 kHz kako bi se uhvatilo prisutstvo harmonika
2. Izračunavanje protufaznih harmonijskih struja u stvarnom vremenu
3. Dovod kompenzacijskih struja putem visokofrekventnog preklapanja (10–20 kHz)

Ova dinamična reakcija omogućuje aktivnim filterima snage da održavaju ukupnu harmonijsku izobličenost (THD) ispod 5%, čak i uz visoku razinu prodiranja fotonaponskih izvora (>80%) i brzo promjenjive profile generacije.

Optimalna postava aktivnog filtra snage na točki zajedničkog priključka (PCC)

Postavljanje aktivnih filtera snage na točki zajedničkog priključka (PCC) maksimalno povećava učinkovitost suzbijanja harmonika tako što rješava i izobličenja koja stvaraju invertori i poremećaje iznad nivoa mreže. Ova strategijska postava rezultira:

• 8–12% većim smanjenjem THD-a u odnosu na konfiguracije na strani potrošača
• Istovremenom korekcijom titranja napona i nebalansa faza
• 32% nižom potrebnom kapacitetom filtera kroz centraliziranu kompenzaciju

Tako što se suzbijaju harmonici na točki spoja, aktivni filtri snage postavljeni na PCC štite opremu niže struje i osiguravaju sukladnost cijelog sustava.

Napredne strategije upravljanja paralelnim aktivnim filterima snage u fotonaponskim sustavima

Teorija trenutne reaktivne snage (p-q) u upravljanju SAPF-om

PQ teorija čini osnovu načina rada paralelnih aktivnih filtera snage (SAPF) kada je u pitanju otkrivanje dosadnih harmonika i reaktivnih komponenti u električnim opterećenjima. Ovdje se zapravo događa prilično zanimljiva stvar: trofazne struje pretvaraju se u okomite komponente koje se nazivaju p (aktivna snaga) i q (reaktivna snaga), usklađene s onim što se dešava na strani mreže. Ovaj pristup u oko 9 od 10 slučajeva ispravno prepoznaje harmonijske komponente među signalima. Kada jednom dobijemo ove referentne signale, oni precizno govore invertoru SAPF-a što točno treba poništiti, osobito one uporne harmonike petog i sedmog reda koje se često pojavljuju u mrežama napajanima solarne panele, kako je navedeno u istraživanju objavljenom u časopisu Nature Energy prošle godine.

Poboljšanje stabilnosti regulacijom napona u istosmjernom spoju

Održavanje stabilnog napona DC-veze izuzetno je važno za postizanje dosljednih performansi SAPF-a. Sustav obično koristi tzv. proporcionalno-integralni regulator kako bi održao ravnotežu. Ovaj uređaj regulira napon na DC kondenzatoru prilagođavajući količinu aktivne snage koja teče između opreme i električne mreže. Ispitivanja pokazuju da ovaj pristup smanjuje titranje napona za oko 60 posto u odnosu na sustave bez regulacije. Koji je praktični značaj toga? Pomaže u održavanju ispravne kompenzacije harmonika čak i kada dođe do problema poput djelomičnog zasjenjivanja ili naglih promjena intenziteta sunčeve svjetlosti. Takvi se problemi redovito javljaju na velikim solarnim farmama, zbog čega je kvalitetna regulacija napona apsolutno neophodna za glatko funkcioniranje.

Nove tendencije: Adaptivna i AI-temeljena regulacija u paralelnim aktivnim filterima za snagu

Najnoviji modeli SAPF-a sada kombiniraju umjetne neuronske mreže s tehnikama prediktivnog upravljanja modela kako bi predvidjeli harmonijsko ponašanje na temelju prethodnih izlaza solarnih panela i informacija o mreži. Ono što ovakve pametne sustave ističe je njihova sposobnost reagiranja 30 posto brže u odnosu na tradicionalne metode, uz automatsku promjenu frekvencija preklopa bilo gdje između 10 i 20 kHz radi boljeg podešavanja performansi. Ispitivanja u stvarnim uvjetima pokazala su da kada se umjetna inteligencija uključi u rad SAPF-a, ukupna harmonijska izobličenja konstantno ostaju ispod 3%, što zapravo nadmašuje stroge standarde utvrđene u IEEE 519-2022 u svim vrstama različitih operativnih scenarija, prema nedavnom istraživanju kontrolnih sustava objavljenom od strane IEEE.

Dopunskim tehnike smanjenja harmonika za poboljšanu performansu APF-a

Rješenja pretfiltera: višestruki invertori impulsa i LCL filtri

Višestruki invertori smanjuju stvaranje harmonika upravo na izvoru korištenjem namota transformatora pomaknutih u fazi. Oni mogu eliminirati dosadne 5. i približno 7. harmonike negdje između 40 do čak 60 posto u usporedbi s uobičajenim 6-pulsnim dizajnima. Dodajte ovih dana LCL filtar i pogledajte što se dalje događa. Ovi filteri izvrsno potiskuju sve one visokofrekventne šumske signale iznad otprilike 2 kHz. Zajedno znatno olakšavaju opterećenje za bilo koje APF-ove koji dolaze nakon njih u sustavu. Za ljude koji rade sa solarnim instalacijama, ova slojevita strategija filtriranja pojednostavljuje ispunjavanje strogiht IEEE 519 2022 standarda. Nekoliko studija s IntechOpen-a to potvrđuje, pokazujući poboljšanja koja variraju od otprilike 15% do čak 30% boljih stopa usklađenosti.

Hibridni pristupi: Kombiniranje zig-zag transformatora s aktivnim filterima snage

Zig-zag transformator prilično dobro obavlja posao suzbijanja dosadnih harmonika nultog reda poznatih kao tripleni (mislimo na 3., 9., 15. red). Upravo ovi maleni uzročnici problema dovode do preopterećenih neutralnih vodiča u trofaznim fotonaponskim sustavima. Kombiniranjem ovih transformatora s aktivnim filterima za snagu, postiže se smanjenje nižih frekvencijskih harmonika ispod 1 kHz za oko 90 posto, prema različitim testovima priključenja na mrežu. Ono što čini ovu kombinaciju toliko zanimljivom je činjenica da inženjerima zapravo omogućuje smanjenje dimenzija APF-a otprilike za polovicu, ponekad čak i više od toga. A manji APF-ovi znače velike uštede u opremi već na početku, a i troškovi održavanja kasnije znatno padaju.

Integracija firmwarea pametnog invertora za proaktivno suzbijanje harmonika

Najnovija generacija invertora koji oblikuju mrežu počela je koristiti prediktivne algoritme za potiskivanje harmonika, prilagođavajući strategije modulacije u manje od pet milisekundi. Ovi inteligentni uređaji komuniciraju s aktivnim filterima snage prema standardima IEC 61850, što im omogućuje da otklone probleme s valnim oblikom točno na mjestu njihovog nastanka, umjesto da dopuste nakupljanje problema niz strujanje. Stvarno testiranje pokazuje zanimljiv fenomen kada sustavi rade na ovaj način. Ukupna harmonijska izobličenja padaju ispod 3 posto, čak i kada se razine sunčeve svjetlosti naglo promijene, što je prilično impresivno s obzirom na osjetljivost solarnih instalacija. Osim toga, postoji još jedna važna prednost: aktivni filter snage uključuje i isključuje se 40% rjeđe nego prije. To znači duži vijek trajanja opreme i bolju ukupnu učinkovitost cijelog energetskog sustava.

Procjena performansi i ekonomske vrijednosti aktivnih filtera snage u FV postrojenjima

Mjerenje učinkovitosti: Studije slučaja o usklađenosti s IEEE 519-2022 i smanjenju THD-a

Fotovoltaičke instalacije trebaju aktivne filtre snage kako bi ispunile IEEE 519-2022 standarde koji ograničavaju ukupnu harmonijsku izobličenja napona na 5% u točkama priključenja. Kada se stave u pogon, ti AFP-i obično smanje razine THD-a s otprilike 12% na svega 2 ili 3% u većini komercijalnih solarnih postrojenja. To pomaže da oprema ne pregrijava i sprječava one neprijatne izobličenja valnog oblika koji mogu oštetiti sustave tijekom vremena. Gledajući što se dogodilo 2023. godine kada su istraživači proučavali sedam velikih solarnih elektrana, primijetili su nešto zanimljivo: nakon ugradnje AFP-a, usklađenost s mrežnim kodovima drastično je porasla s tek malo više od polovice (oko 58%) do gotovo savršene usklađenosti od 96%. Stručnjaci koji redovito proučavaju probleme kvalitete struje ističu još jednu prednost. Ovi filteri prilično dobro rade čak i kada sustav ne radi na punoj snazi, ponekad i na samo 30%, što ih čini posebno pogodnima za solarne sustave gdje proizvodnja energije prirodno varira tijekom dana.

Dugoročna poljska učinkovitost: aktivni filter snage u njemačkoj solarnoj instalaciji

Fotovoltaična elektrana snage 34 megavata u Njemačkoj pokazala je izvrsnu učinkovitost svog sustava aktivnog filtra snage tijekom razdoblja malo manjeg od četiri i pol godine. Ukupna harmonijska izobličenja ostala su dosljedno ispod 3,8%, čak i kada se izlaz elektrane značajno mijenjao između 22% i 98% kapaciteta. Ono što ovaj rezultat čini iznimno važnim jest činjenica da je pametni sustav upravljanja smanjio zamjenu baterija kondenzatora za otprilike tri četvrtine u usporedbi s tradicionalnim pasivnim metodama. S obzirom na statistiku dostupnosti, APF je održavao rad s iznenađujućih 98,6%, što je bolje od većine pasivnih filtera u usporedivim vremenskim uvjetima (obično između 91% i 94%). Ekipama za održavanje također je bilo potrebno intervjuirati otprilike 40% rjeđe nego kod starijih pristupa filtriranju temeljenih na reaktorima, što donosi značajne uštede u dugom roku.

Analiza troškova i koristi: uravnoteženje početnih ulaganja i uštede na kaznama za mrežu

APF-ovi definitivno imaju veću početnu cijenu, obično oko 25 do 35 posto više od uobičajenih pasivnih filtera. Ali evo ključne stvari: oni uštede pogonima između osamnaest tisuća i četrdeset pet tisuća dolara svake godine na dosadnim kaznama za mrežu zbog harmonika. Uzmimo tipičan objekt od 20 megavata kao primjer, ušteđeni novac pokriva dodatni trošak u malo manje od četiri godine. Mnoge kompanije sada kombiniraju APF-ove s postojećim LCL filterima. Ovaj hibridni pristup smanjuje troškove ublažavanja za oko devetnaest centi po vršnom vat-u u usporedbi s isključivo pasivnim sustavima. Također, regulatori su počeli tretirati APF-ove kao stvarne kapitalne imovine koje se mogu amortizirati kroz sedam do dvanaest godina. To ih čini financijski privlačnijima u odnosu na tradicionalna rješenja koja se otpisuju kroz punih petnaest godina. Matematika jednostavno bolje funkcionira za većinu pogona koji razmatraju dugoročne uštede.

Česta pitanja

Što uzrokuje harmonike u fotovoltaiku sustavima?

Harmonike u fotonaponskim sustavima uglavnom uzrokuju nelinearni elektronički sklopovi snage koji se nalaze u pretvaračima i DC-DC pretvaračima. Dodatni izvori uključuju transformatore koji rade blizu granice magnetske zasićenosti te neuravnotežene trofazne opterećenja.

Kako pretvarači generiraju harmonijske struje?

Pretvarači koji koriste modulaciju širine impulsa (PWM) stvaraju harmonijske struje tijekom prekidanja, čime nastaju visokofrekventne titraje i skupine harmonika oko višekratnika osnovne frekvencije prekidanja.

Kakav je utjecaj visoke prodiranja PV-a na harmonike u mreži?

Kako se prodiranje PV-a povećava, i izobličenje harmonikama se pojačava zbog faznih interakcija, impedancije mreže i opasnosti od rezonancije, što dovodi do povećanih gubitaka u transformatorima i porasta temperature vodiča.

Kako aktivni filtri snage pomažu u smanjenju harmonika?

Aktivni filtri snage (APF) otkrivaju i neutraliziraju harmonike koristeći pretvarače zasnovane na IGBT-ovima i DSP-ovima, smanjujući ukupno harmonijsko izobličenje ispod 5%, čak i kod visokog udjela solarne energije.

Koja je prednost instalacije aktivnih filtra snage (APF) na točki zajedničkog priključka?

Instalacija aktivnih filtera snage (APF) na PCC rješava i izobličenja generirana invertorom i poremećaje u mreži, što rezultira većim smanjenjem THD-a te istovremenom korekcijom titranja napona.