A fotovoltaikus erőművekben fellépő torzítás fő oka azokból a nemlineáris teljesítményelektronikai elemekből származik, amelyeket napjainkban mindenütt láthatunk, különösen a fotovoltaikus inverterekből és a különféle kapcsolóeszközökből. Egy 2024-ben végzett, a hálózati integrációval foglalkozó tanulmány érdekes dolgot fedezett fel ezzel a problémával kapcsolatban. Azt találták, hogy a naperőművekben mért összes harmonikus áram körülbelül kétharmada valójában az úgynevezett feszültségforrású inverterektől származik, amikor ezek a DC-AC átalakítási feladatukat végzik. A jelenség lényege elég egyszerű, ugyanakkor technikailag összetett. Ezek az inverterek 2 és 40 kHz közötti magas frekvenciájú kapcsolási harmonikusokat hoznak létre a pulzusmodulációs (röviden PWM) és egyes interleaving módszerek alkalmazása miatt. Emellett meg kell említeni más tényezőket is. A transzformátorok bizonyos körülmények között időnként telítődhetnek, és amikor több inverter együtt működik nagyobb napelemes parkokban, kölcsönhatásba léphetnek egymással, ami további harmonikusok kialakulásához vezethet.
Ha a harmonikusokat nem szabályozzák, akkor a rendszerhatékonyság csökkenése körülbelül 3–7 százalékra rúg az idei Ponemon-kutatás szerint. Ez azért történik, mert a vezetők több energiát veszítenek, és a transzformátorok túlmelegednek. Ha a feszültség-torzítás meghaladja az 5% THD értéket, a dolgok gyorsan rossz irányba fordulnak. A védőrelék már nem megfelelően működnek, és a kondenzátorok váratlanul hibásodnak meg. A probléma az invertereknél is súlyosbodik. Az inverterek, amelyek harmonikusokkal teli környezetben működnek, szigetelésük kb. 15–20%-kal gyorsabban bomlik le, ami gyakoribb javításokat és magasabb költségeket jelent. Néhány különösen súlyos helyzet akkor merül fel, amikor rezonancia keletkezik a hálózat induktivitása és a napelemes inverterek kimenete között. Ez a jelenség olyan erősen felerősítheti bizonyos harmonikusokat, hogy az eszközök időnként maradandó károsodást szenvednek.
A világszerte működő szabványügyi szervezetek meglehetősen szigorú szabályokat állapítottak meg a feszültség teljes harmonikus torzítás (THD) szintjeivel kapcsolatban, amelyeknek 5% alatt kell maradniuk, valamint az áramhullámok harmonikusainak sem szabad meghaladniuk a 8%-ot olyan pontokon, ahol a rendszerek csatlakoznak az elektromos hálózathoz. 75 kilowatt feletti fotovoltaikus berendezéseknél az IEC 61000-3-6 szabvány további követelményt ír elő, amely konkrét teszteket igényel ezen harmonikus kibocsátások mérésére. Ezeknek az előírásoknak a betartása általában különféle mérséklő technikák alkalmazását jelenti. Gyakori megoldások többek között a jobb invertertopológiák tervezése és aktív teljesítményszűrők felszerelése. A mai napig a legtöbb szabályozó hatóság folyamatos harmonikus-figyelést követel meg a naperőművekben. Ez segít elkerülni a drágába kerülő bírságokat, amelyek akkor merülhetnek fel, ha túlzott harmonikus tartalom miatt problémák lépnek fel a hálózati stabilitással.
Az aktív teljesítményszűrők vagy APF-ek a napenergia-rendszerek zavaró harmonikus torzításait kezelik, amelyek valós időben észlelik és kiszűrik a káros áramokat. Áramérzékelők és DSP technológia segítségével elemzik a terhelési áramok viselkedését, még a legkisebb harmonikus hibákat is, például a harmadrendű torzításokat. Néhány terepi teszt azt mutatta, hogy az APF-ek akár 88%-kal is csökkenthetik a teljes harmonikus torzítást 500 kW névleges teljesítményű naperőművekben, ha összehasonlítjuk őket a hagyományos passzív szűrőkkel. Ez a teljesítményszint jelentős javulást eredményez a rendszer stabilitásában és hatékonyságában.
A hálózati áram figyelése folyamatosan történik Hall-effektusos érzékelők segítségével, amelyek a harmonikus jeleket körülbelül fél százalékos hibahatáron belül elég nagy pontossággal detektálják. Ezt követi egy komolyabb adatfeldolgozás speciális DSP algoritmusokkal, amelyek pontosan az észlelt harmonikusokkal ellentétes fázisban ható kompenzáló áramokat állítanak elő. Nézze meg, mit találtak a kutatók 2023-as, valós idejű kompenzációs technikákkal kapcsolatos munkájuk során! Kimutatták, hogy amikor az aktív teljesítményszűrők 20 kilohertzes kapcsolási frekvencián működnek, akkor mindössze kétezred másodperc alatt gyakorlatilag teljesen ki tudják küszöbölni az idegesítő ötödik és hetedik rendű harmonikusokat. Elég lenyűgöző eredmény azok számára, akik napi szinten foglalkoznak villamosenergia-minőségi problémákkal.
Ez a vezérlési módszer a pillanatnyi aktív (p) és meddő (q) teljesítménykomponenseket a Clarke-transzformációk segítségével választja szét. A fázishurkos zárókörökkel (PLL-ekkel) történő hálózati feszültséggel való szinkronizálás révén a p-q módszer a teljesítménytényezőt 0,98 felett tartja akár 30%-os besugárzási ingadozások esetén is. A kutatások azt mutatják, hogy ez a módszer 72%-kal csökkenti a meddőteljesítmény-igényt a hagyományos PI-szabályozókhoz képest.
Ez a rendszer ezeket a kompenzációs jeleket tényleges kapcsolási parancsokká alakítja egy olyan eljárás segítségével, amelyet térvektoros PWM modulációnak neveznek. Napjainkban a legtöbb aktív hatásjavító szűrő IGBT-alapú inverterek köré épül, amelyek több mint 97 százalékos hatásfokkal működnek köszönhetően néhány igen okos halott idő kompenzációs technikának, amely csökkenti az idegesítő kapcsolási veszteségeket. Különféle PWM feszültségforrású inverter kutatási tanulmányokat tekintve megállapítható, hogy ezek a tervek harmonikus torzításokat képesek kiszűrni olyan sávszélességekben is, amelyek jól meghaladják a 2 kHz-t. És itt van még valami fontos: ezek a rendszerek a teljes harmonikus torzítást 4 százalék alatt tartják, így eleget tesznek a 2022-es IEEE 519 szabványban foglalt összes előírásnak.
| Paraméter | Hagyományos szűrő | Aktív teljesítmény szűrő |
|---|---|---|
| Válaszolási idő | 50–100 ms | <2 ms |
| Harmonikus rendek kezelése | Rögzített (5., 7.) | 2.–50. |
| THD csökkentés | 40–60% | 85–95% |
| Alkalmassága | Nincs | Dinamikus Terhelés Nyomon Követése |
Az aktív teljesítményszűrők (APF-ek) megfelelő integrálása a fotovoltaikus erőművekbe gondos beállítást és vezérlési stratégiákat igényel, amelyek biztosítják a hálózati szabványok betartását, miközben jó minőségű villamosenergia-ellátást tartanak fenn. A modern telepítések többsége azért dönt a párhuzamosan kapcsolt APF-k mellett, mert ezek a rendszerhez párhuzamosan csatlakozva képesek a harmonikus összetevők valós idejű kiszűrésére anélkül, hogy befolyásolnák a tényleges napelemes energia termelést. A 2023-ban az IntechOpen kiadónál publikált kutatás szerint a nagy léptékű naperőművek körülbelül 89 százaléka mára már ilyen shunt APF-eket alkalmaz, amelyek fázishurkos szabályozó (PLL) rendszerekkel dolgoznak együtt. Ezek a konfigurációk általában fél fokon belüli pontossággal képesek a hálózati feszültségek igazítására. Ez a pontosság jelentősen hozzájárul a naperőművek általános teljesítményének javulásához.
A shunt APF-ek feszültségforrású invertereken keresztül vezetik be az ellen-harmonikus áramokat a hálózatba. A fő előnyök a következők:
Az adaptív vezérlők javítják a harmonikus torzítások elnyomását ingadozó besugárzási körülmények között, mivel automatikusan állítják az erősítési paramétereket. A 2024-es terepi tesztek azt mutatták, hogy az adaptív rendszerek a teljes harmonikus torzítást (THD) 8,2%-ról 3,1%-ra csökkentették féligárnyékolt körülmények között, így a tranziens válaszban 42%-kal teljesítettek jobban a fix erősítésű modelleknél.
Három fő integrációs megközelítés dominálja a modern napelemes erőműveket:
| Módszer | THD csökkentés | Bevezetési költség |
|---|---|---|
| Központosított APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| String-szintű APF | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hibrid APF-PV inverter | 89-95% | Integrált Tervezet |
Egy 2024-es ScienceDirect elemzés szerint a hibrid rendszerek 6,8%-kal növelték az energiatermelést 500 kW-os napelemes rendszereknél az önálló APF megoldásokhoz képest.
A hibrid napelemes-aktív teljesítményszűrő rendszerek jelenleg speciális invertereket használnak, amelyek egyszerre képesek az energiaátalakításra és az elektromos zaj csökkentésére. A legújabb tervek során a teljesítményszűrés funkcióját közvetlenül az alapvető napelemes inverteregységbe építik be. Ez körülbelül 37%-kal csökkenti a szükséges alkatrészek számát a különálló komponensekhez képest, ahogyan Wong és kollégái kutatása is igazolta 2021-ben. Ezek a rendszerek okos kapcsolási technikák segítségével működnek, amelyek lehetővé teszik a maximális napelemes teljesítménypont követését, miközben ugyanakkor semlegesítik a nemkívánatos harmonikus torzításokat. Közös alkatrészeket osztanak meg, mint például a DC-kapcsoló kondenzátorokat és az IGBT modulokat, amelyeket a legtöbb modern elektronikában megtalálunk. A gyakorlatban végzett tesztek azt mutatják, hogy ezek a konfigurációk a teljes harmonikus torzítást 3% alatt tartják, ami elég jó eredmény annak figyelembevételével, hogy ugyanakkor körülbelül 98,2%-os hatásfokkal alakítják napenergiát villamos energiává. Elég lenyűgöző egy olyan rendszer, amely segít tisztábbá tenni az áramhálózatokat, miközben jobban kihasználja a megújuló energiaforrásokat.
Hardveres hurokban (HIL) végzett szimulációk 500 kW teljesítményű hibrid rendszereken 89%-kal gyorsabb harmonikus válaszidőt mutattak a hagyományos passzív szűrőkhöz képest. Egy 2024-es megújuló energia tanulmány kimutatta, hogy az adaptív vezérlők a PV-APF-ekben 62%-kal csökkentik a feszültségingadozásokat részleges árnyékolás alatt. A terepen végzett alkalmazások során a torzított hullámforma (THD) szintje 1200+ üzemóra alatt is folyamatosan 5% alatt maradt, akár 30% nemlineáris terhelés mellett is.
Egy kereskedelmi naperőmű megszüntette a harmonikus okozta transzformátor-túlmelegedést a PV-APF integrációval. A hibrid rendszer nyolc 60 kVA-es, kettős funkciójú invertert telepített párhuzamos konfigurációban, amely elérte a következő eredményeket:
A telepítést követő monitorozás megerősítette az IEEE 519-2022 szabványoknak való megfelelést 25% változó felhőtakaró esetén.
Az aktív hatásos teljesítmény szűrők segítenek a hasznos feszültségszabályozási előírások betartásában, mivel az összesített torzítási tényezőt (THD) az IEEE 519-2022 szabvány által meghatározott kritikus 5% küszöbérték alatt tartják. A 2023-as tanulmányok szerint, amelyek tizenkét nagy méretű fotovoltaikus telepítést vizsgáltak, ezek a szűrők általában 0,15 és 0,25 között növelik a teljesítménytényezőt, miközben körülbelül kétharmaddal csökkentik a feszültség-hibaeloszlást. Különösen értékesek azon képességük miatt, hogy kezelni tudják a hirtelen feszültségeséseket, amelyek akkor lépnek fel, amikor a felhők áthaladnak a napelemes rendszerek felett – ez komolyan megzavarhatja a hálózati stabilitást. A legtöbb modern hálózati előírás maximálisan 10%-os feszültségingadozást enged meg, és az aktív szűrők ezt az előírást különböző üzemállapotok mellett is folyamatosan betartják.
A napsugárzás változékonysága 1 és 2 kHz-es frekvenciatartományban nemkívánatos interharmonikusokat hoz létre, amelyeket a szabvány inverterek egyszerűen nem képesek hatékonyan kezelni. Ennek a problémának az elleni küzdelemben az aktív szűrők valós idejű, impulzusszélesség-modulációs kapcsolást alkalmaznak, 50 mikroszekundumnál gyorsabb válaszidővel, így sikeresen megszüntetve ezeket a harmonikus torzításokat. A terepen végzett tesztek lenyűgöző eredményeket mutattak, konkrétan a 150 és 250 Hz közötti interharmonikusok esetében körülbelül 85–90 százalékos csökkenést tapasztaltak. Ezek a javulások alapvető fontosságúak, mivel megakadályozzák a transzformátorok túlmelegedését, ugyanakkor csökkentik a vezetékes veszteségeket megközelítőleg 12–18 százalékkal az egy megawattot meghaladó fotovoltaikus rendszerekben. További előny, hogy amikor ezek a szűrők energiatároló rendszerekkel együttműködve működnek, jelentősen csökkentik a feszültségvillogás-problémákat a napenergia hirtelen változásai során, iparági mérések szerint 60–75 százalékos elnyomási rátával.
Az aktív teljesítményszűrők körülbelül 30–40 százalékkal drágábbak kezdetben, mint a passzív alternatívák, de hosszú távon jelentősen alacsonyabb költségekkel járnak. Ezek a rendszerek általában 92–97 százalékos hatásfokon működnek, ami öt év alatt körülbelül 18–22 dollárral csökkenti az éves karbantartási költségeket kilowattanként. Még vonzóbbá teszi őket a moduláris felépítésük. A létesítmények fokozatosan telepíthetik ezeket a szűrőket, miközben a működés zavartalan marad, mivel a beépített redundancia biztosítja, hogy akár egyetlen szűrő karbantartása alatt is kevesebb, mint fél százaléknyi harmonikus torzítás legyen. Van azonban egy buktató: a megfelelő üzembe helyezéshez kb. 4,50–6,80 dolláros többletköltség keletkezik kilowattonként a telepítési költségekhez képest. 50 megawatt alatti kisebb üzemeknél ez azt jelenti, hogy komoly gazdasági elemzést kell végezni annak eldöntéséhez, hogy a hosszú távú előnyök ellensúlyozzák-e a magasabb kezdeti kiadásokat.
A fotovoltaikus erőművekben a harmonikusok elsődleges forrásai a feszültségforrású inverterek, amelyek a harmonikus áramok kétharmadát produkálják, valamint több inverter közötti kölcsönhatások vagy telített transzformátorok.
A harmonikus torzítások csökkenthetik a rendszer hatékonyságát 3–7%-kal, védelmi relék hibás működését és kondenzátor-hibákat okozhatnak, valamint az inverter szigetelésének meghibásodását 15–20%-kal növelhetik.
A feszültség teljes harmonikus torzítása (THD) 5% alatt kell maradjon, és az áram harmonikusai nem haladhatják meg a 8%-ot több szabvány szerint, beleértve az IEC 61000-3-6 szabványt is 75 kW feletti telepítések esetén.
Az aktív teljesítményszűrők áramérzékelőket és DSP-technológiát használnak a harmonikus áramok valós idejű észlelésére és kiszűrésére, jelentősen csökkentve a rendszerben fellépő teljes harmonikus torzítást.
Bár az aktív teljesítményszűrők javítják a hálózati előírások betartását és a villamosenergia-minőséget, kezdeti költségük magasabb, mint a passzív alternatíváké. Ugyanakkor hosszú távon nagyobb megtakarítást kínálnak a hatékonyság növekedése és az alacsonyabb karbantartási igény révén.
Forró hírek
EN
