Hogyan szűri az aktív teljesítménykompenzáló a harmonikusokat naperőművekben?

Harmonikusok forrásai napelemes rendszerekben

A napelemes rendszerek általában harmonikus torzítást hoznak létre, elsősorban az inverterekben és a DC-DC konverterekben található nemlineáris teljesítményelektronikai elemek miatt. Ezek az alkatrészek megváltoztatják az elektromos áramok alakját az energia egyik formából másikba történő átalakításakor. A transzformátorok is hozzájárulnak ehhez a jelenséghez, különösen akkor, ha mágneses telítettségi határuk közelében üzemelnek, valamint az egymással szemben kiegyensúlyozatlan háromfázisú terhelések is. A zöldenergia-rendszerekben keletkező kívántalan frekvenciák eredetét vizsgáló, 2024 elején publikált kutatásokat tekintve, a tanulmányok többsége azt állítja, hogy a teljesítményelektronikai interfészek felelősek a mai modern fotovoltaikus létesítményekben tapasztalt összes harmonikus probléma körülbelül 72 százalékáért.

Hogyan generál harmonikus áramokat az inverterkapcsolás

Amikor az inverterek impulzusszélesség-modulációval (PWM) kapcsolnak, hajlamosak ezekre a kellemetlen magasabb rendű áramokra. A legtöbb inverter kapcsolási műveletei körülbelül 2 és 20 kilohertz közötti tartományban zajlanak. Itt történő folyamat lényegében egyszerű – különféle nagyfrekvenciás áramingadozások jelennek meg, valamint jellegzetes harmonikus csoportok alakulnak ki a kapcsolási alapfrekvencia többszöröseinél. Nézzük meg, mi történik, ha valaki egy 4 kHz-es invertert üzemeltet egy szabványos 50 Hz-es villamos hálózattal párhuzamosan. Hirtelen domináns harmonikusok jelennek meg például a 4 kHz ± a következő 50 Hz többszöröseinél. Ha senki nem szerel be megfelelő szűrőket ennek a zavaró jelenségnek a kezelésére, azok a nemkívánatos áramok továbbra is visszafelé folynak a fő villamos hálózatba. Ennek eredménye? Általánosságban rosszabb feszültségminőség és felesleges elhasználódás minden más, ugyanebbe a hálózatba csatlakoztatott berendezésen.

A magas napelemes arány hatása a hálózati harmonikus szintekre

Amikor a fotovoltaikus rendszerek aránya meghaladja a 30%-ot az elosztóhálózatokban, a kumulatív harmonikus torzítás fokozódik a következő okok miatt:

• Fázisinterakció : A szinkronizált inverterkapcsolás megerősíti a specifikus harmonikus frekvenciákat
• Hálózati impedancia : A magasabb impedancia harmonikus frekvenciákon növeli a feszültségtorzítást
• Rezonancia kockázata : Az inverter kapacitása és a hálózat induktivitása közötti kölcsönhatás rezonanciacsúcsokat hozhat létre

Terepmérések rögzítettek átmeneti THD-csúcsokat, amelyek gyors sugárzási változások során meghaladják a 30%-ot – jelentősen meghaladva az IEEE 519-2022 5%-os feszültség-THD határértékét. Ezek a körülmények 15–20%-kal növelik a transzformátorveszteségeket, és 8–12 °C-kal emelik a vezetékek hőmérsékletét, felgyorsítva a szigetelés degradációját, és csökkentve a berendezések élettartamát.

Hogyan mérsékelik az aktív teljesítményszűrők a harmonikusokat valós időben

Passzív szűrők korlátai dinamikus PV környezetekben

A passzív harmonikus szűrők nem alkalmasak a modern fotovoltaikus rendszerekre a rögzített hangolási jellemzőik miatt. Nem tudnak alkalmazkodni a változó besugárzás vagy terhelési dinamika által okozott harmonikus spektrumváltozásokhoz. Fő hátrányaik közé tartozik:

• Képtelenség reagálni a felhők által kiváltott harmonikus változásokra
• Rezonanciakockázat hálózatra csatlakozó inverterekkel, amelyet a napelemes berendezések 63%-ában megfigyeltek
• 74%-kal magasabb éves karbantartási költségek az aktív megoldásokhoz képest (EPRI 2022)

Ezek a korlátozások csökkentik a megbízhatóságot és hatékonyságot olyan környezetekben, ahol a harmonikus profil napközben változik.

Aktív teljesítményszűrő működési elve: Valós idejű harmonikus áram injektálás

Az aktív teljesítményszűrők (APF-ek) IGBT-alapú invertereket és digitális jelfeldolgozókat (DSP) használnak, hogy 2 milliszekundumon belül észleljék és semlegesítsék a harmonikusokat. Ahogyan a IEEE 519-2022 technikai irányelvek meghatározzák, az eljárás a következőt foglalja magában:

1. Hálózati áram mintavételezése 20–100 kHz-es frekvencián a harmonikus tartalom rögzítéséhez
2. Ellenfázisú harmonikus áramok kiszámítása valós időben
3. Kiegyensúlyozó áramok injektálása magas frekvenciás kapcsolással (10–20 kHz)

Ez a dinamikus válasz lehetővé teszi az aktív teljesítményszűrők számára, hogy a teljes torzítás mértékét (THD) 5% alatt tartsák, akkor is, ha nagy napelemes bekapcsolódás (>80%) és gyorsan változó termelési profilok vannak jelen.

Aktív teljesítményszűrő optimális elhelyezése a közös csatlakozási pontnál (PCC)

Az aktív teljesítményszűrők (APF-ek) a közös csatlakozási pontnál (PCC) történő telepítése maximalizálja a harmonikus torzítások csökkentésének hatékonyságát, mivel egyszerre kezeli az inverterek által generált torzításokat és a hálózat felől érkező zavarokat. Ez a stratégiai elhelyezés eredményezi a következő előnyöket:

• 8–12%-kal nagyobb THD-csökkentés a fogyasztói oldali konfigurációkhoz képest
• A feszültségvillódzás és a fázis-hibás terhelés egyidejű korrekciója
• 32%-kal alacsonyabb szükséges szűrőkapacitás a központosított kompenzáció révén

A PCC-nél elhelyezett aktív teljesítményszűrők a csatlakozási ponton történő harmonikus torzítások csökkentésével védelmet nyújtanak a lefelé irányuló berendezések számára, és biztosítják a teljes rendszer megfelelőségét.

Fejlett vezérlési stratégiák párhuzamos aktív teljesítményszűrőkhöz napelemes rendszerekben

A pillanatnyi meddő teljesítmény (p-q) elmélet az SAPF szabályozásában

A PQ-elmélet alkotja alapját annak, hogyan működnek a párhuzamos aktív teljesítményszűrők (SAPF-ek), amikor ezeket a bosszantó harmonikus és meddő összetevőket észlelik az elektromos terhelésekben. A folyamat lényege a következő: a háromfázisú áramokat ortogonális összetevőkké alakítják át, amelyeket p (hatásos teljesítmény) és q (meddő teljesítmény) néven ismerünk, és ezek illeszkednek a hálózati oldalon zajló folyamatokhoz. Ez a módszer körülbelül tízből kilencszer sikeresen szűri ki a harmonikus tartalmakat a jelből. Amint meghatároztuk ezeket a referenciajeleket, azok pontosan megmondják az SAPF inverterének, hogy mit kell kiejteni, különösen azokat az ellenálló ötödik és hetedik rendű harmonikusokat, amelyek gyakran előfordulnak a napelemmel táplált hálózatokban, ahogyan azt tavaly a Nature Energy egy tanulmánya is közölte.

Stabilitás javítása a DC-híd feszültségszabályozásával

Az állandó DC-hídfeszültség fenntartása nagyon fontos ahhoz, hogy a SAPF-ek (Shunt Aktív Teljesítményszűrők) stabil teljesítményt nyújtsanak. A rendszer általában egy úgynevezett arányos-integráló szabályozót használ az egyensúly fenntartására. Ez az eszköz a DC-kondenzátor feszültségét szabályozza a berendezés és az elektromos hálózat között áramló hasznos teljesítmény mennyiségének beállításával. Tesztek szerint ez a módszer körülbelül 60 százalékkal csökkenti a feszültségingadozást az irányítás nélküli rendszerekhez képest. Mit jelent ez gyakorlatilag? Segít a megfelelő harmonikus kompenzáció fenntartásában akkor is, ha problémák lépnek fel, mint például részleges árnyékolás vagy hirtelen megváltozó napsugárzás-erősség. Ezek a problémák gyakran előfordulnak nagy méretű naperőművekben, így a megfelelő feszültségszabályozás elengedhetetlen a zavartalan működéshez.

Új irányzatok: Adaptív és mesterséges intelligencián alapuló szabályozás párhuzamos aktív teljesítményszűrőkben

A legújabb SAPF modellek mostantól mesterséges ideghálózatokat kombinálnak modell-alapú prediktív szabályozási technikákkal, hogy az előző napelemes kimenetek és hálózati információk alapján előrejelezzék a harmonikus viselkedést. Ezeket az intelligens rendszereket az különbözteti meg, hogy képesek 30 százalékkal gyorsabban reagálni a hagyományos módszerekhez képest, miközben automatikusan változtatják a kapcsolási frekvenciát 10 és 20 kHz között a jobb teljesítményhangolás érdekében. A gyakorlati tesztek azt mutatták, hogy amikor MI vesz részt az SAPF működésében, a teljes harmonikus torzítás állandóan 3% alatt marad, ami valójában felülmúlja az IEEE 519-2022 által különböző üzemeltetési forgatókönyvek során meghatározott szigorú előírásokat, ahogyan azt az IEEE által közölt legfrissebb szabályozórendszer-kutatás is igazolja.

Kiegészítő harmonikus csökkentési technikák a javított APF-teljesítmény érdekében

Előszűrési megoldások: többimpulzusú inverterek és LCL-szűrők

A többimpulzusú inverterek a fáziseltolt transzformátor tekercselések alkalmazásának köszönhetően már a forrásnál csökkentik a harmonikusok képződését. Ezek az inverterek a kellemetlen 5. és körülbelül a 7. harmonikusokat valahol 40 és akár 60 százalék között csökkenthetik a hagyományos 6 impulzusú megoldásokhoz képest. Napjainkban egy LCL-szűrő hozzáadásával pedig további javulás érhető el. Ezek a szűrők kiválóan hatnak a kapcsolási zaj magas frekvenciájú összetevőire, különösen a körülbelül 2 kHz feletti tartományban. Együttesen jelentősen csökkentik az utána következő aktív teljesítményszűrők (APF) terhelését. A napelemes rendszerekkel dolgozók számára ez a rétegzett szűrési stratégia lényegesen egyszerűbbé teszi a szigorú IEEE 519 2022 szabványok teljesítését. Néhány IntechOpen tanulmány is alátámasztja ezt, körülbelül 15 százaléktól akár 30 százalékig terjedő javulást jelezve a megfelelési arányokban.

Hibrid megközelítések: Zik-zak transzformátorok kombinálása aktív teljesítményszűrőkkel

A cikcakk transzformátor elég jól megbirkózik azokkal a bosszantó nullsoros harmonikusokkal, amelyeket triplenek nevezünk (gondoljon a 3., 9., 15. rendű komponensekre). Ezek a kis kellemetlenségek okozzák a problémákat a túlterhelt semleges vezetőkkel a háromfázisú fotovoltaikus rendszerekben. Kombinálja ezen transzformátorokat aktív teljesítményszűrőkkel, és különféle hálózati csatlakozási tesztek szerint kb. 90 százalék körüli csökkentést érhet el az 1 kHz alatti alacsonyabb frekvenciájú harmonikusokban. Ez a kombináció azért különösen érdekes, mert valójában lehetővé teszi az építészmérnökök számára, hogy az APF-ek méretét körülbelül felére csökkentsék, sőt néha még annál is jobban. A kisebb APF-ek pedig jelentős megtakarítást jelentenek a felszerelési költségekben, valamint a folyamatos karbantartási kiadások is csökkennek.

Okos inverter firmware integráció proaktív harmonikuscsökkentéshez

A legújabb generációs hálózatképző inverterek már prediktív algoritmusokat használnak a harmonikus torzítások csökkentésére, és öt milliszekundumnál rövidebb idő alatt módosítják modulációs stratégiájukat. Ezek az intelligens eszközök az IEC 61850 szabvány szerint kommunikálnak az aktív teljesítményszűrőkkel, így képesek a jelalak-problémákat ott kijavítani, ahol keletkeznek, ahelyett, hogy a rendszerben lejjebb engednék felhalmozódni a hibákat. A gyakorlati tesztek érdekes jelenséget mutattak: amikor a rendszerek így együttműködnek, a teljes harmonikus torzítás akkor is 3 százalék alá csökken, ha hirtelen megváltozik a napsugárzás erőssége – figyelemre méltó eredmény annak fényében, milyen érzékenyek lehetnek a napelemes berendezések. Emellett van még egy előny: az aktív teljesítményszűrő 40 százalékkal kevesebb alkalommal kapcsol be és ki, mint korábban. Ez hosszabb élettartamot és jobb általános hatásfokot jelent az egész villamosenergia-rendszer számára.

Aktív teljesítményszűrők teljesítményének és gazdasági értékének értékelése naperőművekben

Hatékonyságmérés: IEEE 519-2022 megfelelőség és THD-csökkentési esettanulmányok

A fotovoltaikus berendezésekhez aktív teljesítményszűrők szükségesek ahhoz, hogy megfeleljenek az IEEE 519-2022 szabványnak, amely 5%-os határt állapít meg a feszültség teljes harmonikus torzításra a csatlakozási pontokon. Amikor ezek az APF-k ténylegesen működésbe lépnek, általában a THD-szintet körülbelül 12 százalékról mindössze 2-3 százalékra csökkentik a legtöbb kereskedelmi napelemes rendszerben. Ez segít abban, hogy a berendezések ne melegedjenek túl, és megakadályozza azokat a kellemetlen hullámforma-torzításokat, amelyek idővel károsíthatják a rendszereket. A 2023-ban történtek tükrében, amikor kutatók hét nagy méretű naperőművet vizsgáltak meg, érdekes dolgot vettek észre: az APF-k felszerelése után a hálózati előírásoknak való megfelelés drámaian növekedett, alig több mint feléről (kb. 58%) majdnem tökéletes szintre, 96%-ra. A villamosenergia-minőséggel foglalkozó szakemberek gyakran kiemelnek egy további előnyt is: ezek a szűrők akkor is elég jól működnek, ha a rendszer nem teljes terheléssel üzemel, néha akár 30%-os terhelés mellett is, ami különösen előnyös a napelemes rendszereknél, ahol az energiatermelés napközben természetesen változik.

Hosszú távú terepi teljesítmény: Aktív teljesítmény szűrő egy német naperőműben

Egy Németországban működő, 34 megawatt teljesítményű fotovoltaikus erőmű lenyűgöző eredményt ért el aktív teljesítményszűrő rendszerével közel másfél év alatt. A teljes harmonikus torzítás folyamatosan 3,8% alatt maradt, még akkor is, amikor az erőmű kimenete drámaian változott 22% és 98% között. Ezen eredmény különösen figyelemre méltóvá teszi, hogy az intelligens vezérlőrendszer a kondenzátorbankok cseréjét körülbelül háromnegyedére csökkentette a hagyományos passzív módszerekhez képest. Az üzemidő statisztikáit tekintve az APF 98,6%-os működési időt ért el, ami meghaladja a legtöbb passzív szűrő hasonló körülmények között (általában 91–94%) elérhető teljesítményét. A karbantartó csapatok azt is jelentették, hogy az APF esetében körülbelül 40%-kal kevesebb beavatkozásra volt szükség a régebbi reaktor-alapú szűrési módszerekhez képest, ami jelentős költségmegtakarítást eredményezett hosszú távon.

Költség-haszon elemzés: a kezdeti beruházás és a hálózati büntetések megtakarításának összehangolása

A feszültséghinályos szűrők (APF) jelentősen magasabb kezdeti árral járnak, általában körülbelül 25–35 százalékkal drágábbak, mint a hagyományos passzív szűrők. Ám itt jön a lényeg: az üzemek évente tizennyolcezer és negyvenötezer dollár közötti összeget takaríthatnak meg a torzítási problémák miatt kiszabott hálózati büntetések terén. Vegyünk például egy tipikus 20 megawattos létesítményt, ebben az esetben a megtakarítás alig négy év alatt fedezné a többletköltséget. Egyre több vállalat keveri már az APF-eket meglévő LCL-szűrőikkel is. Ez a hibrid megközelítés körülbelül 19 centtel csökkenti a mérséklés költségeit wattcsúcsra vetítve, ha összehasonlítjuk a kizárólag passzív rendszerek használatával. Emellett a szabályozók mostanában már tényleges tárgyi eszközként kezelik az APF-eket, amelyeket 7–12 év alatt lehet leírni. Ez pénzügyileg vonzóvá teszi őket a hagyományos megoldásokkal szemben, amelyek leírása egész pontosan tizenöt évig tart. A számítások tehát a legtöbb működtető számára hosszú távú megtakarítást jelentenek.

GYIK

Milyen okok vezetnek harmonikus torzításokhoz a fotovoltaikus rendszerekben?

A fotovoltaikus rendszerekben a harmonikusok elsősorban az inverterekben és DC-DC konverterekben található nemlineáris teljesítményelektronikából származnak. További források a mágneses telítődési határhoz közeli transzformátorok és az egyensúlytalan háromfázisú terhelések.

Hogyan generálnak harmonikus áramokat az inverterek?

A pulzusszélesség-modulációt (PWM) használó inverterek kapcsoláskor harmonikus áramokat hoznak létre, amelyek magas frekvenciájú hullámzást és harmonikus csoportokat eredményeznek a kapcsolási alapfrekvencia többszöröseinél.

Mi a hatása a magas PV-penetrációnak a hálózati harmonikusokra?

Ahogy a PV-penetráció növekszik, a harmonikus torzítás is erősödik a fázisinterakciók, a hálózati impedancia és a rezonanciaveszély miatt, ami növekedett transzformátorveszteségekhez és emelkedett vezetők hőmérsékletéhez vezet.

Hogyan segítenek az aktív teljesítményszűrők a harmonikusok csökkentésében?

Az aktív teljesítményszűrők (APF-ek) harmonikusokat észlelnek és semlegesítenek IGBT-alapú invertereket és digitális jelfeldolgozókat (DSP) használva, csökkentve a teljes harmonikus torzítást 5% alá akár magas napelemes arány mellett is.

Milyen előnye van az APF-ek telepítésének a közös csatlakozási ponton?

Az APF-ek telepítése a KCP-nél mind az inverter által generált torzításokat, mind a hálózati zavarokat kezeli, így nagyobb THD-csökkentést és egyidejű feszültség-villódzás-javítást eredményez.