הסיבה העיקרית להעיוות הרמוני בהתקנות אנרגיה פוטוולטלית נובעת מהאלקטרוניקה החזקה לא ליניארית שאנו רואים בכל מקום בימינו, במיוחד ממירים פוטוولטליים ומגוון של התקני מפסק. מחקר ע relatively חדש משנת 2024 על אינטגרציה לרשת גילה משהו מעניין בנוגע לבעיה זו. התגלה כי כשליש שני של כל הזרמים ההרמוניים שנמדדו בתחנות סולריות מגיעים למעשה מממירי מקור מתח (VSI) בזמן שהם מבצעים את המרה של זרם ישר לזרם חילופין. מה שקורה כאן הוא פשוט למדי אך מורכב טכנית בעת ובעונה אחת. ממירים אלו יוצרים הרמוניות מתחלפות בתדר גבוה somewhere בין 2 ל-40 קילוהרץ, כתוצאה מהמודולציה של פולסים (PWM, לקיצור) יחד עם שיטות אינטרליבינג מסוימות. יש גם גורמים נוספים שמגיעים לתשומת לב. למשל, טרנספורמטורים לפעמים מגיעים לשיכוך בתנאים מסוימים, וכשמultiple ממירים עובדים יחד בפארקים סולריים גדולים, הם יכולים לתקשר בדרך שיוצרת הרמוניות נוספות.
כאשר לא שולטים בהרמוניות, הן מקטינות את יעילות המערכת ב-3 עד 7 אחוז, בהתאם למחקר של פונמון משנה שעברה. זה קורה בגלל שנושאים מאבדים יותר אנרגיה ומעכבים מחממים יותר מהשורה. אם עיוות המתח עולה על 5% THD, דברים מתחילים להשתבש די מהר. רеле הגנה מפסיקים לעבוד כראוי, וקבלים נוטים להיכשל באופן בלתי צפוי. הבעיה מחריפה גם עבור ממירים. אלו שפועלים בסביבות עשירות בהרמוניות רואים שהבידוד שלהם נהרס ב-15 עד 20% מהר יותר, מה שמשמעו תיקונים תכופים יותר והוצאות גבוהות יותר. יש מצבים ממש גרועים שמתרחשים כאשר יש תהודה בין השראות הרשת לבין מה שיוצא מממירי PV. אפקט זה גורם להרמוניות מסוימות לגדול כל כך, עד שציוד ניזוק לפעמים ללא אפשרות לשחזור.
ארגוני תקנים ברחבי העולם קבעו כללים מחמירים למדי בנוגע לרמות עיוות הרמוני כולל של מתח (THD) שמחייבים שהן יישארו מתחת ל-5%, וההרמוניות של הזרם לא יחרגו מ-8% בנקודות בהן מערכות מחוברות לרשת החשמל. להתקנות פוטוולטיות שגדולות יותר מ-75 קילוואט, קיימת דרישה נוספת מהתקן IEC 61000-3-6 המחייבת ביצוע מבחנים ספציפיים למדידת הפלטת ההרמוניות הללו. עמידה בכל התקנות האלה דורשת בדרך כלל יישום של טכניקות הפחתה שונות. גישות נפוצות כוללות עיצוב של ממירי אנרגיה עם טופולוגיות משופרות והתקנת ציוד לסינון פעיל של הספק. מרבית הרשויות המוסמכות היום insist על ניטור מתמיד של הרמוניות בתוך חוות שמש. זה עוזר להימנע מקנסים כבדים כאשר נוצרים בעיות יציבות ברשת עקב ריכוז יתר של הרמוניות.
מסנני הספק הפעילים או APFs מתמודדים עם עיוותי ההרמוניה המטרידים במערכות סולאריות על ידי זיהוי וביטול של זרמים רעילים בזמן אמת. הם פועלים בעזרת חיישני זרם וטכנולוגיית DSP כדי לנתח את מה שקורה עם זרמי העומס, ולזהות גם בעיות הרמוניה מינוריות כמו עיוותים מסדר שלישי. מבחני שטח מסוימים הראו למעשה כי APFs יכולים לצמצם את עיוות ההרמוניה הכולל בכ-88% בתחנות סולאריות בעלות 500 קילוואט, בהשוואה למסננים פאסיביים מסורתיים. ביצועים מסוג זה עושים הבדל משמעותי ביציבות וביעילות המערכת.
ניטור זרם הרשת מתרחש באופן מתמיד באמצעות חיישני אפקט הול שקולטים את אותות ההרמוניה בדיוק די גבוה, עם שגיאה של כשני אחוז מהערך. לאחר מכן מבוצעת עיבוד נתונים כבד על ידי אלגוריתמים מתקדמים של עיבוד אותות דיגיטלי (DSP), שיוצרים זרמים נגדים בדיוק בפאזה הפוכה לאלו שההרמוניות שהתגלו. ראו מה מצאו החוקרים בעבודתם משנת 2023 על טכניקות תיקון בזמן אמת: הם הראו שעומדי הסינון האקטיביים, כאשר פועלים בתדרי przełącz של עד 20 קילוהרץ, יכולים למעשה לבטל כמעט לחלוטין את ההרמוניות מסדר חמישי ושבעי בתוך אלפיים השנייה בלבד. משהו מרשים למדי עבור כל מי שמ zajם עם בעיות באיכות החשמל יום אחרי יום.
שיטת בקרה זו מפרידה בין רכיבי הספק הרגעי (p) והספק הריאקטיבי (q) באמצעות טרנספורמציות קלארק. על ידי סנכרון עם מתח הרשת דרך לולאות נעילה של מופע (PLLs), שיטת p-q שומרת על מקדם הספק por 0.98 גם במהלך תנודות בהארה של 30%. מחקר מראה כי הגישה הזו מצמצמת את דרישת הספק הריאקטיבי ב-72% יחסית לבקרים מסורתיים מסוג PI.
מערכת זו מקבלת את אותות האיזון ומשנה אותם להוראות מיתוג אמיתיות באמצעות מה שנקרא מודולציית PWM של וקטור מרחב. בימינו, רוב המסננים האקטיביים לבקרת הספק מבוססים על ממירים שמבוססים על IGBT ופועלים עם יעילות של יותר מ-97 אחוז הודות לטכניקות חכמות של איזון זמן מת, שמפחיתים את איבדי המיתוג המטרידים. כאשר בוחנים מאמרים שונים בנושא ממירי מקור מתח PWM, אנו מגלים שעיצובים אלו יכולים לבטל הרמוניות על תחומי רוחב פס שמעבר ל-2 קילוהרץ. וכאן יש נקודה חשובה נוספת – הם שומרים על עיוות הרמוני כולל מתחת ל-4%, וכך עומדים בכל הדרישות שנקבעו בתiêuון IEEE 519 העדכני משנת 2022.
| פרמטר | מסנן טרاديיציוני | מסנן כוח פעיל |
|---|---|---|
| זמן תגובה | 50–100 מ"ש | <2 מילישניות |
| טיפול בהרמוניות לפי סדר | קבוע (5, 7) | 2 עד 50 |
| הפחתת THD | 40–60% | 85–95% |
| המתאימות | ללא | מעקב אחר עומס דינמי |
אינטגרציה נכונה של מסנני הספק פעילים (APF) בתחנות פוטוולטיות דורשת הגדרה וגישות בקרה זהירות שמשמרות את ההתאמה לתקני הרשת, תוך שמירה על איכות הספק טובה. ברוב ההתקנות המודרניות נבחרים מבנים של APF מקבילי בגלל החיבור במקביל, שמאפשר להם לבטל הרמוניות בזמן אמת מבלי להשפיע על ייצור הסולארי האמיתי. לפי מחקר שפורסם בשנת 2023 דרך IntechOpen, כ-89 אחוז מהחוות סולאריות הגדולות החדשות כוללות כיום APF מקבילי שעובד יחד עם מערכות נעילת מופע (PLL). המבנים הללו מצליחים להסיט את מתח הרשת בדיוק גבוה, בדרך כלל בתוך חצי מעלה לכל כיוון. דיוק כזה משפיע רבות על הביצועים הכולל של תחנות הסולאריות הללו.
מסנני הספק פעילים שונטים פועלים על ידי הזרקת זרמי הרמוניה נגדית לרשת דרך ממירי מקור מתח. יתרונות עיקריים כוללים:
בקרים אדפטיביים משפרים אתавירת ההרמוניות בתנאי רוחב משתנים על ידי התאמת פרמטרי усиיה באופן אוטומטי. מבחני שדה בשנת 2024 הראו שמערכות אדפטיביות הפחיתו את העיוות ההרמוני הכולל (THD) מ-8.2% ל-3.1% תחת צל חלקי, והיו טובות יותר ב-42% מבקרעם עם усиיה קבועה בתגובת מעבר
שלוש גישות אינטגרציה עיקריות שולטות בתחנות PV מודרניות:
| שיטה | הפחתת THD | עלות יישום |
|---|---|---|
| APF מרכזי | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF ברמת מחרוזת | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| ממיר APF-PV היברידי | 89-95% | עיצוב אינטגרלי |
ניתוח של ScienceDirect משנת 2024 גילה שמערכות היברידיות שיפרו את תפוקת האנרגיה ב-6.8% בהשוואה לפתרונות APF עצמאיים במערכים סולריים של 500 קילוואט.
מערכות היברידיות של פוטוולטהיק-מסנן הספק משתמשות כיום בממירים מיוחדים שמטפלים הן בהמרת אנרגיה והן בהפחתת רעש חשמלי בו זמנית. העיצובים החדשים ביותר מממשים את פונקציית מסננת הספק ישירות בתוך יחידת הממיר הראשית של הפאנל הסולרי. זה מקטין את מספר החלקים הנדרשים בכ-37% לעומת מערכות עם רכיבים נפרדים, לפי מחקר של וונג ועמיתיו משנת 2021. המערכות הללו פועלות באמצעות טכניקות מתנה מהודעות שמאפשרות להן לעקוב אחר נקודת ההספק המקסימלית של האור השמשי, ובמקביל לבטל הרמוניות לא רצויות. הן משתפות רכיבים מרכזיים כמו קondenסורים בדוא"ם (DC-link) ומודולי IGBT שמופיעים ברוב המכשירים אלקטרוניים מודרניים. מבחני שטח מראים שהמערכות הללו שומרות על עיוות הרמוני כוללתי מתחת ל-3%, מה שמאוד טוב בהתחשב בכך שהן גם מצליחות להמיר אור שמשי לחשמל עם יעילות של כ-98.2%. די מרשים עבור משהו שעוזר לנקות את רשתות החשמל שלנו תוך כדי שיפור בשימוש במקורות אנרגיה מתחדשים.
סימולציות מסוג חומרה-בתוך-הלולאה (HIL) של מערכות היברידיות בקיבולת 500 קילוואט מראות זמן תגובה להרמוניות מהיר ב-89% בהשוואה לממסננים פאסיביים קונבנציונליים. מחקר בתחום אנרגיה מתחדשת משנת 2024 גילה שבודקי שיטה אדפטיביים ב-PV-APF מקטינים תנודות מתח ב-62% בתנאי צלול חלקי. יישומים בשטח מראים דיכוי יציב של THD מתחת ל-5% לאורך יותר מ-1,200 שעות פעילות, גם עם עומסי לא-ליניאריים של 30%.
مزק סולארי מסחרי הסיר בעיות של חימום יתר של טרנספורמטורים הנגרמות על ידי הרמוניות, באמצעות שילוב של PV-APF. המערכת ההיברידית השתמשה בשמונה ממירים דו-פונקציונליים בני 60 kVA, המחוברים בטור, והשיגה:
ניטור לאחר ההתקנה אימת את התאמה לתקן IEEE 519-2022 בתרחישים של כיסוי עננים משתנה בגובה 25%.
מסנני הספק הפעיל עוזרים לשמור על הדברים בתוך גבולות תקנות מתח החברת החשמל על ידי שמירה על העיוות ההרמוני הכולל (THD) מתחת לסף הקריטי של 5% כפי שנקבע בתקני IEEE 519-2022. לפי מחקרים אחרונים משנת 2023 שנבדקו בהם 12 התקנות פוטוולטיות 욤מות, מסננים אלו מגדילים בדרך כלל את מקדם ההספק בין 0.15 ל-0.25, ובמקביל מצמצמים בעיות של אי-איזון מתח בכמעט שני שלישים. מה שעושה אותם ייחודי במיוחד הוא היכולת שלהם להתמודד עם ירידות פתאומיות במתח בעת שמעברים של עננים מעל מערכים סולריים, משהו שיכול לפגוע משמעותית בייצוב הרשת. רוב הדרישות המודרניות לרשת דורשות לא יותר מ-10% תנודה ברמות מתח, ומסנני הספק הפעיל עומדים באופן עקבי בדרישה זו תחת מגווןظروف תפעול.
שינויים בהארה הסולרית יוצרים אינטראהרמוניות לא רצויות בטווח התדרים של 1 עד 2 קילוהרץ, משהו שמשדרים סטנדרטיים פשוט אינם מצוידים להתמודד איתו בצורה יעילה. כדי לפגוע בתופעה זו, מסננים פעילים משתמשים בשיטת מודולציית רוחב פולס בזמן אמת עם זמני תגובה מתחת ל-50 מיקרושניות, ובכך מצליחים להסיר את עיוותי ההרמוניות הללו. בדיקות בשטח הראו תוצאות מרשים, עם הפחתה של כ-85 עד 90 אחוזים שנרשמה במיוחד עבור אינטראהרמוניות בתדר 150 עד 250 הרץ. שיפורים אלו חשובים במיוחד מכיוון שהם מונעים מהטרנספורמטורים להתחמם בעודם מקטינים בו זמנית את איבודי הקו בכ-12 עד 18 אחוזים במתקני פוטו וולטאיים שקיבולתם עולה על מגהוואט אחד. יתרון נוסף מופיע כאשר מסננים אלו פועלים במקביל לפתרונות אגירת אנרגיה, שם הם מפחיתים משמעותית בעיות נפנוף מתח במהלך שינויים פתאומיים בייצור החשמל הסולרי, ומשלימים דיכוי בטווח של 60 עד 75 אחוזים לפי מדידות תעשייתיות.
מסנני הספק האקטיביים עולים כ-30 עד 40 אחוז יותר בהתחלה מאלטרנטיבות פסיביות, אך הם משתלמים לאורך זמן הודות לחיסכון ארוך טווח משמעותי. מערכות אלו פועלות בדרך כלל ביעילות של 92 עד 97 אחוז, מה שמצמצם את הוצאות התפעול השנתיות בכ-18 עד 22 דולר לכל קילוואט במהלך חמש שנים. מה שמגביר עוד יותר את המניעות שלהן הוא הקונפיגורציה המודולרית. מתקנים יכולים להתקין מסננים אלו בשלבים תוך שמירה על תפעול חלק, שכן הגיבוי המובנה מבטיח הפרעה הרמונית של פחות מחצי אחוז גם כאשר יש צורך בטיפול במסנן אחד. עם זאת, יש נקודה אחת – ההפעלה הנכונה של המערכות דורשת השקעה נוספת של כ-4.50 עד 6.80 דולר לקילוואט, שמתווספת לעלות ההתקנה. עבור פעולות קטנות יותר מתחת ל-50 מגהוואט, זה אומר שדרוש חישוב כלכלי מדוקדק לפני החלטה האם היתרונות ארוכי הטווח מפצות על העלות הראשונית.
המקורות העיקריים להרמוניות בתחנות כוח פוטוולטיות הם ממירי מקור מתח, שתרומתם היא שני שליש מהזרמים ההרמוניים, והאינטראקציות בין ממירים מרובים או טרנספורמטורים רווים.
왜곡된 고조파는 시스템 효율을 3~7% 감소시키고, 보호 계전기의 오작동 및 커패시터 고장을 유발하며 인버터 절연의 파손 가능성을 15~20% 증가시킬 수 있습니다.
עיוות הרמוני כולל של המתח (THD) צריך להישאר מתחת ל-5%, וההרמוניות בזרם לא אמורות לעלות על 8% לפי מספר תקנים, וביניהם IEC 61000-3-6 עבור התקנות גדולות יותר מ-75 קילוואט.
מסנני הספק האקטיביים משתמשים בחיישני זרם ובטכנולוגיית DSP לזיהוי ובביטול זרמי הרמוניה בזמן אמת, ובכך מפחיתים משמעותית את עיוות ההרמוניות הכולל במערכת.
בעוד שמסנני הספק האקטיביים משפרים את התאמה לתקנות רשת ואיכות הספק, עלותם הראשונית גבוהה יותר בהשוואה לחלופות פסיביות. עם זאת, הם מציעים חיסכון ארוך-טווח טוב יותר הודות ליעילות מוגברת ולתחזוקה מופחתת.
EN
חדשות חמות