איך מסנן הספק אקטיבי מדכא הרמוניות בתחנות כוח פוטו-וולטאיות?

מקורות של הרמוניות במערכות PV

מערכות סולאריות נוטות ליצור הרמוניות בעיקר בגלל האלקטרוניקה החשמלית לא ליניארית המצוייה במ변נים והמרני DC-DC. רכיבים אלו משנים את צורת זרמי החשמל בעת המרת אנרגיה מאחת לצורה אחרת. גם טרנספורמטורים הפועלים קרוב לגבול היצ saturation המגנטי שלהם תורמים לבעיה זו, כמו גם עומסי מופע לא מאוזנים במערכת. בהתייחס למחקרים אחרונים מתחילת 2024 על מקורות של תדרים לא רצויים בהתקנות אנרגיה ירוקה, מרבית המחקרים מצביעים על ממשקים אלקטרוניים כגורם לכ-72 אחוז מהבעיות ההרמוניות שנראות היום במרכזי פוטו-וולטאיים מודרניים.

איך ייצור המעבר של הממיר יוצר זרמי הרמוניה

כשממירים מחליפים באמצעות אפנון רוחב פולסים (PWM), הם נוטים ליצור זרמי הרמוניה מטרידים. לרוב, ממירים עובדים בטווח של כ-2 עד 20 קילוהרץ בפעולת המיתוג שלהם. מה שקורה כאן הוא פשוט למדי – אנו מקבלים כל מיני גלי זרם בתדר גבוה בנוסף לאיבורי ההרמוניה המופיעים סביב כפולות של תדר המיתוג הבסיסי שלנו. ראו מה קורה כשמריצים ממיר בתדר 4kHz יחד עם רשת חשמל סטנדרטית של 50Hz. לפתע מופיעים הרמוניות דומיננטיות בנקודות כמו 4kHz ועוד או פחות כל כפולה של 50Hz הבאה בתור. אם לא מתקינים מסננים מתאימים לטיפול במצב הזה, הזרמים הלא רצויים ממשיכים לזרום חזרה לרשת החשמלית העיקרית. התוצאה? איכות מתח ירודה יותר ובלאי מיותר על כל שאר הציוד המחובר לרשת הזו.

השפעת חדירת PV גבוהה על רמות ההרמוניה ברשת

כשאחוז חדירת פוטו וולטאי (PV) ברשתות הפצה עולה על 30%, עוצמת העיוות ההרמוני מצטברת עקב:

• השפעה בין מופעים : הפעלה סינכרונית של ממירים מגבירה תדרים הרמוניים מסוימים
• עכבה של רשת החשמל : עכבה גבוהה יותר בתדרים הרמוניים גורמת לעיוות מתח מוגבר
• סיכוני תהודה : אינטראקציה בין קיבול הממיר לבין השראות הרשת יכולה ליצור שיאי תהודה

מחקרים בשטח רשמו שיאי עיוות הרמוני כוללני (THD) חדים שעוברים את 30% במהלך שינויים מהירים ברמת הקרינה – הרבה מעל לגבול של 5% עיוות מתח THD לפי IEEE 519-2022. תנאים אלו מגדילים את איבדי הטרנספורמציה ב-15–20% ומגביהים את טמפרטורת המוליכים ב-8–12°‏C, מה שמזרז את דידון הבידוד ומקצר את מחזור החיים של הציוד.

איך מסנני הספק האקטיביים מפחיתים הרמוניות בזמן אמת

מגבלות של מסננים פסיביים בסביבות PV דינמיות

מסנני הרמוניות פסיביים אינם מתאימים למערכות פוטוולטיות מודרניות בשל מאפייניהם הקבועים של התאמה. הם לא יכולים להסתגל לסpektروم הרמוני משתנה הנגרם על ידי עוצמת קרינה משתנה או דינמיקת עומס. חסרונות עיקריים כוללים:

• אי-יכולת להגיב לשינויים הרמוניים הנגרמים על ידי עננים
• סיכון לרזוננס עם ממירים מחוברים לרשת, שנמצא ב-63% ממערכות PV
• עלות תחזוקה שנתית גבוהה ב-74% בהשוואה לפתרונות פעילים (EPRI 2022)

מגבלות אלו מקטינות את האמינות והיעילות בסביבות שבהן פרופילי הרמוניה משתנים במהלך היום.

עקרון פעולת מסנן הספק הפעיל: השקה של זרם הרמוני בזמן אמת

מסנני הספק הפעיל (APFs) משתמשים בממירים מבוססי IGBT ומעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) לזיהוי וביטול הרמוניות תוך 2 מילישניות. כפי שמצוין ב הנחיות טכניות IEEE 519-2022 , התהליך כולל:

1. דגימת זרם רשת בתדר 20–100 קילוהרץ כדי ללכוד את התוכן ההרמוני
2. חישוב זרמי הרמוניקה בפאזה נגדית בזמן אמת
3. הזרקת זרמי פיצוי באמצעות מתג תדר גבוה (10–20 קילוהרץ)

תגובה דינמית זו מאפשרת למסנני הספק הפעיל לשמור על עיוות הרמוני כולל (THD) מתחת ל-5%, גם בתפוקת PV גבוהה (>80%) ובהồות ייצור משתנות במהירות

מיקום אופטימלי של מסנן הספק הפעיל בנקודת החיבור המשותפת (PCC)

התקנת APFs בנקודת החיבור המשותפת (PCC) מגדילה את יעילות הפחתת ההרמוניקות על ידי טיפול הן בעיוותים הנוצרים על ידי הממיר והן בהפרעות מהרשת העליונה. מיקום אסטרטגי זה מביא לתוצאות הבאות:

• הפחתת THD בגודל 8–12% יותר גדולה בהשוואה לקונפיגורציות בצד העומס
• תיקון סימולטני של נדנוד מתח ואי-איזון פאזות
• קיבולת מסנן נדרשת נמוכה ב-32% בזכות פיצוי מרכזי

על ידי הפחתת הרמוניקות בנקודת הממשק, מסנני APF שממוקמים ב-PCC מגנים על ציוד במורד הזרם ומבטיחים תאימות בכל המערכת

אסטרטגיות בקרה מתקדמות למסנני הספק הפעיל מסוג שונט במערכות PV

תיאורית ההספק הרגעי (p-q) בקרת SAPF

התיאוריה של PQ מהווה את הבסיס לאופן שבו מסנני הספק האקטיביים השונטים (SAPFs) מבצעים את הקסם שלהם כשמדובר בזיהוי רכיבים הרמוניים וריאקטיביים מטרידים בטעינות חשמליות. מה שקורה כאן הוא די יפה: זרמי שלוש המופע עוברים המרה לרכיבים אורתוגונליים הנקראים p (הספק פעיל) ו- q (הספק ריאקטיבי), כל אחד מיושר עם מה שקורה בצד הרשת. לגישה זו יש דיוק של כ-9 מתוך 10 פעמים כשמדובר בהפרדת רכיבים הרמוניים מהתערובת. לאחר שאותות ההפניה האלה מזוהים, הם מודיעים לממיר של SAPF מה בדיוק צריך לבטל, במיוחד את ההרמוניות בערכים חמישי ושבעי הסדר שהן נוטות לצוץ שוב ושוב ברשתות שמסופקות על ידי פאנלים סולריים, כפי שנמצא במחקר שפורסם Nature Energy בשנה שעברה.

שיפור יציבות באמצעות תק regulation של מתח DC-Link

תחזוקת מתח יציב ב-DC-link היא מאוד חשובה כדי להשיג ביצועים עקביים ממפסקי הספק פעילים (SAPF). המערכת משתמשת בדרך כלל במה שנקרא בקר יחסי-אינטגרלי כדי לשמור על איזון. מכשיר זה מנהל את מתח הקבל ב-DC על ידי התאמת כמות ההספק האמיתי הזורם בין הציוד לרשת החשמל. מבחנים מראים שגישה זו מקטינה את רעמת המתח בכ-60 אחוז בהשוואה למערכות ללא תק regulation. מה זה אומר מבחינה מעשית? זה עוזר לשמור על תיקון הרמוניות תקין גם כשיש בעיות כמו צללה חלקית או שינויי אור פתאומיים בעוצמת האור השמש. סוגים אלו של בעיות מתרחשות כל הזמן במתקני סולריים גדולים, ולכן שליטה טובה במתח היא הכרח מוחלט להפעלה חלקה.

נושאים עכשוויים: בקרה אדפטיבית ומבחינה מלאכותית במפסקי הספק פעילים מסוג שונט

דגמי ה-SAPF האחרונים משלבים כעת רשתות נוירונים מלאכותיות עם טכניקות בקרת תחזית מודלית כדי לחזות התנהגות הרמונית על סמך תפוקות לוחות סולריים קודמות ומידע על רשת החשמל. מה שמייחד מערכות חכמות אלו הוא היכולת להגיב מהר יותר ב-30 אחוז לעומת שיטות מסורתיות, תוך שינוי אוטומטי של תדירויות המעבר בכל מקום בין 10 ל-20 קילוהרץ לצורך עדכון ביצועים טוב יותר. מבחני שטח הראו כי כאשר בינה מלאכותית משתתפת בתפעול SAPF, עיוות הרמוני כולל נשאר בצורה עקבית מתחת ל-3%, מה שממש מקיים את התקנים המחמירים שנקבעו על ידי IEEE 519-2022 בכל סוגי תרחישי הפעלה שונים, בהתאם למחקר אחרון של מערכות בקרה שפורסם על ידי IEEE.

טכניקות יישום הרמוניה משלימות לשיפור ביצועי APF

פתרונות סינון מוקדמים: ממירים רב-פולסיות ומסננים מסוג LCL

ממירים מרובים פועלים על ידי צמצום ייצור הרעשים בהרמוניה כבר במקור, באמצעות שימוש בסלילים של טרנספורמטורים עם זזת מופע. הם יכולים לצמצם את ההרמוניות ה-5 וה-7 בערך ב-40 עד אולי 60 אחוז לעומת תכנונים רגילים של 6 פולסים. הוסיפו לזה מסנן LCL בימינו וראו מה קורה אחר כך. המסננים הללו מצטיינים בצמצום רעשי המיתוג בתדרים גבוהים מעל סימן ה-2 kHz. יחד הם ממש מקטינים את העומס עבור כל PFs שמגיעים אחריהם במערכת. לאנשים שעובדים על התקנות סולריות, האסטרטגיה הזו של סינון מדורג עוזרת מאוד לעמוד בתקני IEEE 519 2022 הקשיחים. כמה מחקרים מ-IntechOpen תומכים בכך ומציגים שיפורים בתחום של כ-15% ועד לכ-30% בשיעורי התאמה.

גישות היברידיות: שילוב של טרנספורמטורים מסוג Zig-Zag עם מסנני ספק אקטיביים

טרנספורמטור הזיג-זג מבצע עבודה טובה ב bekora של הרמוניות סדר אפס ידועות כרמוניות משולשות (כמו הרמוניה השלישית, התשיעית, החמש עשרה). הרעבים הקטנים האלה הם שגרמים לבעיות עם מוליכי ניטרליים שטעונים יתר על המידה במערכות פוטו-וולטאיות תלת-פאזיות. שילוב טרנספורמטורים אלו עם מסנני הספק פעילים מוביל להפחתה של כ-90 אחוז והלאה בהרמוניות תדר נמוך מתחת ל-1 קילוהרץ, בהתאם למבחני חיבור לרשת שונים. מה שהופך את השילוב הזה למעניין במיוחד הוא העובדה שהוא מאפשר מהנדסים לקטן את גודל המסננים הפעילים שלהם בקרוב לחצי, ולפעמים אפילו יותר מזה. ומסננים קטנים יותר משמעם חיסכון גדול בעלויות הציוד בהתחלה, וכן גם הוצאות תחזוקה מתמשכות יורדות.

שילוב תוכנת חכם של ממיר לавת הרגעה פרואקטיבית של הרמוניות

דור האחרון של ממירים יוצרים רשתות החל להשתמש באלגוריתמים חיזויי כדי לדכא הרמוניות, ומשנים את אסטרטגיית המודולציה שלהם בתוך פחות מחמישה מילישניות. ההתקנים החכמים האלה מתקשרים למסנני הספק פעילים דרך תקני IEC 61850, מה שמאפשר להם לתקן בעיות צורת גל בדיוק במקום בו הן נוצרות, במקום לאפשר לבעיות להצטבר במורד הזרם. בדיקות בשטח מראות תופעה מעניינת שמתרחשת כאשר מערכות פועלות יחד בדרך זו. סך עיוותים הרמוניים יורד מתחת ל-3 אחוזים גם כשעוצמת האור השמש משתנה באופן פתאומי, מה שמרשים במיוחד בהתחשב בכמה שמערכות סולריות עלולות להיות רגישות. בנוסף, יש עוד יתרון שראוי לציון: מסנן הספק פעיל מפעיל ומApag את עצמו ב-40% פחות תדר מאשר בעבר. זה אומר חיים ארוכים יותר של הציוד וכמו כן יעילות טובה יותר עבור כל מערכת הספק.

הערכת הביצועים והערך הכלכלי של מסנני הספק פעילים בתחנות PV

מדידת יעילות: דוגמאות מ случая של עמידה בתקן IEEE 519-2022 וצמצום THD

למערכות פוטוולטיות נדרשים מסנני הספק פעילים כדי לעמוד בתקני IEEE 519-2022 שמגדירים הגבלה של 5% על עיוות הרמוניות כולל במתח בנקודות החיבור. כשמשתמשים במסנני הספק הפעילים (APF) בפועל, הם מפחיתים את רמות עיוות ההרמוניות הכולל (THD) מבערך 12 אחוז לערך נמוך של 2 או 3 אחוז ברוב המערכות הסולריות המסחריות. פעולה זו עוזרת למנוע חימום יתר של הציוד ומאפשרת להימנע מעיוותי גל מזיקים שעלולים לפגוע במערכות לאורך זמן. בדיקה שנערכה בשנת 2023 על ידי חוקרים שבחנו שבע תחנות סולריות גדולות חשפה תופעה מעניינת: לאחר התקנת מסנני הספק פעילים, דרגת התאמה לתקנות רשת עלתה בצורה דרמטית, ממעט יותר ממחצית (כ-58%) עד כמעט תאמה מושלמת של 96%. אנשי מקצוע העוסקים באיכות חשמל מדגישים גם יתרון נוסף: מסננים אלו ממשיכים לפעול יפה גם כאשר המערכת לא פועלת בקיבולת מלאה, לפעמים אפילו רק ב-30% מהקיבולת, מה שהופך אותם ליעילים במיוחד בסולארית, בה ייצור האנרגיה משתנה באופן טבעי במהלך היום.

ביצועים שדהיים ארוכי טווח: פילטר הספק פעיל בהתקנת סולארית בגרמניה

מתקן פוטו וולטאי שפעל ב-34 מגה-וואט בגרמניה הפגין ביצועים מרשים ממערכת פילטר הספק הפעילה שלו במהלך תקופה של קצת פחות מארבע שנים וחצי. עיוות הרמוניות כולל נשאר יציב מתחת ל-3.8%, גם כאשר תפוקת המתקן השתנתה בצורה דרמטית בין 22% ל-98% מהקיבולת. מה שגורם להישג הזה להיות חשוב במיוחד הוא העובדה שמערכת הבקרה החכמה הפחיתה את החלפות קופסאות הקבלים בכמעט שלושה רבעים, בהשוואה לשיטות פסיביות מסורתיות. מבחינת סטטיסטיקות זמינות, פילטר הספק הפעיל שמר על פעילות ברמה גבוהה של 98.6%, מה שמעל על הביצועים של רוב המסננים הפסיביים בתנאי מזג אוויר דומים (בדרך כלל בין 91% ל-94%). צוותי תחזוקה דיווחו גם על צורך בביקורים של כ-40% פחות מאשר בשיטות מסננות ישנות יותר המבוססות על ריאקטורים, מה שמייצר חיסכון משמעותי בעלויות לאורך זמן.

ניתוח עלות-תועלת: איזון בין ההשקעה הראשונית לחיסכון בקנסות רשת

למסננים פעילים (APF) יש בהחלט תג מחיר גדול יותר בהתחלה, בדרך כלל ב-25 עד 35 אחוז יותר מאשר מסננים פאסיביים רגילים. אבל הנה הטריק: הם חוסכים למפעלים בין 18,000 ל-45,000 דולר מדי שנה על עונשים מהרשת הנגרמים בעיות הרמוניות. קחו למשל מתקן טיפוסי של 20 מגהוואט, והחיסכון בכסף מכסה את העלות הנוספת תוך פחות מארבע שנים. כיום, חברות רבות משלבות APF עם המסננים LCL הקיימים שלהן. גישה היברידית זו מקטינה את עלות הפתרונות mitigation בבערך 19 סנט לקילוואט שיא, בהשוואה לגישה של שימוש בלעדיות במערכות פאסיביות. בנוסף, הרשויות החלו להתייחס ל-APF כנכסים יסודיים אמתיים שניתן להפחיתם לאורך 7 עד 12 שנים. זה הופך אותם למצויינים מבחינה כלכלית בהשוואה לפתרונות מסורתיים שנדרש להם 15 שנים שלמות כדי להירשם כהפחתה. המתמטיקה פשוט עובדת טוב יותר עבור רוב המפעלים שמבקשים חיסכון ארוך טווח.

שאלות נפוצות

מה גורם להרמוניות במערכות פוטוולטיות?

הרמוניות במערכות פוטוולטיות נגרמות בעיקר על ידי אלקטרוניית הספק לא ליניארית הנמצאת במ변נים ובהמרני DC-DC. מקורות נוספים כוללים טרנספורמטורים קרוב לגבול הרוויה המגנטית שלהם ועומסים לא מאוזנים במערכת שלושה מופעים.

איך מומרים מייצרים זרמי הרמוניה?

מומרים המשתמשים בשיטת אפנון רוחב פולס (PWM) יוצרים זרמי הרמוניה בזמן הפעלה, ויוצרים גלי רעש בתדר גבוה וקבוצות הרמוניה סביב כפולות של תדר המפסק הבסיסי.

מה השפעת חדירת PV גבוהה על הרמוניות ברשת?

ככל שחדירת ה-PV גדלה, עוצמת העיוות ההרמוני מחריפה עקב אינטראקציות מופע, עכבות רשת וסיכוני תהודה, מה שמוביל לעלייה באיבדי טרנספורמטור ולעליית טמפרטורת מוליכים.

איך מסנני הספק האקטיביים עוזרים לצמצם הרמוניות?

מסנני הספק אקטיביים (APFs) זוהים ומבטלים הרמוניות באמצעות מומרים מבוססי IGBT ו-DSPs, ומקטינים את עortion העיוות ההרמוני הכולל מתחת ל-5%, גם עם חדירה גבוהה של אנרגיית שמש.

מה היתרונות של התקנת מסנני זריקה פעילים בנקודת החיבור המשותפת?

התקנת מסנני זריקה פעילים בנקודת החיבור המשותפת מטפלת גם בהעיוותים שמיוצרים על ידי הממיר וגם בהפרעות ברשת, מה שמוביל לצמצום גדול יותר של סך הרעשים ההרמוניים (THD) ותיקוני רעמת מתח חד-זמנית.