Како активниот филтер за моќност потиснува хармоници во фотовалтски електранi?

Разбирање на хармониската дисторзија во фотоволтаични електрана

Извори на хармоници во мрежно поврзани ФВ системи

Главниот причинител на хармониските дисторзии во фотовалтаичките инсталации се нелинеарните силови електронски компоненти кои ги гледаме секаде денес, особено фотоволтаичните инвертори и разни прекинувачки уреди. Недавно истражување за мрежната интеграција од 2024 година открило интересна работа околу овој проблем. Откриле дека околу две третини од сите измерени хармониски струи на сончевите фарми всушност потекнуваат од таканаречените инвертори со извор на напон кога вршат претворање од DC во AC струја. Оношто се случува тука е прилично едноставно, но истовремено технички комплексно. Овие инвертори создаваат високочестотни прекинувачки хармоници во опсег од 2 до 40 килогерци поради начинот на модулација на импулси (кратенка PWM) заедно со некои методи на преплетување. Има и други учесници кои треба да се спомнат. Трансформаторите понекогаш се заситуваат под одредени услови, а кога повеќе инвертори работат заедно во големи сончеви паркови, можат да меѓусебно делуваат на начин кој произведува дополнителни хармоници.

Влијанието на хармониската дисторзија врз квалитетот на електричната енергија и ефикасноста на системот

Кога хармониците нема да се контролираат, тие ја намалуваат ефикасноста на системот за околу 3 до 7 проценти според истражувањето на Понемон од минатата година. Ова се случува бидејќи проводниците губат повеќе енергија, а трансформаторите се загреваат повеќе од потребното. Ако дисторзијата на напонот надмине 5% THD, работите започнуваат да тргнуваат по злото доста брзо. Защитните релеја престануваат правилно да функционираат, а кондензаторите имаат тенденција непредвидено да откажат. Проблемот се зголемува и кај инверторите. Инверторите кои работат во средини пуни со хармоници, имаат за 15 до 20% побрзо распаѓање на изолацијата, што значи чести поправки и повисоки трошоци. Некои навистина лоши ситуации се јавуваат кога се појавува резонанца меѓу индуктивноста на мрежата и она што произлегува од PV инверторите. Овој ефект ја зголемува силата на одредени хармоници толку многу што опремата понекогаш всушност се оштетува до степен на неоправимост.

Чести стандарди за хармоници и соодветност во инсталациите на обновливи извори на енергија

Организациите за стандарди насекаде во светот поставиле доста строги правила според кои вкупната хармониска деформација на напонот (THD) мора да остане под 5%, а хармониците на струјата не смее да ја надминат границата од 8% во точките каде што системите се поврзуваат на електричната мрежа. За фотоволтаични инсталации поголеми од 75 киловати, стандардот IEC 61000-3-6 има дополнителен захтев кој бара специфични тестови за мерење на овие хармониски емисии. Исполнувањето на сите овие прописи обично значи применување на разни техники за ублажување. Некои чести пристапи вклучуваат дизајнирање на инвертори со подобри топологии и поставување на опрема за активно филтрирање на струјата. Повеќето регулатори денес инсистираат на континуирано следење на хармониците во сончевите фарми. Ова помага да се избегнат скапи казни кога ќе се појават проблеми со стабилноста на мрежата поради прекумерно голем содржин на хармоници.

Принцип на работа на активните филтри за моќност во PV системи

Активните филтри за активна моќност или АPF се справуваат со досадните хармониски деформации во сончевите системи со откривање и неутрализирање на лоши струи во реално време. Тие работат со струјни сензори и DSP технологија за да го анализираат тоа што се случува со струите на товарот, издвојувајќи дури и најмали проблеми со хармоници како трети ред деформации. Некои полски тестови всушност покажале дека APF можат да ја намалат вкупната хармониска деформација за скоро 88% кај сончеви централи со капацитет од 500 kW, во споредба со традиционалните пасивни филтри. Оваа перформанса има големо значење за стабилноста и ефикасноста на системот.

Како активниот филтер за моќност открива и неутрализира хармониски струи

Мониторирањето на струјата во мрежата се случува непрекинато преку сензори врз основа на Хол ефектот, кои ги регистрираат тие хармониски сигнали со доста добра прецизност, со грешка од околу половина процент. Потоа следи сериозно обработување на бројки со помош на напредни DSP алгоритми кои создаваат контра-струи точно во спротивна фаза со секоја детектирана хармоника. Погледнете што пронашле истражувачите во нивната студија од 2023 година за техники на компензација во реално време. Тие покажале дека кога активните филтри за моќност работат со честота на пребивање од 20 килогерци, тие всушност можат да ја поништат скоро целата досадна петта и седма хармоника само за две илјадити делчиња од секунда. Прилично impresивно достигнување за секој кој денеска се соочува со проблеми поврзани со квалитетот на струјата.

Теорија за тренутна реактивна моќност (p-q метод) за контрола во реално време

Оваа методологија на контрола ги одвојува моменталните активни (p) и реактивни (q) компоненти на моќноста користејќи ја трансформацијата на Кларк. Со синхронизација со напонот на мрежата преку фазни заклучници (PLLs), методот p-q одржува фактор на моќност поголем од 0,98 дури и при флуктуации на осветлувањето од 30%. Истражувањата покажуваат дека овој пристап намалува барањето за реактивна моќност за 72% во споредба со традиционалните PI регулатори.

Генерирање на референтна струја и комутација на инвертор врз основа на ШИМ

Овој систем ги зема тие компензационо сигнали и ги претвора во вистински команда за преклопување преку таканаречената модулација на просторен вектор со ШИМ. Денес, повеќето активни филтри за моќност се изградени околу инвертори базирани на IGBT кои работат со ефикасност поголема од 97 отсто благодарение на прилично напредните техники за компензација на мртво време, кои ја намалуваат досадната загуба при преклопување. Анализирајќи различни научни трудови за инвертори со извор на напон со ШИМ, откриваме дека овие конструкции можат да ги поништат хармониците низ опсег на фреквенции далеку над 2 kHz. И тука е нешто важно – тие ја одржуваат вкупната хармониска деформација под 4%, исполнувајќи ги сите барања поставени во најновиот IEEE 519 стандард од 2022 година.

Интеграција и стратегии за контрола на активни филтри за моќност во фотовалтеични централи

Правилната интеграција на активните филтри за ефективна моќност (APF) во фотоволтаични постројки бара прецизно поставување и стратегии на контрола кои ги одржуваат системите во согласност со стандардите на мрежата, истовремено осигурувајќи добра квалитет на моќноста. Повеќето современи инсталации избираат паралелни APF конфигурации, бидејќи тие се поврзани паралелно, овозможувајќи им отстранување на хармониците во реално време, без да влијаат врз производството на сончева енергија. Според истражување објавено во 2023 година преку IntechOpen, околу 89 отсто од новите големи сончеви фарми сега вклучуваат тие паралелни APF уреди кои работат заедно со системи за заклучување на фазата (PLL). Овие конфигурации успеваат прецизно да ги порамнат напоните во мрежата, обично во опсег од половина степен во било која насока. Таква прецизност има големо значење за подобрување на општата перформанса на овие сончеви инсталации.

Конфигурација на паралелен активен филтер за моќност и синхронизација со напонот во мрежата (PLL)

Шунт АПФ-ите работат со инжекција на контрахармониски струи во мрежата преку инвертори на извор на напон. Клучни предности вклучуваат:

• Компатибилност со променлив PV излез (опсег на фреквенција 3-150 Hz)
• точност на синхронизација од 98,7% користејќи контролери базирани на PLL
• време на реакција <5 ms при изведнапред непредвидени промени на товарот

Адаптивни спроти фиксни контролери во динамични PV средини

Адаптивните контролери ја подобруваат сузбивањето на хармониците во услови на флуктуирачко осветлување со автоматско прилагодување на параметрите на појачување. Тестирања на терен во 2024 година покажале дека адаптивните системи ја намалиле вкупната хармониска деформација (THD) од 8,2% на 3,1% под делумно затенување, надминувајќи ги фиксните модели за 42% во преодна реакција.

Методи на интеграција на активни филтри за моќност со PV инвертори

Три примарни пристапи за интеграција доминираат во современите PV централи:

Анализа од 2024 година на ScienceDirect покажа дека хибридните системи ја зголемиле продукцијата на енергија за 6,8% во споредба со самостојни APF решенија кај 500 kW сончеви низи.

Хибридни фотоволтаички-активни филтри за активна моќност: Дизајн и перформанси

Двојно функционален дизајн на инвертер: Истовремена производство на струја и компензација на хармоници

Хибридните фотогалванско-активни системи за филтрирање на активна моќност сега користат специјални инвертери кои истовремено управуваат со конверзијата на енергија и ја намалуваат електричната бучава. Најновите конструкции всушност вградуваат функција за филтрирање на моќност директно во главниот PV инвертер. Според истражување од Вонг и колегите од 2021 година, ова го намалува бројот на потребни компоненти за околу 37% во споредба со одделните компоненти. Овие системи работат преку напредни техники на комутација кои им овозможуваат да следат максимална сончева моќност, истовремено неутрализирајќи непожелни хармоници. Системите споделуваат клучни компоненти како што се DC-link кондензатори и IGBT модулите кои ги гледаме кај повеќето современи електронски уреди. Тестови во реални услови покажуваат дека ваквите системи ја одржуваат вкупната хармониска дисторзија под 3%, што е прилично добро, сметајќи дека истовремено успеваат да ја конвертираат сончевата светлина во електрична енергија со ефикасност од околу 98,2%. Прилично impresивно за нешто што помага да се прочистат мрежите за електрична енергија и подобро да се искористат изворите на обновлива енергија.

Симулација и полски перформанси на хибридни PV-APF системи

Симулации со хардвер во јамка (HIL) на 500 kW хибридни системи покажуваат 89% побрзи временски одговори на хармоници во споредба со конвенционални пасивни филтри. Исследување од 2024 година за обновливи извори на енергија покажа дека адаптивните контролери во PV-APF намалуваат колебањата на напонот за 62% под услови на делумно затенување. Полските имплементации покажуваат трајно потиснување на THD под 5% во текот на 1.200+ работни часови, дури и со 30% нелинеарни товари.

Студија на случај: Намалување на THD од 28% на под 5% во PV централи од 500 kW

Комерцијална сончева фарма го отстрани прегревањето на трансформаторот предизвикано од хармоници преку интеграција на PV-APF. Хибридниот систем вклучил осум двојни инвертери од 60 kVA поврзани паралелно, постигнувајќи:

• THD на струјата во мрежата: Намалено од 28% на 4,7%
• Компензација на реактивната моќност: 92% капацитет при фактор на моќност од 0,95
• Штедење на енергија: 7.200 $/месечно помали трошоци за одржување на филтри и избегнување казни од мрежата

Мониторингот по инсталацијата потврди усогласеност со стандардите IEEE 519-2022 под сценарија со 25% променливо облачно покривање.

Предности и предизвици при воведувањето на активни филтри за активна моќност во сончеви фарми

Подобрување на усогласеноста со мрежните кодекси и квалитетот на струјата во системите за обновлива енергија

Активните филтри за активна моќност помагаат да се одржат работните услови во рамките на прописите за напон на дистрибутивната мрежа, со тоа што ја задржуваат вкупната хармониска деформација (THD) под критичната граница од 5% предвидена во стандардот IEEE 519-2022. Според недавни студии од 2023 година кои ги анализирале дванаесет големи фотоволтаични инсталации, овие филтри обично го зголемуваат факторот на моќност меѓу 0,15 и 0,25, додека проблемот со неурамнотеженоста на напонот го намалуваат за околу две третини. Она што ги прави посебно вредни е нивната способност да справуваат со изведнашни падови на напон кога облаците ќе ги покријат сончевите полиња, нешто што сериозно може да го наруши стабилитетот на мрежата. Повеќето современи спецификации за мрежата бараат варијација на ниво на напон не повеќе од 10%, а активните филтри постојано го исполнуваат овој услов при различни работни состојби.

Намалување на интерхармониците и флуктуациите на напонот со користење на активно филтрирање

Варијациите во сончевата зрачење генерираат несакани интерхармони во опсегот од 1 до 2 kHz, нешто што стандардните инвертори едноставно не се опремени да го справуваат ефикасно. За да се бори со овој проблем, активните филтри користат модулација на ширината на пулсот во реално време со време на одговор под 50 микросекунди, успешно елиминирајќи ги овие хармонични искривувања. Тестот на терен покажал импресивни резултати, со намалување од околу 85 до 90 проценти забележано посебно за интерхармониките од 150 до 250 Hz. Овие подобрувања се критични бидејќи ги спречуваат трансформаторите да се прегреваат, а истовремено ги намалуваат губите на линијата за околу 12 до 18 проценти во фотоволтаичните инсталации со капацитет од повеќе од еден мегават. Дополнителна корист доаѓа кога овие филтри работат заедно со решенијата за складирање на енергија, каде што значително ги намалуваат проблемите со искривување на напонот при ненадејни промени во производството на соларна енергија, постигнувајќи стапки на потиснување помеѓу 60 и 75 проценти според мерењата на индустријата.

Компромис меѓу трошоците и поуздноста кај фотоволтаични централи со голема производна моќ

Активните филтри за активна моќ струваат околу 30 до 40 проценти повеќе на почетокот во споредба со пасивните алтернативи, но тоа го надоместуваат преку многу подобри заштеди на долги транси. Овие системи обично работат со ефикасност од 92 до 97 проценти, што ја намалува годишната сметка за одржување за приближно 18 до 22 долари по киловат во рок од пет години. Уште еден аспект кој ги прави побарани е нивната модуларна конфигурација. Објектите можат постепено да ги инсталираат овие филтри и сепак да одржуваат стабилна работа, бидејќи вградената редунданција ја задржува хармониската дисторзија под половина процент кога било кој филтер има потреба од интервенција. Сепак, постои еден манкат – правилното пуштање во рад на овие системи бара дополнителни трошоци од околу 4,50 до 6,80 долари по киловат, додадени на трошоците за инсталација. За помали операции под 50 мегавати, тоа значи дека треба сериозно да се анализираат бројките пред да се донесе одлуката дали долгороchnите предности ја надминуваат почетната цена.

ЧПП Секција

Кои се главните извори на хармоници во фотовалтаични електрана?

Основните извори на хармоници во фотовалтаични електрана се инвертори со напонски извор, кои придонесуваат за две третини од хармониските струи, и интеракциите меѓу повеќе инвертори или заситени трансформатори.

Како хармониските дисторзии влијаат врз ефикасноста на системот и квалитетот на струјата?

Хармониските дисторзии можат да ја намалат ефикасноста на системот за 3 до 7%, предизвикуваат неисправен работен режим на заштитните релеи и кварови кај кондензаторите, како и зголемување на прекинот на изолацијата на инверторот за 15 до 20%.

Кои стандарди ги регулираат нивоата на хармоници во инсталациите за обновлива енергија?

Вкупната хармониска дисторзија на напонот (THD) треба да биде под 5%, а хармониците на струјата не треба да ја надминуваат границата од 8% според неколку стандарди, вклучувајќи го IEC 61000-3-6 за инсталации поголеми од 75 kW.

Како активните филтри за активна моќност функционираат за намалување на хармониците во PV системи?

Активните филтри за моќност користат сензори за струја и DSP технологија за откривање и неутрализирање на хармониците во реално време, значително намалувајќи ја вкупната хармониска дисторзија во системот.

Кои се предностите и извиките при поставувањето на активни филтри за моќност на сончеви фарми?

Иако активните филтри за моќност го подобруваат согласувањето со правилата за мрежа и квалитетот на струјата, нивната почетна цена е повисока во споредба со пасивните алтернативи. Сепак, тие нудат подобри долгорочни заштеди преку зголемена ефикасност и намалена одржавачка.