Како активниот филтер за моќност потиснува хармоници во фотовалтски електранi?

Извори на хармоници во ФЕ системи

Сончевите системи обично создаваат хармоници најмногу поради нелинеарната моќност на електрониката што ја има во инверторите и DC-DC конвертерите. Овие компоненти го менуваат обликот на електричните струи при претворање на енергијата од една форма во друга. Трансформаторите кои работат близу до своите граници на магнетна заситеност исто така допринасуваат за овој проблем, како и дисбалансирани трифазни товари низ системот. Гледајќи ги последните истражувања од почетокот на 2024 година за потеклото на овие непожелни фреквенции во инсталациите на зелена енергија, повеќето студии ја обвинуваат интерфејсот на моќноста на електрониката за околу 72 отсто од сите хармониски проблеми забележани во современите фотоволтаични објекти денес.

Како преклопувањето на инверторот генерира хармониски струи

Кога инверторите пребркуваат користејќи модулација на широчина на импулс (PWM), тие имаат тенденција да создаваат оние досадни хармониски струи. Повеќето инвертори работат во опсег од околу 2 до 20 килогерци за време на своите операции на пребркување. Она што се случува тука е всушност прилично едноставно – добиваме разни високи фреквенциски бранови плус тие карактеристични групи на хармоници кои се формираат точно околу повеќекратници на нашата основна фреквенција на пребркување. Замислете што се случува кога некој ќе пушти инвертор од 4kHz паралелно со стандардна 50Hz електрична мрежа. Одеднаш се појавуваат доминантни хармоници на точки како 4kHz плус или минус следниот повеќекратник на 50Hz. Ако никој не инсталира соодветни филтри за справување со овој хаос, непожелните струи продолжуваат да течат назад во главниот електричен систем. Резултатот? Послабо квалитет на напон и непотребно трошење на сè друго приклучено на истата мрежа.

Влијанието на високата пенетрација на ФЕП врз нивоата на хармоници во мрежата

Кога пенетрацијата на ФВ ќе го надмине 30% во дистрибутивните мрежи, кумулативната хармониска деформација се зголемува поради:

• Фазна интеракција : Синхронизираното превключување на инверторот ја зголемува специфичната хармониска фреквенција
• Отпор на мрежата : Повисок отпор на хармониски фреквенции зголемува деформација на напонот
• Ризици од резонанција : Интеракцијата помеѓу капацитетот на инверторот и индуктивноста на мрежата може да создаде резонантни врвови

Полски студии забележале транзиентни скокови на вкупната хармониска деформација (THD) поголеми од 30% за време на брзи промени во осветлувањето — многу повисоко од границата од 5% за напонска THD според IEEE 519-2022. Овие услови губитоците во трансформаторите ги зголемуваат за 15–20%, а температурата на проводниците ја подигнуваат за 8–12°C, забрзувајќи деградација на изолацијата и скратувајќи го векот на опремата.

Како активните филтри ублажуваат хармоници во реално време

Ограничувања на пасивни филтри во динамични ФВ средини

Пасивните хармониски филтри не се погодни за модерни фотоволтаични системи поради нивните фиксирани карактеристики на прилагодување. Тие не можат да се прилагодат на менувањето на хармонискиот спектар предизвикан од променлива осветленост или динамика на товарот. Основните недостатоци вклучуваат:

• Неспособност да реагираат на варијации во хармониците предизвикани од облаци
• Ризик од резонанца со инвертори поврзани со мрежата, забележана во 63% од PV инсталациите
• 74% повисоки годишни трошоци за одржување во споредба со активни решенија (EPRI 2022)

Овие ограничувања ја намалуваат сигурноста и ефикасноста во средини каде што хармониските профили флуктуираат во текот на денот.

Принцип на работа на активниот филтер за моќност: Инжекција на хармониски струи во реално време

Активните филтри за моќност (APF) користат инвертори засновани на IGBT и процесори за дигитални сигнали (DSP) за откривање и неутрализирање на хармониците во рамки од 2 милисекунди. Како што е опишано во Техничките упатства IEEE 519-2022 , процесот вклучува:

1. Узоркување на струјата од мрежата на 20–100 kHz за да се открие содржината на хармоници
2. Пресметување на хармоници со спротивна фаза во реално време
3. Вбризгување на компензација струја преку високофреквентно комутрање (10–20 kHz)

Овој динамичен одговор овозможува на активните филтри за моќност (APF) да ја одржат вкупната хармониска деформација (THD) под 5%, дури и при висока инфилтрација на PV (>80%) и брзо менување на профилите на производство.

Оптимално поставување на активен филтер за моќност на точката на заедничко поврзување (PCC)

Поставувањето на APF на точката на заедничко поврзување (PCC) го максимизира ефектот на намалување на хармониците, со третирање како на деформациите предизвикани од инверторите, така и на вознемиреноста од мрежата од страна на напојувањето. Ова стратешко поставување резултира со:

• 8–12% поголемо намалување на THD во споредба со конфигурациите од страната на потрошувачот
• Едновремена корекција на трепкање на напонот и неурамнотеженост на фазите
• 32% пониска потребна капацитетност на филтерот преку централизирана компензација

Со отстранување на хармониците на точката на интерфејс, APF-ите поставени на PCC заштитуваат опрема нанадол по линијата и осигуруваат соодветност на целиот систем.

Напредни стратегии за контрола на паралелни активни филтри за моќност во PV системи

Теорија на моментална реактивна моќ (p-q) во управувањето на SAPF

PQ теоријата е основа за начинот на кој Шунт активните филтри за активна моќ (SAPF) вршат корекција на хармониците и реактивните компоненти кај електричните потрошувачи. Овде се случува нешто прилично интересно: трифазните струи се трансформираат во ортогонални компоненти наречени p (активна моќ) и q (реактивна моќ), синхронизирани со состојбата на мрежата. Овој пристап во околу 9 од 10 случаи точно ги открива хармониците во системот. Откако ќе се добијат овие референтни сигнали, тие им кажуваат на инвертерот на SAPF што треба да се поништи, особено упорните хармоници од петти и седми ред кои често се појавуваат во мрежи напојувани со сончева енергија, според истражување објавено во Nature Energy минатата година.

Подобрување на стабилноста преку регулација на напонот на DC-линк

Одржувањето стабилен напон на DC-линкот има големо значење за постигнување постојана перформанса кај SAPF. Системот обично користи таканаречен пропорционално-интегрален регулатор за одржување на рамнотежа. Овој уред го управува напонот на DC кондензаторот преку прилагодување на количината на активна енергија која се разменува меѓу опремата и електричната мрежа. Тестовите покажуваат дека овој пристап го намалува трепкањето на напонот за околу 60 проценти во споредба со системи без регулација. Што тоа практично значи? Помага да се одржи соодветна компензација на хармониците дури и кога има проблеми како делумно затенување или изведни промени во интензитетот на сончевата светлина. Ваквите проблеми се чести на поголемите сончеви фарми, што прави добро управување со напонот апсолутно неопходно за непречено работење.

Нови трендови: Адаптивно и AI-базирано управување во паралелни активни филтри за моќност

Најновите модели на SAPF сега ги комбинираат вештачките невронски мрежи со техники за контрола врз основа на моделно предвидување за да предвидат хармониско однесување врз основа на претходните излези од сончевите панели и информации од мрежата. Она што ги истакнува овие интелигентни системи е нивната можност да реагираат за 30 проценти побрзо од традиционалните методи, додека автоматски ја менуваат фреквенцијата на комутација било каде од 10 до 20 kHz за подобро прилагодување на перформансите. Тестирањето во реални услови покажа дека кога вештачката интелигенција се вклучува во работата на SAPF, вкупната хармониска деформација постојано останува под 3%, што всушност ја надминува строгата стандардизација поставена од IEEE 519-2022 во сите видови оперативни сценарија според скорообјавено истражување за системи на контрола од IEEE.

Дополнителни техники за намалување на хармониците за подобрување на перформансите на APF

Решенија за претфильтрирање: повеќеимпулсни инвертори и LCL филтри

Мулти импулсните инвертери го намалуваат создавањето на хармоници директно во изворот преку употреба на фазно поместени навивки на трансформаторот. Тие можат да ги отстранат досадните 5-ти и околу 7-ми хармоници за некаде меѓу 40 до можеби дури 60 проценти, во споредба со обичните 6-импулсни конструкции. Додајте LCL филтер во играта денес и набљудувајте што се случува понатаму. Овие филтри чудесно ја потиснуваат сè она високофреквентна комутациона бука над 2 kHz. Заедно, тие значително ја намалуваат товарот за кој било APF што следи по нив во системот. За луѓето кои работат со сончеви инсталации, оваа слоевита стратегија на филтрирање го прави многу полесно исполнувањето на строгите стандарди IEEE 519 2022. Некои студии од IntechOpen го поткрепуваат ова, покажувајќи подобрувања од приближно 15% до максимум 30% подобри стапки на исполнување.

Хибридни пристапи: Комбинирање на Зиг-Заг трансформатори со активни филтри за моќност

Зиг-заг трансформаторот доста добро се справува со оние досадни хармоници од нулта секвенца познати како триплети (помислете на 3-та, 9-та, 15-та редица). Точно овие мали проблеми се причината за претерето оптоварување на неутралните проводници во трофазните фотоволтаични системи. Комбинирајте ги овие трансформатори со активни филтри за моќност и добиваме намалување од околу 90 отсто на хармониците со пониска фреквенција под 1 kHz според разни тестови за поврзување со мрежата. Она што ја прави оваа комбинација толку интересна е тоа што всушност им овозможува на инженерите да ја намалат големината на своите APF-ови за приближно половина, понекогаш дури и повеќе од тоа. А помали APF-ови значат големи заштеди на почетните трошоци за опрема, како и намалување на трошоците за одржување во тек.

Интеграција на фирмвер за паметни инвертери за проактивно потиснување на хармоници

Најновата генерација инвертери кои формираат мрежа започнале да користат предиктивни алгоритми за потиснување на хармониците, прилагодувајќи ги своите стратегии за модулација за помалку од пет милисекунди. Овие интелигентни уреди комуницираат со активни филтри за активна моќност преку стандардите IEC 61850, овозможувајќи им да ги поправат проблемите со брановата форма точно каде што тие се јавуваат, наместо да дозволат проблемите да се зголемуваат нанапред. Тестирањето во реални услови покажува интересна појава кога системите работат заедно на овој начин. Вкупната хармониска деформација пада под 3 проценти, дури и кога нивото на сончева светлина се менува внезапно, што е доста impresивно, имајќи предвид колку чувствителни можат да бидат сончевите инсталации. Покрај тоа, постои уште една предност вредна за споменување — активниот филтер за активна моќност се вклучува и исклучува 40% поретко отколку претходно. Ова значи подолг век на опремата и подобра општа ефикасност на целиот енергетски систем.

Оценување на перформансите и економската вредност на активните филтри за активна моќност во ФВ електраните

Мерење на ефикасноста: IEEE 519-2022 соодветност и студии на случај за намалување на THD

Фотоелектричните инсталации имаат потреба од активни филтри за активна моќност за да ги исполнат стандардите IEEE 519-2022, кои поставуваат лимит од 5% на вкупната хармониска дисторзија на напонот во точките на приклучок. Кога тие ќе се стават во работа, овие APF типично ја намалуваат нивото на THD од околу 12 проценти на само 2 или 3 проценти во повеќето комерцијални соларни постројки. Ова помогнува опремата да не прегрева и спречува деструктивни дисторзии на брановите форми што со време можат да ја оштетат системот. Ако погледнеме што се случило во 2023 година, кога истражувачи ги испитале седум големи соларни фарми, забележале нешто интересно: откако биле инсталирани APF, исполнувањето на мрежните кодекси драматично се зголемило, од малку над половина (околу 58%) до скоро совршено исполнување од 96%. Лицата кои редовно ги проучуваат проблемите со квалитетот на струјата укажуваат и на друга предност. Овие филтри сè уште работат доста добро дури и кога системот не работи на максимален капацитет, понекогаш и до 30%, што значи дека тие се особено добри за соларни постројки каде производството на енергија природно варира во текот на денот.

Долготрајни полски перформанси: Активен филтер за активна моќност во германска сончева инсталација

Фотоволтаична центарала со капацитет од 34 мегавати во Германија покажала впечатливи перформанси од својот систем за активно филтрирање на моќноста во временски период малку под четири и пол година. Вкупната хармониска дисторзија постојано останала под 3,8%, дури и кога производството на центалата драматично варираше меѓу 22% и 98% од капацитетот. Она што го прави овој достигнат резултат значаен е фактот дека паметниот систем за контрола намалил заменување на кондензаторските батерији за околу три четвртини во споредба со традиционалните пасивни методи. Што се однесува до статистиката за времето на работа, APF-от работел со неверојатни 98,6%, што е подобро од она што повеќето пасивни филтри постигнуваат во споредливи временски услови (обично меѓу 91% и 94%). Тимовите за одржување исто така пријавиле дека им требало да вмешуваат околу 40% поретко во споредба со постарите пристапи засновани на реактори, што резултирало со значителни заштеди на трошоци со текот на времето.

Анализа на трошок и добивка: Балансирање на почетните инвестиции со штедењето од казнени наплати за мрежа

APF-ите сигурно имаат повисока почетна цена, обично околу 25 до 35 проценти повеќе од обичните пасивни филтри. Но, уловката е следната: тие заштедуваат на погоните меѓу осумнаесет илјади и четириесет и пет илјади долари годишно на досадните казни од мрежата поради хармоници. Земете типичен објект од 20 мегавати како пример, и заштедените пари го покриваат дополнителниот трошок само за малку под четири години. Многу компании сега комбинираат APF-и со нивните постоечки LCL филтри. Овој хибриден пристап ги намалува трошоците за отстранување на сметњите за околу деветнаесет центи по ват врв, во споредба со целосната примена на пасивни системи. Покрај тоа, регулаторите започнаа да ги третираат APF-ите како вистински капитални средства кои можат да се амортизираат во рок од седум до дванаесет години. Тоа ги прави финансиски привлечни во споредба со традиционалните решенија кои бараат цели петнаесет години за отпис. Пресметката едноставно изгледа подобро за највеќето операции кога се гледаат долготрајните заштеди.

ЧПЗ

Што предизвикува хармоници во фотоволтаичките системи?

Хармониците во фотовалтаичните системи најчесто се предизвикани од нелинеарни силоводни електронски компоненти во инвертори и DC-DC конвертери. Дополнителни извори вклучуваат трансформатори близу до нивните граници на магнетна заситеност и дисбалансирани трифазни товари.

Како инверторите генерираат хармониски струи?

Инверторите кои користат модулација на широчината на импулсот (PWM) создаваат хармониски струи при комутација, со што се појавуваат високи фреквенции на бранови и кластери на хармоници околу повеќекратници на основната честота на комутација.

Кој е влијанието на високата проникност на PV врз хармониците во мрежата?

Со зголемување на проникноста на PV, деформацијата на хармониците се зголемува поради фазни интеракции, отпор на мрежата и ризици од резонанца, што доведува до зголемени загуби во трансформаторите и покачена температура на проводниците.

Како активните филтри за активна моќност помагаат во намалување на хармониците?

Активните филтри за моќност (APF) ја откриваат и неутрализираат хармониците користејќи инвертори базирани на IGBT и DSP, намалувајќи ја вкупната хармониска деформација под 5%, дури и со висока сончева проникност.

Која е предноста од инсталирање на APF на точката на заедничко спојување?

Инсталацијата на APF на PCC ги отстранува исклучително изобличувањата предизвикани од инверторот и сметњите од мрежата, што резултира со поголемо намалување на THD и истовремена корекција на трепкањето на напонот.