W jaki sposób filtr aktywny mocy tłumi harmoniczne w elektrowniach fotowoltaicznych?

Źródła harmonicznych w systemach fotowoltaicznych

Systemy fotowoltaiczne mają tendencję do wytwarzania wyższych harmonicznych głównie z powodu nieliniowych elementów elektronicznych mocy występujących w falownikach i przetwornicach DC-DC. Te komponenty zaburzają kształt prądów elektrycznych podczas konwersji energii z jednej formy na drugą. Transformatory pracujące blisko granicy nasycenia magnetycznego również przyczyniają się do tego problemu, podobnie jak nierównoważone obciążenia trójfazowe w całym systemie. Analizując najnowsze badania z początku 2024 roku dotyczące źródeł tych niepożądanych częstotliwości w instalacjach energii zielonej, większość studiów wskazuje interfejsy elektroniczne mocy jako przyczynę około 72 procent wszystkich problemów związanych z harmonicznymi obserwowanych obecnie w nowoczesnych obiektach fotowoltaicznych.

Jak przełączanie falownika generuje prądy harmoniczne

Gdy falowniki przełączają się przy użyciu modulacji szerokości impulsu (PWM), mają tendencję do wytwarzania tych irytujących prądów harmonicznych. Większość falowników działa w zakresie przełączania od około 2 do 20 kiloherców. Co się tutaj dzieje, jest dość proste – otrzymujemy różnorodne tętnienia prądu wysokiej częstotliwości oraz charakterystyczne skupiska harmoniczne powstające wokół wielokrotności naszej podstawowej częstotliwości przełączania. Spójrzmy, co się dzieje, gdy ktoś uruchamia falownik 4 kHz równolegle z typową siecią energetyczną 50 Hz. Nagle pojawiają się dominujące harmoniczne na poziomach takich jak 4 kHz plus lub minus kolejna wielokrotność 50 Hz. Jeśli nikt nie zainstaluje odpowiednich filtrów, by poradzić sobie z tym bałaganem, te niepożądane prądy będą nadal przepływać z powrotem do głównej instalacji elektrycznej. Efekt? Gorsza jakość napięcia i niepotrzebny zużycie wszystkiego innego podłączonego do tej samej sieci.

Wpływ wysokiego nasycenia PV na poziom harmonicznych w sieci

Gdy penetracja PV przekracza 30% w sieciach dystrybucyjnych, skumulowana odkształcenie harmoniczne nasila się z powodu:

• Interakcja faz : Synchronizowane przełączanie falowników wzmacnia konkretne częstotliwości harmoniczne
• Impedancja sieci : Wyższa impedancja przy częstotliwościach harmonicznych zwiększa odkształcenie napięcia
• Ryzyko rezonansu : Oddziaływanie między pojemnością falownika a indukcyjnością sieci może powodować rezonansowe szczyty

Badania terenowe odnotowały chwilowe szpilki THD przekraczające 30% podczas szybkich zmian nasłonecznienia — znacznie powyżej limitu 5% odkształcenia napięcia THD wg IEEE 519-2022. Te warunki zwiększają straty transformatorów o 15–20% oraz podnoszą temperaturę przewodów o 8–12°C, przyspieszając degradację izolacji i skracając żywotność urządzeń.

Jak filtry aktywnej mocy redukują zakłócenia harmoniczne w czasie rzeczywistym

Ograniczenia filtrów pasywnych w dynamicznych środowiskach PV

Filtry harmoniczne pasywne są mało odpowiednie dla nowoczesnych systemów fotowoltaicznych ze względu na ich stałe charakterystyki strojenia. Nie potrafią one dostosować się do zmieniających się widm harmonicznych spowodowanych zmiennym nasłonecznieniem lub dynamiką obciążenia. Główne wady to:

• Niezdolność do reagowania na zmiany harmoniczne wywołane zachmurzeniem
• Ryzyko rezonansu z falownikami podłączonymi do sieci, zaobserwowane w 63% instalacji PV
• o 74% wyższe roczne koszty utrzymania w porównaniu z rozwiązaniami aktywnymi (EPRI 2022)

Te ograniczenia zmniejszają niezawodność i efektywność w środowiskach, w których profile harmoniczne zmieniają się w ciągu dnia.

Zasada działania filtra mocy aktywnego: Iniekcja prądu o charakterze harmonicznym w czasie rzeczywistym

Filtry mocy aktywnej (APF) wykorzystują falowniki oparte na tranzystorach IGBT oraz cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) do wykrywania i kompensowania harmonicznych w ciągu 2 milisekund. Jak określono w Wytycznych technicznych IEEE 519-2022 , proces ten obejmuje:

1. Próbkowanie prądu sieciowego w zakresie 20–100 kHz w celu przechwycenia zawartości harmonicznych
2. Obliczanie prądów harmonicznych w przeciwfazie w czasie rzeczywistym
3. Wtryskiwanie prądów kompensacyjnych poprzez przełączanie o wysokiej częstotliwości (10–20 kHz)

Ta dynamiczna reakcja pozwala APF na utrzymywanie całkowitego zniekształcenia harmonicznych (THD) poniżej 5%, nawet przy wysokim nasyceniu PV (>80%) i szybko zmieniających się profilach generacji.

Optymalne rozmieszczenie aktywnego filtra mocy w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC)

Montaż APF w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC) maksymalizuje skuteczność ograniczania harmoniczych, eliminując zarówno zakłócenia generowane przez falownik, jak i zaburzenia sieci napływającej. To strategiczne rozmieszczenie prowadzi do:

• o 8–12% większego redukcji THD niż w konfiguracjach po stronie odbiorników
• Jednoczesnej korekcji migotania napięcia i nierównowagi faz
• o 32% mniejszej wymaganej pojemności filtra dzięki kompensacji scentralizowanej

Poprzez ograniczanie harmoniczych w punkcie interfejsu, APF zainstalowane w PCC chronią urządzenia położone dalej w linii i zapewniają zgodność całego systemu.

Zaawansowane strategie sterowania równoległymi aktywnymi filtrami mocy w systemach fotowoltaicznych

Teoria chwilowej mocy biernej (p-q) w sterowaniu SAPF

Teoria PQ stanowi podstawę działania równoległych aktywnych filtrów mocy (SAPF), umożliwiając wykrywanie szkodliwych składowych harmonicznych i biernych obciążeń elektrycznych. Proces ten jest dość interesujący: trójfazowe prądy są przekształcane na ortogonalne składowe p (moc czynna) i q (moc bierna), zgodne z przebiegami występującymi po stronie sieci. Ta metoda w przybliżeniu 9 razy na 10 skutecznie identyfikuje składowe harmoniczne w sygnale. Gdy już uzyskane zostaną sygnały odniesienia, kierują one inwerterem SAPF, precyzyjnie wskazując, które zakłócenia należy wyeliminować, szczególnie uporczywe harmoniczne piątego i siódmego rzędu, które często występują w sieciach zasilanych przez panele fotowoltaiczne – jak wynika z badań opublikowanych w zeszłym roku w czasopiśmie Nature Energy.

Poprawa stabilności poprzez regulację napięcia DC-Link

Utrzymanie stabilnego napięcia DC-link ma duże znaczenie dla uzyskania spójnej wydajności filtrów aktywnych mocy równoległych (SAPF). System zwykle wykorzystuje tzw. regulator proporcjonalno-całkujący w celu utrzymania równowagi. Urządzenie to kontroluje napięcie na kondensatorze DC poprzez regulację ilości rzeczywistej mocy przepływającej między urządzeniem a siecią elektryczną. Testy wykazują, że takie podejście redukuje tętnienia napięcia o około 60 procent w porównaniu z systemami bez regulacji. Co to oznacza w praktyce? Pozwala to na utrzymanie odpowiedniej kompensacji harmonicznych nawet w przypadku wystąpienia problemów, takich jak częściowe zacienienie lub nagłe zmiany natężenia światła słonecznego. Takie problemy pojawiają się regularnie w dużych farmach fotowoltaicznych, przez co skuteczna kontrola napięcia jest absolutnie niezbędna dla ich bezproblemowego działania.

Nowe trendy: Adaptacyjne i oparte na sztucznej inteligencji metody sterowania w równoległych filtrach aktywnych mocy

Najnowsze modele SAPF łączą teraz sztuczne sieci neuronowe z technikami sterowania predykcyjnego modelu, aby przewidywać zachowanie harmonicznych na podstawie wcześniejszych danych wyjściowych paneli fotowoltaicznych i informacji o sieci. To, co wyróżnia te inteligentne systemy, to ich zdolność reagowania o 30 procent szybciej niż tradycyjne metody, jednocześnie automatycznie zmieniając częstotliwości przełączania w zakresie od 10 do 20 kHz dla lepszego strojenia wydajności. Testy w warunkach rzeczywistych wykazały, że gdy do działania SAPF dochodzi zaangażowanie sztucznej inteligencji, całkowite zniekształcenie harmoniczne utrzymuje się stabilnie poniżej 3%, co faktycznie przekracza rygorystyczne normy określone w standardzie IEEE 519-2022 we wszystkich rodzajach różnych scenariuszy operacyjnych, zgodnie z najnowszymi badaniami systemów sterowania opublikowanymi przez IEEE.

Uzupełniające techniki redukcji harmonicznych dla poprawy wydajności APF

Rozwiązania wstępnej filtracji: wielopulsowe falowniki i filtry LCL

Inwertery wieloimpulsowe redukują generowanie wyższych harmonicznych bezpośrednio w źródle dzięki zastosowaniu uzwojeń transformatora przesuniętych w fazie. Mogą one ograniczyć irytujące 5-te oraz około 7-me harmoniczne o wartość od 40 do nawet 60 procent w porównaniu ze standardowymi, tradycyjnymi konstrukcjami 6-impulsowymi. Dodaj obecnie popularny filtr LCL i zobacz, co się stanie dalej. Te filtry doskonale tłumią wszelkie wysokoczęstotliwościowe szumy przełączania powyżej granicy około 2 kHz. Razem znacząco zmniejszają obciążenie dla kolejnych po nich aktywnych filtrów pasywnych (APF) w systemie. Dla osób pracujących z instalacjami fotowoltaicznymi, ta warstwowa strategia filtrowania ułatwia znacznie spełnienie surowych norm IEEE 519-2022. Niektóre badania opublikowane przez IntechOpen potwierdzają to, pokazując poprawę zgodności w zakresie od około 15% aż do nawet 30%.

Podejścia hybrydowe: Łączenie transformatorów zig-zag z aktywnymi filtrami mocy

Transformatory zig zag skutecznie radzą sobie z uciążliwymi harmonicznymi składowej zerowej znanymi jako tripleny (myśl o 3., 9., 15. rzędzie). To właśnie one są przyczyną problemów z przeciążonymi przewodami neutralnymi w trójfazowych systemach fotowoltaicznych. Połączenie tych transformatorów z aktywnymi filtrami mocy pozwala osiągnąć redukcję harmonicznych o niskich częstotliwościach poniżej 1 kHz na poziomie około 90 procent, według różnych testów przyłączania do sieci. Co czyni to połączenie szczególnie interesującym, to fakt, że umożliwia inżynierom zmniejszenie wymiarów APF nawet o połowę, a czasem nawet więcej. A mniejsze APF oznaczają znaczne oszczędności w zakupie sprzętu oraz niższe koszty utrzymania w dalszej eksploatacji.

Integracja oprogramowania inteligentnych falowników dla proaktywnej redukcji harmonicznych

Najnowsza generacja falowników tworzących sieć zaczęła wykorzystywać algorytmy predykcyjne do tłumienia harmonicznych, dostosowując swoje strategie modulacji w mniej niż pięć milisekund. Te inteligentne urządzenia komunikują się z aktywnymi filtrami mocy za pomocą standardu IEC 61850, umożliwiając im usuwanie problemów z przebiegiem sygnału tam, gdzie powstają, zamiast dopuszczać do ich gromadzenia się w dalszej części systemu. Testy w warunkach rzeczywistych pokazują ciekawe zjawisko zachodzące, gdy systemy działają razem w ten sposób. Całkowite zniekształcenie harmoniczne spada poniżej 3 procent, nawet gdy poziom nasłonecznienia zmienia się nagle, co jest imponujące, biorąc pod uwagę, jak wrażliwe mogą być instalacje fotowoltaiczne. Dodatkowo istnieje kolejna korzyść, która warto wspomnieć – aktywny filtr mocy włącza się i wyłącza o 40% rzadziej niż wcześniej. Oznacza to dłuższą żywotność urządzeń oraz lepszą ogólną efektywność całego systemu energetycznego.

Ocena wydajności i wartości ekonomicznej aktywnych filtrów mocy w elektrowniach fotowoltaicznych

Mierzenie skuteczności: Studia przypadku zgodności z normą IEEE 519-2022 i redukcji THD

Instalacje fotowoltaiczne wymagają aktywnych filtrów mocy, aby spełniać normy IEEE 519-2022, które określają 5-procentowy limit całkowitego zniekształcenia napięcia odprzęgania na punktach przyłączeniowych. W praktyce te AFP zwykle obniżają poziom THD z około 12 procent do zaledwie 2 lub 3 procent w większości komercyjnych instalacji solarnych. To pomaga zapobiegać przegrzewaniu sprzętu i eliminuje szkodliwe zniekształcenia przebiegów, które mogą uszkadzać systemy w dłuższej perspektywie czasu. Analizując wydarzenia z 2023 roku, gdy badacze przebadali siedem dużych farm słonecznych, zauważyli ciekawą rzecz: po zainstalowaniu AFP zgodność z kodami sieciowymi wzrosła gwałtownie z ledwo ponad połowy (około 58%) aż do niemal idealnej zgodności na poziomie 96%. Specjaliści zajmujący się jakością energii elektrycznej wskazują regularnie na kolejną korzyść. Filtry te działają nadal skutecznie nawet wtedy, gdy system nie pracuje z pełną mocą, czasem już przy obciążeniu rzędu 30%, co czyni je szczególnie przydatnymi w zastosowaniach solarnych, gdzie produkcja energii naturalnie zmienia się w ciągu dnia.

Długoterminowa wydajność w terenie: aktywny filtr mocy w niemieckiej instalacji fotowoltaicznej

Elektrownia fotowoltaiczna o mocy 34 megawatów działająca w Niemczech wykazała imponującą wydajność swojego systemu aktywnego filtrowania mocy w okresie nieco poniżej czterech i pół roku. Całkowite zniekształcenie harmoniczne utrzymywało się na stałym poziomie poniżej 3,8%, nawet gdy moc wyjściowa elektrowni zmieniała się drastycznie od 22% do 98% jej zdolności produkcyjnych. Co czyni to osiągnięcie godnym uwagi, to fakt, że inteligentny system sterowania zmniejszył wymiany banków kondensatorów o około trzy czwarte w porównaniu z tradycyjnymi metodami pasywnymi. Biorąc pod uwagę statystyki czasu działania, APF utrzymywał pracę na zadziwiającym poziomie 98,6%, co przewyższa wyniki większości filtrów pasywnych w porównywalnych warunkach pogodowych (zazwyczaj między 91% a 94%). Zespoły konserwacyjne zgłaszały również potrzebę interwencji o około 40% rzadziej niż w przypadku starszych metod filtrowania opartych na dławikach, co przekłada się na znaczne oszczędności kosztów w dłuższej perspektywie.

Analiza kosztów i korzyści: równoważenie początkowych inwestycji ze oszczędnościami związanymi z opłatami sieciowymi

Filtry aktywne (APF) mają zdecydowanie wyższą cenę początkową, zazwyczaj o około 25–35 procent większą niż tradycyjne filtry pasywne. Ale jest haczyk: pozwalają one oszczędzić zakładom od osiemnastu tysięcy do czterdziestu pięciu tysięcy dolarów rocznie na karach za pobór energii z sieci spowodowanych problemami harmonicznymi. Weźmy na przykład typowy obiekt o mocy 20 megawatów – wtedy zaoszczędzone pieniądze pokrywają dodatkowe koszty już niecałe cztery lata później. Wiele firm łączy teraz APF z obecnymi filtrami LCL. Tego rodzaju hybrydowe podejście redukuje koszty ograniczania zakłóceń o około dziewiętnaście centów na wat szczytowy w porównaniu z pełnym rozwiązaniem pasywnym. Dodatkowo urzędy regulacyjne zaczynają traktować filtry aktywne jako rzeczywiste środki trwałe, które można amortyzować przez siedem do dwunastu lat. To czyni je atrakcyjnymi finansowo w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami, które wymagają aż piętnastu lat amortyzacji. Dla większości zakładów opłacalność w długim okresie po prostu lepiej się sumuje.

Często zadawane pytania

Co powoduje harmoniczne w systemach fotowoltaicznych?

Harmoniczne w systemach fotowoltaicznych są przede wszystkim spowodowane nieliniowymi elementami elektroniki mocy występującymi w falownikach i przetwornicach DC-DC. Dodatkowymi źródłami są transformatory pracujące w pobliżu granic nasycenia magnetycznego oraz niezrównoważone obciążenia trójfazowe.

W jaki sposób falowniki generują prądy harmoniczne?

Falowniki wykorzystujące modulację szerokości impulsów (PWM) generują prądy harmoniczne podczas przełączania, tworząc wysokoczęstotliwościowe tętnienia oraz skupiska harmonicznych wokół wielokrotności podstawowej częstotliwości przełączania.

Jaki jest wpływ wysokiego nasycenia PV na harmoniczne w sieci?

Wraz ze wzrostem nasycenia PV zniekształcenia harmoniczne nasilają się ze względu na oddziaływania fazowe, impedancję sieci oraz ryzyko rezonansu, co prowadzi do wzrostu strat w transformatorach i podwyższenia temperatury przewodów.

W jaki sposób filtry aktywne pomagają w ograniczaniu harmonicznych?

Filtry Aktywne (APF) wykrywają i kompensują harmoniczne za pomocą falowników opartych na tranzystorach IGBT i procesorach DSP, redukując całkowite zniekształcenie harmoniczne poniżej 5%, nawet przy dużym nasyceniu energią słoneczną.

Jaka jest zaleta instalacji aktywnych filtrów przeciwzakłóceniowych (APF) w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC)?

Instalacja aktywnych filtrów przeciwzakłóceniowych (APF) w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC) pozwala zaradzić zarówno zakłóceniom generowanym przez falowniki, jak i zaburzeniom sieciowym, co skutkuje większym zmniejszeniem współczynnika THD oraz jednoczesną korektą migotania napięcia.