Cauza principală a distorsiunii armonice în instalațiile fotovoltaice provine din acele electronice de putere neliniare pe care le vedem peste tot în zilele noastre, în special inversoarele fotovoltaice și diverse dispozitive de comutare. Un studiu recent despre integrarea în rețea din 2024 a descoperit ceva interesant legat de această problemă. S-a constatat că aproximativ două treimi din toți curenții armonici măsurați în fermele solare provin de fapt de la inversoarele cu sursă de tensiune atunci când își fac treaba de conversie a curentului continuu (DC) în curent alternativ (AC). Ce se întâmplă aici este destul de simplu, dar totodată tehnic complex. Aceste inversoare generează armonici de comutare de înaltă frecvență, cuprinse undeva între 2 și 40 de kilohertzi, datorită modulației impulsurilor (PWM, pe scurt), precum și unor metode de intercalare. Există însă și alți contribuitori demni de menționat. Transformatoarele se pot satura uneori în anumite condiții, iar atunci când mai multe inversoare funcționează împreună în parcuri solare mari, pot interacționa în moduri care produc armonici suplimentare.
Atunci când armonicele nu sunt controlate, acestea reduc eficiența sistemului cu aproximativ 3 până la 7 procente, conform cercetării Ponemon din anul trecut. Acest lucru se întâmplă deoarece conductoarele pierd mai multă energie, iar transformatoarele se încălzesc mai mult decât ar trebui. Dacă distorsiunea de tensiune depășește 5% THD, lucrurile încep să meargă prost destul de repede. Releele de protecție își fac treaba mai puțin bine, iar condensatorii tind să cedeze neașteptat. Problema se agravează și pentru invertoare. Acelea care funcționează în medii pline de armonice își degradează izolația cu aproximativ 15-20% mai rapid, ceea ce înseamnă reparații mai frecvente și cheltuieli mai mari. Unele situații foarte grave apar atunci când există rezonanță între inductanța rețelei și ceea ce produce invertorul fotovoltaic. Acest efect face ca anumite armonice să crească atât de puternic încât echipamentele pot fi avariate ireparabil uneori.
Organizațiile de standardizare din întreaga lume au stabilit reguli destul de stricte privind nivelul distorsiunii totale armonice a tensiunii (THD), care trebuie să rămână sub 5%, iar armonicile curentului nu trebuie să depășească 8% în punctele în care sistemele se conectează la rețeaua electrică. Pentru instalațiile fotovoltaice mai mari de 75 de kilowați, există o altă cerință din standardul IEC 61000-3-6 care prevede efectuarea unor teste specifice pentru măsurarea acestor emisii armonice. Îndeplinirea tuturor acestor reglementări presupune în general implementarea unor diverse tehnici de mitigare. Unele dintre metodele frecvent utilizate includ proiectarea unor invertoare cu topologii îmbunătățite și instalarea unor echipamente active de filtrare a puterii. Majoritatea autorităților de reglementare solicită astăzi monitorizarea continuă a armonicilor în cadrul fermelelor solare. Acest lucru ajută la evitarea amendelor costisitoare atunci când apar probleme de stabilitate a rețelei datorită conținutului excesiv de armonici.
Filtrele active de putere sau APF abordează acele distorsiuni armonice supărătoare din sistemele solare prin detectarea și anularea în timp real a curenților nedoriti. Ele funcționează împreună cu senzori de curent și tehnologie DSP pentru a analiza comportamentul curenților de sarcină, identificând chiar și cele mai mici probleme armonice, cum ar fi distorsiunile de ordinul trei. Unele teste în teren au demonstrat că APF pot reduce distorsiunea totală armonică cu aproape 88% în centrale solare de 500 kW, comparativ cu filtrele pasive tradiționale. Un asemenea performanță face o diferență semnificativă în ceea ce privește stabilitatea și eficiența sistemului.
Monitorizarea curentului de rețea are loc în mod continuu prin senzori cu efect Hall care captează acele semnale armonice cu o precizie destul de ridicată, în jur de jumătate la sută eroare. Ce urmează este un calcul intensiv realizat de algoritmi avansați de procesare digitală a semnalului (DSP), care creează curenți contrarii exact în opoziție de fază cu oricare armonică detectată. Uitați-vă la ce au descoperit cercetătorii în lucrarea lor din 2023 despre tehnici de compensare în timp real. Au demonstrat că atunci când filtrele active de putere funcționează la frecvențe de comutare ajungând până la 20 de kilohertzi, pot anula aproape în totalitate armonicile nedorite de ordinul cinci și șapte în doar două miimi de secundă. Lucruri destul de impresionante pentru oricine se confruntă zilnic cu probleme de calitate a energiei electrice.
Această metodă de control separă componentele instantanee de putere activă (p) și reactivă (q) utilizând transformările Clarke. Prin sincronizarea cu tensiunea rețelei prin bucle închise de tip PLL (phase-locked loops), metoda p-q menține factorul de putere peste 0,98, chiar și în condițiile unor fluctuații ale iradianței de 30%. Cercetările arată că această abordare reduce cererea de putere reactivă cu 72% în comparație cu controlerele PI tradiționale.
Acest sistem preia semnalele de compensare și le transformă în comenzi reale de comutare prin ceea ce se numește modulație PWM cu vector spațial. În prezent, majoritatea filtrelor active de putere sunt realizate în jurul unor invertori bazate pe IGBT care funcționează cu o eficiență de peste 97 la sută datorită unor tehnici destul de ingenioase de compensare a timpului mort, care reduc acele pierderi neplăcute prin comutare. Analizând diverse lucrări științifice privind invertorii sursă de tensiune PWM, constatăm că aceste proiecte pot anula armonicile pe benzi de frecvență mult peste 2 kHz. Și iată ceva important: mențin distorsiunea armonică totală sub 4%, respectând toate cerințele prevăzute în cel mai recent standard IEEE 519 din 2022.
| Parametru | Filtru tradițional | Filtru de putere activ |
|---|---|---|
| Timp de răspuns | 50–100 ms | <2 ms |
| Gestionarea ordinului armonic | Fix (5, 7) | 2–50 |
| Reducerea THD | 40–60% | 85–95% |
| Adaptabilitate | Nimic | Urmărirea dinamică a sarcinii |
Integrarea corectă a filtrelor active de putere (APF) în centralele fotovoltaice necesită o configurare atentă și strategii de control care să mențină conformitatea cu standardele rețelei, păstrând totodată o calitate bună a energiei electrice. Majoritatea instalațiilor moderne optează pentru configurații APF în paralel, deoarece acestea se conectează în paralel, permițând eliminarea armonicilor în timp real, fără a afecta producția reală de energie solară. Conform unui studiu publicat în 2023 prin IntechOpen, aproximativ 89 la sută dintre noile ferme solare la scară largă integrează acum aceste APF în paralel care funcționează alături de sistemele de blocare în fază (PLL). Aceste configurații reușesc să alinieze tensiunile rețelei foarte precis, de regulă în limitele a jumătate de grad în plus sau în minus. O astfel de precizie face o diferență semnificativă în performanța generală a acestor instalații solare.
APF-urile în derivație funcționează prin injectarea unor curenți contrarmonici în rețea prin intermediul unor invertori de sursă de tensiune. Principalele avantaje includ:
Controlerele adaptive îmbunătățesc suprimarea armonicilor în condiții de iradiere fluctuantă prin ajustarea automată a parametrilor de câștig. Testele în teren din 2024 au arătat că sistemele adaptive au redus distorsiunea armonică totală (THD) de la 8,2% la 3,1% în condiții de umbrire parțială, depășind performanța modelelor cu câștig fix cu 42% în răspuns tranzitoriu.
Trei abordări principale de integrare domină centralele fotovoltaice moderne:
| Metodologie | Reducerea THD | Costul implementării |
|---|---|---|
| APF centralizat | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF la nivel de string | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Invertor hibrid APF-PV | 89-95% | Proiectare integrată |
O analiză ScienceDirect din 2024 a relevat că sistemele hibride au îmbunătățit producția de energie cu 6,8% în comparație cu soluțiile APF autonome în instalații fotovoltaice de 500 kW.
Sistemele hibride fotovoltaice-filtru de putere activă folosesc acum invertorii speciali care gestionează atât conversia energiei, cât și reducerea zgomotului electric în același timp. Cele mai recente proiecte integrează chiar funcția de filtrare a puterii direct în unitatea principală de inversor PV. Acest lucru reduce numărul de componente necesare cu aproximativ 37% în comparație cu utilizarea unor componente separate, conform unei cercetări realizate de Wong și colegii săi încă din 2021. Aceste sisteme își exercită eficiența prin tehnici inteligente de comutare care le permit să urmărească punctul maxim de putere solară, anulând în același timp armonicile nedorite. Ele împart componente cheie, cum ar fi condensatoarele de legătură în curent continuu și modulele IGBT pe care le întâlnim în majoritatea dispozitivelor electronice moderne. Testele în condiții reale indică faptul că aceste configurații mențin distorsiunea totală armonică sub 3%, ceea ce este destul de bine având în vedere că reușesc totodată să convertească lumina solară în electricitate cu o eficiență de aproximativ 98,2%. Destul de impresionant pentru ceva ce ajută la curățarea rețelelor electrice în timp ce utilizează mai eficient sursele de energie regenerabilă.
Simulările hardware-in-the-loop (HIL) ale sistemelor hibride de 500 kW demonstrează timpi de răspuns la armonici cu 89% mai rapizi decât filtrele pasive convenționale. Un studiu din 2024 privind energiile regenerabile a relevat că controlerele adaptive din PV-APF reduc fluctuațiile de tensiune cu 62% în condiții de umbrire parțială. Implementările în teren au demonstrat o suprimare sustinută a THD sub 5% pe parcursul a peste 1.200 de ore de funcționare, chiar și cu sarcini neliniare de 30%.
O fermă solară comercială a eliminat supraîncălzirea transformatoarelor cauzată de armonici prin integrarea unui sistem PV-APF. Sistemul hibrid a implementat opt invertori dual-function de 60 kVA în configurație în paralel, obținând:
Monitorizarea post-instalare a confirmat conformitatea cu standardele IEEE 519-2022 în scenarii cu acoperire parțială de nori de 25%.
Filtrele active de putere ajută la menținerea valorilor în limitele reglementărilor privind tensiunea furnizată, prin limitarea distorsiunii armonice totale (THD) sub pragul critic de 5% stabilit în standardele IEEE 519-2022. Conform unor studii recente din 2023 care au analizat douăsprezece instalații fotovoltaice la scară largă, aceste filtre îmbunătățesc în mod tipic factorul de putere cu între 0,15 și 0,25, reducând în același timp problemele de dezechilibru al tensiunii cu aproximativ două treimi. Ceea ce le face deosebit de valoroase este capacitatea lor de a gestiona scăderile bruște ale tensiunii atunci când norii acoperă panourile solare, o situație care poate perturba grav stabilitatea rețelei. Majoritatea specificațiilor moderne pentru rețea cer ca variația nivelului de tensiune să nu depășească 10%, iar filtrele active respectă în mod constant această cerință în diverse condiții de funcționare.
Variațiile ale iradianței solare generează interarmonici nedorite în intervalul de frecvență de 1 la 2 kHz, o problemă pe care invertoarele standard nu sunt pur și simplu echipate să o gestioneze eficient. Pentru a combate această problemă, filtrele active folosesc modulația în limea impulsurilor în timp real cu timpi de răspuns sub 50 de microsecunde, eliminând astfel cu succes aceste distorsiuni armonice. Testele în teren au demonstrat rezultate impresionante, cu reduceri de aproximativ 85-90% observate în special pentru interarmonicii de 150-250 Hz. Aceste îmbunătățiri sunt esențiale deoarece opresc supraîncălzirea transformatoarelor, reducând simultan pierderile în linie cu aproximativ 12-18% în instalațiile fotovoltaice cu o capacitate de peste un megawatt. Un beneficiu suplimentar apare atunci când aceste filtre funcționează alături de soluții de stocare a energiei, moment în care reduc semnificativ problemele de flicker ale tensiunii în timpul schimbărilor bruște ale generării de energie solară, obținând rate de suprimare între 60 și 75% conform măsurătorilor din industrie.
Filtrele active de putere costă cu aproximativ 30-40 la sută mai mult inițial decât alternativele pasive, dar își recuperează investiția prin economii superioare pe termen lung. Aceste sisteme funcționează în mod tipic cu o eficiență de 92-97 la sută, ceea ce reduce cheltuielile anuale de întreținere cu aproximativ 18-22 de dolari pentru fiecare kilowatt, pe o perioadă de cinci ani. Ceea ce le face și mai atractive este configurarea lor modulară. Instalațiile le pot instala treptat și totuși pot menține o funcționare stabilă, deoarece redundanța integrată menține distorsiunea armonică sub jumătate de procent, chiar și atunci când un singur filtru necesită întreținere. Există însă un dezavantaj – punerea în funcțiune corectă a acestor sisteme necesită o investiție suplimentară de aproximativ 4,50-6,80 dolari pe kW, adăugată la costurile de instalare. Pentru operațiunile mai mici de sub 50 de megawați, acest lucru înseamnă că trebuie efectuate calcule detaliate înainte de a decide dacă beneficiile pe termen lung justifică prețul inițial.
Principalele surse de armonici în centralele fotovoltaice sunt invertorii sursă de tensiune, care contribuie cu două treimi din curenții armonici, și interacțiunile dintre mai mulți invertori sau transformatoare saturate.
Distorsiunile armonice pot reduce eficiența sistemului cu 3 până la 7%, pot provoca funcționarea defectuoasă a releelor de protecție și defectarea condensatoarelor, și pot crește deteriorarea izolației invertorului cu 15 până la 20%.
Distorsiunea totală armonică a tensiunii (THD) trebuie să rămână sub 5%, iar armonicile de curent nu trebuie să depășească 8% conform mai multor standarde, inclusiv IEC 61000-3-6 pentru instalații mai mari de 75 kW.
Filtrele active de putere folosesc senzori de curent și tehnologie DSP pentru a detecta și anula curenții armonici în timp real, reducând semnificativ distorsiunea armonică totală în sistem.
Deși filtrele active de putere îmbunătățesc conformitatea cu codul rețelei și calitatea energiei, costurile lor inițiale sunt mai mari în comparație cu alternativele pasive. Cu toate acestea, oferă economii mai bune pe termen lung datorită eficienței sporite și întreținerii reduse.
Știri Populare
EN
