Cum suprimă filtrul activ de putere armonicele în centralele fotovoltaice?

Sursele de armonice în sistemele PV

Sistemele de energie solară tind să creeze armonici în principal din cauza componentelor electronice neliniare pe care le găsim în invertorii și convertoarele DC-DC. Aceste componente perturbă forma curenților electrici atunci când convertesc energia dintr-o formă în alta. Transformatoarele care funcționează aproape de limitele lor de saturație magnetică contribuie, de asemenea, la această problemă, împreună cu sarcinile dezechilibrate între fazele unui sistem trifazat. Analizând cercetările recente din începutul anului 2024 privind sursele acestor frecvențe nedorite în instalațiile de energie verde, majoritatea studiilor indică faptul că interfețele cu electronică de putere sunt responsabile de aproximativ 72 la sută dintre toate problemele legate de armonici observate astăzi în instalațiile fotovoltaice moderne.

Cum generează comutarea invertorului curenți armonici

Când invertorii comută utilizând modulația în durată a impulsurilor (PWM), tind să creeze acele curente armonice deranjante. Majoritatea invertorilor funcționează într-un domeniu de aproximativ 2 până la 20 kilohertzi pentru operațiunile de comutare. Ce se întâmplă aici este destul de simplu – obținem tot felul de ondulații ale curentului înalt frecvență, precum și grupuri caracteristice de armonici care se formează chiar în jurul multiplilor frecvenței de bază de comutare. Luați în considerare ce se întâmplă atunci când cineva utilizează un inverter de 4 kHz alături de o rețea electrică standard de 50 Hz. Brusc, apar armonici dominante la valori precum 4 kHz plus sau minus următorul multiplu de 50 Hz. Dacă nu se instalează filtre adecvate pentru a gestiona această situație, aceste curenți nedoriti continuă să curgă înapoi în sistemul electric principal. Rezultatul? O calitate mai slabă a tensiunii în ansamblu și uzură inutilă a tuturor celorlalte echipamente conectate la aceeași rețea.

Impactul unei penetrații ridicate a panourilor fotovoltaice asupra nivelurilor armonice din rețea

Pe măsură ce penetrarea PV depășește 30% în rețelele de distribuție, distorsiunea armonică cumulativă se intensifică din cauza:

• Interacțiunea fazelor : Comutarea sincronizată a invertorului amplifică anumite frecvențe armonice
• Impedanța rețelei : Impedanța mai mare la frecvențe armonice crește distorsiunea de tensiune
• Riscuri de rezonanță : Interacțiunea dintre capacitatea invertorului și inductanța rețelei poate crea vârfuri rezonante

Studiile de teren au înregistrat vârfuri tranzitorii ale THD care depășesc 30% în timpul schimbărilor rapide ale iradianței — mult peste limita de 5% THD la tensiune stabilită de IEEE 519-2022. Aceste condiții cresc pierderile în transformatoare cu 15–20% și ridică temperatura conductoarelor cu 8–12°C, accelerând degradarea izolației și scurtând durata de viață a echipamentelor.

Cum filtrele active de putere atenuează armonicii în timp real

Limitările filtrelor pasive în mediile PV dinamice

Filtrele pasive de armonici nu sunt potrivite pentru sistemele fotovoltaice moderne din cauza caracteristicilor lor fixe de acordare. Ele nu pot adapta la spectrele armonice schimbătoare cauzate de iradiere variabilă sau dinamica sarcinii. Principalele dezavantaje includ:

• Imposibilitatea de a răspunde variațiilor armonice induse de nori
• Riscul de rezonanță cu invertorii conectați la rețea, observat în 63% dintre instalațiile PV
• costuri anuale de întreținere cu 74% mai mari în comparație cu soluțiile active (EPRI 2022)

Aceste limitări reduc fiabilitatea și eficiența în mediile în care profilele armonice fluctuează pe parcursul zilei.

Principiul de funcționare al filtrului activ de putere: Injecția în timp real a curentului armonic

Filtrele active de putere (APF) utilizează invertori bazate pe IGBT și procesoare digitale de semnal (DSP) pentru a detecta și neutraliza armonicii în maxim 2 milisecunde. După cum este prezentat în Liniile directoare tehnice IEEE 519-2022 , procesul implică:

1. Eșantionarea curentului de rețea la 20–100 kHz pentru a capta conținutul armonic
2. Calcularea în timp real a curenților armonici în contrafază
3. Injectarea de curenți de compensare prin comutare de înaltă frecvență (10–20 kHz)

Această reacție dinamică permite filtrelor active de putere (APF) să mențină distorsiunea armonică totală (THD) sub 5%, chiar și în condiții de penetrare ridicată a energiei fotovoltaice (>80%) și profile de generare rapid variabile.

Amplasarea optimă a filtrului activ de putere la punctul de cuplare comună (PCC)

Instalarea filtrelor active de putere (APF) la punctul de cuplare comună (PCC) maximizează eficacitatea reducției armonicilor, abordând atât distorsiunile generate de invertoare, cât și perturbările din rețeaua superioară. Această amplasare strategică are ca rezultat:

• o reducere a THD cu 8–12% mai mare decât în configurațiile pe partea sarcinii
• Corecția simultană a scânteierii tensiunii și a dezechilibrului de fază
• o capacitate necesară a filtrului cu 32% mai mică datorită compensării centralizate

Prin reducerea armonicilor la punctul de interfață, APF-urile instalate la PCC protejează echipamentele situate aval și asigură conformitatea întregului sistem.

Strategii avansate de control pentru filtre active de putere în derivare în sisteme fotovoltaice

Teoria Puterii Reactive Instantanee (p-q) în Controlul Filtrelor Activi de Putere SAPF

Teoria PQ stă la baza modului în care funcționează Filtrele Active de Putere în Derivație (SAPF), permițând identificarea componentelor armonice și reactive nedorite ale sarcinilor electrice. Procesul este destul de ingenios: curenții trifazici sunt transformați în componente ortogonale denumite p (putere activă) și q (putere reactivă), aliniate cu comportamentul de pe partea rețelei. Această metodă este corectă în aproximativ 9 din 10 cazuri atunci când vine vorba de detectarea componentelor armonice. Odată ce aceste semnale de referință sunt determinate, ele indică invertorului SAPF exact ce trebuie eliminat, în special armoniciile de ordinul cinci și șapte, care apar frecvent în rețelele alimentate de panouri solare, conform unui studiu publicat anul trecut în Nature Energy.

Îmbunătățirea Stabilității prin Reglarea Tensiunii în Legătura Continuă

Menținerea unei tensiuni stabile pe legătura de curent continuu este foarte importantă pentru obținerea unei performanțe constante a filtrelor active de putere în paralel (SAPF). Sistemul utilizează în mod tipic un regulator proporțional-integral pentru a menține echilibrul. Acest dispozitiv controlează tensiunea capacitorului de curent continuu prin ajustarea cantității de putere activă care circulă între echipament și rețeaua electrică. Testele arată că această abordare reduce ondulația tensiunii cu aproximativ 60 la sută în comparație cu sistemele fără reglare. Ce înseamnă acest lucru în practică? Ajută la menținerea unei compensări corecte a armonicilor, chiar și atunci când apar probleme precum umbrire parțială sau schimbări bruște ale intensității luminii solare. Aceste tipuri de probleme apar frecvent în fermele solare mari, ceea ce face ca o controlare adecvată a tensiunii să fie absolut esențială pentru funcționarea stabilă.

Tendințe emergente: Control adaptiv și bazat pe inteligență artificială în filtrele active de putere în paralel

Cele mai recente modele SAPF combină acum rețele neuronale artificiale cu tehnici de control predictiv bazat pe model pentru a prezice comportamentul armonic pe baza producției anterioare a panourilor solare și a informațiilor despre rețea. Ceea ce face ca aceste sisteme inteligente să se remarce este capacitatea lor de a reacționa cu 30 la sută mai rapid decât metodele tradiționale, schimbând în același timp frecvențele de comutare între 10 și 20 kHz pentru o ajustare mai bună a performanței. Testele în condiții reale au demonstrat că atunci când inteligența artificială este implicată în funcționarea SAPF, distorsiunea armonică totală rămâne constant sub 3%, depășind chiar standardele stricte stabilite de IEEE 519-2022 într-o varietate de scenarii operaționale diferite, conform unei cercetări recente privind sistemele de control publicate de IEEE.

Tehnici complementare de reducere a armonicilor pentru îmbunătățirea performanței APF

Soluții de prefiltrare: Invertoare multi-puls și filtre LCL

Invertorii cu multiple impulsuri reduc generarea armonică chiar la sursă prin utilizarea înfășurărilor de transformator decalate în fază. Aceștia pot elimina în mod semnificativ armonicele 5 și aproximativ 7 cu între 40 și poate chiar 60 la sută, comparativ cu vechile scheme standard de 6 impulsuri. Adăugați în zilele noastre un filtru LCL la mix și urmăriți ce se întâmplă mai departe. Aceste filtre funcționează minuni în suprimarea întregului zgomot de comutație de înaltă frecvență de peste aproximativ 2 kHz. Împreună, acestea ușurează semnificativ sarcina oricăror filtre active de putere (APF) care urmează în sistem. Pentru persoanele care lucrează cu instalații solare, această strategie de filtrare stratificată face mult mai ușoară îndeplinirea cerințelor riguroase ale standardelor IEEE 519 din 2022. Unele studii publicate de IntechOpen susțin acest lucru, arătând îmbunătățiri cuprinse între aproximativ 15% și până la 30% mai bune rate de conformitate.

Abordări hibride: Combinarea transformatoarelor zig-zag cu filtre active de putere

Transformatorul zig-zag face o treabă destul de bună în combaterea acelor armonici perturbatoare de secvență zero, cunoscute sub numele de triplen (gândiți-vă la ordinele 3, 9, 15). Acești mici huliți sunt cei care provoacă probleme cu conductoarele neutre suprasolicitate în sistemele fotovoltaice trifazate. Combinați acești transformatori cu filtre active de putere și obținem o reducere de aproximativ 90% din armonicii de joasă frecvență, sub 1 kHz, conform diverselor teste de conectare la rețea. Ceea ce face această combinație atât de interesantă este faptul că permite inginerilor să dimensioneze APF-urile (filtre active de putere) la jumătate, uneori chiar mai mult decât atât. Iar APF-urile mai mici înseamnă economii semnificative la costurile echipamentelor inițiale, plus cheltuielile de întreținere ulterioare se reduc și ele.

Integrarea firmware-ului invertorului inteligent pentru suprimarea proactivă a armonicilor

Cea mai recentă generație de invertori formatori de rețea a început să utilizeze algoritmi predictivi pentru a suprima armonicele, ajustând strategiile lor de modulație în mai puțin de cinci milisecunde. Aceste dispozitive inteligente comunică cu filtre active de putere prin standardele IEC 61850, permițându-le să rezolve problemele de formă de undă chiar acolo unde apar, în loc să lase problemele să se acumuleze în aval. Testele din lumea reală arată ceva interesant care se întâmplă atunci când sistemele funcționează împreună în acest fel. Distorsiunea totală armonică scade sub 3 procente, chiar și atunci când nivelul de lumină solară se modifică brusc, ceea ce este destul de impresionant având în vedere cât de sensibile pot fi instalațiile solare. În plus, există un alt avantaj demn de menționat: filtrul activ de putere se comută el însuși on și off cu 40% mai rar decât înainte. Acest lucru înseamnă o durată de viață mai lungă a echipamentelor și o eficiență generală mai bună pentru întregul sistem de alimentare.

Evaluarea Performanței și a Valorii Economice a Filtrelor Active de Putere în Centrale Fotovoltaice

Măsurarea eficacității: Studii de caz privind conformitatea cu IEEE 519-2022 și reducerea THD

Instalațiile fotovoltaice au nevoie de filtre active de putere pentru a respecta standardele IEEE 519-2022, care stabilesc un prag de 5% pentru distorsiunea totală armonică a tensiunii în punctele de conexiune. Atunci când sunt puse în funcțiune, aceste filtre active reduc în mod tipic nivelul THD de la aproximativ 12% la doar 2 sau 3% în majoritatea instalațiilor solare comerciale. Aceasta ajută la menținerea echipamentelor la temperaturi optime și previne distorsiunile nedorite ale formei de undă care pot deteriora sistemele în timp. Analizând ce s-a întâmplat în 2023, când cercetători au examinat șapte ferme solare de mare dimensiune, au observat ceva interesant: după instalarea filtrelor active, conformitatea cu codurile rețelei a crescut semnificativ, trecând de la puțin peste jumătate (aproximativ 58%) la o conformitate aproape perfectă de 96%. Specialiștii în probleme de calitate a energiei subliniază și un alt avantaj: aceste filtre funcționează destul de bine chiar și atunci când sistemul nu rulează la capacitate maximă, uneori chiar și la 30%, ceea ce le face deosebit de potrivite pentru aplicații solare, unde producția de energie variază în mod natural pe parcursul zilei.

Performanță pe Termen Lung în Teren: Filtru Activ de Putere într-o Instalație Solară Germană

O centrală fotovoltaică care funcționează la 34 de megawați în Germania a demonstrat o performanță impresionantă a sistemului său de filtrare activă a puterii, pe o perioadă ușor mai scurtă de patru ani și jumătate. Distorsiunea armonică totală a rămas constant sub 3,8%, chiar și atunci când producția centralei a variat semnificativ între 22% și 98% din capacitate. Ceea ce face acest rezultat remarcabil este faptul că sistemul inteligent de control a redus înlocuirile bateriei de condensatoare cu aproximativ trei sferturi, comparativ cu metodele pasive tradiționale. Analizând statisticile privind disponibilitatea, filtrul activ a funcționat într-un mod uimitor timp de 98,6%, depășind performanța majorității filtrelor pasive în condiții meteo comparabile (de regulă între 91% și 94%). Echipele de întreținere au raportat, de asemenea, o intervenție necesară cu aproximativ 40% mai rar decât în cazul abordărilor mai vechi bazate pe reactanțe, ceea ce înseamnă economii semnificative de costuri pe termen lung.

Analiza Cost-Beneficiu: Echilibrarea Investiției Inițiale cu Economiile din Penalizări de Rețea

APF-urile vin în mod cert cu un preț mai mare inițial, de obicei cu aproximativ 25–35 la sută mai mult decât filtrele pasive obișnuite. Dar iată problema: ele economisesc întreprinderilor între optsprezece mii și patruzeci și cinci de mii de dolari anual din acele penalități pentru rețea cauzate de problemele legate de armonici. Luați, de exemplu, o instalație tipică de 20 de megawați, iar banii economisiți acoperă costul suplimentar în puțin mai puțin de patru ani. Multe companii combină acum APF-urile cu filtrele LCL existente. Această abordare hibridă reduce cheltuielile de mitigare cu aproximativ nouăsprezece cenți per watt vârf, comparativ cu utilizarea exclusivă a sistemelor pasive. În plus, reglementatorii au început să trateze APF-urile ca active reale de capital care pot fi amortizate pe o perioadă de șapte până la doisprezece ani. Asta le face atractive din punct de vedere financiar, comparativ cu soluțiile tradiționale care necesită întregi cincisprezece ani pentru a fi scoase din contabilitate. Calculele pur și simplu ies mai bine pentru majoritatea operațiunilor care iau în considerare economiile pe termen lung.

Întrebări frecvente

Ce cauzează armonicile în sistemele fotovoltaice?

Armonicile în sistemele fotovoltaice sunt cauzate în principal de electronica de putere neliniară din invertori și convertoare DC-DC. Alte surse includ transformatoarele aflate în apropierea limitelor de saturație magnetică și sarcinile dezechilibrate în sistemul trifazat.

Cum generează invertorii curenți armonici?

Invertorii care utilizează modulația în durată a impulsurilor (PWM) creează curenți armonici în momentul comutării, generând ondulații de înaltă frecvență și grupuri armonice în jurul multiplilor frecvenței de bază de comutare.

Care este impactul unei penetrări ridicate a energiei fotovoltaice asupra armonicilor rețelei?

Pe măsură ce penetrarea PV crește, distorsiunea armonică se intensifică datorită interacțiunilor de fază, impedanței rețelei și riscurilor de rezonanță, ceea ce duce la creșterea pierderilor în transformatoare și la temperaturi mai mari ale conductoarelor.

Cum ajută filtrele active de putere la reducerea armonicilor?

Filtrele Active de Putere (APF) detectează și neutralizează armonicii utilizând invertori bazate pe IGBT și DSP-uri, reducând distorsiunea armonică totală sub 5%, chiar și în condițiile unei penetrări solare ridicate.

Care este avantajul instalării filtrelor active de putere (APF) la punctul de cuplare comună?

Instalarea filtrelor active de putere (APF) la punctul de cuplare comună (PCC) abordează atât distorsiunile generate de invertoare, cât și perturbările rețelei, rezultând o reducere mai mare a THD și corecția simultană a flickerului de tensiune.