Как фильтр активной мощности подавляет гармонику на фотоэлектрических электростанциях?

Понимание гармонических искажений в фотоэлектрических электростанциях

Источники гармоник в сетевых фотоэлектрических системах

Основной причиной гармонических искажений в фотоэлектрических энергетических установках являются нелинейные силовые электронные устройства, которые повсеместно встречаются в наши дни, особенно инверторы ФЭ и различные коммутирующие устройства. Недавнее исследование по вопросам интеграции в сеть, проведённое в 2024 году, выявило интересные аспекты этой проблемы. Было установлено, что около двух третей всех измеренных гармонических токов на солнечных электростанциях фактически создаются так называемыми инверторами с источником напряжения при выполнении ими функции преобразования постоянного тока в переменный. Процесс является достаточно простым с концептуальной точки зрения, но одновременно технически сложным. Эти инверторы генерируют высокочастотные коммутационные гармоники в диапазоне от 2 до 40 килогерц из-за метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и применения некоторых методов чередования. Следует также упомянуть и другие факторы. Трансформаторы иногда насыщаются при определённых условиях, а при совместной работе нескольких инверторов в крупных солнечных парках они могут взаимодействовать таким образом, что дополнительно усиливают уровень гармоник.

Влияние гармонических искажений на качество электроэнергии и эффективность системы

Если гармоники не контролируются, они снижают эффективность системы примерно на 3–7 процентов, согласно исследованию Ponemon за прошлый год. Это происходит потому, что проводники теряют больше энергии, а трансформаторы нагреваются сильнее, чем должны. Если искажение напряжения превышает 5% по THD, проблемы начинают возникать очень быстро. Защитные реле перестают работать должным образом, а конденсаторы склонны к неожиданным отказам. Проблема усугубляется и для инверторов. Те, которые работают в условиях высокого уровня гармоник, испытывают разрушение изоляции примерно на 15–20% быстрее, что означает более частые ремонты и повышенные расходы. Особенно серьёзные ситуации возникают при резонансе между индуктивностью сети и выходными параметрами фотогальванических инверторов. Этот эффект приводит к значительному усилению определённых гармоник, в результате чего оборудование иногда повреждается без возможности восстановления.

Распространённые стандарты по гармоникам и соответствие требованиям в установках возобновляемой энергетики

Организации по стандартизации по всему миру установили довольно строгие правила, согласно которым общий уровень гармонических искажений напряжения (THD) должен оставаться ниже 5 %, а гармоники тока не должны превышать 8 % в точках подключения систем к электросети. Для фотоэлектрических установок мощностью более 75 киловатт стандарт IEC 61000-3-6 предусматривает дополнительное требование, предписывающее проведение специфических испытаний на измерение этих гармонических выбросов. Обычно соблюдение всех этих нормативов требует применения различных методов компенсации. К числу распространённых подходов относятся разработка инверторов с улучшенными топологиями и установка оборудования активной фильтрации мощности. В настоящее время большинство регулирующих органов настаивают на непрерывном контроле гармоник в солнечных электростанциях. Это помогает избежать значительных штрафов в случае возникновения проблем с устойчивостью сети из-за чрезмерного содержания гармоник.

Принцип работы активных фильтров мощности в ФЭС

Активные фильтры мощности или APF устраняют раздражающие гармонические искажения в солнечных системах путем обнаружения и компенсации вредных токов в режиме реального времени. Они работают совместно с датчиками тока и технологией DSP, анализируя текущее состояние токов нагрузки и выявляя даже самые незначительные гармонические проблемы, такие как искажения третьего порядка. Некоторые полевые испытания показали, что APF могут снизить общие гармонические искажения почти на 88% на солнечных электростанциях мощностью 500 кВт по сравнению с традиционными пассивными фильтрами. Такая производительность значительно повышает стабильность и эффективность системы.

Как активный фильтр мощности обнаруживает и компенсирует гармонические токи

Мониторинг сетевого тока происходит непрерывно с помощью датчиков Холла, которые фиксируют гармонические сигналы с достаточно высокой точностью — погрешность составляет около половины процента. Далее выполняется интенсивная обработка данных с помощью передовых алгоритмов цифровой обработки сигналов (DSP), которые формируют компенсирующие токи, строго противофазные по отношению к обнаруженным гармоникам. Обратите внимание на результаты исследования 2023 года по методам компенсации в реальном времени. Было показано, что активные фильтры мощности при частоте переключения до 20 килогерц способны практически полностью подавить пятые и седьмые гармоники всего за две тысячных секунды. Впечатляющий результат для всех, кто ежедневно сталкивается с вопросами качества электроэнергии.

Теория мгновенной реактивной мощности (метод p-q) для управления в реальном времени

Этот метод управления разделяет мгновенные активные (p) и реактивные (q) составляющие мощности с использованием преобразований Кларка. Синхронизируясь с сетевым напряжением посредством фазовой автоподстройки частоты (PLL), метод p-q поддерживает коэффициент мощности выше 0,98 даже при колебаниях освещенности на 30%. Исследования показывают, что данный подход снижает потребность в реактивной мощности на 72% по сравнению с традиционными ПИ-регуляторами.

Генерация эталонного тока и коммутация инвертора на основе ШИМ

Эта система принимает сигналы компенсации и преобразует их в реальные команды переключения с помощью так называемой широтно-импульсной модуляции методом пространственного вектора. В наши дни большинство активных фильтров мощности построены на инверторах на основе IGBT, которые работают с КПД более 97 процентов благодаря довольно изощрённым методам компенсации мёртвого времени, позволяющим снизить нежелательные потери при переключении. Анализируя различные научные статьи по широтно-импульсной модуляции инверторов источника напряжения, мы обнаруживаем, что такие конструкции способны подавлять гармоники в полосах пропускания, значительно превышающих 2 кГц. И вот что ещё важно — они поддерживают общий уровень гармонических искажений ниже 4%, соответствующий всем требованиям, изложенным в последнем стандарте IEEE 519 от 2022 года.

Стратегии интеграции и управления активными фильтрами мощности на фотоэлектрических электростанциях

Для правильной интеграции активных фильтров мощности (APF) в фотоэлектрические установки требуется тщательная настройка и стратегии управления, обеспечивающие соответствие стандартам сети и поддержание высокого качества электроэнергии. Большинство современных установок используют шунтовые APF, подключаемые параллельно, что позволяет им устранять гармоники в реальном времени, не влияя на фактическую выработку солнечной энергии. Согласно исследованию, опубликованному в 2023 году через IntechOpen, около 89 процентов новых крупномасштабных солнечных электростанций теперь оснащаются шунтовыми APF, работающими совместно с системами синхронизации по фазе (PLL). Такие системы обеспечивают очень точное согласование напряжений сети, обычно в пределах половины градуса в ту или иную сторону. Такая точность значительно повышает общую эффективность работы солнечных установок.

Конфигурация шунтового активного фильтра мощности и синхронизация с сетевым напряжением (PLL)

Шунтовые активные фильтры работают за счёт введения компенсирующих гармонических токов в сеть через инверторы источника напряжения. Ключевые преимущества включают:

• Совместимость с переменной выходной мощностью ФЭП (диапазон частот 3–150 Гц)
• точность синхронизации 98,7 % с использованием контроллеров на основе фазовой автоподстройки частоты (PLL)
• время отклика менее 5 мс при резких изменениях нагрузки

Адаптивные и статические регуляторы с фиксированным коэффициентом усиления в динамических условиях ФЭП

Адаптивные регуляторы повышают подавление гармоник в условиях изменяющейся освещённости за счёт автоматической настройки параметров усиления. Полевые испытания в 2024 году показали, что адаптивные системы снизили общий уровень гармонических искажений (THD) с 8,2 % до 3,1 % при частичном затенении, превзойдя модели с фиксированным усилением на 42 % по скорости переходного процесса.

Методы интеграции активных фильтров мощности с инверторами ФЭП

В современных фотоэлектрических электростанциях преобладают три основных подхода к интеграции:

Анализ 2024 года в ScienceDirect показал, что гибридные системы повышают выработку энергии на 6,8 % по сравнению с автономными решениями APF на солнечных установках мощностью 500 кВт.

Гибридные фотогальванические системы с активным фильтром мощности: проектирование и характеристики

Конструкция двойного инвертора: одновременная генерация мощности и компенсация гармоник

Гибридные фотоэлектрические системы с активными фильтрами мощности теперь используют специальные инверторы, которые одновременно выполняют преобразование энергии и уменьшают электрические помехи. В последних разработках функция фильтрации мощности непосредственно интегрирована в основной блок фотогальванического инвертора. Согласно исследованиям Вонга и его коллег 2021 года, это позволяет сократить количество необходимых компонентов примерно на 37% по сравнению с использованием отдельных устройств. Эти системы работают за счёт применения умных методов коммутации, позволяющих отслеживать точку максимальной мощности солнечной энергии и одновременно подавлять нежелательные гармоники. Они используют общие ключевые компоненты, такие как конденсаторы цепи постоянного тока (DC-link) и модули IGBT, применяемые в большинстве современных электронных устройств. Испытания в реальных условиях показывают, что такие системы поддерживают общий уровень гармонических искажений ниже 3%, что довольно хорошо, особенно с учётом того, что они также обеспечивают эффективность преобразования солнечного света в электричество около 98,2%. Довольно впечатляюще для решения, которое помогает очищать наши электросети и более эффективно использовать возобновляемые источники энергии.

Моделирование и эксплуатационные характеристики гибридных систем PV-APF

Имитация аппаратуры в контуре (HIL) гибридных систем мощностью 500 кВт показывает, что время реакции на гармоники сокращается на 89 % по сравнению с традиционными пассивными фильтрами. Исследование в области возобновляемой энергетики 2024 года показало, что адаптивные контроллеры в PV-APF снижают колебания напряжения на 62 % при частичном затенении. Эксплуатация в полевых условиях показала стабильное подавление общих гармонических искажений (THD) ниже 5 % в течение более чем 1200 часов работы, даже при наличии нелинейных нагрузок до 30 %.

Пример из практики: снижение коэффициента гармонических искажений с 28 % до менее чем 5 % на фотоэлектрической установке мощностью 500 кВт

Коммерческая солнечная электростанция устранила перегрев трансформатора, вызванный гармониками, за счёт интеграции системы PV-APF. В гибридной системе было установлено восемь двойных инверторов по 60 кВА каждый, соединённых параллельно, что позволило достичь следующих показателей:

• Коэффициент гармонических искажений тока сети: Снижен с 28 % до 4,7 %
• Компенсация реактивной мощности: 92 % ёмкости при коэффициенте мощности 0,95
• Экономия энергии: 7200 $/месяц экономии за счёт сокращения затрат на обслуживание фильтров и избежания штрафов от сетевой компании

После установки мониторинг подтвердил соответствие стандартам IEEE 519-2022 в условиях переменной облачности до 25%.

Преимущества и вызовы развертывания активных фильтров мощности на солнечных электростанциях

Повышение соответствия сетевым кодексам и качества электроэнергии в системах возобновляемой энергетики

Активные фильтры помогают поддерживать параметры в пределах нормативов напряжения электросети, удерживая общие гармонические искажения (THD) ниже критического порога в 5%, установленного в стандарте IEEE 519-2022. Согласно недавним исследованиям 2023 года, проведённым на двенадцати крупных фотоэлектрических установках, такие фильтры обычно повышают коэффициент мощности на 0,15–0,25 и снижают проблемы с несбалансированностью напряжения примерно на две трети. Их особую ценность определяет способность компенсировать внезапные провалы напряжения при затенении солнечных массивов облаками — это явление может серьёзно нарушить стабильность сети. Большинство современных сетевых стандартов допускают отклонение напряжения не более чем на 10%, и активные фильтры стабильно соответствуют этому требованию в различных режимах работы.

Подавление интергармоник и колебаний напряжения с помощью активной фильтрации

Колебания солнечной радиации создают нежелательные интергармоники в диапазоне частот от 1 до 2 кГц, с которыми стандартные инверторы просто не могут эффективно справиться. Для решения этой проблемы активные фильтры используют широтно-импульсную модуляцию в реальном времени со временем отклика менее 50 микросекунд, успешно устраняя эти гармонические искажения. Испытания на местности показали впечатляющие результаты: сокращение интергармоник в диапазоне от 150 до 250 Гц составило около 85–90 процентов. Эти улучшения имеют решающее значение, поскольку они предотвращают перегрев трансформаторов и одновременно снижают потери в линиях примерно на 12–18 процентов на фотоэлектрических установках мощностью более одного мегаватта. Дополнительное преимущество проявляется, когда такие фильтры работают совместно с системами накопления энергии: они значительно уменьшают проблемы мерцания напряжения при резких изменениях выработки солнечной энергии, достигая уровня подавления от 60 до 75 процентов согласно промышленным измерениям.

Соотношение стоимости и надежности на крупных фотоэлектрических электростанциях

Активные фильтры потребляют примерно на 30–40 процентов больше средств по сравнению с пассивными аналогами, но компенсируют это значительно большей экономией в долгосрочной перспективе. Эти системы, как правило, работают с КПД от 92 до 97 процентов, что снижает ежегодные расходы на техническое обслуживание примерно на 18–22 доллара США на каждый киловатт в течение пяти лет. Их еще более привлекательной делает модульная конструкция. Предприятия могут устанавливать такие фильтры поэтапно и при этом продолжать стабильную работу, поскольку встроенная избыточность поддерживает уровень гармонических искажений менее чем на половину процента, даже когда какой-либо один фильтр требует обслуживания. Однако есть одно условие — правильное введение таких систем в эксплуатацию требует дополнительных затрат в размере около 4,50–6,80 доллара США на каждый кВт, добавленный к стоимости установки. Для небольших объектов мощностью менее 50 мегаватт это означает необходимость тщательного анализа перед принятием решения о том, перевешивают ли долгосрочные преимущества первоначальную стоимость.

Раздел часто задаваемых вопросов

Каковы основные источники гармоник в фотоэлектрических электростанциях?

Основными источниками гармоник в фотоэлектрических электростанциях являются инверторы с источником напряжения, которые создают две трети гармонических токов, а также взаимодействия между несколькими инверторами или насыщенными трансформаторами.

Как искажения гармоник влияют на эффективность системы и качество электроэнергии?

Искажения гармоник могут снижать эффективность системы на 3–7 %, приводить к сбоям в работе защитных реле и повреждению конденсаторов, а также увеличивать разрушение изоляции инвертора на 15–20 %.

Какие стандарты регулируют уровень гармоник в установках возобновляемой энергии?

Суммарное гармоническое искажение напряжения (THD) должно оставаться ниже 5 %, а гармоники тока не должны превышать 8 % в соответствии с рядом стандартов, включая IEC 61000-3-6 для установок мощностью более 75 кВт.

Как работают активные фильтры мощности для уменьшения гармоник в фотогальванических системах?

Активные фильтры мощности используют датчики тока и технологию DSP для обнаружения и компенсации гармонических токов в реальном времени, значительно снижая суммарные гармонические искажения в системе.

Каковы преимущества и вызовы внедрения активных фильтров мощности на солнечных электростанциях?

Хотя активные фильтры мощности улучшают соответствие сетевым стандартам и качество электроэнергии, их первоначальная стоимость выше по сравнению с пассивными аналогами. Однако они обеспечивают лучшую долгосрочную экономию за счёт повышенной эффективности и снижения затрат на техническое обслуживание.