Как фильтр активной мощности подавляет гармонику на фотоэлектрических электростанциях?

Источники гармоник в фотоэлектрических системах

Солнечные энергетические системы, как правило, создают гармоники в основном из-за нелинейных силовых электронных компонентов, которые используются в инверторах и преобразователях постоянного тока (DC-DC). Эти компоненты искажают форму электрических токов при преобразовании энергии из одной формы в другую. Трансформаторы, работающие вблизи пределов магнитного насыщения, также вносят вклад в эту проблему, равно как и несбалансированные трёхфазные нагрузки по системе. Согласно последним исследованиям начала 2024 года о происхождении этих нежелательных частот в установках зелёной энергетики, большинство исследований указывают на интерфейсы силовой электроники как на причину примерно 72 процентов всех гармонических искажений, наблюдаемых сегодня в современных фотоэлектрических объектах.

Как переключение инвертора генерирует гармонические токи

Когда инверторы переключаются с использованием широтно-импульсной модуляции (PWM), они, как правило, создают эти надоедливые гармонические токи. Большинство инверторов работают в диапазоне примерно от 2 до 20 килогерц при выполнении операций переключения. Что происходит здесь, на самом деле довольно просто — появляются всевозможные высокочастотные пульсации тока, а также характерные группы гармоник, формирующиеся вокруг кратных значений базовой частоты переключения. Рассмотрим, что происходит, когда кто-то запускает инвертор на 4 кГц параллельно с обычной сетью электропитания 50 Гц. Внезапно доминирующие гармоники появляются на уровнях, равных 4 кГц плюс или минус следующее кратное значение 50 Гц. Если не установить надлежащие фильтры для устранения этого эффекта, нежелательные токи будут продолжать втекать обратно в основную электрическую систему. Результат? Ухудшение качества напряжения в целом и ненужный износ всех остальных устройств, подключённых к этой же сети.

Влияние высокого уровня проникновения ФЭП на уровень гармоник в сети

По мере превышения доли ФЭ в распределительных сетях 30 %, совокупное искажение гармоник усиливается из-за:

• Взаимодействие фаз : Синхронное переключение инверторов усиливает определённые гармонические частоты
• Импеданс сети : Более высокий импеданс на гармонических частотах увеличивает искажение напряжения
• Риски резонанса : Взаимодействие ёмкости инвертора и индуктивности сети может вызывать резонансные пики

Полевые исследования зафиксировали кратковременные всплески суммарного коэффициента гармонических искажений (THD) свыше 30 % при резких изменениях освещённости — значительно выше предела 5 % по напряжению, установленного стандартом IEEE 519-2022. Эти условия увеличивают потери в трансформаторах на 15–20 % и повышают температуру проводников на 8–12 °C, ускоряя старение изоляции и сокращая срок службы оборудования.

Как активные фильтры мощности подавляют гармоники в реальном времени

Ограничения пассивных фильтров в динамических условиях работы ФЭ-систем

Пассивные фильтры гармоник плохо подходят для современных фотоэлектрических систем из-за их фиксированных настроек. Они не могут адаптироваться к изменяющимся спектрам гармоник, вызванным переменной освещенностью или динамикой нагрузки. Основные недостатки включают:

• Неспособность реагировать на изменения гармоник, вызванные облачностью
• Риск резонанса с сетевыми инверторами, наблюдавшийся в 63% установок ФЭС
• на 74% более высокие годовые затраты на техническое обслуживание по сравнению с активными решениями (EPRI 2022)

Эти ограничения снижают надежность и эффективность в условиях, где профили гармоник колеблются в течение дня.

Принцип работы активного фильтра мощности: инжекция тока гармоник в режиме реального времени

Активные фильтры мощности (АФМ) используют инверторы на базе IGBT и цифровые сигнальные процессоры (DSP) для обнаружения и нейтрализации гармоник в течение 2 миллисекунд. Как указано в Технических рекомендациях IEEE 519-2022 , процесс включает:

1. Выборку тока сети с частотой 20–100 кГц для регистрации содержания гармоник
2. Расчет токов гармоник противофазы в режиме реального времени
3. Внедрение компенсирующих токов посредством высокочастотного переключения (10–20 кГц)

Такая динамическая реакция позволяет активным фильтрам поддерживать общий уровень гармонических искажений (THD) ниже 5 %, даже при высокой доле фотоэлектрических систем (>80 %) и быстро меняющихся профилях генерации.

Оптимальное размещение активного фильтра мощности в точке параллельного подключения (PCC)

Установка активных фильтров мощности в точке параллельного подключения (PCC) обеспечивает максимальную эффективность подавления гармоник за счет устранения как искажений, создаваемых инверторами, так и возмущений со стороны сети. Такое стратегическое размещение приводит к следующим результатам:

• на 8–12 % большее снижение коэффициента гармонических искажений по сравнению с конфигурациями на стороне нагрузки
• Одновременная коррекция мерцания напряжения и несимметрии фаз
• на 32 % меньшая требуемая мощность фильтра за счет централизованной компенсации

Подавляя гармоники в точке соединения, активные фильтры, установленные в PCC, защищают оборудование ниже по потоку и обеспечивают соответствие нормативным требованиям по всей системе.

Передовые стратегии управления шунтирующими активными фильтрами мощности в фотоэлектрических системах

Теория мгновенной реактивной мощности (p-q) в управлении активными фильтрами

Теория p-q лежит в основе работы шунтирующих активных фильтров (SAPF), позволяя эффективно выявлять гармонические и реактивные составляющие в электрических нагрузках. Суть метода заключается в следующем: трёхфазные токи преобразуются в ортогональные компоненты p (активная мощность) и q (реактивная мощность), синхронизированные с параметрами сети. Этот подход позволяет правильно выделить гармонические составляющие примерно в девяти случаях из десяти. После определения этих опорных сигналов инвертер SAPF получает точные указания относительно того, какие составляющие необходимо компенсировать, особенно упорно проявляющиеся пятые и седьмые гармоники, которые часто возникают в сетях, питающихся от солнечных панелей, как указано в исследовании, опубликованном в журнале Nature Energy в прошлом году.

Повышение стабильности за счёт регулирования напряжения на постоянном токе (DC-Link)

Поддержание стабильного напряжения на постоянном токе имеет большое значение для обеспечения стабильной производительности SAPF. В системе, как правило, используется так называемый пропорционально-интегральный регулятор для поддержания баланса. Это устройство управляет напряжением на конденсаторе постоянного тока за счёт регулировки количества активной мощности, передаваемой между оборудованием и электрической сетью. Испытания показывают, что такой подход снижает пульсации напряжения примерно на 60 процентов по сравнению с системами без регулирования. Что это означает на практике? Это помогает поддерживать правильную компенсацию гармоник даже при возникновении таких проблем, как частичное затенение или резкие изменения интенсивности солнечного света. Подобные проблемы возникают постоянно на крупных солнечных электростанциях, поэтому качественное управление напряжением абсолютно необходимо для бесперебойной работы.

Новые тенденции: адаптивное и основанное на искусственном интеллекте управление в шунтирующих активных фильтрах

Последние модели SAPF теперь объединяют искусственные нейронные сети с методами предиктивного управления на основе моделей для прогнозирования гармонического поведения на основе предыдущих данных о выработке солнечных панелей и информации о сети. То, что отличает эти интеллектуальные системы, — это их способность реагировать на 30 процентов быстрее по сравнению с традиционными методами, одновременно автоматически изменяя частоты переключения в диапазоне от 10 до 20 кГц для лучшей настройки производительности. Испытания в реальных условиях показали, что при участии ИИ в работе SAPF общий уровень гармонических искажений стабильно остаётся ниже 3%, что фактически превосходит строгие стандарты IEEE 519-2022 во всех типах эксплуатационных сценариев, согласно недавним исследованиям систем управления, опубликованным IEEE.

Дополнительные методы подавления гармоник для улучшения производительности APF

Решения предварительной фильтрации: многопульсные инверторы и фильтры LCL

Многоимпульсные инверторы уменьшают генерацию гармоник непосредственно в источнике за счёт использования трансформаторных обмоток с фазовым сдвигом. Они могут снизить надоедливые 5-е и около 7-х гармоники примерно на 40–60 процентов по сравнению с обычными 6-импульсными схемами. Добавьте современный LCL-фильтр и посмотрите, что произойдёт дальше. Эти фильтры отлично подавляют весь высокочастотный коммутационный шум выше примерно 2 кГц. Вместе они значительно снижают нагрузку на любые активные фильтры гармоник (APF), установленные после них в системе. Для специалистов, работающих с солнечными электростанциями, такая многоуровневая стратегия фильтрации существенно упрощает соблюдение жёстких стандартов IEEE 519 2022. Некоторые исследования от IntechOpen подтверждают это, демонстрируя улучшения в диапазоне примерно от 15% до целых 30% в показателях соответствия.

Гибридные подходы: комбинирование трансформаторов с зигзагообразной схемой включения обмоток с активными фильтрами мощности

Трансформатор зигзаг эффективно справляется с назойливыми гармониками нулевой последовательности, известными как триплеты (например, 3-я, 9-я, 15-я гармоники). Именно эти нежелательные составляющие вызывают перегрузку нейтральных проводников в трёхфазных фотогальванических системах. В сочетании с активными фильтрами мощности такие трансформаторы обеспечивают сокращение низкочастотных гармоник ниже 1 кГц примерно на 90 процентов и более, согласно различным испытаниям подключения к сети. Особый интерес этой комбинации придаёт то, что она позволяет инженерам уменьшить размеры активных фильтров мощности примерно вдвое — а иногда и больше. А меньшие активные фильтры означают значительную экономию на первоначальных затратах на оборудование, а также снижение расходов на техническое обслуживание в дальнейшем.

Интеграция прошивки умного инвертора для проактивного подавления гармоник

Последнее поколение инверторов с формированием сети уже начало использовать предиктивные алгоритмы для подавления гармоник, корректируя стратегии модуляции за время менее пяти миллисекунд. Эти интеллектуальные устройства обмениваются данными с активными фильтрами мощности по стандарту IEC 61850, что позволяет им устранять искажения формы волны непосредственно в месте их возникновения, а не допускать накопления проблем на последующих участках. Результаты реальных испытаний показали интересный эффект при таком совместном функционировании систем. Суммарные гармонические искажения снижаются ниже 3 процентов даже при резких изменениях уровня солнечного света, что весьма впечатляет, учитывая высокую чувствительность солнечных установок. Кроме того, есть ещё одно важное преимущество — активный фильтр гармоник включается и выключается на 40 % реже по сравнению с предыдущими решениями. Это означает более длительный срок службы оборудования и повышение общей эффективности всей энергосистемы.

Оценка производительности и экономической эффективности активных фильтров мощности на фотоэлектрических электростанциях

Оценка эффективности: примеры соответствия IEEE 519-2022 и снижения коэффициента нелинейных искажений

Фотоэлектрическим установкам требуются активные фильтры гармоник для соблюдения стандартов IEEE 519-2022, которые устанавливают предел в 5% для суммарного коэффициента гармонических искажений напряжения в точках подключения. В реальной эксплуатации такие АФГ обычно снижают уровень THD с примерно 12% до всего 2–3% в большинстве коммерческих солнечных установок. Это помогает избежать перегрева оборудования и предотвращает возникновение вредных искажений формы сигнала, которые со временем могут повредить системы. Анализируя данные за 2023 год, когда исследователи изучили семь крупных солнечных электростанций, они заметили интересную тенденцию: после установки АФГ соответствие требованиям сетевых кодексов резко возросло — с чуть более чем половины (около 58%) до почти полного соответствия на уровне 96%. Специалисты, занимающиеся вопросами качества электроэнергии, регулярно отмечают ещё одно преимущество: эти фильтры продолжают эффективно работать даже при нагрузке ниже номинальной, иногда всего 30%, что делает их особенно подходящими для солнечной энергетики, где выработка энергии естественным образом колеблется в течение дня.

Долгосрочная работа в полевых условиях: активный фильтр мощности в солнечной установке в Германии

Фотоэлектрическая электростанция мощностью 34 мегаватта в Германии показала впечатляющие результаты работы своей системы активного фильтра мощности в течение чуть менее чем четырёх с половиной лет. Общие гармонические искажения постоянно оставались ниже 3,8%, даже когда выходная мощность станции сильно колебалась от 22% до 98% от номинальной. Примечательно то, что система интеллектуального управления сократила количество замен конденсаторных батарей примерно на три четверти по сравнению с традиционными пассивными методами. С учётом статистики времени безотказной работы, активный фильтр функционировал с потрясающим показателем 98,6%, что превосходит результаты большинства пассивных фильтров в сопоставимых погодных условиях (обычно от 91% до 94%). Бригады технического обслуживания также сообщили, что необходимость вмешательства возникала примерно на 40% реже, чем при использовании устаревших методов фильтрации на основе реакторов, что обеспечило значительную экономию затрат в долгосрочной перспективе.

Анализ затрат и выгод: сопоставление первоначальных инвестиций и экономии за счет снижения штрафов за подключение к сети

Активные фильтры гармоник (APF) действительно имеют более высокую начальную стоимость — обычно на 25–35 процентов выше, чем у обычных пассивных фильтров. Но есть нюанс: они позволяют предприятиям экономить от восемнадцати до сорока пяти тысяч долларов США ежегодно на штрафах за искажения формы напряжения в сети из-за гармоник. Например, на типичном объекте мощностью 20 мегаватт сэкономленные средства покрывают дополнительные затраты менее чем за четыре года. Сейчас многие компании комбинируют APF с уже установленными LCL-фильтрами. Такой гибридный подход снижает расходы на подавление гармоник примерно на 19 центов на каждый пиковый ватт по сравнению с использованием исключительно пассивных систем. Кроме того, регулирующие органы начали рассматривать APF как реальные основные средства, которые можно амортизировать в течение семи–двенадцати лет. Это делает их более привлекательными с финансовой точки зрения по сравнению с традиционными решениями, которые списываются в течение пятнадцати полных лет. С экономической точки зрения это более выгодное решение для большинства предприятий, ориентированных на долгосрочную экономию.

Часто задаваемые вопросы

Что вызывает гармоники в фотогальванических системах?

Гармоники в фотоэлектрических системах в основном вызываются нелинейной силовой электроникой, используемой в инверторах и преобразователях постоянного тока. Дополнительные источники включают трансформаторы, работающие вблизи пределов магнитного насыщения, и несбалансированные трёхфазные нагрузки.

Как инверторы генерируют гармонические токи?

Инверторы, использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), создают гармонические токи при переключении, вызывая высокочастотные пульсации и группы гармоник вокруг кратных основной частоты переключения.

Каково влияние высокого уровня проникновения ФЭС на гармоники сети?

По мере увеличения доли ФЭС искажения гармоник усиливаются из-за фазовых взаимодействий, импеданса сети и рисков резонанса, что приводит к увеличению потерь в трансформаторах и повышению температуры проводников.

Как активные фильтры мощности помогают уменьшить гармоники?

Активные фильтры мощности (АФМ) обнаруживают и нейтрализуют гармоники с помощью инверторов на базе IGBT и цифровых сигнальных процессоров (DSP), снижая суммарные гармонические искажения ниже 5 %, даже при высоком уровне солнечной генерации.

В чем преимущество установки активных фильтров гармоник в точке общего подключения?

Установка активных фильтров гармоник в ТОП устраняет как искажения, генерируемые инверторами, так и возмущения сети, что приводит к большему снижению коэффициента гармонических искажений и одновременной коррекции мерцания напряжения.