Hlavnou príčinou harmonického skreslenia v fotovoltických elektrárňach sú nelineárne výkonové elektronické prvky, ktoré dnes vidíme všade okolo seba, najmä fotovoltické meniče a rôzne spínacie zariadenia. Nedávna štúdia o integrácii do siete z roku 2024 odhalila niečo zaujímavé o tomto probléme. Zistili, že približne dve tretiny všetkých meraných harmonických prúdov na slnečných elektrárňach pochádzajú práve od tzv. meničov so zdrojom napätia, keď konvertujú jednosmerný prúd na striedavý. To, čo sa tu deje, je pomerne priamočiare, ale zároveň technicky zložité. Tieto meniče generujú vysokofrekvenčné spínacie harmoniky v rozsahu približne 2 až 40 kilohertzov v dôsledku modulácie impulzov (tzv. PWM) spolu s niektorými metódami prekrývania. Existujú však aj ďalšie faktory, ktoré stojí za zmienku. Transformátory sa niekedy môžu pri určitých podmienkach nasýtiť a keď viacero meničov pracuje spoločne vo veľkých solárnych parkoch, môžu spolu interagovať spôsobom, ktorý tiež produkuje dodatočné harmoniky.
Ak nie sú harmonické výkyvy kontrolované, podľa výskumu Ponemona z minulého roka znížia účinnosť systému približne o 3 až 7 percent. K tomu dochádza preto, lebo vodiče strácajú viac energie a transformátory sa zohrievajú viac, ako by mali. Ak napätie skreslí viac ako 5 % THD, veci začnú rýchlo zlyhávať. Ochranné relé prestanú správne fungovať a kondenzátory majú tendenciu nečakane zlyhnúť. Problém sa zhoršuje aj pre meniče. Tieto prevádzkované v prostredí plnom harmoník majú izoláciu poškodenú približne o 15 až 20 % rýchlejšie, čo znamená častejšie opravy a vyššie náklady. Niektoré veľmi zlé situácie vznikajú pri rezonancii medzi indukčnosťou siete a výstupom FV meničov. Tento jav spôsobuje, že určité harmonické sa stávajú tak silnými, že zariadenia sú niekedy poškodené nadmieru.
Organizácie pre štandardizáciu po celom svete stanovili pomerne prísne pravidlá, podľa ktorých úroveň celkovej harmonickéj deformácie napätia (THD) musí zostať pod 5 % a harmonické zložky prúdu nesmú presiahnuť 8 % v miestach pripojenia systémov do elektrickej siete. Pre fotovoltické inštalácie väčšie ako 75 kilowattov stanovuje štandard IEC 61000-3-6 ďalšiu požiadavku, a to vykonanie konkrétnych skúšok merania týchto emisií harmoník. Splnenie všetkých týchto predpisov zvyčajne vyžaduje uplatňovanie rôznych metód eliminácie rušivých vplyvov. Medzi bežné prístupy patrí navrhovanie meničov s vylepšenou topológiou alebo inštalácia aktívnych filtrov elektrickej energie. Väčšina regulátorov dnes vyžaduje nepretržité monitorovanie harmoník vo fotovoltických parkoch. To pomáha vyhnúť sa nákladným pokutám v prípase problémov so stabilitou siete spôsobených nadmerným obsahom harmoník.
Aktívne filtre výkonu alebo APF riešia tie otravné harmonické skreslenia v solárnych systémoch tým, že detekujú a rušia škodlivé prúdy v reálnom čase. Pracujú s prúdovými snímačmi a technológiou DSP, aby analyzovali priebeh zaťažovacích prúdov a identifikovali aj najmenšie harmonické problémy, ako sú napríklad skreslenia tretej harmoniky. Niektoré terénne testy dokonca ukázali, že APF dokážu znížiť celkové harmonické skreslenie až o 88 % v solárnych elektrárňach s výkonom 500 kW vo porovnaní s tradičnými pasívnymi filtrami. Takýto výkon predstavuje výrazný rozdiel pre stabilitu a účinnosť systému.
Sledovanie sietnej prúdu prebieha nepretržite prostredníctvom snímačov na báze Hallovho efektu, ktoré zachytia tieto harmonické signály s pomerne vysokou presnosťou okolo pol percenta chyby. Nasleduje vážne spracovanie údajov pomocou pokročilých algoritmov DSP, ktoré generujú protiprúdy presne vo fáze mimo zistených harmonických zložiek. Pozrite sa na výsledky výskumu z roku 2023 o technikách kompenzácie v reálnom čase. Ukázali, že keď aktívne filtre výkonu pracujú pri prepínacej frekvencii až 20 kilohertzov, dokážu takmer úplne eliminovať tie otravné harmonické zložky piatého a siedmeho rádu už za dve tisíciny sekundy. Pomerne pôsobivé riešenie pre každého, kto sa denne zaoberá problémami kvality elektrickej energie.
Táto metóda riadenia oddeluje okamžité aktívne (p) a jalové (q) výkonové zložky pomocou Clarkových transformácií. Synchronizáciou s napätím siete prostredníctvom fázovo-závislých slučiek (PLL) udržiava metóda p-q faktor výkonu nad hodnotou 0,98, aj keď sa mení intenzita žiarenia o 30 %. Výskumy ukazujú, že tento prístup zníži požiadavku na jalový výkon o 72 % oproti tradičným PI regulátorom.
Tento systém berie tieto kompenzačné signály a premení ich na skutočné prepínacie príkazy prostredníctvom tzv. modulácie PWM s priestorovým vektorom. Dnes sú väčšina aktívnych filtrov postavených okolo invertorov založených na IGBT, ktoré dosahujú účinnosť vyššiu ako 97 percent, čo je vďaka veľmi chytrým technikám kompenzácie mŕtvej doby, ktoré znížia tie namáhavé prepínacie straty. Pri pohľade na rôzne vedecké práce o napäťovom zdroji invertora PWM zistíme, že tieto návrhy dokážu eliminovať harmonické složky vo frekvenčných pásmach ďaleko nad 2 kHz. A tu je ešte niečo dôležité: udržiavajú celkové harmonické skreslenie pod 4 %, čím splnia všetky požiadavky stanovené v najnovšej norme IEEE 519 z roku 2022.
| Parameter | Tradičný filter | Filter aktívneho výkonu |
|---|---|---|
| Čas odozvy | 50–100 ms | <2 ms |
| Spracovanie rádu harmoník | Pevné (5., 7.) | 2. až 50. |
| Zníženie THD | 40–60% | 85–95% |
| Prispôsobivosti | Žiadny | Dynamické sledovanie zaťaženia |
Na správne integrovanie aktívnych filtrov činnej sily (APF) do fotovoltických elektrární je potrebné starostlivé nastavenie a riadiace stratégie, ktoré zabezpečia dodržiavanie noriem pre pripojenie do siete a zároveň udržujú dobrú kvalitu elektrickej energie. Väčšina moderných inštalácií sa rozhoduje pre bočné (shunt) APF konfigurácie, pretože sú pripojené paralelne a môžu tak eliminovať harmonické rušenia za chodu, aniž by ovplyvnili výrobu solárnej energie. Podľa výskumu zverejneného v roku 2023 prostredníctvom IntechOpen, približne 89 percent nových veľkých solárnych firiem momentálne využíva tieto shunt APF systémy spolu so systémami synchronizácie s napätím siete (PLL). Tieto konfigurácie dokážu dosiahnuť presné zarovnanie napätia siete, zvyčajne v rozpätí pol stupňa. Takýto stupeň presnosti výrazne ovplyvňuje celkový výkon týchto solárnych inštalácií.
Shunt APF pracujú tak, že do siete injektujú proti-harmonické prúdy cez invertory zdroja napätia. Kľúčové výhody zahŕňajú:
Adaptívne regulátory zlepšujú potlačenie harmoník za kolísavých podmienok osvetlenia automatickou úpravou parametrov zosilnenia. Poľné testy v roku 2024 ukázali, že adaptívne systémy znížili celkové harmonické skreslenie (THD) z 8,2 % na 3,1 % pri čiastočnom tieňovaní a v porovnaní s modelmi s pevným zosilnením dosiahli o 42 % lepšiu prechodovú odozvu.
Tri hlavné prístupy k integrácii dominujú v moderných FV elektrárňach:
| Metóda | Zníženie THD | Náklady na implementáciu |
|---|---|---|
| Centrálny APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| APF na úrovni stringu | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hybridný APF-PV invertor | 89-95% | Integrovaný dizajn |
Analýza z roku 2024 publikovaná na ScienceDirect ukázala, že hybridné systémy zvýšili výrobu energie o 6,8 % v porovnaní so samostatnými APF riešeniami v 500 kW solárnych poliach.
Hybridné fotovoltaické systémy s aktívnym filterom výkonu teraz využívajú špeciálne meniče, ktoré zároveň zvládajú konverziu energie aj zníženie elektrického rušenia. Najnovšie návrhy priamo integrujú funkciu filtrovania výkonu do hlavného PV meniča. Podľa výskumu Wonga a kolegov z roku 2021 to spôsobuje zníženie počtu potrebných súčiastok približne o 37 % v porovnaní so samostatnými komponentmi. Tieto systémy fungujú pomocou chytrých prepínacích techník, ktoré im umožňujú sledovať bod maximálneho výkonu slnečnej energie a zároveň eliminovať nežiaduce harmonické zložky. Zdieľajú kľúčové komponenty, ako sú kondenzátory DC-link a IGBT moduly, ktoré sa bežne vyskytujú vo väčšine moderných elektronických zariadení. Reálne testovanie ukazuje, že tieto systémy udržiavajú celkové harmonické skreslenie pod 3 %, čo je dosť dobré, najmä s ohľadom na to, že tiež dosahujú účinnosť konverzie slnečného svetla na elektrinu približne 98,2 %. Pomerne pôsobivo pre riešenie, ktoré pomáha čistiť naše elektrické siete a zároveň lepšie využíva obnoviteľné zdroje energie.
Hardvérové simulácie v reálnom čase (HIL) 500 kW hybridných systémov preukázali o 89 % rýchlejšie reakčné časy na harmonické zložky v porovnaní s konvenčnými pasívnymi filtromi. Štúdia z oblasti obnoviteľnej energie z roku 2024 odhalila, že adaptívne regulátory v systémoch PV-APF znižujú kolísanie napätia o 62 % za podmienok čiastočného prekrytia. Prevádzkové nasadenia ukazujú udržateľné potlačenie celkovej nelineárnej deformácie (THD) pod 5 % počas viac ako 1 200 prevádzkových hodín, aj pri prítomnosti 30 % nelinárnych záťaží.
Komerčná solárna farma odstránila prehrievanie transformátora spôsobené harmonickými zložkami integráciou systému PV-APF. Hybridný systém nasadil osem dvojfunkčných invertorov s výkonom 60 kVA v paralelnom zapojení, čím dosiahol:
Monitorovanie po inštalácii potvrdilo dodržiavanie noriem IEEE 519-2022 v podmienkach premenného zatienenia oblohy do 25 %.
Aktívne filtre výkonu pomáhajú udržiavať hodnoty v rámci predpisov elektrických sietí tým, že celkové harmonické skreslenie (THD) udržiavajú pod kritickou hranicou 5 % podľa noriem IEEE 519-2022. Podľa nedávnych štúdií z roku 2023, ktoré analyzovali dvanásť veľkých fotovoltaických inštalácií, tieto filtre bežne zvyšujú účinník o 0,15 až 0,25 a znižujú problémy s nerovnováhou napätia približne o dve tretiny. Ich obzvlášť cennou vlastnosťou je schopnosť reagovať na náhle poklesy napätia spôsobené zatienením solárnych polí oblakmi, čo môže výrazne ovplyvniť stabilitu siete. Väčšina súčasných sieťových špecifikácií vyžaduje odchýlku napätia najviac o 10 % a aktívne filtre túto požiadavku spoľahlivo splňujú za rôznych prevádzkových podmienok.
Odchýlky v slnečnom žiarení generujú nežiaduce medziharmonické frekvencie v rozsahu 1 až 2 kHz, s ktorými štandardné invertory jednoducho nie sú efektívne vybavené na zvládnutie. Na riešenie tohto problému aktívne filtre využívajú moduláciu šírky impulzu v reálnom čase so spínacími dobovami odozvy pod 50 mikrosekúnd, čím úspešne eliminujú tieto harmonické skreslenia. Poľné testy preukázali pôsobivé výsledky, konkrétne zníženie o približne 85 až 90 percent pri medziharmonických frekvenciách 150 až 250 Hz. Tieto vylepšenia sú kritické, pretože zabraňujú prehrievaniu transformátorov a súčasne znížia straty vedenia približne o 12 až 18 percent vo fotovoltických inštaláciách s kapacitou vyššou ako jeden megawatt. Dodatočný benefit vzniká, keď tieto filtre pracujú spoločne s riešeniami na ukladanie energie, pričom výrazne znižujú problémy s kolísaním napätia počas náhlych zmien výroby slnečnej energie, čo dosahuje miery potlačenia medzi 60 až 75 percent podľa odvetvových meraní.
Aktívne filtre činného výkonu majú približne o 30 až 40 percent vyššie počiatočné náklady v porovnaní s pasívnymi alternatívami, ale tieto navyše vynaložené prostriedky sa im vrátia v podobe výrazne lepších dlhodobých úspor. Tieto systémy bežne dosahujú účinnosť 92 až 97 percent, čo znižuje ročné náklady na údržbu približne o 18 až 22 dolárov na každý kilowatt po dobu piatich rokov. Ešte väčšiu výhodu predstavuje ich modulárna konfigurácia. Zariadenia môžu tieto filtre inštalovať postupne a napriek tomu zabezpečiť hladký chod, pretože vďaka zabudovanej redundancii sa úroveň harmonických skreslení udržiava pod polpercentom, aj keď je potrebné vykonať údržbu jedného filtra. Existuje však jedna nevýhoda – správne uvádzanie týchto systémov do prevádzky si vyžaduje dodatočnú investíciu vo výške približne 4,50 až 6,80 dolára na kW, ktorá sa pripočíta k nákladom na inštaláciu. Pre menšie prevádzky pod 50 megawattov to znamená, že je potrebné dôkladne prepočítať čísla, aby bolo možné rozhodnúť, či dlhodobé výhody prevažujú nad vyššou počiatočnou cenou.
Hlavnými zdrojmi harmoník v fotovoltických elektrárňach sú invertory napätia, ktoré prispievajú dvoma tretinami harmonických prúdov, a interakcie medzi viacerými invertermi alebo nasýtenými transformátormi.
Harmonické skreslenia môžu znížiť účinnosť systému o 3 až 7 %, spôsobiť chybné fungovanie ochranných relé a poruchy kondenzátorov a zvýšiť poruchovosť izolácie invertora o 15 až 20 %.
Celkové harmonické skreslenie napätia (THD) by malo zostať pod 5 % a harmonické prúdy by nemali prekročiť 8 % podľa niekoľkých noriem vrátane IEC 61000-3-6 pre inštalácie väčšie ako 75 kW.
Aktívne filtre výkonu používajú prúdové snímače a technológiu DSP na detekciu a elimináciu harmonických prúdov v reálnom čase, čím výrazne znížia celkové harmonické skreslenie v systéme.
Hoci aktívne filtre výkonu zlepšujú dodržiavanie predpisov pre sieť a kvalitu napätia, ich počiatočné náklady sú vyššie v porovnaní s pasívnymi alternatívami. Napriek tomu ponúkajú lepšie dlhodobé úspory vďaka vyššej účinnosti a zníženiu nákladov na údržbu.
Horúce správy2024-11-01
2024-11-01
2024-11-01
EN
