Ako aktívny filter výkonu potláča harmonické vo fotovoltických elektrárňach?

Zdroje harmonických vo FV systémoch

Solárne elektrické systémy majú tendenciu vytvárať harmonické frekvencie najmä kvôli nelineárnym výkonovým elektronickým súčiastkam, ktoré sa nachádzajú v invertoroch a DC-DC meničoch. Tieto komponenty ovplyvňujú tvar elektrických prúdov pri premenení energie z jednej formy na druhú. K tomuto javu prispievajú aj transformátory pracujúce blízko hraníc magnetickej saturácie, rovnako ako nerovnomerne zaťažené trojfázové záťaže v rámci systému. Podľa najnovších výskumov z januára 2024 o pôvode týchto nežiaducich frekvencií v zariadeniach zelenej energie, väčšina štúdií označuje rozhrania výkonovej elektroniky za približne 72 percent všetkých harmonických problémov pozorovaných v súčasných fotovoltických zariadeniach.

Ako generujú prepínacie procesy v invertore harmonické prúdy

Keď meniče prepínajú pomocou modulácie šírky impulzu (PWM), majú tendenciu vytvárať tieto otravné harmonické prúdy. Väčšina meničov pracuje pri prepínacích operáciách v rozsahu približne 2 až 20 kilohertzov. Čo sa tu deje, je vlastne dosť jednoduché – vznikajú rôzne vysokofrekvenčné prúdové zložky, spolu s charakteristickými skupinami harmoník tvoriacimi sa okolo násobkov základnej prepínacej frekvencie. Pozrite sa, čo sa stane, keď niekto prevádzkuje 4 kHz menič spolu so štandardnou 50 Hz elektrickou sieťou. Náhle sa objavujú dominantné harmoniky na bodoch ako 4 kHz plus alebo mínus najbližší násobok 50 Hz. Ak niekto neinštaluje vhodné filtre na elimináciu tohto problému, tieto nežiadúce prúdy sa jednoducho vrátia späť do hlavnej elektrickej siete. Výsledok? Celkovo horšia kvalita napätia a nadmerné opotrebovanie všetkého ostatného pripojeného k tejto sieti.

Vplyv vysokého podielu FVE na úrovniach harmoník v sieti

Keď prekročí prenikanie FV 30 % v distribučných sieťach, kumulatívne skreslenie harmonických zložiek sa zhoršuje v dôsledku:

• Interakcia fáz : Synchronizované prepínanie invertorov zosilňuje určité harmonické frekvencie
• Impedancia siete : Vyššia impedancia pri harmonických frekvenciách zvyšuje napäťové skreslenie
• Riziká rezonancie : Interakcia medzi kapacitou invertora a indukčnosťou siete môže vytvárať rezonančné vrcholy

Poľné štúdie zaznamenali prechodné špičky celkového harmonického skreslenia (THD) vyššie ako 30 % počas rýchlych zmien žiarenia – ďaleko nad limitom IEEE 519-2022 pre napäťové THD 5 %. Tieto podmienky zvyšujú straty transformátora o 15–20 % a teplotu vodičov o 8–12 °C, čím sa zrýchľuje degradácia izolácie a skracuje životnosť zariadení.

Ako aktívne filtre odstraňujú harmonické zložky v reálnom čase

Obmedzenia pasívnych filtrov v dynamických FV prostrediach

Pasívne harmonické filtre nie sú vhodné pre moderné fotovoltické systémy kvôli ich pevným ladeným vlastnostiam. Nedokážu sa prispôsobiť meniacemu sa harmonickému spektru spôsobenému premennou žiarivosťou alebo dynamikou zaťaženia. Kľúčové nevýhody zahŕňajú:

• Neschopnosť reagovať na harmonické kolísania spôsobené oblačnosťou
• Riziko rezonancie so sieťovo viazanými invertormi, pozorované v 63 % FV inštalácií
• o 74 % vyššie ročné náklady na údržbu v porovnaní s aktívnymi riešeniami (EPRI 2022)

Tieto obmedzenia znižujú spoľahlivosť a účinnosť v prostrediach, kde harmonické profily počas dňa kolíšu.

Princíp činnosti aktívneho filtra výkonu: Injekcia kompenzačných harmonických prúdov v reálnom čase

Aktívne filtre výkonu (APF) využívajú invertory na báze IGBT a digitálne signálové procesory (DSP) na detekciu a elimináciu harmoník do 2 milisekúnd. Ako je uvedené v Technických odporúčaniach IEEE 519-2022 , proces zahŕňa:

1. Vzorkovanie sieťového prúdu v rozsahu 20–100 kHz na zachytenie harmonického obsahu
2. Výpočet protifázových harmonických prúdov v reálnom čase
3. Injektáž kompenzačných prúdov prostredníctvom vysokofrekvenčného prepínania (10–20 kHz)

Táto dynamická odozva umožňuje aktívnym filtračným zariadeniam (APF) udržiavať celkové harmonické skreslenie (THD) pod 5 %, aj pri vysokom podiele FVE (>80 %) a rýchlo sa meniacich profiloch generovania

Optimálne umiestnenie aktívneho výkonového filtra v bode spoločného pripojenia (PCC)

Inštalácia APF v bode spoločného pripojenia (PCC) maximalizuje účinnosť potlačenia harmoník tým, že eliminuje ako skreslenia generované striedačmi, tak poruchy zo smeru vyššie položenej siete. Toto stratégiu určené umiestnenie má za následok:

• o 8–12 % väčšie zníženie THD v porovnaní so zapojením na strane záťaže
• Súčasné odstránenie kolísania napätia a nerovnováhy fáz
• o 32 % nižšia požadovaná kapacita filtra vďaka centrálnemu kompenzovaniu

Tým, že eliminujú harmoniky v bode rozhrania, APF inštalované v bode PCC chránia zariadenia nižšie v reťazci a zabezpečujú dodržanie predpisov v celom systéme

Pokročilé stratégie riadenia paralelných aktívnych výkonových filtrov vo fotovoltických systémoch

Teória okamžitej jalovej výkonnosti (p-q) v riadení SAPF

PQ teória tvorí základ toho, ako paralelné aktívne filtre výkonu (SAPF) dokážu odhaliť rušivé harmonické a jalové zložky elektrických zaťažení. Proces je dosť zaujímavý: trojfázové prúdy sa premenia na ortogonálne zložky p (činný výkon) a q (jalový výkon), ktoré sú synchronizované s dejmi na strane siete. Tento prístup je úspešný približne v deviatich z desiatich prípadov pri identifikácii harmonických zložiek. Keď sú tieto referenčné signály určené, ovládač invertora SAPF-u presne vie, čo treba eliminovať, najmä tvrdohlavé harmoniky piateho a siedmeho rádu, ktoré sa podľa minuloročného výskumu publikovaného v časopise Nature Energy často vyskytujú v sieťach napájaných solárnymi panelmi.

Zvyšovanie stability reguláciou napätia na DC medzicirkui

Udržiavanie stabilného napätia DC medzidruhu je veľmi dôležité pre dosiahnutie konzistentného výkonu SAPF. Systém zvyčajne využíva tzv. proporcionálno-integračný regulátor na udržiavanie rovnováhy. Toto zariadenie riadi napätie DC kondenzátora úpravou množstva činného výkonu prenášaného medzi zariadením a elektrickou sieťou. Testy ukazujú, že tento prístup zníži vlnenie napätia približne o 60 percent v porovnaní so systémami bez regulácie. Čo to znamená v praxi? Pomáha udržiavať správnu kompenzáciu harmonických zložiek, aj keď vzniknú problémy ako čiastočné za tieňovanie alebo náhle zmeny intenzity slnečného svetla. Takéto problémy sa vyskytujú bežne na veľkých solárnych farmách, čo robí kvalitnú kontrolu napätia absolútne nevyhnutnou pre bezproblémový prevádzku.

Nové trendy: Adaptívne a riadenie založené na umelom inteligencii vo výkonových filtroch paralelne zapojených

Najnovšie modely SAPF teraz kombinujú umelé neurónové siete s technikami prediktívneho riadenia modelov, aby predpovedali harmonické správanie na základe predchádzajúcich výkonov slnečných panelov a informácií o sieti. To, čo tieto inteligentné systémy odlišuje, je ich schopnosť reagovať o 30 percent rýchlejšie ako tradičné metódy, pričom automaticky menia prepínacie frekvencie v rozmedzí od 10 do 20 kHz pre lepšie ladenie výkonu. Reálny testovanie ukázalo, že keď sa umelej inteligencii zapojí do prevádzky SAPF, celkové harmonické skreslenie zostáva stabilne pod 3 %, čo dokonca prekonáva prísne štandardy stanovené normou IEEE 519-2022 vo všetkých druhoch prevádzkových scenárov podľa nedávneho výskumu ovládacích systémov publikovaného organizáciou IEEE.

Doplňujúce techniky redukcie harmoník pre vylepšený výkon APF

Riešenia predfiltrácie: viacimpulzné meniče a LCL filtre

Viaceré pulzné invertory znižujú tvorbu harmoník priamo v zdroji pomocou fázovo posunutých vinutí transformátora. Dokážu eliminovať tie otravné 5. a približne 7. harmoniky o niečo medzi 40 až možno 60 percentami v porovnaní s bežnými staršími 6-pulznými konštrukciami. Pridajte k tomu dnes už bežný LCL filter a sledujte, čo sa stane ďalej. Tieto filtre úžasne potláčajú celý ten vysokofrekvenčný prepínací šum nad hranicou približne 2 kHz. Spoločne výrazne znižujú zaťaženie pre akékoľvek aktívne filtre (APF), ktoré nasledujú v systéme. Pre osoby pracujúce so solárnymi inštaláciami táto viacvrstvová filtračná stratégia značne uľahčuje splnenie prísnych noriem IEEE 519 2022. Niektoré štúdie od IntechOpen to podporujú, pričom uvádzajú zlepšenia v rozsahu približne 15 % až až 30 % lepšej schopnosti dodržiavania noriem.

Hybridné prístupy: Kombinácia zig-zag transformátorov s aktívnymi filtri výkonu

Zig-zag transformátor sa celkom dobre vyrovná s týmito otravnými harmonickými zložkami nulovej postupnosti, známymi ako triplény (napríklad 3., 9., 15. rádu). Práve tieto malé škodcovia spôsobujú problémy s preťaženými neutrálnymi vodičmi v trojfázových fotovoltaických systémoch. Kombináciou týchto transformátorov s aktívnymi filtermi činného výkonu sa dosahuje podľa rôznych testov pripojenia k sieti zníženie nižších harmonických frekvencií pod 1 kHz približne o 90 percent. To, čo robí túto kombináciu tak zaujímavou, je skutočnosť, že umožňuje inžinierom navrhnúť APF približne na polovicu menšie, niekedy dokonca ešte menšie. A menšie APF znamenajú výrazné úspory na počiatočných nákladoch za zariadenia, ako aj pokles nákladov na prevádzku a údržbu.

Integrácia firmvéru inteligentného invertora pre proaktívne potlačovanie harmoník

Najnovšia generácia invertorov tvoriacich sieť začala využívať prediktívne algoritmy na potláčanie harmonických zložiek, pričom upravujú svoje modulačné stratégie za menej ako päť milisekúnd. Tieto inteligentné zariadenia komunikujú s aktívnymi filtermi činného výkonu prostredníctvom štandardov IEC 61850, čo im umožňuje odstraňovať problémy s tvarom vlny presne tam, kde vznikajú, namiesto toho, aby sa problémy hromadili v nasledujúcich častiach systému. Reálne testovanie ukazuje zaujímavý jav, ku ktorému dochádza, keď systémy spolupracujú týmto spôsobom. Celkové harmonické skreslenie klesá pod 3 percentá, aj keď sa úroveň slnečného svetla zrazu mení, čo je pomerne pôsobivé, ak zohľadníme, ako citlivé môžu byť solárne inštalácie. Navyše existuje ďalší pozitívny efekt – aktívny filter činného výkonu sa zapína a vypína o 40 % menej často ako predtým. To znamená dlhšiu životnosť zariadení a vyššiu celkovú účinnosť celého energetického systému.

Hodnotenie výkonu a ekonomickej hodnoty aktívnych filtrov činného výkonu vo fotovoltických elektrárňach

Meranie účinnosti: prípadové štúdie zhody s normou IEEE 519-2022 a zníženia THD

Fotovoltaické inštalácie potrebujú aktívne filtre výkonu, aby vyhovovali normám IEEE 519-2022, ktoré stanovujú limit celkovej harmonického skreslenia napätia na hladine 5 % v miestach pripojenia. Keď sú tieto AFP skutočne uvedené do prevádzky, vo väčšine komerčných solárnych inštalácií znižujú úroveň THD z približne 12 percent až na len 2 alebo 3 percentá. To pomáha zabrániť prehrievaniu zariadení a odstraňuje tie nepriaznivé deformácie vĺn, ktoré môžu systémy poškodiť v priebehu času. Pri pohľade na udalosti z roku 2023, keď výskumníci preskúmali sedem veľkých solárnych elektrární, si všimli niečo zaujímavé: po inštalácii AFP stúpla dodržiavanie sieťových predpisov výrazne z len málo viac ako polovice (približne 58 %) až na takmer dokonalých 96 %. Odborníci študujúci problémy kvality elektrickej energie pravidelne upozorňujú aj na ďalšiu výhodu. Tieto filtre fungujú relatívne dobre aj vtedy, keď systém nepracuje na plný výkon, niekedy až pri zaťažení 30 %, čo ich robí obzvlášť vhodnými pre solárnu energiu, kde sa produkcia energie počas dňa prirodzene mení.

Dlhodobý prevádzkový výkon: Aktívny filter v nemeckej solárnej inštalácii

Fotovoltická elektráreň s výkonom 34 megawattov v Nemecku preukázala pôsobivý výkon svojho aktívneho filtračného systému počas obdobia trvajúceho nepatrne pod štyri a pol roka. Celkové harmonické skreslenie sa udržalo stabilne pod 3,8 %, aj keď sa výkon elektrárne výrazne pohyboval medzi 22 % a 98 % kapacity. Čo robí toto úspešné dosiahnutie významným, je skutočnosť, že inteligentný riadiaci systém znížil výmenu kondenzátorových batérií približne o tri štvrtiny v porovnaní s tradičnými pasívnymi metódami. Pokiaľ ide o štatistiky dostupnosti, APF udržal prevádzku na úžasnej úrovni 98,6 %, čo je vyššie ako výkon väčšiny pasívnych filtrov za porovnateľných poveternostných podmienok (zvyčajne medzi 91 % a 94 %). Údržbárske tímy tiež uvádzali, že museli zasahovať približne o 40 % menej často než pri starších reaktorových filtrovacích riešeniach, čo viedlo k významným úsporám nákladov v čase.

Analýza nákladov a prínosov: Vyváženie počiatočných investícií voči úsporám na pokutách za sieť

APF určite majú vyššiu počiatočnú cenu, zvyčajne o 25 až 35 percent vyššiu ako bežné pasívne filtre. Ale tu je háčik: ušetria podnikom každoročne medzi osemnástimi tisícmi a štyridsiatimi piatimi tisícmi dolárov na tých otravných pokutách za siete spôsobených harmonickými rušeniami. Vezmite si typické zariadenie s výkonom 20 megawattov, a ušetrené peniaze pokryjú dodatočné náklady za menej než štyri roky. Mnohé spoločnosti teraz tiež kombinujú APF so svojimi súčasnými LCL filtormi. Tento hybridný prístup zníži náklady na elimináciu približne o devätnásť centov na každý vrcholový watt vo porovnaní s plným použitím pasívnych systémov. Navyše regulačné orgány začali považovať APF za skutočné kapitálové aktíva, ktoré možno odpisovať počas siedmich až dvanástich rokov. To ich robí finančne zaujímavejšími v porovnaní s tradičnými riešeniami, ktoré sa môžu odpisovať až pätnásť celých rokov. Matematika jednoducho sedí lepšie pre väčšinu prevádzok, ktoré hľadajú dlhodobé úspory.

Často kladené otázky

Čo spôsobuje harmonické frekvencie v fotovoltaických systémoch?

Harmonické výkyvy v fotovoltických systémoch sú hlavne spôsobené nelineárnymi výkonovými elektronickými prvkami vo striedačoch a DC-DC meničoch. Ďalšími zdrojmi sú transformátory v blízkosti ich hraníc magnetickej saturácie a nesymetrické trojfázové zaťaženia.

Ako generujú striedače harmonické prúdy?

Striedače používajúce moduláciu šírky impulzov (PWM) vytvárajú harmonické prúdy pri prepínaní, čím vznikajú vysokofrekvenčné vlnenia a skupiny harmoník okolo násobkov základnej prepínacej frekvencie.

Aký je vplyv vysokej penetrácie FV na harmonické výkyvy v sieti?

So zvyšujúcou sa penetráciou FV sa zhoršuje harmonická deformácia v dôsledku fázových interakcií, impedancie siete a rizika rezonancie, čo vedie k vyšším stratám v transformátoroch a zvýšeným teplotám vodičov.

Ako aktívne filtre výkonu pomáhajú pri potlačovaní harmoník?

Aktívne filtre výkonu (APF) detekujú a neutralizujú harmonické výkyvy pomocou IGBT meničov a digitálnych signálových procesorov (DSP), čím znížia celkovú harmonickú deformáciu pod 5 %, aj pri vysokej úrovni solárnej energie.

Aká je výhoda inštalácie aktívnych filtrov harmoník (APF) v bode spoločného pripojenia?

Inštalácia aktívnych filtrov harmoník (APF) v bode PCC odstraňuje poruchy vyvolané invertormi aj rušivé vplyvy zo siete, čo vedie k väčšiemu zníženiu celkových harmonických skreslení (THD) a súčasnej korekcii kolísania napätia.