Како активни филтери снаге потискују хармонике у фотовалтајским електранама?

Разумевање хармонијског изобличења у фотоволтаичним електранама

Извори хармоника у мрежно повезаним PV системима

Главни узрок хармонијског искривљења у фотоволтаичним електранама потиче од нелинеарних електронских компонената за напајање које данас свуда видимо, посебно фотоволтаичких инвертора и разних прекидачких уређаја. Недавна студија о интеграцији у мрежу из 2024. године открила је нешто занимљиво у вези са овим проблемом. Утврђено је да отприлике две трећине свих мерених хармонијских струја на соларним фармама заправо долазе од такозваних инвертора са извором напона док обављају свој посао претварања једносмерне у наизменичну струју. Оно што се овде дешава је прилично једноставно, али истовремено технички комплексно. Ови инвертори стварају високофреквенцијске прекидачке хармонике у опсегу између 2 и 40 килогерца због начина на који модулишу импулсе (кратко ПВМ) заједно са неким методама међусобног померања фазе. Постоје и други учесници који треба поменути. Трансформатори се понекад засити под одређеним условима, а када више инвертора ради заједно у великим соларним парковима, могу међусобно деловати на начин да производе додатне хармонике.

Утицај хармонијског изобличења на квалитет електричне енергије и ефикасност система

Када се хармоници не контролишу, они смањују ефикасност система за око 3 до 7 процената, према истраживању Понемоновог института из прошле године. Ово се дешава зато што проводници губе више енергије, а трансформатори се превише загревају. Ако изобличење напона пређе 5% ТНД, ствари брзо крену низ склонац. Защитни релеји престају правилно да функционишу, а кондензатори често неочекивано престају са радом. Проблем се увећава и код инвертера. Они који раде у срединама са великим бројем хармоника имају оштећења изолације за 15 до 20% брже, што значи чешће поправке и веће трошкове. Неке заиста лоше ситуације настају када дође до резонанције између индуктивности мреже и излаза фотоволтаичких инвертера. Ова појава може учинити да одређени хармоници постану толико јаки да опрема буде трајно оштећена.

Уобичајени стандарди за хармонике и прописи о усклађености у погонима обновљиве енергије

Организације за стандарде широм света су установиле прилично строга правила према којима укупна хармонијска искривљеност напона (THD) мора да остане испод 5%, а хармоници струје не смеју премашити 8% на тачкама где се системи прикључују на електричну мрежу. За фотовалтеанске инсталације веће од 75 киловата, постоји додатни захтев из стандарда IEC 61000-3-6 који предвиђа специфичне тестове за мерење ових хармонијских емисија. Испуњавање свих ових прописа обично подразумева примену разних техника ублажавања. Неки од уобичајених приступа укључују пројектовање инвертора са побољшаним топологијама и инсталирање активне опреме за филтрирање струје. Већина регулатора данас захтева стално праћење хармоника у соларним фармама. Ово помаже да се избегну скупе казне када дође до проблема са стабилношћу мреже услед прекомерног нивоа хармоника.

Принцип рада активних филтера струје у PV системима

Активни филтри за активну снагу или АПФ боре се против досадних хармонијских искривљења у соларним системима тако што детектују и поништавају лоше струје у реалном времену. Раде уз помоћ сензора струје и ДСП технологије да анализирају струје оптерећења, издвајајући чак и најмање хармонијске проблеме као што су искривљења трећег реда. Неки теренски тестови су заправо показали да АПФ-ови могу смањити укупно хармонијско искривљење за скоро 88% у соларним електранама снаге 500 kW у поређењу са традиционалним пасивним филтрима. Овакве перформансе имају велики значај за стабилност и ефикасност система.

Како активни филтер за активну снагу детектује и поништава хармонијске струје

Мерење струје мреже се одвија континуирано помоћу Хол сензора који детектују хармонијске сигнале са прилично добром тачношћу, са грешком од око пола процента. Након тога следи интензивно обрађивање података помоћу напредних алгоритама дигиталне обраде сигнала (DSP), који генеришу супротне струје тачно у противфази у односу на детектоване хармонике. Погледајте на шта су истраживачи наишли у својим истраживањима из 2023. године о техникама компензације у реалном времену. Показали су да активни филтри снаге, када раде са учестаношћу пребацивања од 20 килогерца, могу заиста поништити скоро све досадне хармонике петог и седмог реда у само две хиљадитке секунде. Прилично импресивно за свакога ко се свакодневно бави проблемима квалитета електричне енергије.

Тренутна теорија реактивне снаге (p-q метод) за управљање у реалном времену

Ова методологија управљања одваја тренутне активне (p) и реактивне (q) компоненте снаге коришћењем Кларкових трансформација. Синхронизацијом са мрежним напоном кроз петље са фазном закључаношћу (PLL), p-q метод одржава фактор снаге изнад 0,98 чак и током флуктуација осветљења од 30%. Истраживања показују да овај приступ смањује захтев за реактивном снагом за 72% у поређењу са традиционалним PI контролерима.

Генерисање референтне струје и комутација инвертора заснована на ШИМ-у

Овај систем узима те компензационе сигнале и претвара их у стварне команде прекидача користећи такозвану модулацију просторног вектора ШИМ. Данас, већина активних филтера изграђена је око инвертора заснованих на IGBT-у који раде са ефикасношћу већом од 97 процената, захваљујући прилично паметним техникама компензације мртвог времена које смањују досадне губитке услед прекидања. Разматрајући разне научне радове о истраживању инвертора напонског извора са ШИМ-ом, установљавамо да ови дизајни могу поништити хармонике у опсегу честота који значајно премашује 2 kHz. И ево још нечега важног – задржавају укупну хармонијску дисторзију испод 4%, испуњавајући све захтеве наведене у најновијем стандарду IEEE 519 из 2022. године.

Интеграција и стратегије управљања за активне филтере у PV постројењима

Правилна интеграција активних филтера струје (APF) у фотовалтаичне системе захтева пажљиву припрему и стратегије управљања које осигуравају усклађеност са стандардима мреже, истовремено одржавајући добар квалитет струје. Већина модерних инсталација бира паралелну конфигурацију APF-а јер се они повезују паралелно, омогућавајући им да на тренутак елиминишу хармонике, без утицаја на стварну производњу соларне енергије. Према истраживању објављеном 2023. године кроз IntechOpen, отприлике 89 процената нових великих соларних фарми тренутно користи ове паралелне APF-ове уз фазно закључане петље (PLL). Овакви системи успевају да веома прецизно изједначе напон мреже, углавном у опсегу од пола степена у оба смера. Таква прецизност значајно утиче на укупни рад ових соларних инсталација.

Конфигурација паралелног активног филтера струје и синхронизација са напоном мреже (PLL)

Шунт АПФ-ови функционишу тако што у мрежу убризгавају струје супротних хармоника преко инвертора извора напона. Кључне предности укључују:

• Компатибилност са променљивим излазом ФВ система (опсег фреквенције 3-150 Hz)
• тачност синхронизације од 98,7% коришћењем контролера заснованих на ПЛЛ-у
• време одзива <5 ms на нагле промене оптерећења

Адаптивни насупрот фиксним контролерима у динамичним ФВ срединама

Адаптивни контролери побољшавају сузбијање хармоника у условима флуктуирајуће осветљености аутоматским подешавањем параметара појачања. Тестови на терену 2024. године показали су да адаптивни системи смањују укупну хармонијску искривљеност (THD) са 8,2% на 3,1% у условима делимичног сенчења, превазилазећи фиксне моделе појачања за 42% у одзиву на транзијенте.

Методе интеграције активног филтера снаге са ФВ инверторима

Три основна приступа интеграције доминирају у модерним ФВ електранама:

Analiza sa ScienceDirect iz 2024. godine pokazala je da hibridni sistemi povećavaju proizvodnju energije za 6,8% u odnosu na samostalna APF rešenja u 500 kW solarnim nizovima.

Hibridni fotovoltački sistemi sa aktivnim filterom snage: projektovanje i performanse

Projektovanje invertora dvostruke funkcije: istovremena proizvodnja energije i kompenzacija harmonika

Хибридни фотовалтаички-активни системи за филтрирање снаге сада користе специјалне инверторе који истовремено обављају претварање енергије и смањују електричне шумове. Најновији дизајни заправо уграђују функцију филтрирања снаге директно у главну јединицу PV инвертора. То смањује број потребних компонената за око 37% у односу на одвојене компоненте, према истраживању Вонга и сарадника из 2021. године. Ови системи постижу свој ефекат помоћу напредних техника прекидања које им омогућавају да прате тачку максималне соларне снаге, истовремено неутралишући нежељене хармонике. Деле кључне компоненте као што су DC-линк кондензатори и IGBT модули које се користе у већини модерне електронике. Тестови у стварним условима показују да ови системи одржавају укупну хармонијску дисторзију испод 3%, што је прилично добро, имајући у виду да такође успевају да претворе сунчеву светлост у електричну енергију са ефикасношћу од око 98,2%. Прилично impresивно за нешто што помаже у очишћавању наших електричних мрежа и бољем коришћењу обновљивих извора енергије.

Симулација и пољски перформанси хибридних PV-APF система

Симулације са опремом у петљи (HIL) за 500 kW хибридне системе показују 89% брже време одзива на хармонике у односу на конвенционалне пасивне филтере. Исследовање из 2024. године о обновљивим изворима енергије показало је да адаптивни контролери у PV-APF системима смањују флуктуације напона за 62% у условима делимичног сенчења. Пољска реализација показује трајно сузбијање укупних хармоника (THD) испод 5% током више од 1.200 радних сати, чак и при 30% нелинеарних оптерећења.

Студија случаја: Смањење THD-а са 28% на мање од 5% у PV електраном од 500 kW

Комерцијална соларна фарма елиминисала је прегревање трансформатора изазвано хармоницима кроз интеграцију PV-APF система. Хибридни систем је имплементирао осам двофункционалних инвертора од по 60 kVA у паралелној конфигурацији, постигавши следеће:

• THD мрежне струје: Смањено са 28% на 4,7%
• Компензација реактивне снаге: 92% капацитета при фактору снаге од 0,95
• Уштеда енергије: 7.200 долара месечно уштеде на одржавању филтера и избегавању казни од мреже

Nadzor nakon instalacije potvrdio je usklađenost sa standardima IEEE 519-2022 u scenarijima sa 25% promenljivog oblačenja.

Prednosti i izazovi uvođenja aktivnih filtera snage na solarnim farmama

Unapređenje usklađenosti sa mrežnim kodom i kvaliteta električne energije u sistemima obnovljivih izvora

Активни филтри за активну снагу помажу да се ствари усклађене са прописима дистрибутивне мреже по питању напона тако што задржавају укупну хармонијску дисторзију (THD) испод критичне границе од 5% коју предвиђа стандард IEEE 519-2022. Према недавним студијама из 2023. године које су анализирале дванаест великих фотовалтаичких инсталација, ови филтри обично побољшавају фактор снаге између 0,15 и 0,25, истовремено смањујући проблеме неуравнотежености напона за око две трећине. Њихова посебна вредност лежи у способности да управљају изненадним падовима напона када облаци прекрију соларне панеле, што може знатно угрозити стабилност мреже. Већина модерних спецификација мреже захтева да варијација нивоа напона буде мања од 10%, а активни филтри конзистентно испуњавају овај захтев у различитим радним условима.

Ублажавање интерхармоника и флуктуација напона коришћењем активног филтрирања

Varijacije u sunčevoj osvetljenosti generišu neželjene međuharmonike u opsegu frekvencija od 1 do 2 kHz, na šta standardni invertori jednostavno nisu prilagođeni da efikasno reaguju. Kako bi se ovaj problem rešio, aktivni filtri koriste modulaciju širine impulsa u realnom vremenu sa vremenom reakcije ispod 50 mikrosekundi, uspešno eliminišući ova harmonijska izobličenja. Ispitivanja na terenu pokazala su impresivne rezultate, smanjenje za oko 85 do 90 procenata zabeleženo je upravo za međuharmonike u opsegu od 150 do 250 Hz. Ova poboljšanja su od presudnog značaja jer sprečavaju pregrevanje transformatora, istovremeno smanjujući gubitke u vodovima za približno 12 do 18 procenata kod fotonaponskih instalacija kapaciteta većeg od jednog megavata. Dodatna prednost nastaje kada ovi filteri rade u kombinaciji sa sistemima za skladištenje energije, pri čemu značajno smanjuju probleme sa varnicama napona tokom naglih promena u proizvodnji solarne energije, postižući stepen potiskivanja između 60 i 75 procenata, prema merenjima iz industrije.

Компромис између трошкова и поузданости у фотоволтаичним електранама великих размера

Активни филтри за активну снагу коштају отприлике 30 до 40 процената више од пасивних алтернатива, али то компенсирају знатно већим уштеђевинама у дужем временском периоду. Ови системи обично имају ефикасност од 92 до 97 процената, чиме се годишњи трошкови одржавања смањују за око 18 до 22 долара по киловату током пет година. Још један разлог зашто су привлачнији је њихова модуларна конфигурација. Објекти могу инсталирати ове филтере постепено и ипак одржавати непрекидан рад, јер уграђена редунданција одржава хармонијску искривљеност испод пола процента чак и када је потребно одржавање било ког појединачног филтера. Постоји једна препрека — правилно пуштање у рад ових система захтева додатни трошак од око 4,50 до 6,80 долара по kW, што се додаје трошковима инсталације. За мање операције испод 50 мегавата, то значи да је неопходно детаљно анализирати цифре пре него што се дође до закључка да ли дугорочне предности надмашују почетну цену.

FAQ Sekcija

Koji su glavni izvori harmonika u fotonaponskim elektranama?

Primarni izvori harmonika u fotonaponskim elektranama su invertori izvora napona, koji doprinose dvotrećine struja harmonika, kao i interakcije između više invertora ili zasićenih transformatora.

Kako harmonijske distorzije utiču na efikasnost sistema i kvalitet energije?

Harmonijske distorzije mogu smanjiti efikasnost sistema za 3 do 7%, uzrokovati neispravno funkcionisanje zaštitnih releja i kvarove kondenzatora, kao i povećati otkazivanje izolacije invertora za 15 do 20%.

Koja pravila regulišu nivo harmonika u instalacijama obnovljivih izvora energije?

Ukupna harmonijska distorzija napona (THD) treba da bude ispod 5%, a strujni harmonici ne smeju prelaziti 8% prema više standarda, uključujući IEC 61000-3-6 za instalacije veće od 75 kW.

Kako aktivni filtri snage rade u smanjenju harmonika u PV sistemima?

Активни филтри за активну снагу користе сензоре струје и DSP технологију да детектују и пониште хармонијске струје у реалном времену, значајно смањујући укупну хармонијску дисторзију у систему.

Које су предности и изазови при увођењу активних филтера за активну снагу на соларним фармама?

Иако активни филтри за активну снагу побољшавају усклађеност са мрежним прописима и квалитет снаге, њихове почетне цене су више у поређењу са пасивним алтернативама. Међутим, они омогућавају бољу дугорочну уштеду кроз повећану ефикасност и смањене трошкове одржавања.