Како активни филтери снаге потискују хармонике у фотовалтајским електранама?

Извори хармоника у ФВ системима

Соларни системи имају тенденцију стварања хармоника углавном због нелинеарних електронских компонената које се користе у инверторима и DC-DC конвертерима. Ови делови утичу на облик електричних струја приликом претварања енергије из једног облика у други. Трансформатори који раде близу границе магнетне засићености такође доприносе овом проблему, као и неуравножени терети на трофазним мрежама. Погледамо ли недавна истраживања из првих месеци 2024. године о пореклу ових непожељних фреквенција у погонима зелене енергије, већина студија указује да су интерфејси са електроником одговорни за отприлике 72 процента свих хармонијских проблема који се данас јављају у савременим фотовалтајским постројењима.

Како пребацивање инвертора генерише хармонијске струје

Када инвертори пребаце користећи модулацију ширине импулса (PWM), често стварају досадне хармонијске струје. Већина инвертора ради у опсегу од око 2 до 20 килогерца за своје операције пребацивања. Оно што се овде дешава је заправо прилично једноставно – добијамо све врсте високих фреквенцијских треперења струје, као и карактеристичне групе хармоника које се формирају управо око вишекратника било која основна учестаност пребацивања износи. Погледајте шта се дешава када неко покрене 4kHz инвертор уз стандардну 50Hz електричну мрежу. Изnenада се појављују доминантни хармоници на тачкама као што су 4kHz плус или минус следећи вишекратник од 50Hz. Ако нико не инсталира одговарајуће филтре да би се ово решење обрадило, те нежељене струје настављају да теку директно назад у главни електрични систем. Резултат? Лошији квалитет напона у целини и непотребно хабање свега онога што је прикључено на ту исту мрежу.

Утицај високе продржине ФЕ система на нивое хармоника у мрежи

Када продор ФВ премађе 30% у дистрибутивним мрежама, кумулативна хармонијска искривљеност се појачава због:

• Интеракција фаза : Синхронизовано пребацивање инвертора појачава одређене хармонијске фреквенције
• Отпор мреже : Већи отпор на хармонијским фреквенцијама повећава искривљеност напона
• Ризици резонанције : Интеракција између капацитивности инвертора и индуктивности мреже може створити резонантне врхове

Истраживања на терену су забележила тренутне врхове укупне хармонијске искривљености (ТХД) преко 30% током брзих промена осветљености — знатно изнад границе од 5% за хармонијску искривљеност напона према IEEE 519-2022. Ови услови повећавају губитке у трансформаторима за 15–20% и подижу температуру проводника за 8–12°C, чиме убрзавају деградацију изолације и скраћују век трајања опреме.

Како активни филтри уклањају хармонике у реалном времену

Ограничења пасивних филтара у динамичним ФВ срединама

Пасивни хармонијски филтри нису погодни за модерне фотовалтаичке системе због њихових фиксних карактеристика подешавања. Они се не могу прилагодити променљивим хармонијским спектрима изазваним варијабилним осветљењем или динамиком оптерећења. Кључни недостаци укључују:

• Немогућност реаговања на хармонијске варијације изазване облацима
• Ризик од резонанције са инверторима повезаним са мрежом, примећен у 63% PV инсталација
• 74% виши годишњи трошкови одржавања у поређењу са активним решењима (EPRI 2022)

Ова ограничења смањују поузданост и ефикасност у срединама где се хармонијски профили мењају током дана.

Принцип рада активног филтра струје: Инјекција хармонијске струје у реалном времену

Активни филтри струје (AFS) користе инверторе засноване на IGBT компонентама и процесоре дигиталних сигнала (DSP) да детектују и неутрализују хармонике у оквиру 2 милисекунде. Као што је наведено у IEEE 519-2022 техничким смерницама , процес укључује:

1. Узорковање струје мреже на 20–100 kHz ради детектовања хармонијског садржаја
2. Израчунавање супротфазних хармонијских струја у реалном времену
3. Убризгавање компензационих струја преко високofреквенциског пребацивања (10–20 kHz)

Ова динамичка реакција омогућава активним филтерима да одрже укупну хармонијску искривљеност (THD) испод 5%, чак и при високом уделу ФЕП (>80%) и брзо промењеним профилима производње.

Оптимална постава активног филтера на тачки заједничког прикључења (PCC)

Инсталација АФ-ова на тачки заједничког прикључења (PCC) максимизира ефективност сузбијања хармоника тако што решава и искривљења која ствара инвертор и поремећаје из мреже. Ова стратешка постава резултира:

• 8–12% већим смањењем THD-а у односу на конфигурације на страни потрошње
• Истовремена корекција треперења напона и неурaвнотежености фаза
• 32% нижа потребна капацитет филтера кроз централизовану компензацију

Сузбијањем хармоника на тачки повезивања, АФ-ови инсталирани на PCC-у штите опрему низводно и осигуравају испуњење стандарда на целом систему.

Напредне стратегије управљања паралелним активним филтерима снаге у ФЕП системима

Тренутна теорија реактивне снаге (p-q) у контроли SAPF-а

PQ теорија чини основу на којој Шунт активни филтри за активну снагу (SAPF) функционишу, када је у питању откривање дисторзија и реактивних компонената у електричним оптерећењима. Овде се заправо дешава нешто веома занимљиво: трофазне струје се трансформишу у ортогоналне компоненте познате као p (активна снага) и q (реактивна снага), у складу са оним што се дешава на страни мреже. Овај приступ је тачан у девет од десет случајева када је у питању издвајање хармоника из мешавине. Када се једном добију ови референтни сигнали, они прецизно одређују инвертору SAPF-а шта треба да се поништи, посебно ови упорни хармоници петог и седмог реда који се често појављују у мрежама напајаним соларним панелима, према истраживању објављеном у часопису Nature Energy прошле године.

Побољшавање стабилности регулацијом напона на једносмерној спрези

Održavanje stabilnog napona na DC vezi je od velikog značaja kada je u pitanju postizanje konzistentnih performansi SAPF uređaja. Sistem obično koristi tzv. proporcionalno-integralni regulator kako bi održao balans. Ovaj uređaj kontroliše napon na DC kondenzatoru prilagođavanjem količine aktivne snage koja protiče između opreme i električne mreže. Testovi pokazuju da ovaj pristup smanjuje talasanje napona za oko 60 procenata u poređenju sa sistemima bez regulacije. Šta to praktično znači? Pomaže u održavanju ispravne kompenzacije harmonika čak i kada postoje problemi poput delimičnog senčenja ili naglih promena jačine sunčevog svetla. Ovakve situacije se redovno dešavaju na velikim solarnim farmama, zbog čega je dobra kontrola napona apsolutno neophodna za nesmetan rad.

Nove tendencije: Adaptivna i AI-bazirana kontrola u paralelnim aktivnim filterima za snagu

Најновији модели SAPF-а сада комбинују вештачке неуронске мреже са техникама моделом заснованог предиктивног управљања како би предвидели хармонијско понашање на основу претходних излаза соларних панела и информација о мрежи. Оно што овим паметним системима истиче је могућност да реагују 30 процената брже него традиционалне методе, док аутоматски мењају фреквенције прекидања у опсегу од 10 до 20 kHz ради бољег подешавања перформанси. Тестови у стварним условима су показали да када ИИ буде укључен у рад SAPF-а, укупна хармонијска искривљеност стално остаје испод 3%, што заправо превазилази строге стандарде IEEE 519-2022 у свим врстама различитих оперативних сценарија, према недавном истраживању система управљања објављеном од стране IEEE.

Комплементарне технике редукције хармоника за побољшане перформансе APF-а

Решења за претфилтрирање: вишепулсни инвертори и LCL филтри

Višeimpulsni invertori smanjuju stvaranje harmonika direktno na izvoru korišćenjem namotaja transformatora sa faznim pomeranjem. Oni mogu eliminisati dosadne 5. i približno 7. harmonike negde između 40 do čak 60 procenata u poređenju sa uobičajenim 6-impulsnim konstrukcijama. Dodajte ovim danas LCL filter i posmatrajte šta se dalje dešava. Ovi filteri izuzetno deluju u potiskivanju svih visokofrekventnih šumova preklopa iznad oko 2 kHz. Zajedno oni znatno olakšavaju opterećenje za sve APF-ove koji dolaze posle njih u sistemu. Za ljude koji rade na solarnim instalacijama, ova slojevita strategija filtriranja pojednostavljuje ispunjavanje strogiht IEEE 519 2022 standarda. Neki studiji sa IntechOpen-a to potvrđuju, pokazujući poboljšanja koja variraju od otprilike 15% pa sve do čak 30% boljih stopa usaglašenosti.

Hibridni pristupi: Kombinovanje zig-zag transformatora sa aktivnim filterima za snagu

Зиг-заг трансформатор прилично добро ради у сузбијању ових досадних хармоника нулте секвенце познатих као триплени (мислите на 3ћи, 9ти, 15ти ред). Управо ови мали непријатељи узрокују проблеме са прекорачењем капацитета неутралних проводника у трофазним фотовалтајским системима. Када комбинујете ове трансформаторе са активним филтрима за електричну енергију, добијамо смањење до око 90 и више процената хармоника нижих фреквенција испод 1 kHz, према разним тестовима везивања за мрежу. Оно што чини ову комбинацију посебно занимљивом јесте чињеница да инжењерима заправо омогућава да смање величину својих АПФ-ова за отприлике половину, понекад чак и више од тога. А мањи АПФ-ови значе велике уштеде на трошковима опреме од самог почетка, као и смањене трошкове одржавања у наставку.

Интеграција фирмвера паметног инвертера за проактивно сузбијање хармоника

Новија генерација инвертора који формирају мрежу почела је да користи предиктивне алгоритме за сузбијање хармоника, прилагођавајући стратегије модулације у мање од пет милисекунди. Ови интелигентни уређаји комуницирају са активним филтрима електричне енергије према стандардима IEC 61850, што им омогућава да исправљају проблеме облика таласа управо тамо где настају, уместо да дозвољавају накупљање проблема низводно. Тестови у реалним условима показују занимљиве резултате када системи тако сарађују. Укупна вредност хармонијског изобличења пада испод 3 процента чак и када се ниво сунчеве светлости нагло промени, што је веома импресивно имајући у виду колико су осетљиве соларне инсталације. Постоји и још једна предност вредна помена — активни филтер струје самостално укључује и искључује 40% ређе него пре. То значи дужи век трајања опреме и бољу укупну ефикасност целокупног система напајања.

Процена перформанси и економске вредности активних филтера струје у PV постројењима

Merenje učinkovitosti: studije slučaja o usklađenosti sa IEEE 519-2022 i smanjenju THD-a

Фотоволтаичке инсталације захтевају активне филтере струје како би испуниле IEEE 519-2022 стандарде који ограничавају укупну хармонијску дисторзију напона на тачкама прикључења на 5%. Када се ставе у рад, ови активни филтри обично смањују нивое ТНД са око 12% чак на само 2 или 3% у већини комерцијалних соларних система. Ово помаже да опрема не прегреје и спречава непријатне дисторзије таласног облика које могу оштетити системе током времена. Разматрајући шта се догодило 2023. године кад су истраживачи испитивали седам великих соларних фарми, приметили су нешто занимљиво: након инсталирања АФП-ова, испуњење мрежних кодова знатно је порасло, од тек преко половине (око 58%) до скоро потпуног испуњења норми од 96%. Стручњаци који редовно проучавају питања квалитета струје указују и на још једну предност. Ови филтри и даље добро функционишу чак и кад систем ради са смањеним капацитетом, понекад чак и до 30%, што их чини посебно погодним за соларне системе где производња енергије природно варира током дана.

Дугорочни теренски рад: активни филтер снаге у немачкој соларној инсталацији

Фотоволтаична електрана од 34 мегавата у Немачкој показала је изузетан рад својег система активног филтера снаге током периода малo испод четири и по године. Укупна вредност хармонијског искривљења задржана је константно испод 3,8%, чак и када је производња електране драматично варирали између 22% и 98% капацитета. Ово постигнуће посебно истиче чињеница да је паметни систем управљања смањио замену банка кондензатора за око три четвртине у поређењу са традиционалним пасивним методама. Што се тиче статистике доступности, активни филтер снаге радио је изузетних 98,6%, што је боље од већине пасивних филтера у сличним временским условима (обично између 91% и 94%). Тимови за одржавање такође су пријавили интервенције отприлике 40% ређе него што би било потребно код старијих приступа заснованих на реакторима, што значи значајно уштеде у времену.

Analiza troškova i koristi: Balansiranje početnih ulaganja i uštede na kaznama za mrežu

APF-ovi definitivno imaju veću početnu cenu, obično oko 25 do 35 procenata više u odnosu na obične pasivne filtere. Ali evo šta je ključno: oni uštede pogonima između osamnaest hiljada i četrdeset pet hiljada dolara svake godine na dosadnim kaznama za mrežu usled problema sa harmonikama. Uzmimo tipičan objekat od 20 megavata, na primer, i ušteđeni novac pokriva dodatni trošak za malo manje od četiri godine. Mnoge kompanije sada pored postojećih LCL filtera koriste i APF-ove. Ovaj hibridni pristup smanjuje troškove suzbijanja za oko devetnaest centi po vatu vršnog kapaciteta u poređenju sa isključivo pasivnim sistemima. Takođe, regulatori su počeli da tretiraju APF-ove kao stvarna kapitalna ulaganja koja se mogu amortizovati tokom sedam do dvanaest godina. To ih čini finansijski privlačnijim u odnosu na tradicionalna rešenja koja se otpisuju tokom čitavih petnaest godina. Računica jednostavno bolje funkcioniše za većinu pogona koji razmatraju dugoročne uštede.

Често постављана питања

Šta uzrokuje harmonike u fotovoltaičnim sistemima?

Хармоници у фотовалтајским системима настају првенствено због нелинеарних електронских компонената за напајање које се користе у инверторима и DC-DC конвертерима. Додатни извори су трансформатори који раде близу границе магнетне засићености и неуравнотежени трофазни потрошачи.

Како инвертори генеришу хармонијске струје?

Инвертори који користе модулацију ширине импулса (PWM) стварају хармонијске струје приликом прекидања, чиме стварају високofреквенцијске пулсације и груписање хармоника око вишекратника основне учестаности прекидања.

Који је утицај високе продренулости ФВ система на хармонике у мрежи?

Са повећањем продренулости ФВ система, хармонијска искривљења се појачавају због фазних интеракција, отпорности мреже и ризика од резонанције, што доводи до повећаних губитака у трансформаторима и вишег загревања проводника.

Како активни филтри за активну снагу помажу у ублажавању хармоника?

Активни филтри за снагу (APF) откривају и нейтралишу хармонике користећи IGBT инверторе и DSP процесоре, смањујући укупно хармонијско искривљење испод 5%, чак и при високој продренулости соларне енергије.

Koja je prednost ugradnje aktivnih filtera harmonika na tački zajedničkog spajanja?

Ugradnja aktivnih filtera harmonika na TZZS rešava i izobličenja koja stvaraju invertori i poremećaje u mreži, što rezultuje većim smanjenjem UKD-a i istovremenom korekcijom titranja napona.