Vifaa vya kudhibiti nguvu vya kiamilifu vinavyosimamia harmoniki katika mashine za umeme ya photovoltaic vipi?

Kuelewa Uharibifu wa Harmonic katika Mitaa ya Umeme ya Photovoltaic

Vyanzo vya Harmonic katika Mifumo ya PV Inayounganishwa na Mtandao

Sababu kuu ya uvimbo wa seti katika mifumo ya umeme kutoka kwa nuru ya jua inatokana na vifaa vya umeme ambavyo havitumii mtiririko wa moja kwa moja, vinavyotazamwa kila mahali leo, hususani inverter za PV na vifaa vingine vya kugeuza. Utafiti uliofanyika mwaka 2024 kuhusu uunganishwaji wa mitaalamu uligundua jambo la kuchangia. Waligundua kwamba karibu kimoja cha wawili wa vituo vyote vya umeme vilivyofunguka katika mashamba ya jua vinatokana na inverter za toleo la voltage ambazo zinapowezesha kubadilisha umeme wa DC kuwa AC. Kinachotokea hapa ni rahisi lakini pia kinachohitaji uelewa wa kina kidogo. Inverter hizo zimeundia seti za mawimbi ya juu yenye mzunguko kati ya kiloherzi 2 hadi 40 kwa sababu ya njia wao wa kupitisha impulsi (hii ni mpangilio wa PWM) pamoja na njia nyingine kama vile ubalo. Pia kuna madai mengine yanayofaa kudokezwa. Wakati mwingine trafomu zinaweza kuzidishwa chini ya mazingira fulani, na wakati inverter mbalimbali zinatumia nguvu kwenye mashamba makubwa ya jua, zinaweza kuingiliana kwa njia ambazo zinazozalisha seti zaidi.

Ungwana wa Uharibifu wa Harmonic kwenye Ubora wa Umeme na Ufanisi wa Mfumo

Wakati hauzimishwi, mizani inapunguza ufanisi wa mfumo kwa madaraja 3 hadi 7 kulingana na utafiti wa Ponemon uliofanyika mwaka jana. Hii inatokea kwa sababu viumbezi vinachoma zaidi ya nishati na transformata zinajaa moto zaidi kuliko inavyofaa. Ikiwa uharibifu wa voltage unapita 5% THD, mambo yanapoanza kuharibika haraka sana. Relays za usalama hazifanyi kazi vizuri tena na vichangamto huanguka kwa njia isiyotarajiwa. Tatizo linazidi kuwa mbaya kwa ajili ya inverters pia. Zile zenye uendeshaji katika mazingira yenye harmonics kiasi kikubwa zinaonekana kuwa zimeharibiwa isolasheni yao takriban 15 hadi 20% haraka zaidi, ambayo inamaanisha marekebisho mara kwa mara zaidi na gharama kubwa zaidi. Mambo mengine magumu sana yanatokea wakati kinachotokea resonance kati ya inductance ya mtandao na kinachotolewa na PV inverters. Mfano huu unaifanya baadhi ya harmonics ziongezee nguvu kiasi kwamba vifaa vinaharibiwa mara moja kwa mara.

Vigezo vya Kawaida vya Harmonic na Ufuatilio Katika Vifaa vya Nishati ya Kurejewa

Shirika la viwanda duniani kote limeweka kanuni kali sana kuhusu voltage ya jumla ya uvirio (THD) zinazohitaji kubaki chini ya 5% na mizani ya sasa isiyopita 8% mahakamani ambapo mitandao inaunganishwa na mtandao wa umeme. Kwa ajili ya vituo vya photovoltaic vinavyozidi kilowatt 75, kuna hitaji kingine kutoka kwa standadi ya IEC 61000-3-6 kinachowatekeleza majaribio maalum yanayofanya upimaji wa taka hizi za uvirio. Kujikiswa kwa sheria hizi zote kawaida inamaanisha kuweka mikakati mbalimbali ya kupunguza athari. Mbinu rahisi ni kubuni inverter zenye mitindo bora zaidi na kuweka vifaa vya kupata harufu vya umeme. Serikali nchini kila sasa inatia shauri la ufuatiliaji wa mara kwa mara wa uvirio ndani ya mashamba ya jua. Hii husaidia kuepuka adhabu za gharama zinazotokana na matatizo ya ustahimilivu wa mtandao kutokana na upepo mkubwa wa uvirio.

Kanuni ya Kazi ya Vichukuzi vya Nguvu Zilizosimama katika Mifumo ya PV

Vichujio vya nguvu vinavyowezesha kufanya kazi vibaya vinazima uharibifu wa mstari katika mifumo ya jua kwa kutambua na kuzima vituo vya umeme vilivyo mbaya wakati wowote. Vinatumia vipengele vya usajili wa sasa na teknolojia ya DSP ili kuangalia kinachotokea na vituo vya pembejeo, kuchagua hata matatizo madogo kabisa ya mstari kama vile uharibifu wa aina ya tatu. Majaribio yameonyesha kwamba vichujio hivi vya nguvu vinaweza kupunguza uharibifu wa jumla wa mstari kiasi cha 88% katika miradi ya jua yenye nguvu ya 500 kW ikilinganishwa na vichujio vyenye nguvu za kawaida. Utendaji kama huu unafanya tofauti kubwa kuhusu ustahimilivu na ufanisi wa mfumo.

Jinsi Vichujio Vinavyowezesha Kufanya Kazi Vinavyotambua na Kuzima Vituo vya Mstari

Kufuatilia sasa ya mtandao huendelea kupitia visasa vya Hall ambavyo vana kuchukua ishara hizo za harmonic kwa usahihi mzuri sana karibu na kosa cha asilimia nusu. Baada yake hutaja kuhesabu kiasi kikubwa cha nambari kwa kutumia algorithumu za DSP zenye uwezo wa kuunda sasa hizo kinyume kabisa na ile ambayo inapotea kama ilivyoambatana na harmonics zilizosajiliwa. Angalia kile watafiti walipata katika kazi yao ya mwaka 2023 juu ya mbinu za kukomboa mara moja. Walionyesha kwamba unapowezesha vipengele vya nguvu vinavyotumia kiwango cha kugeuza kufikia kilohertz 20, vinaweza kuzima kikamilifu harmonics za pamoja na ya saba kwa muda mfupi wa sekunde elfu mbili tu. Mambo haya ni ya kushangaza kwa mtu yeyote anayeshughulika na maswala ya ubora wa umeme kila siku.

Nazari ya Nguvu ya Marudio (Njia ya p-q) kwa Udhibiti wa Wakati Halisi

Mbinu hii ya udhibiti inaweka mbali vipengele vya nguvu ya wakati (p) na ya sumaku (q) kwa kutumia ubadilishaji wa Clarke. Kwa kuunganisha na voltage ya mtandao kupitia mchakato wa kufunga fazo (PLLs), njia ya p-q inaendelea kudumisha sababu ya nguvu juu ya 0.98 hata wakati wa mabadiliko ya nuru ya jua ya 30%. Utafiti unavyoonyesha kwamba namna hii inapunguza mahitaji ya nguvu ya sumaku kwa asilimia 72 ikilinganishwa na vitawala vya PI vya kawaida.

Uzalishaji wa Marejeleo ya Sasa na Ubonyezi wa Inverter Unaotokana na PWM

Mfumo huu unachukua ishara hizo za kompensheni na kuzibadilisha kuwa amri halisi za ubonyezi kupitia kitu kinachojulikana kama ukunduzi wa PWM wa vector ya nafasi. Siku hizi, zaidi ya asilimia 97 ya vipengele vya inverter vinavyotumia IGBT vinajengwa kwa ufanisi mkubwa kutokana na mbinu smart za kukabiliana na muda usiofaa ambazo huupunguza hasara za ubonyezi. Kutazama makala mbalimbali ya utafiti kuhusu inverter ya tofauti ya PWM, tunaona kwamba mifumo haya inaweza kufuta harmonics katika bandia zote zinazopita 2 kHz. Na hapa kuna jambo muhimu pia: wanawezesha kuwahakikia kuwa idadi ya uvirudo wa jumla haipungue asilimia 4, ikiwafikia mahitaji yote yanayotolewa katika standadi ya IEEE 519 ya mwaka 2022.

Unganisho na Miongoni Mwa Mbinu ya Udhibiti kwa Ajili ya Vichujio vya Ampera Vinavyowakea Katika Mitaa ya PV

Kujiunga vizuri na vipengele vya nguvu za activu (APFs) katika mashamba ya umeme kutokana na nuru ya jua inahitaji mpangilio wa makini na mikakati ya udhibiti ambayo inawezesha kufuata viwango vya mtandao huku ikiendelea kuimarisha ubora wa umeme. Mashirika mengi ya kisasa yanapenda mpangilio wa shunt APF kwa sababu yanashikamana sambamba, iwezekanisha kufuta mizani bila kuharibu uzalishaji wa umeme wa jua. Kulingana na utafiti uliochapishwa mwaka 2023 kupitia IntechOpen, takriban asilimia 89 ya mashamba mapya makubwa ya jua sasa yanajumuisha shunt APFs zinazofanya kazi pamoja na mifumo ya phase locked loop (PLL). Mipangilio haya inaweza kusawazisha voltage za grid kwa usahihi mkubwa, mara nyingi ndani ya digrii moja kwa upande mmoja. Usahihi kama huo unafanya tofauti kubwa juu ya utendaji wa ujumla wa mifumo hiyo ya jua.

Mpangilio wa Kivinjari cha Shunt cha Nguvu ya Activu na Usawa wa Voltage ya Grid (PLL)

APF za shunt zinatumia kuchong'ua sasa ambayo ina mzunguko wa kinyume kwenye mtandao kupitia inverter za chanzo cha voltage. Mipaka muhimu ikiwa ni pamoja na:

• Unganisha kwa pato la PV linalobadilika (kikomo cha mzunguko wa 3-150 Hz)
• usahihi wa usimamizi wa 98.7% ukitumia walemavu wa PLL
• wakati wa ujumbe wa <5 ms kwa mabadiliko ya kuchomoka ya mzigo

Walemavu wenye Uwezo wa Kubadilika vs Walemavu Wasio Badilika Katika Mazingira ya PV Yanayotabasamu

Walemavu wenye uwezo wa kubadilika wanavyoboresha usimamizi wa mzunguko katika hali za mwanga unaozama kwa kuwawezesha kuboresha parameta za gain kiotomatiki. Majaribio ya uwanja mwaka 2024 ulionyesha kuwa mitambo yenye uwezo wa kubadilika imepunguza uharibifu wa jumla wa mzunguko (THD) kutoka 8.2% hadi 3.1% chini ya uvimbo, ikipitisha matumizi ya mfano usio badilika kwa asilimia 42% katika ujumbe wa muda mfupi.

Njia za Kuunganisha Chombo cha Kudhibiti Nguvu Actishi kwenye Inverter za PV

Mbinu tatu kuu za uunganishaji zinazodominia mashamba ya PV ya kisasa ni:

Uchambuzi wa ScienceDirect wa mwaka 2024 umetoa kuwa mitaro ya kibinafsi imeboresha pato la nishati kwa asilimia 6.8 ikilinganishwa na suluhisho la peke la APF katika mistari ya jua ya 500 kW.

Mifumo ya Kibinafsi ya Nguvu ya Jua-Pikipiki cha Nishati: Ubunifu na Utendaji

Ubunifu wa Inverter wa Kazi Mbili: Kutengeneza Nishati na Kuondoa Mapungufu Simu Kwa Wakati Mmoja

Mipangilio ya kiasi cha umeme kutokana na nuru ya jua na kufinyanga umeme sasa hutumia inverter maalum ambazo husimamia ubadilishaji wa nishati pamoja na kupunguza kelele za umeme wakati mmoja. Vifaa vya kisasa vinajenga kazi ya kuchongesha umeme moja kwa moja katika kifaa kikuu cha inverter cha PV. Hii inapunguza vipengee vya mahitaji kwa takriban 37% ikilinganishwa na kutumia vifaa tofauti, kama ulivyonadiniwa na utafiti wa Wong na wenzake mwaka wa 2021. Mipangilio hii inafanya kazi yake kwa njia ya mbinu maalum ya kuwasha na kuzima ambazo zinawezesha kufuatilia pointi kubwa za nguvu za jua wakati mmoja kunyanyua harmonics zisizotakiwa. Vinashiriki vipengee muhimu kama vile vifugo vya DC-link na vituo vya IGBT ambavyo tunaona katika vituo vingi vya kielektroniki vya kisasa. Majaribio ya ukweli yanabainisha kwamba mipangilio hii inaweza kudumisha uharibifu wa harmonic chini ya 3%, ambayo ni vizuri sana kumbukumbu kwamba pia inaweza kubadili nuru ya jua kuwa umeme kwa ufanisi wa takriban 98.2%. Ni jambo la kusahau kwa kitu ambacho husaidia kufua mitaro yetu ya umeme wakati inafanya matumizi bora zaidi ya vyanzo vya nishati inayorejewa.

Utakwimu na Utendaji wa Shughuli ya Mifumo ya PV-APF ya Kibinafsi

Utakwimu wa kisasa (HIL) wa mifumo ya kibinafsi ya 500 kW inaonyesha wakati wa kujibu harmoniki 89% wa haraka zaidi kuliko vipenge vya pasifiki wa kawaida. Taasisi ya 2024 ya masomo ya nishati yenye uwezo wa kuimarika ilionyesha kuwa vitawala vya kubadilika katika PV-APFs vinapunguza mapungufu ya voltage kwa asilimia 62% chini ya mazingira ya kushinikizia kama karibu. Matumizi ya kisasa yanaonesha kuwa THD imezimwa kwenye asilimia 5 au chini kwa masaa 1,200+, hata kwa malipo ya asilimia 30 ya kiasi cha sio sawa.

Kesi ya Utafiti: Kuondoa THD kutoka 28% hadi chini ya 5% Katika Mchanga wa PV wa 500 kW

Shamba la jua la biashara liliponyanyua joto la transformer lililotokana na harmoniki kwa njia ya kuunganisha PV-APF. Mfumo wa kibinafsi ulitumia inverter mbili kwa kila moja ya 60 kVA kumi na sita vilivyopangwa kama shunt, ikifanikisha:

• Sasa ya Grid THD: Imepungua kutoka 28% hadi 4.7%
• Kukomboa Nguvu ya Kinetic: uwezo wa 92% kwa sababu ya nguvu ya 0.95
• Upekuzi wa Nguvu: $7,200/kila mwezi kutokana na kupunguza matumizi ya vipenge na kuepuka adhabu za grid

Ufuatiliaji baada ya instalisho umethibitisha utii wa standadi za IEEE 519-2022 chini ya mazingira ambapo mawingu yanamwaa kiasi cha 25%.

Manufaa na Changamoto za Kuweka Kichujio cha Nguvu Actifiki katika Mashamba ya Jua

Kuboresha Utii wa Kanuni za Mtandao na Ubora wa Umeme katika Mifumo ya Nishati inayorejea

Vichujio vya nguvu vinavyofanya kazi vinawasilisha mambo ndani ya mipaka ya tarakimu za umeme kwa kudumisha uharibifu wa jumla (THD) chini ya kivinjari muhimu cha 5% kilichowekwa katika standadi ya IEEE 519-2022. Kulingana na masomo ya hivi karibuni ya mwaka 2023 yanayolenga mifumo kumi na mbili kubwa ya umeme kutokana na nuru ya jua, vichujio hivi kawaida yanasaidia kuongeza sababu za nguvu kati ya 0.15 na 0.25 wakati wanapunguza matatizo ya usawa wa umeme kama manneba mara tatu. Uwezo wake maalum unawezesha kushughulikia kupungua kwa haraka kwa umeme unapopita mawingu juu ya mistari ya gesi ya jua, jambo ambalo linaweza kuchindikiza ustahimilivu wa mtandao. Mipaka ya kawaida ya mtandao inatamani mabadiliko si zaidi ya 10% katika viwango vya umeme, na vichujio vya kiasili vinawezesha kufikia mahitaji haya kila muda bila kujali mazingira ya utendaji.

Kupunguza Interharmonics na Mabadiliko ya Umeme Kwa Kutumia Vichujio Vinavyofanya Kazi

Mabadiliko katika uwaka wa jua husababisha viashara vya kati vinavyopatikana kwenye mzunguko wa 1 hadi 2 kHz, jambo ambalo inverteri za kawaida hazipangii kuyakabiliana kwa ufanisi. Kukabiliana na tatizo hili, vichujio vya activu hutumia ubadilishaji wa upana wa pulse wa wakati halisi wenye muda wa kutoa majibu chini ya mikrosekunde 50, wakifanikiwa kuondoa mizunguko hii ya kuvuruga. Majaribio ya uwanja yameonyesha matokeo bora, yenye kupungua kwa kiwango cha takriban asilimia 85 hadi 90 kwa ajili ya viashara vya kati vya 150 hadi 250 Hz. Maboresho haya ni muhimu kwa sababu yanawasilisha trafomu kutembea moto pamoja na kupunguza hasara za mistari kwa takriban asilimia 12 hadi 18 katika mifumo ya kuzalisha umeme wa photovoltaic yenye uwezo zaidi ya megawatt moja. Faida ya ziada inapatakea wakati vichujio hivi vinavyofanya kazi pamoja na suluhisho la kuhifadhi nishati, ambapo vinapunguza vibaya vya kutetemeka kwa voltage wakati wa mabadiliko ya ghafla ya uzalishaji wa nguvu za jua, wakifanikiwa kupunguza kwa kiwango cha asilimia 60 hadi 75 kama vile kinachojulikana katika maoneo ya viwandani.

Mapato vs. Uaminifu wa Miraka ya Kupata Umeme kwa Kiwango Kikubwa

Vichujio vya nguvu vinavyofanya kazi vinamkia takriban asilimia 30 hadi 40 zaidi kuliko vingine visivyotumia nguvu, lakini hufikia faida kwa muda mrefu kupitia uokoa wa deni. Mifumo hii huendeshwa kwa viwango vya ufanisi wa 92 hadi 97 asilimia, ambayo inapunguza gharama za matengenezo kila mwaka kwa takriban dola 18 hadi 22 kwa kila kilowati kwa vipindi vya miaka mitano. Kitu ambacho kinawezesha kuwa bora zaidi ni mpangilio wake uliojengwa kwa sehemu. Vyumba vinafanya uwekaji wa vichujio hivi kwa njia ya hatua na bado kudumisha utendakazi bora kwa sababu ukaribu uliojengwa humruhusu kushughulikia kila kifaa bila kuzidisha uvirudo chini ya asilimia moja nusu. Laito moja tu - kuisinisha mfumo huu unahitaji uwekezaji ziada wa takriban dola 4.50 hadi 6.80 kwa kila kilowati zaidi juu ya gharama ya uwekaji. Kwa miradi mingi chini ya megawati 50, hii inamaanisha kuwa lazima ufanye hesabu kwa makini kabla ya kuchagua iwapo manufaa ya muda mrefu yanafaa kulingana na bei ya awali.

Sehemu ya Maswali yanayotofikiwa

Vyanzo vya msingi wa viashiria katika mitambo ya umeme kutoka kwa nuru ya jua ni vipi?

Vyanzo vya msingi vya viashiria katika mitambo ya umeme kutoka kwa nuru ya jua ni inverter za chanzo cha voltage, ambazo zinachangia miwili kwa kila mitatu ya sasa za viashiria, na mchanganyiko kati ya inverter nyingi au transifa zilizosafishwa.

Viashiria vinavyosababisha uharibifu vinawezaje kuathiri ufanisi wa mfumo na ubora wa umeme?

Uharibifu wa viashiria unaweza kupunguza ufanisi wa mfumo kati ya asilimia 3 hadi 7%, kusababisha matatizo katika relays ya usalama na uvurio wa capacitors, pamoja na kuongeza uharibifu wa insulator ya inverter kati ya asilimia 15 hadi 20%.

Ni vystandards gani vinavyosimamia viashiria katika mifumo ya nishati yenye uwezo wa kurejewa?

Uharibifu wa jumla wa voltage (THD) unapaswa kuwepo chini ya asilimia 5%, na viashiria vya sasa visivyozidi asilimia 8 kulingana na vytsandaradu fulani, ikiwemo IEC 61000-3-6 kwa mifumo inayozidi 75 kW.

Ingezi ya nguvu za active zinafunga vipi ili kupunguza viashiria katika mifumo ya PV?

Vichangamkuzi vya nguvu vinatumia wakaribishaji wa sasa na teknolojia ya DSP kugundua na kupunguza vituo vya sasa katika muda halisi, kuchanganya vibadilisho vya jumla vya sasa mfumo.

Ni faida zipi na changamoto gani za kuweka vichangamkuzi vya nguvu mashambani ya jua?

Ingawa vichangamkuzi vya nguvu vinaboresha utii wa kanuni za mtandao na ubora wa nguvu, gharama zao za awali ni juu kuliko zile za pasifiki. Hata hivyo, vinatoa uokoa bora wa muda mrefu kupitia ufanisi zaidi na matumizi yasiyopungua.