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

Vyanzo vya Harmonics katika Mifumo ya PV

Mifumo ya nguvu za jua huenda kuzalisha mawimbi yanayopasuka hasa kutokana na vifaa vya umeme vinavyoonesha tabia isiyo ya moja kwa moja ambavyo tunaona katika inverteri na wakilishi wa DC-DC. Vifaa hivi vinaathiri sura ya mistari ya umeme wakati wanabadilisha nishati kutoka kwenye fomu moja kwenda fomu nyingine. Pia, transformatari zinazofanya kazi karibu na kikomo chao cha uwezo wa kupandikiza kivutio pia husaidia tatizo hili, pamoja na malipo yasiyo salama ya mistari mitatu kote mstari. Kutazama utafiti wa karibuni uliofanyika mwanzoni mwa mwaka 2024 kuhusu mahali ambalo mawimbi hayo yasiyotakiwa yanatokana na instalari za nguvu safi, masomo mengi yanashtua vidokezo kwamba vituo vya vifaa vya umeme ni sababu ya takriban asilimia 72 ya tatizo la mawimbi yasiyopasuka yote yanayowekwa kumbukumbu katika vituo vya kujitegemea vya kisasa vya umeme wa photovoltaic leo.

Jinsi Inverteri Inavyozungusha Kuzalisha Mawimbi ya Umeme

Wakati inverter wanapozungusha kwa kutumia modulasi ya upana wa pulse (PWM), wanaweza kutengeneza vituo vya harmonic vya pesa. Inverter zote zinazotumia kipindi cha takriban 2 hadi 20 kilohertz kwa mifumo yao ya kuzungusha. Kinachotokea hapa ni rahisi sana - tunapata mistari ya sasa ya frequency ya juu pamoja na makundi ya harmonic yanayotokea karibu na mara nyingi ya frequency ya msingi ya kuzungusha. Angalia kinachotokea wakati mtu anavyosimamia inverter ya 4kHz pamoja na mtandao wa umeme wa kawaida wa 50Hz. Mara moja humo, huonekana kuwako kuna harmonic kubwa vinavyotokea mahali kama vile 4kHz plus au minus mara nyingi ya 50Hz inayofuata. Ikiwa hakuna mtu anayeweka vichujio vya kutosha ili kushughulikia uchochezi huu, vituo vya sasa visivyotakiwa bado vinaendelea kurudi nyuma kwenye mfumo wa umeme. Matokeo? Ubora duni wa voltage kwa ujumla na uvurugano usio wa muhimu kwenye vitu vyote vilivyowekwa mtandani huo.

Uthawabu wa Uwiano Mwingi wa PV Juu ya Viwango vya Harmonic vya Mtandao

Wakati ufikivu wa PV ufishi miundombinu ya usambazaji unaopita 30%, uvuruguvuru wake kwa pamoja unavyokua kutokana na:

• Mchanganyiko wa safu : Kugeuzwa pamoja kwa inverter kunavyozidisha mavibio maalum ya harmonic
• Upinzani wa mtandao : Upinzani wa juu zaidi katika mavibio ya harmonic unavyozidisha uvurugu wa voltage
• Mamari ya Resonance : Mchanganyiko kati ya ubao wa inverter na inductance ya grid unaweza kutengeneza makali ya resonant

Masomo ya uongo mwanadamu yamefikia spike za THD zenye muda fupi zinazozidi 30% wakati mabadiliko ya mwanga huwa haraka—zaidi kuliko kikomo cha IEEE 519-2022 cha 5% cha voltage THD. Hali hizi zinavyozida hasara za transformer kwa 15–20% na kuongeza joto la conductors kwa 8–12°C, kinachochipisha uhamisho wa insulation na kupunguza umbo la maisha ya vifaa.

Jinsi Active Power Filters Inavyozima Harmonics Wakati Mwingine

Vizingilio vya Vichujio Vinavyosimama Katika Mazingira ya PV Yanayobadilika

Vichujio vya kiasi vya sumu vinavyotokana na umeme vinapaswa kutumika katika mifumo ya sasa ya kisasa ya umeme kutokana na tabia zao za kusimamia. Hawawezi kubadilika ili kufanya kazi na matukio yanayotokana na kuwepo kwa umeme au mabadiliko ya mzigo. Matatizo makuu ni:

• Haiwezi kujibu mabadiliko ya sumu yanayosababishwa na mawingu
• Hatari ya kutoa sauti pamoja na inverter zenye uhusiano wa mtandao, ambayo imeshuhudiwa katika asilimia 63 ya vitanzu vya PV
• gharama za matengenezo kila mwaka zimeongezeka kwa asilimia 74 ikilinganishwa na suluhisho zenye nguvu (EPRI 2022)

Makosa haya yanapunguza ufanisi na uaminifu katika mazingira ambapo tabia za sumu zinabadilika kila siku.

Kanuni ya Kazi ya Kivinjari cha Nguvu ya Activu: Kuweka Kasi ya Sumu kwa Muda Halisi

Vifaa vya kuzuia sumu vilivyo na nguvu (APFs) hutumia inverter zenye IGBT na mchakato wa ishara ya kidijitali (DSP) kupima na kuzima sumu ndani ya millisekunde 2. Kama ilivyoelezwa katika Miongojo ya Kiufundi ya IEEE 519-2022 , mchakato huu unahusu:

1. Kuchuja sasa la mtandao kwa 20–100 kHz kupata yale yanayochukua kiasi cha sumu
2. Kuhesabu vituo vya kishawishi vya kishawishi kwa wakati mmoja
3. Kuingiza vituo vya usimamizi kupitia ubadilishaji wa maadhabu (10–20 kHz)

Ujumbe huu wa kitamadhi unaruhusu APFs kuwawezesha kudumisha uharibifu wa jumla wa kishawishi (THD) chini ya 5%, hata katika utupaji wa PV wa juu (>80%) na wasiwasi wa matumizi yanayobadilika kwa haraka.

Uweko Mwishoni wa Chaguzi ya Kifungu cha Shamba cha Umeme wa Activu katika Kitanda cha Ushirikiano (PCC)

Kusakinisha APFs katika Kitanda cha Ushirikiano (PCC) kinahakikisha ufanisi wa kuzuia kishawishi kwa kukabiliana na vishosho vilivyonotolewa na inverter pamoja na mashindilio ya mtandao wa juu. Uweko huu unaofaa husababiwa:

• kupungua kishawishi (THD) kwa 8–12% kuliko mifumo ya upande wa load
• Usimamizi wa kushindo kwa mara moja na usawa wa kipindi
• uwezo wa kifungu cha usimamizi kuwa mdogo kwa sababu ya 32% kupitia usimamizi wa kituo

Kwa kuzuia kishawishi mahali pa uunganisho, APFs zilizosakinishwa katika PCC zinadhuruza vifaa vya chini na kuhakikisha kufuata sheria kote kwenye mfumo mzima.

Mbinu za Juu za Udhibiti wa Vifungu vya Shamba la Umeme wa Activu katika Mifumo ya PV

Kanuni ya Nguvu ya Mara Kwa Mara (p-q) katika Udhibiti wa SAPF

Kanuni ya PQ inafundisha msingi ambao mifiltrasi sahihi ya nguvu ya shunt (SAPFs) yanavyofanya kazi yao wakipata vipengele vya harmonic na vya nguvu isiyo ya kweli kwenye mikondo ya umeme. Kinachotokea hapa ni jambo la kusisimua: mikondo ya tatu vinabadilishwa kuwa vipengele vya perpendicular vinavyoitwa p (nguvu ya active) na q (nguvu ya reactive), vyote vinalingana na kinachotokea upande wa mtandao. Mbinu hii inafikia usahihi zaidi ya mara kumi kati ya kumi unapochagua vipengele vya harmonic kutoka kwenye mchanganyiko. Baada tu ya kupata ishara hizi za kurejelea, zinamwambia inverter ya SAPF maalum kile kinachohitajika kufuta, hasa vipengele vya harmonic vya kumi na tano na saba vinavyotokea mara kwa mara katika mitandao inayopewa nguvu na panel za jua kama ilivyoshihudia utafiti uliochapishwa katika Nature Energy mwaka jana.

Kuboresha Ustahimilivu kwa Utaratibu wa Utegemezi wa DC-Link

Kudumisha voltage ya DC-link yenye ustahimilivu ina maana kubwa kwa kutapeli kwa utendaji wa kawaida wa SAPFs. Mfumo huwezi kutumia kitendo ambacho kinaitwa kitendo cha uwiano-integral ili kudumisha mizani. Kifaa hiki kinaudhi nguvu ya capacitor ya DC kwa kupanua jinsi nguvu halisi inavyopitiana kati ya vifaa na mtandao wa umeme. Majaribio yameonyesha kwamba njia hii inapunguza mgogoro wa voltage kwa takriban asilimia 60 ikilinganishwa na mifumo isiyo na usimamizi. Hii inamaanisha nini kwenye vitendo? Inasaidia kudumisha usafi wa harmonic hata pale kuna matatizo kama vile uvimbo kwa sehemu au mabadiliko ya kuchukua kwa mwanga wa jua. Aina hii ya matatizo hutokea mara kwa mara katika mashamba makubwa ya jua, kufanya usimamizi mzuri wa voltage uwe muhimu sana kwa uendeshaji wa kimya.

Mipango ya Karibu: Udhibiti wa Kusadapti na Kilichobasea AI Katika Vifaa vya Usafi vya Umeme vilivyounganishwa Paraleli

Mifano ya kisasa ya SAPF sasa inajumuisha vitendakazi vya neural vya sanifu pamoja na mbinu za udhibiti wa kiotomatiki kupredikti tabia ya harmonic kulingana na pato za zamani za panel za jua na habari za mtandao. Kinachowafanya mifumo hii imejaa ni uwezo wake wa kureagiza asilimia 30 ikiwa ni kasi kuliko mbinu za kawaida wakati inabadilisha mara kwa mara kiasi kilicho kati ya 10 hadi 20 kHz kwa utayarishaji bora zaidi. Majaribio ya ulimwengu wa kweli yameonyesha kwamba wakati AI husonga katika uongozi wa SAPF, uvirudi wa jumla wa harmonic huwa daima chini ya asilimia 3, ambacho hakika unashindana na viwango vya kigumu vilivyoainishwa na IEEE 519-2022 katika aina mbalimbali za mazingira ya uendeshaji kulingana na utafiti wa hivi karibuni wa mifumo ya udhibiti umechapishwa na IEEE.

Mbinu za Kuongeza Ondoa Harmonic Kwa Ajili ya Utendaji Bora wa APF

Suluhisho la Kufungua: Inverta za Multi-Pulse na Vichujio vya LCL

Inverter za mkondo mwingi zinapunguza uzalishaji wa harmonic moja kwa moja kwenye chanzo kwa kutumia uwindaji wa transformer unaopinda kwa phase. Zinaweza kuondoa harmonics za 5 na karibu na ya 7 kwa kiasi kikubwa cha 40 hadi labda 60 asilimia wakilinganisha na vijio vya 6 pulse vya kawaida. Ongeza kivinjari cha LCL kwenye mfumo wa sasa na uangalie kinachotokea. Kivinjari hiki kinafanya kazi nzuri kunyanyua kelele kote cha kugeuzia kisichoni kizidisha takriban alama ya 2 kHz. Pamoja wanafanya kazi nyembamba kwa ajili ya APF yoyote inayofuata katika mfumo. Kwa watu wanaofanya kazi na mifumo ya jua, mradi huu wa kupanga vipengele vya kupanda unafanya kufikia standadi kali za IEEE 519 2022 kuwa rahisi zaidi. Masomo machache kutoka kwa IntechOpen yanathibitisha hii, yanabainisha mapema kati ya takriban 15% hadi kama vile 30% zaidi ya viwango vya utii.

Mipango ya Kibinafsi: Kuunganisha Transformers za Zig-Zag na Vifiltro vya Nguvu ya Activu

Trafu ya zig zag inafanya kazi nzuri sana katika kutatua harmoniki za mfuatano wa sifuri zinazojulikana kama triplen (fikiria sajili ya 3, 9, na 15). Wavumbuzi hawa madogo ni wale wanaosababisha matatizo ya waya usiozimwa uliozidiwa katika mifumo ya umeme ya photovoltaic ya tatu faza. Unganisha trafu hizi na vichujio vya nguvu vya vitendo na tunapata kupungua kwa pana 90 kitu % cha harmoniki za mawazo chini ya 1 kHz kulingana na majaribio mbalimbali ya muunganisho wa gridi. Ulinzi huu unafanya mchanganyiko uwezekeni ni jinsi ambavyo unaruhusu wengineji kupunguza ukubwa wa APF zao kwa sababu ya nusu wakati mwingine zaidi ya hayo. Na APF ndogo zinamaanisha uokoa mkubwa wa gharama za vifaa mwanzoni mwa miaka pamoja na matumizi yanayopungua yanayotendeka.

Uunganisho wa Programu Maalum ya Inverter ya Smart kwa ajili ya Usimamizi wa Mbele wa Harmoniki

Kizazi kipya cha inverter za kutengeneza grid kimeanza kutumia algorithm za kuwazuia harmonics, kubadilisha strategia zao za uboreshaji chini ya millisecond tano. Vifaa vya akili hivi vinawasiliana na vipengele vya nguvu vya active kupitia standadi za IEC 61850, vikaribishwe matatizo ya uumbaji wa sura mahali ambapo yanatokea badala ya kuwapa tatizo kuongezeka pembeni. Majaribio ya ulimwengu wa kweli yanaonyesha jambo la kuchangia linalotokea wakati mifumo inapowaka pamoja kwa njia hii. Uharibifu wa jumla wa harmonics unanguka chini ya asilimia 3 hata pale ambapo viwango vya nuru ya jua vinabadilika kwa mara, ambacho ni kuvutia sana kuzingatia kuwa vituo vya gesi vinaonekana kama vyenye kujitegemea. Pia, kuna faida nyingine inayotajwa: kifiltro cha nguvu kinawasha na kuzima mara kumi na arubaini kidogo kuliko kabla. Hii inamaanisha maisha marefu zaidi ya vifaa na ufanisi bora zaidi wa mfumo wake wote wa umeme.

Kuthibitisha Utendaji na Thamani ya Kiuchumi ya Vifiltro vya Nguvu Vinavyofanya Kazi Katika Mashamba ya PV

Kusimamia Ufanisi: Makala ya Kesi ya Ufuatiliaji wa IEEE 519-2022 na Ondoa THD

Mifumo ya kuzalisha umeme kwa kutumia nuru ya jua inahitaji vipengele vya kudhibiti umeme ambavyo husaidia kufuata standadi za IEEE 519-2022 ambazo zina mpaka wa 5% kwa uharibifu wa sura ya voltage katika pointi za muunganisho. Wakati yanapotumika kwenye shughuli halisi, vipengele hivi vya kudhibiti umeme (APFs) mara nyingi huwezesha kupunguza kiwango cha uharibifu wa sura kutoka kwa pana 12% hadi chini ya 3% katika mifumo mingi ya biashara ya umeme unaotokana na jua. Hii husaidia kuzuia vifaa vikubali moto sana na kuzuia mafundisho mbaya ya sura ambayo yanaweza kuharibu mifumo kwa muda ulioelekea. Baada ya kuchunguza matukio ya mwaka 2023 ambapo watafiti walichunguza mashamba kuu saba ya umeme unaotokana na jua, waligundua jambo la kusisimua: baada ya kufunga vipengele vya kudhibiti umeme, ufikiaji wa kanuni za mtandao umefanikiwa kuongezeka kwa kiasi kikubwa kutoka kwa karibu nusu (kama vile 58%) hadi karibu kikamilifu (96%). Watu ambao wanastahili maswala ya ubora wa umeme wanatambulisha faida nyingine pia. Vipengele hivi vinaendelea kufanya kazi vizuri hata pale ambapo mfumo haunaendeshwa kwa uwezo wake mzima, wakati mwingine kama ni chini ya 30%, ambacho linawawezesha kuwa bora zaidi kwa umeme unaotokana na jua ambapo uzalishaji wa nishati unabadilika kwa asili kila siku.

Utendaji wa Uumbaji wa Muda Mrefu: Chasisi cha Umeme Hai katika Usimbaji wa Jua Ujerumani

Mlango wa umeme unaotokana na nuru ya jua unaofanya kazi kwa nguvu ya 34 megawati Ujerumani ulionyesha utendaji bora kutokana na mfumo wake wa chasisi cha umeme hai wakati wa kipindi kilichohusu karibu na miaka minne na nusu. Kupunguzwa kwa uharibifu wa sura (THD) ukabaki daima chini ya 3.8%, hata pale ambapo toleo la mlango lilivary kuwa kati ya 22% na 98%. Ufanisi huu umewezeshwa zaidi kwa sababu mfumo wa udhibiti smart umepunguza kiasi cha kubadilisha vifaa vya capacitors kwa takriban robo tatu kulingana na njia za kawaida za pasifiki. Kutazama takwimu za uwezo wa kufanya kazi bila mvuto, chasisi cha umeme hai (APF) kimebaki kufanya kazi kwa asilimia kubwa ya 98.6%, ambayo ni bora kuliko ile inayopatikana kwa matumizi ya vipengele vya pasifiki katika mazingira yanayofanana (kawaida kati ya 91% na 94%). Timu za matengenezo pia zimeulizwa kwamba zinahitaji kuingilia mara kumi kwa takriban 40% kidogo kuliko njia za zamani zenye vifaa vya reactor, ambavyo vimeleta uokoa mkubwa wa gharama kwa muda.

Uchambuzi wa Gharama-Faida: Kusawazisha Uwekezaji wa Awali kwa Akiba za Adhabu za Mtandao

APFs hakika yanakuja na bei kubwa zaidi ya awali, kawaida kati ya asilimia 25 hadi 35 zaidi kuliko vichujio vya kawaida vinavyotumia njama. Lakini hapa kuna kitu: yanasaidia mashine kuokoa kati ya elfu kumi na nane hadi arobaini na tano kwa sababu ya adhabu za mtandao kutokana na tatizo la makanisa. Kambilini mfano wa kitovu cha watii 20 kwa muda fulani, pesa zilizoponyeshwa zinakidhi gharama ya ziada katika kipindi cha chini ya miaka minne. Sasa kampuni nyingi zimeanza kuchanganya APFs na vichujio vyao vya LCL vya sasa pia. Mchakato huu wa kibinafsi unapunguza gharama za kukabiliana na tatizo kwa takriban serefu kumi na tisa kwa kila wati wa juu ukilinganishwa na kutumia mfumo mzima wa kawaida. Pia wale wanaolawiri meseremala wameanza kuikumbatia APF kama rasilimali halisi ya msingi ambayo inaweza kupunguzwa thamani yake kwa muda wa saba hadi kumi na mbili miaka. Hii inafanya iwe na faida kimaisha ikilinganishwa na vitenzi vya zamani ambavyo huwachukua miaka kumi na tano yote kabla ya kupunguzwa. Hisabati tu inafaa zaidi kwa shughuli zote zinazotazamia uokaji wa muda mrefu.

Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara

Vipengele vya makanisa vinatokana na vipengele gani katika mifumo ya umeme wa photovoltaic?

Mapatiko katika mifumo ya umeme wa photovoltaic husababishwa kwa kiasi kikubwa na vifaa vya umeme visivyolingana vilivyonazalisha inverter na wakilizaji wa DC-DC. Vyanzo vingine ni pamoja na transformata karibu na kizuizi chao cha umagofu na malipo ya tatu ambayo hayasawazi.

Inverters inazalisha vituo vya mapatiko vipi?

Inverters inayotumia modulasi ya upana wa pulse (PWM) inazalisha vituo vya mapatiko wakati wa kugeuza, ikitoa mapigo ya mawimbi ya mzunguko mwingi na makundi ya mapatiko karibu na mara nyingi ya mzunguko wa msingi wa kugeuza.

Madhara ya uvimo mkubwa wa PV juu ya mapatiko ya mtandao ni yupi?

Wakati uvimo wa PV unavyozidi, ukosefu wa umbo la mawimbi unavyozidi kutokana na mchanganyiko wa phase, uwezo wa kupinga kwa mtandao, na hatari ya resonance, kinachomfanya kupotea kwa nguvu katika transformata kuongezeka pamoja na joto la waya linazidi.

Vichujio vya nguvu vinavyoshiriki vinavyosaidia kugawanyika mapatiko vipi?

Vichujio vya Nguvu Vinavyoshiriki (APFs) vinagundua na kuzima mapatiko kwa kutumia inverters zenye IGBT na DSPs, kuepuka uharibifu wa jumla wa mapatiko chini ya 5%, hata kama uvimo wa jua ni mzito.

Ni faida gani ya kufunga APFs katika Point of Common Coupling?

Kufunga APFs katika PCC husimamia vizio vya inverter na matatizo ya grid, ikitokea kupunguza kwa THD zaidi na kurekebisha wakati mwingine uvirudo wa voltage.