Fotovoltaik güç tesislerinde harmonik bozulmaya neden olan ana etken, günümüzde her yerde gördüğümüz doğrusal olmayan güç elektroniği bileşenleridir ve özellikle de PV invertörleri ile çeşitli anahtarlama cihazlarıdır. 2024 yılında yapılan ve şebekeye entegrasyonu inceleyen bir araştırma bu sorunla ilgili ilginç bir bulgu ortaya koymuştur. Araştırmacılar, güneş çiftliklerinde ölçülen harmonik akımların yaklaşık üçte ikisinin, DC'den AC'ye güç dönüştürme görevini yerine getirirken çalışan gerilim kaynaklı invertörlerden kaynaklandığını keşfetmişlerdir. Burada olan şey oldukça basittir ancak aynı zamanda teknik olarak karmaşıktır. Bu invertörler, darbe genişlik modülasyonu (PWM) ve bazı enterleaving yöntemleri nedeniyle 2 ila 40 kilohertz arasında değişen yüksek frekanslı anahtarlama harmonikleri üretir. Bununla birlikte dikkate değer diğer katkıda bulunan faktörler de vardır. Trafo bazen belirli koşullar altında doyuma ulaşabilir ve büyük güneş parklarında birden fazla invertör birlikte çalışırken ek harmonikler üretebilecek şekilde etkileşime girebilir.
Harmoniklerin kontrolsüz bırakılması, geçen yıl Ponemon'ın araştırmasına göre sistem verimliliğini yaklaşık %3 ila %7 oranında düşürür. Bu durum, iletkenlerin daha fazla enerji kaybetmesi ve transformatörlerin olması gerekenden daha fazla ısınması nedeniyle meydana gelir. Gerilim bozulması %5 THD'nin üzerine çıkarsa, işler oldukça hızlı bir şekilde bozulmaya başlar. Koruma röleleri düzgün çalışmaz hale gelir ve kapasitörler beklenmedik şekilde arızalanır. İnvertörler için de sorun kötüleşir. Harmoniklerle dolu ortamlarda çalışan invertörlerin yalıtımı yaklaşık %15 ila %20 daha hızlı bozulur ve bu da daha sık onarım gerektirir ve maliyetleri artırır. Şebeke endüktansı ile PV invertörlerinin çıkışları arasında rezonans oluştuğunda bazı çok ciddi durumlar ortaya çıkar. Bu etki, belirli harmoniklerin o kadar güçlü hâle gelmesine neden olur ki bazen ekipmanlar tamamen hasar görür.
Dünya çapındaki standart kuruluşlar, sistemlerin elektrik şebekesine bağlandığı noktalarda gerilim toplam harmonik bozulmasının (THD) %5'in altında kalması ve akım harmoniklerinin %8'i geçmemesi konusunda oldukça katı kurallar belirlemiştir. 75 kilowatt'tan büyük fotovoltaik tesisler için IEC 61000-3-6 standardı, bu harmonik emisyonları ölçmeye yönelik özel testler yapılması gerektiğini öngörmektedir. Tüm bu yönetmeliklere uymak genellikle çeşitli azaltma tekniklerinin uygulanmasını gerektirir. Bunlara örnek olarak daha iyi topolojiye sahip invertör tasarımı ve aktif güç filtreleme ekipmanlarının kurulumu verilebilir. Günümüzde çoğu düzenleyici kurum, güneş çiftliklerinde harmoniklerin sürekli izlenmesini zorunlu tutmaktadır. Bu, aşırı harmonik içeriğinden kaynaklanan şebeke kararsızlığı durumlarında mali cezalardan kaçınmaya yardımcı olur.
Aktif güç filtreleri veya APF'ler, güneş sistemlerindeki harmonik bozulmalarla başa çıkmak için gerçek zamanlı olarak kötü akımları tespit ederek bunları sıfırlar. Yük akımlarında olan biteni analiz etmek amacıyla akım sensörleri ve DSP teknolojisiyle birlikte çalışarak üçüncü derece bozulmalar gibi en küçük harmonik sorunları bile ayırt ederler. Bazı saha testleri, geleneksel pasif filtrelere kıyasla 500 kW gücündeki güneş santrallerinde APF'lerin toplam harmonik bozulmayı neredeyse %88'e kadar azaltabildiğini göstermiştir. Bu düzeyde performans, sistem kararlılığı ve verimliliği açısından büyük fark yaratır.
Şebeke akımının izlenmesi, yarım yüzde civarında oldukça iyi bir doğrulukla harmonik sinyalleri algılayan Hall etkili sensörler aracılığıyla sürekli olarak gerçekleşir. Bunun ardından, tespit edilen harmoniklerle tamamen ters fazda olan bu karşıt akımları oluşturan gelişmiş DSP algoritmalarıyla ciddi sayısal hesaplamalar yapılır. Gerçek zamanlı kompanzasyon teknikleri üzerine 2023 yılında yapılan araştırmaya bir göz atın. Araştırmacılar, aktif güç filtrelerinin anahtarlama hızlarının 20 kilohertz'e ulaştığı durumlarda, can sıkıcı beşinci ve yedinci derece harmoniklerin neredeyse tamamını yalnızca iki binde bir saniyede bastırabildiğini gösterdiler. Güç kalitesi sorunlarıyla her gün uğraşanlar için oldukça etkileyici bir performans.
Bu kontrol metodolojisi, anlık aktif (p) ve reaktif (q) güç bileşenlerini Clarke dönüşümleri kullanarak ayırır. Şebeke gerilimiyle faz kilitlemeli döngüler (PLL'ler) aracılığıyla senkronize olarak p-q yöntemi, %30'luk ışınım dalgalanmaları sırasında bile 0,98'in üzerinde bir güç faktörünü korur. Araştırmalar bu yaklaşımın geleneksel PI kontrolörlere kıyasla reaktif güç talebini %72 oranında azalttığını göstermektedir.
Bu sistem, bu kompanzasyon sinyallerini, uzay vektörü PWM modülasyonu adı verilen bir yöntemle gerçek anahtarlama komutlarına dönüştürür. Günümüzde çoğu aktif güç filtresi, sıradan ölü zaman kompanzasyon teknikleri sayesinde %97'nin üzerinde verimle çalışan IGBT tabanlı invertörler etrafında inşa edilmiştir ve bunlar can sıkıcı anahtarlama kayıplarını azaltır. Çeşitli PWM gerilim kaynaklı invertör üzerine yapılan araştırmalara bakıldığında, bu tasarımların 2 kHz'in oldukça üzerindeki bant genişliklerinde harmonikleri ortadan kaldırabildiği görülmektedir. Ayrıca önemli bir başka nokta da toplam harmonik bozulmalarının %4'ün altında tutulması ve 2022 tarihli en son IEEE 519 standardında belirtilen tüm gereksinimlerin karşılanmasıdır.
| Parametre | Geleneksel Filtre | Aktif güç filtresi |
|---|---|---|
| Tepki Süresi | 50–100 ms | <2 ms |
| Harmonik Sıra İşleme | Sabit (5., 7.) | 2.–50. |
| THD Azalması | 40–60% | 85–95% |
| Uyumluluk | Yok | Dinamik Yük Takibi |
Fotovoltaik tesislere aktif güç filtrelerini (APF) doğru şekilde entegre etmek, şebeke standartlarına uyumu korurken iyi bir güç kalitesi sağlamaya yönelik dikkatli kurulum ve kontrol stratejilerini gerektirir. Günümüzde çoğu modern tesis, paralel bağlandığı için harmonikleri anında yok edebilen ancak güneş enerjisi üretimini etkilemeyen şönt APF yapılarını tercih eder. IntechOpen tarafından 2023 yılında yayımlanan araştırmaya göre, yeni büyük ölçekli güneş çiftliklerinin yaklaşık %89'u şimdi faz kilitleme döngüsü (PLL) sistemleriyle birlikte çalışan bu şönt APF'leri kullanmaktadır. Bu yapılar, şebeke gerilimlerini genellikle artı eksi yarım derece içinde oldukça hassas bir şekilde hizalayabilmektedir. Bu düzeydeki doğruluk, güneş enerjisi tesislerinin genel performansı üzerinde önemli ölçüde olumlu etki yapar.
Şönt APF'ler, gerilim kaynaklı invertörler aracılığıyla şebekeye karşıt harmonik akımlar enjekte ederek çalışır. Temel avantajlar şunlardır:
Uyarlanabilir denetleyiciler, kazanç parametrelerini otomatik olarak ayarlayarak dalgalanan ışınım koşullarında harmonik baskılamayı artırır. 2024 yılındaki saha testleri, uyarlanabilir sistemlerin kısmi gölgeleme altında toplam harmonik bozulmayı (THD) %8,2'den %3,1'e düşürdüğünü ve geçici tepkide sabit kazançlı modellerden %42 daha iyi performans gösterdiğini göstermiştir.
Üç ana entegrasyon yaklaşımı modern PV tesislerinde hakimdir:
| Yötem | THD Azalması | Uygulama Maliyeti |
|---|---|---|
| Merkezi APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| Dizgi seviyesinde APF | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hibrit APF-Güneş Invertörü | 89-95% | Entegre tasarım |
2024 ScienceDirect analizine göre, 500 kW'lık güneş dizilerinde hibrit sistemler, tek başına kullanılan APF çözümlerine kıyasla enerji verimini %6,8 artırmıştır.
Hibrit fotovoltaik-aktif güç filtresi sistemleri artık enerji dönüşümünü ele alan ve aynı zamanda elektriksel gürültüyü azaltan özel invertörler kullanmaktadır. 2021 yılında Wong ve arkadaşlarının yaptığı araştırmaya göre, en yeni tasarımlar güç filtreleme işlevini doğrudan ana PV inverter ünitesinin içine entegre eder. Bu durum ayrı bileşenlere kıyasla yaklaşık %37 oranında ihtiyaç duyulan parçayı azaltır. Bu sistemler, maksimum güneş gücü noktasını takip ederken istenmeyen harmonikleri de yok edebilen akıllı anahtarlama teknikleriyle çalışır. DC-bağlantı kapasitörleri ve günümüz elektroniklerinde sıklıkla karşılaştığımız IGBT modülleri gibi temel bileşenleri paylaşır. Gerçek dünya testleri, bu tür yapılandırmaların toplam harmonik bozulmayı %3'ün altında tuttuğunu göstermektedir ve bununla birlikte güneş ışığını yaklaşık %98,2 verimle elektriğe dönüştürmeyi başarmaları oldukça etkileyicidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarını daha iyi kullanırken aynı zamanda elektrik şebekelerini temizlememize yardımcı olan bir şey için oldukça etkileyici.
500 kW hibrit sistemlerin donanım içi döngü (HIL) simülasyonları, geleneksel pasif filtrelerle karşılaştırıldığında harmonik tepki sürelerini %89 daha hızlı yaptığını göstermektedir. 2024 yılında yapılan bir yenilenebilir enerji çalışması, PV-APF'lerdeki uyarlanabilir denetleyicilerin kısmi gölgeleme koşullarında gerilim dalgalanmalarını %62 azalttığını ortaya koymuştur. Alan uygulamaları, doğrusal olmayan yüklerin %30 olduğu durumlarda bile 1.200 saatten fazla çalışma süresince toplam harmonik bozulmanın (THD) %5'in altında kalıcı olarak bastırıldığını göstermiştir.
Ticari bir güneş çiftliği, PV-APF entegrasyonu ile harmonik kaynaklı transformatör aşırı ısınmasını ortadan kaldırmıştır. Hibrit sistem, paralel yapıda sekiz adet 60 kVA'lık çift fonksiyonlu invertör kullanılmış ve şu sonuçlara ulaşılmıştır:
Kurulum sonrası izleme, değişken bulutluluk oranının %25 olduğu senaryolarda IEEE 519-2022 standartlarına uyumun doğrulanmasını sağladı.
Aktif güç filtreleri, IEEE 519-2022 standartlarında belirlenen kritik %5 eşiğinin altında toplam harmonik bozulmayı (THD) tutarak şebeke gerilimi düzenlemeleri dahilinde kalmasına yardımcı olur. 2023 yılına ait on iki büyük ölçekli fotovoltaik tesise dair yapılan son çalışmalara göre, bu filtreler tipik olarak güç faktörünü 0,15 ile 0,25 arasında artırırken, gerilim dengesizlik sorunlarını yaklaşık üçte ikarı oranında azaltır. Özellikle değer kazanan yönleri, güneş panellerinin üzerine bulutlar geçtiğinde meydana gelen ani gerilim düşmelerini ele alabilme yetenekleridir ve bu durum şebeke kararlılığını ciddi şekilde etkileyebilir. Modern şebeke şartları genellikle gerilim seviyelerinde %10'dan fazla değişime izin vermez ve aktif filtreler farklı çalışma koşullarında bu gerekliliği sürekli karşılar.
Güneş ışınımındaki değişiklikler, standart invertörlerin etkili bir şekilde işlemesini beceremediği 1 ile 2 kHz frekans aralığında istenmeyen interharmonikler üretir. Bu sorunla mücadele etmek için aktif filtreler, 50 mikrosaniyenin altında tepki süreleriyle gerçek zamanlı darbe genişlik modülasyonu anahtarlama kullanır ve bu harmonik bozulmaları başarıyla ortadan kaldırır. Sahada yapılan testler, özellikle 150 ile 250 Hz arası interharmoniklerde yaklaşık %85 ila %90 oranında azalmaların gözlemlendiğini göstermiştir. Bu iyileştirmeler, transformatörlerin aşırı ısınmasını engellemesi açısından kritik öneme sahiptir ve aynı zamanda bir megavattan fazla kapasiteye sahip fotovoltaik tesislerde hat kayıplarını yaklaşık olarak %12 ila %18 oranında düşürür. Bu filtreler enerji depolama çözümleriyle birlikte çalıştığında ek bir fayda sağlar; güneş enerjisi üretiminde ani değişimler sırasında gerilim oynaklığı problemlerini önemli ölçüde azaltarak sektörel ölçüm sonuçlarına göre %60 ila %75 arasında bastırma oranları elde edilir.
Aktif güç filtreleri, pasif alternatiflere kıyasla başlangıçta yaklaşık %30 ila %40 daha fazla maliyet yapsa da, çok daha iyi uzun vadeli tasarruflarla bu farkı kapatırlar. Bu sistemler genellikle %92 ila %97 verimle çalışır ve bu da beş yıl boyunca her kilovat başına yılda yaklaşık 18-22 dolarlık bakım giderlerini azaltır. Onları daha da çekici kılan şey, modüler yapılarıdır. Tesisler bu filtreleri kademeli olarak kurabilir ve tek bir filtrenin bakımı sırasında bile içindeki yedeklilik sayesinde %0,5'ten düşük harmonik bozulma ile işlemeye devam edebilir. Ancak dikkat edilmesi gereken bir nokta var - bu sistemlerin doğru şekilde devreye alınması, kurulum maliyetlerine kilovat başına ek 4,50 ila 6,80 dolar ek yatırım gerektirir. 50 megavattan küçük işletmeler için bu durum, uzun vadeli faydaların başlangıçtaki maliyeti karşılayıp karşılamadığına karar vermeden önce ciddi ölçüde maliyet analizi yapmak anlamına gelir.
Fotovoltaik enerji santrallerinde harmoniklerin birincil kaynakları, harmonik akımların üçte ikisine katkıda bulunan gerilim kaynaklı invertörler ve birden fazla invertör veya doymuş transformatörler arasındaki etkileşimlerdir.
Harmonik bozulmalar sistem verimliliğini %3 ila %7 oranında düşürebilir, koruma rölelerinin hatalı çalışmasına ve kapasitör arızalarına neden olabilir ve invertör izolasyonunun bozulmasını %15 ila %20 artırabilir.
Toplam harmonik bozulma (THD) gerilimi %5'in altında kalmalıdır ve akım harmonikleri 75 kW'tan büyük tesisler için IEC 61000-3-6 dahil olmak üzere çeşitli standartlara göre %8'i aşmamalıdır.
Aktif güç filtreleri, harmonik akımları gerçek zamanlı olarak tespit etmek ve nötralize etmek için akım sensörlerini ve DSP teknolojisini kullanır ve böylece sistemdeki toplam harmonik bozulmayı önemli ölçüde azaltır.
Aktif güç filtreleri şebeke kodu uyumunu ve güç kalitesini iyileştirirken, pasif alternatiflere kıyasla başlangıç maliyetleri daha yüksektir. Ancak daha yüksek verimlilik ve azaltılmış bakım sayesinde uzun vadede daha iyi tasarruf sağlarlar.
EN
Son Haberler