Aktif güç filtresi fotovoltaik enerji santrallerinde harmonikleri nasıl bastırır?

PV Sistemlerinde Harmonik Kaynakları

Güneş enerjisi sistemleri, invertörlerde ve DC-DC dönüştürücülerde bulunan doğrusal olmayan güç elektroniği nedeniyle genellikle harmonikler üretme eğilimindedir. Bu bileşenler, enerjiyi bir formdan başka bir forma dönüştürürken elektrik akımlarının şeklini bozar. Ayrıca sistemdeki dengesiz üç fazlı yükler ve manyetik doyum sınırlarına yakın çalışan transformatörler de bu soruna katkıda bulunur. 2024'ün başından itibaren yeşil enerji tesislerinde bu istenmeyen frekansların kaynağını inceleyen son araştırmalara bakıldığında, çoğu çalışma, günümüzdeki modern fotovoltaik tesislerde görülen tüm harmonik problemlerin yaklaşık %72'sinden sorumlu olarak güç elektroniği arayüzlerini işaret etmektedir.

İnvertör Anahtarlamanın Harmonik Akımları Nasıl Oluşturduğu

İnvertörler, darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanarak anahtarlandığında genellikle bu sinir bozucu harmonik akımları oluşturur. Çoğu invertör, anahtarlama işlemlerinde yaklaşık 2 ile 20 kilohertz aralığında çalışır. Burada olan aslında oldukça basittir: temel anahtarlama frekansımızın katları etrafında oluşan yüksek frekanslı akım dalgalanmalarının yanı sıra tipik harmonik kümeleri de oluşur. Birinin 4 kHz'lik bir invertörü standart 50 Hz'lik şebeke ile birlikte çalıştırması durumunda neler olduğuna bakın. Aniden 4 kHz'nin üzerine veya altına eklenen 50 Hz'nin katlarında baskın harmonikler ortaya çıkar. Kimse bu karmaşayı engellemek için uygun filtreler kurmazsa, istenmeyen akımlar ana elektrik sistemine doğru akmaya devam eder. Sonuç? Genel olarak daha düşük gerilim kalitesi ve aynı şebekeye bağlı diğer tüm cihazlarda gereksiz aşınma ve yıpranma.

Yüksek PV Nüfuzunun Şebeke Harmonik Seviyelerine Etkisi

Dağıtım şebekelerinde PV nüfuzu %30'u aştıkça, kümülatif harmonik bozulma şu nedenlerle artar:

• Faz etkileşimi : Senkronize inverter anahtarlama işlemleri belirli harmonik frekansları yükseltir
• Şebeke empedansı : Harmonik frekanslarda daha yüksek empedans gerilim bozulmasını artırır
• Rezonans riskleri : İnverter kapasitansı ile şebeke endüktansı arasındaki etkileşim rezonans tepeleri oluşturabilir

Saha araştırmaları, hızlı ışınım değişimleri sırasında %30'un üzerinde anlık THD sıçramaları kaydetmiştir—IEEE 519-2022'nin %5'lik gerilim THD sınırının çok üzerindedir. Bu koşullar transformatör kayıplarını %15–20 artırır ve iletken sıcaklıklarını 8–12°C artırarak izolasyonun bozulmasını hızlandırır ve ekipman ömrünü kısaltır.

Aktif Güç Filtrelerinin Gerçek Zamanlı Olarak Harmonikleri Nasıl Azalttığı

Dinamik PV Ortamlarında Pasif Filtrelerin Sınırlamaları

Pasif harmonik filtreler, sabit ayar karakteristikleri nedeniyle modern fotovoltaik sistemlere uygun değildir. Değişken ışınım veya yük dinamikleri nedeniyle oluşan değişen harmonik spektrumlara adapte edilemezler. Temel dezavantajlar şunlardır:

• Bulut kaynaklı harmonik değişimlere tepki verememe
• Görsel invertörlerle rezonans riski, PV tesisatlarının %63'ünde gözlemlenmiştir
• aktif çözümlere göre yıllık bakım maliyetlerinde %74 daha yüksek (EPRI 2022)

Bu sınırlamalar, harmonik profillerin gün içinde değiştiği ortamlarda güvenilirliği ve verimliliği düşürür.

Aktif Güç Filtresi Çalışma Prensibi: Gerçek Zamanlı Harmonik Akım Enjeksiyonu

Aktif güç filtreleri (APF), harmonikleri 2 milisaniye içinde tespit edip nötralize etmek için IGBT tabanlı invertörler ve dijital sinyal işlemcileri (DSP) kullanır. Şurada belirtildiği gibi: IEEE 519-2022 teknik yönergeleri , süreç şu adımları içerir:

1. Harmonik içeriği yakalamak için şebeke akımının 20–100 kHz'de örneklenmesi
2. Gerçek zamanlı olarak karşıt faz harmonik akımlarının hesaplanması
3. Yüksek frekanslı anahtarlama ile (10–20 kHz) telafi akımlarının enjekte edilmesi

Bu dinamik tepki, aktif güç filtrelerinin yüksek PV penetrasyonu (>%%80) ve hızlı değişen üretim profilleri altında bile toplam harmonik bozulmayı (THD) %%5'in altında tutmasını sağlar.

Ortak Bağlantı Noktasına (PCC) Aktif Güç Filtresinin Optimal Yerleştirilmesi

Aktif Güç Filtrelerini Ortak Bağlantı Noktasına (PCC) yerleştirmek, invertör kaynaklı bozulmaların yanı sıra şebeke tarafındaki bozulmaları da ele alarak harmonik azaltma etkinliğini maksimize eder. Bu stratejik yerleşim şu sonuçları doğurur:

• yük tarafı konfigürasyonlarına göre %%8–12 daha fazla THD azalması
• Aynı anda gerilim çırpıntısının ve faz dengesizliğinin düzeltilmesi
• merkezi telafiyi sağlayan %%32 daha düşük gerekli filtre kapasitesi

Arayüz noktasında harmoniklerin azaltılmasıyla PCC'ye yerleştirilen APF'ler, alt sistem ekipmanlarını korur ve tüm sistem genelinde uyumun sağlanmasını garanti eder.

PV Sistemlerinde Şebekeye Paralel Aktif Güç Filtreleri için İleri Seviye Kontrol Stratejileri

SAPF Kontrolünde Anlık Reaktif Güç (p-q) Teorisi

PQ teorisi, Şönt Aktif Güç Filtrelerinin (SAPF'ler), elektriksel yüklerdeki can sıkıcı harmonik ve reaktif bileşenleri tespit etme konusundaki işlevinin temelini oluşturur. Burada gerçekleşen oldukça ilginçtir: üç fazlı akımlar, şebeke tarafında olanlarla hizalanmış p (aktif güç) ve q (reaktif güç) adı verilen dik bileşenlere dönüştürülür. Bu yaklaşım, karışım içinden harmonik bileşenleri ayıklamada onda dokuzu başarıyla yakalar. Bir kez bu referans sinyalleri belirlendikten sonra, SAPF'nin invertörüne özellikle güneş paneliyle çalışan şebekelerde geçen yıl Nature Energy'de yayımlanan bir araştırmaya göre sıkça ortaya çıkan inatçı beşinci ve yedinci derece harmoniklerin ne şekilde dengelenmesi gerektiğini gösterir.

DC-Bağlı Gerilim Regülasyonu ile Kararlılığın Artırılması

SAPF'lerden tutarlı performans alabilmek açısından, DC bağlantısı voltajının stabil kalması çok önemlidir. Sistemin dengede kalmasını sağlamak için genellikle orantılı-integral kontrolcü adı verilen bir cihaz kullanılır. Bu cihaz, ekipman ile elektrik şebekesi arasındaki gerçek güç akışını ayarlayarak DC kondansatör voltajını yönetir. Testler, regülasyon olmayan sistemlere kıyasla bu yaklaşımın voltaj dalgalanmalarını yaklaşık %60 oranında azalttığını göstermektedir. Peki bu pratikte ne anlama gelir? Kısmi gölgelenme ya da ani güneş yoğunluğu değişimleri gibi sorunlar yaşandığında bile uygun harmonik kompanzasyonun korunmasına yardımcı olur. Büyük ölçekli güneş çiftliklerinde bu tür problemler sürekli ortaya çıktığından, düzgün çalışmayı sağlamak için iyi bir voltaj kontrolü kesinlikle hayati öneme sahiptir.

Yeni Gelişmeler: Paralel Aktif Güç Filtrelerinde Uyarlamalı ve Yapay Zeka Temelli Kontrol

En yeni SAPF modelleri, yapay sinir ağlarını, güneş paneli çıkışları ve şebeke bilgilerine dayanarak harmonik davranışları tahmin etmek üzere model tahmine dayalı kontrol teknikleriyle birleştiriyor. Bu akıllı sistemleri öne çıkaran şey, geleneksel yöntemlere göre %30 daha hızlı tepki verme yeteneğine sahip olmaları ve performans ayarını iyileştirmek için anahtarlama frekanslarını otomatik olarak 10 ila 20 kHz arasında değiştiriyor olmalarıdır. Gerçek dünya testleri, IEEE tarafından yayımlanan son kontrol sistemi araştırmasına göre, SAPF işletiminde yapay zekanın devreye girmesiyle toplam harmonik bozulmanın farklı tüm işletme senaryolarında sürekli %3'ün altında kaldığını göstermiştir ve bu durum aslında IEEE 519-2022'nin belirlediği katı standartları dahi geride bırakmaktadır.

APF Performansını İyileştirmek için Tamamlayıcı Harmonik Azaltma Teknikleri

Ön Filtreleme Çözümleri: Çoklu Darbe İnvertörler ve LCL Filtreler

Çoklu darbe invertörler, faz kaydırmalı transformatör sargılarının kullanımıyla kaynaktaki harmonik üretimini doğrudan azaltır. Geleneksel 6 darbeli dizaynlara kıyasla, özellikle 5. ve yaklaşık 7. harmonikleri %40 ila %60 oranında azaltabilirler. Günümüzde bu sisteme bir LCL filtre ekleyin ve sonrasında ne olduğunu görün. Bu filtreler yaklaşık 2 kHz'in üzerindeki yüksek frekanslı anahtarlama gürültüsünü bastırmada büyük etki gösterir. Birlikte çalıştıklarında, sistemde kendilerinden sonra gelen aktif güç filtrelerinin (APF) yükünü önemli ölçüde hafifletirler. Güneş enerjisi kurulumlarıyla çalışanlar için bu katmanlı filtreleme stratejisi, zorlu IEEE 519 2022 standartlarına uymayı çok daha kolay hale getirir. IntechOpen'ın bazı çalışmaları, uyum oranlarında kabaca %15'ten başlayıp %30'a kadar çıkabilen iyileşmeler olduğunu desteklemektedir.

Hibrit Yaklaşımlar: Zikzak Transformatörlerin Aktif Güç Filtreleriyle Birleştirilmesi

Zik-zak transformatör, üçlü harmonikler olarak bilinen sıfır bileşenli harmoniklerle (3., 9., 15. derece gibi) başa çıkmada oldukça iyi bir iş çıkarır. Bu küçük problem yaratıcılar, üç fazlı fotovoltaik sistemlerde aşırı yüklenmiş nötr iletkenlerin sorununa neden olur. Bu transformatörleri aktif güç filtreleriyle birleştirirseniz, çeşitli şebeke bağlantı testlerine göre 1 kHz'in altındaki düşük frekanslı harmoniklerde yaklaşık doksanlı oranlarda bir azalma elde edersiniz. Bu kombinasyonu ilginç kılan şey, mühendislerin bazen APF'leri yarıya hatta daha da aşağıya indirmesine olanak tanımasıdır. Daha küçük APF'ler ise başlangıçtaki ekipman maliyetlerinde büyük tasarruf sağlarken, bakım giderlerinin de sürekli düşmesine neden olur.

Proaktif Harmonik Bastırma İçin Akıllı İnvertör Yazılım Entegrasyonu

Şebeke oluşturan invertörlerin en yeni nesli, harmonikleri bastırmak için tahmine dayalı algoritmalar kullanmaya başlamıştır ve modülasyon stratejilerini beş milisaniyeden daha kısa sürede ayarlayabilmektedir. Bu akıllı cihazlar IEC 61850 standartları aracılığıyla aktif güç filtreleriyle haberleşir ve sorunların aşağı akışta birikmesine izin vermek yerine, dalga formu sorunlarını ortaya çıktıkları yerde çözer. Sistemlerin bu şekilde birlikte çalışması durumunda ilginç bir durum ortaya çıkmaktadır. Ani güneş ışığı değişimlerinde bile toplam harmonik bozulma %3'ün altına düşer ki güneş enerjisi tesislerinin ne kadar hassas olabileceğini düşünürsek oldukça etkileyicidir. Ayrıca dikkat çekici bir başka fayda da aktif güç filtresinin eskisine göre %40 daha az sıklıkla kendini devreye alıp devreden çıkarmasıdır. Bu durum, ekipman ömrünün uzaması ve tüm güç sisteminin genel verimliliğinin artması anlamına gelir.

PV Tesislerinde Aktif Güç Filtrelerinin Performans ve Ekonomik Değerinin Değerlendirilmesi

Etkinliğin Ölçülmesi: IEEE 519-2022 Uyumu ve THD Azaltma Vaka Çalışmaları

Fotovoltaik tesisler, bağlantı noktalarında gerilim toplam harmonik bozulması için %5 sınırı koyan IEEE 519-2022 standartlarına uymak amacıyla aktif güç filtrelerine ihtiyaç duyar. Bu APF'ler gerçek işletme koşullarında tipik olarak ticari güneş enerjisi sistemlerinde THD seviyelerini yaklaşık %12'den %2-3'e kadar düşürür. Bu durum, ekipmanların aşırı ısınmasını engeller ve zamanla sistemlere zarar verebilecek kötü biçimli dalga bozulmalarını önler. 2023 yılında araştırmacıların yedi büyük ölçekli güneş çiftliğini incelediği çalışmalara bakıldığında ilginç bir şey dikkat çekmiştir: APF'lerin kurulumundan sonra şebeke kodlarına uyum oranı yaklaşık %58 civarından neredeyse kusursuz düzeye yakın olan %96'ya kadar çıkmıştır. Güç kalitesi sorunlarını düzenli olarak inceleyen uzmanlar başka bir faydadan da sıkça bahseder. Bu filtreler sistem tam kapasiteyle çalışmadığında bile oldukça iyi performans gösterir ve bazen %30 gibi düşük seviyelerde bile etkili olabilir; bu da üretim miktarının gün boyu doğal olarak değiştiği güneş enerjisi sistemleri için özellikle avantajlıdır.

Uzun Vadeli Alan Performansı: Almanya'daki Bir Güneş Kurulumunda Aktif Güç Filtresi

Almanya'da 34 megavatlık bir fotovoltaik tesis, neredeyse dört buçuk yılı aşkın bir süre boyunca aktif güç filtresi sisteminin etkileyici performansını gösterdi. Toplam harmonik bozulma, tesiste çıkışın %22 ile %98 kapasite arasında büyük oranda değiştiği durumlarda bile sürekli olarak %3,8'in altında kaldı. Bu başarının dikkat çekici yönü, akıllı kontrol sisteminin geleneksel pasif yöntemlere kıyasla kondansatör bankası değişimlerini yaklaşık üçte bir oranında azaltmış olmasıdır. Çalışma süresi istatistiklerine bakıldığında, APF, inanılmaz %98,6'lık bir çalışma oranıyla performans sergiledi ve bu, benzer hava koşullarında çoğu pasif filtrenin elde ettiği sonuçları (genellikle %91 ila %94 arası) geride bıraktı. Bakım ekipleri ayrıca, eski reaktörlü filtreleme yöntemlerine kıyasla müdahale ihtiyacının yaklaşık %40 daha az olduğunu bildirdi ve bu da zaman içinde önemli maliyet tasarrufu sağladı.

Maliyet-Fayda Analizi: İlk Yatırım ile Şebeke Cezası Tasarruflarının Dengelenmesi

Aktif harmonik filtrelerin (APF) başlangıçta kesinlikle daha yüksek bir fiyatı vardır ve genellikle standart pasif filtrelerden yaklaşık yüzde 25 ila 35 daha fazladır. Ancak durumun püf noktası şu: harmonik sorunlardan kaynaklanan can sıkıcı şebeke cezalarından dolayı tesislere yılda on sekiz bin ile kırk beş bin dolar arasında tasarruf sağlarlar. Örneğin tipik bir 20 megavatlık tesisi ele alalım; bu tasarruf, ek maliyeti sadece dört yılın altında bir sürede karşılamaya yeter. Birçok şirket şu anda mevcut LCL filtreleriyle APF'leri birlikte kullanmaya başladı. Bu hibrit yaklaşım, tamamen pasif sistemlere göre kıyaslandığında, her watt tepe gücü başına yaklaşık on dokuz sent kadar azaltma maliyetini düşürür. Ayrıca düzenleyici kurumlar artık APF'leri yedi ila on iki yıl boyunca amortismana tabi gerçek sermaye varlıkları olarak görmeye başladı. Bu da onları, yazılması için tam on beş yıl süren geleneksel çözümlere kıyasla finansal açıdan çok daha cazip hale getirir. Uzun vadeli tasarruf hedefleyen çoğu işletme için matematik basitçe daha iyi çalışır.

SSS

Fotovoltaik sistemlerde harmoniklerin nedeni nedir?

Fotovoltaik sistemlerde harmonikler, invertörlerde ve DA-DA dönüştürücülerde bulunan doğrusal olmayan güç elektroniği nedeniyle oluşur. Ek kaynaklar arasında manyetik doyum sınırlarına yakın transformatörler ve dengesiz üç fazlı yükler yer alır.

İnvertörler harmonik akımları nasıl üretir?

Darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanan invertörler, anahtarlama sırasında yüksek frekanslı dalgalanmalar ve temel anahtarlama frekansının katları etrafında harmonik kümeler oluşturarak harmonik akımlar üretir.

Yüksek PV nüfuzunun şebeke harmonikleri üzerindeki etkisi nedir?

PV nüfuzu arttıkça, faz etkileşimleri, şebeke empedansı ve rezonans riskleri nedeniyle harmonik bozulma şiddetlenir ve bu da transformatör kayıplarında artışa ve iletken sıcaklıklarında yükselmeye neden olur.

Aktif güç filtreleri harmonikleri azaltmada nasıl yardımcı olur?

Aktif Güç Filtreleri (APF'ler), IGBT tabanlı invertörler ve DSP'ler kullanarak harmonikleri tespit eder ve bunları nötralize eder ve yüksek güneş enerjisi nüfuzu durumunda bile toplam harmonik bozulmayı %5'in altına düşürür.

Ortak Bağlantı Noktasına APF'lerin kurulmasının avantajı nedir?

PCC'ye APF'lerin kurulması, invertör kaynaklı bozulmaların yanı sıra şebeke bozukluklarını da gidererek daha büyük bir THD azalması ve aynı anda gerilim çırpıntısının düzeltilmesini sağlar.