Гармонічні спотворення однофазного pv-інвертора при різних рівнях навантаження

HARMONIC DISTORTION OF SINGLE-PHASE PV-INVERTER AT DIFFERENT LOAD LEVEL

Keywords: PV-inverter, photovoltaic plant, inverter efficiency, power quality, total harmonic distortion (THD).

 

Інверторам притаманні гармонійні спотворення вихідної потужності, що є однією з основних проблем при інтегруванні відновлюваної генерації в енергосистему. Присутність вищих гармонік може при-зводити до перегріву трансформаторів, двигунів, кабелів, що скорочує їх термін служби. Гармонійні спотворення також впливають на чутливі до них навантаження, вони можуть приводити до відключень, що обумовлені спрацюванням запобіжників і несправним обладнанням.Спотворення, що виникають в процесі вимірювання напруги, струму і потужності в точці підключення ФЕС, можуть ускладнити роботу мережі, релейного захисту, створити хибне уявлення про ефективність фотоелектричної станції.

Згідно з європейським стандартом EN 50160: 2014 на якість електроенергії в низьковольтних ме-режах та ідентичному йому стандарту України ДСТУ EN 50160: 2014 [1] коефіцієнт нелінійних спотво-рень THD, включаючи гармоніки до 40-ї, не повинен перевищувати 8%. Допустимий вміст окремих гармонік в напрузі згідно з цим стандартом наведено в таблиці 1. Відзначимо, що в даний час в Україні за-стосовується також попередній стандарт ГОСТ 13109-97 [2], який встановлює обмеження на THD в за-лежності від напруги мережі: 8% - для напруги 0.38 кВ, 5% - для 6-20 кВ, 4% - для 35 кВ і 2% - для мереж з напругою понад 110 кВ.

THD tab1 

Стандарт Міжнародної Електротехнічної Комісії (МЕК) IEC 61727, що встановлює норми на підключення ФЕС до мереж, регламентує THD по струму на рівні не вище 5%. МЕК встановила також групу стандартів IEC 61000 на «електромагнітну сумісність», яка складається з шести частин. У стандарті 61000-3-2 описані норми емісії гармонійних складових від обладнання з споживанням струму менше 16 А в одній фазі. Якщо розглядати інвертор невеликої потужності як джерело гармонік, то за класифікацією даного стандарту, його слід віднести до групи А. Для цього стандарту встановлюються граничні зна-чення струму гармонік, що зазначені в Таблиці 2.

THD tab2 

В даний час немає однозначно визначених методик вимірювання параметрів гармонійних спотво-рень і ефективності інвертора. Так, деякі стандарти регламентують коефіцієнт THD по струму, без регламентації спотворень по напрузі. Ще більш невизначена ситуація склалася у визначенні ефективності інверторів: найчастіше при оцінках ККД використовуються дані вимірювань повної вихідної потужності, в той час як, внаслідок суттєвого внеску вищих гармонік, слід враховувати лише потужність основної гармоніки. На користь такого підходу свідчить також те, що в досить великих ФЕС при паралельному підключенні інверторів, внаслідок випадкового характеру фаз неосновних гармонік, відбувається їх вза-ємна компенсація [4].

Дана робота присвячена розробці методики визначення THD автономних інверторів ФЕС у зв’язку з тим, що вимірювання при різних рівнях вихідної потужності автономного інвертора показали сильну залежність цих характеристик від величини навантаження.

У даній роботі був досліджений автономний інверторPowerStar IR1012 з номінальної потужністю 1000 Вт. Для забезпечення стабільного живлення інвертора постійним струмом був використаний гелевий акумулятор Santakups FCG11 з ємністю 200А˖ч, що був здатний підт-римувати стабільне значення вхідної напруги 12.4В протягом часу проведення експерименту. Постійний струм вимірювався по падінню напруги на каліброваному шунті з опором 750мкОм за допомогою муль-тиметруUNI-T UT139C з похибкою 0,7%+3о.р.

В якості навантаження було використано магазин опорів, що був розрахований на діапазон потужності від 40 Вт до 1100 Вт. Навантаження мало активно-індуктивний характер з невеликою, але контрольованою індуктивною складовою (cosφ=0.994).
На АС-стороні інвертора були використані дільники для реєстрації напруги і струму через наван-таження. Сигнали по двох каналах 50 кГц подавалися на мікросистему збору даних m-DAQ12 (компанії HolitDataSystems). Частота відліків дозволяла з високою точністю фіксувати відхилення від синусоїдаль-ного сигналу (аж до 100-ї гармоніки). Дані вимірювань записувалися в файли з метою подальшого аналі-зу амплітуд і фаз гармонік в середовищі LABView за допомогою створеного раніше віртуального приладу [5]. Величина потужності першої гармоніки визначалася шляхом гармонійного аналізу вихідної напруги,що було записано з АЦП в файл.
Результати вимірювань і розрахунку рівня гармонійних спотворень наведені на рисунках у вигляді залежності коефіцієнта THD (1) від потужності, що споживалася навантаженням. При навантаженні, що не перевищує 70% від номінального значення,THD знаходиться в межах, що визначаються стандартами ДСТУ EN 50160:2014 і IEC 61727. При більшій вихідній потужності(> 700 Вт) спотворення починають зростати і досягають 18% по струму і напрузі при номінальної потужності.

kkd 1

При цьому осцилограми вихідної напруги і потужності істотно відрізняються від синусоїдальних кривих:

osc inverter

 

Причому амплітуда 3-й гармоніки складає приблизно 17% від основної. Це значення перевищує індивідуальні межі гармоніки, що визначається в ДСТУ EN 50160. Крім того, помітними є внески 7-й і 9-й гармоніки.


harmonics inv

Визначено при різних рівнях активного навантаження значення коефіцієнта нелінійних спотворень по напрузі THDV (в разі лінійного активного навантаження його значення збігаються з коефіцієнтом спотворень по струмуTHDV). При навантаженні, що не перевищує 70% від номінального значення інвертора,THD відповідає нормам IEC 61727 (THD ≤ 5%), а при навантаженні 80% - нормам ДСТУ EN 50160:2014 та ГОСТ 13109-97 (THD ≤ 8%).Більш високі навантаження призводять до суттєвого зростанняTHD - до 18% при номінальній вихідній потужності інвертора. При цьому струм третьої гармоніки складає близько 17% від загального струму або ~ 0.77 А при навантаженні 1 кВт. Це значення виходить за рамки згаданих вище стандартів, однак є прийнятним за нормами IEC 61000-3-2 для емісії гармонік низьковольтного обладнання (див. Табл.2). Але також слід враховувати те, що струм неосновних гармонік може ще більше зрости при нелінійному або при активно-індуктивному навантаженні [5]. Відзначимо, що високий рівень 3-й гармоніки по струму (більше 27%), відповідно до роботи [8], характерний також для підключених до мережі інверторів SunnyBoy 3000TL.


1. Характеристики напруги електропостачання в електричних мережах загальної призначеності: ДСТУ EN 50160:2014 (EN 50160:2010, IDT). [Чинний з 1.10.2014]. - К.: ДержстандартУкраїни, 2014. – 27 с.
2. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97. – К.: Изд-во стандартов, 1998; Госстандарт Украины, с доп. и попр., 1999. – 31 с.
3. R.S. Faranda, H.Hafezi, S. Leva, M.Mussetta and E.Ogliari. The optimum PV plant for a given solar DC/AC converter //Energies 2015, 8, 4853-4870
4. M. Armstrong, D.J. Atkinson, C. M. Johnson and T. D. Abeyasekera. Low order harmonic cancellation in a grid connected multiple inverter system via current control parameter randomization // IEEE Transac-tions on Power Electronics, Vol. 20, No. 4, July 2005, p. 885-892.
5. О.Ю. Гаєвський, В.В. Магада, С.О. Ужейко. Методи гармонічного аналізу вихідної напруги інвертора в реальному часі // Енергетика: економіка, технології, екологія, – 2014. – № 3(37). – С. 72–77.
6. N.Femia, G.Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli. Power electronics and control techniques for maximum energy harvesting in photovoltaic systems // CRC Press: BocaRaton, Florida. - 2012, - 366 p.
7. M.S. de-Cardona, J. Carretero. Analysis of the current total harmonic distortion for different single-phase inverters for grid-connected PV-systems // Solar Energy Materials & Solar Cells 87 (2005) 529–540.
8. C. Nemes, F. Munteanu, D. Astanei. Analysis of grid-connected photovoltaic system integraton on low-voltage distribution network // Journal of Sustainable Energy. – 2016. - Vol. 7, No. 1, p.9-14.

Джерело: О. Гаєвський, Д. Делев, М. Чорномурко 

 

Ефективність (ККД) однофазного інвертора фотоелектричної станції та гармонічні спотворення при різних рівнях навантаження

 EFFICIENCY OF THE PHOTOVOLTAIC SINGLE-PHASE INVERTER AT DIFFERENT LOAD LEVEL

Keywords: PV-inverter, photovoltaic plant, inverter efficiency, power quality

Для сучасної енергетики характерне невпинне зростання частки розподіленої генерації від відновлюваних джерел енергії, в тому числі від фотоелектричних станцій (ФЕС). Значну частину вартості ФЕС складають перетворюючі пристрої - інвертори, які впливають на ефективність ФЕС і, як наслідок на величину виробленої енергії всієї станції. У зв'язку з цим актуальними є задачі моніторингу інверторів і дослідження їх ефективності (ККД) в мінливих умовах фотогенерації і при різному навантаженні.

ККД визначається відношенням вихідної потужності інвертора на стороні змінного струму до вхідної потуж-ності постійного струму. Особливістю інверторів ФЕС є залежність їх ККД від вхідної потужності, що надходить від фотомодулів, і відповідно рівня сонячної радіації.
У даній роботі був досліджений автономний інверторPowerStar IR1012 з номінальної потужністю 1000 Вт.  Для забезпечення стабільного живлення інвертора постійним струмом був використаний гелевий акумулятор Santakups FCG11 з ємністю 200А˖ч, що був здатний підт-римувати стабільне значення вхідної напруги 12.4В протягом часу проведення експерименту. Постійний струм вимірювався по падінню напруги на каліброваному шунті з опором 750мкОм за допомогою муль-тиметруUNI-T UT139C з похибкою 0,7%+3о.р.

В якості навантаження було використано магазин опорів, що був розрахований на діапазон потужності від 40 Вт до 1100 Вт. Навантаження мало активно-індуктивний характер з невеликою, але контрольованою індуктивною складовою (cosφ=0.994).
На АС-стороні інвертора були використані дільники для реєстрації напруги і струму через навантаження. Сигнали по двох каналах 50 кГц подавалися на мікросистему збору даних m-DAQ12 (компанії HolitDataSystems). Частота відліків дозволяла з високою точністю фіксувати відхилення від синусоїдаль-ного сигналу (аж до 100-ї гармоніки). Дані вимірювань записувалися в файли з метою подальшого аналі-зу амплітуд і фаз гармонік в середовищі LABView за допомогою створеного раніше віртуального приладу [5]. Проведене в [5] порівняння різних програмних систем обробки даних з використанням швидкого перетворення Фур'є (C ++ Builder, MATLAB і LABView) показало практично повний збіг результатів гармонійного аналізу. Програмна обробка сигналу дозволяла також обчислювати потужності на основній та на вищих гармоніках.

Для розгляду ККД були використані значення потужності першої гармоніки співвіднесені до потужності на стороні постійного струму інвертора. Відповідно до отриманих значень, залежність ККД від навантаження є нелінійною і змінюється в досить широкому діапазоні значень – від 51% (при навантаженні 5%) до 92% (при навантаженні 50%). Очевидно, що ККД по першій гармоніці (2) знижується з наростанням частки вищих гармонік в вихідній напрузі.
Inverter eff
Залежність ККД від вихідної потужності інвертора

При аналізі ефективності інверторів ФЕС доцільним є обчислення середньозваженого ККД, що враховує змінний рівень сонячної радіаціїї і відповідно потужність на вході інвертора. Найбільш відомі два підходи для врахування даного фактора – це рекомендації Каліфорнійської енергетичної комісії (СEC) іЄвросоюза[6].
Відповідно до цих двох підходів були отримані наступні ККД: = 88.1%, = 87.2%.

1. Характеристики напруги електропостачання в електричних мережах загальної призначеності: ДСТУ EN 50160:2014 (EN 50160:2010, IDT). [Чинний з 1.10.2014]. - К.: ДержстандартУкраїни, 2014. – 27 с.
2. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97. – К.: Изд-во стандартов, 1998; Госстандарт Украины, с доп. и попр., 1999. – 31 с.
3. R.S. Faranda, H.Hafezi, S. Leva, M.Mussetta and E.Ogliari. The optimum PV plant for a given solar DC/AC converter //Energies 2015, 8, 4853-4870
4. M. Armstrong, D.J. Atkinson, C. M. Johnson and T. D. Abeyasekera. Low order harmonic cancellation in a grid connected multiple inverter system via current control parameter randomization // IEEE Transac-tions on Power Electronics, Vol. 20, No. 4, July 2005, p. 885-892.
5. О.Ю. Гаєвський, В.В. Магада, С.О. Ужейко. Методи гармонічного аналізу вихідної напруги інвертора в реальному часі // Енергетика: економіка, технології, екологія, – 2014. – № 3(37). – С. 72–77.
6. N.Femia, G.Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli. Power electronics and control techniques for maximum energy harvesting in photovoltaic systems // CRC Press: BocaRaton, Florida. - 2012, - 366 p.
7. M.S. de-Cardona, J. Carretero. Analysis of the current total harmonic distortion for different single-phase inverters for grid-connected PV-systems // Solar Energy Materials & Solar Cells 87 (2005) 529–540.
8. C. Nemes, F. Munteanu, D. Astanei. Analysis of grid-connected photovoltaic system integraton on low-voltage distribution network // Journal of Sustainable Energy. – 2016. - Vol. 7, No. 1, p.9-14.

PV-інвертори

Ефективність (ККД) однофазного PV-інвертора

Гармонічні спотворення однофазного PV-інвертора при різних рівнях навантаження

Моделювання навантаження для тестування PV-інверторів

Стабилизация напряжения в сети инверторами ФЭС

Оптимізація LC-фільтра для ШІМ-інвертора автономної ФЕС

Моделирование нагрузки для тестирования PV-инверторов

PV-инверторы в составе фотоэлектрических систем (ФЭС) редко работают с максимальной эффективностью ввиду меняющихся условий солнечной радиации. Поэтому рядом международных комиссий [1, 2] рекомендуется при расчетах ФЭС руководствоваться не пиковым КПД, а усредненной (взвешенной) эффективностью инвертора, определяемой как взвешенное среднее от результатов измерения КПД при разных уровнях мощности. Помимо определения усредненного КПД, актуальны задачи измерения коэффициента мощности, эффективности трекинга точки максимальной мощности (MPPT) и других параметров при различной мощности инвертора [3]. Определение этих параметров возможно при наличии в составе измерительной установки симулятора DC и AC-нагрузки.

Актуальными являются задачи создания резисторной системы моделирования DC-нагрузки мощностью от 25 до 500 Вт для определения параметров преобразовательных устройств силовой электроники при различных уровнях мощности, а также определения взвешенного КПД инвертора, характеризующего эффективность работы инвертора в составе ФЭС при различных условиях солнечной радиации.

Созданная экспериментальная установка позволила симулировать нагрузку на стороне переменного напряжения инвертора путем изменения общего сопротивления в диапазоне (2000 – 100)Ом, что отвечает соответственно нагрузке (5 – 100)% от номинальной мощности инвертора 500 Вт [4]. На основании полученных данных были выделены характерные точки мощности, с помощью которых вычислена взвешенная эффективность инвертора согласно рекомендациям Еврокомиссии [1] и Калифорнийской энергетической комиссии [2].

Формула Еврокомиссии для эффективности инвертора ориентирована на применение для радиационных условий центральной Европы (наибольший вес имеет мощность на уровне 50% от номинальной), а формула Калифорнийской энергетической комиссии ориентирована на условия более солнечного юга США (наибольший вес для мощности 75%). Согласно этим методикам были получены следующие значения усредненного КПД учебного инвертора Leoton: для выходной мощности с учетом только первой гармоники = 68.8% , = 66.2%; для полной мощности (с учетом мощности искажения) = 83.4%, = 80.1%.
Выводы: Оценка эффективности PV-инвертора только по значению его пикового КПД не может однозначно характеризовать данный тип преобразователя, который эксплуатируется в условиях меняющейся радиации и нагрузки. Поэтому рекомендуется оценивать эффективность инвертора во всем рабочем диапазоне мощностей [4], руководствуясь усредненными показателями эффективности, аналогичными приведенным выше (формулы (1), (2)). Для корректного определения весовых коэффициентов при усреднении необходимы дополнительные исследования, учитывающие климатические условия в которых эксплуатируется ФЭС.

Литература.
1. C. Deline, S. MacAlpine. Use Conditions and Efficiency Measurements of DC Power Optimizers for Photovoltaic Systems // Preprint NREL/CP-5200-59214 October 2013, 7p.
2. Planning and Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers // Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS). - 2-nd Ed., London-Sterling, VA. - 2012. - 384 p.
3. International guidelines for the certification of photovoltaic system components and grid-connected systems, International energy agency – photovoltaic power systems programme // IEA PVPS T5-06: 2002. – 61 p.
4. Гаєвський О.Ю. , Делєв Д.С., Чорномурко М.О.Точне обчислення ефективності DC-AC перетворення інверторами з врахуванням нелінійних спотворень вихідної потужності // Міжнародна науково-технічна конференція молодих учених, аспірантів та студентів «Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики». – Київ. – 2016.

Источник: Д. Делев, М. Черномурко, А. Лепех, А. Гаевский