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