ฮาร์โมนิกของอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และ THD: คู่มือการปฏิบัติตามข้อกำหนดรหัสกริด

ความเพี้ยนของฮาร์มอนิกจากอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ที่ผูกกับกริดได้เปลี่ยนจากข้อกังวลทางทฤษฎีไปสู่ความท้าทายในการทดสอบการใช้งานจริง เนื่องจากอัตราการเจาะทะลุเครือข่ายการกระจายสินค้าเพิ่มขึ้น ยูทิลิตี้และรหัสกริดกำหนดให้ซัพพลายเออร์อินเวอร์เตอร์และผู้พัฒนาโครงการต้องแสดงให้เห็นถึงการปฏิบัติตามฮาร์โมนิคก่อนและหลังการเชื่อมต่อกริดเพิ่มมากขึ้น และการไม่ปฏิบัติตามข้อกำหนดสามารถกระตุ้นให้เกิดการลดทอน อัตราภาษี หรือการปฏิเสธข้อตกลงการเชื่อมต่อกริด

คู่มือนี้จะอธิบายกลไกการสร้างฮาร์มอนิกในอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ มาตรฐานที่บังคับใช้ ค่าขีดจำกัด วิธีการวัด และวิธีการบรรเทาในทางปฏิบัติสำหรับสถานการณ์ที่ไม่ปฏิบัติตามข้อกำหนดที่พบบ่อยที่สุด

อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์สร้างฮาร์โมนิกส์อย่างไร

เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบผูกตารางกำลังเปลี่ยนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) หรือ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ภายในสวิตช์อินเวอร์เตอร์ที่ความถี่ 10–30 kHz โดยมอดูเลตแรงดันไฟฟ้าบัส DC ให้เป็นเอาต์พุต AC กึ่งไซนูซอยด์โดยใช้การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) กระบวนการสับเปลี่ยนนี้จะสร้าง:

• ฮาร์โมนิคกระแสลำดับต่ำ (2-25): เกิดขึ้นจากความไม่สมบูรณ์ในอัลกอริธึมการปรับ PWM การชดเชยเวลาตาย และการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าบัส DC โดยทั่วไปแล้วฮาร์โมนิกที่ 5 และ 7 จะเป็นส่วนประกอบที่มีลำดับต่ำที่โดดเด่นในอินเวอร์เตอร์สามเฟส
• การสลับฮาร์โมนิคความถี่: กระแสฮาร์โมนิคที่และรอบๆ ความถี่สวิตชิ่งและแถบด้านข้าง สิ่งเหล่านี้จะถูกกรองโดยตัวกรอง LCL เอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์ก่อนจุดเชื่อมต่อโครงข่าย
• อินเตอร์ฮาร์โมนิค: การคูณความถี่พื้นฐานที่ไม่ใช่จำนวนเต็ม สร้างขึ้นโดยอัลกอริธึมการก่อกวนและการสังเกต MPPT และการสั่นของจุดปฏิบัติการที่เกิดจากการแรเงาบางส่วน

ความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (THD) ถูกกำหนดเป็น:

THD_I (%) = √(I₂² + I₃² + I₄² + ... + Iₙ²) / I₁ × 100

Where:
  I₁ = fundamental frequency (50 or 60 Hz) current component (RMS)
  Iₙ = nth harmonic current component (RMS)

อินเวอร์เตอร์สตริงโทโพโลยี H6 สมัยใหม่พร้อมอุปกรณ์สวิตช์ SiC (ที่ใช้ใน Sungrow SG250HX และ Huawei SUN2000-185KTL) มี THD_I ที่ <3% ที่กำลังไฟพิกัด ซึ่งอยู่ภายในขีดจำกัดโค้ดกริดส่วนใหญ่

มาตรฐานที่ใช้บังคับ: IEEE 519 กับ IEC 61000-3-12

สองมาตรฐานมีอิทธิพลต่อข้อกำหนดขีดจำกัดฮาร์มอนิกสำหรับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ในการใช้งานเชิงพาณิชย์และสาธารณูปโภค:

• IEEE 519-2014 (สหรัฐอเมริกา แคนาดา และตลาดต่างประเทศหลายแห่ง): กำหนดขีดจำกัดฮาร์มอนิกปัจจุบันที่จุดเชื่อมต่อร่วม (PCC) ระหว่างยูทิลิตี้กับลูกค้า ขีดจำกัดจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของกระแสความต้องการสูงสุด (I_L) และขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของกระแสลัดวงจร (I_SC) ต่อกระแสโหลดที่ PCC ความแข็งของกริดที่สูงขึ้น (I_SC/I_L ที่สูงขึ้น) ช่วยให้การฉีดฮาร์มอนิกสูงขึ้น
• IEC 61000-3-12 (สหภาพยุโรป ออสเตรเลีย และตลาดที่สอดคล้องกับ IEC): ใช้กับอุปกรณ์ที่มีกระแสอินพุต ≥16 A ต่อเฟส ระบุขีดจำกัดสำหรับกระแสฮาร์มอนิกแต่ละตัว (RSCE = อัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าลัดวงจรต่อกำลังที่ตกลงกัน) และกระแสฮาร์มอนิกทั้งหมด (THC) IEC 61000-3-12 กำหนดให้ต้องประสานงานกับผู้ให้บริการเครือข่ายเพื่อกำหนด RSCE ที่จุดเชื่อมต่อ

ขีดจำกัดกระแสฮาร์มอนิก: IEEE 519 กับ IEC 61000-3-12

การวัด THD ในทางปฏิบัติเมื่อเริ่มเดินเครื่อง

ความสอดคล้องฮาร์มอนิกที่ขั้วต่อเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ ≠ ความสอดคล้องฮาร์มอนิกที่ PCC ฮาร์โมนิคพื้นหลังกริด อิมพีแดนซ์ของสายเคเบิล และกระแสแม่เหล็กของหม้อแปลง ล้วนเพิ่มให้กับสเปกตรัมฮาร์มอนิกที่ PCC ขั้นตอนการวัดผลการทดสอบการใช้งานที่ดีที่สุด:

1. การวัดพื้นฐาน: ก่อนที่จะจ่ายไฟให้กับอาร์เรย์ PV ให้วัดกระแสฮาร์มอนิกและความบิดเบี้ยวของแรงดันไฟฟ้าที่ PCC โดยที่อินเวอร์เตอร์ถูกตัดการเชื่อมต่อ ข้อมูลนี้จะบันทึกความผิดเพี้ยนของพื้นหลังจากกริดยูทิลิตี้
2. การวัดการปฏิบัติงาน: วัด THD_I และกระแสฮาร์มอนิกแต่ละตัวที่ PCC ที่กำลังเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์พิกัด ≥80% IEC 61000-4-7 ระบุกรอบเวลาการตรวจวัด 10 นาทีพร้อมเครื่องวิเคราะห์คุณภาพกำลังไฟฟ้าคลาส A
3. การฉีดฮาร์มอนิกสุทธิ: มาตรฐานบางมาตรฐาน (IEEE 519 ภาคผนวก B) อนุญาตให้นักพัฒนาลบฮาร์โมนิคพื้นหลังที่มีอยู่แล้วก่อนที่จะเชื่อมต่อระบบ PV นี่อาจเป็นสิ่งสำคัญสำหรับโครงการบนกริดที่อ่อนแอ
4. เครื่องดนตรี: ใช้เครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้าคลาส A (Fluke 435-II, Hioki PW3390 หรือเทียบเท่าตามมาตรฐาน IEC 61000-4-30) แคลมป์มิเตอร์พื้นฐานไม่เหมาะสำหรับการวัดการปฏิบัติตามฮาร์มอนิก

การออกแบบตัวกรอง LCL และผลกระทบต่อฮาร์โมนิกส์

ตัวกรอง LCL (ตัวเหนี่ยวนำ–ตัวเก็บประจุ–ตัวเหนี่ยวนำ) ที่เอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์จะลดทอนฮาร์โมนิกความถี่สวิตชิ่งก่อนที่จะถึงกริด พารามิเตอร์การออกแบบตัวกรองจะกำหนดการปฏิบัติตามฮาร์มอนิกโดยตรง:

• ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง (L1 + L2): ตัวเหนี่ยวนำที่สูงขึ้นจะให้การลดทอนความถี่สูงมากขึ้น แต่จะเพิ่มการใช้พลังงานปฏิกิริยาและขนาด/ต้นทุน อินเวอร์เตอร์สตริง 250 kW สมัยใหม่ใช้ L1 = 50–100 μH, L2 = 20–50 μH
• ตัวเก็บประจุกรอง (C_f): ตัวเก็บประจุแบบแบ่งให้การลดทอนเสียงสะท้อน ความถี่เรโซแนนซ์ LCL ต้องอยู่ระหว่างความถี่กริด 10× และความถี่สวิตชิ่ง 0.5× โดยทั่วไปคือ 1.5–5 kHz สำหรับอินเวอร์เตอร์สวิตชิ่ง 10–20 kHz
• การหน่วงแบบแอคทีฟ: อินเวอร์เตอร์สมัยใหม่จำนวนมากใช้การหน่วงแบบแอกทีฟที่ใช้ซอฟต์แวร์เพื่อลดการสั่นพ้องของ LCL โดยไม่ต้องใช้ตัวต้านทานการหน่วงทางกายภาพ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพได้ 0.1–0.3%

กลยุทธ์การบรรเทาผลกระทบเมื่อเกินขีดจำกัดฮาร์มอนิก

หากการวัดฮาร์มอนิกภายหลังการทดลองใช้งานพบว่าไม่เป็นไปตามข้อกำหนด มีตัวเลือกการบรรเทาผลกระทบต่อไปนี้โดยเรียงตามต้นทุนและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น:

• อัพเดตเฟิร์มแวร์ / การปรับอัลกอริทึม PWM: ผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์บางราย (Sungrow, Huawei, SMA, SolarEdge) สามารถจัดหาการอัปเดตเฟิร์มแวร์ที่ปรับเปลี่ยนอัลกอริธึมการชดเชยฮาร์มอนิก PWM ได้ นี่คือขั้นตอนแรกที่มีราคาต่ำที่สุด — ค่าใช้จ่าย: 0 ดอลลาร์ หากอยู่ภายใต้การรับประกัน
• ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ (PHF): ฟิลเตอร์ LC ที่ปรับจูนแล้ว (จูนเดี่ยวหรือจูนสองครั้ง) ที่เชื่อมต่อที่บัส MV สามารถดูดซับฮาร์โมนิคเด่นเฉพาะ (ที่ 5, 7) ราคา: 15,000-40,000 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ MVA ของความจุตัวกรอง PHF จะมีผลเฉพาะกับฮาร์โมนิคที่ปรับจูนไว้เท่านั้น ฮาร์โมนิคกริดพื้นหลังสามารถยกเลิกการปรับแต่งได้
• ตัวกรองพลังงานแบบแอคทีฟ (APF): ตัวกรองกำลังแบบแอกทีฟใช้อินเวอร์เตอร์ของตัวเองเพื่อฉีดกระแสฮาร์มอนิกป้องกันเฟส โดยจะยกเลิกฮาร์โมนิคที่วัดที่ PCC APF จัดการคำสั่งฮาร์มอนิกทั้งหมดพร้อมกัน และมีภูมิคุ้มกันต่อการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของกริด ราคา: 40,000–120,000 ดอลลาร์ต่อ MVA แนะนำสำหรับโปรเจ็กต์บนกริดที่อ่อนแอและมีการบิดเบือนพื้นหลังสูง
• การเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์ด้วยรุ่นความถี่สวิตชิ่งที่สูงกว่า: หากอินเวอร์เตอร์ที่ติดตั้งใช้เทคโนโลยี Si IGBT ที่การสลับ 10 kHz การอัพเกรดเป็นรุ่น SiC MOSFET (การสลับ 20+ kHz) สามารถลดปริมาณฮาร์มอนิกลำดับต่ำได้ 30–50% ประเมินเทียบกับต้นทุน APF — APF มักจะประหยัดกว่าสำหรับการติดตั้งเพิ่มเติม

สรุป: ตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดของฮาร์มอนิกตั้งแต่เนิ่นๆ ไม่ใช่ในการทดสอบเดินเครื่อง

การปฏิบัติตามฮาร์มอนิกนั้นง่ายและถูกที่สุดในขั้นตอนการเลือกอินเวอร์เตอร์และการศึกษาการเชื่อมต่อโครงข่าย ไม่ใช่หลังจากการทดสอบการใช้งาน เมื่อผู้ปฏิบัติงานโครงข่ายปฏิเสธการทดสอบการยอมรับ เมื่อเลือกอินเวอร์เตอร์สำหรับโครงการเชิงพาณิชย์หรือสาธารณูปโภค ให้ขอข้อมูลฮาร์มอนิกการทดสอบประเภทของผู้ผลิต (รายงานการทดสอบก่อนการปฏิบัติตามข้อกำหนด IEC 62109-1 หรือ IEEE 519) และตรวจสอบกับขีดจำกัดรหัสกริดที่เกี่ยวข้องที่ความสามารถในการลัดวงจร PCC เฉพาะของคุณ

สำหรับโครงการในตลาดที่มีขีดจำกัดฮาร์มอนิกที่เข้มงวดหรือโครงสร้างพื้นฐานกริดที่อ่อนแอ ให้คำนึงถึงต้นทุนของตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟในงบประมาณ BOS ของคุณตั้งแต่เริ่มแรก ติดต่อEcono Solar สำหรับการสนับสนุนการจัดซื้ออินเวอร์เตอร์และการเข้าถึงเอกสารการทดสอบการปฏิบัติตามฮาร์มอนิกจาก Sungrow, Huawei, SMA และ SolarEdge