HYBRID ACTIVE POWER FILTER UNDER DISTORTED MAINS VOLTAGE CONDITIONS HYBRYDOWY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY W WARUNKACH ODKSZTAŁCONEGO NAPIĘCIA SIECI

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 2009 Zeszyt 2 (210) Rok LV Marian PASKO, Dawid BUŁA Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach HYBRID ACTIVE POWER FILTER UNDER DISTORTED MAINS VOLTAGE CONDITIONS Summary. The paper presents analysis of a hybrid active power filter under distorted mains voltage conditions. Comparison of this filter to the passive one is performed in the analysis. Influence of the supply voltage higher harmonics on operation of both filters is own. The results of experiments carried out in a laboratory are given as well. Keywords: higher harmonics, active power filters, hybrid active power filters HYBRYDOWY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY W WARUNKACH ODKSZTAŁCONEGO NAPIĘCIA SIECI Streszczenie. W pracy przedstawiono analizę pracy układu hybrydowego energetycznego filtru aktywnego w warunkach odkształconego napięcia sieci. Analizę przeprowadzono w porównaniu do układu filtru pasywnego. Przedstawiono wpływ wyższych harmonicznych napięcia zasilania na pracę obu układów. Dodatkowo pokazano odpowiednie wyniki laboratoryjne. Słowa kluczowe: wyższe harmoniczne, energetyczne filtry aktywne, hybrydowe energetyczne filtry aktywne 1. INTRODUCTION Passive harmonic filters remain still the most often applied method for reducing harmonic current distortion. Simplicity of their construction and low cost are their main advantages. Influence of line impedance on filtering results and resonance phenomenon between the main impedance of a power system or the load are weak points of those filters. A further disadvantage - insufficient filtration efficiency is caused by the limited quality factor of inductors. Using passive harmonics filters under distorted voltage sources may also produce undesired results, which can be minimized by proper passive filter planning [1, 3]. Better results in electrical energy quality improvement can be achieved by using Active Power Filters (APF) [1], but this method is much more expensive. Therefore hybrid filters

2 30 M. Pasko, D. Buła which combine advantages of both methods [1, 2, 4, 5] are more suitable solution. In the hybrid filters the required rating of the active filter is significantly smaller than the one of a conventional standalone active filter. Moreover disadvantages of the passive filter are strongly reduced. Analysis of hybrid filter under distorted voltage system compared to passive filter has been presented in the paper. Relevant experimental results have also been own. a) b) Fig. 1. System with hybrid power active filter (a). Diagram of hybrid filter control system (b) Rys. 1. Hybrydowy energetyczny filtr aktywny (a). Schemat układu sterowania (b) 2. DISCUSSED HYBRID ACTIVE POWER FILTER One of the most often applied topologies of hybrid power filters is unt active power filter connected in series to the passive filter (fig. 1a.) In this case control system is meant to control voltage inverter so that its output voltages would be proportional to high harmonics of source currents. In effect characteristic of filtration is improved and disadvantages of the passive filter are reduced [4, 5]. Diagram of control system has been presented in fig. 1b. For the realization of the control algorithm the TMS320F28335 floating-point digital signal controller has been used. In this case dq synchronous frame control strategy has been applied [1, 4]. The dq transformation and used external phase locked loop enable correct work of control system under distorted voltage system conditions. Passive filter consists of two branches for each phase. The branches are tuned to the most often occurring harmonic frequency in the three-phase systems i.e. 5th and 7th. 3. COMPARISON ANALYSIS OF PASSIVE AND HYBRID FILTER FILTRATION CHARACTERISTICS UNDER DISTORTED VOLTAGE SYSTEM CONDITIONS Precise analysis of attenuation factor, which is a relation between the supply harmonic current and the load harmonic current, was presented in previous works of the authors [2, 4].

3 Hybrid active power 31 Simplified linear single-phase equivalent circuits for high harmonics presented in fig. 2 have been used in this case. Both contain high harmonics voltage sources Eh. High harmonics of source current for system with passive filter is given by: I Z Eh s I s Lh (1) Z Z Z Z There is a new component proportional to harmonic source voltage Eh. It ould be noticed that it is strongly dependent on value of Z and Z impedances and in some cases it can lead to damages of passive filters [6]. High harmonics of source current for system with analyzed hybrid filter is given by: I Z Eh s ILh s Z Z KK s) Z Z KK ( s) (2) 1( 1 where: 2 s j 1 K 1 s KHP F( s j 1 ) (3) 2 2 s j 1 2 s j 1 0 Component proportional to harmonic source voltage Eh for hybrid filter depends also on K gain. It causes decrease of Eh voltage influence on source current. Fig. 2. Equivalent circuits for high harmonics for system with: a) passive filter, b) hybrid filter Rys. 2. Jednofazowy schemat zastępczy dla wyższych harmonicznych układu z: a) filtrem pasywnym, b) filtrem hybrydowym 4. EXPERIMENTAL RESULTS Experimental tests for the discussed filters have been run under following conditions: E 1,2,3 = 63 V, Pload = 1.3 kw, THDu = 3.2 %, Ls = 0.8 mh, C5 = 75 μf, L5 = 5.4 mh, Q5 = 8, C7 = 52 μf, L7 = 4 mh, Q7 = 22, K = 20, UDC = 60 V, fpwm = 25 khz. The results have been presented in figure 3. Figure 4a ows comparison of source current harmonic distortion for both cases and for passive filter under sinusoidal voltages. Values of source current for passive filter under sinusoidal voltages have been calculated using

4 32 M. Pasko, D. Buła equation 1. Harmonic distortion was here different from real case it was caused by high harmonic in source voltage (from other nonlinear loads in the system - Eh voltage in fig. 2). Hybrid filter allowed to considerably decrease current distortion and Eh voltage influence was unnoticeable. a) b) Fig. 3. Experimental results: a) passive filter, b) hybrid filter. 1 - v h voltage, 2 - i L current, 3 - i F current, 4 - i s current Rys. 3. Wyniki laboratoryjne: a) filtru pasywnego, b) filtru hybrydowego. 1 - napięcie v h, 2 - prąd i L, 3 - prąd i F, 4 - prąd i s 5. CONCLUSIONS The presented analysis and experimental results proved that harmonic source voltage influence for hybrid filter was unnoticeable. The comparison presented in fig. 4b ows that K gain equals to 15 is sufficient for proper high harmonic compensation. Reduction of disadvantages of the passive filter and lower cost then pure active power filter are reasons why hybrid active power filters are good solution in distorted voltage system conditions. a) b) Fig. 4. Comparison of source current harmonic distortion. PF passive filter, HF hybrid filter (a). Comparison of source current harmonic distortion for different K gain of hybrid filter (b) Rys. 4. Porównanie zawartości harmonicznych w prądzie źródła. PF filtr pasywny, HF filtr hybrydowy (a). Porównanie zawartości harmonicznych w prądzie źródła dla różnych wartości wzmocnienia K (b)

5 Hybrid active power 33 This work was supported from resources for science in the years under the project N N BIBLIOGRAPHY 1. Akagi H., Watanabe E. H., Aredes, M.: Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. IEEE Press Series Power Engineering, Buła D., Maciążek M., Pasko M.: Modeling of the frequency characteristics of hybrid active power filter with the reduced passive filter, XXXI IC-SPETO, Ustroń 2008, p Chu R. F., Wang J., Chiang H.: Strategic Planning of LC Compensators in Nonsinusoidal Distribution Systems. IEEE Transactions on Power Delivery 1994, Vol. 9 no. 3, p Pasko M., Buła D.: Hybrydowe energetyczne filtry aktywne. Przegląd Elektrotechniczny 2007, nr 7/8, s Rivas D., Moran L., Dixon J.W.: Espinoza J.R.: Improving passive filter compensation performance with active techniques. IEEE Transactions On Industrial Electronics 2003, Vol. 50 no. 1, p Power Quality Application Guide Wpłynęło do Redakcji dnia 25 czerwca 2009 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Kazimierz Mikołajuk Omówienie W pracy przedstawiono analizę porównawczą właściwości układu hybrydowego energetycznego filtru aktywnego oraz filtru pasywnego wyższych harmonicznych. Analizę przeprowadzono dla warunków odkształconego napięcia sieci. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu sieci może powodować nieprawidłową pracę pasywnych filtrów wyższych harmonicznych. Skutki działania stosowanych filtrów pasywnych mogą być odwrotne do zamierzonych, a w szczególnych przypadkach może dojść do uszkodzenia zastosowanych filtrów. W pracy przedstawione zostały modele jednofazowe, pozwalające ocenić wpływ wyższych harmonicznych w napięciu sieci na właściwości rozpatrywanych układów. Zaprezentowano także wyniki badań laboratoryjnych dla obu przypadków. Dla układu hybrydowego energetycznego filtru aktywnego pokazano dodatkowo wpływ wzmocnienia K na tłumienie wyższych harmonicznych prądu sieci. Przedstawiona analiza

6 34 M. Pasko, D. Buła oraz wyniki badań pokazały, że już niewielka wartość wzmocnienia K układu hybrydowego (K = 15 w analizowanym przypadku) pozwala na efektywne wyeliminowanie wpływu wyższych harmonicznych w napięciu sieci na właściwości filtrujące układu hybrydowego. Poprawa właściwości filtrujących w stosunku do filtrów pasywnych oraz niewielki wpływ odkształcenia napięcia sieci na działanie układu hybrydowego stanowią istotną przewagę układów hybrydowych nad pasywnymi.