Hybrydowe energetyczne filtry aktywne

Transkrypt

1 Ukazuje sę od 99 roku Organ Stowarzyszena Elektryków Polskch Wydawnctwo SIGMA-NOT Sp. z o.o. Maran PASKO, Dawd BUŁA Poltechnka Śląska, Instytut Elektrotechnk Przemysłowej Informatyk Hybrydowe energetyczne fltry aktywne Streszczene. W pracy przedstawono wynk analzy układów hybrydowych fltrów aktywnych, służących do poprawy jakośc energ elektrycznej w secach trójfazowych. Układy te stanową połączene reaktancyjnych fltrów LC oraz energetycznych fltrów aktywnych (EFA). Zaprezentowano też porównane właścwośc poszczególnych rozwązań w tych samych warunkach pracy. Wnosk poparto wynkam symulacyjnym w PSpce. Abstract. In ths paper results of an analyss of hybrd actve power flters used for power qualty mprovement and workng n three phase systems have been presented. These devces are composed of passve and actve power flters (APF). A comparson of propertes of partcular solvngs n the same condtons has been shown. Conclusons have been supported by smulaton usng PSpce. (Hybrd actve power flters) Słowa kluczowe: przebeg odkształcone, wyższe harmonczne, układy kluczujące, fltry pasywne LC. Keywords: nonsnusodal waveforms, hgher harmoncs, swtchng devces, LC passve flters. Wstęp Postęp technologczny w ostatnch latach pocągnął za sobą wzrost lczby odbornków energoelektroncznych, które są urządzenam nelnowym. Mmo stotnych zalet, układy te powodują jednak występowane wyższych harmoncznych w prądze, co z kole prowadz do odkształceń napęć zaslających. Jednocześne zaostrzene norm dotyczących jakośc dostarczanej energ skutkuje narzucenem na odborcę rygorystycznych wymagań odnośne wyższych harmoncznych prądu. Przykładowo zalecena IEEE-59 [7] dotyczące pozomów zawartośc neparzystych harmoncznych prądu (Tabela ) określają pozom całkowtej zawartośc harmoncznych (THD) nawet ponżej 4%. Stosowane tradycyjnych środków zaradczych w tym przypadku ne zawsze wystarcza. Coraz bardzej popularne stają sę energetyczne fltry aktywne (ang. APF Actve Power Flter). Nazwa tych układów jest neco myląca, poneważ ne spełnają one defncj aktywnośc oraz ne są fltram a układam kompensatorów. Mmo to, podobne jak w lteraturze (szczególne anglojęzycznej), nazwa ta będze używana w dalszej częśc artykułu. Proponowane przez producentów układy są jednak jeszcze dosyć droge, stąd propozycja łączena tradycyjnych fltrów LC z układam EFA o mnejszych mocach, a co za tym dze tańszych. Układy hybrydowe (połączene obu rozwązań) są często opsywane w lteraturze [], [3], [4], [6], [9], [0], lecz cągle jeszcze rzadko stosowane. Tabela. Dopuszczalne pozomy zawartośc harmoncznych neparzystych prądu wg IEEE-59 I zw / I obc < >000 THD dla n< 4% 7% 0% % 5% Fltry LC Tradycyjnym sposobem redukcj wyższych harmoncznych sec zaslającej są rezonansowe fltry LC. Fltry te budowane są zazwyczaj w postac gałęz szeregowo połączonych kondensatorów dławków, których częstotlwość rezonansowa dostrojona jest do częstotlwośc wyższej harmoncznej prądu odbornka. Lczba gałęz zależna jest od lczby fltrowanych harmoncznych. Dla podstawowej harmoncznej fltry te poberają moc berną pojemnoścową, dlatego, przy odpowednm doborze pojemnośc, realzują także kompensację mocy bernej podstawowej harmoncznej (odbornk o charakterze ndukcyjnym). Przykładową strukturę fltrów podłączoną do układu Źródło Odbornk pokazano na rysunku. Elementy L HF, C HF oraz R HF w tym przypadku tworzą fltr dla harmoncznych powyżej 7. Rys.. Przykładowy układ 3-fazowy z podłączonym fltrem rezonansowym LC Dobór elementów LC przeprowadza sę na podstawe warunku rezonansu napęć oraz wymaganej reaktancj fltru dla podstawowej harmoncznej wynkającej z mocy bernej: () () L h =, ωhch U Im{ Z} =, Q gdze: L h,c h wartośc elementów dla poszczególnych harmoncznych, U - wartość skuteczna napęca na fltrze dla perwszej harmoncznej, Q moc berna podstawowej harmoncznej, Z mpedancja fltru. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 83 NR 7-8/007

2 Dla częstotlwośc rezonansowej fltry mają nską mpedancję, co powoduje bocznkowane prądów o danej częstotlwośc. Jednofazowy model, dla wyższych harmoncznych, układu z fltrem rezonansowym przedstawono na rysunku. Rys.. Jednofazowy schemat zastępczy analzowanego układu Właścwośc układu opsuje współczynnk tłumena wyższych harmoncznych prądu odbornka: Jak wdać na rysunku 4, fltr spełnł swoje zadane zwązane z fltracją wyższych harmoncznych (tutaj 5 7) oraz prawe całkowtą kompensacją mocy bernej podstawowej harmoncznej (prąd w faze z napęcem danej fazy). Dalsza poprawa współczynnka THD wymagałaby w tym przykładze zwększena dobroc zastosowanych dławków lub zmnejszene ch ndukcyjnośc. Obnżene ndukcyjnośc prowadz jednak do zwększena pojemnośc kondensatorów, co spowoduje obcążene sec prądem pojemnoścowych podstawowej harmoncznej. W przypadku zmany obcążena może sę jednak okazać, że kompensacja mocy bernej (podstawowej harmoncznej) będze newystarczająca lub dojdze do przekompensowana (obcążena sec prądem pojemnoścowym). Dlatego też kompensacja mocy bernej podstawowej harmoncznej za pomocą tych układów realzowana jest najczęścej przy ustalonych warunkach obcążena. (3) γ(ω) I Z sh Fh = =, Iodbh ZFh + Zsh gdze: Z Fh mpedancja fltru, Z sh mpedancja sec. Analzując zależność (3), wdać wyraźny wpływ mpedancj sec na właścwośc fltrujące układu, co jest jedną z podstawowych wad rezonansowych fltrów LC. Na rysunku 3 przedstawono charakterystykę częstotlwoścową modułu współczynnka tłumena wyższych harmoncznych dla różnych wartośc ndukcyjnośc sec. Dla wybranych harmoncznych (w tym przypadku 5 7) współczynnk tłumena wyższych harmoncznych prądu odbornka osąga mnmum, co powoduje zmnejszene zawartośc tych częstotlwośc w prądze źródła. Tłumene wyższych harmoncznych realzowane jest przez fltr wyższych harmoncznych (HF). Efektywność fltracj zależy od mpedancj (ndukcyjnośc) sec dla sec o wększej mpedancj jest lepsza. Wdoczne są tutaj także efekty rezonansów równoległych (maksma) z secą, co może być problemem przy pojawenu sę w sec częstotlwośc, dla których te rezonanse zachodzą. Rys. 4. Przebeg prądu sec na tle przebegu napęca sec: a) przed zastosowanem pasywnego fltru LC, b) po zastosowanu pasywnego fltru LC Równoległy energetyczny fltr aktywny Lepsze efekty poprawy współczynnka THD ścśle zwązane z jakoścą energ elektrycznej można uzyskać stosując tzw. energetyczne fltry aktywne (EFA) wykorzystujące elementy kluczujące (tranzystory IGBT) pracujące w układze falownka napęca. Wzorce prądów dodawczych w takch układach wyznaczane są najczęścej z wykorzystanem tzw. teor mocy chwlowej []. Ogranczenem stosowana układów EFA są szczytowe wartośc prądów napęć [], [0] jake mogą przełączać tranzystory IGBT. Dla układów dużych mocy powoduje to znaczny wzrost kosztów takego rozwązana. Jedno z możlwych rozwązań (układ równoległy) pracy energetycznego fltru aktywnego przedstawono na rysunku 5. Rys. 3. Charakterystyka częstotlwoścowa modułu współczynnka tłumena wyższych harmoncznych dla różnych przypadków mpedancj sec zaslającej Dla zobrazowana dzałana fltru przeprowadzono symulacje układu przedstawonego na rysunku w programe PSpce dla następujących danych: u L = 35sn(ωt), u L = u L (t-t/3), u L3 = u L (t+t/3), P odb =9,5 kw, Q =,3 kvar, S =5,4 kv A, L s =,0 mh, L 5 =7,4 mh, C 5 =55 μf, R 5 =0, Ω, L 7 =3,75 mh, C 7 =55 μf, R 7 =0, Ω, L HF =0,9 mh, C HF =0 μf, R HF =5 Ω. Rys. 5. Schemat przykładowego podłączena energetycznego fltru aktywnego do sec Zadanem pokazanego na rysunku 5 układu sterowana jest wyznaczene wzorcowych prądów kompensujących PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 83 NR 7-8/007

3 ( kl,,3 ). W prezentowanym przykładze wykorzystano algorytm korzystający z uogólnena teor mocy chwlowej we współrzędnych wrujących. Schemat blokowy tego algorytmu przedstawony został na rysunku 6, [3], [5]. Rys. 6. Schemat blokowy układu sterowana EFA Pobrane chwlowe wartośc prądów napęć fazowych poddawane są transformacj z układu trójfazowego naturalnego --3 do układu prostokątnego α-β wg wzoru (4) (transformacja Clarke a) porównana dokonano symulacj układu o tych samych parametrach jak w przypadku fltrów rezonansowych. Wdoczna jest tutaj znaczna poprawa współczynnka THD w stosunku do fltrów LC. Wadą tego rozwązana jest jednak znaczna moc pozorna układu EFA (4 kv A), wynkająca główne z kompensacj mocy bernej podstawowej harmoncznej. W układach dużej mocy powoduje to znaczny wzrost kosztów takego rozwązana. Należy dodać, że w przypadku kompensacj wyższych harmoncznych z pomnęcem kompensacj mocy bernej podstawowej harmoncznej moc pozorna układu EFA w analzowanym przypadku maleje dwukrotne (wynk symulacj). (4) α β = L L L3. Następne wektory transformowane są do układu d-q, wrującego z prędkoścą ω [] (transformacja Parka). Wartośc w nowym układze współrzędnych otrzymuje sę z zależnośc: > > jθ (t) (5) I dq = Iαβ e. czyl: (6) d q = d q ~ + d cosθ ~ = + q snθ ( t) snθ ( t) () t cosθ () t α β, ~ ~ gdze: d, q - składowe stałe, d, q - składowe zmenne. Zaletą takej transformacj jest to, że układ ne wymaga wyznaczana wartośc chwlowych mocy czynnej urojonej (p,q) jak to jest w przypadku teor mocy chwlowej []. Jeżel przebeg funkcj cosθ(t) pokrywa sę z przebegem podstawowej harmoncznej napęca fazy L, to wtedy układ d-q wruje synchronczne z przebegem podstawowej harmoncznej napęca zaslającego []. W takm układze odnesena welkośc będące w faze z podstawową harmonczną napęca zaslającego, a węc składowa aktywna prądu źródła, reprezentowane są przez wartośc stałe w czase. Wtedy wartość średna składowej prądu (składowa stała) w os d odpowada składowej aktywnej prądu źródła w układze współrzędnych wrujących []. Dlatego wartośc chwlowe prądów optymalnych oraz prądów kompensujących można wylczyć wprost ze znajomośc składowych prądów fazowych w nowym układze współrzędnych ( d oraz q ). Po dekompozycj tych składowych (za pomocą fltrów górnoprzepustowych rys. 6) poddawane są one transformacjom odwrotnym, w wynku czego otrzymujemy wzorce prądów kompensujących. Odfltrowane składowych stałych prądów d q powoduje wyznaczene prądów kompensujących jedyne wyższe harmonczne, natomast pozostawene składowej stałej d (brak drugego fltru jak na rys 6.) pozwala także na kompensacje mocy bernej podstawowej harmoncznej []. Czas wyznaczena prądów kompensujących zależny jest od dynamk zastosowanych fltrów przy stanach przejścowych może wyneść ponad połowę okresu podstawowej harmoncznej (rys. ). Wyznaczone wzorce prądów poprzez układ falownka wprowadzane są do układu Fltr-Odbornk. Powoduje to wyelmnowane nekorzystnych składowych z prądu źródła (rys. 7). Dla Rys. 7. Przebeg prądu sec prądu kompensatora po zastosowanu układu EFA Praca równoległa fltrów LC układów EFA Połączene rezonansowych fltrów LC oraz energetycznych fltrów aktywnych pozwala na wykorzystane zalet obu rozwązań. Zastosowane fltrów LC pozwala obnżyć napęca lub prądy płynące prze układy EFA. Natomast dobre właścwośc EFA pozwalają uzyskać lepsze wynk kompensacj wyższych harmoncznych prądu. W zależnośc od konfguracj sterowana EFA możlwa jest także kompensacja mocy bernej podstawowej harmoncznej przy zmennych warunkach obcążena. Jeden z możlwych sposobów połączena obu rozwązań pokazano na rys. 8. Główną zaletą tego rozwązana jest to, że można dołączyć układ energetycznego fltru aktywnego do stosowanych wcześnej fltrów LC. Dodatkowo praca równoległa odcąża fltr aktywny, dzęk czemu możlwe jest zastosowane fltrów o mnejszych prądach maksymalnych, a co za tym dze, tańszych. Wadą takego rozwązana jest fakt, że całe napęce zaslające pojawa sę na zacskach EFA, co może być problemem w secach wysokego napęca (stosuje sę wtedy układ hybrydowy EFA). Rys. 8. Schemat analzowanego połączena układu EFA pasywnego fltru LC Wynk symulacj przedstawono na rysunku 0. Wyraźne zauważalny jest mnejszy (wartość skuteczna spadła ponad -krotne) prąd EFA oraz neznaczna PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 83 NR 7-8/007 3

4 poprawa współczynnka THD. Obnżene prądu EFA ma zwązek z odcążenem tego układu w kompensacj mocy bernej podstawowej harmoncznej. Wartośc prądów wyższych harmoncznych na wyjścu EFA nestety tylko neznaczne sę obnżyły. Wynka to z faktu, ż rezonansowe fltry LC tłumą (bocznkują) wyższe harmonczne prądu w przypadku, gdy te harmonczne pojawają sę w napęcu zaslającym (spadek napęca na L s ). W przypadku dealnej kompensacj przez układ EFA prąd płynący przez źródła ne zawera wyższych harmoncznych, węc ne ma spadku napęca o częstotlwoścach różnych od podstawowej na mpedancj sec, a co za tym dze, prądy płynące przez fltry LC dla wyższych harmoncznych są równe zeru. Potwerdza to schemat zastępczy analzowanego układu dla wyższych harmoncznych (rys. 9). Jeżel (dla wyższych harmoncznych) prąd kompensatora I kh równy jest prądow I obch (przypadek dealny wyznaczena prądów kompensatora), napęce na mpedancj Z Fh równe jest zero, zatem prąd wyższych harmoncznych ne płyne przez fltr pasywny, a co za tym dze, I odbh = I odbh. Hybrydowy równoległy układu EFA Innym możlwym sposobem łączenu rezonansowych fltrów LC układu równoległego energetycznego fltru aktywnego jest połączene pokazane na rysunku, zwane hybrydowym równoległym fltrem aktywnym (hybrd shunt actve flter []). Układ EFA pracuje tutaj jako źródło napęca (zazwyczaj połączene poprzez transformator) połączone szeregowo (posobne) z fltrem LC danej fazy. Napęce wyjścowe EFA jest proporcjonalne do wyższych harmoncznych prądu sec. Sterowane realzowane jest tutaj w układze zamknętym [0]. Rys. 9. Jednofazowy schemat zastępczy analzowanego układu Rys.. Schemat hybrydowego równoległego układu EFA Analzę dzałana oprzeć można na jednofazowym schemace zastępczym (dla wyższych harmoncznych) przedstawonym na rysunku 3. Założono tutaj przypadek dealnego wyznaczena harmoncznych prądu źródła. Rys. 0. Przebeg prądów po zastosowanu równoległego połączena układu EFA fltru LC Rys. 3. Jednofazowy schemat zastępczy analzowanego układu Współczynnk tłumena wyższych harmoncznych w tym przypadku wyraża sę wzorem (7) [9]: (7) γ(ω) I Z sh Fh = =. Iodbh K + ZFh + Zsh Rys.. Przebeg prądów po zastosowanu równoległego połączena układu EFA fltru LC przy zmane obcążena o 00% Na rysunku przedstawono reakcję układu na zmanę obcążena o 00% (także mocy bernej). Wdoczny jest wzrost prądu układu EFA (wartość skuteczna wzrosła 3- krotne), wynkający ze wzrostu ampltudy harmoncznych w prądze odbornka oraz zmany mocy bernej podstawowej harmoncznej. W stosunku do rezonansowych fltrów LC tłumene wyższych harmoncznych jest bardzej efektywne (K w manownku wyrażena (7)). Przykładowe charakterystyk dla różnych parametrów K przedstawono na rys. 4. Dodatkową zaletą układu jest wyelmnowane rezonansów równoległych z secą zaslającą. Wzmocnene K realzowane może być w układze sterowna lub poprzez dobór przekładn transformatorów dopasowujących, konecznych w takm połączenu fltrów LC układu EFA. Wynk symulacj (dla K=0) przedstawono na rysunku 5. Istotna jest poprawa współczynnka THD w stosunku do rezonansowych fltrów LC. Newątplwą zaletą takego rozwązana jest także znaczne obnżene mocy pozornej układu EFA (0,44 kv A), co wynka z faktu, ż EFA jedyne wspomaga (polepsza) dzałane fltru reaktancyjnego LC, a ne przejmuje jego funkcj, jak to ma mejsce w przypadku połączena równoległego. Nestety w układze tym ne ma możlwośc kompensacj mocy bernej podstawowej 4 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 83 NR 7-8/007

5 harmoncznej przy zmennych warunkach obcążena. Wynka to bezpośredno ze sposobu podłączena sterowana układu EFA [0], []. konkretne zastosowane należy uzależnć od warunków pracy. Rys. 4. Charakterystyka częstotlwoścowa modułu współczynnka tłumena wyższych harmoncznych dla różnych przypadków mpedancj sec zaslającej Rys. 6. Porównane zawartośc wyższych harmoncznych oraz THD prądu sec dla różnych rozwązań Rys. 7. Porównane mocy pozornej układu EFA dla analzowanych przykładów Pracę wykonano w ramach projektu nr 3T0A0496 Rys. 5. Przebeg prądu sec oraz napęca wyjścowego EFA w przypadku hybrydowego równoległego układu EFA. Wnosk Stosowane energetycznych fltrów aktywnych oraz ch połączena z reaktancyjnym fltram LC w sposób znaczny poprawa współczynnk zawartośc wyższych harmoncznych w sec zaslającej (rys. 6) w stosunku do rozwązana tradycyjnego (fltrów LC) dla rozpatrywanego przypadku. Dodatkowo fltr LC obnża wymaganą moc pozorną układu EFA (rys. 7), co powoduje, że take rozwązane jest tańsze (w szczególnośc dla dużych mocy) od układów EFA pracujących bez fltrów LC. Najprostsza konfguracja, czyl równoległe dołączene energetycznego fltry aktywnego do fltrów LC, może jednak spowodować całkowte przejęce przez EFA funkcj fltracj wyższych harmoncznych (przypadek dealny), co ne jest najlepszym rozwązanem w przypadku, gdy fltry pasywne ne realzują kompensacj mocy bernej podstawowej harmoncznej. Moc pozorna EFA w takm przypadku newele będze mnejsza od układu bez fltrów LC, a fltry LC praktyczne przestaną dzałać. Duże lepsze efekty można uzyskać stosując układ hybrydowy (rys. ). Energetyczny fltr aktywny wspomaga wtedy dzałane układu pasywnego, a ne przejmuje jego funkcj. Wymagana moc pozorna EFA jest w tym przypadku znaczne mnejsza (rys. 7), co pozwala na stosowane tej konfguracj w układach dużej mocy (wyższych napęć). Nestety połączene take ne pozwala na kompensację mocy bernej podstawowej harmoncznej przy zmennych warunkach pracy, a konfguracja hybrydowa może być bardzej kłopotlwa w dzałających już układach (dostęp do fltru w każdej faze oraz transformatory dopasowujące). Mmo to korzyśc płynące z tego rozwązana sugerują jego zastosowane w praktyce. Należy dodać, że przedstawono jedyne dwa spośród welu możlwych rozwązań [], [0], a LITERATURA [] A k a g H., Kanazawa Y., Nabae A.: Generalzed theory of the nstantaneous reactve power n three-phase crcuts, Proc. of the Int. Power Electron. Conf., (JIEE IPEC), (983) [] Akag, H.: New trends n actve flters for power condtonng, IEEE Transactons on Industry Applcatons, 3 (996), n.5, 3-3 [3] Bhattacharya S., Dvan D.M.: Synchronous frame based controller mplementaton for a hybrd seres actve flter system, Thrteth IAS Annual Meetng, IAS '95, Conference Record of the 995 IEEE, 3 (995), 8- [4] Bhattacharya S., Po-Ta Cheng, Dvan D.M.: Hybrd Soluton For Improvng Passve Flter Performance In Hgh Power Applcatons, IEEE Transactons on Industry Applcatons, 33 (997), n.3, [5] Buła D., Macążek M., Pasko M.: Analza wrażlwośc hybrydowych fltrów aktywnych w układach trójfazowych. XXIX IC-SPETO, (006), [6] Fujta H., Akag H.: A Practcal Approach to Harmonc Compensaton n Power System - Seres Connecton of Passve and Actve Flters. IEEE Transacton on Industry Applcaton, 7 (99), n.6, [7] IEEE Recommended Practces and Requrements for Harmonc Control n Electrcal Power Systems, IEEE SM [8] Pasko M. Macążek M.: Wkład elektrotechnk teoretycznej w poprawę jakośc energ elektrycznej. Wadomośc Elektrotechnczne, (004) nr.7-8, [9] Rvas D., Moran L., Dxon J.W., Espnoza J.R.: Improvng passve flter compensaton performance wth actve technques. IEEE Transatons On Industral Electroncs, 50 (003), n., [0] Strzeleck R., Supronowcz H.: Fltracja harmoncznych w secach zaslających prądu przemennego. Wyd. Adam Marszałek, Toruń 999. Autorzy: prof. dr hab. nż. Maran Pasko, mgr nż. Dawd Buła Poltechnka Śląska, Instytut Elektrotechnk Przemysłowej Informatyk, ul. Akademcka 0, Glwce, E-mal: maran.pasko@polsl.pl, dawd.bula@polsl.pl PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 83 NR 7-8/007 5