TRÓJFAZOWY RÓWNOLEGŁY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY ZE Z ZMODYFIKOWANYM ALGORYTMEM STEROWANIA OPARTYM NA TEORII MOCY CHWILOWEJ

TRÓJFAZOWY RÓWNOLEGŁY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY ZE ZMODYFIKOWANYM ALGORYTMEM STEROWANIA OPARTYM NA TEORII MOCY CHWILOWEJ Instytut Inżynierii Elektrycznej, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki i Informatyki, Uniwersytet Zielonogórski Listopad, 2010

Plan prezentacji Problem: parametry dynamiczne energetycznych filtrów aktywnych (EFA)

Plan prezentacji Problem: parametry dynamiczne energetycznych filtrów aktywnych (EFA) Możliwe rozwiązania problemu

Plan prezentacji Problem: parametry dynamiczne energetycznych filtrów aktywnych (EFA) Możliwe rozwiązania problemu Realizacja wybranego algorytmu

Plan prezentacji Problem: parametry dynamiczne energetycznych filtrów aktywnych (EFA) Możliwe rozwiązania problemu Realizacja wybranego algorytmu Wyniki eksperymentalne

Plan prezentacji Problem: parametry dynamiczne energetycznych filtrów aktywnych (EFA) Możliwe rozwiązania problemu Realizacja wybranego algorytmu Wyniki eksperymentalne Wnioski

Równoległe energetyczne filtry aktywne (EFA) Układ otwarty Układ ze sprzężeniem zwrotnym System energetyczny Równoległy filtr aktywny Obciążenie nieliniowe System energetyczny Równoległy filtr aktywny Obciążenie nieliniowe ZM im il ZM im il um ic APF Układ sterowania ZL um APF Układ sterowania ic ZL

Uproszczony schemat kompensacji z 75 kva równoległym energetycznym filtrem aktywnym EFA1 AC 3x400V Power Nonlinear Load u M1 Z M1 L 1 i M1 i L1 Z L1 u M2 Z M2 L 2 u 1 i M2 i L2 Z L2 u M3 Z M3 L 3 u 2 i M3 i L3 Z L3 N PE u 3 Cf1 3uF Cf2 3uF Cf3 3uF Synchronization Circuit PLL i C3 i C2 i C1 f s =12800Hz L C3 0.6 mh L C2 0.6 mh L C1 0.6 mh C 1 4.8 mf C 2 4.8 mf 3*PM300D SA120 Control Circuit 16-bit fixed-point u C1, u C2

Widok 75 kva równoległego energetycznym filtra aktywnego EFA1

Uproszczony schemat blokowy układu sterowania EFA1 u 1 N T 1 400V The line voltage Analog Low-pass Filter Phase Shifter PLL f M =50Hz Fixed-point DSP f s =12800 Hz to A/D Analog input signals: i C1, i C2, i C3 Current Controller Simultaneous sampling A/D 12-bit To tranzistor gates: G 1, G 2, G 3, G 4, G 5, G 6 Analog input signals: i L1, i L2, i L3, u C1, u C2

Schemat blokowy układu sterowania EFA1 dla jednej fazy fs=12800 Hz il(t) il(nts) A/D Converter b1 APF Control Algorithm fs fs fk=91 khz icd(nts) b2 D/A Converter icd(t) - Hysteresis Controller Dead Time Logic Udcp Q1 Q4 LC ic(t) RL -Udcn

Schemat blokowy cyfrowego algorytmu sterowania EFA1 Capacitor Voltage Controllers uc1(nts) uc2(nts) - Low-pass Filter - Low-pass Filter sud(nts) su(nts) Reference Voltage udc=700v Park Transformation X sin(ωnts) p(nts) High-pass Filter Park -1 Transformation X - il1(nts) il2(nts) il3(nts) Clark Transformation 1-2-3/ α-β iα(nts) iβ(nts) X X X X Clark -1 Transformation α-β/ 1-2-3 ic1(nts) ic2(nts) X - q(nts) High-pass Filter X ic3(nts) cos(ωnts)

Eksperymentalne przebiegi czasowe prądów dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla stanu ustalonego z włączonym EFA1: i M, i C, i L

Uproszczony schemat połączenia jednej fazy EFA1 z siecią energetyczną i M i L i C Z M Z C Z L e M e C u L

Uproszczony schemat układu kompensacji dla jednej fazy R C1 Power system u M C 1 Q 1 i M Z M u DCp L C R LC i C C 2 Q 4 u DCn C C i L Z L R C2 R Cc Nonlinear load

Możliwe rozwiązania problemu Właściwy dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych. Obciążenia o przewidywalnej zmienności prądu zastosowanie algorytmu nieprzyczynowego,

Możliwe rozwiązania problemu Właściwy dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych. Obciążenia o przewidywalnej zmienności prądu zastosowanie algorytmu nieprzyczynowego, zastosowanie regulatora prądu z predykcją.

Możliwe rozwiązania problemu Właściwy dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych. Obciążenia o przewidywalnej zmienności prądu zastosowanie algorytmu nieprzyczynowego, zastosowanie regulatora prądu z predykcją. Obciążenia o stochastycznej zmienności prądu filtr z dużą szybkością przełączania,

Możliwe rozwiązania problemu Właściwy dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych. Obciążenia o przewidywalnej zmienności prądu zastosowanie algorytmu nieprzyczynowego, zastosowanie regulatora prądu z predykcją. Obciążenia o stochastycznej zmienności prądu filtr z dużą szybkością przełączania, zastosowanie dwóch filtrów jeden o dużej mocy i małej szybkości drugi o dużej szybkości i mniejszej mocy,

Możliwe rozwiązania problemu Właściwy dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych. Obciążenia o przewidywalnej zmienności prądu zastosowanie algorytmu nieprzyczynowego, zastosowanie regulatora prądu z predykcją. Obciążenia o stochastycznej zmienności prądu filtr z dużą szybkością przełączania, zastosowanie dwóch filtrów jeden o dużej mocy i małej szybkości drugi o dużej szybkości i mniejszej mocy, zastosowanie filtru wieloszybkościowego.

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego,

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów.

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. Przeciw: gorsze własności dynamiczne,

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. Przeciw: gorsze własności dynamiczne, większy koszt i masa.

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. Przeciw: gorsze własności dynamiczne, większy koszt i masa. Mniejsza wartość indukcyjności Za: szybsza reakcja,

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. Przeciw: gorsze własności dynamiczne, większy koszt i masa. Mniejsza wartość indukcyjności Za: szybsza reakcja, niższy koszt i masa.

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. Przeciw: gorsze własności dynamiczne, większy koszt i masa. Mniejsza wartość indukcyjności Za: szybsza reakcja, niższy koszt i masa. Przeciw: większa wartość tętnień prądu kompensującego,

Dobór wartości indukcyjności dławików wyjściowych Większa wartość indukcyjności Za: Przeciw: mniejsza wartość tętnień prądu kompensującego, możliwa mniejsza częstotliwość przełączania tranzystorów. gorsze własności dynamiczne, większy koszt i masa. Mniejsza wartość indukcyjności Za: Przeciw: szybsza reakcja, niższy koszt i masa. większa wartość tętnień prądu kompensującego, większa częstotliwość przełączania tranzystorów: straty, zwiększony wpływ stanów przejściowych.

Schemat wieloszybkościowego energetycznego filtra aktywnego Z M i M i L u M u 1 i C Z L i Cs i Cf Q s1 Qf1 C 1 u DCp L Cs L Cf f p1 f p2 C 2 u DCn Q s2 Q f2 Slow Fast f s1 f s2

Schemat blokowy układu sterowania EFA1 z układem predykcyjnym il(t) fs=12800 Hz A/D Converter b1 APF Control Algorithm fs fs fk=91 khz il(nts) icd(nts) icd((nna)ts) icda(t) z NA b2 Non-causal modification D/A Converter - Hysteresis Controller Dead Time Logic Udcp -Udcn Q1 Q4 LC ic(t) RL Układ dla jednej fazy.

Schemat blokowy układu nieprzyczynowego Decision Block z -N iin((n-n)ts) iin(nts) iin((n-l)ts) S1 1 iout(nts)=iin((n-l)ts) for S1=1 iout(nts)=iin(nts) for S1=2 2

Schemat blokowy układu nieprzyczynowego Decision Block z -N iin((n-n)ts) iin(nts) iin((n-l)ts) S1 1 iout(nts)=iin((n-l)ts) for S1=1 iout(nts)=iin(nts) for S1=2 2 T A W rozpatrywanym filtrze dyskretna wartość czasu wyprzedzenia T A jest wyznaczana z równania T A = N A T s, (1) gdzie: N A - liczba próbek wysyłanych z wyprzedzeniem.

Schemat blokowy układu nieprzyczynowego Decision Block z -N iin((n-n)ts) iin(nts) iin((n-l)ts) S1 1 iout(nts)=iin((n-l)ts) for S1=1 iout(nts)=iin(nts) for S1=2 2 T A W rozpatrywanym filtrze dyskretna wartość czasu wyprzedzenia T A jest wyznaczana z równania T A = N A T s, (1) gdzie: N A - liczba próbek wysyłanych z wyprzedzeniem. Długość bufora próbek może być wyznaczona z równania where: N - liczba próbek na okres sieci zasilającej. L = N N A. (2)

Schemat blokowy układu nieprzyczynowego Decision Block z -N iin((n-n)ts) iin(nts) iin((n-l)ts) S1 1 iout(nts)=iin((n-l)ts) for S1=1 iout(nts)=iin(nts) for S1=2 2 T A W rozpatrywanym filtrze dyskretna wartość czasu wyprzedzenia T A jest wyznaczana z równania T A = N A T s, (1) gdzie: N A - liczba próbek wysyłanych z wyprzedzeniem. Długość bufora próbek może być wyznaczona z równania L = N N A. (2) where: N - liczba próbek na okres sieci zasilającej. W układzie: N = 256, T s = 78, 125µs, T A 300µs to N A = 3.

Schemat blokowy algorytmu sterowania EFA1 z układem predykcyjnym Capacitor Voltage Controllers uc1(nts) uc2(nts) - Low-pass Filter - Low-pass Filter sud(nts) su(nts) Reference Voltage udc=700v Park Transformation X sin(ωnts) p(nts) High-pass Filter Break for non-causal modification Park -1 Transformation X - il1(nts) il2(nts) il3(nts) Clark Transformation 1-2-3/ α-β iα(nts) iβ(nts) X X Non-causal Circuts Noncausal Circuit Noncausal Circuit X X Clark -1 Transformation α-β/ 1-2-3 icd1(nts) icd2(nts) X - q(nts) High-pass Filter X icd3(nts) cos(ωnts) Break for non-causal modification

Eksperymentalne przebiegi prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla stanu ustalonego z włączonym algorytmem nieprzyczynowym dla N ah = 0 0 5 10 15 Magnitude [db] 20 25 30 35 40 45 50 0 500 1000 1500 2000 2500 Frequency [Hz] Przebiegi czasowe: i M1, i M2, i M3 Widmo i M1

Eksperymentalne przebiegi prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla stanu ustalonego z włączonym algorytmem nieprzyczynowym dla N ah = 2 0 5 10 15 Magnitude [db] 20 25 30 35 40 45 50 0 500 1000 1500 2000 2500 Frequency [Hz] Przebiegi czasowe: i M1, i M2, i M3 Widmo i M1

Eksperymentalne przebiegi prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla stanu ustalonego z włączonym algorytmem nieprzyczynowym dla N ah = 3 0 5 10 15 Magnitude [db] 20 25 30 35 40 45 50 0 500 1000 1500 2000 2500 Frequency [Hz] Przebiegi czasowe: i M1, i M2, i M3 Widmo i M1

Eksperymentalne przebiegi czasowe prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla skokowej zmiany kąta wysterowania

Eksperymentalne przebiegi czasowe prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla skokowej zmiany kąta wysterowania Z wyłączonym EFA1 Z włączonym EFA1 z klasycznym algorytmem sterowania

Eksperymentalne przebiegi czasowe prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla skokowej zmiany kąta wysterowania

Eksperymentalne przebiegi czasowe prądów linii dla sterownika mocy sterowanego fazowo z obciążeniem rezystancyjnym, dla skokowej zmiany kąta wysterowania Z ciągle włączonym algorytmem nieprzyczynowym Z włącznikiem automatycznym

Wnioski Modyfikacja algorytmu sterowania opartego na teorii mocy chwilowej pozwala na polepszenie własności dynamicznych energetycznego filtru aktywnego dla obciążeń o przewidywalnej zmienności prądu obciążenia.

Wnioski Modyfikacja algorytmu sterowania opartego na teorii mocy chwilowej pozwala na polepszenie własności dynamicznych energetycznego filtru aktywnego dla obciążeń o przewidywalnej zmienności prądu obciążenia. Modyfikacja układu sterowania jest bardzo prosta i nie wymaga modyfikacji układu a dodatkowe nakłady obliczeniowe są bardzo małe, dlatego może być łatwo zrealizowana w istniejących energetycznych równoległych filtrach aktywnych.

Wnioski Modyfikacja algorytmu sterowania opartego na teorii mocy chwilowej pozwala na polepszenie własności dynamicznych energetycznego filtru aktywnego dla obciążeń o przewidywalnej zmienności prądu obciążenia. Modyfikacja układu sterowania jest bardzo prosta i nie wymaga modyfikacji układu a dodatkowe nakłady obliczeniowe są bardzo małe, dlatego może być łatwo zrealizowana w istniejących energetycznych równoległych filtrach aktywnych. Dla obciążeń o przewidywalnej zmienności prądu obciążenia, z powolnymi zmianami jego zmianami, algorytm nieprzyczynowy może być na stale włączony.