CC BY
47
Силова електроніка
УДК 621.316.761.2
Р.В. Власенко, О.В. Бялобржеський
АЛГОРИТМ ПРОГНОЗУЮЧОГО УПРАВЛІННЯ ТРИФАЗНОГО СИЛОВОГО АКТИВНОГО ФІЛЬТРУ
В роботі розглянуто схеми підключення активних фільтрів до мережі, структури систем управління силових активних фільтрів і методи, що ґрунтуються на визначенні складових повної потужності. Проаналізовано існуючі структури систем управління силовими активними фільтрами та корегування алгоритму управління для зменшення комутаційних втрат вентилів. Запропоновано алгоритм прогнозуючого управління трифазним силовим активним фільтром.
В работе рассмотрены схемы подключения активных фильтров к сети, структуры систем управления силовых активных фильтров и методы, основанные на определении составляющих полной мощности. Проанализированы существующие структуры систем управления силовыми активными фильтрами и корректировки алгоритма управления для уменьшения коммутационных потерь вентилей. Предложен алгоритм прогнозирующего управления трехфазным силовым активным фильтром.
ВСТУП
Впровадження останнім часом напівпровідникової техніки в електротехніці стало приводити до зростання нелінійного навантаження, що загострило проблему забезпечення якості електроенергії. Негативна дія нелінійного навантаження полягає в тому, що воно призводить до високого коефіцієнту несинусоїдаль-ності струму, споживаного перетворювачами з мережі. Такий струм навантаження характеризується високим рівнем гармонік, негативний вплив яких призводить до економічних збитків, зумовлених погіршенням енергетичних показників та інше [1]. Останніми досягненнями силової перетворювальної техніки і найбільш ефективними технічними рішеннями в області компенсації неактивних складових потужностей навантажень є силові активні фільтри [1].
МЕТА РОБОТИ
Аналіз структури систем управління силовими активними фільтрами та корегування алгоритму управління для зменшення комутаційних втрат вентилів.
По типу підключення активного фільтру до мережі розрізняють: активний фільтр, що включається паралельно навантаженню (рис. 1) та підключений послідовно (рис. 2) в лінію.
Увімкнений послідовно в лінію активний фільтр, окрім основної функції зниження гармонік струму, може використовуватися для регулювання напруги основної гармоніки у вузькому діапазоні значень, а також для демпфування порушень якості електроенергії - несиметрії напруг і флікер при роботі в мережі таких споживачів, як дугові печі або потужні електродвигуни з частими пусками.
Рис. 1 Схема підключення паралельного активного фільтру до мережі: АІН - автономний інвертор напруги; СУ САФ -система управління силового активного фільтру; М - мережа;
Л - лінія; КВ - керований випрямляч; Н - навантаження;
Р - реактор
Активний фільтр, що включається паралельно навантаженню, застосовується, в основному, для зниження рівня гармонік струму, компенсації реактивної потужності, що викликаються наявністю нелінійних пристроїв, які входять до складу навантаження.
Рис. 2 Схема підключення послідовного активного фільтру до мережі: АІН - автономний інвертор напруги; СУ САФ -система управління силового активного фільтру; М - мережа;
Л - лінія; КВ - керований випрямляч; Н - навантаження;
Тр - трансформатор
Для виділення складових потужності, які підлягають компенсації чи фільтрації використовують різноманітні методи, що ґрунтуються на визначенні складових повної потужності, зокрема теорія за Фрізе; р-д теорії миттєвої потужності і її модернізацією ё-д методом.
Польський вчений Станіслав Фрізе запропонував метод визначення складових повної потужності [2] шляхом розкладання їх на дві ортогональні складові в часовій області. Він запропонував розкласти струм і на активну іа (повторює форму напруги мережі) і пасивну іП (нев'язки до струму) складові:
і = іа + іП. (1)
Через загальноприйняті формули визначаються потужності, середньоквадратична напруга і струм за довільний інтервал розгляду:
1 Т
Р = — и • іЖ, Т J
0
(2)
© Р.В. Власенко, О.В. Бялобржеський
и2 = — Г м 2dt, ті
і2 = — Г i 2dt.
T
(3)
(4)
о
la = — ■ м, (5)
Активна і пасивна складова струму визначаються зі співвідношень:
. P
U 2
ІП = i ~ ia • (6)
Оскільки пасивні складові не споживають енергії [2], то Фрізе запропонував їх компенсувати.
P-q теорія миттєвої потужності була вперше запропонована японськими вченими H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae. Застосовується вона в трифазних мережах без нульового проводу [3, 7]. В p-q теорії миттєву активну і реактивну потужність визначають при синусоїдальній симетричній системі напруг мережі. Визначаються миттєві потужності із співвідношень в Яув-координатах, які отримуються в результаті перетворень Кларка.
Коли напруга живлячої мережі спотворена використовують корекцію p-q теорії, яку автори F. Z. Peng, J. S. Lai назвали d-q методом [7]. Метод d-q заснований на використанні перетворень Парка і обертової системи координат.
Для формування імпульсів управління ключами перетворювача з метою відпрацювання розрахованих за вище наведеними методами потужності застосовують методи формування імпульсів: періодичної дискретизації (рис. 3,а), релейного управління (рис. 3,б) і широтно-імпульсної модуляції (рис. 3,в).
Рис. 3 Блоки керування ключами перетворювача: а) періодична дискретизація; б) релейне управління; в) широтно-імпульсна модуляція
Метод періодичної дискретизації забезпечує перемикання ключів силового активного фільтру залежно від стану релейного елементу та синхронізуючих сигналів визначених фіксованою частотою [4]. Основною перевагою цього методу є те, що мінімальний час між переходами перемикання обмежений періодом тактових імпульсів, недоліком - частота вихідних імпульсів чітко не визначена та додатково зумовлюється помилкою між заданим та поточним значенням параметру управління.
Релейне управління забезпечує перемикання силових ключів, коли похибка перевищує фіксовану величину - зону гістерезису [4]. У цьому випадку частота перемикання не фіксована, але вона може бути визначена [4]. Перевагою системи управління є її простота, недоліком - виникнення субгармонік.
Широтно-імпульсна модуляція передбачає порівняння похибки параметру регулювання з фіксованою амплітудою і частотою опорного сигналу. Похибка подається на вхід пропорційно-інтегрального ПІ-регулятору перед порівнянням з опорним сигналом. Параметри регулятора розраховуються у відповідності з абсолютним значенням критерію оптимальності [4]. Перевагою є те, що імпульси комутації короткої тривалості, недоліком - спотворення форми струму [4].
Втрати потужності в перетворювачі складаються із статичних і динамічних втрат потужності [5], які є складними функціями поточних значень: струмів, що протікають через вентилі і шунтуючі їх діоди; прямого падіння напруги на вентилях у відкритому стані і зворотного падіння напруги на шунтуючих діодах; та частоти модуляції (перемикання).
Електротехнічні установки працюють в режимах в яких можна виділити квазістаціонарні часові інтервали електроспоживання, при цьому використання швидкодіючої системи управління активним фільтром нераціонально. Підвищена частота комутації вентилів на таких інтервалах знижує ефективність використання фільтру. У той же час перехід електротехнічної установки від одного квазістаціонарного стану до іншого може відбуватись досить швидко (наприклад керовані випрямлячі), при цьому потрібна висока швидкодія активного фільтру.
Відповідно до [6] режими роботи активного фільтру розділяють на сталий і динамічний режим роботи. Під сталим режимом роботи перетворювача слід розуміти його роботу при малих значеннях відхилень Aid, Aiq проекцій струму на стороні змінного струму перетворювача (які не перевищують допустимої для них області h), а під динамічним режимом - роботу перетворювача при відхиленнях Aid, Aiq проекцій струму, що перевищують припустиму область відхилень.
Алгоритм прогнозуючого управління силовим активним фільтром в трифазній мережі змінного струму реалізується наступним чином (рис. 4).
Контролюють напругу UDC на стороні постійного струму перетворювача.
Задають припустиму область відхилень проекцій струму h [6].
Вимірюють струми навантаження iH abc, струми компенсатора iK abc та фазні напруги мережі ма мъ, мс на стороні змінного струму перетворювача.
Виконують перетворення фазних напруг мережі ма мъ, мс, струмів навантаження iH abc,, і струмів компенсатора iKabc на стороні змінного струму перетворювача в нерухому систему координат "а-Р' [7].
Визначають миттєву активну і реактивну потужності навантаження в нерухомій системі координат "а-Р' [7].
Розділяють миттєві активну і реактивну потужності на дві складові: постійну (середню, шляхом інтегрування) та змінну:
Pi = pl + Pi, (7)
qi = Ql + ql.
Корисною складовою приймають тільки постійну активну потужність Р1 з урахуванням, що в трифазній симетричній системі напруг в сталому режимі постійні складові активної Р1 і реактивної Ql потужності визначаються основною гармонікою струму мережі прямої послідовності, а змінні складові Рі і ~і визначаються гармоніками струму навантаження, відмінними від основної гармоніки, і струмами основної гармоніки зворотної послідовності, виділяють Рі і ~і .
Визначають заданий струм компенсатора в нерухомій системі координат "а-в" [7]. Перетворюють фактичний струм компенсатора і КаЬс на стороні змінного струму перетворювача в нерухому систему координат "а-в".
Розраховують кут повороту вектора струму мережі 9 [6]. Формують тригонометричні функції 0080, єіпб від аргументу 9 ортогональної обертової координатної системи "С-д".
Виконують перетворення фактичного струму компенсатора і заданого струму компенсатора із системи координат "а-в" до обертової ортогональної системи координат "С-д" [7].
Визначають прогнозовані значення проекцій ис(ш), ид(ш) вектора напруги, створюваного на стороні змінного струму перетворювача при даних можливих комбінаціях його відкритих і закритих силових ключів, виходячи з прогнозованих значень, згідно з таблицею [6], проекцій вектора вихідної напруги иа(ш), ир(ш) на осі нерухомої ортогональної координатної системи "а-в", з використанням наступних співвідношень:
ис(ш) 008 9 8іп 9 иа (ш)
ис (ш)_ єіп 9 008 9 ир (ш) , (8)
. *
і кс
АіС - і* - ІС, АІд - Ід - Ід.
(10)
(11)
і7!0 - тах{і1 (ш)} при ш - Ш1.
ш -1,2...8.
Виконують перетворення фазних напруг мережі координатної системи "а-в" в систему координат "С-д".
Розраховують у вигляді різниці прогнозованих проекцій ис(ш), ид(ш) вектора напруги проекцій ис, ид вектора напруги мережі и прогнозовані значення проекцій дис(ш), АПд(ш) результуючого вектора напруги при всіх можливих комбінаціях відкритих і закритих силових ключів перетворювача:
АиС (ш) - ис (ш) - ис, (9)
АПд (ш) - (ш) - ид.
Визначають відхилення Аіс, Аід між заданими і Кд й фактичними іс, ід значеннями проекцій (на осі зазначеної ортогональної обертової координатної системи "С-д") вектора струму і:
де /с, - гістерезисного типу релейні функції від від-
хилень проекцій струму.
З розрахованих значень іі(ш) першого прогнозуючого функціонала знаходять екстремальне значення і01 даного функціонала у вигляді його максимуму, яке відповідає швидкодіючому регулюванню струму на стороні змінного струму перетворювача у динамічних режимах його роботи:
(12)
де ш й ш} - відповідно можлива й відповідна екстремальному значенню першого функціонала комбінація відкритих і закритих силових ключів перетворювача.
Задають припустиму область (яка характеризується границею И) відхилень проекцій вектора струму на стороні змінного струму перетворювача, що відповідає сталим режимам роботи цього перетворювача, з якою порівнюють відхилення Аіс, Аід проекцій вектора струму і. Причому, якщо відхилення Аіс, Аід проекцій вектора струму виходять за межі припустимої області задають значення ш =ш1 комбінації відкритих і закритих силових ключів перетворювача таким, яке відповідає знайденому екстремальному значенню першого прогнозуючого функціонала й забезпечує, швидкодіюче регулювання струму на стороні змінного струму перетворювача у динамічних режимах роботи.
Якщо по закінченні динамічного режиму регулювання струму на стороні змінного струму перетворювача хоча б одне з відхилень Аіс, Аід проекцій струму досягає границі припустимої області відхилень, то встановлюють значення АиС0(ш), АПд0(ш), що відповідають значенням проекцій Пс(ш), ид(ш) прогнозованих результуючих векторів напруги на границі припустимої області відхилень И, установлюють значення АіС0, Аід0 відхилень Аіс, Аід проекцій струму, які належать границям припустимої області відхилень И відповідно до співвідношення:
*і лі АПС 0(ш) г
АіС - АІС 0------------',
Аід - Аід0 -
Аф
Аиф(ш)
(13)
І,
ф
Розраховують для всіх можливих комбінацій (ш = 1, 2, ... 8) відкритих і закритих силових ключів перетворювача значення і2(ш) другого прогнозуючого функціонала, задаючи наступні залежності:
І2(ш) - тіп{і2с (ш), І2д (ш)}
І2С(ш) -Аіс0 + {п[ис0(ш)]}, (14)
І2д (ш) -
АПс 0
Аід0 +^п[Аид0(ш)§И
АП
д0
Через обчислені проекції АПС(ш), АПд(ш) прогнозуючого вектора результуючої напруги і через відхилення Аіс, Аід проекцій струму розраховують для всіх можливих комбінацій відкритих і закритих силових ключів перетворювача значення і1(ш) першого прогнозуючого функціонала:
і1(ш) - К1/дАПд (ш),
К - 1 + sign[fсАПс(ш)]
з яких знаходять екстремальне значення і°2 даного функціонала, що відповідає мінімально можливій частоті перемикань силових ключів перетворювача для сталих режимів роботи й досягається при комбінації ш2 відкритих і закритих силових ключів перетворювача:
І20 - тіп{і2(ш)} при ш - ш2 . (15)
де ш2 - відповідна екстремальному значенню другого функціоналу комбінація відкритих та закритих силових ключів перетворювача.
г.
Кі нець
Рис. 4 Алгоритм прогнозуючого управління активним фільтром
Після входження відхилень Aid, Aiq проекцій струму усередину припустимої області відхилень h (яка відповідає сталому режиму роботи перетворювача) задають комбінацію m відкритих і закритих силових ключів перетворювача рівної згаданому значенню m2, яке відповідає екстремальному значенню Ґ°2 другого прогнозуючого функціонала й забезпечує мінімально можливу частоту перемикання силових ключів цього перетворювача в сталих режимах роботи.
ВИСНОВОК Розділення режиму роботи трифазного силового активного фільтру на статичний і динамічний режими роботи, із використанням алгоритму прогнозуючого управління з визначенням двох функціоналів, яким відповідає комбінація відкритих та закритих силових
ключів перетворювача, дозволяє зменшити частоту комутації останніх.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.
2. Лохов С.М. Энергетические составляющие мощности вентильных преобразователей: учебное пособие. Ч.1. - Челябинск: ЮУрГУ, 1999. - 106 с.
3. Бурлака В.В., Поднебенная С.К., Дьяченко М.Д. Обзор методов управления активными фильтрами // Вісник ПДТУ.
- 2011 - №22.
4. Juan YY. Dixon, Sebastian Tepper M., Luis Moran T. Analysis and evaluation of different modulation techniques for active power filters. IEEE, Chile, 1994, no.5/94, pp. 894-900.
5. Волков А.В., Скалько Ю.С. Потери мощности в системе "Автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией - асинхронный двигатель" // Электромашино-
строение и электрооборудование. - Одесса: ОИПУ. - 2006.
- №66 - С. 309-310.
6. Пат. 44892 U Україна. МПК (51) Ш2Р 7/00, Ш2Р 21/00. Спосіб векторного регулювання струму на стороні змінного струму трифазного чотириквадрантного перетворювача / О.В. Волков, В.О. Волков, М.Л. Антонов - №200900025 Заявлено 05.01.09; Опубл. 26.10.09. Бюл. №20. - 38 с.
7. Домнин И.Ф. Полупроводниковые компенсаторы неактивных составляющих полной мощности: автореф. дис. ... д. техн. наук: 05.09.12 / Домнин Игорь Феликсович; КГУ "ХПИ". - Х., 2008. - 36 с.
REFERENCES: 1. Zhelezko Yu.S. Poteri elektroenergii. Reaktivnaia moshchnost'. Kachestvo elektroenergii [Electricity losses. Reactive power. power quality]. Moscow, ENAS Publ., 2009. 456 p. 2. Lokhov S.M. Energeticheskie sostavliaiмshchie moshchnosti ventil'nykh preo-brazovatelei: м^єЬ^є posobie. Ch.1 [Energy components for power rectifier converters: study guide. Part 1]. Chelyabinsk, South Ural State University Publ., 1999. 106 p. 3. Burlaka V.V., Podnebennaia S.K., D'iachenko M.D. Obzor metodov мpravleniia aktivnymi fil'trami [Review of active filters control methods]. Visnyk Pryazovs'kogo derzhav-nogo tehnichnogo мniversytetм — ВміЄш of Pryazovskyi State Technical University, 2011, no.22. 4. Juan YY. Dixon, Sebastian Tepper M., Luis Moran T. Analysis and evaluation of different modulation techniques for active power filters. IEEE, Chile, 1994, no.5/94, pp. 894-900. 5. Volkov A.V., Skalko Yu.S. Power losses in system "voltage source inverter with pulse-width modulation - induction motor". Elektromashinostroenie i elektroobomdovanie — Electrical machine-Ъмilding and electrical eqмipment, 2006, no.66, pp. 309-310. б. Volkov O.V., Volkov V.O., Antonov M.L. Sposob vektornogo regмlirovaniia toka na storone pere-mennogo toka trekhfaznogo chetyrekhkvadrantnogo preobrazovatelia [Method for vector control of current for AC side of three-phase four-quadrant converter]. Patent UA, no.44892, 2009. 7. Domnin I.F. Pob.-provodnikovye kompensatory neaktivnykh sostavliaiмshchikh polnoi moshchnosti. Autoref. diss. dokt. techn. nauk [Semiconductor components inactive compensators apparent power. Abstracts dr. techn. sci. diss.]. Kharkiv, 2008. 36 p.
Надійшла (received) 05.12.2013
Власенко Руслан Володимирович1, аспірант,
Бялобржеський Олексій Володимирович1, к.т.н., доц.,
1 Кременчуцький національний університет ім. Михайла Остроградського,
39600, Полтавська обл., Кременчук, вул. Першотравнева, 20,
тел/phone +38 066 7588712,
е-mail: [email protected], [email protected]
R.V. Vlasenko1, O.V. Bialobrzeski1
1 Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University 20, Pershotravneva Str., Kremenchuk, Poltava region, 39600, Ukraine A predictive control algorithm for an active three-phase power filter.
The paper deals with grid connection circuits for active filters, structures of active power filter control systems, and methods based on full capacity components determination. The existing structures of active power filter control and control algorithm adjustment for valve commutation loss reduction are analyzed. A predictive control algorithm for an active three-phase power filter is introduced.
Key words - active power filter, predictive control, P-Q theory, reactive power compensation, modulation techniques.
