Улучшение синхронизации параллельного активного силового фильтра с питающей сетью

УДК 621.316.7 DOI: 10.14529/power180411

УЛУЧШЕНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО АКТИВНОГО СИЛОВОГО ФИЛЬТРА С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ

В.Г. Токарев

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия

Рассмотрены особенности синхронизации трехфазных параллельных активных силовых фильтров с питающей сетью. Предложена усовершенствованная топология блока синхронизации, которая позволила улучшить стабильность синхронизации. Улучшение работы блока синхронизации достигнуто введением полосовых фильтров для фильтрации входных сигналов блока синхронизации с фазовой автоподстройкой частоты. Выполнен синтез цифрового полосового фильтра второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой. Проведено имитационное моделирование трехфазного параллельного активного силового фильтра с предложенной топологией блока синхронизации. Проведенные эксперименты на лабораторной установке - прототипе трехфазного активного силового фильтра - подтвердили результаты, полученные в ходе имитационного моделирования.

Ключевые слова: активный силовой фильтр, синхронизация с питающей сетью, фазовая автоподстройка частоты, цифровой фильтр.

Введение

Повсеместное распространение полупроводниковых силовых преобразовательных устройств, таких как импульсные источники питания, регуляторы частоты вращения электродвигателей и др., которые являются нелинейной нагрузкой, сделало весьма актуальной проблему компенсации высших гармоник тока, вносимых в распределительную сеть такой нагрузкой. Наиболее эффективным устройством для компенсации высших гармоник тока является параллельный активный силовой фильтр (АСФ). Конструкция и принцип работы параллельного АСФ широко представлены в научной литературе [1-3]. Обобщенная блок-схема параллельного АСФ представлена на рис. 1.

Процесс синхронизации критически важен для подобного рода систем, так как ошибки синхронизации могут значительно снизить эффектив-

ность работы системы или даже привести к аварии. Базовым принципам синхронизации трехфазных силовых преобразователей с питающей сетью посвящен ряд работ [4-6].

Так, в работе [5] предложен блок синхронизации с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), основанный на математическом аппарате перехода к синхронной вращающейся системе координат -последовательным преобразованием Э. Кларк и Парка - Горева [7, 8]. Блок-схема такой ФАПЧ на базе синхронной вращающейся d-q системы координат представлена на рис. 2. Блок ABC/dq0 преобразует отсчеты фазных напряжений в синхронную вращающуюся систему координат, PI регулятор накапливает сигнал ошибки по оси q, интегратор с внутренним сбросом формирует угол 9 обобщенного вектора напряжения относительно неподвижной системы координат в пределах

Рис. 1. Упрощенная блок-схема параллельного активного силового фильтра

Рис. 2. Блок-схема ФАПЧ на базе синхронной вращающейся системы координат

Рис. 3. Эквивалентная схема подключения АСФ к питающей сети

от 0 до 2п. Этот же угол 9 используется для преобразования Парка - Горева. Если проекция обобщенного вектора напряжения на ось q отлична от нулевого значения, сигнал ошибки, накопленный в Р1 регуляторе, складывается с постоянной времени интегратора, влияя на скорость изменения угла 9 во времени, и значение по оси q стремится к нулевой величине. Таким образом осуществляется обратная связь и обеспечивается синхронизация.

Построенный по такому принципу блок синхронизации был применен в активном силовом фильтре [9]. В процессе моделирования и проведения экспериментов [10] блок синхронизации устойчиво функционировал при работе АСФ в режиме активного выпрямителя, но переход АСФ в режим компенсации высших гармоник тока приводил к периодическим сбоям синхронизации.

Причина этого явления кроется в особенностях работы параллельного АСФ. На рис. 3 представлена эквивалентная схема подключения АСФ к одной их фаз питающей сети.

Как видно из рис. 3, схема имеет два источника ЭДС - ЭДС сети ес и ЭДС фильтра еф. 7с, 7ф и 7н - импедансы сети, уравнительного реактора фильтра и нагрузки соответственно.

Мгновенное значение напряжения в точке А (в месте подключения АСФ к питающей сети) можно выразить формулой 7

А) = угу- (ее + iф(t )7а),

7 с + 7н

где /ф(/) - ток компенсации, инжектируемый АСФ в питающую сеть. Другими словами, формируемый АСФ ток компенсации /ф(?) искажает напряжение в точке подключения АСФ к питающей сети при ненулевом импедансе сети. Что в итоге приводит к сбоям синхронизации АСФ с напряжением сети на величину больше допустимого по стандарту [11] и неправильной работе системы управления АСФ.

Постановка задачи

Для того чтобы устранить сбои синхронизации АСФ с сетью, необходимо снизить влияние вносимых АСФ помех по напряжению. Один из вариантов решения заключается в выделении основной гармоники из сигнала, поступающего от датчиков фазных напряжений с помощью цифрового фильтра. При этом фильтр не должен вносить фазового сдвига на промышленной частоте переменного тока 50 Гц и должен быть реализован на базе целочисленной машинной арифметики.

Синтез цифрового фильтра

Для решения поставленной задачи был выбран полосовой фильтр, так как он удовлетворяет требованию отсутствия фазового сдвига [12]. Синтез цифрового фильтра осуществлялся в среде FDATool пакета ЫАТН1АВ. Исходные данные для синтеза фильтра приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для синтеза фильтра

Аббревиатура MATHLAB Параметр Значение

Fs Частота дискретизации 10 200 Гц

Fstopl Нижняя граница полосы заграждения 20 Гц

Fpassl Нижняя граница полосы пропускания 49 Гц

Fpass2 Верхняя граница полосы пропускания 51 Гц

Fstop2 Верхняя граница полосы заграждения 80 Гц

Astopl Подавление в нижней полосе заграждения 20 дБ

Apass Неравномерность в полосе пропускания 1 дБ

Astop2 Подавление в верхней полосе заграждения 20 дБ

В процессе синтеза получен цифровой фильтр второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ фильтр), удовлетворяющий заданным условиям. Топология синтезированного фильтра и его коэффициенты представлены на рис. 4 и в табл. 2 соответственно.

Для получения целочисленной реализации коэффициенты из табл. 2 домножались на целочисленную константу и округлялись к ближайшему целому.

Математическое моделирование синтезированного целочисленного БИХ фильтра второго порядка осуществлялось в среде моделирования PSim.

Характеристики фильтра в частотной области, полученные в результате математического моделирования, и результаты фильтрации входного сигнала прямоугольной формы приведены на рис. 5 и 6 соответственно. Результаты моделирования соответствуют ожидаемым.

А

Рис. 4. Топология цифрового БИХ фильтра второго порядка

Таблица 2

Коэффициенты синтезированного фильтра

Коэффициент Значение

B(1; 2; 3) 1; 0; -1

A(1; 2; 3) 1; -1,996634738635; 0,9975817734755

5(1) 0,001209113262239

Amplitude, dB

- - -- _ _

- ~ - -

Phase

50 100

Frequency

Рис. 5. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики синтезированного фильтра

Vin Vout

0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3

Time

Рис. 6. Фильтрация входного сигнала прямоугольной формы

Однако в процессе математического моделирования целочисленного БИХ фильтра выявлена зависимость фазового сдвига, вносимого фильтром, от амплитуды входного сигнала. Это происходит вследствие потери точности при переходе к

целочисленной арифметике.

Усовершенствованный блок

синхронизации с ФАПЧ

Основываясь на полученных выше результатах, была предложена усовершенствованная топология блока синхронизации с ФАПЧ для синхронизации АСФ с питающей сетью. Блок-схема решения приведена на рис. 7.

Сигналы, снимаемые с датчиков фазных на-

пряжений иа, иь и ис, усиливаются и ограничиваются. Тем самым осуществляется приближение входных сигналов к сигналам прямоугольной формы с нормированной амплитудой. Затем с помощью цифровых целочисленных полосовых БИХ фильтров из полученных сигналов выделяется первая гармоника. Дальнейшие преобразования осуществляются так же, как было описано выше.

Имитационное моделирование АСФ с предложенным блоком синхронизации

Государственный стандарт [11] не допускает отклонение от номинальной частоты напряжения электропитания больше чем на 0,4 Гц (0,8 %). Это требование относится к системе ФАПЧ АСФ.

Рис. 7. Предложенный блок синхронизации с ФАПЧ

Time

Рис. 8. Фазное напряжение Ua и сигнал синхронизации Theta традиционного блока синхронизации

Рис. 9. Фазное напряжение иа и сигнал синхронизации Theta усовершенствованного блока синхронизации

При рассогласовании синхронизации с сетью на большую величину блок защиты АСФ отключает режим компенсации.

Для верификации эффективности усовершенствованной ФАПЧ было проведено имитационное моделирование АСФ в среде моделирования PSim. Подробное описание имитационной модели изложено в [10].

Сначала моделировалась работа блоков синхронизации в условиях экстремально искаженного сетевого напряжения. Результаты моделирования приведены на диаграммах рис. 8 и 9.

Как видно из диаграмм, традиционный блок синхронизации показывает худшую линейность

сигнала синхронизации Theta, чем предложенный блок синхронизации.

Затем моделировалась работа АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности. Результаты моделирования работы АСФ с традиционным и предложенным блоками синхронизации приведены на рис. 10 и 11 соответственно. Обозначения на диаграммах: - ток сети фазы А;

1с - ток компенсации фазы А;

иа, иь, ис - фазные напряжения;

Theta - сигнал синхронизации;

PLL_OK - сигнал, показывающий стабильность синхронизации.

Time

Рис. 10. Имитационное моделирование работы АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности с традиционным блоком синхронизации

Рис. 11. Имитационное моделирование работы АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности с усовершенствованным блоком синхронизации

Рис. 12. Общий вид экспериментальной установки АСФ

Рис. 13. Диаграмма токов и напряжений АСФ с традиционным блоком синхронизации

Рис. 14. Диаграмма токов и напряжений АСФ с предложенным блоком синхронизации

Моделирование показало, что традиционный блок синхронизации допускает рассогласование по фазе с напряжением сети выше допустимого значения, что приводит к нестабильной работе АСФ и принудительному отключению режима компенсации. Применение усовершенствованного блока синхронизации позволило удержать рассогласование по фазе с напряжением питающей сети в требуемых пределах и улучшить стабильность работы АСФ.

Экспериментальная проверка работы АСФ с усовершенствованным блоком синхронизации

Для экспериментальной проверки эффективности работы предложенного блока синхронизации была использована экспериментальная установка [10]. Общий вид экспериментальной установки АСФ приведен на рис. 12. АСФ реализован на трехфазном трехуровневом инверторе напряжения. Система управления АСФ выполнена на отечественном микроконтроллере с АРМ архитектурой и целочисленной арифметикой 1986ВЕ1Т производства АО «ПКК Миландр».

В ходе эксперимента исследовалась работа АСФ с традиционным и предложенным блоками

синхронизации в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности.

В процессе исследования при работе АСФ с традиционным блоком синхронизации наблюдались периодические срывы синхронизации и сбои (рис. 13). В том же режиме работы и при тех же условиях АСФ с предложенным блоком синхронизации функционировал стабильно (рис. 14).

Заключение

В данной работе была рассмотрена проблема неустойчивой синхронизации параллельного трехфазного АСФ с питающей сетью. Сбои синхронизации вызваны вносимым АСФ искажением напряжения сети в точке подключения при ненулевом импедансе электрических цепей распределительной сети. Для решения проблемы предложен усовершенствованный блок синхронизации с ФАПЧ, в котором осуществлялась предварительная фильтрация сигналов, снимаемых с датчиков фазных напряжений, цифровыми полосовыми фильтрами.

Для верификации эффективности работы предложенного блока синхронизации было выполнено имитационное моделирование АСФ. В ходе моделирования проведено сравнение работы АСФ

с традиционным и предложенным блоками синхронизации в режиме компенсации высших гармонических составляющих тока и реактивной мощности. АСФ с предложенным блоком синхронизации показал лучшую стабильность по сравнению с АСФ с традиционным блоком синхронизации.

Результаты моделирования подтверждены экспериментально на лабораторном прототипе АСФ.

Литература

1. Akagi, H. New Trends'in Active Filters for Power Conditioning / H. Akagi // IEEE Transactions on Industry Applications. - 1996. - Vol. 32, iss. 6. -P. 1312-1322. DOI: 10.1109/28.556633

2. Поднебенная, С.К. Силовой параллельный активный фильтр с повышенной эффективностью / С.К. Поднебенная, В.В. Бурлака, С.В. Гула-ков // Электротехника. - 2013. - № 6. - С. 15-20.

3. Лютаревич, А.Г. Оценка эффективности использования активного фильтра гармоник в системах электроснабжения / А.Г. Лютаревич, С.Ю. Долингер // Омский научный вестник. - 2010. -№ 1. - С. 133-136.

4. Борисов, П.А. Синхронизация трехфазных активных выпрямителей напряжения с питающей сетью / П.А. Борисов, Н.А. Поляков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 4 (80). -С. 55-60. DOI: 10.1109/28.924769

5. Kaura, V. Operation of a phase locked loop system under distorted utility conditions / V. Kaura, V. Blasko // IEEE Transactions on Industry Application. - 1997. - Vol. 33, iss. 1. - P. 58-63. DOI: 10.1109/28.567077

6. Chung, S.-K. Phase-locked loop for grid-connected three-phase power conversion systems / S.-K. Chung. //IEE Proceeding Electric Power Application. - 2000. - Vol. 147, iss. 3. - P. 213-219. DOI: 10.1049/ip-epa:20000328

7. Duesterhoeft, W. C. Determination of instantaneous currents and voltages by means of alpha, beta, and zero components / W. C. Duesterhoeft, M. W. Schulz, E. Clarke // Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. - 1951. - Vol. 70, no. 2. -P. 1248-1255. DOI: 10.1109/T-AIEE.1951.5060554

8. Park, R.H. Two-reaction theory of synchronous machines / R.H. Park // Trans-actions of the American Institute of Electrical Engineers. - 1929. - Vol. 48, no. 3. - P. 716-727. DOI: 10.1109/T-AIEE. 1929.5055275

9. Improving the Active Power Filter Performance with a Prediction-based Control Method / Vadim G. Tokarev, Sergey V. Brovanov, Alexander A. Yakimenko, Aleksey V. Sidorenko, Denis V. Solovev // The 17 international conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices, EDM 2016 : proc., Altai, Erlagol, 30 June - 4 July 2016. - Novosibirsk: NSTU, 2016. - P. 577-582. DOI: 10.1109/EDM. 2016.7538802

10. Имитационная и экспериментальная верификация прогнозирующего алгоритма управления активным силовым фильтром / В.Г. Токарев, С.В. Брованов, М.А. Дыбко, А.В. Удовиченко // Электроприводы переменного тока. ЭППТ-2018: материалы 17 междунар. науч.-техн. конф., Екатеринбург, 26-30 марта 2018 г. - Екатеринбург: УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. - С. 28-33. DOI: 10.1109/ACED.2018.8341676

11. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 321442013. - Введ. 2014.07.01. - М.: Стандартинформ, 2013. - 10 с.

12. Смит, С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников / С. Смит; пер. с англ. А.Ю. Ли-новича, С.В. Витязева, И. С. Гусинского. - М.: До-дэка XXI, 2011. - 720 с. +CD: ил.

Токарев Вадим Геннадьевич, старший преподаватель, кафедра «Вычислительная техника», Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск; v.tokarev@corp.nstu.ru.

Поступила в редакцию 30 ноября 2018 г.

DOI: 10.14529/power180411

IMPROVEMENT OF SHUNT ACTIVE POWER FILTER SYNCHRONIZATION WITH DISTRIBUTION NETWORK

V.G. Tokarev, v.tokarev@corp.nstu.ru

Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation

The paper reviews the features of the synchronization system for three-phase shunt active power filters. It suggests an improved more stable design of a synchronization system with. The synchronization system has been improved by introducing bandpass filters in order to filter the input signals of a conventional phase-locked loop synchronization system. The design of the second-order infinite impulse response bandpass filter has been elaborated. The simulation of the three-phase shunt active power filter with the proposed synchronization system was carried out. The simulation results were verified by the laboratory prototype of a three-phase active power filter. Keywords: active power filter, synchronization with distribution network, phase-locked loop, digital filter.

References

1. Akagi H. New Trends'in Active Filters for Power Conditioning. IEEE Transactions on Industry Applications,, 1996, vol. 32, iss. 6, pp. 1312-1322. DOI: 10.1109/28.556633

2. Podnebennaya S.K., Burlaka V.V., Gulakov S.V. [Shunt Active Power Filter with Increased Efficiency]. Elektrotekhnika, 2013, no. 6, pp. 15-20.

3. Lyutarevich A.G., Dolinger S.Y. [Assessment of the Efficiency of Using an Active Filter of Harmonics in Electrical Supply Systems for Improving the Quality of Electric Energy]. Omsk Scientific Bulletin, 2010, no. 1, pp. 133-136.

4. Borisov P.A., Polyakov N.A. [Synchronization of Three-phase Active Voltage Rectifiers with the Power Supply Network]. Sci.Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt, 2012, no. 4 (80), pp. 55-60. (in Russ.) DOI: 10.1109/28.924769

5. Kaura V., Blasko V. Operation of a Phase Locked Loop System under Distorted Utility Conditions. IEEE Transactions on Industry Application, 1997, vol. 33, iss. 1, pp. 58-63. DOI: 10.1109/28.567077

6. Chung S.-K. Phase-Locked Loop for Grid-Connected Three-Phase Power Conversion Systems. IEE Proceeding Electric Power Application, 2000, vol. 147, iss. 3, pp. 213-219. DOI: 10.1049/ip-epa:20000328

7. Duesterhoeft W.C., Schulz M.W., Clarke E. Determination of Instantaneous Currents and Voltages by Means of Alpha, Beta, and Zero Components. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 1951, vol. 70, no. 2, pp. 1248-1255. DOI: 10.1109/T-AIEE.1951.5060554

8. Park R.H. Two-Reaction Theory of Synchronous Machines. Trans-Actions of the American Institute of Electrical Engineers, 1929, vol. 48, no. 3, pp. 716-727. DOI: 10.1109/T-AIEE.1929.5055275

9. Vadim G. Tokarev, Sergey V. Brovanov, Alexander A. Yakimenko, Aleksey V. Sidorenko, Denis V. Solovev. Improving the Active Power Filter Performance with a Prediction-Based Control Method. The 17 International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM 2016: proc., Altai, Erlagol, 30 June - 4 July 2016, Novosibirsk, NSTU Publ., 2016, pp. 577-582. DOI: 10.1109/EDM.2016.7538802

10. Tokarev V.G., Brovanov S.V., Dybko M.A., Udovichenko A.V. [Modeling and Experimental Verification of a Prediction Algorithm for Controlling an Active Power Filter]. Elektroprivodyperemennogo toka. [Proc. 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED)]. Ekaterinburg, 2018, pp. 28-33. (in Russ.) DOI: 10.1109/ACED.2018.8341676

11. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniyaelectric energy:GOST 32144-2013. [Electromagnetic Compatibility of Technical Equipment. Power Quality Limits in the Public Power Supply Systems

12. Steven W. Smith Digital Signal Processing: A Practical Guide for Engineers and Scientists. Newnes Publ., 2003. 650 p.

Received 30 November 2018

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

Токарев, В.Г. Улучшение синхронизации параллельного активного силового фильтра с питающей сетью / В.Г. Токарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2018. - Т. 18, № 4. - С. 101-108. DOI: 10.14529/power180411

FOR CITATION

Tokarev V.G. Improvement of Shunt Active Power Filter Synchronization with Distribution Network. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2018, vol. 18, no. 4, pp. 101-108. (in Russ.) DOI: 10. 14529/power180411