МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО, МЛАДЕЖТА И НАУКАТА

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И

ТЕХНОЛОГИИ КАТЕДРА “СИЛОВА ЕЛЕКТРОНИКА”

Доц. д-р инж. Михаил Христов Анчев

ИЗСЛЕДВАНЕ НА АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

АВТОРЕФЕРАТ НА ДИСЕРТАЦИЯ

представена за придобиване на научна степен “Доктор на техническите науки”

научна област 5.2.Електротехника, електроника и автоматика

научна специалност Електронни преобразуватели

София 2010

2

Дисертационният труд е обсъден на заседание на катедрения съвет на катедра “Силова електроника” при Технически Университет – София в разширен състав, състояло се на 14.06.2010 г. и завършило с положително решение за готовността за защита. Научното жури и датата на защита са определени със заповед на Ректора на Технически Университет – София 1254/11.05.2011. Всички изследвания са направени от автора в катедра “Силова електроника” при Технически Университет – София в периода 2000 – 2010 г. В заключителния етап те бяха подпомогнати от договор ВУ-ТН-116 между Научно-изследователски сектор при Технически Университет – София и Министерството на образованието, младежта и науката на РБългария на тема “Изследване възможностите за реализация на активни силови филтри за повишаване енергийната ефективност при използване на електрическа енергия и подобряване на качеството й”. Част от резултатите по дисертационния труд са използвани при реализацията на изделия по два договора на Научно-изследователски сектор при Технически Университет – София с външни организации. Авторът д-р инж. Михаил Христов Анчев е доцент в катедра “Силова електроника” на Технически Университет – София. Официалната защита на дисертационния труд ще се състои на 08.09.2011 г. от 15.30 ч. в зала 1434 на Технически Университет – София. Материалите по защитата се намират в канцеларията на катедра “Силова електроника” - стая 1400, блок 1 на Технически Университет – София и са публикувани на Интернет-страницата на Технически Университет – София. Рецензенти: 1.Проф. д.т.н. инж. Минчо Савов Минчев 2.Проф. д-р инж. Стефан Евтимов Табаков 3.Проф. д-р инж. Рачо Маринов Иванов Автор: Доц. д-р инж. Михаил Христов Анчев Заглавие: “Изследване на активни силови филтри” Тираж: 50 Издателство на Технически Университет - София

3

СЪДЪРЖАНИЕ

Стр. ВЪВЕДЕНИЕ 3

ПЪРВА ГЛАВА.Общи сведения. 1.1.Основни насоки за повишаване енергийната ефективност по отношение източник на променливотокова електрическа енергия и подобряване на качеството й.

5

1.2.Основни изводи по първа глава. 11 1.3. Обект на изследване, цели на дисертационния труд, методи и средства за изследване.

12

ВТОРА ГЛАВА.Паралелни активни силови филтри. 2.1. Общи сведения. 13 2.2.Основни силови схеми. 14 2.3.Основни зависимости. 16 2.4.Метод на “еквивалентната синусоида”. 21 2.5.Проектиране на силовите схеми на паралелни активни силови филтри.

25

2.6.Системи за управление на паралелни активни силови филтри. 29 2.7.Изследване на паралелни активни силови филтри посредством компютърна симулация.

33

2.8.Експериментални резултати от изследване на паралелни активни силови филтри.

36

2.9.Технически и икономически съображения при използване на паралелни активни силови филтри.

44

2.10. Основни изводи по втора глава. 46 ТРЕТА ГЛАВА. Последователни активни силови филтри.

3.1.Основни силови схеми. 47 3.2.Основни зависимости. 48 3.3.Хистерезисно регулиране при последователни активни силови филтри.

51

3.4.Проектиране на силовите схеми на последователни активни силови филтри.

55

3.5.Системи за управление на последователни активни силови филтри.

58

3.6.Изследване на последователни активни силови филтри посредством компютърна симулация.

64

3.7.Експериментални резултати от изследване на последователни активни силови филтри.

67

3.8.Технически и икономически съображения при използване на последователни активни силови филтри.

71

3.9.Основни изводи по трета глава.

72

4

ЧЕТВЪРТА ГЛАВА.Универсални подобрители на качеството на електрическата енергия.

4.1. Основни силови схеми. 73 4.2. Основни зависимости. 75 4.3. Изследване на универсални подобрители на качеството на електрическата енергия посредством компютърна симулация.

77

4.4. Основни изводи по четвърта глава. 79 НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ 79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81 ДОПЪЛНИТЕЛНИ СВЕДЕНИЯ 82

Договори за изследвания и разработки във връзка с дисертационния труд.

82

Използване на резултатите в учебния процес. 83 Публикувани научни работи във връзка с дисертационния труд. 83 Списък на публикуваните научни работи. 83

ЛИТЕРАТУРА 85

Забележка: В автореферата е запазена номерацията на отделните глави и раздели. Номерацията на формулите и фигурите се различава от тази в дисертационния труд.

ВЪВЕДЕНИЕ В най-общ смисъл понятието “енергийна ефективност” се свързва с

отношението на изходна (полезна, използвана) енергия към входна (първична, преобразувана) енергия. Както е известно, факторът на мощност (power factor, leistungsfactor, коэффициент мощности) на нелинеен товар по отношение източник на променливотокова електрическа енергия се определя със зависимостта:

ϕν cos.==SPKP ,

където P и S са активната и пълна мощности от захранващата мрежа. Коефициентът на изкривяване на формата на тока (distortion factor) от мрежата ν е:

II1=ν ,

където I и 1I са ефективните стойности на тока от източника и на първата му хармонична. Коефициентът на дефазиране (displacement factor, коэффициент фазового сдвига) ϕcos се определя от дефазирането ϕ между мрежовото напрежение и първата хармонична на тока от източника. Прилагането на мерки за повишаване на фактора на мощност е продуктивано от стремежа за по-пълно използване мощността на променливотоковия източник. Известно е ,че колкото PK е по-близък до единица, толкова по-малки са реактивната мощност Q и мощността на изкривяване D , с които се натоварва източника, т.к.:

5

2222 DQPS ++= За тази цел е необходимо консумираният ток да бъде по-близък по

форма до синусоида, като първата му хармонична е във фаза със захранващото напрежение. Факторът на мощност и коефициентът на полезно действие η определят енергийната ефективност по отношение на източника, т.к.:

ηϕυηη .cos...=== P

OE K

SP

SP

K ,

където OP е изходната мощност, а EK - коефициент на енергийна ефективност. Структурата на системите за преобразуване на енергия от възобновяеми енергийни източници е различна, но изходният преобразувател е инвертор към захранващата мрежа. Влиянието на нелинейния консуматор върху инвертора отново се определя от фактора му на мощност. От казаното се вижда, че независимо дали става дума за получаване на електрическа енергия от захранващата мрежа или от възобновяем източник, въпросите за енергийната ефективност на консуматорите (в частност фактор на мощност и коефициент на полезно действие) са изключително актуални.

Освен с коефициента на изкривяване формата на тока, несинусоидалността му се характеризира и с коефициент на хармонични (total harmonic distortion - THD): KI е ефективната стойност на хармоника с номер к. Връзката между коефициента на изкривяване формата на тока и коефициента на хармонични е:

По аналогичен на тока начин, се въвежда и използва и коефициент на хармонични за променливото напрежение на даден източник, използвайки ефективните стойности на хармоничните на напрежението KU :

Условно стандартите за взаимно влияние между източника на

променливотокова електрическа енергия и електрическото оборудване, могат да се разделят на две групи, въпреки взаимната връзка между тях: 1. Стандарти, регламентиращи качеството на електрическата енергия в електрическите мрежи. В тази група основен е стандартът EN 50160,

1

2

2

I

IK k

k

H

∑∞

== .

211

HK+=ν .

1

2

2

U

UK k

k

H

∑∞

== .

6

който дефинира характеристиките на електричество “ниско напрежение”, доставяно от електрическите компании.

2. Стандарти, регламентиращи показателите на електрическите консуматори по отношение на захранващата мрежа – емисия на хармонични, фактор на мощност. Тук трябва да се имат предвид IEEE стандарт 519 (1992г.), както и стандартите на международната електротехническа комисия – IEC 1000-3-2 и IEC 1000-3-4. В рамките на Европейския съюз стандартът EN 61000-3-2 ( в сила от 01.01.1996 г.) лимитира нивото на хармоничните на мрежовия ток при електрическо оборудване с консумиран ток <16A на фаза. При ток >16A на фаза се прилагат изискванията на стандарта EN 61000-3-4 ( в сила от 01.01.1997 г.). При изследванията, представени в настоящата работа, са взети предвид изискванията на посочените по-горе международни стандарти.

ПЪРВА ГЛАВА ОБЩИ СВЕДЕНИЯ

1.1.ОСНОВНИ НАСОКИ ЗА ПОДОБРЯВАНЕ ЕНЕРГИЙНАТА ЕФЕКТИВНОСТ ПО ОТНОШЕНИЕ ИЗТОЧНИЦИ НА ПРОМЕНЛИВОТОКОВА ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯ

И ПОДОБРЯВАНЕ НА КАЧЕСТВОТО Й Работата за повишаване енергийната ефективност по отношение източник на променливотокова електрическа енергия, както и за подобряване на качеството й, се провежда в две основни насоки:

1. Прилагане на специални силови електронни устройства с цел подобряване фактора на мощност и хармоничния състав на консумирания от захранващата мрежа ток при вече инсталирано електрооборудване. Прилагане на специални силови електронни устройства за подобряване качеството на захранващото напрежение на “чувствителни” консуматори.

2. Разработка на нови методи и схеми за преобразуване на променливотокова електрическа енергия, притежаващи повишен фактор на мощност и подобрен хармоничен състав на консумирания ток.

По втората насока по-известни постижения са например модифицирани схеми на тиристорни управляеми токоизправители, последователно и несиметрично регулиране на токоизправители, стъпално-фазово регулиране на токоизправители и променливотокови регулатори, токоизправители с широчинно-импулсна модулация, активна корекция на фактора на мощност при неуправляеми токоизправители и др.

В следващата част на тази глава вниманието е съсредоточено върху първата насока на работа, т.к. устройствата, разглеждани в дисертационния труд, са свързани с това направление.

1.1.1. Гъвкави системи за пренасяне на електрическата енергия –Flexible AC Transmission Systems – FACTS

7

Включването на силови електронни устройства придава известна адаптивност в процеса на пренасяне и разпределение на електрическа енергия, поради което използващите ги системи се наричат Flexible AC Transmission Systems (FACTS). Това наименование се използва още в началото при прилагане на тиристори в предназначените за тази цел силови електронни устройства. С приложението на напълноуправляеми силови транзистори възниква и нов клас системи – Advanced FACTS. По – долу са описани накратко особеностите на използваните в т.н. FACTS силови електронни устройства. Статичен компенсатор на реактивна енергия - Static Var Compensator

(SVC) Състои се от тиристорно - управляеми индуктивности, тиристорно -

превключвани кондензатори и пасивни резонансни филтри на някои от нисшите хармонични. Посредством системата за управление на компенсатора може плавно да се изменя стойността на еквивалентната индуктивност, а следователно и натоварването на източника с реактивна енергия. Отдаването на реактивна енергия става стъпално чрез безконтактно превключване на кондензаторите посредством импулсите за управление на тиристорите.

Статичен синхронен компенсатор (STATCOM) Състои се от съгласуващ трансформатор, инвертор, захранван от

източник на напрежение - voltage source converter (VSC) със система за управлението му. Управлението на преобразувателя става по такъв начин, че изходният му ток OUTI може или да изпреварва на

2π , или да изостава на

2π от напрежението на линията TV . В първия случай STATCOM се явява

източник на реактивна енергия, а във втория – консуматор на реактивна енергия. Работата в единия или другия режим се определя от дефазирането на изходното напрежение OUTV на VSC спрямо TV , което може да се променя посредством системата за управление на VSC.

Тиристорно - управляем последователен компенсатор - Тhyristor Controlled Series Compensator (TCSC)

Той включва кондензатор с постоянна стойност и тиристорно - регулируема индуктивност, импедансът ( )αLX на която зависи от ъгъла на управление на тиристорите α . Т.к. стойността на ( )αLX може да се променя от LX до ∞ , то стойността на еквивалентния импеданс TCSCX може

да се променя от CL

CL

XXXX+. до CX с изменение на ъгъл α . Промяната на

импеданса може да се използва за демпфиране на колебания по време или след възникнали смущения.

8

Статичен синхронен последователен контролер – Static Synchronous Series Controller (SSSC)

Състои се от преобразувател, кондензатор и трансформатор. Напрежението във вторичната намотка на трасформатора qV се поддържа

винаги дефазирано на 2π по отношение на тока I през нея - или го

изпреварва или изостава от него. По този начин се осъществява последователна компенсация, като може да се регулира и стойността на напрежението qV . Предаваната активна мощност може да се регулира посредством това напрежение. Универсален контролер на потока на мощност - Unified Power Flow

Controller (UPFC) Свързването на STATCOM и SSSC помежду им откъм

постояннотоковата страна при наличие на кондензатор, позволява да се осъществи двупосочно предаване на енергия между условните изходи на STATCOM и SSSC. UPFC включва два инвертора на напрежение - voltage source inverters (VSI), свързани към линията посредством трансформатори – първият чрез shunt transformer T1, а вторият – чрез series transformer T2. Converter 1 работи в т.н.“Automatic voltage control mode”. Токът в първичната намотка на Т1 1CI се състои от две компоненти – активна, която е във фаза или противофаза с напрежението на линията и реактивна, която е изпреварваща или изоставаща на

2π спрямо това напрежение.

Converter 2 работи в т.н. “Automatic power flow control mode” – той инжектира симетрична трифазна система напрежения 2CV с възможност за промяна на амплитудата и фазовият им ъгъл последователно в линията за регулиране на потока на реактивна и активна мощност в нея.

Контролер за регулиране потока на мощност между линии - Interline Power Flow Controller (IPFC)

Концепцията за създаването му възниква във връзка от необходимостта да се контролира потока на мощностите в многолинейни системи за пренасяне на електрическа енергия – най-често една основна линия и няколко разклонения. Идеята на IPFC е да може да се обменя енергия между отделните линии чрез общ постояннотоков източник, захранващ отделни SSSC, включени във всяка от линиите. Постоянното напрежение може да се получи от STATCOM, включен в N - тата линия – най-често основната.

Приспособим статичен компенсатор (Convertible Static Compensator – CSC)

Състои се от система от трансформатори, превключватели и преобразуватели, включени по определен начин между линиите.

9

Системата може да се управлява по такъв начин, че да работи като STATCOM, SSSC, UPFC , IPFC.

1.1.2.Активни силови филтри Постиженията в областта на силовата електроника способстваха за

създаването на нов клас силови електронни устройства - активни силови филтри (АСФ) – active power filters (APF). Това название е получило международно разпространение и се използва в настоящия дисертационен труд. Все пак трябва да се направи уточнението, че тези устройства не са само филтри, както би следвало да се очаква от названието им. То съответства само на една от функциите им – отстраняване на висши хармонични от кривата на консумиран от променливотоков източник ток, или отстраняване на висши хармонични в кривата на захранващо консуматор променливо напрежение. Освен това с тяхна помощ може да се извърши корекция на фактора на мощност по отношение на захранващата мрежа, като освен мощността на изкривяване се компенсира и реактивната мощност. При използване на кондензатор като елемент за съхранение на енергията в постояннотоковата страна, в определени научни трудове е използвано определението “DC Capacitor Based Energy Management System”. Характерна тяхна особеност е възможността им да се използват и при по-малки мощности в сравнение с описаните по-горе устройства.

Силовите схеми на активните силови филтри са изградени като преобразуватели с двупосочна проводимост – инвертор, захранван с източник на ток - CSI(current source inverter) с индуктивност за енергонатрупващ елемент, и инвертор, захранван с източник на напрежение - VSI(voltage source inverter) с кондензатор за енергонатрупващ елемент. В последните години се забелязва засилен интерес към използването на инвертори с модулация на няколко нива – “multilevel inverters”. По отношение на свързването си към системата захранваща мрежа – товар, активните силови филтри са паралелни, последователни и комбинация от двата. Последователните филтри служат за елиминиране на хармоничните на напрежението, както и за отстраняване на случайни промени в стойността му. Паралелните се използват за елиминиране на хармоничните на тока и за компенсация на реактивната мощност. За тази цел, макар и рядко, могат да се използват и последователни активни силови филтри. Комбинацията от паралелен и последователен АСФ се нарича универсален подобрител на качеството на електроенергия – unified power quality conditioner (UPQC). Използват се и комбинации между активни и пасивни филтри, които се наричат хибридни филтри. Системите за управление на АСФ следят различни величини в зависимост от избраните алгоритми на работа. Величините, които могат да носят полезна информация при управлението на филтъра са постоянното напрежение на енергонатрупващия елемент (ако е кондензатор) или неговия ток (ако е

10

индуктивност), както и входното променливо напрежение. Токовете, които се следят най-често са токът на товара, токът от мрежата и/или филтровият ток.

Паралелни активни силови филтри (Shunt Active Power Filters) Наименованието им произтича от факта, че се явяват паралелно

свързани на входните клеми на консуматора, т.е. токът им е част от тока на променливотоковия захранващ източник. По отношение силовите схеми на тези филтри може да се каже, че основно се използват схеми на преобразуватели, захранвани от източник на напрежение, като при еднофазните АСФ схемите са мостова, полумостова и схема с три нива. При трифазните паралелни активни силови филтри основно се използва трифазната мостова схема ( за трипроводна или четирипроводна система захранващи напрежения) и много рядко – схема с намален брой силови прибори. При обработка на сигналите от токовите сензори с последващ честотен и времеви анализ се използват различни методи за формиране на опорен сигнал за тока на АСФ, по-извести от които са: Метод с високочестотно филтриране. При него високочестотен филтър премахва основната честота от кривата на товарния ток и остават само хармоничните му, които служат за формиране на опорен сигнал за АСФ. Метод с нискочестотно филтриране. При него се използва нискочестотен филтър и обратно на предходния се премахват високочестотните съставки от кривата на товарния ток и се получава опорен сигнал с основната честота. Опорният сигнал за тока на филтъра се получава като се извади от този сигнал сигналът за товарния ток. Метод с пропорционално-интегрален регулатор. При този метод се следят напрежението или токът на постояннотоковия енергонатрупващ елемент в зависимост от това дали той е кондензатор или индуктивност. Т.к. АСФ не отдава активна мощност към системата, то в идеализирания случай при пренебрегване загубите във филтъра, енергията на енергонатрупващия елемент – кондензатор или индуктивност трябва да е постоянна. Обединен интеграционен контрол при постоянна честота. Характерното е използването на един сензор за ток и един за напрежение, тъй като не е необходимо генериране на опорен сигнал за тока на АСФ. Следят се токът на мрежата и напрежението върху филтровия кондензатор. Следящо - токов контрол. Идеята за използване на този метод възниква от това, че управлението на АСФ се свежда до следене на специфична траектория на някоя променлива, обикновено ток . В основата на следящия контрол (sliding mode control) е принуждаването на една или повече променливи (често, но не е задължително, променливи на състоянието) да следват специфична траектория.

11

Генетични алгоритми. В последно време се правят разработки и изследвания, при които управлението на електронните преобразуватели в АСФ е основано на генетичен алгоритъм. Невронни мрежи и fuzzy логика. Известни са разработки с използване на невронни мрежи и фъзи логика в управлението на АСФ, като се използват вече изведени зависимости от токоизправители и инвертори. Контрол при използване на преобразуваниe на Фурие. Извършва се анализ в честотна област с използване обикновено на бързо преобразувание на Фурие. Чрез изчисление се извличат висшите хармоници на тока на товара и на тази база се формира опорна крива за тока на филтъра. Хистерезисно - токов контрол или контрол чрез широчинно-импулсна модулация (PWM). При хистерезисно - токовия контрол се изработва опорен сигнал за следене и управлението на силовите прибори на филтъра се осъществява с определен хистерезис около този опорен сигнал. Управлението с широчинно – импулсна модулация е също сравнително често използвано. PQ – теория. За управление на трифазни паралелни активни силови филтри най - често се използва “теорията на Акаги-Набае”, известна още като “теория за моментните мощности” или “p-q теория”. Модифицирана PQ - теория. Моментните активна и реактивна мощности се дефинират по-различно, отколкото при PQ – теорията и посредством трансформации се изчисляват опорните токове. Метод на синхронната опорна рамка. При този метод товарният ток се трансформира в ротационна dq - рамка. Тази опорна рамка се върти с постоянна скорост в синхрон с трифазната система напрежения. Модифициран метод на синхронната опорна рамка. Този метод е представен като моментен qd ii − метод. При него ъгълът на трансформация θ се определя от напреженията. Използва се моментна промяна на опорните сигнали в зависимост от формата на напреженията на трифазната система. Управление, базирано на поток. Методът се явява по същество модификация на метода на синхронната опорна рамка. Последователни активни силови филтри (Series Active Power Filters)

Наричат се последователни, т.к. изходното им напрежение се явява последователно свързано с напрежението на променливотоковия захранващ източник. Основното им предназначение е подобряване качеството на напрежението, захранващо консуматора. Използват се основните силови схеми – мостова и полумостова (при еднофазните филтри), трифазна мостова или три отделни еднофазни (при трифазните филтри). Най - често се използва захранване на силовата схема от източник на напрежение. Използват се някои от методите на управление, които бяха разгледани при паралелните активни силови филтри. Чрез обратна връзка

12

може да се следи директно напрежението на консуматора или изходното напрежение на филтъра. Най-често се използва широчинно – импулсна модулация за синтезиране изходното напрежение на филтъра. По-ограничени са изследванията, свързани с хистерезисно регулиране, следящо регулиране по определени променливи, управление на базата на размита логика.

1.2.ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ПЪРВА ГЛАВА 1. Основните топологии на силовите схеми на еднофазни и трифазни

паралелни и последователни активни силови филтри в значителна степен са уточнени. Преобладаващо разпространение са получили схеми с използване на инвертори, захранвани от източник на напрежение.

2. Не е известен цялостен метод за проектиране на силовите схеми на паралелни активни силови филтри. В някои източници се предлагат отделни зависимости за определяне на стойности на част от елементите.

3. Не е известен цялостен метод за проектиране на силовите схеми на последователни активни силови филтри. Не се предлага отчитане на специфични особености на работата в тях на някои пасивни елементи (изходен трансформатор, елементи на пасивния филтър).

4. Голяма част от известните методи за управление на паралелни активни силови филтри изискват сравнително сложен матeматически апарат, който затруднява работата в реално време и намалява възможностите за бърза реакция на филтъра. В основата си те се базират на мощностите в нелинейни системи. В много малка част от публикуваните работи като основа се явява крайната цел – поведение на системата консуматор - активен силов филтър като активен товар за системата захранващи напрежения.

5. Особеностите в работата на силовите схеми на активните силови филтри и алгоритмите за управлението им налагат системите за управление и регулиране да бъдат изградени в съответствие със съвременните постижения на информационните технологии. Необходимостта от адаптивност, определен обем изчислителни процедури, бързодействие в реално време, няколко контура в системата за автоматично регулиране, обуславят използването на цифрови сигнални процесори.

6. Съществена е ролята на използваните сензори за следене на основните величини, които избраният алгоритъм на работа изисква. Необходимостта от висока точност и стабилност, както и работа в условия на електромагнитни смущения, водят към приложение на нови сензори за ток и напрежение със специфични приложения в областта на силовата електроника. Правилният им избор до голяма степен обуславя успешната реализация на целия алгоритъм на управление. Съществен е въпросът за намаляване броя на тези сензори.

13

1.3.ОБЕКТ НА ИЗСЛЕДВАНЕ, ЦЕЛИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД, МЕТОДИ И СРЕДСТВА ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ

Обект на изследване: Обект на изследване в настоящия дисертационен труд са еднофазни и трифазни паралелни и последователни активни силови филтри. Това се отнася както до силовите схеми на филтрите, така и до системите за тяхното управление. Основно внимание е отделено на активни силови филтри на базата на инвертори, захранвани от източник на напрежение. Цели на дисертационния труд:

1. Създаване на обобщен метод за проектиране на силовите схеми на паралелни активни силови филтри.

2. Създаване на обобщен метод за проектиране на силовите схеми на последователни активни силови филтри.

3. Създаване на обобщен метод за управление на паралелни активни силови филтри, позволяващ подобряване на динамичните им свойства. Модифициране на метода с цел управление и на последователни активни силови филтри.

4. Създаване на алгоритми за управление, синтезиране на структурни и принципни схеми на системите за управление на паралелни активни силови филтри, позволяващи реализация на метода по т.3.

5. Създаване на алгоритми за управление, синтезиране на структурни и принципни схеми на системите за управление на последователни активни силови филтри, позволяващи реализация на метода по т.3.

Методи и средства за изследване: 1. Математическо описание на процесите с подходящ за всеки

конкретен случай математически апарат. 2. Теоретично обобщаване и систематизиране на получените

резултати във вид на методи за проектиране и методи за управление.

3. Проверка на получените резултати чрез изследване посредством компютърна симулация с програмните продукти PSIM и ORCAD.

4. Проверка на получените резултати чрез експериментално изследване на част от схемите на активни силови филтри, проектирани по предложените методи и управлявани на базата на създадените алгоритми и системи за управление.

5. Сравнителен анализ на теоретичните изводи с резултатите, получени по т.3 и т.4. Доуточняване и прецизиране на предложените в т.2 методи.

14

ВТОРА ГЛАВА ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

2.1.ОБЩИ СВЕДЕНИЯ Принципът на действие на паралелните активни силови филтри

(shunt active power filters) е пояснен на фиг.2.1. Отнася се както за еднофазни, така и за трифазни системи. Захранващата мрежа е представена с източник на мрежово напрежение SU и преобладаващо индуктивен характер - SL , като консумираният от нея ток е SI . При липса на активен силов филтър този ток съвпада с тока на консуматора

LI . Последният в най-общия случай е нелинеен, показан на фиг.2.1 с най-често срещания неуправляем токоизправител с активно - капацитивен характер на товара. В общия случай нелинейният товар натоварва захранващата мрежа с несинусоидален ток (причина за намаляване коефициента на изкривяване формата на тока ν и натоварване с мощност на изкривяване D ), чиято първа хармонична е дефазирана спрямо мрежовото напрежение (причина за намаляване коефициента на дефазиране ϕcos и натоварване с реактивна мощност Q ). Активният силов филтър е показан чрез преобразувател, захранван от източник на напрежение с енергонатрупващ кондензатор.

Фиг.2.1. Схема за пояснение действието на паралелен активен силов филтър. Основната идея се състои в следното: 1. непрекъснато се следят

консумираните от товара мощности по различни алгоритми в системата за управление. 2. посредством математически преобразувания се намира тази еталонна форма на тока на филтъра FI , която ако бъде генерирана от него, би допълнила тока на товара до синусоидален ток във фаза с мрежовото напрежение. 3. посредством подходящо управление на силовите прибори на филтъра се получава намерената еталонна форма на тока. Това става непрекъснато в реално време, при което се осигурява минимална зависимост от промените в характера и стойността на товара. Трябва да се отбележи, че съществуват две възможности: 1. филтърът да

SI

SU

LI

FI

LC LR

dC

FL

товарНелинеен

филтърсиловактивен

SL

мрежа

Захранваща

Паралелен

15

корегира само формата на тока до синусоида, без да я сфазира със захранващото напрежение – компенсация само на мощността на изкривяване D . 2. филтърът да корегира формата на тока до синусоида във фаза със захранващото напрежение – компенсация и на реактивната мощност Q . По-често използван е вторият случай, при който факторът на мощност се приближава до 1.

2.2. ОСНОВНИ СИЛОВИ СХЕМИ

Фиг. 2.2. Мостова схема на еднофазен паралелен АСФ.

Най-разпространена е мостовата схема от фиг.2.2. Полумостовата схема от фиг.2.3 съдържа два кондензатора в изхода си, като поставя по-специални изисквания по отношение системата за автоматично регулиране във връзка с баланса на напреженията върху тях. Мостовата и полумостовата схеми позволяват напрежението в диагонала на транзисторния мост периодично да сменя полярността си, като стойността му е равна на DU . Схемата с три нива от фиг.2.4. въвежда и трето нулево ниво на това напрежение тогава, когато провеждат 3VS или 3VD .

Фиг.2.3. Полумостова схема на еднофазен паралелен АСФ.

ТоварAC захранваща

мрежа

SI LI

FI

FLC

1VS 2VS

3VS4VS4VD 3VD

2VD1VD

DU

ТоварAC захранваща

мрежа

SI LI

FI

FLC

1VS

2VS2VD

1VD

DU

DU C

16

Фиг.2.4. Схема на еднофазен паралелен АСФ с три нива.

На фиг.2.5, фиг.2.6 и фиг.2.7 са показани схемите на трифазни паралелни АСФ, като е пояснено и свързването им към източника на променливо напрежение и товара. Най-широко разпространение е получила схемата от фиг.2.5.

Фиг.2.5. Трифазен паралелен силов филтър за трипроводна система захранващи напрежения.

ТоварAC захранваща

мрежа

SI LI

FI

FLC

1VS

2VS2VD

1VD

DU

DU C

3VS

3VD

17

Cd

Четирипроводен товар

4-проводна3-фазна

AC захранваща мрежа

I sa

I sb

I sc

I la

I lb

I lc

I faI fbI fc

L fc L fb L fa

ab

cn

I fn

I lnI sn

Фиг.2.6. Трифазен паралелен силов филтър за четирипроводна система захранващи напрежения.

Фиг.2.7. Трифазен паралелен силов филтър за трипроводна система захранващи

напрежения по схема с намален брой силови прибори.

2.3. ОСНОВНИ ЗАВИСИМОСТИ Първоначално се разглежда компенсация само на мощността на

изкривяване. Един от важните въпроси е каква е връзката между пълната мощност на даден товар S при известна стойност на коефициента му на хармонични HK , и необходимата ефективна стойност на тока през

18

филтъра FI за компенсация на тези хармонични. За разрешаване на този въпрос се използва фигура 2.8.

ТОВАР

АСФ

∑=∞

=2

2

nnF II

1II = ∑+=∞

=2

221

nnL III

sU

Фиг.2.8. Схема за поясняване компенсация само на мощност на изкривяване.

Ефективната стойност на тока през нелинейния товар LI е:

2

2

2

2

2

2

2

2

2

22

2

2

2

221

1

1

H

H

nLnL

H

H

nLn

nLn

H

nLn

nLnLL

KKII

KKII

K

IIII

+⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=+=+=

∑

∑∑∑

∑

∞

=

∞

=

∞

=

∞

=∞

= (2.1)

В идеалния случай, при който АСФ не консумира активна мощност, токът му се състои само от висши хармонични

∑∞

==

2

2

nLnF II (2.2)

Вземайки под внимание връзката между коефициента на изкривяване формата на тока υ и коефициента на хармонични HK :

211

HK+=υ , (2.3)

ефективната стойност на тока през нелинейния товар може да се представи чрез:

211υ−

⋅= FL II (2.4)

Пълната мощност, консумирана от мрежата след включване на филтъра, ще бъде:

22

2

111υ−

⋅⋅=+

⋅⋅=⋅= FsH

HFsLs IU

KKIUIUS (2.5)

211υ−

⋅⋅= Fs IUS (2.6)

19

В относителни единици зависимостта между мощността на товара, коефициента му на хармонични и необходимата стойност на тока на трифазен и еднофазен активен силов филтър са съответно:

2

213 H

HF

LL KKI

US +

⋅=⋅

(2.7)

2

21

H

HF

s KK

IUS +

⋅= (2.8)

където LLU е ефективната стойност на линейното напрежение в трифазна захранваща мрежа, SU - ефективната стойност на напрежението в еднофазна мрежа, FI - ефективната стойност на тока на филтъра за фаза, а S - трифазната или еднофазна пълна мощност съответно в зависимост от това дали филтърът е трифазен или еднофазен.

Въз основа на изрази (2.7) и (2.8) на фиг.2.9 са показани 3-D графични зависимости между пълната мощност на товара, коефициента му на хармонични и ефективната стойност на филтровия ток.

Изведените зависимости (2.7) и (2.8) могат да се използват например за следните цели:

- при известно напрежение на мрежата SU или LLU , пълна мощност на товара S и коефициент на хармонични на товарния ток HK да се намери меобходимата стойност на тока на филтъра FI за компенсация на този коефициент на хармонични.

- при наличен филтър за известна стойност на тока FI и напрежение SU или LLU да се определи какъв коефициент на хармонични HK той

би могъл да компенсира при дадена мощност на товара S . На фиг.2.10 тези зависимости са показани в равнина с възможност да

бъдат използвани по втория от описаните начини.

HK

AI F ,

AU

SUS

LLS

,3

,⋅

Фиг.2.9.Графични 3-D зависимости съответстващи на (2.7) и (2.8).

20

Фиг.2.10. Графични зависимости при параметър FI .

Нека сега разгледаме компенсация само на реактивната мощност. Този случай е пояснен на фиг.2.11 за първите хармонични на токовете .

Фиг.2.11. Схема за поясняване компенсация само на реактивна мощност.

В сила е следната зависимост:

( ) ( )ϕωϕωω ,..sin..sin 11 tFtItI LMSM +−= (2.9)

Ако се допусне, че загуби на активна мощност в АСФ няма, то от равенството на активните мощности преди и след включване на филтъра следва:

ϕcos.11 LMSM II = (2.10)

При заместване на (2.10) в (2.9) и решаване, се намира функцията за изменение на тока на АСФ:

( ) tItItF FMLM .cos..cos.sin.,. 11 ωωϕϕω == (2.11)

1,21,11,00,90,80,70,60,50,40,30,20,10

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

SLL US

US ,.3

HK

120=FI

90

60

30

15=FI

ТОВАР

АСФ

SU

( )ϕω ,.tF

tI SM .sin.1 ω ( )ϕω −tI LM .sin.1

21

Т.е ϕsin11 LMFM II = и ϕsin.11 LF II = (2.12)

В този случай при известна стойност на първия хармоник на тока на товара и на ъгъл ϕ , от (2.12) може да се намери стойността на тока на АСФ, който трябва да се изменя по зависимост (2.11). Ако се разгледа общият случай на компенсация и на реактивната мощност и на мощността на изкривяване, то квадратът на ефективната стойност на тока на АСФ трябва да бъде равен на сумата от квадратите на ефективните стойности на токовете за двата случая. При заместване от (2.7), (2.8) и (2.12), като се има предвид, че левите части на (2.7) и (2.8) представляват ефективната стойност на тока на товара на фаза LI , се получава:

2221

2

2

2

sin.1 FL

H

H

L II

KK

I=+

+ϕ (2.13)

След преобразуване се достига до зависимостта:

)cos1(1

1 222 ϕ−+

+= H

HL

F KKI

I (2.14)

Този израз позволява при известна ефективна стойност на тока на нелинейния товар за фаза LI , коефициент на хармонични HK и коефициент на дефазиране ϕcos , да се намери ефективната стойност на тока на филтъра за фаза FI с цел приближаване на фактора на мощност PK до 1. На фиг.2.12 са показани графични зависимости въз основа на (2.14).

Фиг.2.12. Графични зависимости от (2.14) при параметър ϕcos .

0,000000,100000,200000,300000,400000,500000,600000,700000,800000,900001,00000

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 HK

5.0cos =ϕ 6.0 7.0 8.0

0.1cos =ϕ

9.0

L

F

II

22

2.4. МЕТОД НА “ЕКВИВАЛЕНТНАТА СИНУСОИДА” Предполага, че коефициентът на полезно действие на активния филтър е

равен на 1. Това означава, че активната мощност, консумирана от мрежата ще се запази и след включване на филтъра. Следователно трябва да се следи консумираната от товара активна мощност Р, въз основа на дискретизация на кривите на мрежовото напрежение и консумирания от него ток. След включване на активния силов филтър в идеалния случай факторът на мощност става равен на 1, т.е.

2. Sm

SI

UPS == (2.15)

Ако освен активната мощност се следи и ефективната стойност на мрежовото напрежение sU , тогава от (2.15) може да се изчисли максималната стойност на “еквивалентната синусоида”. Тя би съответствала на стойността на един еквивалентен активен товар ER , съответстващ на системата товар - АСФ. Идеята е тази “еквивалентна синусоида” да се изработва като задание за системата за управление на активния силов филтър, и чрез обратна връзка за консумирания от захранващата мрежа ток да се осъществи следенето й. Методът на “еквивалентната синусоида” може да се обобщи и за приложение при трифазни системи [9]. Разглежда се симетрична система захранващи напрежения и симетричен трифазен товар. Схема, поясняваща баланса на активна мощност при идеален трифазен преобразувател, е показана на фиг.2.13. Сумарната активна променливотокова мощност при преобразуване дава изходна постояннотокова мощност. Входните напрежения са :

( ) ( )tUtu Sman ωsin⋅=

( ) ( )°−⋅= 120sin tUtu Smbn ω (2.16)

( ) ( )°−⋅= 240sin tUtu Smcn ω Моментните фазови мощности са:

( ) ( ) ( )( )tR

UR

tutp

E

Sm

e

ana ω⋅−⋅

⋅== 2cos1

2

22

( ) ( ) ( )( )°−⋅−⋅⋅

== 2402cos12

22

tR

UR

tutp

E

Sm

e

bnb ω (2.17)

( ) ( ) ( )( )°−⋅−⋅⋅

== 1202cos12

22

tR

UR

tutp

E

Sm

e

cnc ω

Общата мощност ще бъде:

( ) ( ) ( ) ( )E

mcbatot R

Utptptptp

2

23⋅=++= (2.18)

23

Фиг.2.13.Схема, поясняваща баланса на активна мощност.

От (2.18) се вижда идеята как може да се използва методът на “еквивалентната синусоида” и при трифазни АСФ. За целта непрекъснато трябва да се идентифицира стойността на ER . Ясно е, че при симетрична система захранващи напрежения и симетричен товар е достатъчно да се измери мощността само на една от фазите, както и да се следи ефективната стойност на мрежовото напрежение. Тогава от (2.15) може да се намери максималната стойност на “еквивалентната синусоида” за фаза. След това в системата за управление на АСФ да се изработят три опорни (еталонни) синусоиди за токовете на трите фази, дефазирани на

32 π⋅ , като те се следят

чрез обратни връзки и подходящо управление на силовите прибори. Най-често движението около еталонната крива на тока се осъществява чрез метода на хистерезисно-токово следене. При това то може да бъде с постоянна стойност на хистерезиса, или с променлива стойност на хистерезиса в границите на един полупериод на променливото захранващо напрежение [12]. Тъй като консумираната от товара активна мощност може да се променя във времето, то ще се променя и стойността на “еквивалентната синусоида”. В такъв случай стойността на хистерезиса може да се задава адаптивно като процент от нея. Може да бъде реализирано и хистерезисно-токово следене с ограничение по максимална честота, изборът на която е комплексен, като преди всичко е свързан с типа на използваните силови прибори.

Фиг.2.14. Хистерезисно-токово следене с постоянен или адаптивен хистерезис.

1DriverVS

2DriverVS+

+ H2

andDACHfromDSP

DACfromDSPandIreference

Is

−Iref

H2

Is

1DriverVS

2DriverVS

24

Интерес представлява определянето на честотата на работа на силовите прибори на АСФ, т.к тази честота е свързана със загубите на активна мощност във филтъра [11]. Освен това с тази честота са свързани и високочестотните смущения, които биха проникнали в захранващата мрежа. На фиг.2.14 е пояснен принципът на работа на съответната част от системата за управление на базата на силовата полумостова схема на филтъра от фиг.2.3. При постоянна стойност на хистерезиса тя може да бъде зададена чрез елементи от хистерезисния компаратор, или чрез неизменно напрежение на входа, предназначен за цифрово – аналоговия преобразувател. На фиг.2.15 са показани два случая на следене на “еталонната синусоида” за тока от захранващата мрежа. Взети са малки интервали от един полупериод на захранващото напрежение (в случая положителния), за които при много по-високата честота на превключване в сравнение с мрежовата, може да се приеме еднаквост на първата производна Si′ във всяка точка на еталонната и хистерезисните криви.

at bt

SS f

T 1=

REFI

H2 atI∆

btI∆

SS f

T 1=

at bt

H2

REFIat

I∆

btI∆

Fds

Saa L

UuitHt ..2

+′+

=

Fsd

Sbb L

uUitHt ..2

−′−

=

ba ttf

+=

1

Фиг.2.15. Два случая за следене на еталонна синусоида.

На базата на фиг.2.15 и математически преобразувания е изведен следният израз за максимална стойност на честотата на превключване [11]:

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−= 2

2..1

..4 d

SmF

F

ds U

ILLH

Uf

ω (2.19)

От тук се получава интересно ограничение, свързващо максималната стойност на “еталонната синусоида” и стойността на филтровата индуктивност:

ω

dSmF

UIL <. (2.20)

Изведен е и следният израз за средната стойност на честотата на превключване:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−≈ 2

2

1..4 d

S

F

dSAV U

ULH

Uf (2.21)

25

Тази зависимост e показана графично на фиг.2.16. Влиянието на напрежението dU в посочения диапазон не е толкова съществено. Вижда се, че за да намалее честотата на превключване би трябвало да се работи с голяма стойност на индуктивността и голям хистерезис.

0.20.4

0.60.8

1

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0100000200000300000400000

0.20.4

0.60.8

1

HzfS ,

AH ,

HLF ,

VUd 360=

0.20.4

0.60.8

1

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0

200000

400000

0.20.4

0.60.8

1

HzfS ,

AH ,

HLF ,

VU d 380=

0.20.4

0.60.8

1

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0

200000

400000

0.20.4

0.60.8

1

Hzf S ,

AH ,

HLF ,

VU d 400=

Фиг.2.16. Графични зависимости за изменението на честотата съгласно израз (2.21). Принципът на реализация на хистерезисно-токово следене с

ограничение по максимална честота , е пояснен на фиг. 2.17.

Фиг.2.17.Схема и времедиаграми за пояснение на следене на еталонна крива с ограничение по максимална честота.

Data

Clock

Q

Q

1DriverVS

2DriverVS+

+ H2

andDACHfromDSP

erEventManagFfromDSPDACfromDSPand

Ireference

Is−Iref

H2

constT =min

Is

1DriverVS

2DriverVS

Clock

26

Ограничението по максимална честота може да се зададе посредством тактовия вход на тригера след изчисляване на максималната стойност SmI и в зависимост от нея. От времедиаграмите на фиг.2.17 се вижда, че в зависимост от честотата, зададена на тактовия вход, в определени интервали може да се получи значително отклонение от еталонната крива. Поради това при избора на тази честота може да се препоръча проверка на следната зависимост, която да гарантира оставане в допустими граници:

( )HI

fLUU

LSVF

Smd .1.1.

.21

<∆=+ (2.22)

Изведените зависимости за определяне честотата на превключване на силовите прибори могат да се обобщят и за трифазни паралелни активни силови филтри. Трябва да се има предвид, че за SU се взема стойността на линейното напрежение, а за FL - удвоената стойност на индуктивността във всяка от фазите.

2.5. ПРОЕКТИРАНЕ НА СИЛОВИТЕ СХЕМИ НА ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

Едно от съображенията за определяне стойността на филтровата индуктивност е свързано с времето за достигане на еталонната крива във всеки полупериод на променливото напрежение след включване на АСФ, което трябва по възможност да е минимално [6,22]. Първоначално е избрана работа с нелинеен товар - еднофазен променливотоков регулатор фиг.2.18.

mI ′mI ′′

α

SiLi

tω

Su

Фиг.2.18. Времедиаграми за работа с еднофазен променливотоков регулатор.

За първия случай [ ]αω ,0∈t е изведена следната зависимост:

( )

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅⋅+−

−

−=

Sm

d

F

L

F

F

UU

tRR

t

tRL

ωω

πααπ

sin

1sin2

2sin21ln

(2.23)

27

Със софтуерния продукт Mathematica 4.1 се представя графично зависимост (2.23) например при FL RR >> , VU Sm 325= , VU d 360= и

5πα = .

Резултатът е представен на фиг.2.19.А. Решението може да бъде направено и при друга стойност на ъгъл α . По този начин може да се определи

отношението F

F

RL (респ. FL ), в зависимост от съотношението на

съпротивленията на товара и това на филтровия дросел, както и желаното време за достигане на еталонната крива.

F

L

RR

Б

Фиг.2.19. Графични зависимости, съответстващи на израз (2.23) и (2.24).

За втория случай [ ]παω ,∈t e изведена следната зависимост:

( )( )

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

⋅+⋅−

−

−=

Sm

d

F

L

F

F

UU

tRR

t

tRL

ωαωα

παα

sin

1sin2

22sin1ln

(2.24)

Графичното решение е представено на фиг.2.19.Б. при

1000=F

L

RR , VU Sm 325= , VU d 360= и var=α . Решението може да се направи по

този начин и при друго съотношение на съпротивленията и други стойности на основните величини.

След подобно разглеждане работа на филтъра заедно с линеен активно-индуктивен товар (виж фиг.2.20) се получава следната зависимост:

( )t

RL

Ue

RUtU

LL

SmLR

t

F

dSm F

F

ωϕω

ωcossin1

sin22 +

=⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−

+ −

(2.25)

28

На фиг.2.21 е представено графичното решение на (2.25) при следните стойности: VconstU m 325== , VconstUd 360== , mHconstLL 5.7== ,

1314 −== sconstω , Ω== mconstRF 1 .

ϕ

mI ′′

su

Lisi

( )0=tiF

tω

Фиг.2.20. Времедиаграми за работа с активно-индуктивен товар.

][st

mHLL 5.7=

][HLF

][ΩLR][ΩLR

][st

mHLL 5.7=

][HLF

Фиг.2.21. Графични зависимости, съответстващи на израз (2.25).

Разгледана е работата на паралелен активен силов филтър заедно с

еднофазен неуправляем токоизправител. Изведена е следната зависимост за филтровата индуктивност:

( ) ( ) ( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⋅⋅⋅−

+⋅⋅−+⋅⋅

⋅⋅

⋅−+⋅

−

⋅−=

ϕωωϕωϕωϕω

ϕtUC

RtUt

URU

UtUR

RttL

smL

sm

smLdsm

F

FF

cossinsin2sin

1ln),(

20

(2.26) Тя свързва стойността на филтровата индуктивност, ъгъл ϕ , съответстващ на началото на интервала на провеждане на диодите на неуправляемия токоизправител, и времето t за достигане на еталонната

29

крива. Връзката между тези величини е представена на фиг.2.22 при показаните стойности.

Фиг.2.22. Графични зависимости, съответстващи на израз (2.26).

Анализът на фиг.2.22 показва, че с нарастване стойността на FL се увеличава времето за достигане на еталонната крива. Това време намалява при намаляне на ъгъл ϕ , т.к. тогава токовият импулс на тока от мрежата става по-широк, но с по-малка амплитуда, а скоростта на изменение на тока при ϕω =⋅ t намалява.

Съществен елемент за работата на паралелния активен силов филтър е кондензаторът dC - виж например фиг.2.2 и фиг.2.5. Ефективната стойност на тока на активния силов филтър съответства на пълна мощност на АСФ, определена за еднофазен и трифазен вариант съответно по :

FSF IUS .= и FLLF IUS ..3= (2.27) Мощността на кондензатора dC се определя от зависимостта:

( ) ( ) ( )t

UUC

dttdU

tUCdt

tdUC

dtdW

Q ddd

ddd

dd

CC ∆

∆≈=== ......

21 2

(2.28)

Нека приемем, че промяната от връх до връх dU∆ става в рамките на една пулсация на напрежението на кондензатора, съответстваща по време на 2

ST при еднофазния вариант и 6ST при трифазния, а ( )tU d се

апроксимира със стойността, поддържана неизменна от системата за автоматично регулиране dU . Тогава, след приравняване на (2.27) и (2.28), преработване и въвеждане на условието промяната на изходното напрежение да остава по-малка от dU∆ , се стига до следните изрази за стойността на кондензатора при двата варианта съответно:

ddS

Fd UUf

SC∆

>...2

(2.29)

ddS

Fd UUf

SC∆

>...6

(2.30)

0

0.1

0.2

0.3

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

00.00010.0002

0.0003

0

0.1

0.2

0.3

HLF ,st,

rad,ϕ

VUVUFCRVUmR doLsmF 360,290,1200,100,310,1 ===Ω==Ω= µ

30

На базата на направените разглеждания се препоръчва следната методика за проектиране на силовите схеми на паралелни активни силови филтри с пояснения в дисертационната работа по всяка точка:

1. Избор на стойност на постоянното напрежение dU и стойност на пулсацията от връх до връх dU∆ (размах на пулсацията).

2. Определяне стойността на тока на активния силов филтър. 3. Определяне стойността на кондензатора dC . 4. Определяне стойността на индуктивността FL . 5. Избор на силови прибори за реализация на силовата схема на АСФ. 2.6. СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ

СИЛОВИ ФИЛТРИ Нека разгледаме особеностите на системата за поддържане

стойността на постоянното напрежение dU . При липса на загуби на активна мощност в АСФ, тази стойност би била неизменна. Реално такива загуби съществуват и нека ги означим с p∆ . Тогава, ако ( )0du е началното напрежение на кондензатора dC и ( )tud - напрежението в даден момент от времето, то може да се запише:

( ) ( ) ( ) ττ dptuu

Ct

ddd .

20

0

22

∫ ∆=− . (2.31)

Ясно е, че изменението на напрежението за време t е: ( ) ( ) ( )tuutu ddd −=∆ 0 (2.32)

Нека началното напрежение на кондензатора е много близко до зададената стойност на постоянното напрежение, която трябва да бъде поддържана неизменна ( ) dd Uu ≈0 . Тогава при разглеждане на малки отклонения ( )tuU dd ∆⟩⟩ , а от (2.32) следва :

( ) ( )tuUUtu dddd ∆−≈ ..222 (2.33) Въз основа на (2.31) и (2.33) може да се запише:

( ) ( )∫ ∆=∆t

ddd dp

UCtu

0

...1 ττ (2.34)

Чрез прилагане на трансформацията на Лаплас в (2.34) се получава предавателната функция на промените на постоянното напрежение спрямо загубите на активна мощност:

( )( ) dd

d

UCppPpU

..1

=∆∆ (2.35)

Тези загуби могат да се компенсират чрез съответна промяна на активната мощност, с която АСФ натоварва захранващата мрежа. При неизменна стойност на захранващото напрежение, промяната на тази мощност съответства на промяна в стойността на първия хармоник на тока, консумиран от АСФ от променливотоковия източник. При еднофазен и трифазен вариант следователно:

31

( ) ( )pIUpP S 1.∆=∆ ( ) ( )pIUpP F 1..3 ∆=∆ (2.36) Поддържането на неизменна стойност на постоянното напрежение

dU може да се реализира с промяна в стойността на “еталонната синусоида”, като предавателните функции за еднофазен и трифазен АСФ са съответно:

( ) ( )( ) p

KUCp

UpIpU

pWdd

Sdd

1

1 ..==

∆∆

= ( ) ( )( ) p

KUCp

UpIpU

pWdd

Fdd

2

1 ...3

==∆∆

= (2.37)

Структурната схема на системата за автоматично регулиране за поддържане неизменна стойността на постоянното напрежение е представена на фиг.2.23.

Фиг.2.23.Структурна схема на САР на напрежението dU .

Фиг.2.24. Структура на системата за управление на еднофазен АСФ при следене на общия ток от източника Si .

drefU

dU

+

−

регулаторPI − ×

SmI

( )pWd

Товар

АСФ

FLdC

Si

Si

Li

Li Fi

dU

drefU

+

+

−

−

SrefiТригер

Драйвери

H

MfГенератор

регулаторPI −

dU

×y

x

Su

Su~

SS fUPнаСледене

,,

HconstнеяотIнаеИзчисляван

Sm ., −

H

H

SmI

SmI

SUP,

Sf

( )HадаптивноtfI

Генератор

SSm π2sin.

1СУ

2СУ

↓↑ или

↓↑ или

Suсензор Siсензор Liсензор

..

.

.

32

Управлението на АСФ може да бъде реализирано на базата на

следене на общия ток от променливотоковия източник или на тока на АСФ[13,19]. На фиг.2.24 е представена структурна схема на система за управление при следене на общия ток от променливотоковия източник. На фиг.2.25 е представена структурна схема на система за управление при следене на тока на АСФ.

Фиг.2.25. Структура на системата за управлениена еднофазен АСФ при следене на тока на АСФ Fi .

На фиг.2.26 е показана структурната схема на системата за управление в случай на трипроводна система, като АСФ е по схемата от фиг.2.5. Предполага се несиметрична трифазна система (източник и/или товар). За да се изчислява непрекъснато консумираната трифазна активна мощност, а оттам да се определя и амплитудата на “еквивалентната синусоида”, е необходиво измерване например на двете линейни напрежения и съответните им токове.

Товар

АСФ

FLdC

Si Li

Li Fi

dU

drefU

+

+

−

−

SrefiТригер

Драйвери

H

MfГенератор

регулаторPI −

dU

×y

x

Su

Su~

SS fUPнаСледене

,,

HconstнеяотIнаеИзчисляван

Sm ., −

H

H

SmI

SmI

SUP,

Sf

( )HадаптивноtfI

Генератор

SSm π2sin.

1СУ

2СУ

↓↑ или

↓↑ или

Suсензор Liсензор

..

.

..

Li −

+

Frefi

Fi

3СУ

Fiсензор

33

Товар

АСФ

FRLdC

SSi

SSi

LSi

LSi

FRi

+

−

SSrefi

Драйвери

H

dU

×y

STu

SS fUPнаСледене

,,

HconstнеяотIнаеИзчисляван

Sm ., −H

H

SmI

SmI

SUP,

Sf

tfIГенератор

SSm π2sin.

1СУ

↓↑ или

STuсензор

SSiсензор LSiсензор

.

.

.

. .R

S

TFSi

LRiLRiсензор

SRiSRiсензор

FSL

FTL

LRi

RSuсензор.

RSu

2СУ

↓↑ или

H

SRi

SRrefi

−

+

↓↑ или

H

dU

drefU +−

регулаторPI −x

SSi+SRi +

STi −

STrefi +

1−

)3

22sin(. ππ +tfI

Генератор

SSm

)3

42sin(. ππ +tfI

Генератор

SSm

3СУ

4СУ

Логика

Фиг.2.26.Структурна схема на система за управление на трифазен АСФ, трипроводна

система, несиметричен товар и следене на общите токове от източника.

34

2.7. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ ПОСРЕДСТВОМ КОМПЮТЪРНА СИМУЛАЦИЯ

Използван е програмният продукт PSIM на фирмата POWERSYS, предназначен за симулация на силови елекронни схеми и системите за тяхното управление. Извършени са изследвания на еднофазни и трифазни АСФ при работа с различни по характер товари. В тази част е подбран само по един пример за всеки от тях. На фиг. 2.27 е показана схемата за симулация при работа на еднофазен филтър с еднофазен мостов неуправляем токоизправител с активно – капацитивен характер на товара.

Фиг.2.27.Схема за симулация при работа на еднофазен АСФ с еднофазен мостов

неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар. Стойностите на елементите в изхода на токоизправителя са

FCd µ1500= и Ω= 50dR . Стойността на филтровата индуктивност е mHLF 1= , а на съпротивлението, включено последователно с нея - Ω= mRF 1 . Импедансът на променливотоковия източник е представен с HLS µ120= и

Ω= mRS 18 ( данните съответстват например на проводник тип М-10 с дължина 100 m). Изходният кондензатор и поддържаното върху него напрежение на активния силов филтър са представени с източник на напрежение със стойност VU d 380= . На фиг.2.28 са показани резултатите от симулацията във вид на графики за трите тока – на товара ( Iload) , на активния силов филтър (Ifilter) и от променливотоковия източник (Isource). На фиг.2.29 е представен спектралният състав на трите тока. От получените резултати се вижда ефективното действие на филтъра и отстраняването на висшите хармонични.

35

Фиг.2.28. Резултати от компютърна симулация на схемата от фиг.2.27 за тока на

товара, тока на филтъра и тока от източника.

Фиг.2.29. Резултати от компютърната симулация на схемата от фиг.2.27 за

спектралния състав на трите тока. Вторият пример е за работа на трифазен паралелен АСФ с трифазен

мостов управляем токоизправител при активно-индуктивен характер на товара. На фиг.2.30 стойности на елементите в изхода на токоизправителя са mHLd 75= и Ω= 30dR . Стойността на филтровите индуктивности е

mHLF 1= , а на съпротивленията, включени последователно с тях - Ω= mRF 1 . Импедансът на променливотоковия източник е представен с

HLS µ120= и Ω= mRS 18 . Ъгълът на регулиране на токоизправителя е o30=α .

36

Фиг.2.30. Схема за компютърна симулация при работа на трифазен АСФ с трифазен

мостов управляем токоизправител с активно-индуктивен товар. На фиг.2.31 са представени резултатите от компютърната симулация, отнасящи се за фаза R.

Фиг.2.31. Резултати от симулацията на схемата от фиг.2.30, отнасящи се за фаза R

– напрежението на източника, токът на токоизправителя, токът на филтъра и токът от източника.

37

Фиг.2.32 . Резултати от симулацията на схемата от фиг.2.30 - спектрален състав на токовете за фаза R – на токоизправителя, на филтъра и общия ток от източника

в диапазона до 2 kHz. На фиг.2.32 е представен спектралният състав на трите тока за фаза

R. 2.8. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕ НА

ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ На базата на теоретичните изследвания е разработен и реализиран

еднофазен паралелен активен силов филтър за напрежение 230 V и ток на филтъра AI F 15= . Реализираният филтър е представен на фиг.2.33. Той е изследван при три вида товари – активно-индуктивен, еднофазен мостов неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар и еднофазен мостов неуправляем токоизправител с активно-индуктивен характер на товара.Управлението му е осъществено по описания в т.2.4 метод.

Филтърът е реализиран по полумостова схема. За следене на тока от мрежата, товарния ток и захранващото напрежение се използват два токови трансдюсера LА-55A и един напреженов LV25-P на фирма LEM. Елементите на активния филтър са следните: транзистори MII-100-12А3 на фирма IXYS, филтрова индуктивност mHLF 5.2= , филтрови кондензатори 2бр. FCF µ3900= . С два напреженови трансдюсера LV25-P е осъществена и обратна връзка от напреженията на кондензаторите на АСФ. Софтуерът е написан на С+ и чрез използване на емулатор и програмна среда Code Composer Studio на Texas Instruments е извършена оптимизацията му. В основата на системата за управление и регулиране е цифров сигнален процесор (DSP) TMS320F2407A на фирмата Texas Instruments. Честотата на дискретизация на напрежението и тока на захранващата мрежа е 6.7kHz. Това позволява да се следи до 66ти хармоник в кривата на тока на товара. Стандартът EN61000-3-2 се ограничава до 40ти. Впоследствие е разработен

38

специализиран модул за управление на активни силови филтри на базата на цифров сигнален процесор TMS320F2812 на фирмата Texas Instruments.

Фиг.2.33. Еднофазен паралелен активен силов филтър – общ вид. Изследвана е работата на филтъра с различни по характер товари.

Като пример в тази част са показани резултатите от работата му с еднофазен мостов неуправляем токоизправител с активно - капацитивен характер на товара. На фиг.2.34 и фиг.2.35 са показани пусковите процеси. На фиг.2.36 и фиг.2.37 са показани резултатите за основните показатели. Интерес представляват данните за фактора на мощност PK (означен PF на осцилограмите) и коефициента на хармонични на тока (THD). Вижда се, че факторът на мощност от 0.78 при използване на АСФ става 0.99. Наблюдава се и намаляване на ефективната стойност на тока, консумиран от мрежата, която от 9А без АСФ намалява на 7.4А при използването му. На базата на теоретичните изследвания е разработен и реализиран трифазен паралелен активен силов филтър за напрежение 3х 230 V и

39

Фиг.2.34 . Опорна синусоида и мрежов ток при пускане на АСФ.

Фиг.2.35 . Сигнал за разрешаване на управляващи импулси към силовите прибори на АСФ и мрежов ток при пускане на АСФ.

ефективна стойност на тока на филтъра за фаза AI F 15= . Следователно сумарната пълна мощност на филтъра е около 10 kVA и варира в зависимост от изменението на ефективната стойност на мрежовото напрежение, като определяща е ефективната стойност на фазовия ток. Реализираният филтър е представен на фиг.2.38. От фиг.2.39 се вижда каква мощност може да се компенсира с този филтър. Използван е транзисторен модул MWI50–12A7T. Стойността на филтровата индуктивност във всяка фаза е mHLF 6.2= . Като енергонатрупващ елемент откъм постояннотоковата страна е използван кондензатор със стойност 4700 Fµ . С един напреженов трансдюсер LV25-P е осъществена обратна връзка от напрежението на кондензатора. Системата за управление е реализирана по показаната на фиг.2.26 блокова схема с тази разлика, че се следят трите тока на активния силов филтър по принципа , показан на фиг.2.25 за еднофазния вариант. Като сензори за токовете са използвани токови трансдюсери LA55A. Използван е разработеният специализиран модул за управление на активни силови филтри на базата на цифров

40

Фиг.2.36 . Времедиаграми на напрежението на мрежата и консумирания от нея ток без и с наличие на АСФ и стойности на основните енергийни показатели спрямо захранващата мрежа

при ТИ с активно-капацитивен товар.

сигнален процесор TMS320F2812 на фирмата Texas Instruments. Показаният на фиг.2.38 трифазен паралелен АСФ се монтира в стандартно стенно табло на фирмата Schneider Electric с размери 600х500х250mm и е с общо тегло приблизително 30 kg. В тази част са приведени част от изследванията на трифазния АСФ с трифазен мостов неуправляем токоизправител с преобладаващо индуктивен характер на товара. Изследванията са проведени при следните параметри на товара – индуктивност 2.5 Н и активно съпротивление 140 Ω. На фиг.2.40 са представени резултатите за системата захранващи напрежения. На фиг.2.41 и фиг.2.42 са представени резултатите от измерванията за основните показатели по отношение на захранващата мрежа при изключен активен силов филтър. Вижда се преобладаващото влияние на 5-ти, 7-ми, 11-ти, 13- ти и т.н. хармонични. Общият коефициент на хармонични е 28.4%,

41

Фиг.2.37 . Диаграмно и таблично представяне на хармониците на мрежовия ток без и с АСФ при ТИ с активно-капацитивен товар.

а К-факторът – 10.7. На фиг.2.43 и фиг.2.44 са представени резултатите от измерванията за основните показатели по отношение на захранващата мрежа при включен активен силов филтър. Общият коефициент на хармонични е намалял до около 6% при К-фактор – 3.1. В резултат на загубите в активния силов филтър активната мощност е нарастнала с около 5%, което се вижда от фиг.2.42 и фиг.2.44.

VUAI sourceF 220,15 ==

VASload ,

−,hK

−,cosϕ

Фиг.2.39 . Зависимост на пълната мощност, която може да се компенсира от

така създадения филтър при различни стойности на коефициента на хармонични и ϕcos на товара.

42

Фиг.2.38. Трифазен паралелен активен силов филтър – общ вид.

Фиг.2.40.Система захранващи напрежения-осцилограми, хармоничен състав –

табличен, графичен.

43

Резултати без АСФ

Фиг.2.41.Система фазови токове – осцилограми, хармоничен състав – табличен, графичен.

Фиг.2.42.Показатели по отношение на захранващата мрежа.

44

Резултати с АСФ

Фиг.2.43.Система фазови токове – осцилограми, хармоничен състав – табличен, графичен.

Фиг.2.44.Показатели по отношение на захранващата мрежа.

45

2.9. ТЕХНИЧЕСКИ И ИКОНОМИЧЕСКИ СЪОБРАЖЕНИЯ ПРИ ИЗПОЛЗВАНЕ НА ПАРАЛЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ 2.9.А Технически съображения при използването на паралелни

активни силови филтри При разглеждане на реален АСФ (к.п.д.<1), се извежда следната

зависимост за отношението на факторите на мощност без и с АСФ:

NAPF

HNAPFEFF

EFF

NAPFPAPFEFFAPF

EFFNAPF

APF

APF

NAPF

NAPF

P

P

KII

kIPIP

SPSP

KK

NAPF

APF

NAPF

APF

APF

NAPF ϕcos1

112

/

⋅+

=⋅=⋅

⋅== , (2.38)

откъдето следва:

NAPF

HNAPF

NAPFPAPFEFF

EFF

Kk

II

NAPF

APF ϕcos1

12/ ⋅

+⋅= (2.39)

където NAPFPAPFk / е коефициент отчитащ повишаването на консумацията на активна мощност вследствие неидеалността на филтъра. На базата на израз (2.39) може да се построи 3-D графичната зависимост (фиг.2.45), определяща намаляването на ефективната стойност на консумирания от мрежата ток при свързване на идеален АСФ в зависимост от коефициента на хармонични HNAPFK на консуматора и неговия NAPFϕcos .

0.20.4

0.6

0.8

1

0.6

0.8

1

0.4

0.6

0.8

1

0.20.4

0.6

0.8

1

−,NAPF

APF

EFF

EFF

II

−,HNAPFK

−,cos NAPFϕ

Фиг. 2.45. Зависимост за намаляването на ефективната стойност на консумирания от мрежата ток при наличие на АСФ от коефициента на хармонични и ϕcos .

2.9.Б Икономически съображения при използването на паралелни активни силови филтри

Отношението на разликата между цените на електроенергията, която трябва да заплати потребителят без и с наличие на активен силов филтър, към цената на електроенергията без активен силов филтър, може да се използва като показател за това колко процента в дадена валута ще бъдат спестени след инсталиране на филтъра.

,%100.NAPF

APFNAPF

CCC

Sav−

= (2.40)

За случай на линеен товар за Sav е получена следната зависимост:

46

,%1001

cos1

1

111

2

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−

+

⋅−=

PQ

NAPF

APF

K

Sav

ϕη

, (2.41)

където APFη е к.п.д. на АСФ, ϕcos - коефициентът на дефазиране на товара, PQK - отношението на цените на активната и реактивна мощности. На

фиг.2.46 тази зависимост е представена графично.

0.4

0.6

0.8

1 0.98

0.985

0.99

0.995

1

05

1015

0.4

0.6

0.8

1

−,cos NAPFϕ

,%Sav

−,APFη

Фиг.2.46. Спестявания при линеен товар по (2.41)

За случай на нелинеен товар е получена следната зависимост:

,%100

cos

11

1111

2

⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅

++

+⋅−=

NAPFPS

H

PS

APF

K

K

KSav

NAPF

ϕ

η , (2.42)

където PSK е отношението на цените на активната и пълната мощности, HK - коефициентът на хармонични на тока на товара. На фиг.2.47 е

показана зависимостта на Sav от APFη и NAPFHK при 8.0cos =NAPFϕ .

0.98

0.985

0.99

0.995

1 0.4

0.6

0.8

1

468

10

0.98

0.985

0.99

0.995

1

,%Sav

−,NAPFHK

5=PSK

−,APFη

8.0cos =NAPFϕ

Фиг.2.47. Спестявания при нелинеен товар по (2.42).

В настоящата част не е направена оценка на вредното влияние на хармоничните и ниския фактор на мощност върху други елементи и

47

съоръжения на енергийната система, както и върху свързаните към нея други консуматори. Допълнителните икономическите ползи от избягване на това вредно влияние не са взети предвид. Освен това не е направена икономическа оценка на ползата от намаляването на ефективната стойност на консумирания ток след включване на активния силов филтър. Тези въпроси не са обект на настоящия дисертационен труд, като данни за тях се съдържат в специализираната литература.

2.10.ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ВТОРА ГЛАВА 1. Предложен е метод за управление на еднофазни паралелни активни

силови филтри и трифазни паралелни активни силови филтри при симетричен и несиметричен товар. Методът се базира на “еквивалентната синусоида” и е съчетан с хистерезисно-токов контрол. Характеризира се с възможност за работа с бързопроменящи се, различни по характер товари за захранващата мрежа, като дава възможност за компенсация на хармонични от висок ред (част 2.4).

2. Изведени са математически изрази, допълнени с графични зависимости за:

- свързване на пълната мощност на еднофазни и трифазни товари и коефициента им на хармонични при дадено захранващо напрежение, с необходимата ефективна стойност на тока на еднофазен и трифазен паралелни активни силови филтри (част 2.3);

- определяне намаляването на ефективната стойност на тока от мрежата след включване на активен силов филтър в зависимост от първоначалните показатели на товара (част 2.3);

- определяне честотата на превключване на силовите прибори на еднофазен паралелен активен силов филтър в зависимост от стойността на филтровата индуктивност и хистерезиса (част 2.4).

- определяне индуктивността на еднофазен паралелен активен силов филтър, с цел оптимизиране на стойността й от гледна точка най-бързо достигане на еталонната крива на тока и сигурното й следене, при следните товари – линеен активно-индуктивен; променливотоков регулатор с активен товар и еднофазен мостов неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар (част 2.5);

- извършване на икономическа оценка от ефективността при използване на паралелни активни силови филтри при линейни и нелинейни товари (част 2.9).

3. На базата на изведените математически зависимости е предложена методика за проектиране на силовите схеми на паралелни активни силови филтри (част 2.5).

4. Предложени са структурни схеми за реализация на управление по метода на “еквивалентната синусоида” при еднофазен и трифазен паралелни активни силови филтри, в основата на които е заложен цифров

48

сигнален процесор. Предложен е модел и е изследвано поведението на системата за автоматично регулиране, поддържаща напрежението на изходния кондензатор (част 2.6).

5. Предложени са модели за компютърна симулация, посредством които е изследвана работата по предложения метод на (част 2.7):

- еднофазен паралелен активен силов филтър в статичен режим при работа със следните товари - линеен активно-индуктивен, променливотоков регулатор с активно-индуктивен товар, управляем токоизправител с активно-индуктивен товар и неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар;

- еднофазен паралелен активен силов филтър в динамичен режим при работа с неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар;

- трифазен паралелен активен силов филтър в статичен режим при работа със следните товари – трифазен мостов симетричен управляем токоизправител с активно-индуктивен товар, трифазен мостов неуправляем токоизправител с активно-капацитивен и активно-индуктивен товар.

6. Практически е реализиран еднофазен паралелен активен силов филтър за ток до 15А. Практически е реализиран трифазен паралелен активен силов филтър за напрежение 3х230 V и ефективна стойност на тока 15 А на фаза. Изследвана е работата на двата филтъра с различни товари, измерени са показателите им спрямо захранващата мрежа без и с наличието на тези филтри, и е доказано ефективното им действие. Практическите реализации потвърждават ефективността на предложения метод за управление, методиката за проектиране на силовите схеми и приложимостта на теоретичните изводи (част 2.8).

ТРЕТА ГЛАВА ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

3.1.ОСНОВНИ СИЛОВИ СХЕМИ

Фиг.3.1. Мостова схема на еднофазен последователен АСФ.

АС захранващизточник

Товар

FL

4VD 3VD

2VD1VD

FC

Tp

SUFU LU

dC

1VT 2VT

3VT4VT

49

На фиг.3.1 е показана мостова схема на еднофазен последователен активен силов филтър, а на фиг.3.2 – полумостова. Свързването на силовите схеми на последователните активни силови филтри към захранващата мрежа става посредством трансформатор, изходното напрежение FU на който във всеки момент от времето се сумира с това на захранващата мрежа SU , формирайки напрежението на товара LU . При определени условия е възможно и безтрансформаторно свързване. При включване на някой от приборите с индекс 1 и 3 от фиг.3.1 (в зависимост от посоката на тока през индуктивността FL ) напрежението на входа на филтъра FF CL , става равно на постоянното напрежение на кондензатора dC в положителна посока (плюс на десния извод на FL ). И обратно - при включване на някой от приборите с индекс 2 и 4 от фиг.3.1 (в зависимост от посоката на тока през индуктивността FL ) напрежението на входа на филтъра FF CL , става равно на постоянното напрежение на кондензатора dC в отрицателна посока (минус на десния извод на FL ). Захранващото напрежение за последователните активни силови филтри ( върху кондензаторите dC ) се получава от отделен преобразувател, като се стабилизира.

Фиг.3.2. Полумостова схема на еднофазен последователен АСФ. Този преобразувател трябва да бъде двупосочен, за да може да се

компенсират както намаляване, така и нарастване на мрежовото напрежение около зададената стойност. Възможни са различни варианти за реализация на трифазен последователен активен силов филтър. На фиг.3.3 е показан най - често използваният вариант – на базата на трифазен двупосочен преобразувател.

3.2. ОСНОВНИ ЗАВИСИМОСТИ Възможни са следните случаи за приложение на последователните

активни силови филтри с цел отстраняване нарушенията в качеството на източника на променливо напрежение [20, 27]:

АС захранващизточник

Товар

FL

1VD

FC

Tp

SUFU LU

1dC

1VT

2VT

2dC2VD

50

Фиг.3.3. Принципна схема на трифазен последователен активен силов филтър на базата на трифазен двупосочен транзисторен преобразувател.

1. Последователният активен силов филтър отстранява висшите хармонични на напрежението на източника, като товарът се захранва със синусоидално напрежение, чиято ефективна стойност е равна на тази на основната хармонична на напрежението на източника.

2. Последователният активен силов филтър отстранява висшите хармонични на напрежението на източника, като товарът се захранва със синусоидално напрежение, чиято ефективна стойност е равна на предварително зададена стойност. 3. Последователният активен силов филтър отстранява висшите хармонични на напрежението на източника, като товарът се захранва със синусоидално напрежение, чиято ефективна стойност е равна на ефективната стойност на напрежението на източника. За първият случай е изведена следната зависимост

111

12

2+

=+

=

H

H

HF

KK

KS

S (3.1)

На фиг.3.4 е представена съответната графична зависимост.

Фиг.3.4. Графична зависимост на пълната мощност на филтъра от коефициента на

хармонични на мрежовото напрежение съгласно израз (3.1).

51

Т.к. в този случай ефективната стойност на напрежението за товара остава равна на ефективната стойност на първата хармонична, ясно е, че тя ще намалее, като намалението се определя от зависимостта:

21

11

H

L

KUU

UU

+=== υ (3.2 )

Графична зависимост, съответстваща на горния израз, е представена на фиг. 3.5.

Фиг. 3.5. Графична зависимост за намаляване ефективната стойност на напрежението на товара в съответствие с израз (3.2).

За втория случай са изведени следните зависимости, представени графично на фиг.3.6 и фиг.3.7:

( )

2

22

11

H

HF

kkk

SS

++−

= (3.3)

21

11

H

RL

kk

UU

UU

+⋅== (3.4)

Фиг.3.6. Графични зависимости за определяне мощността на ПАСФ, съответстващи

на израз (3.3 ).

52

Фиг.3.7. Графични зависимости за изменението на напрежението на товара във втория случай в съответствие с израз (3.4).

За третия случай е получено следното отношение на мощностите:

21

112H

F

kSS

+−⋅= (3.5)

Съответната графична зависимост е представена на фиг.3.8.

Фиг.3.8. Графична зависимост за определяне мощността на ПАСФ в съответствие с израз (3.5).

Получените в тази част аналитични изрази и съответните им графични зависимости се използват в методиката за проектиране на последователни АСФ.

3.3.ХИСТЕРЕЗИСНО РЕГУЛИРАНЕ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

В настоящата част се предполага, че се следи еталонна синусоида за напрежението на товара. Посредством сравнението й с текущата му стойност се изработват сигнали за превключване на силовите прибори, за да работи последователният активен силов филтър така, както бе описано в

53

т.3.1. Следенето става с определен хистерезис Н, който може да бъде постоянен или променлив по стойност, подобно на хистерезисно-токовото регулиране при паралелните активни силови филтри – виж т.2.4. Подобно на тях и тук може да се реализира хистерезисно управление с ограничение по максимална честота. Анализът се извършва на базата на теорията на “следящото управление” (sliding mode control). На фиг.3.9 е представена схемата за анализ с цел постигане режим на следящо управление [21, 25]. В сравнение със схемите от т.3.1 липсва изходният трансформатор, т.е. той се приема за идеален с коефициент на трансформация равен на 1, или се предполага безтрансформаторно свързване.

Фиг.3.9.Схема за анализ на следящо управление по променлива напрежението на товара Lu .

За схемата от фиг.3.9 са в сила следните зависимости:

(3.6)

От (3.6) чрез преобразуване се получава: (3.7)

В съответствие с теорията на следящото управление може да се

запише [25]:

(3.8)

C

L

Su Lu

dU+ −

( )+( )−

Li

Ci

di

Li

L

L

REFd

uxux

ux

&& ===

LCS

CC

dLС

dCd

uuudt

duCi

iiidtdi

LuU

=+

=

+=

+=

∫ ∫ +−+==Cidtu

LCdtU

CLu

dtduu L

CdSL

L1.

.1

&&

54

Управляващата променлива equ , съответстваща на т.н. “еквивалентно управление” може да се намери от зависимостта [25]:

(3.9)

Имайки предвид (3.8), (3.9) и използвайки (3.6), след преобразуване се получава:

tUCLdtdiLuLCuuUuu M

LSSLdeq .sin..... 2 ωω−−−−== && (3.10)

Получената стойност може да се разглежда като средна при превключване между максимална MAXU и минимална MINU стойности на управляващата променлива. Ако е възможно те да се изменят между ∞+ и ∞− , теоретично винаги е постижим режим на следящо управление за даден

диапазон на изменение на изходната променлива. За да съществува такъв режим, трябва да бъде изпълнена зависимостта:

(3.11)

за физически реализуемите максимална и минимална стойности. За конкретния случай те са: (3.12) Чрез решаване на (3.10) по отношение на променливата, която се следи - Lu , и при заместване от (3.12), могат да се намерят граничните стойности за съществуване на режим на следящо управление:

tUCLuCLdtdiLuUu MS

LSdL ωω sin....... 2++++±= && (3.13)

Получената зависимост (3.13) може да бъде интерпретирана по

следния начин: Най-важната особеност на следящото управление с една изходна променлива – напрежението на товара, е влиянието върху режима на промените в товарния ток – т.е. при рязкото му изменение е възможно в даден интервал нарушаване на режима на следящо управление, а оттам и изкривяване в моментната стойност на напрежението, захранващо товара. Т.к. напрежението на товара трябва да се изменя по синусоидален закон, нека анализираме (3.13) около максималните стойности на синусоидата.

( ) ( ) ( )1...... 2

.2.2

.2±++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛++±= =

== MtS

t

LtSdL UCLuCL

dtdi

LuUu ωω

π

ωπω

π && (3.14)

Знакът “плюс” е за положителния полупериод, а знакът “минус” – за

отрицателния. Като се имат предвид практическите стойности на CL, (десетки микрохенри и микрофаради), честотата ( )Hzилиf 6050= и MU

)156311( Vили≈ се вижда, че влиянието на последните два члена е

0=−= dxxs &&&&&

MAXeqMIN UuU <<

dMAX

dMIN

UUUU+=−=

55

пренебрежимо малко. Следователно максималните стойности на синусоидалното напрежение за товара се ограничават основно от стойността на захранващото напрежение dU , моментната стойност на мрежовото и скоростта на изменение на товарния ток. Т.е. от гледна точка режим на следящо управление, е добре стойността на dU да се избира по-голяма.

Фиг.3.10. Времедиаграми, поясняващи действието при хистерезисно следене на напрежението върху кондензатора.

На фиг.3.10 са представени поясняващите действието времедиаграми при хистерезисно следене на напрежението на кондензатора. Разглежда се един период на превключване на силовите прибори с продължителност много по-малка от продължителността на полупериода на напрежението на променливотоковия източник. Ще използваме тези времедиаграми, за да намерим връзката между средната стойност на напрежението Cu за този период на превключване, и захранващото напрежение dU . Ако периодът , съответстващ на )( 15 ϑϑ − се означи с T , а времето, съответстващо на ( )35 ϑϑ − - с ONt , и тъй като в интервалите ONt и ( )ONtT − измененията на тока

Li са равни, то следва че

(3.15) От тук се получава изразът

REFu

H.2

Cu

CuREFu

ϑ

ϑ

Ci

Ti

TCL iii +=Ti CiLi

1ϑ

2ϑ3ϑ 4ϑ 15 ϑϑ ≡

ϑ

Lu dUdU

1. KconstuU Cd =≈−

2.)( KconstuU Cd =≈+−

Lu

( ) ( )( )ONCdONCd tTuUtuU −+=− ..

56

(3.16)

където T

tON=δ е коефициентът на запълване.

Следователно, ако предварително е известна опорната крива за напрежението на кондензатора ( ) ( )ϑϑ REFC uu = , то е известно и изменението на коефициента на запълване:

(3.17) Получаването на този израз дава възможност за друг метод на работа

на системата за управление – широчинно–импулсна модулация по предварително известен закон. Нека намерим връзката между размаха на пулсацията - Cu∆ на напрежението върху кондензатора - Cu , и неговата стойност - C . Ако началото на координатната система съвпада с момента

2ϑ , то може да се запише:

(3.18)

Аналогично, ако началото на координатната система съвпада с момента 4ϑ , то

(3.19) Следователно (3.20)

Или (3.21)

3.4.ПРОЕКТИРАНЕ НА СИЛОВИТЕ СХЕМИ НА

ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ Изкривяванията във формата на напрежението на

променливотоковия захранващ източник могат да бъдат различни, като може да бъде зададен или измерен общият коефициент на хармонични. За целите на проектирането може да се избере определена форма на напрежението, въз основа на която да се извърши необходимият анализ. В случая се предлага това да стане на базата на трапецовидна форма, показана на фиг.3.11 [23, 24]. Случаят на ограничаване на максималната стойност на синусоидално захранващо напрежение е често срещан в практиката при голям брой консуматори, съдържащи на входа си неуправляеми токоизправители с активно - капацитивен товар, без корекция на фактора на мощност. Известно е развитието в ред на Фурие на разглежданата функция при височина на трапеца h и означен на фиг.3.11 ъгъл ϕ :

1.2 −= δd

C

Uu

( ) ( )21

.2+=

d

REF

Uu ϑ

ϑδ

( )ON

tT

CON

CC tTi

Cdtt

tTi

Cu

ON

−∆=−

∆=′∆ ∫

−

...81...1 2

0

ON

t

CON

CC ti

Cdtt

ti

Cu

ON

...81...1 2

0∫ ∆=∆

=″∆

fi

Cuuu CCCC

1..81

∆=″∆+′∆=∆

fCiu

C

C

..81

=∆∆

57

Fig.3.11.Апроксимация на захранващото напрежение с трапецовидна форма.

( )( )

( ) ( ) xkkk

hxfk

⋅−⋅⋅−−⋅

⋅= ∑

∞

=

12sin12sin12

141

2 ϕϕπ

(3.22)

Ако предположим, че функцията описва напрежение със същата форма, то от (3.22) може да бъде определен коефициентът на хармонични:

( )( )

ϕ

ϕ

sin

12sin12

12

24∑

∞

=

⋅−−

= kH

kkK (3.23)

От (3.23) се вижда, че той зависи само от ъгъл ϕ . Графичната зависимост, получена на базата на (3.23), е показана на фиг.3.12.

Фиг.3.12. Зависимост на коефициента на хармонични от ъгъл ϕ .

Максималната стойност на к – тата хармонична от (3.22) при mUh = е равна на:

( )( ) .12sin

1214

2 ϕϕπ

−−

⋅⋅⋅

= kk

UU m

km (3.24)

Нека въведем коефициент URMSK , който се определя от

(3.25)

На фиг.3.13 е показана зависимостта на този коефициент от ъгъл ϕ , ограничавайки се до 25=k включително (това ограничение е в съответствие със стандарта EN 50160).

( )( )∑

∞

=

−⋅−

=2

24 .12sin

121

.2.2

kURMS k

kK ϕ

ϕπ

58

Фиг.3.13. Зависимост на URMSK от ъгъл ϕ в съответствие с израз (3.25). Вземайки предвид (3.24) и (3.25), може да бъде определена ефективната стойност на напрежението, предвид само висшите хармонични:

(3.26) Ако се предположи коефициент на трансформация, равен на 1, то

максималната стойност на к – тата хармонична на тока през кондензатора ще бъде:

CkUI kmCkm ⋅⋅⋅= ω (3.27) От (3.27) може да се определи ефективната стойност на тока на висшите хармонични през кодензатора:

( )( )∑

∞

=

−⋅−

=2

22 .12sin

121

....2.2

k

mCf k

kCUI ϕ

ϕπω (3.28)

Т.к. величините от (3.24) и (3.28) зависят от ъгъл ϕ , то първоначално въз основа на зададения или измерен коефициент на хармонични HK , от фиг.3.12 трябва да бъде определен този ъгъл. Ако се означи с

(3.29)

то при заместване в (3.28) се получава :

(3.30) На фиг.3.14 е представена графично зависимостта на CfK от ъгъл ϕ

при честота на захранващото напрежение 50 Hz. Следователно , ако се знае коефициентът на хармонични HK , от (3.23) - респ. фиг.3.12 може да се определи ъгъл ϕ , а след това от (3.29) – респ. фиг.3.14 – коефициентът CfK . При известна стойност на mU , зависимост (3.30) свързва стойността на кондензатора на филтъра C с ефективната стойност на тока на висшите хармонични.

На базата на направените разглеждания е препоръчана следната методика за проектиране на силовите схеми на последователни активни силови филтри:

( )( )

( )( )∑

∑

=

=

−⋅−

=

=−⋅−

=

25

2

22

25

2

22

.12sin12

1.2.4

.12sin12

1.

.2.2

k

kCf

kk

f

kk

K

ϕϕ

ϕϕπω

CUKI mCfCf ..=

URMSmFRMS KUU .=

0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

radFi,

−,URMSK

59

Фиг.3.14. Зависимост на CfK от ъгъл ϕ в съответствие с израз (3.29).

1. Избор на вариант за филтриране и поддържане на напрежението върху товара.

2. Определяне на пълната мощност на последователния активен силов филтър и ефективната стойност на изходното му напрежение.

3. Стойност на постоянното напрежение dU и стойност на пулсацията от връх до връх dU∆ (размах на пулсацията).

4. Стойност на кондензатора dC . 5. Данни и проектиране на изходния трансформатор на последователния активен силов филтър.

6. Проектиране на изходния LC – филтър. 7. Определяне стойността на тока на преобразувателя, захранван от източник на напрежение.

8. Избор на силови прибори за реализация на силовата схема на АСФ. 9. Определяне на общите загуби на активна мощност в активния силов филтър.

Подробни указания за всеки от етапите се съдържат в дисертационната работа.

3.5. СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

Възможно е следенето да става или на базата на обратна връзка от напрежението, захранващо товара – фиг.3.15, или на базата на обратна връзка от изходното напрежение на активния силов филтър – фиг.3.16.

Фиг.3.15. Реализация на хистерезисно следене с обратна връзка от напрежението на

товара.

radFi,

−,fCK

0.2 0.4 0.6 0.8 10

100

200

300

400

60

Фиг.3.16. Реализация на хистерезисно следене с обратна връзка от напрежението на активния силов филтър.

На фиг.3.17 е показана структурната схема на система за управление на филтър, управляван посредством широчинно-импулсна модулация.

Фиг.3.17. Структурна схема за реализация на управлението на базата на широчинно –

импулсна модулация. Извършено е изследване посредством компютърна симулация на

базата на програма Microsim Release 8.0. На фиг.3.18 са показани резултатите от компютърна симулация. Избрана е трапецовидна форма на мрежовото напрежение. На фиг.3.19 е показана структурна схема на система за управление на филтър, управляван посредством хистерезисно следене, а на фиг.3.20 – резултатите от симулацията.

В следващата част е изследвано хистерезисно управление по разгледания в т.3.3 метод с приложение на фъзи логика.С времедиаграмата на фиг. 3.21 е пояснена идеята на хистерезисно управление с помоща на фъзи - контролера. При това са валидни следните зависимости:

( ) ( )( ) ( )

1NNN

LrefNNN

Lref1N1N1N

errorerrorrorchanceofer;NUNUsin.alResin.fReerror

;1NU1NUsin.alResin.fReerror

−

−−−

−=−=−=

−−−=−=

(3.31)

В уравнения (3.31) errorN и chanceoferrorN са входовете на фъзи контролера в N-я такт.

61

Time

40ms 45ms 50ms 55ms 60ms 65ms 70ms 75ms 80msV(L9:1,D35:2)

-400V

0V

400V

Vload_in

V(C1:1) - V(C1:2)-400V

-200V

0V

200V

400V

Vfilter_out

V(E6:1) - V(E6:2)-400V

0V

400V

SEL>>

Vsource

Фиг.3.18. Резултати от компютърната симулация на управление по схемата от

фиг.3.17. Отгоре – надолу – напрежението на източника ,напрежението на филтъра и напрежението на товара.

Фиг.3.19. Структурна схема за реализация на управлението на базата на хистерезисно следене.

Фиг. 3.22 показва член функцията на входната лингвистична променлива e, а фиг.3.23 – член функцията на изходната променлива. Областа на членство е дефинирана за седем лингвистични променливи NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB, където (PB, PM,…) са лингвистичните кодове (съответно PB - positive big, PM – positive medium, PS - positive small, Z - zero, NS - negative small, NM – negative medium и NB - negative big). За определяне на конкретните стойности на входните и изходни лингвистични променливи авторът е използвал своя опит от изследването

62

на последователни активни силови филтри както посредством компютърна симулация, така и експериментално. За стойности на входа на контролера

Time

40ms 45ms 50ms 55ms 60ms 65ms 70ms 75ms 80msV(L9:1,E6:2)

-400V

0V

400V

Vload_in

V(C1:1,C1:2)-400V

-200V

0V

200V

400V

Vfilter_out

V(U18:2,V30:-)-400V

0V

400V

SEL>>

Vsource

Фиг.3.20. Резултати от компютърната симулация на управление по схемата от

фиг.3.19. Отгоре – надолу – напрежението на източника, напрежението на филтъра и напрежението на товара.

Фиг. 3.21. Времедиаграма за пояснение на хистерезисно управление, реализирано с

фъзи - контролер. са приети следните напрежения: PS=1 V; PM=2 V; PB=3 V; NS=-1 V; NM=-2 V; NB=-3 V. Тези стойности са за напрежение на товара с ефективна стойност 230 V (максимална стойност 325 V). Те съответстват на 0.3%, 0.6% и 0.9% от максималната стойност на напрежението.

Фиг. 3.22. Член функция на входната лингвистична променлива.

63

За стойности на времето на изхода на контролера са приети: S=10 µS; N=25 µS; B=50 µS. Това са времената на включване на съответната двойка транзистори. Р за времето означава включване на двойка транзистори,

Фиг. 3.23. Член функция на изходната лингвистична променлива.

което води до нарастване на напрежението, а N – до намаляване. Z – zero като изход на контролера означава, че в следващия интервал трябва да остане включен единият от двойката транзистори, включени в предния интервал. По този начин напрежението на входа на пасивния LC – филтър става равно на 0. На фиг. 3.24 е показана блокова схема, включваща силова част и система за управление, която би могла да се реализира например на базата на подходяш процесор. Използвано е означението АФУ – алгоритъм за фъзи – управление.

Фиг. 3.24. Блокова схема на силовата част и на система за управление. Симулационните изследвания са извършени с програмния продукт

MatLAB. Използван е пакетът Fuzzy Logic Toolbox.На фиг.3.25 е показана общата схема на модела за компютърна симулация.

64

Фиг. 3.25. Обща схема на модела в Simulink.

На фиг.3.26, фиг.3.27 и фиг.3.28 са показани резултатите от симулацията в различни точки на модела, показан на фиг.3.25. Тези резултати показват работоспособността на система за управление, базирана на следящо хистерезисно управление и фъзи логика.

Фиг. 3.26. Резултат от компютърна симулация – напрежение на изхода на ПАСФ.

65

Фиг. 3.27. Резултат от компютърна симулация – напрежение на захранващата

мрежа.

Фиг. 3.28. Резултат от компютърна симулация – напрежение на товара.

3.6. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ ПОСРЕДСТВОМ КОМПЮТЪРНА СИМУЛАЦИЯ

Изследвани са схеми на еднофазни и трифазни последователни АСФ при работа с различни по характер товари и при различна деформация на напрежението на захранващата мрежа. В тази част е подбран по един пример. Изследвана е работата на еднофазния АСФ при трапецовидна форма на напрежението на захранващия източник. Схемата за компютърна симулация е представена на фиг.3.29, а резултатите от нея – на фиг.3.30. Предположен е коефициент на хармонични на захранващото напрежение 20%, при което от фиг.3.12 е получен ъгъл ϕ , равен на 0.4 rad. Височината на трапеца е зададена равна на 300 V. Стойностите на елементите в изхода на еднофазвия неуправляем токоизправител са 1200 Fµ и 50 Ω . Изследван е трифазен последователен АСФ при същите данни за фазовото захранващо напрежение. Елементите на филтъра са mHLFC FF 2,5 == µ . На фиг.3.31 е представена схемата за симулация, а резултатите са приведени на фиг.3.32, фиг.3.33 и фиг.3.34.

66

Фиг.3.29. Схема за симулация при работа на еднофазен АСФ с еднофазен мостов

неуправляем токоизправител с активно-капацитивен товар.

Фег.3.30.Резултати от симулацията на схемата от фиг.3.30. Отгоре –напрежението на източника,в средата- напрежението от АСФ, отдолу-напрежението на товара.

При тази форма на напрежението на променливотоковия източник от приведените резултати се вижда добрата реакция на АСФ и неговото ефективно действие. Избраната трапецовидна форма е близка до реалните случаи на изкривяване на захранващото напрежение. Както се вижда от приведените резултати, в този случай се получава много близка до идеалната синусоидална форма система напрежения, захранващи товара, без нарушения около максималната стойност и наличие на пренапрежения.

67

Фиг.3.31. Схема за симулация на трифазен последователен АСФ.

Фиг.3.32. Резултати от симулацията на схемата от фиг.3.32. Отгоре надолу –

напрежението на захранващия източник, напрежението на филтъра, напрежението на товара, токът на товара.

68

Фиг.3.33. Резултати от симулацията на схемата от фиг.3.32. Напреженията на

трите фази на различни координатни системи.

Фиг.3.34. Резултати от симулацията на схемата от фиг.3.32. Напреженията на

трите фази на обща координатна система 3.7.ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕ НА

ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ Реализиран е прецизен стабилизатор - филтър на еднофазно

променливо напрежение за товари с мощност до 3 kVA по приведената на фиг.3.35 блокова схема. Захранващото напрежение dcU за активния силов филтър се осигурява от двупосочен преобразувател, свързан към мрежата. На фиг.3.36 е показан общият вид на прецизния стабилизтор – филтър, като са отбелязани основните му блокове. На фиг.3.37 са приложени резултати за параметрите на напрежението на консуматора – стойност, хармоничен състав, общ коефициент на хармонични, при неработещ стабилизатор – АСФ .

69

Фиг.3.35. Блокова схема на прецизен стабилизатор-филтър на променливо напрежение Вижда се намалена ефективна стойност на напрежението с 13%, повишена 5-та хармонична и общ коефициент на хармонични 4.5%. На фиг.3.38 са представени резултати при работещ стабилизатор – АСФ.

Фиг.3.36. Еднофазен прецизен стабилизатор-филтър на променливо напрежение.

Вижда се стабилизиране на ефективната стойност на напрежението за консуматора на 230V – 1.2%, намаляване в стойностите на всички хармонични, като общият коефициент на храмонични е 1.6%. На фиг.3.39 са приложени резултати при неработещ стабилизатор – АСФ, повишена ефективна стойност на напрежението приблизително с 10% и общ коефициент на хармонични 3.2%. На фиг.3.40 са приложени резлутати при работещ стабилизатор – АСФ. От тях се вижда стабилизиране на ефективната стойност на напрежението за консуматора на 230V + 1.8%, намаляване в стойностите на всички хармонични, като общият коефициент на храмонични е 1.8%. На фиг.3.41 са показани преходните процеси при скокообразна промяна на мрежовото напрежение.

Консуматор

CL

LUSU

CI

FLFC

FU

dC dcUДвупосочен

DCAC /ателпреобразув

еленПоследоватактивен

филтърсилов

заСистеманауправление

заСистеманауправление

ядвупосочниателпреобразув

силовактивнияфилтър

70

Фиг.3.37. Параметри на напрежението на консуматора при неработещ стабилизатор – АСФ.

Фиг.3.38. Параметри на напрежението на консуматора при работещ стабилизатор – АСФ.

71

Фиг.3.39. Параметри на напрежението на консуматора при неработещ стабилизатор – АСФ.

Фиг.3.40. Параметри на напрежението на консуматора при работещ стабилизатор – АСФ.

72

а б Фиг.3.41.Експериментални резултати при скокообразна промяна на мрежовото

напрежение – а – без активен филтър, б – с активен филтър. 3.8. ТЕХНИЧЕСКИ И ИКОНОМИЧЕСКИ СЪОБРАЖЕНИЯ

ПРИ ИЗПОЛЗВАНЕ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ АКТИВНИ СИЛОВИ ФИЛТРИ

Включването на последователен активен силов филтър с цел подобряване качеството на захранващото товара напрежение, води до допълнителни загуби на активна мощност. Естествено тя ще доведе до допълнителни разходи за потребителя. От тази гледна точка е добре да се направи оценка на допустимата стойност на загубите на активна мощност. Нека преди включване на филтъра консумираната активна мощност от товара е била LP , като при цена на тази мощност PC разходите са били: (3.32) Ако се приеме, че активната мощност, консумирана от товара след включване на филтъра остава същата, то общата консумирана активна мощност от захранващия източник ще бъде:

(3.33)

Загубите на активна мощност в активния силов филтър са представени като част от активната мощност на товара. Тогава новите разходи за активна мощност ще бъдат:

(3.34) Относителното повишаване на разходите е:

(3.35) На фиг.3.42 е представена съотвестващата на (3.35) графична зависимост. От нея се вижда, че относителното повишаване на разходите

PLNAPF CPC .=

APF

L

APFLLL

PPPPηη

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=′ 11

PLAPF CPC .′=

%1001%100. =−

=−

=APF

APF

NAPF

NAPFAPFREL C

CCE

ηη

73

след инсталиране на активния силов филтър нараства стръмно при намаляване на к.п.д. на филтъра APFη .

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,

50

100

150

200

Erel,

APFη Фиг.3.42. Зависимост на относителното повишаване на разходите за активна

мощност от к.п.д. на последователния активен силов филтър. Съществува област за 9.0>APFη , за която нарастването е по-малко от

11%. Така например при 95.0=APFη относителното повишаване на разходите е 5.26%. Разбира се , при всички случаи този ефект трябва да бъде съпоставян с икономическата изгода, която би се реализирала вследствие намаляване на загубите от влошено качество на захранващото напрежение, отчитани преди инсталирането на последователния активен силов филтър.

3.9.ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ТРЕТА ГЛАВА 1. Изведени са обобщени аналитични изрази, подкрепени с графични зависимости, позволяващи да се определи пълната мощност на последователни активни силови филтри, както и промените в напрежението на товара при три случая: а) само филтриране; б) филтриране и стабилизация на предварително зададена стойност; в) филтриране и стабилизация на ефективна стойност, равна на ефективната стойност на мрежовото напрежение (част 3.2). 2. Предложена е апроксимация на мрежовото напрежение с трапецовидна форма и са изведени обобщени аналитични изрази, подкрепени с графични зависимости, характеризиращи работата на пасивните елементи от силовата схема на последователни активни силови филтри: изходен трансформатор, капацитет и индуктивност на изходния L - C филтър (част 3.4). 3. Предложена е цялостна методика за проектиране на силовите схеми на последователни активни силови филтри (част 3.4). 4. Създадени са модели за изследване чрез компютърна симулация на еднофазни и трифазни последователни активни силови филтри (част 3.6). Изследвана е работата на филтрите с помощта на тези модели. 5. Предложено е управление на базата на следящ режим по една променлива (част 3.3.). Създадени са модели за изследване на системите за

74

управление на последователни активни силови филтри в три варианта: а) следящо хистерезисно управление; б) управление с помощта на широчинно-импулсна модулация; в) управление на базата на фъзи логика. Изследвана е работата на системите за уравление с помощта на тези модели (част 3.5). Предложени са структурни схеми за реализация на системи за управление на последователни активни силови филтри в два случая: а) следящо хистерезисно управление; б) управление с широчинно-импулсна модулация (част 3.5). 6. Разработен е лабораторен модел на еднофазен последователен активен силов филтър. Разработен е прототип на прецизен стабилизатор-филтър на променливо напрежение. Извършени са експериментални изследвания, потвърждаващи теоретичните изводи и резултатите от компютърните симулации, направени на базата на предложените модели по т.4 (част 3.7). Предложен е начин за оценка на икономическите разходи при използване на последователни активни силови филтри (част 3.8).

ЧЕТВЪРТА ГЛАВА УНИВЕРСАЛНИ ПОДОБРИТЕЛИ НА КАЧЕСТВОТО НА

ЕЛЕКТРИЧЕСКАТА ЕНЕРГИЯ 4.1. ОСНОВНИ СИЛОВИ СХЕМИ

Съвместното използване на паралелен и последователен активни силови филтри представлява универсален подобрител на качеството на електрическата енергия (unified power quality conditioner – UPQC) - фиг. 4.1. Паралелният филтър служи за подобряване фактора на мощност на товара по отношение на захранващата мрежа. Последователният филтър подобрява качеството на напрежението, захранващо товара.

Фиг. 4.1. Схема на универсален подобрител на качеството на електрическата енергия.

На фиг.4.2 е показана силовата схема на еднофазен универсален подобрител на качеството на електрическата енргия. Транзисторите от 1VT до 4VT заедно с FCLТр ,, 1 образуват последователен активен силов филтър, а транзисторите от 5VT до 8VT заедно с 2L - паралелен.

FI

FU

мрежаЗахранваща

LISI

АСФеленПоследоват АСФПаралелен

UPQC

Товар

75

Фиг.4.2. Силова схема на еднофазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия.

Силовата схема на трифазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия е представена на фиг.4.3. И за двата филтъра се използват схеми с намален брой силови прибори, описани в глава 2 и глава 3. Последователният активен силов филтър включва транзисторите от 1VT до 6VT , заедно с 3,2,1,3,2,1 LLLTrTrTr и 3,2,1 CCC . Паралелният – транзисторите от 7VT до 11VT и 6,5,4 LLL .

7VT

8VT

Товар

d

1VT

2VT

3VT

4VT

5VT

6VT

C

9VT 11VT

10VT 12VT

R

S

T

1Tr

2Tr

3Tr

1C

2C3C

1L2L

3L 4L 5L 6L

RLI

SLI

TLI

RSI

SSI

TSI

RFISFITFI

RSU

U

TSU

RFU

SFU

TFU

RLUSLU

TLU

ss

Фиг.4.3.Силова схема на трифазен универсален подобрител на качеството на

електрическата енергия.

АС захранващизточник

Товар

FC

Tp

SUFU

d

LU

C

LISI

FI

1L

2L

1VT 2VT

3VT4VT

5VT 6VT

7VT8VT

76

4.2. ОСНОВНИ ЗАВИСИМОСТИ Първоначално анализът ще бъде извършен за еднофазния вариант на

универсален подобрител от фиг.4.2, като на фиг.4.4 схемата е представена с означенията на нужните за анализа величини. Нека пренебрегнем загубите на активна мощност в активните и пасивни елементи на силовите схеми. Ако е изпълнено равенството :

∫ ∫ ∫ ∫===T T T T

LLSSLLSSLS dtiudtiuилиdtiuT

dtiuT

илиPP0 0 0 0

......1..1 (4.1)

то следва, че загуби на активна мощност в универсалния подобрител няма.

Фиг.4.4.Силова схема на еднофазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия с означения на величините за анализ.

Активните мощности на последователния и паралелния активни силови филтри могат да бъдат изразени съответно по следния начин :

∫ ∫ ===T T

DCDCFSFSERIES IUdtiuT

dtiuT

P0 0

1112 ...1..1 (4.2)

∫ ==T

DCDCFLSHUNT IUdtiuT

P0

2...1 (4.3)

От (4.1) следва, че: LLSS iuiu .. = (4.4)

Като се има предвид, че: LFSLFS iiiикактоuuu +=+= ,2 (4.5)

то чрез заместване в (4.4) се получава: FLFSF iuiuiu ... 112 −== (4.6)

Или от (4.2) и (4.3) следва, че SHUNTSERIES PP −= (4.7)

или двата тока 21 DCDC IиI са равни по стойност, но с противоположни посоки.

АС захранващизточник

Товар

FC

Tp

SUF2U

d

LU

C

LISI

FI

1L

2L

1VT 2VT

3VT4VT

5VT 6VT

7VT8VT

dcU

1dcI 2dcI

1FU

1I

77

От казаното следва, че ако активна мощност се консумира от последователния активен силов филтър, то същото количество трябва да се отдава от паралелния активен силов филтър и обратно. При това разглеждане бяха пренебрегнати загубите на активна мощност в двата филтъра. Т.к. такива винаги съществуват, то в реалното устройство активната мощност откъм входа (паралелния или последователния активен силов филтър) ще бъде по-голяма от активната мощност откъм изхода (последователния или паралелния активен силов филтър). Т.к. системата за управление трябва чрез регулатор да поддържа стойността на междинното постоянно напрежение DCU неизменна, то поради разликата в мощностите SHUNTSERIES PиP за сметка на загубите в двата филтъра, ще съществува разлика в токовете 21 DCDC IиI , като разликата ще се поеме от кондензатора dC . До същия извод се достига и след разглеждане на процесите в трифазния универсален подобрител, като схемата с означенията на основните величини е представена на фиг.4.5.

7VT

8VT

Товар

d

1VT

2VT

3VT

4VT

5VT

6VT

C

9VT 11VT

10VT 12VT

R

S

T

1Tr

2Tr

3Tr

1C

2C3C

1L2L

3L 4L 5L 6L

RLI

SLI

TLI

RSI

SSI

TSI

RFISFITFI

RSU

U

TSU

RFU

SFU

TFU

RLUSLU

TLU

ss

1DCI2DCI

DCU

Фиг.4.5.Силова схема на трифазен универсален подобрител на качеството на

електрическата енергия с означения на величините за анализ. Получава се следната зависимост:

TFTLSFSLRFRLSTFSSFSRF iuiuiuiuiuiu ...... −−−=++ (4.8) Изразите отляво и отдясно на знака за равенство, интегрирани в

границите на един период, дават активната мощност на последователния и паралелния активен силов филтър съответно. Следователно и тук е изпълнена зависимостта (4.7). Направените разсъждения относто активните мощности на двата филтъра, както и за токовете 21 DCDC IиI остават в сила.

78

4.3. ИЗСЛЕДВАНЕ НА УНИВЕРСАЛНИ ПОДОБРИТЕЛИ НА КАЧЕСТВОТО НА ЕЛЕКТРИЧЕСКАТА ЕНЕРГИЯ ПОСРЕДСТВОМ

КОМПЮТЪРНА СИМУЛАЦИЯ Изследвана е работата на еднофазен универсален подобрител при

различни преходни процеси, като резултатите са приведени в дисертационния труд. В тази част са показани резултатите от изследване работата на трифазния универсален подобрител на качеството на електрическата енергия, чиято принципна схема е показана на фиг.4.3. Използвана е програма ORCAD, като на фиг.4.6 е представена схемата за компютърна симулация. Като товар за захранващата мрежа е използван трифазен мостов симетричен управляем токоизправител с активно – индуктивен характер на товара. Стойността на активното съпротивление е 20Ω , а на индуктивността – 5 mH . Зададен е ъгъл на регулиране на тиристорите на токоизправителя o32=α . За всяко от фазовите напрежения е зададена трапецовидна форма с максимална стойност, равна на 280 V. На фиг.4.7 са показани напреженията на захранващата мрежа и токовете на товара, които трябва да бъдат корегирани. На фиг.4.8 са показани нареженията на захранващата мрежа и корегираните напрежения за товара. На фиг.4.9 са показани всички величини след корекцията – напреженията на товара и токовете от захранващата мрежа. В дисертационната работа се съдържат и други резултати от симулацията, показващи ефективното действие на трифазния подобрител на качеството на електрическата енергия.

Time

28.0ms 30.0ms 32.0ms 34.0ms 36.0ms 38.0ms 40.0ms 42.0ms 44.0ms 46.0ms 48.0ms 50.0ms 52.0ms 54.0ms 56.0ms 58.0ms26.9msV(L12:1,V27:-) V(L14:1,V27:-) V(L13:1,V27:-) I(Ll1) I(Ll2) I(Ll3) V(V22:+,V22:-)

-200

-100

-0

100

200

-288

289

Фиг.4.7. Трите фазови напрежения на захранващата мрежа и трите фазови тока на товара.

Фиг.4.6. Схема за компютърна симулация на трифазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия

R58

1m

C3 5n

R150.01k

R13

10M

-1

R2410k C6 5n

R260.01k

R27

10M

-1

C7 5n

R300.01k

-1R31

10M

E53

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

R2810k

E5

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

R1210k

D1

MUR1560D5

MUR1560

M1

IRF450

M5

IRF450

E52

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

D3

MUR1560Rf1

1m

Rf2

1m

Rf3

1m

+-

E29

e

+- E26e

V12

+-

+-

E12

e

M3

IRF450

+-

E14

e

+-

E17

e

+-

E16

e

+-

E15

e

+-

E13

e

D6

MUR1560

M6

IRF450

R622000M

M2

IRF450

M4

IRF450

D4

MUR1560

D2

MUR1560

+-

E33

e

+- E28e

+- E27e

C18

50u

C1650u

C17

50u

Lf1

100u

Lf2

100u

Lf3

100u

R14

100k

R25

100k

R52

100M

R29

100kV13

+-

+-

E32

e

V11

+-

V14

700

+

-

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

R53

100M

V26

+-

V27

+-

V28

+-

0

0

R54

100M

R592000M

0

R601000M

L1

100uH

L2

100uH

0

L3

100uH

R61

2000M

0

R1610k C4 5n

R170.01k

R18

10M

E6

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

-1

R3210k C8 5n

R390.01k

R40

10M

-1

C9 5n

R410.01k

R42

10M

-1

E54

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

E55

V(%IN+,%IN-)etable

OUT+OUT-IN+IN-

+-

E18

e

R4310k

M7

IRF450

D7

MUR1560

M8

IRF450

+-

E19

e

+-

E20

e

+-

E21

e

Rf4

1m

D8

MUR1560

D9

MUR1560

Rf5

1m

D10

MUR1560

+-

E22

e

M9

IRF450

M10

IRF450

+-

E23

e

M11

IRF450

D11

MUR1560

M12

IRF450

D12

MUR1560Rf6

1mH5 H

R6 50

Rt

20

Vx4+-

Rx1

50

Rx350

Vx3+-

Vx5+- Rx5

50

Vx2+-

Vx6+-

Rx2 50Rx4 50

Lt1

8m

Cx12u

Cx4 2u

Cx3 2u

Cx62u

Cx5 2u

Cx22u

X13

MCR225-10FPVx1+-

X15

MCR225-10FP

X14

MCR225-10FP

X16

MCR225-10FP

X17

MCR225-10FP

X18

MCR225-10FP

H6 H

H4 H

R44

1m

R45

1m

R46

1m

R19

100k

R47

100k

R48

100k

Lf4

15m

Lf5

15m

Lf6

15m

Ll1

7u

R56

1m

Ll2

7u

V18

+-

Ll3

7u

V21

+-

0

0

0

V22

+-

0

00

0

0

0

0

V-

V+

0

V-

V+

V-

V+

V-

V+

V- V+

0

0

V-

V+

V-

V+

V-

V+

V-

V+

0

0

I

I

I

I

I

I

V-

V+

R57

1m

R632000M

Фиг.4.8. Трите фазови напрежения на захранващата мрежа и трите фазови напрежения на товара.

Фиг.4.9. Трите фазови напрежения на товара и трите фазови тока от мрежата. 4.4.ОСНОВНИ ИЗВОДИ ПО ЧЕТВЪРТА ГЛАВА

1. Изведени са аналитични изрази, показващи баланса на активната мощност при еднофазни и трифазни универсални подобрители на качеството на електрическата енергия (част 4.2).

2. Създаден е модел за изследване чрез компютърна симулация на еднофазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия. Изследвана е работата на подобрителя с помощта на този модел (част 4.3).

3. Създаден е модел за изследване чрез компютърна симулация на трифазен универсален подобрител на качеството на електрическата енергия. Изследвана е работата на подобрителя с помощта на този модел (част 4.3).

НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ

С тази дисертационна работа и свързаните с нея теоретични и експериментални изследвания, както и с публикуваните резултати от тях, се правят следните обобщени научни и научно - приложни приноси в областта на силовата електроника:

Time

34.00ms 36.00ms 38.00ms 40.00ms 42.00ms 44.00ms 46.00ms 48.00ms 50.00ms 52.00ms 54.00ms 56.00ms 58.00ms32.84msV(V26:+,V27:-) V(V27:+,V27:-) V(V28:+,V27:-) V(Ll1:1,R59:1) V(Ll2:1,R59:1) V(Ll3:1,R59:1)

-200V

0V

200V

-352V

351V

-200

0

200

-362

369

81

1. За еднофазни и трифазни паралелни активни силови филтри са изведени аналитични изрази, допълнени с графични зависимости, за: определяне ефективната стойност на тока на филтъра в зависимост от пълната мощност на товара и коефициента на хармонични на неговия ток; определяне намаляването на ефективната стойност на тока след включване на филтъра; определяне честотата на превключване на силовите прибори; определяне стойността на входната индуктивност на филтъра при различни видове товари. На базата на изведените зависимости е предложена обобщена методика за проектиране на силовите схеми на еднофазни и трифазни паралелни активни силови филтри. (Глава 2 – т.2.3,2.4 и 2.5).

2. За еднофазни и трифазни последователни активни силови филтри са изведени аналитични изрази, допълнени с графични зависимости, за: определяне пълната мощност на филтъра и напрежението на товара в зависимост от коефициента на хармонични на напрежението на мрежата в три случая – само филтриране, филтриране и стабилизация на предварително зададена стойност, филтриране и стабилизация на стойност, равна на ефективната на мрежовото напрежение; определяне натоварването на изходния трансформатор; определяне елементите на изходния LC- филтър. На базата на изведените зависимости е предложена обобщена методика за проектиране на силовите схеми на еднофазни и трифазни последователни активни силови филтри. (Глава 3 – т.3.2, 3.3 и 3.4).

3. Предложен е метод на “еквивалентната синусоида”, съчетан с хистерезисно - токов контрол, за управление на еднофазни и трифазни паралелни активни силови филтри. Предложен е модел и е изследвано поведението на системата за автоматично регулиране, поддържаща напрежението на изходния кондензатор. На базата на предложения метод на създадени структурни схеми за реализация на системите за хистерезисно - токово управление на паралелни активни силови филтри с променлива честота и с ограничение по максимална честота. (Глава 2 - т.2.4 и 2.6).

4. Предложен е метод за управление на еднофазни и трифазни последователни активни силови филтри на базата на следящ режим по една изходна променлива. На базата на предложения метод са създадени модели за изследване на системите за управление на последователни активни силови филтри в три варианта: а) следящо хистерезисно управление; б) управление с помощта на широчинно-импулсна модулация; в) управление на базата на фъзи логика. Изследвана е работата на системите за уравление с помощта на тези модели. Предложени са

82

структурни схеми за реализация на системите за управление на последователни активни силови филтри. ( Глава 3 – т.3.3 и 3.5).

5. Изведени са аналитични изрази, показващи баланса на активната мощност при еднофазни и трифазни универсални подобрители на качеството на електрическата енергия. (Глава 4 – т.4.2).

6. Създадени са модели за изследване посредством компютърна симулация на базата на предложените методи за управление на: еднофазни и трифазни паралелни активни силови филтри, еднофазни и трифазни последователни активни силови филтри ; еднофазни и трифазни универсални подобрители на качеството на електрическата енергия. Изследвана е работата на филтрите с помощта на тези модели при различни изкривявания във формата на консумирания ток и захранващото мрежово напрежение, и за различни товари. ( Глава 2 – т.2.7, Глава 3 – т.3.6 и глава 4 – т.4.3).

7. Практически са реализирани първоначално лабораторни модели, а впоследствие образци на: еднофазен паралелен активен силов филтър за напрежение 230 V и ефективна стойност на тока 15 А; трифазен паралелен активен силов филтър за напрежение 3х230 V и ефективна стойност на тока 15 А на фаза; еднофазен прецизен стабилизатор - филтър на променливо напрежение за товари с мощност до 3 kVA. Реализираните образци са изследвани експериментално при различни изкривявания във формата на консумирания ток и захранващото мрежово напрежение, и за различни товари. Потвърдени са методиките за проектиране, методите за управление, както и резултатите от компютърните симулации. ( Глава 2 – т.2.8 и Глава 3 – т.3.7).

8. Изведени са аналитични изрази, допълнени с графични зависимости, позволяващи да се извърши технико – икономическа оценка на ефективността от използването на паралелни и последователни активни силови филтри при различни случаи. ( Глава 2 – т.2.9 и Глава 3 – т.3.8).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ От изложеното в отделните глави на настоящата работа и от изводите в края на всяка от тях, както и на базата на обобщените научни и научно-приложни приноси могат да се направят следните заключения: 1. В резултат на извършените теоретични изследвания, изследвания посредством компютърни симулации и експериментални изследвания, са постигнати целите, формулирани в т.1.3. 2. Получените резултати са основа за развитие на практически разработки на еднофазни и трифазни варианти на АСФ при различни мощности.

83

3. Тези резултати са предпоставка за нови научни изследвания, например в следните насоки:

- получаване на междинното постоянно напрежение на универсалния подобрител на качеството на електрическата енергия чрез преобразуване на енергията от възобновяем источник, и съхраняването й в подходящ елемент за съхранение, чрез което загубите на активна мощност в двата активни силови филтъра могат да се компенсират чрез енергията от възобновяемия източник;

- съчетаване на функциите на филтриране и стабилизация при наличие на мрежово напрежение и подобряване показателите по отношение на захранващата мрежа, с тези на напрекъсваемо електрическо захранване при отпадането му посредством подходящо превключване;

- изследване приложението на активни силови филтри в микромрежи за разпределено генериране на електрическа енергия;

- изследване приложението на активни силови филтри в системи с възобновяеми източници на енергия с цел подобряване показателите на тези системи по отношение на обществената електроснабдителна мрежа; Същевременно използването на активни силови филтри трябва да

става внимателно след обстоен технико-икономически анализ, включващ няколко основни момента:

− Измерване и оценка на показателите на съществуващо оборудване, анализ на особеностите му;

− Анализ на възможните технически решения и мястото на активните силови филтри сред тях;

− Място на инсталиране на активните силови филтри; − Възможност за съвместна работа на активните силови филтри с

други средства – пасивни филтри, статични компенсатори и др; − Необходимост от включване на нови различни по характер

консуматори; − Икономическа оценка на очакваните резултати.

ДОПЪЛНИТЕЛНИ СВЕДЕНИЯ Договори за изследвания и разработки във връзка с

дисертационния труд Представените в настоящия дисертационен труд изследвания бяха подпомогнати от договор за научни изследвания ВУ – ТН – 116/2005 между Министерството на Образованието, Младежта и Науката на РБългария и Научно - изследователски сектор при Технически Университет – София на тема “Изследване възможностите за реализация на активни силови филтри за повишаване енергийната ефективност при използване на

84

електрическа енергия и подобряване на качеството й”. Периодът на изпълнение на договора е октомври 2005 - октомври 2009 г. Резултати, представени в настоящия дисертационен труд са използвани успешно в работата по два договора във връзка с възлагателен договор 6375/2007 г. на Научно - изследователски сектор при Технически Университет – София. Възложител е УНИТРАФ АД – с.Соколово, общ.Дряново, а темите са: “ Система за резервно електрическо захранване”, “ Прецизен стабилизатор на променливо напрежение”. Период на изпълнение на договорите ноември 2007- ноември 2009 г.

Използване на резултатите в учебния процес Резултатите, отнасящи се до лабораторните модели на еднофазни паралелен и последователен активни силови филтри се използват за демонстрации при лабораторни упражнения със студенти от магистърска степен на Факултета по електронна техника и технологии по дисциплината “Електронни енергийни преобразуватели”.

Публикувани научни работи във връзка с дисертационния труд По резултатите от настоящия дисертационен труд са публикувани 28 научни работи. От тях: - 8 доклада на международни конференции в чужбина и публикувани в пълен текст в съответните сборници от трудове на конференциите - 12,13,17,18,21,24,25,28. (един доклад е препоръчан и отпечатан в научно списание в чужбина – 24); - 14 доклада на международни конференции в РБългария и публикувани в пълен текст в съответните сборници от трудове на конференциите – 3,4,5,6,7,9,10,11,15,16,19,20,22,23. ( два доклада са препоръчани и отпечатани в Годишник на ТУ – София –15,16); - 6 статии в научни списания в РБългария –1,2,8,14,26,27.

Списък на публикуваните научни работи 1. Анчев М.Хр., З.А.Иванов, Електронен пускорегулиращ апарат за

луминесцентни лампи с висок фактор на мощност, сп.Осветителни системи, бр.3, 2001, стр.18-21.

2. Анчев М.Хр., Изследване на еднофазен двупосочен преобразувател с възможност за работа като активен силов филтър, сп.Електротехника и електроника, бр.10-12, 2002, стр.30-36.

3. Анчев М.Хр., М.П.Петкова, Изследване на еднофазен активен силов филтър, н.конф.ELMA 2002, vol.1, pp.120 - 128.

4. Петкова М.П. , М.Хр. Анчев, Особености при работа на еднофазен полумостов активен силов филтър, н.конф. Електроника 2002, стр.91-98.

5. Antchev M., G.Kunov, G. Stoichev, E.Gadjeva, Investigation of Srep Up/ Step Down AC/DC Converter with Improved Power Factor, Electronics ET’2002, Book 4, pp.219-224.

85

6. Antchev M.H., M.P. Petkova, Investigation of dynamic characteristics of single-phase shunt active power filter, conf. SIELA 2003, Book1, pp.36 -41.

7. Antchev M.H., Active power filters – perspective solution for power quality improvement, conf. SIELA 2003, Vol.1, pp.28-35.

8. Петкова М.П., М.Хр.Анчев, Активни силови филтри – перспективно средство за постигане изискванията на европейските стандарти за повишаване качеството на електроенергията., сп. Енергетика , бр.5, 2003, стр.22-27.

9. Antchev M. H., M.P. Petkova, Computer investigation on three-phase active power filter, IEEE 27-th Spring Seminar, Bulgaria, 2004, pp.207-213.

10. Петкова М.П., М.Хр.Анчев, Корекция на фактора на мощност на трифазен управляем токоизправител с активен силов филтър, н.конф.Електроника 2004, стр.382-388.

11. Petkova M.P., M.H. Antchev, Defining switching frequency of the power switches of active power filters controlling using hysteresis - current control, conf. SIELA 2005, Book2, pp.106-114.

12. Antchev M.H., M.P. Petkova, Operating characteristics of shunt active power filter with hyteresis – current control, 5-th IASTED conf. Power and Energy Systems, EuroPES 2005, Benalmadena, Spain, pp.399-405.

13. Antchev M.H., M.P.Petkova, Control method for shunt active power filter, IEEE conf. EUROCON 2005, Belgrade, SCG, 2005, pp.914-918.

14. Анчев М.Хр., М.П.Петкова, Изследване на паралелни активни силови филтри, сп.Електротехтика и електроника, бр.1-2, 2006, стр.16-25.

15. Antchev M.H., A.F.Zobaa, M.P.Petkova, Economics reasons to use shunt active power filters, conf.ET 2006, Proc., pp.204-210. препоръчан и отпечатан в Годишник на ТУ-София: Antchev M.H., A.F.Zobaa, M.P.Petkova, Economics reasons to use shunt active power filters, Vol.56, Book 1, 2006, pp.177-183.

16. Petkova M.P., M.H. Antchev, V.T. Gourgoulitsov, Computer Simulation of Series Active Power Filter, 15th Int. Sc.and Appl. Sc. Conf. Electronics ET”2006”, September 20-22, 2006, Sozopol, Bulgaria, Book 2, pp.211-215. препоръчан и отпечатан в Годишник на ТУ-София: Petkova M., M. Antchev and V. Gurgulitsov. Computer simulation of series active power filter, TU-Sofia, vol.56, book 1, 2006, pp.184-188.

17. Antchev M.H., M.P. Petkova, A.T. Kostov, Hysteresis - current control of single - phase shunt active power filter using frequency limitation, conf. PES 2007, Cleanwater, USA, Proc., pp. 234-238.

86

18. Antchev M.H., M.P. Petkova, M. Petkov, Single phase shunt active power filter with frequency limitation and hysteresis - current control, 5-th Power Conversion Conference PCC Nagoya, 2007 , Japan, Proc., pp.97-102.

19. Petkova М.P., M.H. Antchev, Control system of a shunt active power filter, Proc. of conf. SIELA 2007, Plovdiv, Bulgaria, 2007, vol.1, pp.136 -142.

20. Gurgulitsov V.T. , M.P. Petkova, M.H. Antchev, Study of a series active power filter, conf. SIELA 2007. Proc., vol.1, pp.54-60.

21. Antchev M.H., M.P. Petkova, V.T. Gurgulitsov, Sliding mode control of a series active power filter, IEEE conf. EUROCON 2007, Warshaw, Poland, Proc., pp. 1344-1349.

22. Petkova M.P., M.H. Antchev, Influence of input inductance over dynamic characteristics of single - phase shunt active power filter, conf ET2007. Proc., pp.139-144.

23. Gurgulitsov V.T., Antchev M.H., M.P.Petkova, Operating features of the output transformer of series active power filter, conf. ET 2007,Proc., Book2, pp.145-150.

24. Antchev M.H., V.T.Gurgulitsov, M.P.Petkova, Special features in designing single - phase series power filter, 14-th Power Electronics conf. Novi Sad, Serbia, 2007, Paper No T16-1.2, pp.1-4. препоръчан и отпечатан в списание „Електроника/Electronics” , годиште 11, броj 1-2, децембар 2007, 85 – 88 / vol.11, 1-2, December 2007, pp. 85 – 88

25. Antchev M.H., V.T. Gurgulitsov ,M.P. Petkova,, Study of PWM and sliding mode controls implied to series active power filters, conf. ELMAR 2008, Zadar, Chroatia, 2008, pp.419 - 422.

26. Анчев М.Хр., В.Т.Гургулицов, М.П.Петкова, Инвертор със следящо управление с възможност за работа като последователен активен силов филтър, сп.Електротехника и електроника, бр.3-4, 2008, стр.22-28.

27. Анчев М.Хр., М.П.Петкова, В.Т.Гургулицов, Възможности за подобряване качеството на мрежовото напрежение чрез използване на последователни активни силови филтри, сп.Енергетика , бр.6-7, 2008, стр.46-49.

28. Antchev M.H., M.P. Petkova, V.T. Gurgulitsov, H.M.Antchev, Study of single-phase bidirectional AC/DC converter with high power factor, EUROCON 2009, St. Petersburg, Russia, 2009.

ЛИТЕРАТУРА В дисертационната работа е представена библиографска справка от 309 литературни източници.