energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2023-65-5-398-411energy-2197Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGДвухконверторный силовой активный фильтр с пониженными динамическими потерями: синтез управления и моделированиеDual-Converter Active Power Filter with Reduced Dynamic Losses: Control Synthesis and ModelinБелоусовА. B.BelousovA. V.

г. Белгород

Belgorod

yvs-work@mail.ruСкурятинЮ. В.SkuriatinY. V.

Адрес для переписки:Скурятин Юрий Васильевич – Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова,ул. Костюкова, 46,308012, г. Белгород, Российская Федерация.Тел.: +7 7 915 523-21-51 yvs-work@mail.ru

Address for correspondence:Skuriatin Yurii V..–Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov,46,Kostyukova str., 5308012, Belgorod, Russian Federation. Tel.: +7 91523-21-51 yvs-work@mail.ru

yvs-work@mail.ruДенисевичН. А.DenysevichN. A.

г. Белгород

Belgorod

Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. ШуховаРоссияBelgorod State Technological University named after V. G. ShukhovRussian Federation202204102022655398411Copyright © Белоусов А.B., Скурятин Ю.В., Денисевич Н.А., 20222022Белоусов А.B., Скурятин Ю.В., Денисевич Н.А.Belousov A.V., Skuriatin Y.V., Denysevich N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2197

Cиловые активные фильтры – одно из наиболее эффективных средств снижения неактивных составляющих потребляемой из сети мощности, позволяющих обеспечить надлежащее качество электроэнергии в точках общего подключения к сети. К ключевым параметрам фильтров относятся динамические потери мощности в вентилях, которые оказывают влияние на КПД преобразователя и соответственно определяют целесообразность применения указанных фильтров в каждой конкретной ситуации. Наряду с решением задачи обеспечения надлежащего качества электроэнергии в точках общего подключения к сети особую актуальность приобретает снижение динамических потерь в вентилях. Цель исследования – повышение эффективности активной фильтрации в части снижения динамических потерь в вентилях при обеспечении высокого качества напряжений в точках общего подключения к сети и потребляемых из сети токов. Для ее достижения предложено совместно использовать двухконверторный силовой активный фильтр, работающий в режиме с различными частотами преобразования и установленными мощностями конверторов, и интерфейсный LCL-фильтр. Выполнен синтез управления преобразователем. В качестве метода используется управление на скользящих режимах. Эффективность предложенной системы оценена посредством моделирования в пакете прикладных программ MATLAB-Simulink. Результаты имитационного моделирования подтверждают возможность организации режима работы, при котором частоты преобразования и установленные мощности конверторов силовых активных фильтров различны. При этом потребляемые из сети токи и напряжения в точках общего подключения к сети имеют практически идеальную гармоническую форму. Фазовый сдвиг сетевых токов относительно соответствующих напряжений пренебрежимо мал. Показано, что организация режима работы конверторов с различными частотами преобразования и установленными мощностями позволяет существенно снизить динамические потери в ключах силовых активных фильтров.

Nowadays, active power filters represent one of the most efficient means to reduce inactive power components which provides proper quality of electricity at common network connectivity points. Dynamic power losses in the valves that have a significant impact on the efficiency of the converter and, accordingly, determine the feasibility of using these filters in each specific situation, are among their key parameters. Along with the solution of the problem of ensuring the proper quality of electricity at common network connectivity points, the task of reducing dynamic losses in the valves becomes especially relevant. The purpose of the study is to increase the efficiency of active filtration in terms of reducing dynamic losses in the valves while ensuring high-quality voltages at common network connectivity points and currents consumed from the network. To achieve the goal, it is proposed to jointly use a dual-converter active power filter operating in a mode with different conversion frequencies and rated converter capacities, and an interface LCL-filter. Synthesis of converter control is performed. As a control method, the sliding mode control has been used. The efficiency of the proposed system was assessed by modeling in the MATLAB-Simulink application software package. The simulation results confirm the possibility of organizing a mode of operation in which the conversion frequencies and rated capacities of the converters of active power filters are different. In such a case, the currents and voltages consumed from the network at common network connectivity points have an almost perfect harmonic shape; and the phase shift of the network currents relative to the corresponding voltages has a negligible value. It is shown that the organization of the operating mode of converters with different conversion frequencies and rated capacities can significantly reduce the dynamic losses in the switches of active power filters.

полупроводниковый преобразовательскользящий режимуправлениевысшие гармоникиэлектромагнитная совместимостьнеактивные составляющие мощностикачество электроэнергииLCL-фильтрsemiconductor convertersliding modecontrolhigher harmonicselectromagnetic compatibilityinactive components of powerelectric power qualityLCL-filterReferencesШидловский, А. К. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях / А. К. Шидловский, А. Ф. Жаркин. Киев: Наукова думка, 2005. 210 с.Shidlovskii A. K., Zharkin A. F. (2005) High Harmonics in Low-Voltage Electrical Networks. Kyiv, Naukova dumka Publ. 210 (in Russian).Козловская, В. Б. Учет влияния высших гармоник при выборе сечений проводников линий наружного освещения / В. Б. Козловская, В. Н. Калечиц // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 6. С. 544–557. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-6-544-557Kozlovskaya V. B., Kalechyts V. N. (2017) Consideration of the Impact of High Harmonics when Selecting the Conductor Cross-Sections of Lines of Outdoor Lighting. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (6), 544–557 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-6-544-557Счастный, В. П. Электромагнитная совместимость компенсирующих устройств и преобразователей регулируемого электропривода в электрических сетях промышленных предприятий / В. П. Счастный, А. И. Жуковский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 1. С. 37–51. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-37-51Schasny V. P., Zhukouski A. I. (2022) Electromagnetic Compatibility of Compensating Devices and Converters of an Adjustable Electric Drive in Electrical Networks of Industrial Enterprises. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (1), 37–51 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-37-51Singh, B. A Review of Active Filters for Power Quality Improvement / B. Singh, K. Al-Haddad, A. Chandra // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1999. Vol. 46, Iss. 5. P. 960–971. https://doi.org/10.1109/41.793345Singh B., Al-Haddad K., Chandra A. (1999) A Review of Active Filters for Power Quality Improvement. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 46 (5), 960–971. https://doi.org/10.1109/41.793345Salam, Z. Harmonics Mitigation Using Active Power Filter: A Technological Review / Z. Salam, P. C. Tan, A. Jusoh // Elektrika Journal of Electrical Engineering. 2006. Vol. 8, Iss. 2. P. 17–26.Salam Z., Tan P. C., Jusoh A. (2006) Harmonics Mitigation Using Active Power Filter: A Technological Review. Elektrika Journal of Electrical Engineering, 8 (2), 17–26.Mitigation of Power Quality Issues Due to High Penetration of Renewable Energy Sources in Electric Grid Systems Using Three-Phase APF/STATCOM Technologies: A Review / W. U. K. Tareen [et al.] // Energies. 2018. Vol. 11, Iss. 6, Art. No 1491. https://doi.org/10.3390/en11061491Tareen W. U. K., Aamir M., Mekhilef S., Nakaoka M., Seyedmahmoudian M., Horan B., Memon M. A., Baig N. A. (2018) Mitigation of Power Quality Issues Due to High Penetration of Renewable Energy Sources in Electric Grid Systems Using Three-Phase APF/STATCOM Technologies: A Review. Energies, 11 (6), art. No 1491. https://doi.org/10.3390/en11061491Active Power Filter (APF) for Mitigation of Power Quality Issues in Grid Integration of Wind and Photovoltaic Energy Conversion System / W. U. Tareen [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 70. P. 635–655. http://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.091Tareen W. U., Mekhilef S., Seyedmahmoudian M., Horan B. (2017) Active Power Filter (APF) for Mitigation of Power Quality Issues in Grid Integration of Wind and Photovoltaic Energy Conversion System. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 635–655. http://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.091Тугай, Д. В. Устройства силовой электроники в SMART GRID / Д. В. Тугай // Світлотехніка та електроенергетика. 2016. № 2. С. 10–26.Tugay D. V. (2016) Power Electronics Converters in Smart Grid. Svіtlotekhnіka ta elektroenergetika = Lighting Engineering and Power Engineering, 2 (46), 10–26 (in Russian).Kumar, R. Shunt Active Power Filter: Current Status of Control Techniques and its Integration to Renewable Energy Sources / R. Kumar, H. O. Bansal // Sustainable Cities and Society. 2018. Vol. 42. P. 574–592. https://doi.org/10.1016/j.scs.2018.07.002Kumar R., Bansal H. O. (2018) Shunt Active Power Filter: Current Status of Control Techniques and its Integration to Renewable Energy Sources. Sustainable Cities and Society, 42, 574–592. https://doi.org/10.1016/j.scs.2018.07.002Skuriatin, Y. V. Sliding Mode Control Based Shunt Active Power Filter / Y. V. Skuriatin, A. V. Belousov, N. A. Denysevych // Problemele Energeticii Regionale. 2018. Vol. 2 (37). P. 20–30.Skuriatin Y. V., Belousov A. V., Denysevych N. A. (2018) Sliding Mode Control Based Shunt Active Power Filter. Problemele Energeticii Regionale, 2 (37), 20–30. https://doi.org/10.5281/zenodo.1343408Liserre, M. Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier / M. Liserre, F. Blaabjerg, S. Hansen // IEEE Transactions on Industry Applications. 2005. Vol. 41, Iss. 5. P. 1281–1291. http://doi.org/10.1109/TIA.2005.853373Liserre M., Blaabjerg F., Hansen S. (2005) Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier. IEEE Transactions on Industry Applications, 41 (5), 1281–1291. https://doi.org/10.1109/TIA.2005.853373.Elsaharty, M. A. Passive L and LCL Filter Design Method for Grid-Connected Inverters / M. A. Elsaharty, H. A. Ashour // IEEE Innovative Smart Grid Technol. 2014. Art. No 6873756. P. 13–18. http:// doi.org/10.1109/ISGT-Asia.2014.6873756Elsaharty M. A., Ashour H. A. (2014) Passive L and LCL Filter Design Method for Grid-Connected Inverters. IEEE Innovative Smart Grid Technologies – Asia (ISGT ASIA), 13–18. https://doi.org/10.1109/ISGT-Asia.2014.6873756Topologies, Generalized Designs, Passive and Active Damping Methods of Switching Ripple Filters For Voltage Source Inverter: A Comprehensive Review / M. Büyük [et al.] // Renew Sustain Energy Rev. 2016. Vol. 62. P. 46–69. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.04.006Büyük M., Tan A., Tümay M., Bayindir K.Ç. (2016) Topologies, Generalized Designs, Passive and Active Damping Methods of Switching Ripple Filters for Voltage Source Inverter: A Comprehensive Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 62, 46–69. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.04.006Generalized Design of High Performance Shunt Active Power Filter with Output LCL Filter / Y. Tang [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2012. Vol. 59, Iss. 3. P. 1443–1452. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2167117Tang Y., Loh P. C., Wang P., Choo F. H., Gao F., Blaabjerg F. (2012) Generalized Design of High Performance Shunt Active Power Filter With Output LCL Filter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 59 (3), 1443–1452. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2167117Уткин, В. И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой / В. И. Уткин. М.: Наука, 1974. 272 с.Utkin V. I. (1974) Sliding Modes and Their Application in Variable Structure Systems. Мosсow, Nauka Publ. 272 (in Russian).Скурятин, Ю. В. Повышение электромагнитной совместимости частотно-токовых преобразователей с нагрузкой / Ю. В. Скурятин, Н. А. Денисевич // Технічна електродинаміка. 2012. № 2. С. 65–66.Skuriatin Yu. V., Denisevich N. A. (2012) Increase of Electromagnetic Compatibility of Converter of Frequency of Current with the Load. Tekhnichna Electrodynamika = Technical Electrodynamics, (2), 65–66 (in Russian).Скурятин, Ю. В. Преобразователь частоты с управлением на скользящих режимах, электромагнитно совместимый с сетью / Ю. В. Скурятин, А. В. Белоусов, Н. А. Денисевич // Труды IX Междунар. (XX Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП–2016. Пермь, 2016. С. 301–305.Skuriatin Yu. V., Belousov A. V., Denisevich N. A. (2016) Sliding Mode Control Frequency Converter Electromagnetically Compatible with the Network. Proceedings of the IX International (XX All-Russian) Conference on Power Drives Systems (ICPDS' 2016). Perm, 301–305 (in Russian).Skuriatin, Yu. V. Sliding Mode Control Based STATCOM / Yu. V. Skuriatin, A. V. Belousov, N. A. Denisevich // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon, October, 2018. Vladivostok. Art. No 8602480. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602480Skuriatin Yu. V., Belousov A. V., Denisevich N. A. (2018) Sliding Mode Control Based STATCOM. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon, October, 2018. Vladivostok, art. No 8602480. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602480Performance Improvement of Shunt Active Power Filter with Dual Parallel Topology / L. Asiminoaei [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. 2007. Vol. 22, Iss. 1. P. 247–259. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.888912Asiminoaei L., Lascu C., Blaabjerg F., Boldea I. (2007) Performance Improvement of Shunt Active Power Filter with Dual Parallel Topology. IEEE Transactions on Power Electronics, 22 (1), 247–259. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.888912.Morán, L. 41 – Active Power Filters / L. Morán, J. Dixon, M. Torres // Power Electronics Handbook. 4th ed. Butterworth-Heinemann, 2018. P. 1341–1379. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811407-0.00046-5Morán L., Dixon J., Torres M. (2018) 41 – Active Power Filters. Power Electronics Handbook. 4th ed. Butterworth-Heinemann, 1341–1379. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811407-0.00046-5Скурятин, Ю. В. Повышение эффективности активной фильтрации. Прямое управление потребляемой мощностью / Ю. В. Скурятин, А. В. Белоусов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2016. № 1. С. 71–77. https://doi.org/10.17213/0136-3360-2016-1-71-77Skuriatin Yu. V., Belousov A. V. (2016) Improving the Active Filtering Efficiency. Direct Control of Power Consumption. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, (1), 71–77(in Russian). https://doi.org/10.17213/0136-3360-2016-1-71-77IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems: IEEE Std 519-2014. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2014.6826459IEEE Std 519–2014. IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2014.6826459

The authors declare that there are no conflicts of interest present.