Двухконверторный силовой активный фильтр с пониженными динамическими потерями: синтез управления и моделирование

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.

1. Шидловский, А. К. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях / А. К. Шидловский, А. Ф. Жаркин. Киев: Наукова думка, 2005. 210 с.

2. 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/10.21122/1029-7448-2017-60-6-544-557

3. Счастный, 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/10.21122/1029-7448-2022-65-1-37-51

4. Singh, 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/10.1109/41.793345

5. Salam, 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.

6. 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/en11061491

7. Active 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.2016.11.091

8. Тугай, Д. В. Устройства силовой электроники в SMART GRID / Д. В. Тугай // Світлотехніка та електроенергетика. 2016. № 2. С. 10–26.

9. 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.2018.07.002

10. Skuriatin, 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.

11. Liserre, 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.2005.853373

12. 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.2014.6873756

13. Topologies, 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.2016.04.006

14. Generalized 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.2011.2167117

15. Уткин, В. И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой / В. И. Уткин. М.: Наука, 1974. 272 с.

16. Скурятин, Ю. В. Повышение электромагнитной совместимости частотно-токовых преобразователей с нагрузкой / Ю. В. Скурятин, Н. А. Денисевич // Технічна електродинаміка. 2012. № 2. С. 65–66.

17. 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.

18. 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.2018.8602480

19. Performance 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.2006.888912

20. 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/B978-0-12-811407-0.00046-5

21. Скурятин, 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/10.17213/0136-3360-2016-1-71-77

22. IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems: IEEE Std 519-2014. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2014.6826459