Metody redukcji odkształcenia napięć i prądów powodowanych przez
przekształtniki energoelektroniczne w sieciach elektroenergetycznych
W dzisiejszych społeczeństwach rośnie bardzo szybko produkcja odbiorników nieliniowych, takich jak urządzenia gospodarstwa domowego i przemysłowe odbiorniki energii elektrycznej. Ich masowe przyłączenie do sieci zasilającej (pomimo zgodności z normami emisyjnymi EMC) może powodować pogorszenie jakości dostarczanej energii elektrycznej. Jakość energii odnosi się głównie, do jakości napięcia zasilającego (częstotliwość, amplituda, kształt przebiegi itp.), która powinna być zgodna z zaleceniami ustalonymi przez normy. W przypadku złej jakości napięcia zasilającego w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP) jego poprawa jest zatem koniecznością, warunki norm i obowiązujących przepisów muszą być spełnione. Energia elektryczna jest towarem i dbanie o jej jakość jest niezbędne. Zaburzenia jakości dostawy energii elektrycznej są liczne i różnorodne (spadki i wzrosty napięcia, wahania, odkształcenie itp.), co oznacza, że stosuje się wiele metod, żeby redukować ich poziom w systemie elektroenergetycznym. Niniejsza praca koncentruje się na łagodzeniu zaburzeń, takich jak asymetria, harmoniczne i moc bierna podstawowej harmoniczne, stosując do tego celu filtry pasywne, aktywne i hybrydowe. Celem pracy jest zaprojektowanie hybrydowego filtru aktywnego, który jest połączeniem filtru aktywnego z filtrem pasywnym. W celu skutecznego zaprojektowania takiego filtru, w niniejszej pracy przedstawiono szczegółową analizę (symulacja i badania laboratoryjne) różnych struktur filtrów aktywnych i pasywnych. Omówiono także inne metody stosowane do redukcji zniekształceń napięcia i prądu. Rozpatrywane są następujące struktury filtru pasywnego: równoległy (prosty), szeregowy, podwójnie nastrojony, szerokopasmowe (pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu oraz typu C), a także hybrydowy filtr pasywny. Każdy z nich jest indywidualnie analizowany pod kątem charakterystyki impedancji w funkcji częstotliwości oraz wpływu zjawiska odstrojenia i rezystancji tłumienia na ich efektywność. Porównano niektóre struktury filtru pasywnego (grupa dwóch filtrów prostych & filtr podwójnie nastrojony, szeregowy filtr pasywny i hybrydowy filtrpasywny), a także metody podziału całkowitej mocy biernej w grupie filtrów. Wyniki symulacyjne zostały potwierdzone badaniami w laboratorium następujących struktur filtru pasywnego: filtr prosty, grupa dwóch filtrów prostych, filtry pierwszego i drugiego rzędu. W niniejszej pracy analizowano równoległy filtr aktywny - trójfazowy, trój przewodowy. Celem jego stosowania jest kompensacja asymetrii i odkształcenia napięcia oraz mocy biernej podstawowej harmonicznej przy użyciu oryginalnego algorytmu sterowania - opartego na teorii p-q - zaproponowanego przez autora. W pracy uwzględniono badania wpływu dławików: włączonego między PWP a sieć zasilającą, wejściowego prostownika, wejściowego równoległego filtru aktywnego oraz kondensatora strony DC na efektywność działania filtru. Eksperymenty laboratoryjne równoległego filtru aktywnego - potwierdzające wyniki badań symulacyjnych - zostały przeprowadzane z wykorzystaniem struktury czteroprzewodowej z dzieloną pojemnością po stronie DC. Po szczegółowych badaniach filtru pasywnego i aktywnego, w następnej kolejności zostały przeanalizowane struktury hybrydowe filtru aktywnego: model równoległego filtru aktywnego (trójfazowy, trzygałęziowy) połączonego szeregowo z filtrem prostym (badania symulacyjne) i model równoległego filtru aktywnego (czteroprzewodowy z dzieloną pojemnością od strony DC) połączony równolegle z grupą dwóch filtrów prostych (badania laboratoryjne). Autor zaproponował oryginalny algorytm sterowania oparty na teorii mocy p-q dla tej struktury.
Methods for Reducing Voltage and Current Distortion Caused by Power
Electronic Converters in Power Systems
In today societies, the production of non-linear loads such as household appliances and industrial electricity devices is growing rapidly. Their mass connection to the supply network (despite compliance with EMC emission standards) may cause a deterioration in the quality of the supplied electricity. The power quality refers mostly to the supply voltage quality (frequency, amplitude, waveform, etc.) which should be in accordance with the recommendations set by the standards. Therefore, in case of poor quality of the supply voltage at the point common coupling (PCC), its improvement is a necessity, the standards conditions and applicable regulations must be met. The electrical power is as a commodity and taking care of its quality is essential. The disturbances in the quality of electricity supply are numerous and varied (voltage drops and swells, flickers, deformation, etc.), which means that many methods are used to reduce their level in the electrical power system. This work focuses on mitigating disturbances such as asymmetry, harmonics and reactive power of fundamental harmonics, using methods such as passive harmonic filter (PHF), active power filter (APF) and hybrid active power filter (HAPF). The purpose of the work is to design a HAPF, which is the combination of PHF and APF. In order to effectively design such a filter, this work presents a detailed analysis (simulation and laboratory tests) of various PHF and APF structures. Other methods used to reduce voltage and current distortion are also discussed. The following PHF structures are considered: single- tuned filter, the series PHF, the double-tuned filter, the broad-band filters (first-order, second-order, third-order and C-type filter) and hybrid passive harmonic filter (HPHF). Each of them is individually analyzed focusing on the impedance versus frequency characteristics and influence of detuning phenomenon and damping resistance on their efficiency. Some PHF structures (group of two single-filters & double-tune filter, series PHF & hybrid PHF) are compared as well as the methods of sharing the total reactive power in the filter group. The simulation studies are confirmed after the investigation in the laboratory
of the following PHF structures: singletune filter, group of two single-tuned filters, first and second-order filters. In this work, the SAPF (three legs three wire) is analyzed. The goal of its design is to compensate the load fundamental harmonic reactive power, harmonics, and asymmetry using the original control algorithm - based on p-q theory - proposed by author. The studies of the influence of the line reactor: connected between the PCC and the grid, rectifier input and SAPF input as well as the SAPF DC capacitor on the filter efficiency is considered in this work. The laboratory experiments of SAPF confirming the simulation results is carried out using the four wires three legs structure. After detailed studies of PHF and SAPF structures, the HAPF structures: model of SAPF (three legs three wires) connected in series with the single-branch filter (simulation studies) and model of SAPF (three legs four wires) connected in parallel with the group of two singlebranch filters (laboratory studies) were next analyzed. The author proposed an original control algorithm based on p- q theory for this structure.
