CC BY
16
Електротехнiчнi комплекси та системи. Силова електронка
УДК 621.316.761.2; 621.316.728 ^к 10.20998/2074-272Х.2018.1.04
Р.В. Власенко, О.В. Бялобржеський
ОБМЕЖЕННЯ СТРУМУ ТРИФАЗНОГО СИЛОВОГО АКТИВНОГО Ф1ЛЬТРА В УМОВАХ ПЕРЕВАНТАЖЕННЯ ТА КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ
Мета. Метою роботи е розробка методики обмеження до гранично допустимого рiвня струму трифазного силового активного фшьтру (САФ) в умовах перевантаження або короткого замикання та системи для реатзаци методики. Методика. Для проведения дослгджень використовувались положения pq-теорu миттевоТ потужност1, метод теори автоматичного управлгння в системах з релейними регуляторами, методи моделювання в середовищi визуального про-грамування. Результати Як режим перевантаження так i аваршний режим короткого замикання, з використанням пропонованого рШення, не призводять до суттевих змш рiвня напруги на накопичуючому конденсатор^ вiдповiдно тдтримуючи стаб^льтсть роботи силовоТ частини силового активного фшьтру. Наукова новизна. При тимчасових перевантаженнях за струмом та коротких замикань у вузлг мережi до якого приеднують силовий активний фйльтр, обмеження його струму виконують шляхом масштабування дтчого струму до рiвня припустимого за умов нормаль-ноТ роботи напiвпровiдникових елементгв пристрою, що дозволяе в зазначених режимах реатзовувати основний алгоритм роботи. Практичне значення. Запропоноване рШення може бути використаним як засгб захисту силовоТ частини пристрою у разi перевантаження, що, у разi виникнення аваршних ситуацш, та Тх усунення забезпечить авто-матичне поновлення нормального режиму пристрою. Бiбл. 11, табл. 2, рис. 5.
Ключовi слова: силовий активний фшьтр, pq-теорiя миттево1 потужносп, релейне регулювання струму, дточе значення струму, зона гктерезису.
Цель. Целью работы является разработка методики ограничения до предельно допустимого уровня тока трехфазного силового активного фильтра (САФ) в условиях перегрузки или короткого замыкания и системы для реализации методики. Методика. Для проведения исследований использовались положения pq-теории мгновенной мощности, метод теории автоматического управления в системах с релейными регуляторами, методы моделирования в среде визуального программирования. Результаты. Как режим перегрузки, так и аварийный режим короткого замыкания, с использованием предлагаемого решения, не приводят к существенным изменениям уровня напряжения на накопительном конденсаторе, соответственно поддерживая стабильность работы силовой части силового активного фильтра. Научная новизна. При временных перегрузках по току и коротких замыканий в узле сети, к которому присоединяют силовой активный фильтр, ограничения его тока выполняют путем масштабирования действующего тока до уровня допустимого в условиях нормальной работы полупроводниковых элементов устройства, позволяет в указанных режимах реализовывать основной алгоритм работы. Практическое значение. Предложенное решение может быть использовано как средство защиты силовой части устройства в случае перегрузки, или в случае возникновения аварийных ситуаций, а их устранение обеспечит автоматическое обновление нормального режима устройства Библ. 11, табл. 2, рис. 5.
Ключевые слова: силовой активный фильтр, pq-теория мгновенной мощности, релейное регулирование тока, действительное значение тока, зона гистерезиса.
Вступ. В промисловосп широко застосовуються перетворювачi частоти, тиристорш перетворювач^ швертори, випрямлячi призначеш для керування потоком енергп електромехашчних та електротехшчних пристро!в. Ц перетворювачi за принципом ди !хньо! силово! частини значно впливають на яшсть електри-чно! енергп. Тим самим негативно впливають на самi електромехашчш та електротехшчш пристро!, елект-ричш машини i апарати. Компенсащя, виникаючо! при робот таких перетворювачiв, реактивно! потужносп та ф№тращя вищих гармошк струму, генерова-них зазначеними вище пристроями, е на тепершнш час актуальною задачею. Використання фшк^в гармошк та компенсуючих конденсаторних батарей у випадку керованих перетворювачiв не призводить до отримання бажаного результату iз забезпечення якос-т електрично! енергп [1].
1нноващею в питанш компенсацп реактивно! потужносп та фшьтрацп вищих гармонiк струму е за-стосування активних компенсуючих пристро!в - си-лових активних фшьтрш (САФ) [2, 3]. САФ мають можливiсть, завдяки закладеному алгоритму, викону-вати компенсацш реактивно! потужностi i фiльтрацiю вищих гармонiк струму. Струм САФ формуеться на
основi алгоршшв активно! фiльтрацi!, що базуються на однш з теорiй потужностi: теори повно! потужнос-тi Фрiзе [4], рд-теори миттево! потужностi [5], рдг-теорi! миттево! потужностi [6] та шших. Це залежить вiд режиму нейтрал! вузла мереж1 до якого приедну-ють САФ, що в свою чергу впливае на структуру його силово! частини.
Аналiз попереднiх дослiджень. Струм САФ формуеться на шдстаы струму навантаження та напруги мереж1 ввдповщно до юнуючих методiв визначення компонент потужносп або струму [4-6].
У вузлах системи електроспоживання виникають режими зумовленi перевантаженнями технологiчних механiзмiв. Це можливо, як за технолопчним проце-сом, так i у разi нештатних чи аварiйних ситуацп. Критичним випадком перевантаження вузла електрично! мереж1 е виникнення короткого замикання на поточнш, або сум!жнш д!лянщ. Зважаючи на алгоритм роботи, за умов виникнення аваршних ситуацш чи перевантаження система керування САФ буде на-магатися формувати струм, який ймов!рно перевищу-ватиме розрахунковий струм силово! частини. Безу-мовно на еташ проектування промислового зразка
© Р.В. Власенко, О.В. Бялобржеський
в силову частину САФ будуть введет елементи захи-сту, але задачу захисту можливо вирiшити й шшим шляхом.
Елементи силово! частини САФ вибираються виходячи з розрахункового режиму: частота комута-цп, робочий (номшальний) струм i робоча (номшаль-на) напруга, напруга накопичуючого конденсатора в колi знакопостшно! напруги [7, 8].
Таким чином, постае задача обмеження заданого струму САФ в частиш алгоритму активно! фшьтрацп при наступних умовах:
1) в умовах перевантаження САФ - при струмi навантаження, дiюче значения якого перевищуе гра-нично-припустимий рiвень, на який розрахована си-лова частина САФ;
2) в умовах короткого замикання кола навантаження САФ на поточнш чи сумiжнiй дшянках систе-ми електропостачання на перюд достатнiй для спра-цювання протиаваршно! автоматики.
Метою роботи е розробка методики обмеження до гранично допустимого рiвия струму трифазного силового активного фшьтру в умовах перевантаження або короткого замикання та системи для реалiзацi! методики.
Основний матерiал. САФ забезпечуе формуван-
ня заданого струму , який в ходi роботи пристрою
порiвнюеться з актуальним струмом САФ (струм отриманий з датчиков), регулювання вихщного параметру за ввдхиленням. За принципом релейного регулювання похибка струму, а точшше 11 знак, е ознакою для формування iмпульсiв керування транзисторами верх-нього чи нижнього плеча перетворювача [11].
Виконання обмеження шляхом застосування ввд-повадно! ланки обмеження призведе до змiни форми струму, ввдповщно це призведе до порушення проце-дури формування струму i, як наслщок принципу компенсаций Таким чином, у якосл рацiонального рiшения запропоновано iдею масштабування струму до величини, що не перебiльшуватиме припустиме дшче значення струму напiвпровiдникових вентилiв силово! частини /тах.
На основi викладеного, пропонуеться наступна методика обмеження струму САФ:
1. Задають значення максимального струму /тах зу-мовлене властивостями вентилiв перетворювача САФ.
2. Визначають дiюче значення заданого струму САФ ¡* г за перiод основно! гармошки (Т = 0,02 с):
aPfW
J1 +T 2 T Í (Cf) dt ■
(1)
3. Визначають спiввiдношення визначеного дшчо-го значення струму до заданого максимального.
k _ 1max
Ir
(2)
4. У раз^ якщо дiюче значення струму САФ нижче максимального, виконувати обмеження не пот^бно, тобто параметр масштабування повинен дорiвнювати одиницi. У разi якщо дшче значення струму САФ
K _
(3)
вище максимального, необхвдно виконувати обмеження на величину перевищення, таким чином коефь щент масштабування:
[1, fork > 1 [к, for k < 1
Такi умови можливо виконати з використанням блоку обмеження.
5. Поточне задане значення струму САФ масшта-бують:
О =K ■ С. (4)
Для реалiзацii розроблено! методики пропонуеться блок схема пвдсистеми обмеження струму силового активного фшьтру, що наведена на рис. 1.
Reference
Product
Рис. 1. Блок-схема тдсистеми обмеження струму САФ
Запропонована блок-схема (рис. 1) реалiзована в пiдсистемi формування струму (pq-theory power control), системи керування САФ у складi електроенерге-тичного комплексу, модель якого (рис. 2) побудовано в графiчному середовищi iмiтацiйного моделювання та розкрита в робот [9]. Для визначення струму ком-пенсацii САФ обрано pq-теорш миттево! потужностi [4], а в якосп методу iмпульсного управлшня транзисторами перетворювача - метод релейного регулю-вання струму (РРС) [11], блок (Relay current control) (рис. 2).
Нелишне навантаження представлено трифаз-ним тиристорним перетворювачем (Thyristor converter) з активно-шдуктивним навантаженням (RL-load) з параметрами Rld = 0,666 Ом i Ld = 0,0386 Гн, що при куп керування 45° в тиристорному перетво-рювачi вiдповiдае розрахунковiй потужностi Pld = = 66 кВт, Qld = 135 кВАр. За параметрами навантаження з урахуванням припустимого вадхилення на-пруги розраховано та введено в схему трифазне дже-рело електрично! енергii [10] (Three-phase source) з наступними параметрами: дшче значення мiжфазноi' напруги Us=380 В, частота fs=50 Гц, активний i реак-тивний опори вадповадно Rs=0,1 Ом та Ls=1,3-10-5 Гн.
Елементи силово! частини трифазного САФ роз-раховаш за методикою [7]: шдуктившсть реактора L=0,0054 Гн; напруга конденсатора Udc = 2000 В; ем-шсть конденсатора C = 20-10-3 Ф [9]. Значення зона пстерезису (струмово! трубки) в методi РРС дорiвнюе НВ = 10, що вадповвдае 5 % ввд номiнального струму навантаження [11].
Проведено дослвдження роботи моделi в режимi перевищення максимального робочого струму в разi перевантаження (рис. 3,4) та в режимi аваршного короткого замикання (рис. 5, 6) з використанням блоку Three-Phase Fault (рис. 2).
400
Рис. 2. Matlab Simulink модель електроенергетичноï системи з трифазним САФ
I,.,„,=234,8 A I„,„=234,8 А
Рис. 3. Осцилограми струму навантаження г'и, поточного САФ iapf та мережi is без та з обмеженням
за максимальним значенням струму
Режим перевантаження. Дослвдження проведено з обмеженням по струму та без обмеження. Задане максимальне дшче значення струму встановлене на рiвнi Imax = 170 A. Результати моделювання iз зазна-ченими умовами представленi на рис. 3. На iнтервалi часу (0,1-0,15 с) пвдсистема обмеження струму не активна, наявне перевантаження перетворювача САФ робочим струмом 215,6 А, при цьому ефектившсть
компенсаци можна оцiнити за iнтегральними показ-никами - табл. 1 (без обмеження). На iнтервалi часу (0,15-0,2 с) вводиться в дш пвдсистема обмеження струму i дшче значення струму САФ знижуеться до встановленого максимального рiвня, при цьому пока-зники компенсацiï погiршуються - табл. 1 (з обмеженням), але пристрш забезпечуе зниження реактив-toï потужностi та коефiцieнту викривлення струму.
Таблиця 1
Зведеш результати дослiдження режиму перевантаження
Параметр Без САФ Без обмеження З обмеженням
P, Вт 21300 21870 20630
Q, Вар 44270 -275,5 8621
1 А ^rmsi 234,8 104,9 107,2
THD, % 13,96 6,24 7,94
lapf, А - 215,6 170,7
THDiapf, % - 15,2 16,23
Виходячи з д!аграми змши напруги накопичую-чого конденсатора (рис. 4) вщхилення напруги не пе-ревищуе 1 %. При цьому зниження величини струму викликае зб!льшення запасу енергп конденсатора. 2000
1996
1992
1988
0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 4. Напруга на конденсaторi з обмеженням та без обмеження за максимальным значенням струму
0.2
Режим короткого замикання (КЗ). Дослвджен-ня КЗ виконано шляхом !мтацд мiжфaзного короткого замикання двох фаз на землю у вузлi навантажен-ня. В модель системи додатково введено блок, який реaлiзуе режим короткого замикання рис. 2 (Three-Phase Fault) шляхом замикання двох фаз на отр R = 0,001 Ом, на iнтервaлi часу (0,1-0,2 с).
Зважаючи на те, що коротке замикання реаль зоване через омiчний ошр (рис. 5), на iнтервaлi ди короткого замикання струм зумовлений активною потужшстю ютотно перевищуе струм зумовлений реактивною потужшстю та потужшстю спотворень. За умов реал!зацп режиму короткого замикання порушуеться функцюнування блоку (pq-theory power control), у зв'язку iз значним зниженням ме-режево! напруги. При цьому САФ продовжуе за-безпечувати компенсaцiю струму навантаження (табл. 2 без обмеження), та обмеження струму на iнтервaлi 0,1-0,15 с (табл. 2 з обмеженням). Додатково слщ вщзначити, що використання обмеження призводить до зменшення перекомпенсаци реактивно! потужностг
Анaлiз напруги накопичуючого конденсатора шд час реaлiзaцi! режиму короткого замикання показуе, як i в попередньому випадку незначне збiльшення ампль туди пульсaцiй напруги, як! не перевищують 3 %.
4000 2000 О
■2000 4000
Нормальный режим
КЗ з обмеженням
КЗ без обмеження
! kt А /W4 А V 1 v •■/ чА/
' Момент КЗ 1" O.I s | / \ У v i :у у у
V у V •:ЛА7 i "f \'\V " "7**"/"'""'* г1 V'' / V /" i i
|
1 г п
0.06 0.03 0.1 0.12 0.14 ОЛЕ 0.18 0.2
Рис. 5. Осцилограми струму навантаження ild, поточного САФ ipта мереж! is в режим! КЗ з обмеженням та без обмеження
за максимальним значенням струму
Таким чином, реал!защя запропоновано! методики, де обмеження до гранично допустимого р!вня струму трифазного САФ в умовах перевантаження
або короткого замикання виконуеться шляхом масш-табування величини струму САФ до р!вня припусти-мого за умов нормально! роботи нашвпроввдникових
елеменпв, дозволяе в зазначених режимах реалiзову-вати основний алгоритм роботи САФ, що шдтвер-джуеться наведеними результатами дослщжень компьютерно! моделi системи (рис. 3-6).
Таблиця 2
Зведет результати дослiдження режиму трифазного короткого замикання
Параметр Без САФ Без обмеження З обмеженням
P, Вт 21300 4418 4671
Q, Вар 44270 -490 16,29
I А x rms ? 234,8 2172 2171
THDt , % 13,96 0,8 0,8
Iapf, А - 317,8 161,8
THDIapf, % - 60,9 70,6
0.06 0.1 0.14 0.18
Рис. 6. Напруга на конденсаторi при сталому режим^ без обмеження за максимальним значенням та з обмежен-ням в режимi КЗ
Висновки.
1. Запропоновано методику обмеження до гранично допустимого рiвня струму трифазного САФ та блок-схему пвдсистеми обмеження струму САФ, що дозволяе реалiзовувати основний алгоритм роботи САФ в режимах його перевантаження або короткого замикання.
2. Реалiзацiя запропоновано! методики дозволяе за-хистити силову частину САФ у разi аваршних режи-мiв перевантаження та короткого замикання, та забез-печуе автоматичне поновлення нормального режиму роботи САФ тсля усунення аварiйних режимiв системою протиаваршно! автоматики .
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд. - М.: Энергоатом-издат, 2000. - 252 с.
2. Давидов О.Ю., Бялобржеський О.В. Анатз засобш ком-пенсацi! реактивно! потужност в електротехнiчних системах // Вюник Кременчуцького нацiонального ушверситету iменi М. Остроградського. - 2010. - №3(62). - Частина 1. -С. 132-136.
3. Алексеев Б.А. Активные фильтры высших гармоник // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2007. - №3. - С. 28-32.
4. Жемеров Г.Г., Ильина О.В. Теория мощности Фризе и современные теории мощности // Електротехшка i електро-мехашка. - 2007. - №6. - С. 63-65. doi: 10.20998/2074-272X.2007.6.14.
5. Akagi H., Watanabe E. H., Aredes M. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. - Wiley-IEEE Press., 2007. - 379 p. ISBN 978-0-470-10761-4.
6. Власенко Р.В., Бялобржеський О.В. Застосування силового активного фшьтру при компенсацп компонент струму несиметричного нелшшного навантаження в чо-тирипроввднш мережi // Вiсник Приазовського державного техшчного унiверситету. Серiя: Техшчт науки. -2015. - №31. - С. 156-165.
7.Zakis J., Rankis I. Comparison of flexible systems of reactive power compensation // 5th International symposium «Topical problems in the field of electrical and power engineering». Doctoral school of energy and geotechnology. - Kuressaare, Estonia. - 14-19 January, 2008. - pp. 99-102.
8. Бялобржеський О.В., Власенко Р.В. Зв'язок електроене-ргетичних параметрш режиму однофазного активного фшьтру з параметрами його накопичувачш // Науковий вгсник НГУ. - 2015. - №4. - С. 79-84.
9. Власенко Р.В., Бялобржеський О.В. Поршняння методiв компенсацп неактивно! потужност трифазним силовим активним фшьтром з адаптивним релейним регулятором струму // Електротехшка та електроенергетика. - 2014. -№2. - С. 20-27.
10. Сегеда М.С. Електричш мережi та системи. - Львш: Видавництво нацiонального унiверситету «Львшська поль технжа», 2007. - 488 с.
11. Dixon J.W., Tepper S., Moran L. Analysis and evaluation of different modulation techniques for active power filters // Proceedings of 1994 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - ASPEC'94. pp. 894-900. doi: 10.1109/APEC.1994.316303.
REFERENCES
1. Zhezhelenko I.V., Saenko Yu.L. Pokazateli kachestva elektroenergii i ikh kontrol' na promyshlennykh predpriiatii-akh: Ucheb. posobie dlia vuzov. 3-e izd [Indicators of quality of the electric power and their control at the industrial enterprises. Educational manual for students of higher educational institutions, 3rd ed.]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2000. 252 p. (Rus).
2. Davydov A.Y., Bialobrzeski A.V. Analysis of facilities of indemnification of reactive-power is in electrical engineerings systems. Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2010, no.3(62), part 1, pp. 132-136. (Ukr).
3. Alekseev B.A. Active harmonic filters. ELEKTRO. Electrical engineering, power industry, electrical industry, 2007, no.3, pp. 28-32. (Rus).
4. Zhemerov G.G., Ilina O.V. Fryze power theory and modern power theories. Electrical engineering & electromechanics, 2007, no.6, pp. 63-65. doi: 10.20998/2074-272X.2007.6.14.
5. Akagi H., Watanabe E.H., Aredes M. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Wiley-IEEE Press, April 2007. 379 p. ISBN 978-0-470-10761-4.
6. Vlasenko R.V., Bialobrzeski O.V. Using active power filter to compensate the current component of asymmetrical nonlinear load in the four wire network. Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical sciences, 2015, no.31, pp. 156-165. (Ukr).
7. Zakis J., Rankis I. Comparison of flexible systems of reactive power compensation. 5th International symposium «Topical problems in the field of electrical and power engineering». Doctoral school of energy and geotechnology. Kuressaare, Estonia. 14-19 January, 2008, pp. 99-102.
8. Byalobrzheskii O.V., Vlasenko R.V. Interrelation of electric-power parameters of the single-phase active power filter mode with parameters of the stores attached. Naukovyi Visnyk Natsion-alnoho Hirnychoho Universytetu, 2015, no.4, pp. 79-84. (Ukr).
9. Vlasenko R.V., Bialobrzeski O.V. Comparison of inactive power compensation methods by three-phase active power filter with adaptive relay current controller. Electrical Engineering and Power Engineering, 2014, no.2, pp. 20-27. (Ukr).
10. Segeda M.S. Elekrychni merezhi ta systemy [Electric grids and systems]. Lviv, Lviv Polytechnic National University Publ., 2007. 488 p. (Ukr).
11. Dixon J.W., Tepper S., Moran L. Analysis and evaluation of different modulation techniques for active power filters. Proceedings of 1994 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - ASPEC'94. pp. 894-900. doi: 10.1109/APEC.1994.316303.
Поступила (received) 24.11.2017
Власенко Руслан Володимирович1, асистент, Бялобржеський Олексш Володимирович1, к.т.н., доц., 1 Кременчуцький нацюнальний ушверситет ÎMem Михайла Остроградського,
39600, Полтавська обл., Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел/phone +380 97 1902815, +380 66 7197298, e-mail: [email protected], [email protected]
R.V. Vlasenko1, O. V. Bialobrzeski1
1 Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 20, Pershotravneva Str., Kremenchuk, Poltava region, 39600, Ukraine.
Limitations of current of the three-phase active power filter in the conditions of overload and short circuit. Purpose. The purpose of the work is to develop a method of limiting the maximum allowable level of current of a three-phase active power filter in conditions of overload or short circuit and a system for the implementation of the method. Methodology. For research purposes, the provisions of the pq-theory of instantaneous power, the method of the theory of automatic control in systems with relay controllers, and the methods of simulation in the visual programming environment were used. Results. Both the overloading mode and the short circuit emergency mode, using the proposed solution, do not lead to significant changes in the voltage level on the accumulation capacitor, thus maintaining the stability of the power part of the active power filter. Originality. In the case of temporary overloads of current and short circuits at the network node to which a active power filter is connected, the current's limiting is performed by scaling the current to the level allowed by normal operation of the semiconductor elements of the device, which allows the basic operating algorithm to be implemented in the specified modes. Practical value. The proposed solution can be used as a mean to protect the power part of the device in case of overload, which, in the event of emergencies, and their elimination will automatically restore the normal mode of the device. References 11, tables 2, figures 5. Key words: active power filter, pq-theory of instantaneous power, relay current control, effective current value, hysteresis zone.
