Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Aktivní kompenzace harmonických v průmyslových aplikacích

Sergej Kalaschnikow, Steffan Hansen,
Lucian Asiminoaei, Henrik Gedde Moos, Danfoss Drives A/S
 
průmyslových napájecích sítích nízkého a středního napětí byly a jsou pasivní filtry a ka­pacitní filtry PFC tradičně používány ke zlepšení jejich kvality. Tyto filtry však nemohou být dimenzovány pouze pro zatížení, jež má být kompenzováno, neboť jsou ovlivněny harmo­nickými proudy z jiných nelineárních zátěží nebo vyššími harmonickými z napájecí sítě. Oproti tomu aktivní harmonický kompenzátor (AHC) je možné používat ke zlepšení kvality napájení bez nutnosti zabývat se problémy, které jsou spojeny s aplikacemi pasivních filtrů.
 
Navrhovaná aktivní kompenzace harmo­nických pro průmyslové sítě (AHC) může být úspěšně použita pro nelineární zatíže­ní, pro spotřebiče s rapidní fluktuací reaktiv­ní a činné spotřeby energie. AHC filtr může být s výhodami použit i ke zlepšení kvality napájecí sítě pro další připojená zařízení, jež jsou na stejné napájecí síti jako AHC. Hlav­ními výhodami AHC jsou především reduk­ce zkreslení, poklesů a změn napájecího na­pětí (tzv. flicker efekt) a také stabilizace síťo­vého napájecího napětí. To vede ke zvýšení kvality napájecího napětí v průmyslových sí­tích a efektivnější kompenzaci síťového napětí ve srovnání s pasivními filtry a PFC.
 

Výhody AHC

 
Použití aktivní kompenzace sítě (AHC – Activ Harmonic Compensator) má v porov­nání s pasivní kompenzací mnoho výhod:
  • je snadné navrhnout jej dle dané aplikace, neboť je nezávislý na impedanci vedení,
  • negeneruje rezonance,
  • aktivně omezuje a kontroluje harmonické i jalové (reaktivní) proudy.

Řešení AHC nabývá na významu

 
Navzdory výhodám mají AHC omezený podíl na trhu hlavně kvůli vysokým pořizo­vacím nákladům. Ale trendy při návrhu systé­mů průmyslových napájecích sítí a další fak­tory z oblasti výroby elektrické energie uka­zují na to, že přichází doba změn:
  • vývojové novinky spolu s masovou výro­bou polovodičových součástek významně redukují výrobní, a tedy i pořizovací ná­klady aktivního filtru;
  • v důsledku velkého objemu mědi a oce­li použité v pasivních filtrech má nárůst nákladů na výrobní materiál větší dopad na pasivní řešení než na aktivní řešení.
Na obr. 1 je znázorněn blokový diagram AHC. Třífázový střídač je připojen mezi zdroj napájecího napětí a průmyslovou síť.
Průmyslový závod může obsahovat různé typy elektrických zařízení a zátěží rozděle­ných na lineární zátěž (rekuperační energe­tické jednotky, činná zatížení, stroje na stří­davý proud) a nelineární zátěž (pohony s pro­měnnými otáčkami, obloukové jednotky atd.).
 
Aktivní harmonický filtr má za úkol dete­kovat harmonické proudu a generovat kom­penzující proud, který ruší harmonickou slož­ku, přičemž zachovává první (základní) har­monickou proudu odebíraného ze zdroje. Řízení AHC se skládá z uzavřené regulační smyčky proudu střídače, ze stejnosměrného obvodu a z obvodu pro detekci a generová­ní kompenzačního proudu. Z uvedeného vy­plývá, že v závislosti na aplikaci může AHC provádět redukci harmonických, kompenza­ci jalového proudu nebo zmírnění flicker-jevu (tzv. blikání v síti).
 

Systém řízení

 
Na obr. 2 je blokový diagram řídicí jed­notky AHC. Řízení celého AHC je založe­no na kaskádním řízení s regulací proudu ve vnitřní smyčce bez snímačů síťového na­pětí. Regulátor proudu nastavuje výstupní na­pětí ze střídače pro každou vzorkovací perio­du řídicího systému tak, aby síťový proud měl referenční hodnotu. Regulátor napětí kontro­luje hladinu stejnosměrného napětí tak, aby mělo téměř konstantní hodnotu. Výstupní sig­nál regulátoru stejnosměrného napětí určuje hodnotu aktivního proudu zatížení sítě a ztrát energetické jednotky regeneračního systému. Reakční proud je vypočten podle jalového (reakčního) výkonu a informací z modulu pro vyhodnocení blikavých jevů v síti.
 
Pro omezení vysokofrekvenční pulzace sí­ťového proudu z AHC je zde mezi síť a AHC připojen vysokofrekvenční filtr LCL.
 

Řízení proudu

 
Řízenou hodnotou smyčky proudového regulátoru je dodávaný proud. Tento proud je výsledkem součtu naměřeného zátěžové­ho proudu (viz obr. 1) a střídavého proudu měniče napětí. Tyto dva trojfázové proudy jsou spojeny v jeden celek a pak jsou trans­formovány na signál dvoufázových množství iSa,b. Na obr. 2 je tento proud reprezentován jako iSaiSb.
 
Referenční hodnota regulátoru elektrické­ho proudu irefqd(složky d a q) je transformo­vána do stacionární soustavy souřadnic a−b. Transformace vektoru irefqdna vektor i1abse provádí pomocí ejw1t, odvozené z fázově uza­vřené smyčky PLL (viz obr. 2).
 
Výběr spínací sekvence pro každou spína­cí operaci obou zdrojů měničů napětí se pro­vádí použitím regulátoru klouzavého řízení.
 
Výběr spínací sekvence pro každou spí­nací operaci použitím modu klouzavého ří­zení je detailně probrán v literatuře [4] až [6]. Tímto způsobem je umožněno řídit ak­tivní filtr bez senzorů síťového napětí [7]. To významně zjednodušuje konfiguraci hardwa­ru aktivních kompenzátorů sítě, zejména pro aplikace středních a vysokých napětí.
 
Výstupní signály dvou proporcionálních regulátorů se saturací představují dvě složky vektoru síťového napětí uWa, uWb, jež jsou po­užity pro detekci polohy vektoru napětí po­mocí synchronizace fázovým závěsem.
 
Pro kontrolu harmonických amplitud v síti je použit harmonický kalkulátor. Princip je založen na přímé harmonické metodě říze­ní. Tato metoda je stručně popsána v litera­tuře [2] a [3].
 

Ovládání stejnosměrného obvodu

 
Při nesinusovém síťovém proudu měni­če napětí obsahuje el. napětí stejnosměrného obvodu nejenom zvlnění z operací při pře­pínání tranzistorů, ale také nízkofrekvenční zvlnění napětí, jaké se vyskytuje na stejno­směrné straně vedení diodového usměrňova­če s kondenzátorem. Toto zvlnění nízkofre­kvenčního napětí musí být filtrováno v řídicí smyčce návratem ke zdroji stejnosměrného napětí, jinak je třeba toto zvlnění napětí zvý­šit úměrně podle regulátoru napětí a předat dále na regulační smyčku síťového proudu. Proto je síťové proudy třeba deformovat [8].
 
Pro snížení vlivu zvlnění napětí stejno­směrného obvodu na regulační smyčku prou­du musí mít hraniční kmitočet zpětného filt­ru pro dolní pásmo hodnotu f0 = 50 až 75 Hz. Nízká hraniční frekvence zpětnovazebního fil­tru způsobuje v měření stejnosměrného napětí velké časové zpoždění, a proto má napětí stej­nosměrného obvodu malý dynamický výkon.
 
Pro zlepšení časové odezvy napětí stejno­směrného obvodu je použit adaptivní systém řízení, jehož parametrické hodnoty pro zpět­novazební filtr a proporcionální a integrační regulátor se mění v souladu s hodnotou chy­by stejnosměrného napětí [8].
 

Výsledky simulace

 
Simulace kontroly AHC vykazuje velmi velkou dynamiku. Ta se zaprvé vyrovná svou dynamikou regulátoru elektrického proudu, který je charakteristický pro režim klouzavé­ho řízení. Za druhé, v důsledku implemento­vaného adaptivního regulátoru stejnosměrné­ho napětí může AHC mnohem rychleji překo­nat přechod během připojení/odpojení AHC nebo při změně zatížení harmonickými v síti.
 
Výsledek simulace je na obr. 3 (je zobra­zena pouze jedna fáze).
 
Harmonický proud je generován typickým třífázovým diodovým usměrňovačem pohonu s proměnnými otáčkami. Jelikož účiník dPF je blízko jedné, nevzniká v tomto případě po­třeba kompenzace reaktivního výkonu. V čase 0,16 je AHC napojen na napájecí síť a začíná zmírňovat harmonické proudy z ASD. Pře­chod trvá téměř jednu základní periodu, do­kud se zdrojový proud nezačne podobat si­nusovému tvaru.
 
V důsledku své vysoké dynamiky je AHC schopen kompenzovat harmonické proudy v rámci základní periody. Zkreslení proudu nelineárního zatížení má THD 34 %, zatímco zdrojový proud dosahuje THD s hodnotou 4 %.
 

Příklady použití

 
AHC se provozuje jako velmi dynamic­ky řízený zdroj reakčního (jalového) proudu a díky speciálním řídicím algoritmům je kom­penzující reakční (jalový) proud dodán přes­ně ve správný okamžik. Zatížení sítě je tak menší a změny síťového napětí a deformace se snižují na bezpečnou hodnotu.
 

Zmírnění harmonických kmitů

V průmyslových rozvodech jsou pasivní filtry tradičně používány k pohlcování har­monických kmitů generovaných nelineárními zatíženími, a to primárně kvůli jejich nízkým nákladům. Je to velmi dobrý přístup, pokud je třeba také kompenzace účiníku. Ale pasiv­ní filtry mají také své jisté nevýhody, a proto je aplikace pasivních filtrů do průmyslových prostředí limitována. Oproti pasivnímu filtru může být aktivní filtr použit k redukci har­monických v průmyslových vedeních, aniž by bylo nutno starat se o problémy spojené s aplikací pasivních prvků [1].
 
Jednotka AHC umožňuje řídit kompenza­ci harmonických a jalových (reakčních) prou­dů nezávisle na konfiguraci sítě a zatížení proudem a bez rizik spojených s přetížením kompenzátoru. Jednotka AHC může být rov­něž dimenzována jen na kompenzaci harmo­nického zatížení, což vede k redukci nákladů na instalaci kompenzační jednotky.
 
Experimentální průběhy proudu na obr. 4, obr. 5 a obr. 6 ukazují velkou efektivitu systému AHC pro utlumení harmonických. Tyto průběhy byly naměřeny testováním jed­notky AHC s jmenovitým výkonem 800 kvar v průmyslovém závodu. Jednotka AHC byla napojena na 10 kV síť pomocí transformáto­ru 10/0,4 kV.
 
Bylo zjištěno, že aktivní filtr by měl ade­kvátně kompenzovat pět pohonů na střídavý proud napájených 12pulsním proudovým mě­ničem dimenzovaným na 1,0 MW.
 
Obr. 4 ukazuje průběhy síťového proudu (jedna fáze) pohonu na střídavý proud (pou­ze jeden pohon) a fázového proudu (stej­ná fáze) AHC. Tyto proudy byly naměřeny na 10kV straně transformátoru. Síťový proud je zobrazen na obr. 5. Je to síťový proud, kte­rý je kalkulován osciloskopem z naměře­ných proudů na obr. 4. Z obr. 5 je vidět, že celkový síťový proud má prakticky sinuso­vý a periodický tvar vlny. Vyšší harmonic­ké 12pulsního měniče jsou prakticky elimi­novány, jak je patrno ze spektrální charak­teristiky proudu pohonu na střídavý proud a spektrální charakteristiky síťového prou­du (viz obr. 6).
 

Flicker (blikavý) jev a snížení jeho vlivu

Blikavé jevy (šumy) způsobené velkými fluktujícími zátěžemi jsou jedním z problé­mů kvality elektrické energie a způsobují vý­padky nebo kolísání a případně i pokles el. napětí v síti. Kompenzátory Static Var (SVC) řízené pomocí tyristorů jsou obvykle použí­vány pro kompenzaci jalových (reakčních) proudů a ke snížení blikavých šumů (flicker--jevů). Jelikož operují na základní frekvenci, je kapacita SVC omezena [9]. Díky opoždění pouze 2 ms je AHC velmi vhodný pro kom­penzaci blikavých jevů.
 
Obr. 7 ukazuje naměřené změny el. napě­tí na 11kV síti během testu motoru bez kom­penzační jednotky. Maximální změna síťové­ho napětí byla přibližně 1,2 %, což je u této frekvence již nad standardní limitní hodno­tou blikavého jevu. Naměřená hodnota krát­kodobého blikavého jevu Pst = 1,5.
 
Na obr. 8 je naměřená změna el. napětí ukázána na stejném testu motoru, avšak již s použitím AHC. Změna síťového napětí je přibližně 0,3 % a leží jasně pod standardní limitní hodnotou. Naměřená hodnota krátko­dobého blikavého jevu Pst = 0,5.
 

Kompenzace proudu svařovacího stroje

Na závěr přiblížení funkce AHC uvádíme příklad kompenzace prou­du svařovacího stroje. Svařovací stroje jsou známy tím, že odebírají velmi nesinusový proud v krátkých časových periodách. Je obvyklý do­konce i nevyvážený síťový proud, kde jsou zatíženy pouze dvě fáze. Příkla­dem je obr. 9, kde jsou zatíženy pou­ze fáze „t“ a „s“ s proudovou špičkou 1 200 A, zatímco fáze „r“ zůstává nezatížena. Tvar proudu je nesinu­sový. AHC kompenzuje harmonic­ká zkreslení, stejně jako nerovnová­hu mezi fázemi, jak ukazuje obr. 10. Jelikož výsledek této kompenzace zaručuje rozdělení zatížení na všech­ny tři fáze, je špičkový proud vý­razně menší, což podstatně zlepšuje kvalitu el. napětí. Špička proudu nad 1 200 A ve fázi „s“ je redukována na 400 A a vyrovnána na stejnou veli­kost ve všech třech fázích.
 
Literatura:
[1] AKAGI, H.: New Trends in Acti­ve Filters for Power Conditioning. IEEE Transactions on Industry Ap­plications, Vol. 32, No. 6, pp. 1313-1322, 1996.
[2] KALACHNIKOV, S.: Three-phase rectifier for AC-Drives incorporated with Active Power Filter. Procee­dings of the International Power Electronics and Motion Conference, 1998, Prague, Czech Republic, pp. 2125-2130.
[3 RUMMICH,E. – KALASCHNI­KOW, S.: Oberschwingungs- arme Netzeinspeisung von Windkraftan­lagen mit Hilfe von aktiven Filtern. e&i 117. Jg. 2000, H.2, pp. 129-133.
[4] SABANOVIC, N. – SABANOVIC, A. – JEZERNIK, K. – KAYNAK, O.M.: Current Control in three-phase switching Converters and ac elect­rical Machines. In: Proceedings of IECON´94, Italy, 1994, pp. 581-586.
[5] GAO, W. – WANG, Y. – HOMAIFA, A.: Discrete-time variable Structure Control System. In: IEEE Transac­tions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 2, pp. 117-122, 1995.
[6] FERNANDO, J. – ORLANDI, E. – PAIS, M.: Sliding Mode Control of Unity Power Factor Three Phase Boost Converters. Proceedings of International Power Electronics and Motion Con­ference,1998, Czech Republic, pp. 1125-1130.
[7] Kalachnikov, S.: Control of the Switch-Mode Rectifier without Mains Voltage Sensors. SPE­EDAM´98, Italy, pp.125-128.
[8] KALACHNIKOV, S. – BERGER, H.: A New Control Strategy for DC-Link Voltage of a Three-Phase Bi-directional PWM Rectifier. EPE`95, Spain , 1995, pp. 2558-2562.
[9] Guillaume de Préville: Flicker mitigation. Ap­plication to a STATCOM, Proceedings of the European Conference on Power Electronics and Applications, 2001, Austria.
 
Obr. 1. Sché­ma elektrické­ho zapojení aktivního harmonické­ho filtru AHC napojeného na průmyslo­vý závod
Obr. 2. Blokový diagram řídicí jednotky
Obr. 3. Výsledky simulace spuštění AHC
Obr. 4. Průběhy proudu AHC a měniče (10kV vedení, 20 A/div)
Obr. 5. Celkový proud vypočítaný z proudu zátěže (měniče) a proudu z AHC (20 A/div)
Obr. 6. Spektrální charakteristika pohonu na střídavý proud – plnou čarou) a celkového proudu – tečkovaně (amplituda základní harmonické není zobrazena, „k“ znamená počet harmonických)
Obr. 7. Změny el. napětí v 11kV rozvodné síti bez AHC (1 V/div)
Obr. 8. Změny el. napětí v 11kV rozvodné síti s AHC (1 V/div)
Obr. 9. Tvarové kmity síťových proudů svařovacího stroje bez AHC (last = zatížení)
Obr. 10. Tvarové kmity síťových proudů svařovacího stroje s AHC (netz = síť)