Elektrotehnšk vestnk 72(5): 291-296, 2005 Electrotechncal Revew, Ljubljana, lovenja Enofazn paraleln aktvn monostn flter s spremenljvo napetostjo fltrskega kondenzatorja aša lad 1, Vanja Ambrož 2, Davd Nedeljkov 2 1 veu$lšte u Rjec, Tehn$k fakultet, Vukovarska 58, 51000 Rjeka, Hrvatska 2 Unverza v Ljubljan, Fakulteta za elektrotehnko, Tržaška 25, 1001 Ljubljana, lovenja E-pošta: sladcs@rteh.hr, vanjaa@fe.un-lj.s, davdn@fe.un-lj.s Povzetek. V lanku predlagamo razšrjeno topologjo enofaznega paralelnega aktvnega monostnega fltra, k z uporabo ustreznh regulacjskh prstopov omogoa, da se napetost na fltrskem kondenzatorju sprot prlagaja zahtevam po m manjš valovtost omrežnega toka. Za zbrano osnovno stkalno frekvenco je faktor popaenja (THD) omrežnega toka posledno manjš kot pr osnovn razsmernšk topologj fltra, zvedena razšrtev enosmernega tokokroga pa omogoa tud preprosto vkljuevanje dodatnh (alternatvnh) vrov energje s spremenljvo enosmerno napetostjo, kot so npr. sonne celce. Nova topologja zahteva samo en dodatn monostn tranzstor, kar štejemo za njeno prednost pred nekaterm drugm reštvam. Kljune besede: aktvn monostn fltr, harmonsko popaenje, kakovost elektrne energje, alternatvn vr energje ngle-phase Parallel Actve Power Flter wth a Varable Flter Capactor Voltage Extended abstract. ngle-phase actve power flter (APF) s a devce whch s used for mprovng the power factor of a sngle-phase load to reduce reactve power and harmonc dstorton [1-9]. In order to accomplsh APF, a standard H- brdge topology wth sldng mode, hysteress, one-cycle control (OCC) or other control algorthms can be used. Usually, APFs wth constant flter capactor voltage are used [2, 5, 7, 8, 9] (Fg. 1, Fg. 3). In ths paper, an H-brdge converter wth an addtonal crcutry s proposed, provdng APF operaton wth a varable flter capactor voltage (Fg. 2, Fg. 5). Ths approach gves more flexblty to the standard APF crcut [4, 8], so the supply current changes wth an optmal rpple durng supply voltage zero-crossng. Among many algorthms that can obtan an optmal flter capactor voltage varaton, a soluton s selected where the flter capactor voltage adapts tself accordng to the nstantaneous supply voltage (4). Consequently, a better power factor (pf) and total harmonc dstorton (THD) of supply current can be acheved. The best results wth the proposed converter are expected when the D class loads, accordng to the IEC 1000-3- 2 standard, are compensated (e.g. rectfers wth a flter capactor). mulaton tests were made showng that compensaton of capactve loads wth typcal power factor 0.6 results n supply pf = 0.98 for the standard APF and supply pf = 0.99 for the APF wth a varable flter capactor voltage. The mprovement s more obvous when both THDs are compared (Table 1). Under the same condtons, the standard APF gves THD @ 13 % for the supply current (Fg. 4). On the Prejet 21. junj, 2005 Odobren 21. november, 2005 other hand, wth the proposed APF, the supply current THD s sgnfcantly reduced (THD @ 8 %) (Fg. 6, Fg. 7). The advantage of the proposed APF over other APFs wth a varable capactor voltage s n ts sngle addtonal transstor. Namely, some other solutons rely upon capactor matrx wth sx or more transstors [4] to acheve a varable capactor voltage. Consequently, they need more complcated control algorthms and, owng to dscontnuous flter capactor voltage levels, they result n a poorer supply current THD. However, the proposed topology has to be expermentally verfed. Especally losses n the addtonal crcutry should be analyzed because of the large currents. APF wth the proposed addtonal crcutry also enables connecton of alternatve energy sources wth a low varable voltage, e.g. solar cells (Fg. 8) [10]. Key words: actve power flters, harmonc dstorton, qualty of electrcal power, alternatve power sources 1 Uvod Uporaba nelnearnh bremen, k temeljjo na monostn elektronk, v zadnjh leth mono naraša, tako v ndustrjskem okolju kot tud v psarnah n gospodnjstvh. Z vse vejo razšrjenostjo takšnh bremen pa se poveuje njhov škodljv vplv na omrežje (harmonsko popaenje), k ga obutjo tud drug porabnk. Zato se v skrb za kakovost elektrne energje postavljajo standard [1, 2], k predpsujejo
292 lad6, Ambrož$, Nedeljkov6 najveje dopustno popaenje za posamezne vrste naprav. Enofazn aktvn monostn flter elegantno poskrb za kompenzacjo harmonskega popaenja n osnovne jalove mo [1-9], z ustrezno nadgradnjo pa omogoa tud prkljuevanje alternatvnh vrov energje na omrežje [3]. Za unkovto vodenje takšnega fltra lahko zbramo med razlnm metodam [2, 4, 5, 8], pr emer se nekatere odlkujejo s preprosto zvedbo strojne n programske opreme, druge npr. zkazujejo vsoko dnamko al pa omogoajo preprosto prkljutev alternatvnh vrov energje. V nadaljevanju bo predstavljena zvedba enofaznega aktvnega fltra, k za zboljšanje oblke omrežnega toka obratuje s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo, obenem pa omogoa tud sprejemanje energje z vrov s spremenljvo enosmerno napetostjo. Pr znanh reštvah za spremnjanje fltrove kondenzatorske napetost sreujemo topologje z ve dodatnm stkalnm element (venvojsk pretvornk) [4], tukaj pa bo predlagano vezje s samo enm dodatnm tranzstorjem. Prkazana bo prmerjava rezultatov kompenzacje med klasnm fltrom s konstantno fltrsko napetostjo n predlaganm fltrom s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo. 2 Enofazn paraleln aktvn monostn flter Topologjo enofaznega paralelnega aktvnega monostnega fltra prkazuje slka 1. Zasnova vezja omogoa, da z ustreznm vklapljanjem tranzstorskh stkal v mostu oblkujemo takšen fltrsk tok F, k bo kompenzral jalove komponente toka nelnearnega bremena. Posledno bo omrežn tok snusne oblke n brez faznega premka prot omrežn napetost v. Pr proženju tranzstorskh stkal je treba ne glede na uporabljeno metodo ugotavljanja želene vrednost omrežnega toka poskrbet tud za regulacjo napetost na fltrskem kondenzatorju. amo tako lahko zagotovmo stablno obratovanje fltra, scer b prehodn pojav, kot so zagon fltra n bremenske tranzence, ter nezogbn pogrešk pr procesranju veln prpeljal do prevelkega al premajhnega prtoka delovne mo z omrežja. V prvem prmeru b to pomenlo nenehno narašanje kondenzatorske napetost, v drugem pa njeno upadanje. Za pravlno delovanje fltra mora bt napetost na fltrskem kondenzatorju v C1 všja od temenske vrednost omrežne napetost. Všja napetost kondenzatorja zagotavlja boljšo dnamko, vendar se posledno povea harmonsko popaenje omrežnega toka pr stkaln frekvenc. Zato avtorj [8] predlagajo, naj optmalna enosmerna napetost v C1 za 20 % presega temensko vrednost omrežne napetost. Pravzaprav je popaenje omrežnega toka pr stkaln frekvenc (t.. rpple) odvsno od razlke med trenutno vrednostjo kondenzatorske napetost n trenutno vrednostjo omrežne napetost. Zato so se porodle deje [4], da b kondenzatorsko napetost med perodo spremnjal skladno z omrežno napetostjo pr temensk vrednost omrežne napetost (ne glede na predznak) naj bo kondenzatorska napetost najvšja, pr prehodu omrežne napetost skoz n pa najnžja. Topologja, k tovrstne manevre omogoa z enm samm dodatnm tranzstorjem, je prkazana na slk 2. 3 Prmerjava delovanja fltra s konstantno n fltra s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo Za smulacjo razlnh zvedb enofaznh aktvnh monostnh fltrov smo uporabl programsko orodje mplorer. Prmerjava unkovtost topologj s konstantno n spremenljvo napetostjo fltrskega kondenzatorja je seveda smselna le, e v obeh prmerh obravnavamo sstem v enakh razmerah, torej pr enakem nelnearnem bremenu, ob enak omrežn napetost n enakh parametrh tsth fltrskh elementov (tranzstorj, dušlke), k so skupn obema topologjama. Izbran prncp vodenja fltra s konstantno kondenzatorsko napetostjo je prkazan na slk 3. Proženje tranzstorjev je zvedeno na unpolarn nan, kjer tranzstor 1 prevaja tok med negatvno polperodo omrežne napetost (v s < 0), tranzstor 2 pa prevaja med lka 1: Enofazn paraleln aktvn monostn flter Fg. 1: ngle-phase parallel actve power flter lka 2: Predlagana topologja fltra s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo Fg. 2: uggested flter topology for a varable capactor voltage
Enofazn paraleln aktvn mo$nostn flter s spremenljvo napetostjo fltrskega kondenzatorja 293 poztvno polperodo (v s > 0). stkalno frekvenco tako preklapljata samo tranzstorja 3 n 4. V negatvn polperod omrežne napetost prožmo tranzstor 3, kadar je želen omrežn tok manjš od dejanskega omrežnega toka, e pa je tok vej od toka, potem prožmo tranzstor 4. Za poztvno polperodo omrežne napetost velja nasprotno. Referenco omrežnega toka ugotavljamo tako, da preprosto uravnavamo pretok delovne mo z omrežja preko napetost fltrskega kondenzatorja. Prevsoka kondenzatorska napetost pomen, da je treba zmanjšat prtok delovne mo z omrežja, pr prenzk kondenzatorsk napetost pa je treba prtok delovne mo z omrežja poveat. Ker naj b bl omrežn tok snusne oblke, zadostuje, da vplvamo samo na ampltudo reference omrežnega toka: = Iˆ sn( t). (1) Za omrežn tok še želmo, da je v faz z omrežno napetostjo v = Vˆ sn( t), (2) zato lahko za referenco oblke uporabmo kar sgnal omrežne napetost: ˆ v 1 1 = I Vˆ = v = sn( t). (3) Vˆ R R e Oznaka R e pomen nadomestno upornost sklopa flterbreme, k jo obut omrežje. Pr takšnem vodenju dnamka reference omrežnega toka za htre spremembe znaaja bremenskega toka scer n najboljša, po svoje pa je problematno tud morebtno popaenje omrežne napetost [2, 9]. Kljub temu se ta prncp vodenja, k temelj na drsnem režmu [8], odlkuje z zelo preprostm procesranjem. Mert moramo samo omrežn tok, ne pa tud fltrskega al e bremenskega. Pr smulacjah smo ob efektvn omrežn napetost V s = 230 V zbral želeno vrednost kondenzatorske napetost v C1 = 500 V. Induktvnost fltrske dušlke L 1 je bla 10 mh (ob upornost 1 ), kapactvnost fltrskega kondenzatorja C 1 pa 2 mf; osnovna (maksmalna) stkalna frekvenca pr proženju tranzstorjev je znašala 20 khz. Kot nelnearno breme je služl usmernk z gladlnm kondenzatorjem (porabnk razreda D po standardu IEC 1000-3-2). lka 4 prkazuje asovne poteke sgnalov v staconarnem stanju za flter s konstantno kondenzatorsko napetostjo. Prncp vodenja fltra s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo nam ponazarja slka 5. Opozort velja, da je kapactvnost fltrskega kondenzatorja C 1 = 50 µf bstveno manjša kot pr fltru s konstantno kondenzatorsko napetostjo, saj želmo, da se napetost na njem dokaj htro spremnja. Metoda ugotavljanja reference omrežnega toka je enaka kot v prejšnjem prmeru, vendar moramo zarad spremenljve kondenzatorske napetost le-to fltrrat z nzkopasovnm fltrom, da dobmo njeno srednjo vrednost. Napetost na fltrskem kondenzatorju prlagajamo tako, da doseže svojo najmanjšo vrednost ob prehodu omrežne napetost skoz nlo. Zato moramo ustrezno prožt dodatn tranzstor D, n to takrat, kadar je razlka med trenutno (nefltrrano) kondenzatorsko napetostjo v C1 n mnmalno vrednostjo napetost, k jo želmo met na kondenzatorju (v C1mn ), veja od skalrane absolutne trenutne vrednost omrežne napetost v s : v > C vc k v (4) 1 1mn s v L nelnearno breme nonlnear load F 2 < 0 komparator nverter v flp-flop - komparator + + < 0 D Q množlnk multpler Q 1 3 L 1 C 1 osclator 4 ref. napetost ref. voltage v C 1 lka 3: Uporabljen prncp vodenja aktvnega fltra pr konstantn kondenzatorsk napetost Fg. 3: Appled control prncple n APF wth a constant flter capactor voltage flter - + k = 12,5 A/dv k v = 500 V/dv k t = 10 ms/dv lka 4: Lasovn potek sgnalov pr fltru s konstantno kondenzatorsko napetostjo: napetost fltrskega kondenzatorja (v C1), omrežna napetost (v ), bremensk tok ( L), omrežn tok ( ), želen omrežn tok ( ), fltrsk tok ( F) Fg. 4: Waveforms n APF wth a constant capactor voltage: flter capactor voltage (v C1), supply voltage (v ), load current ( L), supply current ( ), reference supply current ( ), flter current ( F)
294 lad6, Ambrož$, Nedeljkov6 lka 5: Predlagan prncp vodenja aktvnega fltra pr spremenljv napetost fltrskega kondenzatorja Fg. 5: Proposed control prncple n APF wth a varable flter capactor voltage kalrn faktor k navadno zbramo v obsegu med 1 n 3, ker se v tem razponu postavlja tud razmerje med enosmerno kondenzatorsko napetostjo n temensko omrežno napetostjo [8]; v konkretnem prmeru smo se odlol za k = 2. mulacjske rezultate, prkazane na slk 6, smo dobl za naslednje vrednost elementov v tokokrogu za uravnavanje kondenzatorske napetost: C 1 = 50 µf, C 2 = 3 µf, C 3 = 20 µf, L 2 = 2 mh, L 3 = 15 mh n L 4 = 3 mh; upornost dušlk so ble po 1. Na slk 6 so podan potek najpomembnejšh sgnalov pr nelnearnem bremenu usmernku, k napaja kapactvno breme. Tabela 1 navaja prmerjavo rezultatov kompenzacje pr fltru s konstantno n fltru s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo. Flter s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo zagotavlja malenkostno zboljšanje faktorja mo; bolj je opazno obutno zmanjšanje harmonskega popaenja (THD). Vzrok za slednje s lahko razložmo s pomojo slke 7, k podaja podrobnejš potek bremenskega n omrežnega toka za obe zvedb fltrov. Le s ogledamo blžno prehoda toka skoz nlo, je pr fltru s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo (slka 7 b) valovtost omrežnega toka bstveno manjša. Takrat namre prehaja skoz nlo tud omrežna napetost, napetost fltrskega kondenzatorja pa je pr tem najmanjša, kar zagotavlja manjšo valovtost omrežnega toka. Poudart velja, da se prstop s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo prmerjalno zkaže še bolje pr zmanjšanju mo nelnearnega bremena. Pomanjkljvost prstopa s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo je razvdna v poteku toka D skoz tranzstor D (slka 6). Trenutna vrednost tega toka namre za dva- do trkrat, pr nekaterh obrementvah pa tud za vekrat presega najvej fltrsk tok, kar pomen, k = 12,5 A/dv k v = 500 V/dv k t = 10 ms/dv lka 6: Lasovn potek sgnalov pr fltru s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo: napetost fltrskega kondenzatorja (v C1), omrežna napetost (v ), bremensk tok ( L), omrežn tok ( ), želen omrežn tok ( ), fltrsk tok ( F), tok skoz dušlko L 3 ( L3), tok skoz dodatn tranzstor ( D) Fg. 6: Waveforms n APF wth a varable capactor voltage: flter capactor voltage (v C1), supply voltage (v ), load current ( L), supply current ( ), reference supply current ( ), flter current ( F), current through L 3 ( L3), current through D ( D)
Enofazn paraleln aktvn mo$nostn flter s spremenljvo napetostjo fltrskega kondenzatorja 295 da moramo za dodatno stkalo zbrat zmogljvejš (n s tem tud dražj) tranzstor. Nelnearno breme: Nonlnear load: P = 1,5 kw Brez aktvnega fltra Wthout APF Faktor mo (pf) Popaenje (THD) 0,683 97,7 % Flter s konstantno v C1 APF wth constant v C1 0,976 13,1 % Flter s spremenljvo v C1 APF wth varable v C1 0,985 8,3 % Tabela 1: Prmerjava rezultatov kompenzacje Table 1: Comparson of compensaton results a) 4 Prkljuevanje vrov energje na stopnjo za spremnjanje napetost Alternatvne vre energje, kot so sonne celce al vetrnce, lahko prkljumo na omrežje preko aktvnega monostnega fltra [3, 10]. Prkljutev je scer možna neposredno na flter s konstantno kondenzatorsko napetostjo, vendar lahko potem takšn vr oddajajo energjo le v ozkem napetostnem obsegu [3]. To zarad karakterstk alternatvnh vrov (spremenljva napetost) n unkovto, zato je treba poskrbet za ustrezna pretvornška vezja, k prlagajajo napetostn nvo. Flter s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo pa takšno prlagodtveno vezje že vsebuje, zato je pr njem prkljutev vrov s spremenljvo napetostjo preprosto zvedljva, kot kaže slka 8. Ker je prakovana dnamka napetost alternatvnh vrov manjša od dnamke aktvnega monostnega fltra, saj se le-ta na spremembe odzove v 20 ms, lahko zkorstmo celotno mo alternatvnega vra, npr. sonne celce. 5 klep V lanku je predstavljena topologja enofaznega paralelnega aktvnega monostnega fltra, k omogoa spremnjanje napetost fltrskega kondenzatorja. Razšrjena topologja obsega samo en dodatn tranzstor namesto mreže tranzstorjev, k scer pr venvojskh razsmernkh vklapljajo posamezne kondenzatorske baterje. Kondenzatorska napetost je odvedljva, kar pomen, da ne zaznamo stopnasth napetostnh skokov, k so znaln za matrke kondenzatorskh baterj. Vezje za spremnjanje kondenzatorske napetost je mogoe uporabt tud za vkljutev dodatnh (alternatvnh) vrov elektrne energje v omrežje, eprav se napetost teh vrov lahko spremnja. mulacjsk rezultat so potrdl predpostavke o zboljšanju oblke omrežnega toka v prmerjav s klasnm enofaznm fltrom. Ta prednost je še bolj zrazta pr nžj stkaln frekvenc, nžj bremensk mo al nžjem bremenskem faktorju mo. Pomanjkljvost b) k = 5 A/dv k t = 5 ms/dv lka 7: Omrežn tok ( ) n bremensk tok ( L) pr prehodu omrežne napetost skoz n; a) flter s konstantno kondenzatorsko napetostjo, b) flter s spremenljvo kondenzatorsko napetostjo Fg. 7: upply current ( ) and load current ( L) durng supply voltage zero-crossng; a) APF wth a constant capactor voltage, b) APF wth a varable capactor voltage lka 8: Fltrovo vezje za spremnjanje kondenzatorske napetost s prkljuenm dodatnm vrom energje Fg. 8: APF crcutry for capactor voltage varaton wth an addtonal power source
296 lad6, Ambrož$, Nedeljkov6 predlaganega prstopa se kaže seveda v poveanem števlu elementov, vendar tukaj, v nasprotju z nekaterm drugm reštvam za spremnjanje kondenzatorske napetost, potrebujemo le en dodatn tranzstor. Ob tem krmlno-regulacjsk prncp ne zahteva bstvenh dodatnh zmogljvost, še zlast ne v prmerh, kjer za ugotavljanje fltrske tokovne reference že tak uporabmo katero zmed zahtevnejšh vsokodnamnh metod. V prprav je laboratorjsk model fltra, kjer bo treba ovrednott delovanje nove topologje tud s stalša zgub, zlast v tokokrogu za uravnavanje kondenzatorske napetost. 6 Lteratura [1] H. Akag: Trends n Actve Power Lne Condtoners, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 9, No. 3, May 1994. [2] D. NedeljkovP: Vsokodnam$na tokovna referenca paralelnega aktvnega kompenzatorja jalove mo$, doktorska dsertacja, Fakulteta za elektrotehnko, Ljubljana, lovenja, 1998. [3] Y. Chen, K. M. medley: A Cost Effectve ngle-tage Inverter Wth Maxmum Power Pont Trackng, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 19, No. 5, eptember 2004. [4] P. Krawanch, R. M. O'Connell: Fuzzy Logc Control of an Actve Power Lne Condtoner, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 19, No. 6, November 2004. [5] C. Qao, K. M. medley, F. Maddaleno: A Comprehensve Analyss and Desgn of a ngle-phase Actve Power Flter wth Unfed Constant-frequency Integraton Control IEEE Transactons on Crcuts and ystems I - Regular Papers, vol. 51, No. 8, August 2004. [6] Y. Xue, L. Chang,. B. Kjær, J. Bordonau, T. hmzu: Topologes of ngle Phase Inverters for mall Dstrbuted Power Generators: An Overvew, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 19, No. 5, eptember 2004. [7] K. M. medley, L. Zhou, C. Qao: Unfed Constant- Frequency Integraton Control of Actve Power Flters - teady-state and Dynamcs, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 16, No. 3, May 2001. [8] D. A. Torrey, M. A. M. Al-Zamel: ngle-phase Actve Power Flters for Multple Nonlnear Loads, IEEE Transactons on Power Electroncs, vol. 10, No. 3, May 1995. [9] D. NedeljkovP, J. Nastran, D. Vonna, V. Ambrož: ynchronzaton of Actve Power Flter Current Reference to the Network, IEEE Transactons on Industral Electroncs, Vol. 46, No. 2, Aprl 1999. [10]. M. Godoy, F. A. Farret: Renewable energy systems: desgn and analyss wth nducton generators, CRC Press 2004. aša lad je dplomral leta 2001 na Fakultet za elektrotehnko v Ljubljan. Istega leta se je zaposll kot mlad razskovalec na Tehnšk fakultet na Rek n se vpsal na podplomsk študj na Fakultet za elektrotehnko v Zagrebu. Leta 2004 je prdobl štpendjo ICTP (Internatonal Centre for Theoretcal Physcs) n delal na projekth pr laboratorju CETA v Trstu. Njegovo razskovalno delo je povezano z monostnm pretvornk n kakovostjo elektrne energje. Vanja Ambrož je študral ndustrjsko elektrotehnko na Fakultet za elektrotehnko v Ljubljan, kjer je dplomral leta 1986, magstrral leta 1990 n doktorral leta 1993. Od leta 1987 je zaposlen na Fakultet za elektrotehnko. Kot zredn profesor (od leta 2004) predava predmete s podroja mkroraunalnškega vodenja procesov, regulacje elektromotorskh pogonov n krmlnh sstemov. Njegovo razskovalno delo je povezano z novm prjem v regulacj n dagnostk elektromotorskh pogonov. Davd Nedeljkov je dplomral leta 1991, magstrral leta 1996 n doktorral leta 1998 na Fakultet za elektrotehnko v Ljubljan. V leth 1993 1998 je delal na Fakultet za elektrotehnko kot mlad razskovalec, sedaj pa je tam zaposlen kot asstent. Ukvarja se s problematko dgtalnega procesranja na podroju monostne elektronke. Leta 1996 je za magstrsko nalogo prejel nagrado dr. Vratslava Bedjana.