DOLOČANJE KOMPENZACIJSKE FUNKCIJE AKTIVNEGA FILTRA NA OSNOVI PRISPEVKA PORABNIKA K HARMONSKEMU POPAČENJUŠPELKO, ALJAŽ (Avtor) Papič, Igor (Mentor) aktivni filterharmonsko popačenjehibridne vezave aktivnega filtraharmonske impedanceporabniški prispevek harmonskemu popačenjuV današnjih elektroenergetskih omrežjih je kakovost električne energije pomembna, saj se lahko zgodi, da podjetja ne morejo zagotavljati ustreznih izdelkov ob poslabšanju kakovosti električne energije. Kakovost električne energije delimo na več parametrov in eden izmed njih je tokovno in napetostno harmonsko popačenje. Vsakodnevno se v elektroenergetsko omrežje vgrajujejo nove naprave, ki povzročajo harmonsko popačenje, bodisi so vir harmonskega popačenja ali pa povzročajo resonanco s pasivnimi napravami oz. kompenzacijo. Takšne naprave največkrat srečamo pri industrijskih porabnikih, ki imajo večjo priključno moč in vgrajeno kompenzacijo jalove moči. Nekatere imajo že vgrajen aktivni filter, ki kompenzira harmonsko popačenje. V tem primeru se lahko le posodobi njegov algoritem z novo predlagano kompenzacijsko funkcijo aktivnega filtra, ki temelji na določanju reference aktivnega filtra na podlagi prispevka porabnika. Predlagana kompenzacijska funkcija je tudi glavni doprinos k znanosti te doktorske disertacije. V prvem delu doktorske disertacije smo se osredotočili na pregled teoretičnega ozadja. Pregled zajema splošen opis harmonskega popačenja, vektorsko predstavitev trifaznih veličin, vire harmonskega počenja, določanje harmonske impedance. Prav tako je opisano, kako se lahko z različnimi pristopi zmanjšuje harmonsko popačenje. V elektroenergetskem sistemu so večinoma prisotne lihe harmonske komponente, sode harmonske komponente pa so prisotne le ob prehodnih pojavih. Lihe harmonske komponente delimo v tri značilne skupine. Značilne skupine so definirane z rotacijo posamezne harmonske komponente, ki jih delimo na nične, negativne in pozitivne harmonske komponente. Za določanje harmonskih komponent se največkrat uporablja hitro Fourierevo transformacijo, vendar se za regulacijske algoritme uporabljajo drugi pristopi, kot je npr. dq-transformacija, ki v realnem času ponazarja časovne veličine v vektorskem prostoru pri določeni frekvenci. Frekvenco določi harmonska komponenta, saj je treba vektorski prostor sinhronizirati na analizirano harmonsko komponento. Enosmerna vrednost te transformacije nam ponazarja vrednosti sinhronizirane harmonske komponente. Za določitev enosmerne vrednosti se uporabljajo nizkoprepustni filtri. Pri določanju prispevka porabnika k skupnemu popačenju so pomembni tudi viri harmonskega popačenja. Viri harmonskega popačenja se delijo na dve večji skupini, in sicer na potrošniška in industrijska bremena. Potrošniška bremena so večinoma manjših moči in običajno porabnik nima vgrajene kompenzacije jalove moči. V industrijska bremena spadajo večji trifazni močnostni pretvorniki, obločne peči in asinhronski motorji. Največkrat se porabnik odloči za kompenzacijo jalove moči, če ima vgrajene naprave z večjo močjo. V takšnih primerih je treba določiti lokacijo vira harmonskega popačenja, zaradi problema resonančnega ojačenja. Harmonsko popačenje se lahko tudi ojači s pasivno kompenzacijo jalove moči, če le ta ni ustrezno dimenzionirana oz. razglašena. Za ustrezno določitev prispevka porabnika je treba določiti harmonske impedance, posebej za omrežno in porabniško stran. Določanje harmonskih impedanc bo v doktorski disertaciji temeljilo na referenčnih impedancah, saj je prave oz. realne harmonske impedance praktično nemogoče določiti v realnem elektroenergetskem omrežju. Večinoma je treba harmonsko popačenje zmanjševati bodisi zaradi preseganja vrednosti, definiranih s standardi, oziroma zaradi zagotavljanja bolj kakovostnih izdelkov. Zmanjševanje harmonskega popačenja je lahko izvedeno na več načinov, s spremembo regulacijskih algoritmov pogonov, pasivnih kompenzatorjev ali z aktivnimi filtri. Za zmanjševanje harmonskega popačenja se uporablja uglašene pasivne filtre na določeno harmonsko komponento ali aktivne filtre. Aktivni filtri so lahko na omrežje priključeni paralelno ali serijsko. V doktorski disertaciji se bomo osredotočili na paralelno vezavo aktivnega filtra, saj aktivni filter neposredno vpliva na tokovno harmonsko popačenje pri tej vezavi, saj bo referenca aktivnega filtra temeljila na tokovnem porabniškem harmonskem viru. Kljub temu je lahko aktivni filter priključen na omrežje v več različnih kombinacijah s pasivno kompenzacijo. V doktorski disertaciji bomo analizirali tri kombinacije priključitve aktivnega filtra, in sicer paralelno in serijsko priključitev k pasivni kompenzaciji ter hibridno priključitev, kjer je aktivni filter priključen med tuljavo in kondenzatorjem. V osrednjem delu doktorske disertacije smo se osredotočili na novo kompenzacijsko funkcijo aktivnega filtra, ki je glavni izvirni prispevek k znanosti. V drugem, osrednjem delu doktorske disertacije je predstavljen razvoj kompenzacijske funkcije aktivnega filtra v različnih izvedbah kombinacij aktivnega in pasivnega dela, ki je drugi izvirni prispevek k znanosti. Na začetku osrednjega dela je pregled dosedanjih izvedb in načinov kompenzacije harmonskega popačenja, kjer smo ugotovili, da nobeden izmed algoritmov ne določa reference aktivnega filtra na podlagi prispevka porabnika k skupnemu popačenju. Harmonske razmere na priključnem mestu porabnika se spreminjajo z delovanjem aktivnega filtra, zato je treba določiti, kakšno je harmonsko popačenje, če aktivni filter ne deluje. Določanje tega harmonskega popačenja temelji na harmonskih impedancah ter izmerjenih vrednostih napetostnega in tokovnega harmonskega popačenja na priključnem mestu ter harmonskega toka aktivnega filtra. V nadaljevanju je natančno opisano določanje reference aktivnega filtra na podlagi prispevka porabnika k skupnemu harmonskemu popačenju. Določanje reference aktivnega filtra temelji na mešanem ekvivalentnem modelu, saj je omrežni del predstavljen kot napetostni harmonski vir oz. Theveninov model in porabniški del kot tokovni harmonski vir oz. Nortonov model. Aktivni filter kompenzira le porabniško emisijo tokovnega harmonskega popačenja na priključnem mestu, povzročenega zaradi tokovnega harmonskega vira porabnika. Porabniška emisija ne vključuje deleža toka na priključnem mestu, ki je povzročen z napetostnim harmonskim virom na omrežni strani. Delež toka na priključnem mestu, ki teče zaradi omrežnega napetostnega vira, imenujemo referenca toka omrežnega vira. Referenca toka omrežnega vira prikazuje tudi, koliko harmonskega toka lahko še teče na priključnem mestu porabnika. Referenca aktivnega filtra je delež harmonskega toka skozi omrežno impedanco, ki ga povzroči porabniški tokovni harmonski vir. Ker je referenca aktivnega filtra v vektorskem prostoru, je narejena projekcija njenega vektorja na vektor izmerjene vrednosti, saj tako lahko neposredno vpliva na izmerjeno vrednost tokovnega harmonskega popačenja. Referenca aktivnega filtra je implementirana v tri različne kombinacije aktivnega in pasivnega dela kompenzacije oz. filtra. Pri implementaciji reference aktivnega filtra so potrebne nekatere spremembe pri določanju parametrov in izračunu reference aktivnega filtra, saj vse vezave nimajo na voljo istih parametrov. Implementacija reference aktivnega filtra je tudi analizirana na nadomestnem modelu, ki pokaže delovanje aktivnega filtra v idealnem okolju. Pri paralelni kombinaciji pasivnega in aktivnega dela filtra je aktivni filter enostavno implementirati v že obstoječi postroj, saj se ga le dodatno priključi k pasivni kompenzaciji. Pri serijski kombinaciji je tok aktivnega filtra enak toku skozi pasivno kompenzacijo, zato je treba določanje reference aktivnega filtra ustrezno korigirati, saj je treba ločiti tok pasivnega in aktivnega dela kompenzacije. Pri hibridni kombinaciji aktivnega in pasivnega dela kompenzacije je treba izvesti še dodatne meritve napetosti, saj je aktivni filter med tuljavo in kondenzatorjem. V zadnjem delu doktorske disertacije so opisani rezultati analize in simulacij. Simulacije so bile izvedene v digitalnem programskem okolju PSCAD in z razvojno platformo DSP ter simulatorjem v realnem času. V digitalnem programskem okolju PSCAD je zmodelirano testno elektroenergetsko omrežje z dodanima aktivnima filtroma. Pri paralelni kombinaciji aktivne in pasivne kompenzacije je narejenih več simulacij. Rezultati pri prvem primeru pokažejo, da je treba kompenzirati celotni harmonski tok, saj je vzrok za harmonski tok v pasivni kompenzaciji brez dušilke in v nelinearnem bremenu. V drugem primeru sta narejeni simulaciji pri različni razglasitvi pasivne kompenzacije, saj v originalnem testnem omrežju porabnik zmanjšuje napetostno harmonsko popačenje. Rezultati s serijsko vezavo aktivnega dela k pasivni kompenzaciji so primerljivi z rezultati paralelne vezave aktivnega dela k pasivni kompenzaciji, saj se spremeni le upoštevanje pasivnega dela kompenzacije. V tem primeru so impedančne razmere podobne, zato so tudi rezultati med seboj primerljivi. Rezultati hibridne vezave aktivnega dela k pasivni kompenzaciji so nižji od rezultatov paralelne kombinacije za približno 4 % pri 11. in 13. harmonski komponenti, 14 % pri 7. harmonski komponenti in 30 % pri 5. harmonski komponenti. Tok aktivnega filtra je ojačan s pasivnim delom kompenzacije, kar je tudi razlog za zmanjšanje toka aktivnega filtra glede na preostali dve vezavi. Iz primerjave vseh rezultatov lahko sklepamo, da je referenca aktivnega dela pravilno določena. Pravilno delovanje reference aktivnega filtra je tudi potrjeno s primerjavo rezultatov analize in simulacij, saj so rezultati primerljivi. Pri upoštevanju predlagane reference aktivnega filtra je lahko harmonski tok aktivnega filtra zmanjšan od 5 do 40 % pri posamezni harmonski komponenti glede na kompenzacijo celotnega toka. Harmonski tok aktivnega filtra je lahko še dodatno zmanjšan z upoštevanjem napetostnega pogoja, kjer se ga lahko zmanjša tudi za več kot 80 %. Takšno zmanjšanje toka aktivnega filtra se zgodi v primerih razglašene kompenzacije, saj je treba v nasprotnem primeru kompenzirati celotno tokovno harmonsko popačenje, če ima porabnik kompenzacijo brez dušilke.20222022-06-28 10:45:48Doktorsko delo/naloga137701sl