Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (210)
2009
Rok LV
Marian PASKO, Dawid BUŁA
Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach
HYBRID ACTIVE POWER FILTER UNDER DISTORTED MAINS
VOLTAGE CONDITIONS
Summary. The paper presents analysis of a hybrid active power filter under distorted
mains voltage conditions. Comparison of this filter to the passive one is performed in the
analysis. Influence of the supply voltage higher harmonics on operation of both filters is
shown. The results of experiments carried out in a laboratory are given as well.
Keywords: higher harmonics, active power filters, hybrid active power filters
HYBRYDOWY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY W WARUNKACH
ODKSZTAŁCONEGO NAPIĘCIA SIECI
Streszczenie. W pracy przedstawiono analizę pracy układu hybrydowego
energetycznego filtru aktywnego w warunkach odkształconego napięcia sieci. Analizę
przeprowadzono w porównaniu do układu filtru pasywnego. Przedstawiono wpływ
wyższych harmonicznych napięcia zasilania na pracę obu układów. Dodatkowo pokazano
odpowiednie wyniki laboratoryjne.
Słowa kluczowe: wyższe harmoniczne, energetyczne filtry aktywne, hybrydowe energetyczne filtry
aktywne
1. INTRODUCTION
Passive harmonic filters remain still the most often applied method for reducing harmonic
current distortion. Simplicity of their construction and low cost are their main advantages.
Influence of line impedance on filtering results and resonance phenomenon between the main
impedance of a power system or the load are weak points of those filters. A further
disadvantage - insufficient filtration efficiency – is caused by the limited quality factor of
inductors. Using passive harmonics filters under distorted voltage sources may also produce
undesired results, which can be minimized by proper passive filter planning [1, 3].
Better results in electrical energy quality improvement can be achieved by using Active
Power Filters (APF) [1], but this method is much more expensive. Therefore hybrid filters
M. Pasko, D. Buła
30
which combine advantages of both methods [1, 2, 4, 5] are more suitable solution. In the
hybrid filters the required rating of the active filter is significantly smaller than the one of a
conventional standalone active filter. Moreover disadvantages of the passive filter are strongly
reduced. Analysis of hybrid filter under distorted voltage system compared to passive filter
has been presented in the paper. Relevant experimental results have also been shown.
a)
b)
Fig. 1. System with hybrid power active filter (a). Diagram of hybrid filter control system (b)
Rys. 1. Hybrydowy energetyczny filtr aktywny (a). Schemat układu sterowania (b)
2. DISCUSSED HYBRID ACTIVE POWER FILTER
One of the most often applied topologies of hybrid power filters is shunt active power
filter connected in series to the passive filter (fig. 1a.) In this case control system is meant to
control voltage inverter so that its output voltages would be proportional to high harmonics
of source currents. In effect characteristic of filtration is improved and disadvantages of the
passive filter are reduced [4, 5]. Diagram of control system has been presented in fig. 1b. For
the realization of the control algorithm the TMS320F28335 floating-point digital signal
controller has been used. In this case dq synchronous frame control strategy has been applied
[1, 4]. The dq transformation and used external phase locked loop enable correct work
of control system under distorted voltage system conditions.
Passive filter consists of two branches for each phase. The branches are tuned to the most
often occurring harmonic frequency in the three-phase systems i.e. 5th and 7th.
3. COMPARISON ANALYSIS OF PASSIVE AND HYBRID FILTER FILTRATION
CHARACTERISTICS UNDER DISTORTED VOLTAGE SYSTEM CONDITIONS
Precise analysis of attenuation factor, which is a relation between the supply harmonic
current and the load harmonic current, was presented in previous works of the authors [2, 4].
Hybrid active power…
31
Simplified linear single-phase equivalent circuits for high harmonics presented in fig. 2 have
been used in this case. Both contain high harmonics voltage sources Eh. High harmonics of
source current for system with passive filter is given by:
I sh s   I Lh s 
Eh s 
Z Fh s 

Z sh s   Z Fh s  Z sh s   Z Fh s 
(1)
There is a new component proportional to harmonic source voltage Eh. It should be noticed
that it is strongly dependent on value of Zsh and ZFh impedances and in some cases it can lead
to damages of passive filters [6].
High harmonics of source current for system with analyzed hybrid filter is given by:
I sh s   I Lh s 
Eh s 
Z Fh s 

Zsh s   Z Fh s   KK1 (s) Zsh s   Z Fh s   KK1 (s)
(2)
where:
K1 s   K HP F(s  j1 ) 
s  j1 2
s  j1   2 s  j1   02
2
(3)
Component proportional to harmonic source voltage Eh for hybrid filter depends also on K
gain. It causes decrease of Eh voltage influence on source current.
Fig. 2. Equivalent circuits for high harmonics for system with: a) passive filter, b) hybrid filter
Rys. 2. Jednofazowy schemat zastępczy dla wyższych harmonicznych układu z: a) filtrem pasywnym,
b) filtrem hybrydowym
4. EXPERIMENTAL RESULTS
Experimental tests for the discussed filters have been run under following conditions:
|E|1,2,3 = 63 V, Pload = 1.3 kW, THDu = 3.2 %, Ls = 0.8 mH, C5 = 75 μF, L5 = 5.4 mH, Q5 = 8,
C7 = 52 μF, L7 = 4 mH, Q7 = 22, K = 20, UDC = 60 V, fPWM = 25 kHz.
The results have been presented in figure 3. Figure 4a shows comparison of source current
harmonic distortion for both cases and for passive filter under sinusoidal voltages. Values of
source current for passive filter under sinusoidal voltages have been calculated using
M. Pasko, D. Buła
32
equation 1. Harmonic distortion was here different from real case – it was caused by high
harmonic in source voltage (from other nonlinear loads in the system - Eh voltage in fig. 2).
Hybrid filter allowed to considerably decrease current distortion and Eh voltage influence was
unnoticeable.
a)
b)
Fig. 3. Experimental results: a) passive filter, b) hybrid filter. 1 - vh voltage, 2 - iL current, 3 - iF
current, 4 - is current
Rys. 3. Wyniki laboratoryjne: a) filtru pasywnego, b) filtru hybrydowego. 1 - napięcie vh, 2 - prąd iL,
3 - prąd iF, 4 - prąd is
5. CONCLUSIONS
The presented analysis and experimental results proved that harmonic source voltage
influence for hybrid filter was unnoticeable. The comparison presented in fig. 4b shows that K
gain equals to 15 is sufficient for proper high harmonic compensation. Reduction of
disadvantages of the passive filter and lower cost then pure active power filter are reasons
why hybrid active power filters are good solution in distorted voltage system conditions.
a)
b)
Fig. 4. Comparison of source current harmonic distortion. PF – passive filter, HF – hybrid filter (a).
Comparison of source current harmonic distortion for different K gain of hybrid filter (b)
Rys. 4. Porównanie zawartości harmonicznych w prądzie źródła. PF – filtr pasywny, HF – filtr
hybrydowy (a). Porównanie zawartości harmonicznych w prądzie źródła dla różnych wartości
wzmocnienia K (b)
Hybrid active power…
33
This work was supported from resources for science in the years 2008-2011 under the project
N N510 344634.
BIBLIOGRAPHY
1. Akagi H., Watanabe E. H., Aredes, M.: Instantaneous Power Theory and Applications to
Power Conditioning. IEEE Press Series Power Engineering, 2007.
2. Buła D., Maciążek M., Pasko M.: Modeling of the frequency characteristics of hybrid
active power filter with the reduced passive filter, XXXI IC-SPETO, Ustroń 2008,
p. 107 -108.
3. Chu R. F., Wang J., Chiang H.: Strategic Planning of LC Compensators in Nonsinusoidal
Distribution Systems. “IEEE Transactions on Power Delivery” 1994, Vol. 9 no. 3,
p. 1558-1563.
4. Pasko M., Buła D.: Hybrydowe energetyczne filtry aktywne. “Przegląd
Elektrotechniczny” 2007, nr 7/8, s. 1-5.
5. Rivas D., Moran L., Dixon J.W.: Espinoza J.R.: Improving passive filter compensation
performance with active techniques. “IEEE Transactions On Industrial Electronics” 2003,
Vol. 50 no. 1, p. 161-170.
6. Power Quality Application Guide – www.lpqi.org.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Kazimierz Mikołajuk
Wpłynęło do Redakcji dnia 25 czerwca 2009 r.
Omówienie
W pracy przedstawiono analizę porównawczą właściwości układu hybrydowego
energetycznego filtru aktywnego oraz filtru pasywnego wyższych harmonicznych. Analizę
przeprowadzono dla warunków odkształconego napięcia sieci. Zawartość wyższych
harmonicznych w napięciu sieci może powodować nieprawidłową pracę pasywnych filtrów
wyższych harmonicznych. Skutki działania stosowanych filtrów pasywnych mogą być
odwrotne do zamierzonych, a w szczególnych przypadkach może dojść do uszkodzenia
zastosowanych filtrów. W pracy przedstawione zostały modele jednofazowe, pozwalające
ocenić wpływ wyższych harmonicznych w napięciu sieci na właściwości rozpatrywanych
układów. Zaprezentowano także wyniki badań laboratoryjnych dla obu przypadków.
Dla układu hybrydowego energetycznego filtru aktywnego pokazano dodatkowo wpływ
wzmocnienia K na tłumienie wyższych harmonicznych prądu sieci. Przedstawiona analiza
34
M. Pasko, D. Buła
oraz wyniki badań pokazały, że już niewielka wartość wzmocnienia K układu hybrydowego
(K = 15 w analizowanym przypadku) pozwala na efektywne wyeliminowanie wpływu
wyższych harmonicznych w napięciu sieci na właściwości filtrujące układu hybrydowego.
Poprawa właściwości filtrujących w stosunku do filtrów pasywnych oraz niewielki wpływ
odkształcenia napięcia sieci na działanie układu hybrydowego stanowią istotną przewagę
układów hybrydowych nad pasywnymi.