Улучшение синхронизации параллельного активного силового фильтра с питающей сетью

П ов с е м е с тное ра с прос тра н е ние полу пров од ни ков ых с и л ов ых пре обра з ов а те л ь ных у стройс тв , так их ка к им п у льс ные ис то чни ки п итания, ре г у ля торы ча с тоты в ра ще ния эле ктродвига тел е й и др. , которы е явл яю тс я не ли не й ной на гр узкой, сде л ал о весьма актуальной проблему комп е н са ц ии вы с ши х гарм они к тока, в н ос и мых в ра с пре де л ител ь н ую се ть та кой нагр уз ко й. На иб ол е е эффе ктивным уст р ой с тв ом д л я комп е нс а ц и и в ысши х га рм они к тока яв ляетс я па ра лл ел ьны й акт ивный си л ов ой ф ил ь тр ( АС Ф). К онстр у кц ия и пр ин ци п работ ы па раллельного АСФ широко п р ед с тавл е ны в нау чной литературе [1– 3 ]. Обобще н на я бл ок-схема парал л ел ь ного АС Ф пре дста вл е на на рис . 1.

Процесс синхронизации критически важен для подобного рода систем, так как ошибки синхронизации могут значительно снизить эффектив- ность работы системы или даже привести к аварии. Базовым принципам синхронизации трехфазных силовых преобразователей с питающей сетью посвящен ряд работ [4–6].

Так, в работе [5] предложен блок синхронизации с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), основанный на математическом аппарате перехода к синхронной вращающейся системе координат – последовательным преобразованием Э. Кларк и Парка – Горева [7, 8]. Блок-схема такой ФАПЧ на базе синхронной вращающейся d-q системы координат представлена на рис. 2. Блок ABC/dq 0 преобразует отсчеты фазных напряжений в синхронную вращающуюся систему координат, PI регулятор накапливает сигнал ошибки по оси q , интегратор с внутренним сбросом формирует угол θ обобщенного вектора напряжения относительно неподвижной системы координат в пределах

Рис. 1. Упрощенная блок-схема параллельного активного силового фильтра

Рис. 2. Блок-схема ФАПЧ на базе синхронной вращающейся d-q системы координат

Рис. 3. Эквивалентная схема подключения АСФ к питающей сети

от 0 до 2π. Этот же угол θ используется для преобразования Парка – Горева. Если проекция обоб- щенного вектора напряжения на ось q отлична от нулевого значения, сигнал ошибки, накопленный в PI регуляторе, складывается с постоянной времени интегратора, влияя на скорость изменения угла θ во времени, и значение по оси q стремится к нулевой величине. Таким образом осуществляется обратная связь и обеспечивается синхронизация.

Построенный по такому принципу блок синхронизации был применен в активном силовом фильтре [9]. В процессе моделирования и проведения экспериментов [10] блок синхронизации устойчиво функционировал при работе АСФ в режиме активного выпрямителя, но переход АСФ в режим компенсации высших гармоник тока приводил к периодическим сбоям синхронизации.

Причина этого явле н ия кроетс я в ос обенностях ра боты па рал л ел ьного А С Ф. На рис . 3 пре дста в л ена эквив ал е н тная с х ем а подкл ючени я АС Ф к одной их фаз питающей сети.

К ак в и д но из рис . 3, с х ем а и м е е т дв а ис точн ика ЭДС – ЭДС сети e c и Э Д С фил ь тра e ф . Z c , Z ф и Z н – импедансы се т и, урав н ител ьного ре а ктора ф и л ьтра и н аг р у зк и с оотв е т с тв е н но.

М гн ов ен н ое з на чен ие напр яж ения в точ ке A ( в м е с те подк л ючения АСФ к пи та ющей с ети) можно выразить формулой

Z uA (t ) = 7---Т (ec + i Ф ( t ) Zc ) ,

Z c + Z н где iф(t) – ток компенсации, инжектируемый АСФ в питающую сеть. Другими словами, формируемый АСФ ток компенсации iф(t) искажает напряжение в точке подключения АСФ к питающей сети при ненулевом импедансе сети. Что в итоге приводит к сбоям синхронизации АСФ с напряжением сети на величину больше допустимого по стандарту [11] и неправильной работе системы управления АСФ.

Постановка задачи

Для того чтобы устранить сбои синхронизации АСФ с сетью, необходимо снизить влияние вносимых АСФ помех по напряжению. Один из вариантов решения заключается в выделении основной гармоники из сигнала, поступающего от датчиков фазных напряжений с помощью цифрового фильтра. При этом фильтр не должен вносить фазового сдвига на промышленной частоте переменного тока 50 Гц и должен быть реализован на базе целочисленной машинной арифметики.

Синтез цифрового фильтра

Для решения поставленной задачи был выбран полосовой фильтр, так как он удовлетворяет требованию отсутствия фазового сдвига [12]. Синтез цифрового фильтра осуществлялся в среде FDATool пакета MATHLAB. Исходные данные для синтеза фильтра приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для синтеза фильтра

Аббревиатура MATHLAB	Параметр	Значение
Fs	Ч а с тота дискре т из а ц ии	10 200 Гц
Fstop1	Н ижн яя гра н иц а п ол осы з а гра ж де н ия	20 Гц
Fpass1	Н ижн яя гра н иц а п ол осы проп уска н ия	49 Гц
Fpass2	В е рх няя г ран и ца пол ос ы пр оп ус кан ия	51 Гц
Fstop2	В е рх няя г ран и ца пол ос ы з а г ра ж де н ия	80 Гц
Astop1	П од ав л ени е в н и ж н ей пол осе з а гра ж де н ия	20 дБ
Apass	Н е ра в ном е рнос ть в полосе пропускания	1 дБ
Astop2	П од ав л ени е в в е рхне й п ол ос е з а гра ж де н ия	20 дБ

В п р оц е сс е с инте з а полу че н цифров ой фи л ьтр в торого порядка с бе с ко не ч ной им п у л ьсной х а рактеристикой ( Б И Х ф и ль т р ) , у д о в лет во р я ю щи й з а дан н ы м у с ло ви я м. Т о п о лог и я син т е зи р о ван н о г о фи ль т р а и ег о к о э фф и ц и е н т ы п р ед ст авлен ы н а рис. 4 и в табл. 2 соответственно.

Для п о лу ч ен ия цел оч исленн ой р е ализ ац ии к о эфф и ц иен ты из т абл. 2 домн ож ались на цел оч ислен н у ю кон стан т у и о кр у г ля лис ь к б ли ж айше му цел ому .

Математическое моделирование синтезированного целочисленного БИХ фильтра второго порядка осуществлялось в среде моделирования PSim .

Характеристики фильтра в частотной области, полученные в результате математического моделирования, и результаты фильтрации входного сигнала прямоугольной формы приведены на рис. 5 и 6 соответственно. Результаты моделирования соответствуют ожидаемым.

Рис. 4. Топология цифрового БИХ фильтра второго порядка

Таблица 2

Коэффициенты синтезированного фильтра

К оэ ффиц ие н т	Значение
B (1; 2; 3)	1; 0; –1
A (1; 2; 3)	1; –1,996634738635; 0,9975817734755
S (1)	0,001209113262239

Frequency (Hz)

Рис. 5. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики синтезированного фильтра

Рис. 6. Фильтрация входного сигнала прямоугольной формы

О д нако в проц ес с е м а те м а т иче с кого м оделир ован ия це л очисл е н ного БИХ фил ь тра в ыявл е на за в ис им ос ть фа з ов ого с дви га , в нос им ого фил ьтр ом , от а м пл ит у ды вх од ног о с игнал а . Э то происх оди т в сл ед ст в ие поте ри точн ости при пе ре х оде к целочисленной арифметике.

Усовершенствованный блоксинхронизации с ФАПЧ

О с нов ыв а яс ь на по лученны х в ы ше ре зу л ьт атах , был а пре д л ож ена ус ове рше нс тв ов анная то п ол огия бл о ка си н х рон из а ц и и с ФА ПЧ д л я с и н х рониз аци и АС Ф с п ита ющей с е тью. Бл ок-схема решения приведена на рис. 7.

Сигналы, снимаемые с датчиков фазных на- пряжений Ua, Ub и Uc, усиливаются и ограничиваются. Тем самым осуществляется приближение входных сигналов к сигналам прямоугольной формы с нормированной амплитудой. Затем с помощью цифровых целочисленных полосовых БИХ фильтров из полученных сигналов выделяется первая гармоника. Дальнейшие преобразования осуществляются так же, как было описано выше.

Имитационное моделирование АСФ с предложенным блоком синхронизации

Государственный стандарт [11] не допускает отклонение от номинальной частоты напряжения электропитания больше чем на 0,4 Гц (0,8 %). Это требование относится к системе ФАПЧ АСФ.

Рис. 7. Предложенный блок синхронизации с ФАПЧ

Рис. 8. Фазное напряжение U a и сигнал синхронизации Theta традиционного блока синхронизации

Рис. 9. Фазное напряжение U a и сигнал синхронизации Theta усовершенствованного блока синхронизации

При рассогласовании синхронизации с сетью на большую величину блок защиты АСФ отключает режим компенсации.

Для верификации эффективности усовершенствованной ФАПЧ было проведено имитационное моделирование АСФ в среде моделирования PSim. Подробное описание имитационной модели изложено в [10].

Сначала моделировалась работа блоков синхронизации в условиях экстремально искаженного сетевого напряжения. Результаты моделирования приведены на диаграммах рис. 8 и 9.

Как видно из диаграмм, традиционный блок синхронизации показывает худшую линейность сигнала синхронизации Theta, чем предложенный блок синхронизации.

Затем моделировалась работа АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности. Результаты моделирования работы АСФ с традиционным и предложенным блоками синхронизации приведены на рис. 10 и 11 соответственно. Обозначения на диаграммах:

I _s – ток сети фазы А ;

I _c – ток компенсации фазы А ;

U _a , U _b , U _c – фазные напряжения;

Theta – сигнал синхронизации;

PLL_OK – сигнал, показывающий стабильность синхронизации.

Рис. 10. Имитационное моделирование работы АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности с традиционным блоком синхронизации

Рис. 11. Имитационное моделирование работы АСФ в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности с усовершенствованным блоком синхронизации

Рис. 12. Общий вид экспериментальной установки АСФ

Рис. 13. Диаграмма токов и напряжений АСФ с традиционным блоком синхронизации

Рис. 14. Диаграмма токов и напряжений АСФ с предложенным блоком синхронизации

Моделирование показало, что традиционный блок синхронизации допускает рассогласование по фазе с напряжением сети выше допустимого значения, что приводит к нестабильной работе АСФ и принудительному отключению режима компенсации. Применение усовершенствованного блока синхронизации позволило удержать рассогласование по фазе с напряжением питающей сети в требуемых пределах и улучшить стабильность работы АСФ.

Экспериментальная проверка работы АСФ с усовершенствованным блоком синхронизации

Для экспериментальной проверки эффективности работы предложенного блока синхронизации была использована экспериментальная установка [10]. Общий вид экспериментальной установки АСФ приведен на рис. 12. АСФ реализован на трехфазном трехуровневом инверторе напряжения. Система управления АСФ выполнена на отечественном микроконтроллере с АРМ архитектурой и целочисленной арифметикой 1986ВЕ1Т производства АО «ПКК Миландр».

В ходе эксперимента исследовалась работа АСФ с традиционным и предложенным блоками синхронизации в режиме компенсации высших гармоник тока и реактивной мощности.

В процессе исследования при работе АСФ с традиционным блоком синхронизации наблюдались периодические срывы синхронизации и сбои (рис. 13). В том же режиме работы и при тех же условиях АСФ с предложенным блоком синхронизации функционировал стабильно (рис. 14).

Заключение

В данной работе была рассмотрена проблема неустойчивой синхронизации параллельного трехфазного АСФ с питающей сетью. Сбои синхронизации вызваны вносимым АСФ искажением напряжения сети в точке подключения при ненулевом импедансе электрических цепей распределительной сети. Для решения проблемы предложен усовершенствованный блок синхронизации с ФАПЧ, в котором осуществлялась предварительная фильтрация сигналов, снимаемых с датчиков фазных напряжений, цифровыми полосовыми фильтрами.

Для верификации эффективности работы предложенного блока синхронизации было выполнено имитационное моделирование АСФ. В ходе моделирования проведено сравнение работы АСФ с традиционным и предложенным блоками синхронизации в режиме компенсации высших гармонических составляющих тока и реактивной мощности. АСФ с предложенным блоком синхронизации показал лучшую стабильность по сравнению с АСФ с традиционным блоком синхронизации.

Результаты моделирования подтверждены экспериментально на лабораторном прототипе АСФ.