Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності

Досліджено роботу «динамічних конденсаторів» для компенсації реактивної потужності. Запропоновано оригінальну систему управління «динамічним конденсатором», яка забезпечує споживання ним близького до синусоїдального вхідного струму. Це дозволяє зменшити вплив «динамічного конденсатору» на амплітуд...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Поднебенна, C.К.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2015
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149378
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності / C.К. Поднебенна // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 5. — С. 59–62. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-149378
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1493782019-02-22T01:23:18Z Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності Поднебенна, C.К. Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Досліджено роботу «динамічних конденсаторів» для компенсації реактивної потужності. Запропоновано оригінальну систему управління «динамічним конденсатором», яка забезпечує споживання ним близького до синусоїдального вхідного струму. Це дозволяє зменшити вплив «динамічного конденсатору» на амплітудно-частотну характеристику мережі, підвищити надійність його роботи та покращити точність компенсації реактивної потужності. Исследована работа «динамических конденсаторов» для компенсации реактивной мощности. Предложена оригинальная система управления «динамическим конденсатором», которая обеспечивает потребление им близкого к синусоидальному входного тока. Это позволяет уменьшить влияние «динамического конденсатора» на амплитудночастотную характеристику сети, повысить надежность его работы и улучшить точность компенсации реактивной мощности. Purpose. Modern approaches of VAR compensation are: using compensators with stepped regulation, STATCOMs, active power filters. Recently, more attention is paid to VAR compensator’s design based on the direct AC / AC converters, which are called dynamic capacitors. Methodology. The dynamic capacitor (DCAP) is the capacitor bank, which is connected to the mains through direct AC / AC buck converter. By varying the duty cycle of bidirectional switches, smooth control of reactive power can be achieved. However, in case of distorted mains voltage, D-CAP mains current will have a high THD. This is due to the fact that the D-CAP affects the frequency response of electric grid thus leading to the appearance of resonances. With nonsinusoidal mains voltage, capacitors are affected by harmonics. This reduces the reliability of the D-CAP, increasing the probability of their failure. To eliminate these drawbacks it is suggested to improve the D-CAP control system so that the input current of the dynamic capacitor is forced to be close to sinusoidal. This can be achieved if the duty cycle of the switching bidirectional switches is changed according to the proposed expression. Results. The research is done on a single-phase DCAP with the proposed control system, its input current diagrams are shown. In contrast to the D-CAP with a constant duty cycle control, the resulting THD of its input current is much lower. Thus, the control system provides a form of the input current that is close to a sine wave. This reduces the influence of mains voltage harmonics on the D-CAP operation, increases its reliability and improves power quality. Originality. The proposed D-CAP control system ensures reliable operation with non-sinusoidal mains voltage. Practical value. Application of DCAPs with the proposed control system allows for improved energy efficiency of electrical mains by providing VAR compensation and improving power quality. 2015 Article Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності / C.К. Поднебенна // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 5. — С. 59–62. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2015.5.08 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149378 621.316.727 uk Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
spellingShingle	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Поднебенна, C.К. Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності Електротехніка і електромеханіка
description	Досліджено роботу «динамічних конденсаторів» для компенсації реактивної потужності. Запропоновано оригінальну систему управління «динамічним конденсатором», яка забезпечує споживання ним близького до синусоїдального вхідного струму. Це дозволяє зменшити вплив «динамічного конденсатору» на амплітудно-частотну характеристику мережі, підвищити надійність його роботи та покращити точність компенсації реактивної потужності.
format	Article
author	Поднебенна, C.К.
author_facet	Поднебенна, C.К.
author_sort	Поднебенна, C.К.
title	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
title_short	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
title_full	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
title_fullStr	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
title_full_unstemmed	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
title_sort	удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149378
citation_txt	Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності / C.К. Поднебенна // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 5. — С. 59–62. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT podnebennack udoskonalennâsistemiupravlínnâdinamíčnihkondensatorívdlâkompensacííreaktivnoípotužností
first_indexed	2025-07-12T21:59:41Z
last_indexed	2025-07-12T21:59:41Z
_version_	1837480111804252160
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №5 59 © С.К. Поднебенна УДК 621.316.727 C.К. Поднебенна УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ «ДИНАМІЧНИХ КОНДЕНСАТОРІВ» ДЛЯ КОМПЕНСАЦІЇ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ Досліджено роботу «динамічних конденсаторів» для компенсації реактивної потужності. Запропоновано оригінальну систему управління «динамічним конденсатором», яка забезпечує споживання ним близького до синусоїдального вхідного струму. Це дозволяє зменшити вплив «динамічного конденсатору» на амплітудно-частотну характеристику мережі, підвищити надійність його роботи та покращити точність компенсації реактивної потужності. Бібл. 4, рис. 6. Ключові слова: компенсація реактивної потужності, «динамічний конденсатор», система управління, безпосередній знижувальний AC/AC перетворювач, двонаправлений ключ. Исследована работа «динамических конденсаторов» для компенсации реактивной мощности. Предложена ориги- нальная система управления «динамическим конденсатором», которая обеспечивает потребление им близкого к си- нусоидальному входного тока. Это позволяет уменьшить влияние «динамического конденсатора» на амплитудно- частотную характеристику сети, повысить надежность его работы и улучшить точность компенсации реактив- ной мощности. Библ. 4, рис. 6. Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, «динамический конденсатор», система управления, непосред- ственный понижающий AC / AC преобразователь, двунаправленный ключ. Вступ. Пристрої компенсації реактивної потуж- ності (ПКРП) мають відповідати наступним критері- ям: забезпечувати плавне регулювання реактивної потужності та при цьому мати відносно невелику вар- тість. Сучасним рішенням для компенсації реактивної потужності (РП) є використання ПКРП зі ступеневим перемиканням, СТАТКОМів, активних фільтрів [1]. Останнім часом все більше уваги приділяється проек- туванню ПКРП на базі безпосередніх АС/АС перетво- рювачів, які отримали назву «динамічний конденса- тор» (ДК) [2 – 4]. Постановка задачі. ДК представляє собою бата- рею конденсаторів, що підключається до мережі через напівпровідниковий безпосередній перетворювач змінної напруги із двома двонаправленими ключами. Спрощена схема підключення ДК до мережі наведена на рис. 1. Рис. 1. Спрощена схема підключення ДК до мережі Найчастіше в ДК використовується понижуючий перетворювач – buck-converter (рис. 2), проте можуть бути використані і підвищувальний (boost), і пони- жуючи-підвищувальний (buck-boost) [2 – 4]. Рис. 2. Схема однофазного «динамічного конденсатора» на основі buck-перетворювача Використання останніх передбачує підтримання підвищеної напруги на конденсаторі ДК, що накладає певні вимоги до пробивної напруги силових ключів та є економічно необґрунтованим. В якості двонаправлених ключів можуть висту- пати з’єднані по схемі з загальним емітером IGBT транзистори (рис. 3). Рис. 3. Схема двонаправлених ключів Регулювання реактивної потужності забезпечу- ється зміною скважності перемикання двонаправле- них ключів (S1S2 та S3S4). Якщо скважність керуючих імпульсів двонапра- вленого ключа S1S2 D(t) = D = const при достатньо високій частоті перемикання, то можна записати ви- рази для напруги на конденсаторі UC та локального середнього (середнього за період ШІМ) струму через ключі S1S2 IX:      tUDtuDtu msC  sin , (1) де uS(t) = Umsin(t) – миттєва фазна напруга мережі, В.        tUCD dt tdu CDtiDti m C CX  cos2 . (2) Реактивна потужність такого ПКРП дорівнює номінальній потужності батареї конденсаторів QC, помноженій на квадрат скважності керуючих імпуль- сів двонаправленого ключа S1S2: C C m C mm SrmsSrmsCAPD QD X U D X UDU IUS       2 2 2 2 222 (3) Якщо ДК підключається до мережі з несинусої- дальною напругою, вхідний струм ДК також буде несинусоїдальним. Крім того, послідовно з’єднані індуктивність LF2 та конденсатор С утворюють резо- нансний контур, в якому виникає коливальний пере- хідний процес. 60 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №5 Перевагою такого способу управління ДК є його простота реалізації. До недоліків слід віднести те, що при підключенні такого ДК до мережі з несинусоїда- льною напругою, батарея конденсаторів ДК буде за- знавати впливу вищих гармонік струму, що може призвести до перевантаження конденсаторів або до виникнення резонансів між ДК та еквівалентною ін- дуктивністю мережі. Крім того, ДК в режимі роботи з постійною скважністю впливає на амплітудно- частотну характеристику (АЧХ) мережі. Все це при- зводить до зниження надійності ДК та може підвищи- ти ймовірність виходу його з ладу. Описані недоліки позначають мету досліджень, яка полягає в удосконаленні системи управління ДК. Результати досліджень. Струм завдання ДК зна- ходиться в залежності від необхідної реактивної поту- жності, яку має згенерувати ДК, наприклад, в результа- ті виділення реактивної компоненти першої гармоніки споживаного навантаженням струму (рис. 1). Для того, щоб ДК не впливав на АЧХ мережі, треба, щоб форма споживаного ним струму була синусоїдальною. Позначимо скважність перемикання двонаправ- леного ключа S1S2 як D(t). Локальна середня напруга на конденсаторі С буде визначатися за наступним виразом:      tutDtuC  , (4) а струм, що протікає через конденсатор С:          dt tutDd C dt tdu Cti C C   . (5) Тоді струм, що споживається ДК, можна визна- чити як:                           .2 dt tDd tutDC dt tud tDC dt tutDd tDCtDtiti C     (6) Знайдемо миттєву потужність ДК:                       .2 2 dt tDd tutDC dt tud tDtuCtitutp   (7) В першому доданку отриманої суми внесемо під знак похідної u(t), а у другому – D(t):               . 22 2 2 2 2 dt tDd tu C dt tud tD C tp  (8) В результаті отримали вираз похідної добутку, після згортання якої та внесення постійного множни- ка отримали остаточний вираз для миттєвої потужно- сті ДК:                  2 2 2 tD tuC dt d tp . (9) Проінтегруємо останній вираз та знайдемо зале- жність для скважності двонаправлених ключів:         2 0 2 tuC diu tD t ref     , (10) де iref(t) – заданий струм ДК, А. Останній вираз дозволяє обчислити скважність керуючих імпульсів силових ключів ДК в залежності від потрібної форми струму ДК. На рис. 4 наведена система управління ДК, яка реалізує керування скважністю перемикання двонап- равлених ключів згідно з останнім виразом. Блок PLL (Phase Locked Loop) – фазового автопі- дстроювання частоти – формує сигнал одиничної ам- плітуди, зсунутий по фазі на 90 електричних градусів по відношенню до першої гармоніки напруги мережі u(t). В результаті множення його на задану амплітуду реактивного струму Iref m, отримуємо струм завдання іref(t). Отримані сигнали використовуються для обчис- лення скважності D(t). Для запобігання накопиченню похибки при ро- боті інтегратора його вихід скидається в нуль при ко- жному переході миттєвої напруги мережі через нуль за допомогою сигналу RESET, який формується на виході ZC (Zero Crossing) блоку PLL. Якщо квадрат напруги мережі менше заданого значення U2 min, то спрацьовує перекидний ключ, який встановлює скважність двонаправлених ключів, що дорівнює середній за попередній період мережі. Це викликано великою похибкою розрахунку скважності при малих абсолютних значеннях миттєвої напруги мережі. 2 minU u 2u  Рис. 4. Розроблена система управління ДК ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №5 61 До складу досліджуваного однофазного ДК входять:  батарея конденсаторів (С, рис. 2) EPCOS MKD230-I-2.5 – 5 шт., напруга 230 В, ємність кожно- го конденсатора 151 мкФ, сукупна реактивна потуж- ність батареї конденсаторів 12,5 кВАр;  захисний реактор (RF2, LF2, рис. 2) індуктивністю 400 мкГн при струмі 100 А;  мережевий фільтр (LF1, CF1, рис. 2) з індуктивніс- тю LF1 = 100 мкГн і ємністю CF1 = 94 мкФ;  4 силових ключі IGBT APT100GF60JR (600 В, 100 А). Схема управління транзисторами виконана з ви- користанням спеціалізованих драйверів FOD3184. Частота перемикання ключів ДК складає 10 кГц. Фо- рмування керуючих сигналів здійснюється однокрис- тальним 32-бітним мікроконтролером STM32F100C6T6B фірми ST Microelectronics, працю- ючим з тактовою частотою 24 МГц. В результаті дослідження роботи ДК отримано діаграми напруги мережі та локального середнього вхідного струму ДК при роботі із постійною скважні- стю (рис. 5) та із удосконаленою системою управлін- ня (рис. 6) зі спотвореною напругою мережі (вторинна напруга підстанції МТП-514 м. Маріуполя). Видно, що при застосуванні запропонованого способу управління коефіцієнт гармонік вхідного струму ДК значно нижчий, ніж при управлінні з по- стійною скважністю. Таким чином, використання за- пропонованого способу управління ДК дозволяє за- безпечити близький до синусоїдального споживаний ДК струм. Висновки. 1. Використання системи управління ДК, яка реалі- зує постійну скважність перемикання двонаправлених ключів дозволяє досягти плавного регулювання реак- тивної потужності, проте такий ДК впливає на АЧХ мережі, що призводить до резонансів з реактивним опором мережі. 2. Використання удосконаленої системи управління ДК дозволяє досягти форми споживаного ДК струму близької до синусоїдальної, що значно зменшує вплив на АЧХ мережі, підвищує надійність ПКРП та якість електроенергії. Рис. 5. Діаграми напруги мережі та локального середнього (середнього за період перемикання ключів) вхідного струму ДК при постійній скважності керуючих імпульсів силових ключів Рис. 6. Діаграми напруги мережі та локального середнього вхідного струму ДК при роботі удосконаленої системи управління СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Burlaka V.V., Gulakov S.V., Podnebennaya S.K., Savenko O.S. Hybrid VAR compensator with improved efficiency // Віс- ник Приазовського державного технічного університету. – 2014. – № 29. – С. 174-180. 2. Anish Prasai, Deepak M. Divan. Control of dynamic capaci- tor // IEEE Transactions On Industry Applications. – 2011. – vol.47. – no.1. – pp. 161-168. 3. Anish Prasai, Jyoti Sastry, Deepak M. Divan. Dynamic ca- pacitor (D-CAP): An integrated approach to reactive and har- monic compensation // IЕЕЕ Transactions On Industry Applica- tions. – 2010. – vol.46. – no.6. – pp. 2518-2525. 4. Mudit Gupta, Singh N.K. Modelling of four switch buck boost dynamic capacitor // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). – 2014. – vol.3. – iss.10. – рр. 964-970. 62 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №5 REFERENCES 1. Burlaka V.V., Gulakov S.V., Podnebennaya S.K., Savenko O.S. Hybrid VAR compensator with improved efficiency. Visnyk Pryazovskoho derzhavnoho tekhnichnoho universytetu – Visnyk of Pryazovskyi State Technical University, 2014, vol.29, pp. 174-180. 2. Anish Prasai, Deepak M. Divan. Control of dynamic capaci- tor. IEEE Transactions On Industry Applications, 2011, vol.47, no.1, pp. 161-168. doi: 10.1109/ECCE.2009.5316203. 3. Anish Prasai, Jyoti Sastry, Deepak M. Divan. Dynamic capaci- tor (D-CAP): An integrated approach to reactive and harmonic compensation. IЕЕЕ Transactions On Industry Applications, 2010, vol.46, no.6, pp. 2518-2525. doi: 10.1109/tia.2010.2072974. 4. Mudit Gupta, Singh N.K. Modelling of four switch buck boost dynamic capacitor. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 2014, vol.3, iss.10, рр. 964-970. Надійшла (received) 21.07.2015 Поднебенна Світлана Костянтинівна, к.т.н., доц., ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет», 87500, Маріуполь, вул. Університетська, 7, тел/phone +38 098 4831073, e-mail: podsvet@gmail.com S.K. Podnebennaya Pryazovskyi State Technical University, 7, Universitetska Str, Mariupol, 87500, Ukraine. An improved control algorithm for «Dynamic Capacitor» VAR compensator. Purpose. Modern approaches of VAR compensation are: using compensators with stepped regulation, STATCOMs, active pow- er filters. Recently, more attention is paid to VAR compensator’s design based on the direct AC / AC converters, which are called dynamic capacitors. Methodology. The dynamic capacitor (D- CAP) is the capacitor bank, which is connected to the mains through direct AC / AC buck converter. By varying the duty cycle of bidirectional switches, smooth control of reactive power can be achieved. However, in case of distorted mains voltage, D-CAP mains current will have a high THD. This is due to the fact that the D-CAP affects the frequency response of electric grid thus leading to the appearance of resonances. With non- sinusoidal mains voltage, capacitors are affected by harmonics. This reduces the reliability of the D-CAP, increasing the prob- ability of their failure. To eliminate these drawbacks it is sug- gested to improve the D-CAP control system so that the input current of the dynamic capacitor is forced to be close to sinu- soidal. This can be achieved if the duty cycle of the switching bi- directional switches is changed according to the proposed ex- pression. Results. The research is done on a single-phase D- CAP with the proposed control system, its input current dia- grams are shown. In contrast to the D-CAP with a constant duty cycle control, the resulting THD of its input current is much lower. Thus, the control system provides a form of the input current that is close to a sine wave. This reduces the influence of mains voltage harmonics on the D-CAP operation, increases its reliability and improves power quality. Originality. The pro- posed D-CAP control system ensures reliable operation with non-sinusoidal mains voltage. Practical value. Application of D- CAPs with the proposed control system allows for improved energy efficiency of electrical mains by providing VAR compen- sation and improving power quality. References 4, figures 6. Key words: VAR compensation, dynamic capacitor, control system, thin AC/AC converter, bidirectional switch.

Удосконалення системи управління "динамічних конденсаторів" для компенсації реактивної потужності

Репозитарії

Схожі ресурси