Оптимізація часу заряду/розряду конденсаторів активного фільтра під час коливань напруги

ОПТИМІЗАЦІЯ ЧАСУ ЗАРЯДУ/РОЗРЯДУ КОНДЕНСАТОРІВ АКТИВНОГО ФІЛЬТРА ПІД ЧАС КОЛИВАНЬ НАПРУГИ

OPTIMIZATION OF CHARGE / DISCHARGE TIME OF ACTIVE FILTER CAPACITORS DURING VOLTAGE FLUCTUATIONS

Сторінки: 119–124. Номер: №3, 2022 (309)  
Автори:
БУРБЕЛО М. Й.
Вінницький національний технічний університет
https://orcid.org/0000-0002-4510-2911
e-mail: burbelomj@gmail.com
ЛЕБЕДЬ Д. Ю.
Вінницький національний технічний університет
https://orcid.org/0000-0001-7482-9741
e-mail: 4e15b.lebyd@gmail.com
ЛЕЩЕНКО О. Р.
Вінницький національний технічний університет
e-mail: sasha.leshchenko@gmail.com
Mykhailo BURBELO, Denys LEBED, Oleksandr LESHCHENKO
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-309-3-119-124

Анотація мовою оригіналу

Розроблено регулятор напруги на конденсаторах для схеми керування паралельним активним фільтром на основі dq-теорії з блоком ковзного усереднення струму в колі керування струмом . Він містить блок затримки, цифровий фільтр нижніх частот першого порядку FIR або IIR (в залежності від варіанту розглянутої схеми) та блок «sgn», що стабілізує вихідний сигнал. Схему керування напругою на конденсаторі можливо реалізувати повністю в цифровому варіанті обробки сигналу та використовувати замість аналогового PID регулятора, що набагато ефективніше за необхідності адаптації схеми до режиму навантажень. Більшість аналогових фільтрів страждають від фазових спотворення, коли сигнали на різних частотах затримуються на різну величину. Хоча це все ще присутнє в цифрових IIR-фільтрах. FIR-фільтри зазвичай розроблені як «лінійна фаза»; це означає, що фільтр не має фазових спотворень. Фазові спотворення виникають через те, що сигнали різної частоти затримуються по-різному при перетині фільтра. Для IIR фільтрів необхідно введення додаткового коефіцієнта, який буде регулювати групову затримку, протягом якої фільтр затримуватиме сигнал певної частоти. Якщо ви робите те ж саме для FIR-фільтра, ви побачите пряму горизонтальну лінію, це означає, що всі сигнали затримуються на однакову величину, що добре та забезпечить кращу якість сигналу. Блок «sgn» не впливає на процес підтримання напруги на конденсаторах та швидкість перехідних процесів, його роль полягає у посиленні компенсаційної здатності регулятора напруги за допомогою фільтрації цифрового сигналу. Вибраний фільтр, за допомогою автоматичної стабілізації напруги на конденсаторі забезпечує стабільний процес заряду/розряду конденсатора і високий рівень компенсації вищих гармонік без значної додаткової генерації активної потужності в мережу. При використанні в контексті аналогових систем реального часу цифровий фільтр іноді має проблематичну затримку (різниця в часі між входом і виходом), що пов’язано з аналого-цифровим та цифро-аналоговим перетворенням та згладжуванням. Показано, що за допомогою оптимізації часу заряду/розряду конденсатора силового активного фільтра можна досягти мінімальної тривалості перехідного процесу за мінімальних значень гармонічних спотворень.
Ключові слова: електрична мережа, вищі гармоніки, реактивна потужність, силовий активний фільтр, регулятор напруги, блок затримки, цифровий фільтр.

Розширена анотація англійською  мовою

A voltage regulator on capacitors has been developed for the control circuit of a parallel active filter based on dq-theory with a block of sliding averaging current in the current control circuit i_d. It contains a delay unit, a digital low-pass filter of the first order FIR or IIR (depending on the variant of the considered scheme) and the unit “sgn”, which stabilizes the output signal. The voltage control circuit on the capacitor can be implemented entirely in digital signal processing and used instead of the analog PID controller, which is much more effective if you need to adapt the circuit to the load mode. Most analog filters suffer from phase distortion when signals at different frequencies are delayed by different amounts. Although it is still present in digital IIR filters. FIR filters are usually designed as a “linear phase”, which means that the filter has no phase distortion. Phase distortions occur due to the fact that signals of different frequencies are delayed differently when crossing the filter. For IIR filters, it is necessary to enter an additional factor that will regulate the group delay, during which the filter will delay the signal of a certain frequency. If you do the same for the FIR filter, you will see a straight horizontal line, which means that all signals are delayed by the same amount, which is good and will provide better signal quality. The unit “sgn” does not affect the process of maintaining the voltage on the capacitors and the speed of transients, its role is to enhance the compensatory capacity of the voltage regulator by filtering the digital signal. The selected filter, by automatically stabilizing the voltage on the capacitor provides a stable charge / discharge process of the capacitor and a high level of compensation of higher harmonics without significant additional generation of active power in the network. When used in the context of real-time analog systems, the digital filter sometimes has a problematic delay (input-output time difference) due to analog-to-digital and digital-to-analog conversion and smoothing. It is shown that by optimizing the charge / discharge time of the capacitor of the power active filter it is possible to achieve the minimum duration of the transient process with the minimum values of harmonic distortions.
Keywords: electric network, higher harmonics, reactive power, active power filter, voltage regulator, delay unit, digital filter.

Література

1. Akagi, “Active harmonic filters”, Proceedings of the IEEE, vol. 93, № 12, рp. 2128-2141, 2005.
2. Akagi, E. H. Watanabe, and M. Aredes, Instantaneous power theory and applications to power conditioning, Wiley-IEEE Press, pp. 400, 2007.
3. Т. В. Мисак, В. М. Михальський, “Формування компенсаційного струму трифазного паралельного активного фільтра за допомогою різнотемпових ковзних режимів”, Технічна електродинаміка. 2020. № 4. С. 29-34. ISSN 1607-7970.
4. К. І. Денисенко, І. С. Кутрань, В. О. Лесик, Т. В. Мисак, “Збільшення швидкодії контуру слідкування за напругою накопичувального конденсатора трифазного паралельного активного фільтра”, Праці ІЕД НАН України. 2020. Вип. 55. ISSN 1727-9895.
5. М. Й. Бурбело, О. М. Кравець, та Д. Ю. Лебедь, «Підвищення точності регулювання напруги на конденсаторі активного фільтра», Вісник Вінницького політехнічного інституту, вип. 1, с. 28–34, Берез. 2022.
6. М. Й. Бурбело, Ю. В. Лобода, та Д. Ю. Лебедь, “Система прямого керування струмом активного фільтра”, Вісник Вінницького політехнічного інституту, вип. 2, с. 69–75, 2021.
7. Ichige, M. Iwaki, and R. Ishii, “Accurate estimation of minimum filter length for optimum FIR digital filters”, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, pp. 1008-1016, vol. 47, 10 Oct. 2000, doi: 10.1109/82.877143
8. S. Anderson; S. Summerfield, “Power-time tradeoffs in digital filter design and implementation”, IEE Colloquium on Low Power Analogue and Digital VLSI: ASICS, Techniques and Applications, 2-2 June 1995, doi: 10.1049/ic:19950795
9. Fred Taylor, Digital Filters: Principles and Applications with MATLAB, Wiley-IEEE Press, pp. 320, 2012.

References

1. Akagi, “Active harmonic filters”, Proceedings of the IEEE, vol. 93, № 12, рp. 2128-2141, 2005.
2. Akagi, E. H. Watanabe, and M. Aredes, Instantaneous power theory and applications to power conditioning, Wiley-IEEE Press, pp. 400, 2007.
3. V. Mysak, V. M. Mykhalskyi, “Formuvannia kompensatsiinoho strumu tryfaznoho paralelnoho aktyvnoho filtra za dopomohoiu riznotempovykh kovznykh rezhymiv”, Tekhnichna elektrodynamika. 2020. № 4. S. 29-34. ISSN 1607-7970.
4. K. I. Denysenko, I. S. Kutran, V. O. Lesyk, T. V. Mysak, “Zbilshennia shvydkodii konturu slidkuvannia za napruhoiu nakopychuvalnoho kondensatora tryfaznoho paralelnoho aktyvnoho filtra”, Pratsi IED NAN Ukrainy. Vyp. 55. ISSN 1727-9895.
5. Y. Burbelo, O. M. Kravets, ta D. Yu. Lebed, «Pidvyshchennia tochnosti rehuliuvannia napruhy na kondensatori aktyvnoho filtra», Visnyk Vinnytskoho politekhnichnoho instytutu, vyp. 1, s. 28–34, Berez. 2022.
6. Y. Burbelo, Yu. V. Loboda, ta D. Yu. Lebed, “Systema priamoho keruvannia strumom aktyvnoho filtra”, Visnyk Vinnytskoho politekhnichnoho instytutu, vyp. 2, s. 69–75, 2021.
7. Ichige, M. Iwaki, and R. Ishii, “Accurate estimation of minimum filter length for optimum FIR digital filters”, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, pp. 1008-1016, vol. 47, 10 Oct. 2000, doi: 10.1109/82.877143
8. S. Anderson; S. Summerfield, “Power-time tradeoffs in digital filter design and implementation”, IEE Colloquium on Low Power Analogue and Digital VLSI: ASICS, Techniques and Applications, 2-2 June 1995, doi: 10.1049/ic:19950795
9. Fred Taylor, Digital Filters: Principles and Applications with MATLAB, Wiley-IEEE Press, pp. 320, 2012.