Система керування силовими активними фільтрами за наявності коливань напруги в розподільних електричних мережах

Abstract

Lebed D. Yu. Control system for power active filters in the presence of voltage fluctuations in distribution electrical networks. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. The dissertation is submitted for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 – Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2025. The dissertation work sets and solves the urgent task of improving the control system for power active filters to improve the quality of filtering higher harmonics and reduce voltage fluctuations in distribution electrical networks in the presence of rapidly changing and nonlinear loads. The scientific novelty of the obtained results and the provisions submitted for defense consists in improving the control system for power active filters in the presence of rapidly changing nonlinear loads by forming control signals for the current of the power active filter and the voltage of the storage capacitor. The work yielded the following scientific results: 1. For the first time, the control laws of a parallel power active filter and a unified power quality regulator during voltage fluctuations have been established, taking into account their power limitations and requirements for voltage fluctuations, which ensures the ion of parameters for their control system. 2. The control system of the parallel power active filter has been improved using adaptive adjustment of the integration time interval of the active and reactive components of the control current and the delay time of the control signals, which ensures high performance of the parallel power active filter. 3. The control system of the unified power quality regulator has been further developed using a digital filter with a finite impulse response in the storage 9 capacitor voltage control system, which ensures increased stability of the capacitor voltage under external disturbances. The practical significance of the obtained results is: improvement and implementation of a control system for power active filters to reduce nonsinusoidality in the presence of voltage fluctuations in distribution electrical networks. Its application will contribute to improving the quality of electricity, in particular, reducing voltage fluctuations and non-sinusoidality in distribution electrical networks. The first section considers the methodology for calculating short-term and long-term flicker intensity. The impact of voltage fluctuations on the operation of distribution networks and measures to reduce them are analyzed. Based on the analysis of literary sources, modern means and devices for improving the quality of electric energy in distribution electrical networks are analyzed. The principles of operation of control systems for parallel and series power active filters (PAF) are presented. The application of parallel and series PAF in distribution electrical networks is analyzed. The characteristics of the unified power quality conditioner (UPQC) are given. The second section investigates the control processes of a parallel PAF and a unified power quality conditioner (UPQC) under conditions of rapid voltage changes. The main attention is paid to improving voltage stability. The modes of passive and active reactive power compensation are considered, mathematical models are presented that describe the dependence of the voltage in the load node on the parameters of the SAF and the power source. The active compensation mode provides directional control of reactive power, which allows to achieve greater voltage stability in the network node. The optimal dependence of the compensator`s reactive power has been determined, which allows to ensure voltage stability during rapid changes in the power source parameters. The results of the research confirm that the introduction of the PAF in distribution networks 10 improves the stability of the supply voltage of consumers. The choice of compromise compensator operating modes allows to ensure sufficient voltage stability at the load with limited PAF power. Proposed PAF control models can be used as the basis for a disturbance control system for reducing voltage fluctuations. The analysis of parallel-serial and series-parallel UPQC schemes for stabilizing the load voltage with minimal consumption of active and reactive power is carried out. Special attention is paid to adaptive regulation, studied within the framework of a mathematical model that provides stabilization of the load voltage. The dependences of UPQC parameters that ensure voltage stability under variable network operating modes are determined. Mathematical modeling has shown that the parallel UPQC compensator effectively reduces the consumption of reactive power the network, while the serial UPQC compensator stabilizes the load voltage. The results obtained demonstrate the change in the load voltage depending on the fluctuations in the power source voltage, as well as the influence of active regulation of UPQC parameters on the stability of the network voltage. The proposed regulation methods allow adapting the UPQC operation to the conditions of the variable mode of the electrical network. Analysis of the mathematical model confirmed that the application of the considered approaches ensures voltage stability. The results obtained can be the basis for further research in the field of power quality management. The third section presents a control system for a parallel PAF based on the dq theory, which includes an automatic voltage stabilization unit on the capacitor. The system provides fast voltage stabilization, which justified using the root hodograph method. The automatic voltage stabilization unit contains an adaptive delay control system and a low-pass filter that is adjusted according to the ed sliding integration interval. Adaptive adjustment of the integration interval of the active and reactive current components T/2 or T/6 together with the corresponding delays of the control signals T/6 or T/12 allows you to optimize the compensation 11 processes. A system with an averaging interval T/6 is characterized as a high-speed control system (HSCS), while traditional integration with an interval T/2 is characterized as a medium-speed control system (MSCS). To increase the compensation capability for asymmetrical loads, integration with an interval T/2 is used. Reducing the interval to T/6 speeds up the system, but worsens the load balancing and the quality of compensation of higher harmonics for network voltage asymmetries. The results obtained confirm the effectiveness of the proposed control methods that ensure voltage stability and compliance with standards for the content of higher harmonics. A digital capacitor voltage regulator has been developed for a parallel PAF control circuit, which includes a delay unit, a first-order digital low-pass filter (FIR or IIR, depending on the circuit variant) and a linearization unit that takes into account the sign of the output signal to stabilize the voltage. The circuit is implemented completely digitally, which allows replacing the analog PI regulator and ensuring the system`s adaptation to variable load modes. When using IIR filters, an additional coefficient is introduced to adjust the group delay, which determines the duration of the signal delay at a certain frequency, while FIR filters usually do not create phase distortion. This regulator is aimed at reducing the charge and discharge time of storage capacitors and providing additional filtering of higher harmonics due to nonlinear signal processing of the linearization unit and a delay of 300 clock cycles of the digital signal, which allows reducing the amplitudes of the 5th, 7th harmonics, etc. In the fourth section, a comparative analysis of PAF control systems using an FIR filter, a delay regulator and a PI regulator in the presence of voltage fluctuations in electrical networks is carried out. The voltage fluctuation indicators, in particular the indicator of rapid voltage changes (δUt) and flicker intensity (Pt), are quantitatively evaluated. The effectiveness of the capacitor voltage control 12 scheme with an FIR filter and a delay regulator for reducing current harmonic distortion (THDI) in comparison with the classical scheme based on a PI regulator. The operation of the unified power quality conditioner (UPQC) under voltage fluctuations is analyzed, paying special attention to the assessment of consumption and generation of active and reactive power, as well as the stability of the voltage level. The operation of the series-parallel UPQC circuit at stable voltage and when it changes by 10% is studied. The results of the analysis demonstrate the influence of compensator operating modes on voltage stability and power balance in the electrical network. Modeling of the series-parallel UPQC has shown high efficiency in reducing harmonic distortions, compensating for rapid voltage changes, and reducing the intensity of voltage flicker. The fifth section considers practical aspects of implementing a control system for single-phase power active filters, which provide correction of current harmonics and compensation of voltage fluctuations. Particular attention is paid to recommendations for measures aimed at ensuring high system response speed in response to changes in the parameters of the electrical network. The analysis shows that the introduction of such devices contributes to improving the quality of electrical energy in conditions of voltage instability. It is shown that the introduction of such devices in distribution networks ensures compliance with modern requirements for the quality of electricity.

Лебедь Д. Ю. Система керування силовими активними фільтрами за наявності коливань напруги в розподільних електричних мережах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. за Дисертація подається на здобуття наукового ступеня доктора філософії спеціальністю 141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2025. У дисертаційній роботі поставлена й вирішена актуальна задача вдосконалення системи керування силовими активними фільтрами для підвищення якості фільтрування вищих гармонік і зменшення коливань напруги в розподільних електричних мережах за наявності швидкозмінних та нелінійних навантажень. Наукова новизна отриманих результатів і положень, що виносяться на захист, полягає у вдосконаленні системи керування силовими активними фільтрами за наявності швидкозмінних нелінійних навантажень шляхом формування сигналів керування струмом силового активного фільтра і напругою накопичувального конденсатора. В роботі отримано такі наукові результати: 1. Вперше встановлено закономірності керування паралельним силовим активним фільтром та уніфікованим регулятором якості електроенергії за коливань напруги з урахуванням обмежень їх потужності та вимог щодо коливань напруги, що забезпечує вибір параметрів їх системи керування. 2. Удосконалено систему керування паралельним силовим активним фільтром із застосуванням адаптивного налаштування інтервалу часу інтегрування активної та реактивної складових струму керування та часу 3 затримки сигналів керування, що забезпечує високу швидкодію роботи паралельного силового активного фільтра. 3. Дістала подальшого розвитку система керування уніфікованим регулятором якості електроенергії із застосування цифрового фільтра зі скінченою імпульсною характеристикою в системі керування напругою накопичувального конденсатора, що забезпечує підвищення стабільності напруги на конденсаторі за зовнішніх збурень. Практичне значення отриманих результатів роботи полягає: удосконаленні та впровадженні системи керування силовими активними фільтрами для зменшення несинусоїдності за наявності коливань напруги в розподільних електричних мережах. Її застосування сприятиме покращенню якості електроенергії, зокрема зменшенню коливань та несинусоїдності напруги в розподільних електричних мережах. В першому розділі розглянуто методику розрахунку короткострокової та довгострокової інтенсивності флікера. Проаналізовано вплив коливань напруги на роботу розподільних мереж і заходів з їх зменшення. На основі аналізу літературних джерел проаналізовано сучасні засоби та пристрої для підвищення якості електричної енергії в розподільних електричних мережах. Представлені принципи роботи систем керування паралельними та послідовними силовими активними фільтрами (САФ). Виконано аналіз застосування паралельного і послідовного САФ в розподільних електричних мережах. Наведено характеристику уніфікованого регулятора якості електроенергії (УРЯЕ). У другому розділі досліджено процеси керування паралельним САФ і уніфікованим регулятором якості електроенергії (УРЯЕ) за умов швидких змін напруги. Основна увага приділена покращенню стабільності напруги. Розглянуто режими пасивної та активної компенсації реактивної потужності, наведено математичні моделі, що описують залежність напруги у вузлі 4 навантаження від параметрів САФ і джерела живлення. Режим активної компенсації забезпечує спрямоване регулювання реактивної потужності, що дозволяє досягти більшої стабільності напруги у вузлі мережі. Визначено оптимальну залежність реактивної потужності компенсатора, що дозволяє забезпечити стабільність напруги за швидких змін параметрів джерела живлення. Результати досліджень підтверджують, що впровадження САФ у розподільчі мережі покращує стабільність напруги живлення споживачів. Вибір компромісних режимів роботи компенсатора дозволяє забезпечити достатню стабільність напруги на навантаженні за обмеженої потужності САФ. Запропоновані моделі керування САФ можна покласти в основу системи керування за збуренням САФ для зменшення коливань напруги. Проведено аналіз паралельно-послідовної та послідовно-паралельної схем УРЯЕ щодо стабілізації напруги на навантаженні за мінімального споживання активної та реактивної потужності. Особливу увагу приділено адаптивному регулюванню, дослідженому в рамках математичної моделі, яка забезпечує стабілізацію напруги на навантаженні. Визначено залежності параметрів УРЯЕ, що забезпечують стабільність напруги за змінних режимів роботи мережі. Математичне моделювання показало, що паралельний компенсатор УРЯЕ ефективно знижує споживання реактивної потужності з мережі, тоді як послідовний компенсатор УРЯЕ стабілізує напругу на навантаженні. Отримані результати демонструють зміну напруги на навантаженні залежно від коливань напруги джерела живлення, а також вплив активного регулювання параметрів УРЯЕ на стабільність напруги мережі. Запропоновані методи регулювання дозволяють адаптувати роботу УРЯЕ до умов змінного режиму електричної мережі. Аналіз математичної моделі підтвердив, що застосування розглянутих підходів забезпечує стабільність напруги. Отримані результати можуть бути основою для подальших досліджень у галузі керування якістю електроенергії. 5 У третьому розділі представлено систему керування паралельним САФ на основі dq-теорії, яка включає блок автоматичної стабілізації напруги на конденсаторі. Система забезпечує швидку стабілізацію напруги, що обгрунтовано за допомогою методу кореневого годографа. Блок автоматичної стабілізації напруги містить систему адаптивного керування затримкою та фільтр нижніх частот, що налаштовується відповідно до обраного інтервалу ковзного інтегрування. Адаптивне налаштування інтервалу інтегрування активної та реактивної складових струму T/2 або T/6 разом із відповідними затримками сигналів керування T/6 або T/12 дозволяє оптимізувати компенсаційні процеси. Система з інтервалом усереднення T/6 характеризується як система керування високої швидкодії (СКВШ), тоді як традиційне інтегрування з інтервалом T/2 характеризується як система керування середньої швидкодії (СКСШ). Для підвищення компенсаційної здатності при несиметричних навантаженнях використовується інтегрування з інтервалом T/2. Зменшення інтервалу до T/6 прискорює роботу системи, але погіршує симетрування навантаження та якість компенсації вищих гармонік за несиметрії напруги мережі. Отримані результати підтверджують ефективність запропонованих методів керування, що забезпечують стабільність напруги та відповідність стандартам щодо вмісту вищих гармонік. Розроблено цифровий регулятор напруги на конденсаторах для схеми керування паралельним САФ, що включає блок затримки, цифровий фільтр нижніх частот першого порядку (FIR або IIR, залежно від варіанту схеми) та блок лінеаризації, який враховує знак вихідного сигналу для стабілізації напруги. Реалізація схеми виконується повністю в цифровому вигляді, що дозволяє замінити аналоговий PI-регулятор і забезпечити адаптацію системи до змінних режимів навантаження. При використанні IIR-фільтрів вводиться додатковий коефіцієнт для регулювання групової затримки, що визначає 6 тривалість затримки сигналу на певній частоті, тоді як FIR-фільтри, зазвичай, не створюють фазових спотворень. Цей регулятор спрямований на зниження часу заряду та розряду накопичувальних конденсаторів і забезпечення додаткової фільтрації вищих гармонік завдяки нелінійній обробці сигналу блоку лінеаризації та затримці в 300 тактів цифрового сигналу, що дозволяє зменшити амплітуди 5-ї, 7-ї гармонік тощо. У четвертому розділі проведено порівняльний аналіз систем керування САФ, що використовують FIR-фільтр, регулятор затримки та PI-регулятор за наявності коливань напруги в електричних мережах. Кількісно оцінено показники коливань напруги, зокрема показник швидких змін напруги (δUt) та інтенсивності флікера (Pt). Перевірено ефективність схеми керування напругою конденсатора з FIR-фільтром та регулятором затримки для зменшення гармонічних спотворень струму (THDI) у порівнянні з класичною схемою на основі PI-регулятора. Проаналізовано роботу уніфікованого регулятора якості електроенергії (УРЯЕ) за умов коливань напруги, приділивши основну увагу оцінці споживання та генерування активної і реактивної потужності, а також стабільності рівня напруги. Досліджено функціонування послідовнопаралельної схеми УРЯЕ за стабільної напруги та при її зміні на 10%. Результати аналізу демонструють вплив режимів роботи компенсаторів на стабільність напруги та баланс потужності в електричній мережі. Моделювання послідовно-паралельного УРЯЕ показало високу ефективність у зниженні гармонічних спотворень, компенсації швидких змін напруги та зменшенні інтенсивності флікера напруги. У п`ятому розділі розглянуто практичні аспекти реалізації системи керування однофазними силовими активними фільтрами, які забезпечують корекцію гармонік струму та компенсацію коливань напруги. Особливу увагу зосереджено на рекомендаціях щодо заходів, спрямованих на забезпечення 7 високої швидкодії системи у відповідь на зміни параметрів електричної мережі. Аналіз показує, що впровадження таких пристроїв сприяє покращенню якості електричної енергії в умовах нестабільності напруги. Показано, що впровадження таких пристроїв у розподільчі мережі забезпечує відповідність сучасним вимогам щодо якості електроенергії.