Dynamic Performances of the Shunt Active Power Filter Control System

Abstract

Harmonic pollution of the electrical mains is well known and well-studied phenomena. Active power filter being a powerful tool to meet the requirements of regulatory documents regulating the electricity quality. Despite this fact, practical implementation of the active power filter is still connected with significant difficulties. In particular, existing systems typically use fast Fourier transform methods or instantaneous power theory to estimate the harmonic composition of the mains current. However, the use of fast Fourier transform requires high computing power of the control system, and the implementation of the theory of instantaneous power significantly increases the requirements for the power part of the active filter. The application of another approach - selective compensation of harmonics, makes it possible to reduce computational requirements and significantly simplify the technical implementation of the active filter and at the same time to achieve an acceptable level of distortion compensation. In this paper, the shunt active power filter control system is designed and investigated. Proposed control system consist of selective harmonics observer, feedback-linearizing current controller, dc-link controller and mains voltage observer. Harmonics observer is tuned according to simplified approach, provides selective estimation of the load current harmonics and produce the compensation current reference for the current controller. Nonlinear dc-link voltage controller guarantees decoupled from current compensation process asymptotic regulation of the average dc-link voltage. Mains voltage vector adaptive observer provides magnitude, angular position and frequency estimation. Proposed control system is implemented on digital signal processor TMS320F28335 end verified experimentally. Results of experimental investigations together with results of simulations confirm effectiveness of proposed solution. Developed control system can be used for shunt active filters implementation.

Гармонічні спотворення в електричних мережах є добре відомими та достатньо вивченими явищами. Силовий активний фільтр визнано ефективним засобом для задоволення вимог нормативних документів, що регулюють якість електроенергії. Незважаючи на цей факт, їхня практична реалізація досі пов’язана зі значними складностями. Зокрема, в існуючих системах для оцінювання гармонічного складу струму мережі, як правило, використовуються методи на основі швидкого перетворення Фур’є або методи на основі теорії миттєвої потужності. Проте використання швидкого перетворення Фур’є вимагає високої обчислювальної здатності системи керування з однієї сторони, а застосування теорії миттєвої потужності значно підвищує вимоги до силової частини активного фільтра. Застосування іншого підходу – селективної компенсації гармонік, дає можливість зменшити вимоги до обчислювальної потужності та значно спростити технічну реалізацію активного фільтра і при цьому досягти прийнятного рівня компенсації спотворень. В статті представлено результати розробки та дослідження системи керування силовим активним фільтром. Запропонована система керування складається із селективного спостерігача гармонік, лінеаризуючого зворотним зв’язком регулятора струмів, регулятора напруги ланки постійного струму фільтра та спостерігача напруги мережі. Спостерігач гармонік, який налаштовано відповідно до спрощеної процедури, забезпечує селективне виявлення вищих гармонік струму мережі та формує завдання на струм компенсації, яке відпрацьовується регуляторами струмів. Нелінійний регулятор напруги забезпечує асимптотичне регулювання середнього значення напруги ланки постійного струму САФ, розв’язане з процесом компенсації струмів. Адаптивний спостерігач напруги мережі надає інформацію про амплітуду, частоту обертання та положення вектора напруги мережі. Запропоновану систему керування реалізовано на цифровому сигнальному процесорі TMS320F28335 та досліджено експериментально. Результати експериментальних досліджень разом із результатами моделювання підтверджують ефективність запропонованого рішення. Розроблена система керування може бути використаною для створення силових активних фільтрів.