etapa 1 2014

20
1  Raport ştiinţific şi tehnic în extenso Etapa de execuţie nr. 1 / 2014 Structuri şi configuraţii inovative ale unui sistem de filtrare şi regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c.: Analiza, stabilirea structurii de forţă şi determinarea performanţelor; Fundamentarea strategiei de comandă Rezumatul etapei R1. Obiectivele etapei de executie Pentru activitatea I/2014 obiectivele specifice sunt: 1. Stabilirea unei structuri inovative de forţă şi determinarea performanţelor. 2. Fundamentarea strategiei de comandă a sistemului de filtrare si regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c. R2. Conţinut În primul capitol s-a făcut o analiză matematică a fenomenului de recuperare şi filtrare/compensare a staţiilor de tracţiune în c.c. cu trei structuri ale redresorului (duodecafazat serie, duodecafazat paralel şi trifazat în punte) şi s-a definit un coeficient care arată capacitatea schemei de a permite recuperarea şi compensarea armonicilor. S-a desprins concluzia că, numai staţiile de tracţiune cu redresor duodecafazat serie permit recuperarea şi compensarea armonicilor prin utilizarea transformatorului de tracţiune. În continuare, s-au definit cerinţele ce trebuie îndeplinite de către circuitul de separare între linia de c.c. şi invertor şi s-au identificat trei soluţii de realizare a acestuia. Ultimul subcapitol sintetizează structura unui sistem de filtrare şi regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c. (SISFREG) şi prezintă două modalităţi de conectare la reţea a sistemului de filtrare şi regenerare. Capitolul 2 este dedicat modelării componentelor SISFREG în mediul Matlab-Simulink şi conţine patru subcapitole, câte unul pentru fiecare componentă principală (linia de tracţiune, staţia de tracţiune, circuitul de interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiune şi filtrul activ de putere). S-au avut în vedere variantele evidenţiate în Cap. 1. În Cap. 3 s-a făcut modelarea, simularea şi determinarea performanţelor pentru SISFREG care nu necesită transformator dedicat, destinat staţiilor de tracţiune cu redresor duodecafazat serie, în două variante ale circuitului de separare. S-au avut în vedere ambele regimuri de funcţionare, respectiv regenerare şi filtrare. Analiza comparativă a performanţelor obţinute cu cele două variante ale circuitului de separare a condus la următoarele concluzii: 1. Din punct de vedere al performanţelor energetice, nu se identifică o variantă “mai avantajoasă”. 2. Din punct de vedere al preţului, varianta cu diodă este mai avantajoasă. 3. Din punctul de vedere al realizării funcţiei de separare, varianta cu IGBT prezintă imunitate mai bună la supratensiunile provenite din linia de tracţiune. Această concluzie are în vedere că, atunci când SISFREG funcţionează în regim de filtrare, dacă în linia de tracţiune apare o supratensiune ce depăşeşte tensiunea pe condensatorul de compensare, dioda intră în conducţie şi nu mai realizează funcţia de separare, afectând performanţele de filtrare. 4. Deoarece, în această etapă, nu se identifică argumente clare în favoarea uneia dintre cele două variante, decizia finală se va lua numai după punerea la punct a strategiei de comandă şi analiza funcţionării în circuit închis. În continuare, în Cap. 4, s-a făcut modelarea, analiza prin simulare şi determinarea performanţelor pentru SISFREG care utilizează transformator de adaptare. S-au considerat două structuri ale staţiei de tracţiune: cu redresor duodecafazat paralel, specifică tracţiunii feroviare şi cu redresor trifazat în punte, specifică tracţiunii urbane. Analiza performanţelor aferente celor două structuri, atât în regim de regenerare, cât şi în regim de filtrare, a permis desprinderea următoarelor concluzii: 1. Aspectele calitative şi cantitative între cele două variante ale circuitului de separare (cu diodă şi cu tranzistor IGBT) sunt foarte apropiate. 2. În toate cazurile, performanţele obţinute sunt foarte bune, în deplină concordanţă cu obiectivele proiectului.

Upload: truongtu

Post on 29-Jan-2017

245 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Etapa 1 2014

1  

Raport ştiinţific şi tehnic în extenso Etapa de execuţie nr. 1 / 2014

Structuri şi configuraţii inovative ale unui sistem de filtrare şi regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c.: Analiza, stabilirea structurii de forţă şi determinarea performanţelor; Fundamentarea

strategiei de comandă

Rezumatul etapei

R1. Obiectivele etapei de executie Pentru activitatea I/2014 obiectivele specifice sunt: 1. Stabilirea unei structuri inovative de forţă şi determinarea performanţelor. 2. Fundamentarea strategiei de comandă a sistemului de filtrare si regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c.

R2. Conţinut În primul capitol s-a făcut o analiză matematică a fenomenului de recuperare şi

filtrare/compensare a staţiilor de tracţiune în c.c. cu trei structuri ale redresorului (duodecafazat serie, duodecafazat paralel şi trifazat în punte) şi s-a definit un coeficient care arată capacitatea schemei de a permite recuperarea şi compensarea armonicilor. S-a desprins concluzia că, numai staţiile de tracţiune cu redresor duodecafazat serie permit recuperarea şi compensarea armonicilor prin utilizarea transformatorului de tracţiune.

În continuare, s-au definit cerinţele ce trebuie îndeplinite de către circuitul de separare între linia de c.c. şi invertor şi s-au identificat trei soluţii de realizare a acestuia. Ultimul subcapitol sintetizează structura unui sistem de filtrare şi regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c. (SISFREG) şi prezintă două modalităţi de conectare la reţea a sistemului de filtrare şi regenerare.

Capitolul 2 este dedicat modelării componentelor SISFREG în mediul Matlab-Simulink şi conţine patru subcapitole, câte unul pentru fiecare componentă principală (linia de tracţiune, staţia de tracţiune, circuitul de interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiune şi filtrul activ de putere). S-au avut în vedere variantele evidenţiate în Cap. 1.

În Cap. 3 s-a făcut modelarea, simularea şi determinarea performanţelor pentru SISFREG care nu necesită transformator dedicat, destinat staţiilor de tracţiune cu redresor duodecafazat serie, în două variante ale circuitului de separare. S-au avut în vedere ambele regimuri de funcţionare, respectiv regenerare şi filtrare. Analiza comparativă a performanţelor obţinute cu cele două variante ale circuitului de separare a condus la următoarele concluzii: 1. Din punct de vedere al performanţelor energetice, nu se identifică o variantă “mai

avantajoasă”. 2. Din punct de vedere al preţului, varianta cu diodă este mai avantajoasă. 3. Din punctul de vedere al realizării funcţiei de separare, varianta cu IGBT prezintă imunitate

mai bună la supratensiunile provenite din linia de tracţiune. Această concluzie are în vedere că, atunci când SISFREG funcţionează în regim de filtrare, dacă în linia de tracţiune apare o supratensiune ce depăşeşte tensiunea pe condensatorul de compensare, dioda intră în conducţie şi nu mai realizează funcţia de separare, afectând performanţele de filtrare.

4. Deoarece, în această etapă, nu se identifică argumente clare în favoarea uneia dintre cele două variante, decizia finală se va lua numai după punerea la punct a strategiei de comandă şi analiza funcţionării în circuit închis.

În continuare, în Cap. 4, s-a făcut modelarea, analiza prin simulare şi determinarea performanţelor pentru SISFREG care utilizează transformator de adaptare. S-au considerat două structuri ale staţiei de tracţiune: cu redresor duodecafazat paralel, specifică tracţiunii feroviare şi cu redresor trifazat în punte, specifică tracţiunii urbane. Analiza performanţelor aferente celor două structuri, atât în regim de regenerare, cât şi în regim de filtrare, a permis desprinderea următoarelor concluzii: 1. Aspectele calitative şi cantitative între cele două variante ale circuitului de separare (cu

diodă şi cu tranzistor IGBT) sunt foarte apropiate. 2. În toate cazurile, performanţele obţinute sunt foarte bune, în deplină concordanţă cu

obiectivele proiectului.

Page 2: Etapa 1 2014

2  

3. Performanţele obţinute cu varianta SISFREG care utilizează transformator dedicat sunt mai bune decât cele corespunzătoare variantei aplicabilă staţiilor de tracţiune cu redresor duodecafazat serie, fără transformator de recuperare.

4. Rezultatele obţinute prin simulare sunt în deplină concordanţă cu fenomenul fizic şi validează corectitudinea soluţiilor adoptate şi a modelelor realizate.

Capitolul 5 are, ca obiective, fundamentarea metodologiei de calcul a curenţilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q şi elaborarea unui algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului. S-a acordat atenţie specială situaţiei reale, mai ales în cazul staţiilor de tracţiune, când tensiunea are un grad de deformare semnificativ. Metodologia şi algoritmul elaborate utilizează contribuţii originale ale colectivului, recunoscute pe plan internaţional. Obiectivele au fost realizate complet şi se referă la cinci variante de lucru.

În continuare, Raportul ştiinţific se referă la modelarea, simularea şi validarea metodologiei de calcul al curenţilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q. S-a urmărit şi s-a realizat validarea pe model a rezultatelor obţinute în capitolul anterior şi realizarea unei biblioteci care să fie utilizată atât în modelarea şi analiza SISFREG, cât şi în implementarea comenzii în circuit închis.

Ultimul capitol de fond tratează identificarea structurii necesare implementării strategiei de comandă. Mai întâi, se stabileşte sistemul de reglare automată şi se identifică structura acestuia sub forma schemei de principiu monofilară. Pe acestă bază, se realizează schema structurală şi se determină funcţiile de transfer, fiind create condiţiile pentru trecerea la acordarea regulatoarelor componente.

În final, se identifică două rezultate cu potenţial de brevetare, respectiv, structura sistemului de filtrare şi regenerare şi metoda de calcul a curenţilor de referinţă pe baza teoriei p-q, în condiţii de tensiune nesinusoidală.

CUPRINSUL RAPORTULUI pg.R* pg.S* 1. Conceperea unor structuri alternative pentru circuitul de separare

între linia de c.c. şi invertor (altele decât convertor c.c.-c.c.) ...................................... 3 ...... 3 1.1. Capacitatea de recuperare şi compensare a staţiilor de tracţiune pasive ........................... 3 ...... 3 1.2. Structuri alternative pentru circuitul de separare între linia de c.c. şi invertor ................... 6 ...... 4 1.3. Modalităţi de conectare la reţea a sistemului de filtrare şi regenerare ............................... 8

1.3.1. Conectarea prin transformatorul de tracţiune ....................................................... 8 1.3.2. Conectarea prin transformator dedicat ................................................................ 9

2. Modelarea structurilor alternative concepute ............................................................. 11 ...... 6 2.1. Modelarea liniei de tracţiune ..................................................................................... 11 ...... 6

2.1.1. Modelul cinematic al liniei de tracţiune în regim de regenerare ............................. 12 ...... 6 2.1.2. Modelul general al liniei de tracţiune ................................................................. 12 ...... 6

2.2. Modelarea staţiei de tracţiune ................................................................................... 13 ...... 7 2.2.1. Modelarea staţiei de tracţiune cu redresor duodecafazat serie .............................. 13 2.2.2. Modelarea staţiei de tracţiune cu redresor duodecafazat parallel .......................... 14 2.2.3. Modelarea staţiei de tracţiune cu redresor trifazat în punte .................................. 15

2.3. Modelarea circuitului de interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiune .......................... 16 ...... 7 2.4. Modelarea filtrului activ ............................................................................................ 17 ...... 8

2.4.1. Modelarea filtrului de interfaţă ......................................................................... 17 2.4.2. Modelarea invertorului .................................................................................... 18 2.4.3. Modelarea circuitului de preîncărcare a condensatorului de filtrare ....................... 19 2.4.4. Modelarea blocului de reglare a curentului generat de filtrul activ ......................... 20

3. Analiza structurilor alternative concepute în varianta conectării la transformatorul existent în staţie şi utilizarea capacităţii intrinseci pe care o are filtrul activ de a asigura o tensiune mărită, de valoare impusă, pe partea de c.c., prin simulare şi determinarea performanţelor ........................................................... 21 ...... 8 3.1. Modelul sistemului ................................................................................................... 21 ...... 8 3.2. Simularea în regim staţionar ..................................................................................... 24 ..... 10

3.2.1. Simularea în regim de regenerare .................................................................... 24 ..... 10 3.2.2. Simularea în regim de filtrare şi evidenţierea performanţelor ............................... 26 ..... 10 3.2.3. Performanţele variantei cu circuit de separare cu IGBT ....................................... 27 ..... 11

3.3. Analiza comparativă a performanţelor ........................................................................ 27 ..... 11 4. Modelarea şi analiza prin simulare a variantei care utilizează transformator

de adaptare şi determinarea performanţelor ............................................................. 29 .... 12 4.1. Modelul sistemului ................................................................................................... 29 ..... 12 4.2. Simularea în regim staţionar a SISFREG pentru staţii cu redresor duodecafazat paralel .... 32 ..... 12

4.2.1. Simularea în regim de regenerare .................................................................... 32 ..... 12

Page 3: Etapa 1 2014

3  

4.2.2. Simularea în regim de filtrare şi evidenţierea performanţelor ............................... 33 ..... 12 4.3. Simularea în regim staţionar a SISFREG pentru staţii cu redresor trifazat în punte ........... 34

4.3.1. Simularea în regim de regenerare .................................................................... 34 4.3.2. Simularea în regim de filtrare şi evidenţierea performanţelor ............................... 35

4.4. Concluzii ................................................................................................................ 36 5. Fundamentarea metodologiei de calcul a curenţilor/puterilor de referinţă

pe baza teoriei p-q şi elaborarea unui algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului ..................................................................................... 37 .... 14 5.1. Fundamentarea metodologiei de calcul a curenţilor/puterilor de referinţă

pe baza teoriei p-q .................................................................................................. 37 ..... 14 5.1.1. Legătura dintre curent şi puteri ........................................................................ 37 5.1.2. Calculul curentului de referinţă pentru compensarea totală .................................. 38 5.1.3. Generarea curentului activ de referinţă pentru menţinerea tensiunii pe condensator45

5.2. Elaborarea unui algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului ............... 46 ..... 15 5.2.1. Generarea curentului de referinţă al filtrului, în condiţii de tensiune sinusoidală,

pe baza puterilor de referinţă ........................................................................... 46 5.2.2. Generarea curentului de referinţă al filtrului, în condiţii de tensiune sinusoidală,

pe baza curentului de referinţă la reţea ............................................................. 47 5.2.3. Generarea curentului de referinţă al filtrului pentru strategia UPF,

în condiţii de tensiune nesinusoidală ................................................................. 48 5.2.4. Generarea curentului de referinţă al filtrului pentru strategia ZTHD,

prin filtrarea tensiunii nesinusoidale .................................................................. 48 5.2.5. Generarea curentului de referinţă al filtrului pentru strategia ZTHD,

prin sintetizarea curentului sinusoidal de referinţă .............................................. 49 6. Modelarea, simularea şi validarea metodologiei de calcul al curenţilor/puterilor

de referinţă pe baza teoriei p-q .................................................................................. 51 .... 16 6.1. Modelarea şi simularea metodologiei de calcul al curenţilor/puterilor de referinţă pe

baza teoriei p-q ....................................................................................................... 51 6.2. Validarea metodologiei de calcul ................................................................................ 57 ..... 17

7. Identificarea structurii necesare implementării strategiei de comandă ...................... 59 .... 17 7.1. Stabilirea schemei de reglare......................... ........................................................... 59 ..... 17 7.2. Schema structurală şi funcţiile de transfer............................................... ................... 60 ..... 18

7.2.1. Funcţia de transfer parţială tensiune de comandă-curentul filtrului activ ................ 61 7.2.2. Funcţia de transfer parţială curent de ieşire–tensiune

pe partea de c.c., a filtrului activ ...................................................................... 63 7.2.3. Funcţiile de transfer ale traductoarelor .............................................................. 64 7.2.4. Funcţiile de transfer ale regulatoarelor .............................................................. 64

8. Sinteza rezultatelor obţinute şi identificarea rezultatelor brevetabile ........................ 65 .... 18 Bibliografie ..................................................................................................................... 67 .... 19 *pg.R – numărul paginii din Raportul complet (68 pag.); pg.S – numărul paginii din Raportul sinteză (20 pag.)

Descrierea ştiinţifică şi tehnică (SINTEZĂ) Obs. Numerotarea capitolelor, figurilor şi ecuaţiilor este cea din Raportul complet

1. Conceperea unor structuri alternative pentru circuitul de separare între linia de c.c. şi invertor (altele decât convertor c.c.-c.c.)

1.1. Capacitatea de recuperare şi compensare a staţiilor de tracţiune pasive Staţiile de tracţiune în curent continuu conţin, ca şi echipamente principale de forţă, un

transformator şi un redresor necomandat. În funcţie de puterea lor, redresorul este realizat în trei variante:

1. Redresor trifazat în punte; 2. Redresor duodecafazat paralel, obţinut prin conectarea în paralel a două redresoare

trifazate în punte; 3. Redresor duodecafazat serie, obţinut prin conectarea în serie a două redresoare trifazate în

punte. În cazul redresoarelor duodecafazate, transformatorul de alimentare, numit şi

transformator de tracţiune, are două secundare, conectate unul în stea şi celălalt în triunghi. Din considerente energetice, primarul este, de regulă, în conexiune triunghi (D/d/y).

Linia de înaltă tensiune (ÎT) care alimentează transformatorul de tracţiune are, uzual, tensiunea de 10kV, 20kV sau 25kV.

Linia de c.c. din care se alimentează vehiculul poate avea tensiunea nominală (UcN) de 750V (tramvai şi metrou) sau 1500V sau 3000V (tracţiune feroviară).

Tensiunea din secundarul transformatorului de tracţiune se stabileşte astfel încât

Page 4: Etapa 1 2014

4  

tensiunea medie redresată la mersul în gol (Ud0) să asigure tensiunea nominală a catenarei şi să acopere căderile de tensiune din circuitul de alimentare (ΔU),

UUU cNd 0 . (1.1) Căderea de tensiune se exprimă procentual din tensiunea nominală a catenarei,

100 cNUU%U . (1.2) şi reprezintă (4-5)%.

Astfel, tensiunea medie redresată la mersul în gol se exprimă ca: cNd UUU 10 . (1.3)

Dar, între tensiunea medie redresată la mersul în gol şi valoarea efectivă a tensiunii din secundarul transformatorului de tracţiune (Ust) există o relaţie de proporţionalitate [1],

stRd UkU 0 . (1.4) unde kR este un coeficient ce depinde de tipul redresorului, respectiv:

serieatduodecafazredresorulpentruparalelatduodecafazredresorulşipunteîntrifazatredresorulpentru

7226

35123

,,kR (1.5)

Din (1.3) şi (1.4) se obţine raportul dintre tensiunea nominală a catenarei şi valoarea de vârf a tensiunii din secundarul transformatorului de tracţiune (kp),

UkUUk RstcNp 122 .  (1.6)

Acesta expresie arată capacitatea schemei de a permite recuperarea şi compensarea armonicilor. Astfel, principial, dacă raportul este supraunitar, schema are capacitatea de recuperare şi compensare.

Particularizând (1.6) pentru cele trei variante de redresare, se obţine:

serieatduodecafazredresorulpentru

paralelatduodecafazredresorulşipunteîntrifazatredresorulpentru2

1pk (1.7)

Rezultă că, numai staţiile de tracţiune cu redresor duodecafazat serie permit recuperarea şi compensarea armonicilor prin utilizarea transformatorului de tracţiune. Este de remarcat că sunt necesare două sisteme de regenerare şi filtrare, fiecare conectat la unul din secundare. Acest aspect poate constitui un avantaj suplimentar pe lângă utilizarea transformatorului de tracţiune, şi anume reducerea la jumătate a puterii fiecărui sistem.

1.2. Structuri alternative pentru circuitul de separare între linia de c.c. şi invertor Se porneşte de la premiza că, un filtru activ de putere cu IGBT-uri, proiectat şi conectat

corespunzător, este structura de bază a sistemului de recuperare şi filtrare (Fig. 1.4). Sunt evidenţiate următoarele componente: BC – bloc de comandă aferent sistemului de recuperare şi filtrare; TIA, TIC, TICF, TIFA – traductoare de curent pentru partea de c.a., linia de c.c., curentul preluat de sistemul de recuperare şi filtrare din circuitul de c.c. al FAP şi curentul debitat de FAP; TTA, TTC, TTCF, TTFA – traductoare de tensiune pentru partea de c.a, linia de c.c., tensiunea din circuitul de c.c. al FAP şi tensiunea din circuitul de c.a. al FAP;

Conectarea cu linia de c.c. se face prin circuitul de separare CS, care trebuie să îndeplinească trei cerinţe:

1. Să realizeze un tampon energetic între linia de c.c. şi filtrul activ, care să nu permită variaţia în salt sau foarte rapidă a curentului;

2. Să asigure circulaţia curentului de recuperare, atunci când motoarele de tracţiune ale vehiculului solicită acest lucru;

3. Să asigure decuplarea filtrului activ de la linia de c.c. atunci când nu există curent de recuperare, în vederea îndeplinirii funcţiei de compensare a armonicilor şi, eventual, a puterii reactive.

Pentru îndeplinirea cerinţei 1 se propune utilizarea unei inductanţe (Ls) dimensionată corespunzător şi, eventual, divizată în două bobine pentru simetrizarea circuitului (fig. 1.5).

Pentru îndeplinirea cerinţei 2, se propun trei variante: a) asigurarea circulaţiei curentului de recuperare în mod natural, prin utilizarea unei diode

(Ds) conectată corespunzător (Fig. 1.5a); b) asigurarea circulaţiei curentului de recuperare prin comandă, prin utilizarea unui tranzistor

IGBT fără diodă antiparalel (Ts) conectat corespunzător (Fig. 1.5b); c) asigurarea circulaţiei curentului de recuperare în mod natural, dar şi alimentarea

suplimentară, prin comandă, a liniei de c.c., dacă este necesar, prin utilizarea unui tranzistor IGBT cu diodă antiparalel (T1s) (Fig. 1.5c). 

Page 5: Etapa 1 2014

5  

Fig. 1.4. Schema bloc a sistemului de regenerare şi compensare şi conectarea acestuia

Fig. 1. 5. Variante ale circuitului de separare

În varianta a), curentul de recuperare apare în mod natural atunci când tensiunea liniei de c.c. (Uc) devine mai mare decât tensiunea de pe condensatorul de compensare al filtrului activ (UcF). Procesul este facilitat de următoarele aspecte:

1. La tendinţa de trecere a motoarelor de tracţiune ale vehiculului în regim de frână cu recuperare, redresorul nu permite existenţa curentului în sens invers şi, în consecinţă, tensiunea în linia de c.c. creşte;

2. Bucla de reglare a tensiunii pe condensatorul de compensare al filtrului activ face ca tensiunea pe acesta să fie menţinută la valoarea prescrisă, cu abateri ce nu depăşesc 5% [2];

3. Atât timp cât Uc<UcF, dioda Ds este polarizată invers, linia de c.c. este practic deconectată faţă de filtrul activ care îndeplineşte funcţia de compensare, iar blocul de comandă prescrie filtrului activ curentul de compensat calculat după algoritmul adoptat;

4. Când Uc>UcF, dioda Ds este polarizată în sens direct şi permite existenţa curentului de recuperare, iar blocul de comandă prescrie filtrului activ curentul de recuperat (un curent activ în opoziţie de fază cu tensiunea din secundarul transformatorului la care filtrul este conectat).

În varianta b), fenomenele sunt similare, dar condiţia Uc>UcF nu conduce în mod natural la apariţia curentului de recuperare, fiind necesară comanda tranzistorului de separare Ts.

● 

● 

Ds

Ls/2 Ls/2

Ls/2

● 

● 

Ls/2

a)

Ls/2

Ts

Ls/2

T1s

Ds

b) c)

●  ● 

● 

● 

● 

ÎT

- +

+ VDC

- VDC

CÎT

TT

●Ccc

FAP

● 

● 

CFA

CS

●  ● 

●  ●CCF

● 

● 

● 

RT

TTA

TIA

TTC ● 

TIC ● 

● 

● 

● ●

TR

TTFA

TIFA

  BC

TTCF

TICF

SISFREG

● CFR

Page 6: Etapa 1 2014

6  

Rezultă, astfel, necesitatea de a sesiza tendinţa de apariţie a curentului de recuperare şi apoi, generarea unui semnal de comandă pentru tranzistorul de separare.

În varianta c), procesul de recuperare este identic cu cel de la varianta a). În mod evident, pe durata recuperării, tranzistorul de putere T1s este blocat, fiind polarizat invers de căderea de tensiune pe dioda antiparalel. În plus, atunci când Uc<UcF şi Uc<Ucmin (valoare impusă), prin comanda adecvată a tranzistorului, se poate injecta energie suplimentară în linia de c.c. prin intermediul filtrului activ. Această variantă nu face obiectul proiectului şi nu va fi detaliată şi analizată.

2. Modelarea structurilor alternative concepute

2.1. Modelarea liniei de tracţiune În regim de tracţiune, linia de c.c. este separată de sistemul de regenerare şi filtrare,

deoarece tensiunea prescrisă pe condensatorul de compensare al filtrului activ este mai mare decât tensiunea liniei, iar elementul de separare (dioda sau tranzistorul IGBT) este blocat. În consecinţă, în raport cu obiectivele proiectului, modelarea liniei în acest regim nu este necesară.

În regim de frână cu recuperare, tensiunea liniei creşte peste valoarea de vârf a tensiunii din secundarul (secundarele) transformatorului de tracţiune şi determină blocarea redresorului de tracţiune. Rezultă că, indiferent de modalitatea prin care energia generată de motoarele de tracţiune este transferată liniei, aceasta se comportă ca o sursă de tensiune de c.c., cu tensiune electromotoare variabilă. Ca şi parametri, aceasta este caracterizată de o rezistenţă şi o inductivitate variabile, în funcţie de distanţa vehiculului faţă de locul de amplasare a sistemului de regenerare şi filtrare. Din acest punct de vedere, rezistenţa internă şi inductivitatea liniei se vor considera constante, la valorile corespunzătoare cazului cel mai defavorabil, când vehiculul se află la distanţa maximă faţă de locul de amplasare a sistemului de regenerare şi filtrare.

2.1.1. Modelul cinematic al liniei de tracţiune în regim de regenerare Se consideră că frânarea se realizează la curent constant, astfel încât cuplul, respectiv

forţa de frânare să fie maxime. Cum masa vehiculului rămâne constantă, rezultă că acceleraţia de frânare este proporţională cu valoarea curentului continuu recuperat. Dacă IRN este valoarea nominală a curentului recuperat pentru care se obţine acceleraţia de frânare impusă la deplasarea în aliniament (afN), acceleraţia de frânare (af) se exprimă ca:

RNRfNf IIaa . (2.6) Curentul IR se poate măsura din sistem, astfel că, acceleraţia de frânare la deplasarea

în aliniament este complet determinată. Dacă vehiculul se deplasează în pantă sau în rampă, acceleraţia reală care se obţine la

frânare va fi: singIIaa RNRfNf . (2.7)

Modelul Simulink care permite determinarea mărimilor cinematice ale vehiculului (acceleraţia şi viteza) pe durata procesului de frânare este redat în fig. 2.2.

Fig. 2.2. Modelul Simulink pentru calculul mărimilor cinematice ale vehiculului în regim de generare

2.1.2. Modelul general al liniei de tracţiune În vederea obţinerii unui model care să fie utilizat atât în regim de tracţiune, cât şi în

regim de generare, se ţine seama că: 1. În regim de tracţiune, ansamblul vehicul – linie este un consumator caracterizat de o

tensiune electromotoare (Ei) corespunzătoare vitezei de funcţionare (mai mică decât tensiunea nominală - UCN), de o rezistenţă şi o inductivitate echivalente motoarelor de tracţiune şi liniei;

2. Pe durata frânării, tensiunea pe linia de tracţiune se menţine la valoarea maximă UMrec. Modelul corespunzător (fig. 2.3) evidenţiază:

- două ieşiri pentru măsurarea curentului injectat (Mas_IcR) şi tensiunii pe linie (Mas_UcR); - două ieşiri pentru măsurarea acceleraţiei de frânare şi a vitezei pe durata frânării;

Page 7: Etapa 1 2014

7  

- variabila de intrare „Regim” care este o constantă ce poate avea valorile 1 – pentru regim de tracţiune şi 2 - pentru regim de generare.

Astfel, tensiunea sursei comandate va fi, fie tensiunea electromotoare echivalentă corespunzătoare vitezei vehiculului, presupusă constantă, fie tensiunea electromotoare echivalentă corespunzătoare în regim de frână.

Fig. 2.3. Blocul şi modelul Simulink general al liniei de c.c.

2.2. Modelarea staţiei de tracţiune Modelarea staţiei de tracţiune se face pornind de la structura de redresare considerată,

utilizând blocuri din bilioteca Simulink (SymPowerSystems). S-au realizat modelele pentru: staţia de tracţiune cu redresor duodecafazat serie; staţia

de tracţiune cu redresor duodecafazat paralel; staţia de tracţiune cu redresor trifazat în punte, detaliate şi sub formă de blocuri subsistem. Se prezintă modelul detaliat al staţiei de tracţiune cu redresor duodecafazat paralel (fig. 2.6).

Se menţionează că nu este necesară conectarea celor două redresoare prin bobină de cuplare, deoarece acestea sunt necomandate [7].

Fig. 2.6. Modelul Simulink al staţiei de tracţiune cu redresor duodecafazat paralel

Modelele conţin: ‐ O sursă trifazată de tensiune care semnifică linia principală de alimentare; ‐ Trei/două blocuri de măsură pentru tensiunile şi curenţii din primarul transformatorului şi

din secundare/secundar; ‐ Transformatorul de alimentare, cu două secundare Y/y/d11, respectiv cu un secundar.

Cele opt mărimi de ieşire corespund mărimilor măsurate, iar porturile de conectare, au semnificaţiile:Ud+ şi Ud- – ieşirile redresorului; ya, yb şi yc – ieşirile secundarului cu conexiunea y; da, db şi dc – ieşirile secundarului cu conexiunea d; A_L, B_L şi C_L – intrările primarului transformatorului.

2.3. Modelarea circuitului de interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiune Aşa cum s-a precizat în Cap. 1, se vor analiza două configuraţii ale circuitului de

interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiune, respectiv cu diodă de separare şi cu tranzistor IGBT pentru separare. Cele două modele (fig. 2.10, fig. 2.11) conţin, pe lângă elementele semiconductoare de separare (diodă, respectiv IGBT), următoarele componente: bobina reală caracterizată de parametrii Rs şi Ls; condensatorul Cs; blocul de măsură a tensiunii pe condensator.

Page 8: Etapa 1 2014

8  

2.4. Modelarea filtrului activ Modelul Simulink al filtrului activ trifazat (partea de forţă) este realizat în aşa fel încât

părţile distincte ale acestuia să fie clar delimitate sub forma de blocuri funcţionale. Se disting astfel (fig. 2.12): Filtrul de interfaţă de ordinul I sau II (LCL interface filter); Invertorul trifazat cu tranzistoare bipolare cu poartă izolată şi Circuitul de preîncărcare a condensatorului de filtrare.

Se menţionează că s-au realizat mai întâi modelele detaliate ale fiecăcui bloc şi, apoi, s-

au creat blocurile subsistem.

3. Analiza structurilor alternative concepute în varianta conectării la transformatorul existent în staţie şi utilizarea capacităţii intrinseci pe care o are filtrul activ de a asigura o tensiune mărită, de valoare impusă, pe partea de c.c., prin simulare şi determinarea performanţelor

3.1. Modelul sistemului Modelul sistemului a fost realizat prin conectarea, în mod corespunzător, a blocurilor

componente care au fost modelate în capitolul precedent. Se menţionează că, din punct de vedere al tensiunii în circuitul de c.c. al SISFREG,

modelul este gândit să funcţioneze în circuit deschis, deoarece, în acestă etapă, regulatorul de tensiune nu este sintetizat. Astfel, bucla de reglare a tensiunii pe condensatorul de compensare, împreună cu acesta, este asimilată cu o sursă reală de c.c. conectată în mod adecvat.

Din punct de vedere al comenzii în curent, toate modelele sunt concepute pentru a lucra în circuit închis, deoarece funcţionarea în regim de filtrare nu este posibilă în circuit deschis. Bucla de reglare a curentului utilizează un regulator cu histerezis.

Astfel, în funcţie de regimul de funcţionare, filtrare sau regenerare, dar şi de varianta de realizare a circuitului de separare dintre filtrul activ şi linia de reacţiune, apar câteva particularităţi în structura modelului. Se va prezenta numai modelul în regim de filtrare (fig. 3.2). Pentru regimul de regenerare, principala diferenţă se referă la blocul de comandă.

Pe lângă blocurile de bază, care modelează diferitele părţi componente ale SISFREG, modelele sistemului conţin şi blocuri de calcul pentru determinarea performanţelor aferente celor două regimuri. Astfel, pentru regimul de regenerare: randamentele în secundarul transformatorului de tracţiune şi la reţea; factorul total de distorsiune armonică a curentului recuperat în secundarul transformatorului de tracţiune şi la reţea. Pentru regimul de filtrare: factorul total de distorsiune armonică a curentului la intrarea în redresor şi la ieşirea secundarului în aval de punctul de conectare a SISFREG; eficienţa filtrării definită ca raportul dintre factorii totali de distorsiune armonică în secundarul transformatorului (THDL) înainte şi după filtrare (THDY); factorul total de putere la intrarea în redresor şi la ieşirea secundarului în aval de punctul de conectare a SISFREG; raportul dintre valorile efective ale curentului în secundarul transformatorului înainte şi după filtrare.

Fig. 2.12. Modelul Simulink al filtrului activ (partea de forţă)

Fig. 2.11. Blocul subsistem şi modelul Simulink alecircuitului de interfaţă dintre filtrul activ şi linia detracţiune folosind IGBT de separare 

Fig. 2.10. Blocul subsistem şi modelul Simulink alecircuitului de interfaţă dintre filtrul activ şi linia de tracţiunefolosind diodă de separare

Page 9: Etapa 1 2014

9  

Fig.3.2. Modelul Simulink al SISFREG pentru staţii de redresare cu redresor duodecafazat serie şi funcţionare în regim de filtrare

Page 10: Etapa 1 2014

10  

3.2. Simularea în regim staţionar Se are în vedere funcţionarea SISFREG în unul din cele două regimuri posibile, filtrare

sau regenerare. Aceste regimuri corespund funcţionării vehiculului în regim de tracţiune şi în regim de frânare recuperativă şi, aşa cum s-a arătat, nu pot fi simultane. Nu se analizează trecerea dinamică dintr-un regim în celălalt, deoarece aceasta presupune existenţa sistemului de comandă în circuit închis şi face obiectul etapei următoare.

Datele numerice avute în vedere se referă la o linie de tracţiune în c.c. având următoarele date principale: tensiunea nominală a liniei UN=1500V; transformatorul de tracţiune D/y/d 3,2 MVA, 33KV/0,6/0,6KV; puterea nominală de recuperare Pc=2,2MW.

3.2.1. Simularea în regim de regenerare S-a ţinut seama că această schemă de redresare implică utilizarea a două sisteme de

filtrare şi regenerare, câte unul pentru fiecare secundar. În consecinţă, curentul prescris asigură recuperarea unei puteri de cca. 1,2MW, corespunzătoare a jumătate din puterea nominală. Se precizează că s-a considerat conectarea SISFREG la secundarul stea, iar tensiunea pe linia de tracţiune a fost limitată la 1900V.

Principalele rezultate obţinute sunt prezentate sub formă grafică (curentul şi tensiunea pe o fază, în secundarul transformatorului de tracţiune şi la reţea, fig. 3.3 şi 3.4) şi sub formă numerică (performanţele obţinute, Tab. 3.1).

 Tabelul 3.1. Principalele performanţe ale SISFREG în regim de regenerare

Pc[MW] Py[MW] Pr[MW] ηy[%] ηr[%] THDy[%] THDr[%] Icrec[A] Iy[A] Ucc[V] 1,268 1,242 1,21 97,95 95,42 0,903 0,9266 685 1195 1852

3.2.2. Simularea în regim de filtrare şi evidenţierea performanţelor Ca şi în cazul precedent, principalele rezultate obţinute sunt prezentate sub formă

grafică (curentul şi tensiunea pe o fază, în secundarul transformatorului de tracţiune, curentul şi fundamentala tensiunii pe o fază a secundarului transformatorului de tracţiune, curentul absorbit de redresor şi curentul prescris şi real al filtrului, fig. 3.5, 3.6 şi 3.7) şi sub formă numerică (performanţele obţinute, Tab. 3.2).

Fig. 3.5 Fundamentala tensiunii şi curentul în secundarul transformatorului, în regim de filtrare

Fig. 3.6 Tensiunea şi curentul în secundarul transformatorului, în regim de filtrare 

Fig. 3.3 Tensiunea şi curentul în secundarul transformatorului de tracţiune, în regim de regenerare 

Fig. 3.4 Tensiunea şi curentul la reţea, în regim deregenerare

Page 11: Etapa 1 2014

11  

Fig. 3.7 Curentul absorbit de redresor (albastru), curentul de filtrare prescris (roşu) şi

curentul real al filtrului (negru), în regim de filtrare

Tabelul 3.2. Principalele performanţe ale SISFREG în regim de filtrare

PL[MW] Py[MW] SL[MVA] Sy[MVA] Iy/IL THDy[%] THDL[%] PFy[%] PFL[%] EF 1,605 1,614 1,676 1,617 0,964 2,44 30,01 99,8 95,73 12,3

3.2.3. Performanţele variantei cu circuit de separare cu IGBT Circuitul de separare intervine numai în regimul de regenerare, când este parcurs de

curentul unidirecţional datorat frânării cu recuperare. Formele de undă sunt practic identice cu cele de la varianta cu diodă de separare, iar performanţele sunt prezentate comparativ (Tab. 3.4).

Tabelul 3.4. Principalele performanţe ale SISFREG, în regim de regenerare, pentru cele două variante

Pc[MW] Py[MW] Pr[MW] ηy[%] ηr[%] THDy[%] THDr[%] Icrec[A] Iy[A] Ucc[V] Diodă 1,268 1,242 1,21 97,95 95,42 0,903 0,9266 685 1195 1852 IGBT 1,27 1,242 1,21 97,83 95,31 0,882 0,905 685,7 1195 1852

3.3. Analiza comparativă a performanţelor În urma simulării pentru mai multe încărcări posibile, s-a constatat că aspectele

calitative între cele două variante ale circuitului de separare (cu diodă şi cu tranzistor IGBT) nu depind de puterea recuperată. În consecinţă, în analiza comparativă a rezultatelor, ne vom referi la încărcarea apropiată de sarcina nominală, ale cărei rezultate au fost prezentate în §3.2.

Analiza comparativă a performanţelor în regim de regenerare 1. Formele de undă, atât în secundarul transformatorului de tracţiune, cât şi în primarul

acestuia, sunt, practic, identice şi relevă performanţe foarte bune, deoarece, atât tensiunile cât şi curenţii sunt sinusoidali, iar curenţii sunt în opoziţie de fază cu tensiunile omoloage.

2. Din punct de vedere cantitativ, există foarte mici diferenţe datorate faptului că, în conducţie, căderea de tensiune a IGBT-ului este mai mare comparativ cu cea a diodei (3,1 V faţă de 1,25 V pentru elementele considerate) (Tab. 3.4).

3. Diferenţele se referă la randamente care sunt cu cca. 0,11% mai mari în cazul variantei cu diodă şi la factorii totali de distorsiune armonică a curenţilor, care sunt cu cca. 0,02 mai mici în cazul variantei cu IGBT.

4. În regim de filtrare, performanţele sunt identice, deoarece circuitul de separare nu este parcurs de curent.

Concluzii 1. Din punct de vedere al performanţelor energetice, nu se identifică o variantă “mai

avantajoasă”. 2. Din punct de vedere al preţului, varianta cu diodă este mai avantajoasă. 3. Din punctul de vedere al realizării funcţiei de separare, varianta cu IGBT prezintă imunitate

mai bună la supratensiunile provenite din linia de tracţiune. Această concluzie are în vedere că, atunci când SISFREG funcţionează în regim de filtrare, dacă în linia de tracţiune apare o supratensiune ce depăşeşte tensiune pe condensatorul de compensare, dioda intră în conducţie şi nu mai realizează funcţia de separare, afectând performanţele de filtrare.

0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2

-2000

-1000

0

1000

2000iL

iF,iF*

Page 12: Etapa 1 2014

12  

4. Deoarece, în această etapă, nu se identifică argumente clare în favoarea uneia dintre cele două variante, decizia finală se va lua numai după punerea la punct a strategiei de comandă şi analiza funcţionării în circuit închis.

4. Modelarea şi analiza prin simulare a variantei care utilizează transformator de adaptare şi determinarea performanţelor

4.1. Modelul sistemului S-au avut în vedere staţiile de tracţiune în c.c. care utilizează redresor duodecafazat

paralel sau redresor trifazat în punte. Este cazul staţiilor din tracţiunea feroviară şi a staţiilor ce alimentează linii de tracţiune urbană (spre exemplu, metroul din Bucureşti). Modelele sistemelor de filtrare şi regenerare, ce pot fi ataşate staţiilor de tracţiune precizate, au fost realizate prin conectarea, în mod corespunzător, a blocurilor componente care au fost modelate în capitolul 2. Se va prezenta modelul SISFREG dedicat staţiilor de tracţiune cu redresoare duodecafazate paralel, pentru regim de filtrare (fig. 4.2). Principala diferenţă faţă de modelul din fig. 3.2 constă în prezenţa blocului corespunzător transformatorului de recuperare, presupus în conexiune Y/y şi înlocuirea blocului staţiei de redresare cu cel corespuzător variantei analizate.

Modelul SISFREG dedicat staţiilor de tracţiune cu redresor trifazat în punte prezintă particularităţi referitoare la valorile numerice. Astfel, spre exemplu, avându-se în vedere metroul Bucureşti, tensiunea nominală a liniei este 750V, tensiunea reţelei de alimentare a staţiei este 20KV, iar acceleraţia de frânare este 1,1ms-2.

4.2. Simularea în regim staţionar a SISFREG pentru staţii cu redresor duodecafazat paralel

Datele numerice considerate corespund unei linii de tracţiune în c.c. având următoarele date principale: tensiunea nominală a liniei UN=1500V; transformatorul de tracţiune D/y/d 3,2 MVA, 33KV/1,2/1,2KV; puterea nominală de recuperare Pc=2,2MW.

Transformatorul de recuperare este conectat cu bornele primare la filtrul de interfaţă al filtrului activ, iar secundarul este conectat în acelaşi punct cu transformatorul de tracţiune. Datele sale principale sunt: Y/y 2,2 MVA, 830V/3,3KV.

4.2.1. Simularea în regim de regenerare Schema implică utilizarea unui singur sistem de filtrare şi regenerare şi, de aceea,

curentul prescris asigură recuperarea unei puteri de valoare nominală. Se precizează că tensiunea pe linia de tracţiune a fost limitată la 1900V.

Principalele rezultate obţinute sunt prezentate sub formă grafică (curentul pe o fază recuperat în reţea şi tensiunea la reţea (fig. 4.3) şi sub formă numerică (performanţele obţinute, Tab. 4.1). Performanţele evidenţiate se referă la randamentul în primarul transformatorului de recuperare (ηr) şi factorul total de distorsiune armonică a curentului recuperat în primarul transformatorului de recuperare (THDr).

Tabelul 4.1. Principalele performanţe ale SISFREG în regim de regenerare

Pc[MW] Pr[MW] ηr[%] THDr[%] Icrec[A] Ir[A] Ucc[V] 2,242 2,14 95,46 0,94 1286 37,73 1743

4.2.2. Simularea în regim de filtrare şi evidenţierea performanţelor Principalele rezultate obţinute sunt prezentate sub formă grafică (curentul şi tensiunea

pe o fază, în primarul transformatorului de recuperare, curentul absorbit de redresor şi curentul prescris şi real al filtrului, fig. 4.4, şi 4.5) şi sub formă numerică (performanţele obţinute, Tab. 4.2).

Mărimile care arată cantitativ performanţele funcţionării în acest regim sunt: factorul total de distorsiune armonică a curentului datorat redresorului (THDL) şi la reţea (THDr); eficienţa filtrării (EF); factorul total de putere în aval de punctul de conectare a SISFREG (PFL) şi la reţea (PFr); raportul dintre valorile efective ale curentului la reţea, înainte şi după filtrare.

Tabelul 4.2. Principalele performanţe ale SISFREG în regim de filtrare

PL[MW] Pr[MW] SL[MVA] Sr[MVA] Ir/IL THDL[%] THDr[%] PFr[%] PFL[%] EF 2,111 2,142 2,127 2,143 1,007 11,84 2,2 99,98 99,24 5,4

Page 13: Etapa 1 2014

13  

Fig. 4.2. Modelul Simulink al SISFREG conectat prin transformator dedicat şi funcţionare în regim de filtrare

Page 14: Etapa 1 2014

14  

Fig. 4.3 Tensiunea şi curentul în primarul transformatorului de recuperare, în regim de regenerare

5. Fundamentarea metodologiei de calcul a curenţilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q şi elaborarea unui algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului

5.1. Fundamentarea metodologiei de calcul a curenţilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q

S-a pornit de la principiile de bază ale teoriei p-q [9]-[16], fundamentându-se metodologia de calcul a curenţilor de referinţă pentru tensiune sinusoidală şi deformată şi având ca obiectiv al filtrării compensarea totală în două variante: factor de putere unitar (UPF) sau distorsiune zero a curentului (ZTHD).

Calculul direct al curentului de compensat ( refFi )

În cazul filtrării active paralel, tensiunile filtrului activ şi sarcinii sunt comune, astfel că, curentul de compensare rezultă din expresia puterii aparente complexe, respectiv:

*refF

refF suui

2

3

2. (5.17)

Rezultă că este necesară exprimarea puterii aparente complexe de compensat refFs pe

baza componentelor acesteia la bornele sarcinii ( refF

p şi refF

q ),

~refF pp , qq ref

F , (5.20) în care p~ este componenta alternativă a părţii reale a puterii aparente complexe la bornele sarcinii,

Ppp~ . (5.21) Puterea activă P, care este componenta continuă a puterii p, este calculată ca valoarea

medie a acesteia, respectiv:

dpT

Pt

Tt

1   (5.22) 

Din punctul de vedere al volumului de calcul, aspect foarte important în implementarea algoritmului de conducere pe sistemul dSPACE, este avantajos calculul curentului de

Fig. 4.4 Tensiunea şi curentul la reţea, în regim de filtrare 

Fig. 4.5 Curentul absorbit de redresor (albastru), curentul de filtrare prescris (roşu) şi curentul real al filtrului (negru), în regim de filtrare 

4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 4.85 4.9 4.95 5

x 104

-150

-100

-50

0

50

100

150

ur/200

ir

Page 15: Etapa 1 2014

15  

compensat prin impunerea curentului absorbit din reţea după compensare. În  acest  caz,  se calculează mai  întâi  curentul  care  se  doreşte  a  fi  absorbit  din  rețea  după  compensare  ref

si , apoi, folosind valoarea măsurată a curentului de sarcină  iL, rezultă curentul de compensat al filtrului, prin expresia 

Lrefs

refF iii .   (5.28) 

Pe acestă bază, s-au identificat relaţiile de calcul a curentului de referinţă pentru patru cazuri.

1. Tensiune sinusoidală, *ref

srefs s

u

ui

23

2 ,   (5.23)

2. Tensiune nesinusoidală şi obiectiv UPF,

uduT

PuGit

Tte

refs

21

3

2 ,   (5.33) 

3. Tensiune nesinusoidală şi obiectiv ZTHD, prin filtrarea tensiunii nesinusoidale. Se utilizează relaţia (5.23), dar în locul fazorului tensiunii apare fazorul fundamentalei acesteia, care se obţine simplu din sistemul de coordonate ortogonal (d, q) rotitor şi sincron cu fazorul reprezentativ al tensiunilor.

4. Tensiune nesinusoidală şi obiectiv ZTHD, prin sintetizarea curentului sinusoidal de referinţă,

11

2

11 11

3

21

11

3

2u

t

Ttu

t

Tt

t

Tte

refs du

TPdu

Tdu

TPuGi

.  (5.55)

5.2. Elaborarea unui algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului

Algoritmul de generare este prezentat, pentru fiecare strategie descrisă anterior, sub forma unor scheme bloc specifice, în care sunt indicate şi expresiile de calcul asociate, din § 5.1., respectiv:

1. În condiţii de tensiune sinusoidală, pe baza puterilor de referinţă. 2. În condiţii de tensiune sinusoidală, pe baza curentului de referinţă la reţea. 3. În condiţii de tensiune nesinusoidală, pentru strategia UPF. 4. Pentru strategia ZTHD, prin filtrarea tensiunii nesinusoidale (fig. 5.8). 5. Pentru strategia ZTHD, prin sintetizarea curentului sinusoidal de referinţă.

Se exemplifică cu algoritmul de generare a curentului necesar pentru comanda tranzistoarelor invertorului, pentru strategia ZTHD, prin filtrarea tensiunii nesinusoidale (fig. 5.8).

Transf.  (a, b, c) (α‐β) 

Expr. (5.4) 

iLa 

iLb 

iLc 

ua 

ub 

uc 

iL 

iL 

  

Calculul puterii p 

 Expr. (5.9)  

Calculul puterii active Expr. (5.22)  

p

   

Calculul curentului de referință 

refsi   

Expr. (5.25)

Transf.  (α‐β)   (a, b, c)  

Expr. (5.26) 

P

+

‐Transf.  (a, b, c) (α‐β) 

Expr. (5.3) 

+

Transf. (α‐β)  (d‐q) Expr. (5.38) 

Filtru Trece Jos 

ud 

uq 

Transf. (d‐q)  (α‐β) Expr. (5.39) 

u1

u1

Fig. 5.8. Schema bloc de principiu pentru generarea curenţilor de referinţă necesari comenzii tranzistoarelor, prin strategia ZTHD cu filtrarea tensiunii, în cazul tensiunii nesinusoidale

refFai

refFbirefFci

refsi

refsi

refFi

refFi

T1 

T2 

C1p 

C2 

T4  T5 C9 

C4 

T3 

Page 16: Etapa 1 2014

16  

6. Modelarea, simularea şi validarea metodologiei de calcul al curenţilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q

Metodologia de calcul al curenţilor de referinţă fundamentată şi prezentată în § 5 a fost modelată în mediul Matlab-Simulink în scopul validării acesteia în urma simulării funcţionării sistemului. Modelele Simulink create pentru cele cinci variante de generare a curenţilor de

referinţă ai filtrului ( refFai , ref

Fbi şi refFci ) pe baza tensiunilor şi curenţilor de sarcină au fost incluse

intr-o bibliotecă dedicată (Fig. 6.1), în vederea utilizării ei la implementarea pe sistemul DSP.

 Modelele Simulink globale pe care s-a făcut simularea funcţionării sistemului conţin

modelul staţiei de tracţiune, modelul liniei de tracţiune în c.c şi modelul de generare a curentului de referinţă al filtrului, în variantele asociate condiţiilor de funcţionare referitoare la tensiune. Se exemplifică cu rezultatele parţiale obţinute pentru sistemul de generare a curentului de referinţă în cazul conectării filtrului activ în primarul staţiei de tracţiune cu redresor duodecafazat paralel (fig. 6.10), în primarul staţiei de tracţiune cu redresor trifazat în punte(fig. 6.13) şi în secundarul staţiei de tracţiune cu redresor trifazat în punte(fig. 6.16 şi 6.18).

isa_ref ua   iLa  iFa_ref

Fig. 6.10. Tensiunea de alimentare, curentul de sarcină,curentul de referinţă al filtrului şi curentul dupăcompensare la conectarea filtrului în primarultransformatorului staţiei de tracţiune cu redresordeodecafazat paralel.

isa_refua  iLa  iFa_ref

Fig. 6.13. Tensiunea de alimentare, curentul de sarcină, curentul de referinţă al filtrului şi curentul după compensare la conectarea filtrului în primarul transformatorului staţiei de tracţiune cu trifazat în punte.

u a 

u a 

u a 

isa_ref ua   iLa  iFa_ref

Fig. 6.16. Tensiunea şi curentul de sarcină, curentul dereferinţă al filtrului şi curentul după compensare prinstrategia UPF, la conectarea filtrului în secundarultransformatorului staţiei de tracţiune cu trifazat în punte.

u a 

isa_refua iLa  iFa_ref  

Fig. 6.18. Tensiunea şi curentul de sarcină, curentul de referinţă al filtrului şi curentul după compensare prin strategia ZTHD, la conectarea filtrului în secundarul transformatorului staţiei de tracţiune cu trifazat în punte.

Fig. 6.1. Biblioteca Simulink pentru generarea curenţilor de referinţă ai filtrului

Page 17: Etapa 1 2014

17  

6.2. Validarea metodologiei de calcul   În toate cazurile analizate, se constată că, prin compensare, se obţine un curent la reţea corespunzător obiectivului stabilit. Astfel:

‐ Pentru tensiune sinusoidală, curentul obţinut este sinusoidal şi în fază cu tensiunea omoloagă (fig. 6.10 şi fig. 6.13);

‐ Pentru tensiune nesinusoidală şi strategia UPF, curentul după compensare păstrează forma de undă şi trecerile prin zero ale tensiunii omoloage (fig. 6.16);

‐ Pentru tensiune nesinusoidală şi strategia ZTHD, compensarea conduce la un curent sinusoidal în fază cu fundamentala tensiunii omoloage (fig. 6.18).

În concluzie, rezultatele obţinute pe bază de model validează metodologia de calcul, care, împreună cu modelele realizate, au fost utilizate la determinarea performanţelor SISFREG (§3 şi §4).

7. Identificarea structurii necesare implementării strategiei de comandă

7.1. Stabilirea schemei de reglare Schema de reglare a tensiunii pe condensatorul de compensare şi a curentului

compensat, avută în vedere, este una în cascadă, în care ieşirea regulatorului de tensiune constituie o parte a curentului de referinţă al regulatorului de curent [5], [6], [16] (fig. 7.1).

 Mărimile necesare să fie măsurate din sistem, prin traductoare, sunt curentul sarcinii

(iL), curentul filtrului (iF), tensiunea de alimentare (u) şi tensiunea pe condensator (uDC). De precizat este că, sistemul trifazat fiind fără fir de nul, este suficientă măsurarea, în fiecare locaţie, doar a doi curenţi/tensiuni de linie.

Regulatorul de tensiune, care furnizează amplitudinea curentului activ de referinţă refFui

necesar pentru acoperirea pierderilor prin menţinerea constantă a tensiunii prescrise pe condensator, iar în regim de regenerare furnizează amplitudinea curentului ce se recuperează, este, uzual, de tip PI.

Sistemul de semnale sinusoidale 1u1, de amplitudine unitară şi în fază cu cel al fundamentelor tensiunii de fază, aşa-numitul “şablon de tensiune”, este furnizat de un circuit specific PLL [16], [20] (§ 5, § 6).

Astfel, curentului de compensat rezultat din implementarea strategiei de compensare

adoptate ( refFi ) i se adaugă componenta suplimentară ref

Fui obţinută prin înmulţirea semnalului 1u1 cu ieşirea regulatorului de tensiune.

Obţinerea semnalelor de comandă pentru tranzistoarele invertorului, astfel încât să se obţină curentul dorit, se realizează în două etape [16], [22], [25]-[33]. Prima etapă presupune existenţa unui regulator de curent, care, prelucrează eroarea de curent şi furnizează un semnal ce conţine informaţia referitoare la comanda tranzistoarelor. În a doua etapă, semnalul furnizat de regulatorul de curent este prelucrat şi transformat în semnale concrete, corespunzătoare fiecăruia din tranzistoarele invertorului. Blocul ce realizează această funcţie este numit, în general, modulator.

 

iL

iF 

Comandă IGBT‐uri

is  PCC u  Stație de tracțiune 

Generare şablon 1u1   x 

­ Regulator de tensiune

uDC 

Traductor de tensiune 

Generare curent de referință 

Traductor de curent 

Traductor de curent 

Filtru de interfață  

Regulator de curent 

+ + 

­ 

refFui

refFi ref

Fti

Fi

refDCu

Traductor de tensiune

Fig. 7.1. Schema de principiu monofilară a sistemului de control

1u1  iRu

Page 18: Etapa 1 2014

18  

7.2. Schema structurală şi funcţiile de transfer Schema structurală a sistemului de filtrare pune în evidenţă buclele de reglare ale

sistemului de control, în care bucla de curent este în interiorul celei de tensiune (fig. 7.2). Funcţiile de transfer care intervin sunt asociate diferitelor părţi componente ale sistemului de filtrare activă, respectiv:

 - GFi(s) – prima funcţie de transfer parţială a filtrului activ, ce are ca intrare tensiunea de

comandă a invertorului şi ca ieşire curentul la ieşirea acestuia,

sLU

UsUsI

sGmaxp

DC

Ri

FFi

2

; (7.17)

- GFu(s) – a doua funcţie de transfer parţială a filtrului activ, ce are ca intrare curentul pe partea de c.a. a invertorului şi ca ieşire tensiunea pe condensatorul de pe partea de c.c.,

- sKsCU

U)s(I)s(U

sGFDCF

DCFu

2

13; (7.26)

- GRu(s) - funcţia de transfer a regulatorului de tensiune s

sT

KsGu

u

IuPuRu

111

1 ;

- GRi(s) - funcţia de transfer a regulatorului de curent;

- GTi(s) - funcţia de transfer a traductoarelor de curent sT

KsG

Ti

TiTi

1

;

- GTu(s) - funcţia de transfer a traductorului de tensiune. Se precizează că, în bucla de reglare a curentului, funcţia de transfer GFi(s) corespunde

părţii fixe.

8. Sinteza rezultatelor obţinute şi identificarea rezultatelor brevetabile

Cercetarea efectuată a condus la configurarea unui sistem complex destinat să materializeze noul concept de "staţie activă" şi care are trei funcţii principale: a) Recuperarea energiei electrice rezultate în procesul de frânare a trenurilor, prin regenerarea ei în linia de alimentare a staţiilor de tracţiune sub forma unui curent sinusoidal activ; b) Filtrarea curentului în linia de alimentare a staţiilor de tracţiune astfel încât acesta să se încadreze în normele actuale de poluare armonică; c) Compensarea energiei reactive în linia de alimentare a staţiilor de tracţiune.

Configuraţia găsită a fost analizată pe bază de model şi validată prin performanţele determinate. Acestea sunt foarte bune şi se situează la nivelul superior al obiectivelor propuse (Factorul de putere este practic unitar iar distorsiunea curentului este, adesea, la nivelul de 1%). Rezultatele obținute în Etapa 1 sunt sintetizate în Tab. 8.1. 

 Tabelul 8.1 Sinteza rezultatelor obţinute

Nr. Crt.

Rezultatul Prevăzut (P)/

suplimentar (S) Modul de diseminare

1 Structură inovativă pentru circuitul de separare între linia de c.c. si invertor P Propunere invenţie**

2 Modelele Simulink ale structurii inovative P Lucrare ştiinţifică** 3 Performanţele determinate pe baza de model P Lucrare ştiinţifică**

4 Modelul Simulink al structurii care utilizează transformator de adaptare si performanţele determinate

P Lucrare ştiinţifică**

GFi (s)GRi (s)GRu (s)+ 

‐  +‐

+GFu (s) 

GTi (s) 

GTu (s)

Fig. 7.2. Schema operaţională a sistemului de reglare automată

sUrefDC

sIrefF

sIF sUDC sURi

Page 19: Etapa 1 2014

19  

5 Metodă de calcul al curentilor/puterilor de referinţă pe baza teoriei p-q

P Propunere invenţie**

6 Algoritm performant de comandă a tranzistoarelor invertorului

P Lucrare ştiinţifică*

7 Modelul Simulink al algoritmului performant de comandă P Lucrare ştiinţifică*

8 Biblioteca Simulink pentru generarea curenţilor de referinţă

S Lucrare ştiinţifică**

*) Diseminare realizată; **) Diseminarea se va realiza în anul 2015.

În configurarea sistemului performant, au fost identificate elemente inovative şi de

originalitate cu potenţial de brevetare. Apreciem că se poate solicita brevetarea a două rezultate: calculul curentului de referinţă pe baza teoriei p-q sub tensiune nesinusoidală şi circuit de separare între linia de c.c. şi invertor care asigură utilizarea unui filtru activ paralel, intrinsec, pentru generarea unui curent sinusoidal în linia de tracţiune, prin utilizarea energiei de frânare a vehiculului. Titlurile ce vor figura în cererile de invenţie pot fi: Metodă pentru comanda filtrelor active paralel, sub tensiune nesinusoidală şi Sistem multifuncţional de filtrare şi regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c.

Având în vedere structura şi conţinutul Raportului ştiinţific rezultă că: 1. Cele două obiective ale etapei (Stabilirea unei structuri inovative de forţă şi determinarea

performanţelor şi Fundamentarea strategiei de comandă a sistemului de filtrare si regenerare pentru staţii active de tracţiune în c.c.) au fost, pe deplin, realizate;

2. Toate rezultatele preconizate au fost obţinute şi, de asemenea, unul suplimentar; dintre acestea, trei au fost diseminate în două lucrări ştiinţifice, iar celelalte vor fi diseminate în anul 2015.

Bibliografie

[1] A. Bitoleanu, S. Ivanov, Mihaela Popescu, Convertoare statice, Editura INFOMED Craiova, 1997. [2] A. Bitoleanu, Mihaela Popescu, Filtre active de putere, Ed. Universitaria Craiova, 2010. [3] J.M. Ortega, “Ingeber System for Kinetic Energy Recovery & Metro Bilbao Experience,“ Rail

Technological Forum for Internationalization, June 2011, Madrid. [4] J.M. Ortega, H. Ibaiondo, A. Romo, Kinetic Energy Recovery on Railway Systems with Feedback

to The Grid, World Congress on Railway Research, 22-26 May, 2011, Lille, France. [5] Mihaela Popescu, M. Dobriceanu, G. Oprea, “Improving Compensation Performance in Three-

Phase Active Power Line Conditioners by DC-Voltage Control,” Analele Universităţii “Eftimie Murgu” Reşiţa, Fascicula de Inginerie, Anul XXI, Nr. 3, pp. 167-176, 2014.

[6] A. Bitoleanu, Mihaela Popescu, V. Suru, “High Performance Shunt Active Power Filter: Design Consideration and Experimental Evaluation, ” Analele Universităţii “Eftimie Murgu” Reşiţa, Fascicula de Inginerie, Anul XXI, Nr. 3, pp. 153-165, 2014.

[7] A. Bitoleanu, D. Mihai, Mihaela Popescu, C. Constantinescu, Convertoare statice şi structuri de comandă performante, Editura SITECH Craiova, 2000.

[8] Mihaela Popescu, A. Bitoleanu, M. Dobriceanu, “On the AC-Side Interface Filter in Three-Phase Shunt Active Power Filter Systems,” World Academy of Science, Engineering and Technology Journal, Issue 70, October 2010, pp.988-993.

[9] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase Circuits,” Int. Power Electronics Conf., Tokyo, Japan, pp. 1375-1386, 1983.

[10] H. Akagi, Y. Kanazawa, and A. Nabae, “Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components,” IEEE Trans. Ind. Appl., no. 3, pp. 625-630, 1984.

[11] J.L. Willems, “A new interpretation of the Akagi–Nabae power components for nonsinusoidal three-phase situations,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 41, no. 4, pp. 523–527, Aug. 1992.

[12] H.S. Kim and H. Akagi, “The instantaneous power theory on the rotating reference frames,” in Proc. IEEE/PEDS, pp. 422–427, July 1999.

[13] H. Kim, F. Blaabjerg , B. Bak-Jensen, and J. Choi,” Instantaneous power compensation in three-phase systems by using p-q-r theory,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 17, no. 5, pp. 701-710, Sept. 2002.

[14] A. Ferrero and G. Superti-Furga, “A New Approach to the Definition of Power Components in Three-Phase Systems under Nonsinusoidal Conditions,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 40, pp. 568-577, June 1991.

Page 20: Etapa 1 2014

20  

[15] A. Ferrero, A. P. Morando, R. Ottoboni, and G. Superti-Furga, “On the Meaning of the Park Power Components in Three-Phase Systems under Non-Sinusoidal Conditions,” ETEP, vol. 3, pp. 33-43, Jan. 1993.

[16] Mihaela Popescu, A. Bitoleanu, and V. Suru, “A DSP-Based Implementation of the p-q Theory in Active Power Filtering Under Nonideal Voltage Conditions,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 9 , Issue 2, pp. 880-889, May 2013.

[17] V. Soares, P. Verdelho, and G. D.Marques, “An instantaneous active and reactive current component method for active filters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 15, no. 4, pp. 660-669, 2000.

[18] M. Kale and E. Ozdemir, “Harmonic and reactive power compensation with shunt active power filter under non-ideal mains voltage”, Electric Power Systems Research, vol. 74, no. 3, pp. 363-370, 2005.

[19] IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Std. 519-1992.

[20] H. Akagi, H. Watanabe, and M. Aredes, Instantaneous power theory and applications to power conditioning, Wiley-IEEE Press, 2007, pp. 139-145.

[21] L. Marconi, F. Ronchi, and A. Tilli, “Robust nonlinear control of shunt active filters for harmonic current compensation,” Automatica, vol. 43, no. 2, pp. 252-263, Feb. 2007.

[22] V. Parimala, D. Ganeshkumar, A. Benazir Hajira, “Harmonic reduction using shunt active power filter with PI controller”, International Journal of Scientific Engineering and Research, Vol. 2, Issue 4, pp. 85- 90, April 2014.

[23] F. Mekri, B. Mazari, and M. Machmoum, “Control and optimization of shunt active power filter parameters by fuzzy logic,” IEEE Electrical and computer Engineering, Vol. 31, No. 3, pp. 127-134, Jan. 2006.

[24] S. Mikkili, A. K. Panda, “Real-time implementation of PI and fuzzy logic controllers based shunt active filter control strategies for power quality improvement,” International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol. 43, No. 1, pp. 1114-1126, 2012.

[25] S. George and V. Agarwal, “Optimum control of selective and total harmonic distortion in current and voltage under nonsinusoidal conditions,” IEEE Trans. Power Del., vol. 23, no. 2, pp. 937–944, Apr. 2008.

[26] P. Salmeron and S. P. Litran, “A control strategy for hybrid power filter to compensate four-wires three-phase systems,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 25, No. 7, pp. 1923–1931, July 2010.

[27] S. Rahmani, K. Al-Haddad and H.Y. Kanaan, “Two PWM techniques for single-phase shunt active power filters employing a direct current control strategy,” IET Power Electronics, Vol. 1, Issue 3, pp. 376- 385, 2008.

[28] H. Fujita, “A single-phase active filter using an Hbridge PWM converter with a sampling frequency quadruple of the switching frequency,” IEEE Trans. Power Electronics, ,No 24, pp. 934-941, 2009

[29] N. Gupta, S. P. Singh, S. P. Dubey, “DSP based adaptive hysteresis-band current controlled active filter for power quality conditioning under non-sinusoidal supply voltages,“ International Journal of Engineering, Science and Technology, Vol. 3, No. 4, pp. 236-252, 2011.

[30] Y. Qu, W. Tan, Y. Yang, “A fuzzy adaptive detecting approach of harmonic currents for active power filter,” Power Electronics and Drive Systems, 7th International Conference, pp. 1695-1699, 2007.

[31] S. Saad and L. Zellouma, “Fuzzy logic controller for three-level shunt active filter compensating harmonics and reactive power,” Electric Power Systems Research, vol. 79, pp. 1337–1341, 2009.

[32] H. Zhang, A.M.Massoud, S.J. Finney, B.W.Williams, and J.E. Fletcher, “Operation of an active power filter with line voltage SVM under non-ideal conditions,” Compatibility in Power Electronics, pp. 1-7, 2007.

[33] J. Matas, L.G. Vicuna, J. Miret, J.M. Guerrero, M. Castilla, “Feedback linearization of a single phase active power filter via sliding mode control,” Power Electronics, IEEE Transactions, Vol. 23: 116- 125, 2008.