Paralelní vícehladinový aktivní filtr a jeho řízení

Ing. Zdeněk KEHL

Disertační práce

Anotace:

Tato práce se zabývá návrhem třífázového aktivního filtru založeného na víceúrovňové topologii kaskádně spojených měničů, včetně nových algoritmů řízení, které jsou navrženy tak, aby byla zajištěna jeho snadná škálovatelnosti dle jmenovitého napětí sítě s ohledem na blokovací napětí výkonových polovodičových součástek měniče. V první části práce je provedena podrobná analýza současného stavu poznání. Zde jsou popsány nejčastější varianty systémů, které slouží k udržení stanovené kvality elektrické energie v distribučních sítích (tzv. FACTS). Dále je provedena analýza v současnosti nejčastěji používaných víceúrovňových topologií výkonových měničů a způsobů jejich řízení. Na základě této analýzy byla identifikována vhodná topologie řešení výkonového obvodu filtru a navrženy algoritmy jeho řízení. Navržené řízení vychází z množiny prediktivního řízení s konečným počtem zásahů (FCS-MPC). Pro řízení finální varianty aktivního filtru s devíti-úrovňovými kaskádně řazenými H-můstky byly navrženy dva způsoby řízení pracujících ve dvou úrovních. První úroveň se zabývá analýzou okamžitého stavu sítě. Výstupem první úrovně řízení jsou požadované kompenzační proudy, které musejí být generovány aktivním filtrem do sítě. Druhou úrovní je řízení jednotlivých měničů aktivního filtru. To je realizováno dvěma způsoby, prvním z nich je využití konvenčního FCS-MPC s kompletní množinou akčních zásahů, druhá varianta řízení využívá navrženého dvoukrokového FCS-MPC, který významným způsobem redukuje výpočetní náročnost prediktivního algoritmu. Práce dále obsahuje návrh výkonového obvodu aktivního filtru, který je sestaven z vyvinutých univerzálních modulárních měničů SHRack. Navržené algoritmy byly otestovány jak pomocí simulačního modelu, tak pomocí experimentů vybraných stavů na laboratorním prototypu aktivního filtru.

Abstract:

This doctoral thesis deals with the design of an active power filter. The design is intended for a wide range of applications, either in terms of the purpose of use or in terms of the voltage level where the active filter will be connected. The first part of this thesis provides a detailed state of the art related to the problematics of power grid compensation. Individual variants of FACTS systems are described here. These systems serve to maintain the quality of electrical energy in the power grids within specified limits. Furthermore, this part describes multilevel topologies of power converters and variants of their control. The second part of this work is devoted to the design of the active filter itself. The design of the active filter structure and the design of a universal modular multilevel converter are described. The designed modular converters serve as the HW basis for building laboratory prototype. Furthermore, the design of the control strategy of the proposed active filter is described here. The active filter control strategy has to both the calculation of reference compensation currents, which must be generated by the active filter into the power grid, as well as the control of the power converters themselves. The PQ theory is used for the analysis of the power grid. This technique calculates required compensation currents from the measured power grid quantities. Individual 9L-CHB converters are controlled by predictive control FCS-MPC. From the point of view of the control of the active filter, two control variants are derived in this work: conventional full-state FCS-MPC and two-step FCS-MPC. The proposed algorithms are verified by a detailed simulation study in this thesis. The Two-step FCS-MPC active filter control is also verified by experiments on the created laboratory prototype.

Klíčová slova

Aktivní filtr, systémy FACTS, víceúrovňové polovodičové měniče, kaskádní spojení H-můstků, prediktivní řízení, kompenzace, jalový výkon, vyšší harmonické složky, analýza napájecí sítě, PQ teorie.

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 28. 2. 2025

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informační technologie / Elektrotechnika a informační technologie