Multilevel shunt active filter based on voltage detection

Autor: Silva, Guilherme Schowantz
Přispěvatelé: Universidade Federal de Santa Catarina, Martins, Denizar Cruz, Coelho, Roberto Francisco
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSC
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
instacron:UFSC
Popis: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020. Esta dissertação apresenta a modelagem, o projeto, a análise de estabilidade e o ajuste de controladores de um conversor multinível de ponte-H em cascata (CHB), operando como um filtro ativo em derivação (shunt), utilizando o método de detecção por tensão no ponto de conexão. O objetivo deste filtro é reduzir a taxa de distorção harmônica de tensão em alguns locais de um sistema de distribuição de energia de média tensão (13,8kV). Diferente do filtro ativo baseado em detecção por corrente, onde o mesmo é comumente instalado pelos consumidores perto de cargas não-lineares com o objetivo de reduzir a distorção harmônica da corrente injetada na rede, o filtro ativo baseado em detecção por tensão é uma alternativa a ser utilizada pelas distribuidoras de energia para melhorar a qualidade da tensão entregue aos consumidores. Inicialmente é apresentada uma revisão teórica contendo as ferramentas e conceitos principais para o entendimento, escolha e projeto do conversor. Posteriormente é escolhido um conversor de topologia modular, seu modelo médio passa pelo processo de linearização e, para um valor genérico de número de níveis, é modelado no referencial estático alfa-beta através do método de espaço de estados. O modelo inclui os controladores ressonantes, método de detecção das harmônicas, atraso por amostragem e o filtro passa-baixa do circuito de medição. O modelo do atraso por amostragem foi desenvolvido durante a dissertação e utiliza uma aproximação linear de segunda ordem. Logo em seguida são debatidas algumas das não-linearidades do conversor, as quais não foram incluídas no modelo linearizado, tais como o controle e balanceamento de tensão no barramento CC de cada célula ponte-H, as perdas térmicas nos interruptores e o tempo-morto. O método de balanceamento de tensão entre as fases do conversor foi desenvolvido durante a dissertação, utilizando a transformada alfa-beta nos valores médios de tensão do barramento CC de cada fase. Findada a análise teórica, realiza-se o projeto de um conversor de 21 níveis para conexão a um sistema de distribuição de 13,8kV, utilizando interruptores de baixa-tensão (1,7kV). O ajuste dos controladores é realizado através da análise de estabilidade baseada no critério de passividade, o qual afirma que o conversor, apresentando comportamento passivo, seja estável para qualquer valor de impedância da rede e estável para o paralelismo com outros conversores. Por fim, são apresentados os resultados de simulações não-lineares no domínio do tempo, com o objetivo de validar o estudo proposto. Abstract: This thesis presents the modeling, design, stability analysis and adjustment of controllers of a cascaded H-bridge multilevel converter (CHB), operating as a shunt active filter, using the voltage detection method at the point of installation. The purpose of this filter is to reduce the total harmonic distortion of voltage in some locations of a medium voltage power distribution system (13.8kV). Unlike the active filter based on current detection, where it is commonly installed by consumers close to non-linear loads in order to reduce the harmonic distortion of the current injected into the grid, the active filter based on voltage detection is an alternative to be used by power distribution companies to improve the quality of the voltage delivered to consumers. Initially, a theoretical review is presented containing the main tools and concepts for the understanding, choice and design of the converter. Subsequently, a converter with modular topology is chosen, its average model goes through the linearization process and, for a generic number of levels, is modeled in the alpha-beta static reference frame using the state-space method. The model includes the resonant controllers, harmonic detection method, sampling delay and the low-pass filter of the measurement circuit. The sampling delay model was developed during the thesis and uses a second order linear approximation. Soon after, some of the non-linearities of the converter are discussed, which were not included in the linearized model, such as the control and balancing of voltage on the DC-Link of each H-bridge cell, the thermal losses in the switches and the dead-time. The method of voltage balancing between the phases of the converter was developed during the thesis, using the alpha-beta transformation in the average values of the DC-Link voltages in each phase. After the theoretical analysis, the design of a 21-level converter for connection to a 13.8kV distribution system, using low-voltage switches (1.7kV), is carried out. The adjustment of the controllers is achieved using the stability analysis based on the passivity criterion, which states that the converter, showing passive behavior, is stable for any value of grid impedance and stable for parallelism with other converters. Finally, the results of non-linear simulations in the time-domain are presented, in order to validate the proposed study.
Databáze: OpenAIRE
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