PL247330B1 - Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation - Google Patents

Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation Download PDF

Info

Publication number
PL247330B1
PL247330B1 PL444168A PL44416823A PL247330B1 PL 247330 B1 PL247330 B1 PL 247330B1 PL 444168 A PL444168 A PL 444168A PL 44416823 A PL44416823 A PL 44416823A PL 247330 B1 PL247330 B1 PL 247330B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
sub
converter
phase
currents
signals
Prior art date
Application number
PL444168A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL444168A1 (en
Inventor
Paweł Kelm
Rozmysław Mieński
Irena Wasiak
Original Assignee
Politechnika Lodzka
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Lodzka filed Critical Politechnika Lodzka
Priority to PL444168A priority Critical patent/PL247330B1/en
Publication of PL444168A1 publication Critical patent/PL444168A1/en
Publication of PL247330B1 publication Critical patent/PL247330B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/01Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/04Arrangements for connecting networks of the same frequency but supplied from different sources
    • H02J3/06Controlling the transfer of power between connected networks; Controlling load sharing between connected networks
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1835Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • H02J3/1842Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control having reactive elements actively controlled by bridge converters, e.g. active filters or static compensators [STATCOM]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1892Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks the arrangements being an integral part of the loads or of their control circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/26Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381Dispersed generators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0012Control circuits using digital or numerical techniques
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0025Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208Arrangements for improving power factor of AC input
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/66Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
    • H02M7/68Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20Dispersed power generation using renewable energy sources
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30Reactive power compensation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40Arrangements for reducing harmonics
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/50Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób sterowania trójfazowym czteroprzewodowym przekształtnikiem AC/DC (1) składający się z trzech przetworników napięciowych (2), trzech przetworników prądowych (3), mikrokontrolera z wielokanałowym przetwornikiem analogowo cyfrowym (A/D) sygnałów z przetworników napięciowych i prądowych z zaimplementowanym algorytmem, połączonych z trójfazową siecią prosumencką AC oraz zasobnikiem energii DC. Dla uzyskania zadanego przebiegu wartości chwilowych prądów fazowych przekształtnika pobiera się z przetworników napięciowych i prądowych jako sygnały analogowe chwilowe wartości u<sub>a</sub>, u<sub>b</sub>, u<sub>c</sub> napięć fazowych oraz wartości chwilowe i<sub>a</sub>, i<sub>b</sub>, i<sub>c</sub> sumarycznych prądów fazowych odbiorów i pozostałych źródeł prosumenta i po ich przetworzeniu na sygnały cyfrowe za pomocą przetwornika A/D mikrokontrolera, za pomocą procesora mikrokontrolera wyznacza się sygnały zadanych wartości chwilowych fazowych prądów przekształtnika i<sub>aref</sub> = I * sinωt - i<sub>a</sub>, i<sub>bref</sub> = I * sin(ωt + 120°) - i<sub>b</sub>, i<sub>cref</sub> = I * sin(ωt + 240°) - i<sub>c</sub>, gdzie I jest amplitudą trzech sygnałów sinusoidalnych zsynchronizowanych z przebiegami napięć fazowych, która może być obliczana na podstawie bilansu mocy czynnych na zaciskach stron AC i DC przekształtnika z równania wzoru A, w którym P<sub>Z</sub> oznacza wartość mocy przesyłanej za pośrednictwem przekształtnika z sieci AC do zasobnika DC, przy czym pomnożone przez (-1) prądy i<sub>a</sub>, i<sub>b</sub>, i<sub>c</sub> występujące jako składowe prądów referencyjnych i<sub>aref</sub>, i<sub>bref</sub>, i<sub>cref</sub> powodują, że przekształtnik kompensuje całkowicie prądy odbiorów i źródeł niesterowanych.The subject of the application is a method of controlling a three-phase four-wire AC/DC converter (1) consisting of three voltage transducers (2), three current transducers (3), a microcontroller with a multi-channel analog-to-digital (A/D) converter of signals from the voltage and current transducers with an implemented algorithm, connected to a three-phase AC prosumer network and a DC energy storage device. In order to obtain the specified course of instantaneous values of the converter phase currents, the instantaneous values u<sub>a</sub>, u<sub>b</sub>, u<sub>c</sub> of the phase voltages and the instantaneous values i<sub>a</sub>, i<sub>b</sub>, i<sub>c</sub> of the total phase currents of the receivers and other prosumer sources are taken from the voltage and current transducers as analog signals and after their conversion into digital signals using the A/D converter of the microcontroller, the signals of the specified instantaneous values of the converter phase currents are determined using the microcontroller processor i<sub>aref</sub> = I * sinωt - i<sub>a</sub>, i<sub>bref</sub> = I * sin(ωt + 120°) - i<sub>b</sub>, i<sub>cref</sub> = I * sin(ωt + 240°) - i<sub>c</sub>, where I is the amplitude of three sinusoidal signals synchronized with the phase voltage waveforms, which can be calculated based on the active power balance at the AC and DC terminals of the converter from the equation of formula A, in which P<sub>Z</sub> denotes the value of power transmitted via the converter from the AC network to the DC storage tank, where the currents i<sub>a</sub>, i<sub>b</sub>, i<sub>c</sub> multiplied by (-1) and appearing as components of the reference currents i<sub>aref</sub>, i<sub>bref</sub>, i<sub>cref</sub> cause the converter to fully compensate the currents of uncontrolled loads and sources.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest prądowy sposób sterowania pracą zaworów trójfazowego czteroprzewodowego przekształtnika AC/DC pracującego w instalacjach prosumenckich i służących do integracji zasobników lub źródeł DC, wykorzystujących energie odnawialne, z elektroenergetyczną siecią zasilającą AC w celu kompensacji asymetrii wartości napięć trójfazowych, zniekształceń przebiegów chwilowych napięcia w węzłach sieci i mocy biernej.The subject of the invention is a current method for controlling the operation of valves of a three-phase four-wire AC/DC converter operating in prosumer installations and serving to integrate storage tanks or DC sources using renewable energy with the AC power supply network in order to compensate for asymmetry of three-phase voltage values, distortions of instantaneous voltage waveforms in network nodes and reactive power.

Przekształtniki będące przedmiotem wynalazku zbudowane są z elementów całkowicie sterowalnych takich jak tyrystory GTO czy tranzystory IGBT. Sterowane są prądowo za pomocą algorytmu.The converters that are the subject of the invention are built from fully controllable elements such as GTO thyristors or IGBT transistors. They are current controlled using an algorithm.

Przedmiotowy wynalazek rozwiązuje problem asymetrii wartości napięć trójfazowych i zniekształcenia przebiegów chwilowych napięcia w węzłach sieci, do których przyłączone są instalacje prosumenckie, wykorzystując do tego celu sterowany prądowo trójfazowy czteroprzewodowy przekształtnik AC/DC źródła fotowoltaicznego (PV) lub zasobnika (ESS). W sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia dominują obecnie odbiorniki i źródła jednofazowe, często nieliniowe, zlokalizowane w instalacjach prosumenckich. Efektem ich pracy są zaburzenia, tj. asymetria i odkształcenie prądów, a w konsekwencji asymetria i odkształcenie napięć w sieci zasilającej, których wartości przekraczają poziomy dopuszczalne. W takim przypadku urządzenia prosumentów są wyłączane przez zabezpieczenia lub ulegają uszkodzeniu. Powoduje to brak możliwości wykorzystania energii odnawialnej i znaczące niekiedy straty finansowe, które ponosi prosument. Ponadto, wymienione zaburzenia mają negatywny wpływ na pracę sieci elektroenergetycznej i stanowią istotny problem dla operatora, który ponosi odpowiedzialność za utrzymanie właściwej jakości energii elektrycznej.The invention in question solves the problem of asymmetry of three-phase voltage values and distortion of instantaneous voltage waveforms in network nodes to which prosumer installations are connected, using for this purpose a current-controlled three-phase four-wire AC/DC converter of a photovoltaic (PV) source or storage (ESS). Currently, single-phase receivers and sources, often non-linear, located in prosumer installations, dominate in low-voltage power networks. The effect of their work is disturbances, i.e. asymmetry and distortion of currents, and consequently asymmetry and distortion of voltages in the supply network, the values of which exceed permissible levels. In such a case, prosumer devices are switched off by protections or are damaged. This results in the inability to use renewable energy and sometimes significant financial losses incurred by the prosumer. In addition, the above disturbances have a negative impact on the operation of the power grid and constitute a significant problem for the operator, who is responsible for maintaining the proper quality of electricity.

Nie są obecnie znane układy z przekształtnikiem AC/DC trójfazowym czteroprzewodowym, sterowanym prądowo za pomocą algorytmu, które współpracują z modułami fotowoltaicznymi lub zasobnikiem energii i zapewniają jednocześnie kompensację asymetrii oraz wyższych harmonicznych w sieci niskiego napięcia, spowodowanych pracą odbiorników oraz źródeł w instalacji prosumenta. Dotyczy to zarówno źródeł i odbiorników jednofazowych jak trójfazowych.There are currently no known systems with a three-phase four-wire AC/DC converter, controlled by an algorithm, which cooperate with photovoltaic modules or an energy storage device and at the same time provide compensation for asymmetry and higher harmonics in the low-voltage network caused by the operation of receivers and sources in the prosumer installation. This applies to both single-phase and three-phase sources and receivers.

Znane są układy trójfazowych czteroprzewodowych przekształtników AC/DC, ale ich układy sterowania realizują inne niż prezentowane w niniejszym wniosku cele. Znana jest koncepcja wykorzystania falowników PV umożliwiających wprowadzanie mocy czynnej i biernej w przyłączach sieci niskiego napięcia. Rozwiązanie może być wykorzystane do zmniejszania asymetrii obciążeń wywołanych przez liniowe oraz nieliniowe odbiorniki, w tym zmniejszanie zawartości wyższych harmonicznych, jednak wymaga znacznego przewymiarowania przekształtnika oraz zastosowania dodatkowego transformatora.Three-phase four-wire AC/DC converter systems are known, but their control systems implement goals other than those presented in this application. The concept of using PV inverters enabling the introduction of active and reactive power in low-voltage network connections is known. The solution can be used to reduce load asymmetry caused by linear and non-linear receivers, including reducing the content of higher harmonics, but it requires significant oversizing of the converter and the use of an additional transformer.

Znane są rozwiązania, w których wykorzystano przekształtniki czteroprzewodowe do kompensacji mocy biernej, asymetrii i wyższych harmonicznych. Istotna różnica polega na tym, że nie służą one do integracji źródeł lub zasobników energii w instalacji prosumenckiej. Znane algorytmy sterowania tego typu przekształtnikami są znacząco różne od rozwiązania proponowanego, ponieważ wykorzystują transformację sygnałów fazowych abc do układu współrzędnych dq0 lub alfa beta zero. W znanych rozwiązaniach układów zasobników lub źródeł wykorzystanie przekształtnika ogranicza się do sterowania go symetrycznymi i sinusoidalnymi sygnałami referencyjnymi w fazie z napięciem zasilającym. Przekształtnik pracuje wtedy w sieci AC jako element symetryczny i liniowy wykorzystywany tylko w procesie przesyłu mocy czynnej.There are known solutions using four-wire converters to compensate for reactive power, asymmetry and higher harmonics. The significant difference is that they are not used to integrate energy sources or storage devices in a prosumer installation. Known control algorithms for this type of converter are significantly different from the proposed solution, because they use the transformation of abc phase signals to the dq0 or alpha beta zero coordinate system. In known solutions for storage or source systems, the use of the converter is limited to controlling it with symmetrical and sinusoidal reference signals in phase with the supply voltage. The converter then operates in the AC network as a symmetrical and linear element used only in the process of transmitting active power.

Zaletą wynalazku jest to, że rozszerza funkcjonalność przekształtnika AC/DC o: kompensację mocy biernej, kompensację asymetrii i wyższych harmonicznych prądów. Zastosowanie go do sterowania przekształtników AC/DC w instalacjach prosumenckich powoduje, że każda z tych instalacji staje się „prosumentem idealnym”, który obciąża elektroenergetyczną sieć zasilającą prądami sinusoidalnymi, symetrycznymi w fazie albo w przeciwfazie z przebiegami napięć sieci. Pozwala to na uzyskanie skutków technicznych w postaci: sinusoidalnych, symetrycznych i mieszczących się w wymaganych granicach wartości napięć zasilających na zaciskach przyłączeniowych instalacji prosumenckich; minimalnych strat mocy czynnej w przewodach sieci zasilającej powodowanych przepływami prądów prosumentów; możliwości przyłączenia w istniejącej sieci nowych odbiorników i źródeł bez przeciążenia elementów sieci i przekroczenia dopuszczalnych parametrów jakości energii, bez konieczności instalowania dodatkowych urządzeń energoelektronicznych, a jedynie przez modyfikację układu sterowania przekształtników pracujących w instalacjach prosumenckich.The advantage of the invention is that it extends the functionality of the AC/DC converter to include: reactive power compensation, asymmetry compensation and higher harmonic currents. Its use to control AC/DC converters in prosumer installations means that each of these installations becomes an "ideal prosumer" that loads the power supply network with sinusoidal currents, symmetrical in phase or in antiphase with the network voltage waveforms. This allows for obtaining technical effects in the form of: sinusoidal, symmetrical and within the required limits of supply voltage values at the connection terminals of prosumer installations; minimal active power losses in the supply network wires caused by prosumer current flows; the possibility of connecting new receivers and sources in the existing network without overloading the network elements and exceeding the permissible power quality parameters, without the need to install additional power electronic devices, but only by modifying the control system of converters operating in prosumer installations.

Istota sposobu sterowania trójfazowym czteroprzewodowym przekształtnikiem AC/DC (1) składającego się z trzech przetworników napięciowych (2), trzech przetworników prądowych (3), mikrokonThe essence of the method of controlling a three-phase four-wire AC/DC converter (1) consisting of three voltage transducers (2), three current transducers (3), a microcontroller

PL 247330 BI trolera z wielokanałowym przetwornikiem analogowo cyfrowym (A/D) sygnałów z przetworników napięciowych i prądowych i z zaimplementowanym algorytmem, połączonych z trójfazową siecią prosumencką AC oraz źródłem lub zasobnikiem energii DC polega na tym, że dla uzyskania zadanego przebiegu wartości chwilowych prądów fazowych przekształtnika pobiera się z przetworników napięciowych i prądowych jako sygnały analogowe chwilowe wartości ua, Ub, uc napięć fazowych oraz wartości chwilowe ia, ib, ic sumarycznych prądów fazowych odbiorów i pozostałych źródeł prosumenta i po ich przetworzenie na sygnały cyfrowe za pomocą przetwornika A/D mikrokontrolera, za pomocą procesora mikrokontrolera wyznacza się sygnały zadanych wartości chwilowych fazowych prądów przekształtnika iaref = / * sincd - ia, ibref = I * sin (ad + 120) - ib, icref = I * sin (cd + 240°) - ic, gdzie I jest amplitudą trzech sygnałów sinusoidalnych zsynchronizowanych z przebiegami napięć fazowych, która może być obliczana na podstawie bilansu mocy czynnych na zaciskach stron AC i DC przekształtnika z równania: V3Uncjeci * 4= — - fjfua * ia + uk * ih + uc * ic + P,)dt = 0 lr, „ r ,, nsien T Jo v a a do cc z/ w którym pz oznacza wartość mocy przesyłanej za pośrednictwem przekształtnika z sieci AC do zasobnika DC, przy czym pomnożone przez (-1) prądy ia, ib, ic występujące jako składowe prądów referencyjnych iaref, ibref, icref powodują, że przekształtnik kompensuje całkowicie prądy odbiorów i źródeł niesterowanych.PL 247330 BI troller with a multi-channel analog-to-digital converter (A/D) of signals from voltage and current transducers and with an implemented algorithm, connected to a three-phase AC prosumer network and a DC energy source or storage device, consists in the fact that in order to obtain a given course of instantaneous values of the converter's phase currents, the instantaneous values of u a , Ub, u c of the phase voltages and the instantaneous values of i a , ib, ic of the total phase currents of the receivers and other prosumer sources are taken from the voltage and current transducers as analog signals and after their conversion into digital signals using the A/D converter of the microcontroller, the signals of the set values of the instantaneous phase currents of the converter are determined using the microcontroller processor iaref = / * sincd - i a , ibref = I * sin (ad + 120) - ib, icref = I * sin (cd + 240°) - and c , where I is the amplitude of three sinusoidal signals synchronized with the phase voltage waveforms, which can be calculated based on the active power balance at the AC and DC terminals of the converter from the equation: V3U n cj ec i * 4= — - fjfu a * i a + uk * ih + u c * i c + P,)dt = 0 lr , „ r ,, nsien T Jo vaa do cc z/ in which p z denotes the value of power transmitted via the converter from the AC network to the DC storage tank, and the currents i a , ib, ic multiplied by (-1) occurring as components of the reference currents iaref, ibref, icref cause the converter to fully compensate the currents of uncontrolled loads and sources.

Sposób według wynalazku został zobrazowany na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia algorytm obliczania wartości chwilowych prądów fazowych przekształtnika iaref, ibref, icref, fig. 2 przedstawia schemat sieci z urządzeniami prosumenta biorącymi udział w procesie sterowania, fig. 3 przedstawia trzy wykresy z przebiegami wartości chwilowych prądów fazowych: 1. prądów odbiorów nieliniowych i niesymetrycznych prosumenta, 2. prądów przekształtnika sterowanego algorytmem oraz 3. prądów prosumenta dopływających z sieci zasilającej w wyniku działania algorytmu.The method according to the invention is illustrated in the drawings, where Fig. 1 shows the algorithm for calculating the instantaneous values of the converter phase currents iaref, ibref, icref, Fig. 2 shows a diagram of the network with prosumer devices participating in the control process, Fig. 3 shows three graphs with the course of the instantaneous values of the phase currents: 1. currents of the prosumer's nonlinear and asymmetric loads, 2. converter currents controlled by the algorithm, and 3. prosumer currents flowing from the supply network as a result of the algorithm.

Przykład wykonania sposobu kompensacji asymetrii i odkształceń prądów oraz kompensacji mocy biernej w instalacjach prosumenckich za pomocą trójfazowego czteroprzewodowego przekształtnika AC/DC, połączonego z trójfazową siecią prosumencką AC oraz zasobnikiem energii DC zbudowanym z dwu połączonych szeregowo kondensatorów, sterowanego prądem referencyjnym obliczanym przez procesor połączonego z przekształtnikiem obwodami sterowania mikrokontrolera Texas Instruments TMS320F2837xD Delfino Dual-Core MCUs działający zgodnie z zaimplementowanym w pamięci mikrokontrolera algorytmem kompensacji asymetrii i odkształceń prądów oraz mocy biernej w instalacjach prosumenckich przy czym przetworniki A/D mikrokontrolera sygnały wejściowe analogowe, odpowiadające mierzonym napięciom fazowym zasilającym instalację prosumenta oraz sumarycznym prądom fazowym jego odbiorów i źródeł niesterowalnych (o ile znajdują się w instalacji), przetwarzają na sygnały cyfrowe (Bloki A i B na rys. 1), przy częstotliwości próbkowania większej niż 20 kS/sec zapewniającej uzyskanie cyfrowej informacji o przebiegach wartości chwilowych mierzonych napięć ua, Ub, uc i prądów ia, ib, ic, które wraz z wartością mocy czynnej Pz jaka wynika z pracy zasobnika DC (Blok G na rys. 1) są wielkościami wejściowymi algorytmu (Bloki C i D na rys. 1).Example of the implementation of the method of compensation of current asymmetry and distortions and compensation of reactive power in prosumer installations using a three-phase four-wire AC/DC converter connected to a three-phase AC prosumer network and a DC energy storage device constructed of two series-connected capacitors, controlled by a reference current calculated by the processor connected to the converter by control circuits of the Texas Instruments TMS320F2837xD Delfino Dual-Core MCUs microcontroller operating in accordance with the algorithm implemented in the microcontroller memory for compensation of current asymmetry and distortions and reactive power in prosumer installations, whereby the A/D converters of the microcontroller convert the analog input signals corresponding to the measured phase voltages supplying the prosumer installation and the total phase currents of its loads and uncontrollable sources (if any in the installation) into digital signals (Blocks A and B in Fig. 1), at a sampling frequency of greater than 20 kS/sec, ensuring obtaining digital information on the course of instantaneous values of measured voltages u a , U b, u c and currents i a , i b, ic, which, together with the value of active power P z resulting from the operation of the DC storage device (Block G in Fig. 1), are the input quantities of the algorithm (Blocks C and D in Fig. 1).

Dla obliczenia wielkości wyjściowych algorytmu zadających jako prądy referencyjne iaref, ibref, icref (Blok F na rys. 1) przebiegi wartości chwilowych prądów fazowych przekształtnika algorytm przetwarza wartości wielkości wejściowych ua, Ub, uc oraz ia, ib, ic zgodnie z zależnościami iaref = i * sinćut — ia, ibref — I * sin(wt + 120°) — ib, icref — I * sin(wt + 240°) — ic gdzie I jest amplitudą trzech sygnałów sinusoidalnych zsynchronizowanych z przebiegami napięć fazowych, którą procesor mikrokontrolera oblicza na podstawie bilansu mocy czynnych na zaciskach stron AC i DC przekształtnika z równania:To calculate the output quantities of the algorithm that set the instantaneous values of the phase currents of the converter as reference currents iaref, ibref, icref (Block F in Fig. 1), the algorithm processes the values of the input quantities u a , Ub, u c and i a , ib, ic in accordance with the dependencies i are f = i * sinćut — i a , i bre f — I * sin(wt + 120°) — i b , i cre f — I * sin(wt + 240°) — i c where I is the amplitude of the three sinusoidal signals synchronized with the phase voltage waveforms, which the microcontroller processor calculates based on the balance of active powers at the terminals of the AC and DC sides of the converter from the equation:

r- I 1 fT .r- I 1 f T .

v ^^nsieci * er γ. I + ^b * 0v ^^nnetworks * er γ. I + ^b * 0

V2 i JoV2 and Jo

Pomnożone przez (-1) prądy ia, ib, ic występujące jako składowe prądów referencyjnych iaref, ibref, icref powodują, że przekształtnik kompensuje całkowicie prądy odbiorów i źródeł niesterowanych co niweluje negatywne zjawiska spowodowane asymetrią oraz nieliniowością odbiorów i źródeł prosumenta w sieci zasilającej. Wymaga to pasma częstotliwości transduktorów pośredniczących w pomiarze prądów i napięć co najmniej od DC do 20 kHz, częstotliwości próbkowania przetworników A/D i iteracji obliczeń numerycznych 20 kS/sec. Generacja przez przekształtnik prądów kompensujących prądy ia, ib, ic odbiorów i źródeł prosumenta powoduje pobór mocy chwilowej p — ua * ia + ub * ib + uc * ic z zasobnika DC kosztem energii w nim zgromadzonej. Ażeby zachować bilans energii w zasobniku tę samą ilość energii przetwornik pobiera jednocześnie z sieci AC. W efekcie kompensacji odbywa się to przy symetrycznych i sinusoidalnych prądach płynących z sieci AC określonych przez składowe sinusoidalneMultiplied by (-1) currents i a , ib, ic occurring as components of reference currents iaref, ibref, icref cause the converter to fully compensate currents of uncontrolled loads and sources, which eliminates negative phenomena caused by asymmetry and nonlinearity of prosumer loads and sources in the supply network. This requires a frequency band of transducers intermediating in measuring currents and voltages of at least DC to 20 kHz, sampling frequency of A/D converters and iteration of numerical calculations of 20 kS/sec. Generation by the converter of currents compensating currents i a , ib, i c of prosumer loads and sources causes consumption of instantaneous power p — u a * i a + u b * i b + u c * i c from the DC storage at the expense of energy stored in it. In order to maintain the energy balance in the storage, the converter simultaneously draws the same amount of energy from the AC network. As a result of compensation, this is done with symmetrical and sinusoidal currents flowing from the AC network defined by sinusoidal components

PL 247330 BI prądów referencyjnych, a więc nie powoduje negatywnych zjawisk. Amplituda tych składowych prądów referencyjnych zapewnia również przesył mocy Pz zadanej przez prosumencki algorytm ładowania i rozładowania zasobnika DC.PL 247330 BI reference currents, and therefore does not cause negative phenomena. The amplitude of these reference current components also ensures the transfer of power P from the DC storage charge and discharge algorithm set by the prosumer.

Claims (1)

Zastrzeżenie patentowePatent Claim 1. Sposób sterowania trójfazowym czteroprzewodowym przekształtnikiem AC/DC (1) składający się z trzech przetworników napięciowych (2), trzech przetworników prądowych (3), mikrokontrolera z wielokanałowym przetwornikiem analogowo cyfrowym (A/D) sygnałów z przetworników napięciowych i prądowych z zaimplementowanym algorytmem połączonych z trójfazową siecią prosumencką AC oraz zasobnikiem energii DC znamienny tym, że dla uzyskania zadanego przebiegu wartości chwilowych prądów fazowych przekształtnika pobiera się z przetworników napięciowych i prądowych jako sygnały analogowe chwilowe wartości ua, Ub, uc napięć fazowych oraz wartości chwilowe ia, ib, ic sumarycznych prądów fazowych odbiorów i pozostałych źródeł prosumenta i po ich przetworzeniu na sygnały cyfrowe za pomocą przetwornika A/D mikrokontrolera, za pomocą procesora mikrokontrolera wyznacza się sygnały zadanych wartości chwilowych fazowych prądów przekształtnika i aref = I * sinojt — ia, ibref = 1 * sin(iot + 120°) - ib, icref = / * sin(wt 4- 240°) - ic gdzie I jest amplitudą trzech sygnałów sinusoidalnych zsynchronizowanych z przebiegami napięć fazowych, która może być obliczana na podstawie bilansu mocy czynnych na zaciskach stron AC i DC przekształtnika z równania:1. Method of controlling a three-phase four-wire AC/DC converter (1) consisting of three voltage transducers (2), three current transducers (3), a microcontroller with a multi-channel analog-to-digital (A/D) converter of signals from voltage and current transducers with an implemented algorithm connected to a three-phase AC prosumer network and a DC energy storage device, characterized in that in order to obtain a given course of instantaneous values of the converter's phase currents, the instantaneous values of u a , U b , u c of the phase voltages and the instantaneous values of i a , i b , ic of the total phase currents of the receivers and other prosumer sources are collected from the voltage and current transducers as analog signals and after their conversion into digital signals using the A/D converter of the microcontroller, the signals of the set values of the converter's instantaneous phase currents are determined using the microcontroller processor i aref = I * sinojt — i a , i bref = 1 * sin(iot + 120°) - i b , i cref = / * sin(wt 4- 240°) - i c where I is the amplitude of three sinusoidal signals synchronized with the phase voltage waveforms, which can be calculated based on the active power balance at the AC and DC terminals of the converter from the equation: /- / i fr ’ ^Unsieci * «τ ™ I 4 ^b * ^b 4 Uc * tc + Pz ^)dt 0/- / if r ' ^Unnetworks * «τ ™ I 4 ^b * ^b 4 Uc * t c + P z ^)dt 0 V 2 i Jo w którym Pz oznacza wartość mocy przesyłanej za pośrednictwem przekształtnika z sieci AC do zasobnika DC, przy czym pomnożone przez (-1) prądy ia, ib, ic występujące jako składowe prądów referencyjnych iaref, ibref, w powodują, że przekształtnik kompensuje całkowicie prądy odbiorów i źródeł niesterowanych.V 2 i Jo where P z denotes the value of power transmitted via the converter from the AC network to the DC storage tank, where the currents i a , i b, ic multiplied by (-1) and appearing as components of the reference currents i are f, ibref, w cause the converter to fully compensate the currents of uncontrolled loads and sources.
PL444168A 2023-03-22 2023-03-22 Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation PL247330B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL444168A PL247330B1 (en) 2023-03-22 2023-03-22 Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL444168A PL247330B1 (en) 2023-03-22 2023-03-22 Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL444168A1 PL444168A1 (en) 2024-09-23
PL247330B1 true PL247330B1 (en) 2025-06-16

Family

ID=92843855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL444168A PL247330B1 (en) 2023-03-22 2023-03-22 Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL247330B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1410490A1 (en) * 2001-07-23 2004-04-21 Northern Power Systems, Inc. Control system for a power converter and method of controlling operation of a power converter
US20210391724A1 (en) * 2020-06-10 2021-12-16 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Three-phase power supply system and power supply method
CN115528754A (en) * 2022-10-28 2022-12-27 无锡天青元储智能科技有限公司 A Reactive Power Compensation Method for Three-phase Inverter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1410490A1 (en) * 2001-07-23 2004-04-21 Northern Power Systems, Inc. Control system for a power converter and method of controlling operation of a power converter
US20210391724A1 (en) * 2020-06-10 2021-12-16 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Three-phase power supply system and power supply method
CN115528754A (en) * 2022-10-28 2022-12-27 无锡天青元储智能科技有限公司 A Reactive Power Compensation Method for Three-phase Inverter

Also Published As

Publication number Publication date
PL444168A1 (en) 2024-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Adib et al. Ancillary services via VSIs in microgrids with maximum DC-bus voltage utilization
Castilla et al. Reduction of current harmonic distortion in three-phase grid-connected photovoltaic inverters via resonant current control
Mohan et al. Performance assessment of three-phase PV tied NPC multilevel inverter based UPQC
Dai et al. Design considerations of coupling inductance for active power filters
Chenchireddy et al. Enhanced Power Quality Management with DSTATCOM and Model Predictive Control
PL247330B1 (en) Control system for a three-phase four-wire AC/DC converter for use in a prosumer installation
Yada et al. Operation and control of single-phase UPQC based on SOGI-PLL
Abinaya et al. Harmonic compensation as ancillary service in PV inverter based residential distribution system
Soomro et al. Optimal design of a single-phase APF based on PQ theory
Kota et al. An artificial neural network based controller for MLC-UPQC with power angle adjustment
Tabassum et al. Power Quality improvement by UPQC using ANN Controller
Naidu et al. Design of a SRF based MC UPQC used for load voltage control in Parallel distribution systems
Kothuru et al. Reduction of harmonics in 3-phase, 3-wire system by the use of shunt active filter
Pappula et al. Harmonic mitigation in multi feeder using multi converter-unified power quality conditioning system
Sharan et al. Combination of APF and SVC for the Power Quality Improvement in Microgrid
Jain et al. Operation of unified power quality conditioner with photovoltaic arrays
RaviKishore et al. A Novel MPPT Approach for a Grid Tied Wind Energy System
Yadav et al. Power Quality Conditioning in multifeeder using MC-UPQC
Sanjenbam et al. Double stage solar PV array integrated UPQC for three phase four wire distribution system
Dessalegn et al. A COMPARATIVE STUDY OF FUZZY LOGIC BASED UPQC AND D-STATCOM FOR MITIGATION OF POWER QUALITY PROBLEM.
Artal-Sevil et al. Analysis of the DPWM technique applied to a grid-connected 3L-NPC Inverter. FACTS Technologies and Power Quality in smart Grid
Likhitha et al. Power Quality Improvement Using Active Power Filter
Sanjenbam et al. PQ improvement for SEIG based standalone hydroelectric generation system with UPQC
Pandiaraj Enhancement of power quality using fuzzy logic controlled DSTATCOM
Rajasekhar et al. Mitigation of flicker sources & power quality improvement by using cascaded multi-level converter based DSTATCOM