تجزیه و تحلیل تلفات در فیلتر فعال یک‌پارچه موازی مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ-مبدل منبع جریان (طرح VCSC)

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه سمنان

چکیده

شاخص‌های عملکرد فنی- اقتصادی یک فیلتر فعال تحت تأثیر تلفات مبدل‌هایی است که در ساختار آن به‌کار گرفته می‌شوند. در این مقاله روابط موردنیاز برای محاسبه انواع تلفات در دو نوع فیلتر سنتی VSC و دیگری CSC و یک فیلتر ترکیبی مبتنی بر به‌کارگیری هم‌زمان هردو مبدل VCSC که اخیراً در مراجع معتبر پیشنهاد شده، استخراج گردیده‌است. با وجود مزایای مهم در فیلتر VCSC، همواره یک تردید و نگرانی از نظر میزان تلفات به‌دلیل به‌کارگیری هم‌زمان دو مبدل متفاوت وجود دارد. با این انگیزه، تلفات به چهار بخش اصلی شامل تلفات بخش AC، بخش DC، هدایت و کلیدزنی در کلیدها تقسیم‌بندی می‌شوند. این روابط امکان مقایسه نسبی تلفات در فیلترهای سنتی را با فیلترVCSC فراهم می‌سازند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی ساختارهای مختلف فیلتر فعال در یک سیستم آزمایشی نمونه در محیط سیمولینک/ متلب نشان می‌دهد که فیلتر پیشنهادی VCSC از نظر میزان تلفات نزدیک به فیلتر مبتنی بر VSC و بسیار کمتر از فیلتری است که از CSC سود می‌برد. این در شرایطی است که به‌کارگیری دو مبدل به‌طور هم‌زمان در یک فیلتر یک‌پارچه و به‌ازای یک THD یکسان باعث افزایش قابلیت اطمینان و نیز تجمیع مزایای هر دو فیلتر سنتی می‌شود. همچنین تلفات هر سه فیلتر در شرایط نصف توان نامی بار و به‌ازای پنج فرکانس کلیدزنی مختلف مورد ارزیابی قرار می‌گیرد تا محاسبات انجام‌شده در شرایط مختلف اعتبارسنجی شوند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Loss Analysis in a Unified Shunt Active Filter Based on VSC and CSC (VCSC Scheme)

نویسندگان [English]

  • A. Zafari
  • M. Jazaeri
Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Semnan, Semnan, Iran
چکیده [English]

Techno-economic performance indices of an active power filter are affected by power losses of the converters that are used in its structure. In this paper, the equations needed to calculate the losses in both conventional VSC and CSC based and also VCSC based filters which has been recently proposed in valuable references, are derived. Despite the significant advantages in a VCSC filter, there are always doubt and concern for the losses due to the use of two different converters. With this motivation, the losses are divided into four main sections including AC losses, DC losses, conducting and switching losses in semiconductors. These equations provide the possibility of relative comparison of losses between traditional filters and VCSC one. Simulation of various structures of active filter in a typical test system in MATLAB/SIMULINK environment shows that total losses in the proposed VCSC based filter is near to VSC based and much lower than CSC based one. This is on condition that the simultaneously use of two converters in a unified filter and with a same THD, increases the reliability and aggregates benefits of both conventional filters. Also, for validating the computations, power losses of filters are assessed in half of the nominal load power and for five switching frequencies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Active filter
  • voltage source converter
  • current source converter
  • unified filter(VCSC scheme)
  • reference current
  • losses
  • separation frequency
 
[1] A. Zafari, M. Jazaeri, ''STATCOM systems in distribution and transmission system applications: a review of power-stage topologies and control methods'', International Transactions on Electrical Energy Systems, Vol.26, No.2, pp. 323–346, Feb. 2016.
[2] M. P. Aguirre , L. Calvino ,  M. I. Vallo, ''Multilevel Current-Source Inverter With FPGA Control'', IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60 , Issue.1, pp.3–10, 23, Jan. 2012.
[3] H. F. Bilgin, M. Ermis, "Design and Implementation of a Current-Source Convertor for Use in Industry Applications of D-STATCOM", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, No. 8, pp. 1943 – 1957, Aug. 2010.
[4] H. F. Bilgin, M. Ermis, "Current source convertor based STATCOM: Operating principles, design and field performance", Electric Power Systems Research, Vol. 81, No. 2, pp. 478–487, Feb. 2011.
[5] سعید سعیدآبادی، امین اشرف گندمی، سید حسین حسینی، مهران صباحی، "اینورتر جدید چند سطحی سه‌فاز هیبریدی بهبود یافته"، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 47، شماره 2، شماره پیاپی 81، تابستان 1396، صفحه 569-551
[6] S. Bernet, R. Teichmann, A. Zuckerberger, P. K. Steimer, ''Comparison of High-Power IGBT’s and GTO’s for High-Power Inverters'', IEEE Transactions on Industrial Application, Vol. 35, No. 2, March/April 1999.
[7] Yang Ye, M. Kazerani and V. H. Quintana, ''Current-Source Converter Based STATCOM: Modeling and Control'', IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, No. 2, April 2005.
[8] L. Benchaita, S. Saadate, A. Salemnia, "A Comparison of Voltage Source and Current Source Shunt Active Filter by Simulation and Experimentation", IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 14, No. 2, May 1999.
[9] M. Routimo, M. Salo, and H. Tuusa, "Comparison of Voltage-Source and Current-Source Shunt Active Power Filters", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 22, NO. 2, MARCH 2007.
[10] A. Zafari, M. Jazaeri, ''A novel structure of hybrid active power filter based on voltage‐current source converter (VCSC‐HAPF) '', International Transactions on Electrical Energy Systems, DOI 10.1002/etep.2299, 2016.
[11] A. Zafari, M. Jazaeri, ''Conceptual design of an efficient unified shunt active power filter based on voltage and current source converters'', ENERGY, Vol. 119, pp. 911-925, January 2017.
[12] سعید سعیدآبادی، امین اشرف گندمی، سید حسین حسینی، مهران صباحی، " یک اینورتر چندسطحی سه‌فاز بهبودیافته با منابع ولتاژ برابر "، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 47، شماره 3، شماره پیاپی 81،  پاییز 1396، صفحه 1097-1083
[13] S. George, Perantzakis, A. Christos Christodoulou, E. Kostas Anagnostou, N, Stefanos Manias, ''Comparison of power losses, current and voltage stresses of semiconductors in voltage source transformerless multilevel inverters'', IET Power Electronics, Vol. 7, Iss. 11, pp. 2743–2757, Nov. 2014.