A model-based controller for a three-phase four-wire shunt active filter

Abstract

"En los sistemas de distribución de energía el eléctrica típicos es común encontrar cargas de tipo monofásico. Sin embargo estos sistemas son generalmente desbalanceados, debido a que la cargas son desigualmente distribuidas entre las fases, y distorsionados por la gran demanda de cargas de tipo no lineal. El desbalance y la distorsión produce efectos indeseables como son las componentes de secuencia negativa y cero. Por un lado, la secuencia negativa causa un excesivo calentamiento en máquinas eléctricas, saturación en transformadores y un indeseable rizo en los rectificadores [1], [2], [3], [4]. Y por el otro lado, la secuencia cero produce una excesiva pérdida y daño en el conductor neutro [3], [5]. Evidentemente, estos son efectos indeseables para los usuarios comerciales e industriales. Los filtros activos trifásicos han surgido como una solución exitosa a este tipo de problemas. Los filtros activos están diseñados para compensar potencia reactiva y distorsión armónica. Sin duda una de topologías más utilizadas es la de tres ramas con capacitor dividido para el inversor de fuente de voltaje, la cual puede aminorar las componentes de secuencia cero de la corriente (corriente homopolar). Sin embargo, se considera que hasta ahora no se ha presentado un modelo completo ni una clara explicación acerca de como la corriente homopolar es compensada. En contraste con la mayoría de los controladores propuestos anteriormente, este trabajo presenta un controlador para un filtro activo paralelo trifásico de cuatro hilos basado en el modelo del sistema, el filtro tiene una topología de tres ramas de capacitor dividido para el inversor de fuente de voltaje. El controlador esta enfocado a compensar potencia reactiva y distorsión armónica en el caso general de corrientes de carga y voltaje de fuente distorsionados y desbalanceados. Además el control es capaz de compensar la componente homopolar de la corriente de carga debida principalmente a la distorsión generada por las cargas conectadas entre líneas y neutro. En otras palabras, la corriente que fluye hacia la fuente por el neutro es considerablemente reducida sin modificar la topología. La clave para esta solución es el desarrollo de un modelo completo (en un esquema fijo) en términos de coordenadas αβγ. Se le da una atención especial a la componente homopolar (componente y) de la corriente de línea, el voltaje de línea y la entrada de control, la cual es muy importante en el diseño del controlador."

"It is well known that in a normal distribution systems a large amount of single-phase loads are connected. Therefore, distribution systems are inherently unbalanced and distorted due mainly to nonlinear loads unequally distributed between the phases. The unbalance and distortion produce undesired negative and zero sequence current components. On the one hand, the negative sequence causes excessive heating in machines, saturation of transformers and undesirable ripple in rectifiers [1], [2], [3], [4]. On the other hand, the zero sequence currents cause excessive power losses and even damage in the neutral line [3], [5]. Evidently, this is an undesirable or unacceptable situation for certain commercial and industrials users. Three phase active ¯lters have emerged as a successful solution for such issues. They are designed to compensate reactive power and harmonic distortion. Perhaps the most appealing topology is the one based on three-leg split-capacitor (TLSC) voltage source inverter (VSI), which presumably compensates, in addition, the zero sequence (or homopolar) current component. However, to the best of our knowledge, there was not a complete model nor a clear comprehension about how the compensation process of the homopolar current component is performed. In contrast with most of the controllers proposed so far, this work presents a model based controller for a three-phase four-wire shunt active filter, which uses a three-leg split-capacitor topology to implement the VSI. The controller is aimed to compensate reactive power and harmonic distortion in the general case of distorted and unbalanced source voltages and load currents. In addition, the controller is able to compensate for the homopolar component of the load current due mainly to distorting loads connected between a phase and the neutral line. In other words, the current flowing to the source via the neutral line can be considerably reduced and without modifying the actual topology. Instrumental for our developments is the generation of a complete model in terms of (fixed frame) alphabetagamma-coordinates. Special attention is given to the homopolar component (referred here also as the gamma-component) of the line current, source voltage and control input, which are very important for the control design purpose. Experimental results in a 2 kVA prototype are provided to illustrate the benefits of our solution. This results was presented in the international congress PESC'06 [6]."