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Título: Estudo e análise comparativa de topologias de filtros ativos de potência paralelos implementados em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios
Título(s) alternativo(s): Study and comparative analysis of shunt active power filter topologies implemented in three-phase four-wire systems
Autor(es): Bacon, Vinícius Dário
Orientador(es): Silva, Sérgio Augusto Oliveira da
Palavras-chave: Filtros elétricos ativos
Harmônicos (Ondas elétricas)
Sistemas de energia elétrica
Electric filters, Active
Harmonics (Electric waves)
Electric power systems
Data do documento: 15-Dez-2015
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: BACON, Vinícius Dário. Estudo e análise comparativa de topologias de filtros ativos de potência paralelos implementados em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. 2015. 139 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2015.
Resumo: Este trabalho apresenta o estudo, implementação e análise comparativa de quatro diferentes configurações de Filtros Ativos de Potência Paralelos (FAPPs), os quais empregam as topologias de inversores Split-Capacitor (SC), Four-Leg (4L), Three Full-Brige (3FB) e Neutral-Point-Clamped (NPC). Tais configurações de FAPPs são empregadas para compensação de potência reativa e supressão de correntes harmônicas em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. A fim de realizar tal operação, um algoritmo baseado no sistema de eixos de referência síncrona é utilizado para calcular as correntes de referência de compensação. O modelo matemático da planta de corrente, a qual se refere às correntes de compensação, é obtido para as quatro configurações de FAPPs nas coordenadas 𝑎𝑏𝑐, sendo que apenas no caso da topologia 4L acaba sendo encontrado modelo nas coordenadas estacionárias 𝛼𝛽0. Consequentemente, o controle de corrente para a configuração 4L é implementado nas coordenadas 𝛼𝛽0, enquanto para o restante das topologias de filtro ativo o controle é implementado nas coordenadas estacionárias abc. A planta de tensão, a qual se refere às tensões no barramento c.c., também é modelada matematicamente para os diferentes casos de filtro ativo. Os modelos matemáticos são apresentados de uma maneira unificada, ou seja, a partir do modelo obtido para uma topologia de FAPP é possível encontrar os modelos do restante das topologias. De posse desses modelos, é possível realizar o projeto dos controladores também de maneira unificada, ou seja, considerando uma malha de controle específica, apenas um projeto permite obter os ganhos dos controladores utilizados nas quatro configurações de filtros ativos. Esta metodologia de projeto acaba fazendo com que os controles das quatro diferentes topologias de FAPPs apresentem o mesmo desempenho. No intuito de validar o estudo realizado, bem como avaliar o desempenho das diferentes configurações dos FAPPs em estudo, simulações computacionais, bem como testes experimentais são realizados. Além disso, uma análise comparativa entre as topologias de filtros ativos é apresentada levando em consideração os principais aspectos topológicos, custos, bem como desempenho. Por meio desta análise, é possível definir as aplicações mais adequadas para cada um dos FAPPs estudados.
Abstract: This work deals with the study and comparative analyses of four Shunt Active Power Filters (SAPFs), which are implemented employing the Split-Capacitor (SC), Four-Leg (4L), Three Full-Brige (3FB) and Neutral-Point-Clamped (NPC) inverter topologies. The SAPFs carry out reactive power compensation, as well as harmonic suppression in three-phase four-wire electrical systems. In order to perform the aforementioned conditioning, algorithms based on the synchronous reference frame are used to compute the compensation references currents. The current plant mathematical models, which are related to the compensation currents, are obtained in the 𝑎𝑏𝑐 reference frame considering the studied SAPFs. Only the 4L topology has the current plant model is obtained in the stationary reference frame 𝛼𝛽0. Thereby, the current control is implemented in 𝛼𝛽0-axes for only the 4L SAPF, while for the other three SAPFs the control is implemented in the 𝑎𝑏𝑐-axes. The model that represents the voltage plant, which is related to DC-bus voltage, is also presented involving all the studied SAPF topologies. The mathematical modelling are unified, meaning that all the SAPF models can be found from one of them. Thus, from the unified model, it is possible to carry out a unified controller gains design, In other words, the controller gains obtained to a specific SAPF topology can be used to find the controller gains for the other ones. This project methodology allows the obtaining of the same control performance for all the SAPF topologies. In order to validate the theoretical analyses, as well as to evaluate the SAPFs performances, computational simulations and experimental tests are carried out. In addition, comparative analyses of the studied SAPFs are presented, considering the topological features, costs and performance. These comparative analyses allow the determining of the suitable applications for each one of the SAPF topologies.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3108
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