DESIGN OF A FUZZY-PI CONTROLLED THREE-PHASE ACTIVE POWER FILTER

Transkript

1 5. Uluslararası İlri Tknolojilr Smpozyumu (IATS 9), 3-5 Mayıs 29, arabük, Türkiy ULANI-PI DENETİMLİ ÜÇ FAZLI PARALEL ATİF GÜÇ FİLTRESİNİN TASARIMI DESIGN OF A FUZZY-PI CONTROLLED THREE-PHASE ACTIE POWER FILTER İsmail ATACA a, *, Fcir DURAN a v Ömr Faruk AY a a Gazi Ünivrsitsi, Ankara, Türkiy E-posta: iatacak@gazi.du.tr, fduran@gazi.du.tr, omrbay@gazi.du.tr Özt Doğrultucu, virici, ksintisiz güç kaynağı, ark fırınları v hız kontrol cihazları gibi doğrusal olmayan yüklr; lktrik şbksi üzrind harmonik kirliliğinin oluşmasına sbp olan tml tknlrr. u kirlilik; şbkdn bslnn, akım v grilim harmoniklrin karşı hassas olan cihazlar bir takım problmlrin oluşmasına, hatta bu cihazların bozulmasına sbp olabilmktr. Günümüzd, bu problmi ortan kaldırmak için aktif güç filtrlri yaygın olarak kullanılmaktadır. u çalışma, doğrusal olmayan yüklrin şbk üzrind oluşturdukları akım harmoniklrini v şbkdn çkiln raktif gücü n aza inrmk için üç zlı bir parall aktif güç filtrsi tasarlanmaktadır. Aktif güç filtrsi (AGF) olarak doğru akım (DA) hat konnsatörün sahip üç zlı grilim kaynaklı bir virici, doğrusal olmayan yük olarak is üç zlı R-L yüklü bir doğrultucu kullanılmaktadır. Daha hassas bir dntim işlvi grçklştirmk için, bu filtrnin dntimind bulanık- PI dntlyici kullanılmaktadır. Önriln dntlyicinin sistm prformansı üzrindki tkisini dğrlnrmk için, AGF aynı zaman glnksl PI dntlyici kullanılarak dntlnmktr. Sistmd prformans kritrlri olarak; giriş güç ktörü, giriş akımı üzrindki toplam harmonik bozulması v şbkdn çkiln raktif güç alınmıştır. nztim çalışmaları, bulanık-pi dntimli AGF nin, PI dntimli AGF dn ha iyi bir prformansa sahip olduğunu göstrmiştir. Anahtar klimlr: ulanık-pi dntlyici, parall aktif güç filtrsi, raktif güç, harmonik, güç ktörü. Abstract Nonlinar loads such as rctifir circuits, invrtrs, unintrruptibl powr supplis, arc furnacs and spd control dvics ar th main ctor that causs harmonics contamination on th AC main. Th contamination producs svral problms on dvics which ar fd from th AC main and snsitiv against voltag and currnt harmonics, and thy can vn caus th dtrioration of dvics. Noways, activ powr filtrs ar widly usd to ovrcom this problm. In this study, a thr phas activ powr filtr is dsignd to minimiz th currnt harmonics causd by nonlinar loads and ractiv powr drawn from th AC main. A thr-phas voltag sourc invrtr bridg with a DC lin capacitor is usd as an activ powr filtr (APF), and a thr-phas od bridg rctifir with a RL load is mployd as a non-linar load. Fuzzy-PI controllr is usd in control of th APF to achiv mor snsitiv control function. To valuat th ffct on th systm prformanc of th proposd controllr, th APF is also controlld using trational PI controllr. Input powr ctor, total harmonic stortion on th input currnt and ractiv powr drawn from th AC main ar takn as prformanc paramtrs in this systm. Simulation stus show that fuzzy-pi controlld APF has bttr prformanc than PI controlld APF. ywords: Fuzzy-PI controllr, paralll activ powr filtr, ractiv powr, harmonics, powr ctor.. Giriş Günümüzd, güç dönüştürücülri gibi doğrusal olmayan yüklrin yaygın bir şkild kullanılması; lktrik şbklrind akım v grilimin lga şkillrinin bozulmalara sbp olmaktadır. u bozulmalar; şbk üzrind artan güç kayıplarına, dönl makinalar aşırı ısınmalara v iltişim sitmlrind önmli problmlri brabrind gtirmktr. u istnmyn tkilrdn kaçınmak için, LC pasif filtrli glnksl çözümlr önrilmktr. ununla birlikt LC pasif filtrlr; altrnatif akım (AA) hattın rzonansa sbp oldukları v sadc ayarlandıkları frkansta harmoniklri süzbilklri için, bu problmlrin gidrilmsind ytrsiz kalmaktadır. u yüzdn anahtarlamalı cihazlarki son glişmlr; sadc akım ya grilim harmoniklrinin bastırılmasını sağlayan bir aktif güç filtrsi dğil, aynı zaman grilim çökmlri, titrmlri, dngsizliklri ya ğr tip bozulmalarını bastıran birkaç çşit aktif güç filtr topolojisin gliştirilmsi il sonuçlanmıştır [-5]. Parall aktif güç filtrlri (PAGF) uygulama yaygın bir şkild kullanılmakta olup, rb gnişlik modülasyonu sinyaliyl bir akım kaynağı olarak dntlnn grilim kaynaklı bir viriciyi tmsil dr. u filtrlr, doğrusal olmayan yüklr tarafınn AA hattı üzrin binriln akım harmoniklrini ortan kaldırmak için kullanılır. Filtr bu işlvi; AA hattına, yük tarafınn oluşturulan akım harmoniklrin zıt yönd bir akım binrrk yrin gtirir [6]. AGF nin uygun bir şkild dntimi hm güç hattınki harmoniklri ortan kaldıracak, hm d güç ktörünü düzltcktir. AGF lrin dntimind dntlyici olarak PI dntlyicilr yaygın olarak kullanılmaktadır [7,8]. u dntlyicilrin yapısı basit olup, özllikl doğrusal sistmlrd kazanç paramtrlri kolay bir şkild ayarlanabilği için güçlü bir prformansa sahiptirlr. ununla birlikt bu dntlyici doğrusal olmayan v komplks sistmlrd kullanıldığı zaman, dntlyicinin kazanç paramtrlrini ayarlamak oldukça zordur. u durum sistm prformansını önmli bir şkild tkilr. u tip sistmlrd bu problmi gidrmk için önriln çözüm, sistmin çalışma şartlarına gör dntlyicinin kazanç IATS 9, arabük Ünivrsitsi, arabük, Türkiy

2 Atacak, İ., Duran, F. v ay, Ö.F. paramtrlrini dğiştirmktir. ulanık mantık tabanlı PI (ulanık-pi) dntlyicilr, bu çözüm olanak sağlayan dntlyici sınıfınn birini tmsil dr [9-2]. Dntlyicinin kazanç paramtrlrinin sistmin çalışma şartlarına gör otomatik olarak dğiştirilmsi sistm prformansı üzrind önmli bir katkı sağladığınn, günümüzd bu alan yapılan uygulamalar yaygınlaşmaya başlamıştır. u çalışma; üç zlı bir AA hattınki akım harmoniklrini ortan kaldırmak için bulanık-pi dntimli bir PAGF önrilmktr. ulanık-pi dntlyicinin filtr prformansı üzrindki tkilrini inclmk için, AGF aynı zaman glnksl PI dntlyici kullanılarak dntlnmktr. ölüm 2 d AGF nin yapısı v modli, bölüm 3 d önriln sistmin dntimi, bölüm 4 t bnztim çalışmaları v son bölümd bulanık-pi dntlyicinin sistm prformansı üzrindki tkilri sunulmaktadır. 2. Aktif Güç Filtrsinin Yapısı v Modli u çalışma önriln üç zlı AGF y ait dvr şması Şkil d göstrilmktr. AGF; grilim kaynaklı üç zlı bir AA/DA virici, DA nrji dpolama lmanı olarak kullanılan bir konnsatör v virici grilimi il filtr akımını dntlm amaçlı kullanılan bobinlrdn oluşur. Sistmd doğrusal olmayan yük olarak üç zlı R-L yüklü bir doğrultucu kullanılmıştır. u şkild; ia, ib, ic AA hat grilimlrini, i ia, I ib, I ic AA hat akımlarını, i ya, i yb, i yc doğrusal olmayan yük akımlarını, i, i, i filtr akımlarını, L, L, L v r, r, r sırası il filtr bobinlri v onun iç rnçlrini v i d doğrusal olmayan yüktki yotlar üzrindn gçn akımı göstrmktr. ia i ia i ya Doğrusal olmayan yük i d d = (2) ( r / L ). i ( ( r / L ). i ( ib ic ) / L = (3) a b c ) / L = ( i. d i. d i. d ) / C (4) ura,, aktif güç filtrsinin AA hattı knarına yansıyan grilimlrini v d a, d b, d c aktif güç filtrsinin hr bir sri kolunki güç anahtarlarının iltim ksim durumlarını tanımlayan anahtarlama fonksiyonlarını göstrmktr. ura,, grilimlri DA hat konnsatörü v anahtarlama fonksiyonu cinsindn aşağıki gibi tanımlanabilir. = / 3).(2. d d d ) (5) ( a b c = / 3).( d 2. d d ) (6) ( a b c = / 3).( d d 2. d ) (7) ( a b c Doğrusal olmayan yük olarak kullanılan üç zlı R-L yüklü köprü tipi doğrultmaç, yotların iltimd olması v ksimd olması durumuna gör iki çalışma moduna sahiptir. Diyotların iltimd olduğu durum için çıkarılmış tml şitlik aşağı vrilmiştir. = RL (8) d d hh LL. id. RL = hh id. n ib ic i ib i ic i yb i yc a b c R ky L ky ky ura hh iki hat arasınki hat grilimini ( ia - ib, ib - ic v ia - ic) göstrmktr. Diyotların ksim durumun is id akımı sıfır olur. 3. Aktif Güç Filtrsinin Dntimi r L r L r L i i i a b Aktif güç filtrsi c C - Şkil. Önriln AGF y ait tml dvr şması Aktif güç filtrsi; akım tabanlı bir dntim algoritması kullanılarak çalıştırılmakta olup, aşağıki şitliklr kullanılarak modllnmiştir: ( r / L ). i ( ia ) / L = () AGF nin tml işlvi, doğrusal olmayan yükün AA kaynağı üzrind oluşturduğu harmoniklri ortan kaldırarak giriş grilimi il aynı zlı v harmoniksiz bir akım lga şkli ld lmsini sağlamaktır. u işlv, AGF nin dntimind kullanılan dntim mtodu il yrin gtirilir. AGF nin dntimind, akım tabanlı bir dntim mtodu kullanılır. Şkil 2 d önriln dntim mtodu v onun AGF il bağlantısı göstrilmktr. AGF dki anahtarların sürülbilmsi için, AA kaynak akımı kullanılır. u yüzdn, dntim işlvind ilk işlm olarak, kaynak akımına ait rfrans hsaplanır. aynak akımı rfransının tp dğri, DA hat konnsatörü griliminin dntlnmsi il ld lir. u çalışma; DA hat konnsatörünün dntimi, glnksl PI v ulanık PI dntlyicilr kullanılarak grçklştirilmktr. k nıncı örnklm anın, DA griliminin ( ) rfrans dğri ( _rf) il karşılaştırılması nticsind ld ln grilim hatası aşağı tanımlanmıştır. _ = (9) rf

3 Atacak, İ., Duran, F. v ay, Ö.F. u durum k nıncı örnklm anı için PI dntlyici çıkış şitliği Eşitlik olduğu gibi yazılabilir..{ d } i. ( ) ( k ) p k = () pi pi ura d (k) k nıncı örnklm anın DA hat grilimi hatasınki dğişimi göstrmktr. Dntlyici çıkışınn ld ln bu dğr bir sınırlayıcın gçirilrk kaynak akımının tp dğri hsaplanabilir. i flim ( ) im _ rf = pi () _rf (k) (k) d(k) (k) - ulanıklaştırıcı PI dntlyici z - - T ' p i p ' i ilgi tabanı Çıkarım motoru u(k-) Durulaştırıcı z - ' ' p, i i im_rf (k) u dğr, kaynak grilimi il aynı zlı olan birim sinüs ürtci çıkış dğri il bir çapıcın gçirilrk rfrans kaynak akımı bulunur. Rfrans kaynak akımı il ölçüln kaynak akımı histrisiz dntlyiciy uygulanarak aktif güç filtrsindki anahtarları ttiklmk için grkli rblm sinyallri ld lir. M Dntlyicisi Şkil 3. ulanık-pi dntlyicinin yapısı N N S P P N N S P P Doğrusal olmayan yük µ µd d AA Hattı ia, ib, ic i ia,i ib,i ic irim u ba,u bb,u bc sinüs ürtci u ba=sin(wt) u bb=sin(wt-2.pi/3) u i im_rf bc=sin(wt-4.pi/3) i iarf,i ibrf,i icrf Akım sınırlayıcı Aktif güç filtrsi Histrizsiz akım dntlyicisi DA hat dntlyicisi d Gribslm filtrsi - v v _rf Şkil 2. AGF nin dntimind kullanılan dntim mtodu u dntim mtodu içrisind kullanılan bulanık-pi dntlyicinin yapısı Şkil 3 t göstrilmiştir. Önriln dntlyici iki tml bölümdn oluşur. İlk bölüm, kaynak akımı rfransının tp dğrin karar vrn ayrık zamanlı PI dntlyicir. İkinci bölüm is bulanıklaştırıcı, bilgi tabanı, çıkarım motoru v durulaştırıcı ünitlrindn oluşan bulanık mantık (M) dntlyicisini tmsil dr. u yapı içrisind; bulanık mantık dntlyicisi PI dntlyicinin kazanç paramtrlri p v i yi, DA hat grilim hatası v bu grilim hatasınki dğişm gör ayarlar. ulanık PI dntlyicinin hata v hataki dğişim girişlri, 5 üylik tiktli üçgn tipi üylik fonksiyonları il tanımlanmıştır. u girişlr için üylik kümlri; Ngatif üyük(n), Ngatif üçük(n), sıfır(s), Pozitif üçük(p) v Pozitif üyük(p) isimlri il tiktlnmiştir. Çıkışlar için iki üylik tiktli üylik fonksiyonu kullanılmış olup, bu kümlr üçük() v üyük() tiktlri il simglnmiştir. Şkil 4 v Şkil 5 t dntlyici giriş v çıkışı için kullanılan üylik fonksiyonları göstrilmiştir. µp Şkil 4. ulanık mantık dntlyicisinin girişlri için tanımlanmış üylik fonksiyonları..5 p µi.5 i Şkil 5. ulanık mantık dntlyicisinin çıkışları için tanımlanmış üylik fonksiyonları. ulanık dntim kuralları uzman dnyimin gör düznlnmiş olup, PI dntlyicinin oransal v intgral kazançlarını (p, i) sistmin çalışmasına gör ayarlayabilmk için 25 bulanık kural kullanılmıştır. u kurallar Tablo d göstrilmiştir. d N N S P P N Tablo. p v i için kural tabloları p N S P P d N N S P P N N S P Çıkarım ünitsind uygulama yaygın olarak kullanılan minimum ilişki opratörü kullanılmıştır. Durulaştırma ünitsind is ağırlık mrkzi yöntmi kullanılmıştır. i P 4. nztim Çalışmaları Sistm ait bnztim çalışmaların; aktif filtr paramtrlri L, L, L =mh, r, r, r =. Ω v C =2 µf, doğrusal olmayan yük paramtrlri L ky v

4 Atacak, İ., Duran, F. v ay, Ö.F. R ky sırası il mh v 8 Ω olarak alınmıştır. DA griliminin rfrans dğri 8 tur. Hr bir za ait kaynak griliminin dğri 22 rms v frkansı 5 Hz r. Şkil 6 parall aktif güç filtrsinin kaynak il yük arasınn çıkarıldığı durum için a zına ait grilim v akım lga şkli il akımın harmonik spktrumu göstrilmktr. u durum; ilgili AA hattınn çkiln aktif güç v raktif güç sırası il W v AR, giriş güç ktörü.9553 olarak ld lmiştir. Şkil 6.c dki harmonik spktrumunn bu za ait giriş akımının toplam harmonik bozulması %3.95 olduğu görülbilir. Şkil 6. PAGF nin kaynak il yük arasınn çıkarıldığı durum için a zına ait grilim v akım lga şklilri il akıma ait harmonik spktrumu. Şkil 7 d glnksl PI dntimli PAGF için; a zına ait grilim v akım lga şkillri, PAGF nin yük harmoniklrini yok tmk için ortak kuplaj noktasına binrği akım lga şkli, DA hat grilimi v giriş akımı harmonik spktrumu göstrilmktr. Dalga şkillrindn; ilgili hatta ait raktif güç bilşni AR n 44.5 AR a düştüğü v giriş güç ktörü.9553 dn.996 yükslği anlaşılabilir. Harmonik spktrumunn; ilgili za ait THD %3.95 dn %6.472 y düştüğü görülbilir. Şkil 8 d ulanık-pi dntimli PAGF nin a zına ait grilim v akım lga şkillri, PAGF nin yük harmoniklrini yok tmk için ortak kuplaj noktasına binrği akım lga şkli, DA hat grilimi il giriş akımı harmonik spktrumu vrilmktr. Önriln sistm ait bnztim çalışmaların; ilgili hatta ait aktif güç bilşni W, raktif güç bilşni AR, giriş güç ktörü.9993 v giriş akımına ait THD %2.524 olarak ld lmiştir.

5 Atacak, İ., Duran, F. v ay, Ö.F. Şkil 7. PI dntimli PAGF y ait lga şkillri v giriş akımı harmonik spktrumu IATS 9, arabük Ünivrsitsi, arabük, Türkiy

6 Atacak, İ., Duran, F. v ay, Ö.F. Şkil 8. ulanık-pi dntimli PAGF y ait lga şkillri v giriş akımı harmonik spktrumu. ulanık-pi dntlyicilr; kazanç paramtrlri, sistmin çalışma şartlarına bağlı olarak ayarlandığı için bu tiptki doğrusal olmayan sistmlrd glnksl PI dntlyicilrdn ha iyi bir prformans göstrirlr. 5. Sonuçlar u çalışma; doğrusal olmayan yükün AA kaynağınn çktiği raktif gücü v onun üzrin binrği akım harmoniklrini bastırmak için bulanık-pi dntimli üç z bir PAGF önrilmktr. ulanık-pi dntlyicinin sistm prformansı üzrindki tkilrini inclmk için, PAGF aynı zaman glnksl PI dntlyici kullanılarak dntlnmktr. nztim çalışmaları, bulanık-pi dntlyicinin PI dntlyici dn; raktif güç kompanzasyonun AR, AA hat akımının toplam harmonik bozulmasın %3.948 lik bir iyilştirm sağladığını göstrmiştir. u iki sistmin giriş güç ktörünü düzltmdki prformansları is yaklaşık olarak bir biriyl aynıdır. Tşkkür [7] Akagi, H., Naba, A. and Atoh, S., Control stratgy of activ powr filtrs using multipl voltag sourc PWM convrtrs, IEEE Transaction on Industrial Applications, vol. 22, 3, , 986. [8] Chn, C.L. and Lin, C.H., An activ filtr for an unbalancd thr-phas systm using th synchronous dtction mthod, Elctric Systm Powr Rsarch, 36, 57 6, 996. [9] Er, M. J., Sun, Y. L., Hybrid Fuzzy Proportional- Intgral Plus Convntional Drivativ Control of Linar and Nonlinar Systms, IEEE Transactions on Industrial Elctronics, vol. 48, 6, 9-7, 2. [] Li, W., Dsign of a Hybrid Fuzzy Logic Proportional Plus Convntional Intgral-Drivativ Controllr, IEEE Transactions on Fuzzy Systms, vol. 6, 4, , 998. [] Patl, A.. and Mohan,.M., Analytical Structurs and Analysis of th Simplst Fuzzy PD Controllrs, IEEE Transactıons On Systms, vol. 32, 2, , 22. [2] Rayanallur, S.R., Hir, A.M. and Guanrong, C., Fuzzy Prctiv PI Control for Procsss with Larg Tim Dlays, Exprt Systms, vol. 9,, 2-33, 22. u çalışma Gazi Ünivrsitsi ilimsl Araştırma Projlri Fonu 7/28-3 nolu proj kapsamın dstklnmktr. aynaklar [] Thomas, T., Hadd,., Joos, G. and Jaari A., Dsign and prformanc of activ powr filtrs, IEEE Industry Applications Magazin, vol. 4, 38-46, 998. [2] Mazari,. and Mkri, F., Fuzzy Hystrsis Control and Paramtr Optimization of a Shunt Activ Powr Fitlr, Journal of Information Scinc and Enginring, vol. 2, 6, 39-56, 25. [3] Akagi, H., Nw trnds in activ filtrs for powr contioning, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 32, , 996. [4] ayinr,.ç, Undrstanng th modlling and analysis of a shunt activ powr filtr using MATLA/Simulink, Intrnational Journal of Elctrical Enginring Education, vol. 43, 3, 85-25(2), 26. [5] Fujita, H., Akagi, H. and Alali, M.A.E., Th unifid powr quality contionr: th intgration of sris-and shunt-activ filtr, IEEE Transactions on Powr Elctronics, vol. 3, , 998. [6] Mattavlli, P., A closd-loop slctiv harmonic compnsation for activ filtrs, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 37, 8 89, 2.