TEZĂ DE DOCTORAT · a îmbunătăți puterea în linia de contact, pentru a regenera aproape...

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

Tradiție, Performanță, Viziune

Craiova, Bdul. Decebal, nr. 107, 200440,

tel/fax: +40-251-436447, www.ie.ucv.ro

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------

TEZĂ DE DOCTORAT

SISTEME DE FILTRARE ŞI REGENERARE PENTRU

STAŢII ACTIVE DE METROU

REZUMAT

Conducător ştiinţific Doctorand

Prof. dr. ing. Alexandru BITOLEANU ing. Liviu Ionuț DEACONU

CRAIOVA

2018

2

Cuprins teză Introducere

1. Soluții tehnice pentru recuperarea energiei cinetice datorate procesului de frânare a

trenurilor 1.1. Metode pentru recuperarea energiei cinetice

1.2. Tehnologii de recuperare a energiei de frânare

1.3. Substațiile reversibile

1.4. Substații active

2. Sisteme de filtrare și regenerare pentru substații active de metrou bazate pe filtre active

de putere paralel 2.1. Structura sistemelor de filtrare și regenerare pentru stații active în c.c.

2.2. Filtre active de putere

2.3. Concluzii

3. Proiectarea părții de forță a unui sistem de filtrare și regenerare pentru stații active de

metrou 3.1. Structura adoptată

3.2. Proiectarea invertorului de tensiune

3.3. Analiza funcționării și calculul parametrilor circuitului de separare

4. Comanda sistemelor de filtrare și regenerare pentru stații active de metrou 4.1. Structura de comandă în circuit închis

4.2. Tehnici de comandă a filtrelor active – bucla de reglare a curentului

4.3. Metode de control al curentului

4.4. Reglarea tensiunii din circuitul de curent continuu a filtrului activ

5. Modelarea și analiza sistemelor de filtrare și regenerare pentru stații active de metrou 5.1. Modelarea sistemului de regenerare și filtrare pentru substații de tracțiune de curent continuu

5.2. Modelarea și analiza sistemului substație de tracțiune cu redresor trifazat - filtru activ cu

control direct al curentului

5.3. Modelarea și analiza sistemului substație de tracțiune cu redresor duodecafazat - filtru activ

cu control direct al curentului

5.4. Modelarea sistemului substației de tracțiune cu redresor trifazat/duodecafazat pentru

tensiune sinusoidală/nesinusoidală si filtru activ cu control indirect al curentului

5.5. Studiul funcționării sistemului de reglare în regim de recuperare a energiei de frânare

6. Determinări experimentale 6.1. Descrierea standului experimental

6.2. Verificarea experimentală în regim de tracțiune

6.3. Verificarea experimentală în regim de regenerare

Concluzii

Bibliografie

Sisteme de filtrare și regenerare pentru stații active de metrou

3

Rezumat

Problema recuperării energiei cinetice aferentă procesului de frânare a trenurilor cu

acţionare electrică este pusă de multă vreme, iar dezvoltările recente din domeniul electronicii de

putere crează noi perspective de rezolvare. Importanţa ei este dată de necesitatea de eficientizare

şi reducere a consumului de energie electrică, dar şi de ponderea energiei ce poate fi regenerată.

Motoarele electrice de acţionare a trenurilor pot transforma această energie cinetică în

energie electrică. În prezent, numai o mică parte din energia electrică rezultată este reutilizată

pentru serviciile auxiliare. Energia rămasă poate să fie trimisă înapoi la reţea şi, prin urmare,

recuperată, doar în cazul în care un vehicul care accelerează se află în apropiere pe aceeaşi secţiune

de linie.

Dacă în apropiere nu este un alt tren care să absoarbă această energie, tensiunea de reţea

creşte şi această energie suplimentară trebuie să fie disipată în rezistenţe de frânare. S-au identificat

trei metode de recuperare a acestei energii: stocarea în echipamente mobile; stocarea în

echipamente fixe şi recuperarea în reţeaua de alimentare a substaţiilor de tracţiune.

Opiniile specialiştilor sunt unanime că soluția cea mai avantajoasă este de a recupera

surplusul de energie în staţiile de tracţiune şi compensarea armonicilor de curent şi puterii reactive,

prin materializarea conceptului de „staţie activă” [42]. Staţiile de tracţiune în c.c. furnizează curent

numai într-o singură direcţie și nu au capacitatea de a absorbi energia generată de vehiculul care

frânează.

O staţie reversibilă are capacitatea de a permite circulaţia puterii active în ambele sensuri,

dar conectarea la acelaşi transformator pe partea de medie tensiune afectează capabilitatea de

realizare a funcţiei de filtrare a armonicilor şi compensare a puterii reactive. Se ştie că principiul

de funcţionare a unui filtru activ impune ca tensiunea pe partea de c.c. să fie mai mare decât

amplitudinea tensiunii de linie de pe partea de c.a. și că performanțele sale sunt dependente de

diferenţa dintre cele două tensiuni.

De asemenea, calitatea curentului injectat în reţeaua de c.a. este dependentă de diferenţa

celor două tensiuni. Obţinerea unui factor de distorsiune armonică a curentului sub 5% impune cu

necesitate ca tensiunea pe partea de c.c. să fie mai mare decât amplitudinea tensiunii de linie de pe

partea de c.a., ceea ce face dificilă încadrarea în normele existente a valorilor factorului de

distorsiune armonică a curentului.

Spre deosebire de staţiile reversibile, noul sistem, numit "staţie activă", foloseşte noua

generaţie de componente electronice, de înaltă performanţă energetică (în special tranzistoare

bipolare cu poartă izolată – IGBT) şi permite nu numai recuperarea energiei, dar, de asemenea,

funcţii complementare precum: compensarea armonicilor din reţea, prin funcţionare ca filtru activ

de putere; compensarea activă a puterii reactive; compensarea dinamică a fluctuaţiilor tensiunii pe

linia de înaltă tensiune şi limitarea căderii de tensiune pe linia de alimentare [9], [11], [13].


4

De altfel, adoptarea de soluţii performante, precum compensatoarele active de putere, este

o preocupare de strictă actualitate, cu materializări diverse la nivelul structurii de putere şi al

sistemului de control.

Faptul că domeniul filtrării active are un potențial mare de dezvoltare, a determinat alegerea

temei tezei de doctorat, aceasta fiind structurată pe şase capitole de fond și un capitol de concluzii.

În primul capitol, sunt descrise conceptul și tehnologiile de recuperare a energiei electrice

precum și implementarea lor în sistemul public.

De asemenea sunt propuse contribuții aduse la realizarea unui sistem care permite

compensarea simultană a armonicilor de curent şi puterii reactive, dar şi recuperarea surplusului

de energie electrică rezultată, în linia de curent continuu, datorită procesului de frânare a

vehiculelor, către reţeaua de alimentare a substaţiilor de tracţiune în c.c. Acest sistem permite

transformarea substaţiilor de tracţiune în c.c. dotate cu redresoare necomandate în „substaţii

active”.

În continuare, sunt prezentate sistemele de regenerare și compensare în cazul “substațiilor

active”, împreună cu metodele de calcul a curentului ce se doreşte a fi absorbit din reţea în urma

filtrării active. Au fost preferate metodele de calcul a puterilor în domeniul timp din care fac parte

teoria p-q şi teoria sistemului de referinţă ortogonal rotitor sincron. Tot aici este prezentată o

sinteză privind definițiile puterii și compensarea în circuitele monofazate, respectiv trifazate, cu

tensiuni și curenți nesinusoidali.

Proiectarea părții de forță a unui sistem de filtrare și regenerare pentru substații active de

metrou este abordată în capitolul trei, plecându-se de la premiza că un filtru activ de putere cu

IGBT-uri, proiectat și conectat corespunzător reprezintă structura de bază a sistemului.

În capitolul patru este abordată comanda sistemelor de filtrare și regenerare pentru substații

de active de metrou ținând cont de tehnicile de calcul a curenților de referință și de metoda de

comandă a tranzistoarelor din componența filtrului. De asemenea, sunt tratate și metodele pentru

controlul direct, respectiv controlul indirect al curentului în cazul substațiilor de tracțiune active.

Capitolul cinci prezintă modelarea sistemelor de filtrare și regenerare și determinarea

performanțelor, prin simulare numerică în Matlab Simulink, folosind blocuri SimPowerSystems,

pentru substațiile de tracțiune cu redresor trifazat, respectiv duodecafazat alimentate în tensiune

sinusoidală cât și în tensiune nesinusoidală.

În capitolul şase au fost prezentate determinările efectuate pe un stand specializat pentru

studiul sistemelor de filtrare și regenerare destinate substațiilor de tracțiune de curent continuu.

Comanda și controlul întregului sistem de filtrare și regenerare este realizată de către calculatorul

industrial/placa de comandă și control dSpace DS1103. Este descris echipamentul utilizat,

instrumentaţia virtuală aferentă echipamentului, precum și validarea rezultatelor obținute prin

simulare atât pentru regim de tracțiune cât și pentru regim de regenerare.

Capitolul de concluzii sintetizează rezultatele semnificative conţinute în lucrare şi

contribuţiile originale.


5

Capitolul 1

Conceptul de recuperare a energiei de frânare, respectiv tehnologiile aferente și tipurile de

aplicații pentru implementarea lor în sistemul public fac obiectul primului capitol.

Deși majoritatea vehiculelor feroviare recente au capacitatea de a frâna, folosind tehnici

de frânare recuperativă, doar o mică parte din energia recuperată se poate reutiliza pentru

vehiculele electrice auxiliare. Energia rămasă poate fi trimisă înapoi în rețea și poate fi recuperată

numai în cazul în care un vehicul accelerează în apropiere, în caz contrar este disipată pe

rezistențele de frânare. Cantitatea de energie pe care o rețea de transport public este în măsură să

o absoarbă este condiționată în principal de probabilitatea de frânare și de accelerare simultană a

vehiculelor feroviare. În acest sens, o substație reversibilă de tracțiune în c.c. are capabilitatea de

a îmbunătăți puterea în linia de contact, pentru a regenera aproape complet energia de frânare.

Dintre principalele structuri pentru substațiile reversibile se pot enumera sistemul

HESOP și sistemul SIEMENS SITRAS – TCI.

De asemenea sunt propuse contribuții aduse la realizarea sistemului INGEBER de filtrare

și regenerare pentru stații active în c.c, care permite compensarea simultană a armonicilor de curent

şi puterii reactive. Sistemul permite și recuperarea surplusului de energie electrică rezultată, în

linia de curent continuu, datorită procesului de frânare a vehiculelor, către reţeaua de alimentare.

Capitolul 2

În continuare, sunt prezentate structura sistemelor de filtrare și regenerare pentru substații

active în c.c., respectiv metodele de calcul ale curentului ce se doreşte a fi absorbit din reţea în

urma filtrării active.

În urma calculului curentului prescris filtrului, acesta trebuie să furnizeze sarcinii necesarul

de curent armonic şi reactiv sau măcar o parte din acesta, astfel încât, din reţea să se absoarbă un

curent cu o formă dorită. Folosind fazorii reprezentativi ai acestor curenţi se poate scrie:

𝑖𝐹 = 𝑖𝑟 − 𝑖𝑠 (2.1)

unde, iF reprezintă fazorul curentului generat de filtrul activ, ir reprezintă fazorul curentului

absorbit din reţea iar iS fazorul curentului sarcinii.

Dintre metodele cele mai utilizate pentru calculul curentului compensator se pot enumera

teoria puterii aparente complexe instantanee, respectiv, teoria sistemului ortogonal rotitor sincron.

Conform primei teorii, puterea aparentă complexă instantanee este definită ca produsul

dintre fazorul reprezentativ ataşat tensiunilor de fază şi complex conjugatul fazorului reprezentativ

ataşat curenţilor:

𝑠 =3

2𝑢 ∙ 𝑖∗ (2.2)


6

Considerând proiecțiile pe axele reală și imaginară a fazorilor tensiunii și curentului, din

relația (2.2) se pot explicita componentele reală și imaginară ale fazorului puterii aparente:

[𝑝𝑞] =

3

2∙ [

𝑢𝛼 𝑢𝛽

−𝑢𝛽 𝑢𝛼] ∙ [

𝑖𝛼

𝑖𝛽] (2.3)

Deoarece în filtrarea activă este necesară determinarea componentelor activă și neactivă

ale curentului sarcinii neliniare, din relația (2.3) pot fi obținute componentele reală și imaginară

ale curenților activ și neactiv în funcție de componentele reală şi imaginară ale tensiunii rețelei şi

puterii sarcinii:

- Curentul activ:

𝑖𝑎𝑑 =2

3

𝑢𝑑

|𝑢|2 𝑝

𝑖𝑎𝑞 =2

3

𝑢𝑞

|𝑢|2 𝑝 (2.4)

- Curentul reactiv:

𝑖𝑟𝑑 =2

3

𝑢𝑞

|𝑢|2 𝑄

𝑖𝑟𝑞 = −2

3

𝑢𝑑

|𝑢|2 𝑄 (2.5)

- Curentul suplimentar datorat componentelor fluctuante ale puterii aparente:

𝑖𝑠 =2

3 𝑢𝑑𝑝~+𝑢𝑞𝑞~

|𝑢|2 + 𝑗

2

3 𝑢𝑞𝑝~−𝑢𝑑𝑞~

|𝑢|2 (2.6)

Conform metodei sistemului ortogonal rotitor sincron, pentru calculul curenţilor

compensatori este utilizată transformarea Park, care face trecerea din sistemul de coordonate

trifazat fix al curenţilor obţinuţi de la traductoarele de curent, într-un sistem bifazat ortogonal

rotitor cu o anumită viteză.

În urma folosirii acestei transformări, curenţii de pe cele două axe vor avea două

componente datorate curenților de pulsație [7]:

- o componentă continuă, egală cu viteza de rotaţie a ortogonalului.

- o componentă fluctuantă, diferită de viteza ortogonalului.

[𝑖𝑑

𝑖𝑞] =

2

3∙ [

cos 𝜃 cos (𝜃 −2𝜋

3) cos (𝜃 −

4𝜋

3)

− sin 𝜃 −sin (𝜃 −2𝜋

3) −sin (𝜃 −

4𝜋

3)

] ∙ [𝑖𝑎

𝑖𝑏

𝑖𝑐

] (2.7)

De obicei se folosesc atât filtru trece jos cât și filtru trece sus, pentru a extrage

componentele armonice. Astfel cu ajutorul transformării Park inverse, din componenta selectată


7

se obțin curenţii de referinţă. Această metodă prezintă avantajul că semnalele de referință generate

nu sunt afectate de o tensiune distorsionată, implicit crescând performanța de compensare.

Capitolul 3

În cazul proiectării părții de forță a unui sistem de filtrare și regenerare pentru substații

active de metrou se pleacă de la premiza filtru activ de putere cu IGBT-uri, proiectat şi conectat

corespunzător, reprezintă structura de bază a sistemului. În acest caz filtrului activ îi este asociată

capacitatea intrinsecă de a asigura o tensiune mărită, de valoare impusă, pe partea de curent

continuu.

Datele nominale ale substației de tracțiune Tensiunea liniei de medie tensiune: 20 kV;

Tensiunea catenarei: 750 V;

Transformatorul de tracţiune: 2 transformatoare Δ/ Δ; SN=1200kVA fiecare; 20kV/650V;

Redresor: 2 redresoare trifazate în punte, cu diode;

Tensiunea maximă la captatorul de curent 950 V curent continuu;

Curentul nominal 6000 A curent continuu.

În reţea pot apărea tensiuni de comutaţie de natură internă a căror amplitudine maximă nu

va depăşi valoarea de 1400V cu o lăţime maximă de 0,1 secunde şi o frecvenţă de repetiţie de 1

impuls /min.;

Frânare recuperativă în plaja de tensiune 600 – 950 V;

Puterea medie recuperată din linia de curent continuu, considerând recuperare 100%: având

valoarea de 2,2 MW;

Puterea maximă recuperată din linia de curent continuu considerând recuperare 100%:

având valoarea de 3,3 MW timp de 1 sec.

Pentru a se putea alege elementele semiconductoare de putere, într-o primă fază s-au

calculat mărimile caracteristice ale acestora, mărimi ce depind de convertorul static în care

elementele semiconductoare de comutație vor lucra. Aceste mărimi sunt dependente de tipul

convertorului static, de valorile nominale ale tensiunii și curentului de sarcină, precum și de gama

de reglaj și sunt date prin tema de proiectare.

Tensiunea din secundarul transformatorului de recuperare (𝑈𝑆𝑅) este egală cu tensiunea

din primarul transformatorului de tracţiune (U1t),

𝑈𝑆𝑅 = 𝑈1𝑡 = 20 𝐾𝑉 (3.1)

Puterea aparentă (𝑆𝑅2) se determină cu ajutorul puterii active ce trebuie recuperată (𝑃𝐶𝑅),

ținând cont că transformatorul lucrează cu factor de putere unitar.

𝑆𝑅2 = 𝜂𝑅𝑡 ∙ 𝑃𝐶𝑅 (3.2)


8

𝑃𝐶𝑅 = 2.2 𝑀𝑊 (3.3)

Valoarea medie a curentului prin tranzistor se calculează, considerând curentul prin

sarcină, de formă sinusoidală și în fază cu tensiunea (cazul cel mai defavorabil pentru invertor

deoarece lucrează la capacitate nominală).

𝐼𝑇𝐴𝑉 = 𝑓(𝐼𝑇 𝑅𝑀𝑆) = 𝑓(𝐼𝑅𝑀𝑆 𝑖𝑒𝑠𝑖𝑟𝑒) (3.4)

Tensiunea ce solicită tranzistorul în stare de blocare depinde de tensiunea pe condensatorul

de compensare (𝑈𝐷𝐶 𝐿𝑖𝑛𝑘) având aceeași valoare:

𝑈𝑏 = 𝑈𝐷𝐶 𝐿𝑖𝑛𝑘 (3.5)

Deoarece tensiunea în primarul transformatorului de recuperare are valoarea de:

𝑈1𝑅 = 480 𝑉 (3.6)

Rezultă ca tensiunea în partea de curent continuu a invertorului este:

𝑈𝐶𝑅 = 𝑈𝐷𝐶 𝐿𝑖𝑛𝑘 = 𝑈𝑏 = 950 𝑉 (3.7)

Curentul absorbit din linia de curent continuu se calculează în funcție de puterea recuperată

și tensiunea pe linie:

𝐼𝐶𝑅 =𝑃𝐶𝑅

𝑈𝐶𝑅=

2.2∙106

950= 2.315 ∙ 103[𝐴] (3.8)

Ținând cont că relația dintre curentul din partea de curent continuu a invertorului și cel din

partea de curent alternativ este:

𝐼𝐶𝑅 = 𝐼𝑑 =3√2

𝜋∙ 𝐼𝑁 (3.9)

𝐼𝑁 = 1714 [𝐴] (3.10)

Rezultă curentul mediu prin tranzistor

𝐼𝑇𝐴𝑉 =√2

𝜋∙ 𝐼𝑁 = 770 [A] (3.11)

Curentul mediu prin diodă se calculează plecând de la relația

𝐼𝐹𝐴𝑉 =1−𝑐𝑜𝑠Φ𝑚𝑎𝑥

√2𝜋∙ 𝐼𝑁 (3.12)

Ținănd cont de relația (3.9) rezultă:

𝐼𝐹𝐴𝑉 =1−0.85

√2𝜋∙ 𝐼𝑁 ≅ 58 𝐴 (3.13)

Alegerea modulului IGBT se va face impunând respectarea următoarelor relaţii,

considerând valorile mărimilor caracteristice [7], [21]:

catTAVsiNTAV IkI (3.14)


9

𝐼𝑇𝐴𝑉 𝑁 ∙ 2 ≤ 1600 𝐴

catCESsub VkU (3.15)

950 ∙ 2 ≤ 1900 𝑉

unde:

ITAV N - curentul mediu nominal printr-un tranzistor;

ITAV cat - curentul mediu maxim admisibil printr-un tranzistor;

ksi - coeficient de siguranţă în curent;

Ub - tensiunea ce solicită tranzistorul aflat în stare de blocare;

VCES cat - tensiunea maxim admisibilă ce poate solicita tranzistorul în stare de blocare;

ksu - coeficient de siguranţă în tensiune.

Pentru un curent mediu nominal prin tranzistor de 780 A, şi un coeficient de siguranţă în

curent de 2, rezultă un curent mediu suportat de tranzistor de minim 1600 A. În mod similar, pentru

tensiunea de 950 V, ce solicită tranzistorul în stare de blocare şi un factor de siguranţă în tensiune

de 2, rezultă o valoare minimă de catalog a parametrului VCES, de 1900 V.

Se alege în consecinţă modulul de tranzistoare bipolare cu poartă izolată fabricat de

EUPEC, tip CM1600HC-34H, având următoarele date principale de catalog [14]:

ICM = 1600 A - curentul mediu nominal al dispozitivului;

ICRM = 3200 A - curentul maxim (de şoc) suportat în mod repetitiv;

Pt = 2850 W - puterea disipată maximă;

VCES = 1700 V - tensiunea maximă suportată în stare de blocare;

VCE sat = 3,10 V - căderea de tensiune în conducţie

Eoncat = 540 mJ - energia necesară amorsării;

Eoffcat = 580 mJ - energia necesară dezamorsării;

ton = 1,6 s - timpul de amorsare;

toff = 2,7 s - timpul de dezamorsare;

Rth JC = 0,010W

K - rezistenţa termică joncţiune-capsulă;

Rth CR = 0,008W

K - rezistenţa termică capsulă-radiator.

Pentru dimensionarea radiatorului de răcire pe care va fi montat modulul de tranzistoare,

este necesar a fi realizată verificarea la încălzire a ansamblului tranzistor radiator. În acest sens,

pierderile totale pe dispozitivul semiconductor sunt calculate cu relaţia [21]:

offcont PPPP (3.16)

Unde:

Pon - reprezintă pierderile la intrarea în conducţie a tranzistorului;

Pc - pierderile în conducţie ale tranzistorului;

Poff - pierderile la blocarea tranzistorului.


10

De asemenea la dimensionarea circuitului de protecție datorită inductivității din primarul

transformatorului de recuperare, apar supratensiuni de comutație ce solicită suplimentar modulele

IGBT și diodele redresorului. Pentru analiza pe model a funcționării circuitului de protecție la

supratensiuni de comutație, a fost realizat modelul Simulink ilustrat în fig. 3.1.

Fig. 3.1. Modelul Simulink pentru verificarea funcționării circuitului de protecție

la supratensiuni de comutație

Modelul conține doar componenta simplificată a filtrului activ, ca parte componentă a

substației active de tracțiune în curent continuu, și anume blocul invertorului trifazat cu

tranzistoare bipolare cu poartă izolată, filtrul de interfață de ordinul I al filtrului activ, generatorul

curenților de referință, circuitul intermediar de curent continuu, regulatorul de curent cu histerezis,

respectiv sarcina invertorului.

Este astfel simulată situația cea mai defavorabilă în care substația lucrează în regim de

regenerare, regimul cel mai solicitat pentru invertor.

Invertorul este comandat prin intermediul unui regulator trifazat de curent cu histerezis, a

cărui bandă a fost aleasă circa 5 % din curentul nominal, în valoare de 1714 A.

primar transformator

regenerare

Continuous

powergui c - zi

V+

V-

R

S

TModul IGBT

FZ1500R33HE3

Three-phase inverter

Tester

iRST

*

iRST

c - zi

Regulator

histerezis

trifazat

Memory

iR

*

iS

*

iT

*

Generator sistem trifazat

de curenti sinusoidali

de referinta

K1 IFab

u1FA

B

C

a

b

c

Filtru de interfata

DC Voltage Source


11

Sarcina invertorului ce constituie transformatorul de regenerare a fost înlocuită cu un

consumator pasiv RL în conexiune stea având parametrii similari. Astfel formele de undă

corespunzătoare tensiunii și curentului la ieșirea invertorului sunt ilustrate în fig. 3.2.

Fig. 3.2. Tensiunea și curentul la ieșirea invertorului

Se constată că funcționarea invertorului pe baza parametrilor stabiliți prin proiectare este

corectă, după cum rezultă din analiza formelor de undă, atât la ieșirea invertorului cât și a căderii

de tensiune pe tranzistoarele din componența invertorului ilustrat în fig. 3.3.

Fig. 3.3. Căderea de tensiune pe unul din tranzistoarele invertorului

Schema echivalentă a circuitului de separare se utilizează pentru analiza funcţionării și

determinarea modelului matematic. Ansamblul liniei de tracțiune-vehicul și rezistenţele aferente

celor două inductanţe se neglijează (Fig. 3.4).


12

Fig. 3.4. Schema echivalentă a circuitului de separare

și locul său în fluxul energetic

Pentru calculul capacității de compensare, efectele circuitului de separare asupra

ansamblului linie de curent continuu-vehicul și asupra curentului generat în partea de curent

alternativ au o implicație directă în determinarea relațiilor de dimensionare. Astfel, cu cât pulsațiile

curentului sunt mai reduse, cu atât fenomenele în ansamblul linie de curent continuu-vehicul sunt

mai puțin influențate calitativ.

Capitolul 4

Rolul părţii de comandă a filtrului activ este să genereze semnalele necesare comenzii

tranzistoarelor din partea de forţă, primind la intrare curenţii de referinţă ce trebuie compensaţi,

respectiv, curenţii măsuraţi la ieşirea invertorului, comanda realizându-se în mod normal, în buclă

închisă (fig. 4.1). Performanţa unui filtru activ este afectată semnificativ şi în egală măsură, de

tehnicile de calcul a curenţilor de referinţă şi de metoda de comandă a tranzistoarelor din

componenţa filtrului [11], [13].

Fig. 4.1. Schema generală a buclei de reglare a curentului

unde:

- Ri - regulator de curent

- Ti - traductor de curent


13

Uzual, în tehnica filtrării active, regulatorul de curent din schemă poate fi de tip

proporţional - integrator urmat de un modulator PWM sau cu histerezis.

În cazul metodelor de control a curentului există două abordări:

- controlul direct al curentului reprezintă abordarea clasică tipică filtrării active

conform căreia bucla de reglare a curentului controlează curentul debitat de către

filtrul activ în punctul comun de conectare, astfel, mărimea de intrare în buclă este

curentul compensator necesar;

- controlul indirect al curentului, este o abordare mai nouă, conform căreia bucla de

reglare a curentului controlează curentul absorbit din rețea de către întreg sistemul

de filtrare activă, astfel, mărimea de intrare în buclă este curentul dorit la rețea.

Pentru controlul direct al curentului se pot observa în figură cele două bucle de reglare,

adică bucla de reglare a curentului debitat de filtrul activ, respectiv bucla de reglare a tensiunii pe

condensatorul de compensare.

Fig. 4.2. Blocul de comandă al filtrului activ pentru controlul direct al curentului

Modelul poate funcționa în două moduri:

- Tracțiune / compensare - când blocul DC Machine funcționează în regim de motor


14

În acest caz, redresorul de tracțiune trifazat este funcțional consumand energie din rețeaua

de alimentare și alimentand catenara. La rândul său, compensatorul activ este în modul de

filtrare, compensând distorsiunea și puterea reactivă absorbită de redresorul de tracțiune.

Curentul rețelei este aproape sinusoidal în fază cu tensiunea.

- Frânarea / recuperarea - când blocul DC Machine acționează ca și cand trenul decelerează.

În acest caz, redresorul de tracțiune trifazat este blocat, tensiunea pe catenara crește,

deschizând circuitul de interfață compensator. In acest caz, energia se transmite de la

catenara la condensatorul de compensare și în continuare la rețeaua electrică prin invertorul

de putere și transformatorul de compensare. De asemenea, curentul rețelei este sinusoidal,

dar fiind in antifază, puterea este transferată de la catenara la rețeaua electrică.

În cazul controlului indirect al curentului, similar cu modelul din fig. 4.2 am modificat

structura filtrului activ prin înlocuirea blocului de comandă.

Fig. 4.3. Blocul de comandă al filtrului activ pentru controlul indirect al curentului

Structura buclelor de reglare este similară controlului direct cu două diferențe

fundamentale:

- pe intrarea de prescriere a regulatorului de curent nu se mai aplică curentul ce trebuie

injectat în punctul comun de colectare de către filtrul activ, ci curentul dorit la rețea; de

asemenea, pe intrarea de reacție a regulatorului de curent cu histerezis nu se mai aplică


15

curentul debitat de către filtrul activ, ci curentul absorbit din rețea de către întreaga

substație activă de tracțiune.

- în cazul considerat nu a mai fost necesar calculul curentului compensator în bucla de reacție

a curentului decât curentul prescris de regulatorul de tensiune ce în acest caz nu mai are

semnificație de curent de încărcare a condensatorului de compensare ci semnifică curentul

dorit la rețea.

Capitolul 5

Sistemul de regenerare și filtrare ale cărui părți componente au fost fundamentate respectiv

dimensionate în capitolele anterioare, a fost analizat prin simulare numerică în mediul de

programare Matlab Simulink. În acest sens a fost construit modelul din fig. 5.1, cu blocuri

SimPowerSystems ce permit o modelare în detaliu a componentelor sistemului.

Fig. 5.1. Modelul complet pentru sistemul de regenerare și filtrare pentru substații de

tracțiune de curent continuu


16

Modelul conține următoarele părți componente:

- Rețeaua trifazată de medie tensiune, 20 kV;

- Substația de tracțiune de curent continuu cu redresor trifazat în punte;

- Linia de curent continuu ce modelează inclusiv trenul în regim de accelerare, frânare;

- Transformatorul de regenerare în conexiune Y-Y;

- Filtrul de interfață de ordinul I;

- Invertorul trifazat în punte cu IGBT, realizat cu tranzistoare discrete (nu bloc universal

bridge ce modelează doar ansamblul invertorului), a căror parametrii au fost adaptați foii

de catalog a tranzistorului CM1600HC-34H;

- Circuitul de separare între invertor si linia de curent continuu ce înglobează condensatorul

de compensare, inductivitatea tampon, dioda de separare (a căror parametrii au fost adaptați

foii de catalog a diodei RA20064816).

Analiza funcționării modelului a fost făcută în regim staționar al acestuia, ceea ce presupune

următoarele aspecte:

- substația de tracțiune este în regim de regenerare, ceea ce semnifică că trenul frânează cu

o accelerație de frânare impusă, rezultând o creștere a tensiunii pe linia de curent continuu;

- sistemul de regenerare si filtrare pentru substații de tracțiune de curent continuu este în

regim normal de funcționare, adică este cuplat atât la rețeaua de medie tensiune prin

intermediul transformatorului de regenerare cât și la linia de curent continuu prin

intermediul cicuitului de separare; de asemenea condensatorul de compensare este încărcat

la tensiunea normală de lucru de cca 925 V;

- faptul că trenul este în frânare maximă determină creșterea tensiunii pe linia de curent

continuu la cca 950 V, ce determină mai departe deschiderea diodei de separare și

încărcarea condensatorului de compensare din linia de curent continuu, la o tensiune

apropiată de tensiunea liniei;

- bucla de reglare a tensiunii pe condensatorul de compensare va încerca reducerea tensiunii

pe acesta la valoarea prescrisă de cca. 925 V, ceea ce determină prescrierea către bucla de

relgare a curentului a unui curent aproximativ sinusoidal (de forma tensiunii retelei) și în

antifază cu tensiunea rețelei; cu alte cuvinte pentru a descărca condensatorul de

compensare și a readuce tensiunea la valoarea prescrisă bucla de reglare a tensiunii va

determina injectarea în rețeaua de medie tensiune a unui curent activ, deci puterea

mecanică de frânare transferată în condensatorul de compensare sub formă de energie

electrică este în final recuperată în urma transferului acesteia în rețeaua electrică de

distribuție;

- modelul a fost astfel dimensionat încât toată energia mecanică de frânare să fie recuperată

deci sistemul de regenerare și filtrare pentru substații de tracțiune de curent continuu


17

lucrează la capacitatea nominală; deoarece în practică este puțin probabil să se atingă exact

acest punct de funcționare, se disting două situații:

o puterea mecanică transferată în linia de curent continuu este mai mică decât puterea

nominală a sistemului de regenarare și filtrare pentru substații de tracțiune de curent

continuu, caz în care curentul debitat în rețea este și el mai mic decât curentul nominal;

o puterea mecanică transferată în linia de curent continuu este mai mare decât puterea

nominală a sistemului de regenarare și filtrare pentru substații de tracțiune de curent

continuu, caz în care curentul debitat în rețea este limitat la valoarea nominală a

sistemului care va debita în rețea cât timp tensiunea pe linia de curent continuu este

mai mare decât tensiunea în regim de tracțiune; în această situație deoarece doar o

parte din energia mecanică este recuperată, sistemul de regenerare si filtrare va produce

doar o scădere parțială a tensiunii pe linia de curent continuu; pentru a evita creșterea

necontrolată a tensiunii pe linie pentru scurte durate de timp cât energia mecanică de

frânare este foarte mare (două sau mai multe trenuri frânează concomitent), este

necesară implementarea unor măsuri suplimentare de genul: sincronizarea

programului de circulație a trenurilor astel încât energia de frânare să nu depașească

capacitatea nominală de încărcare a sistemului de filtrare și regenerare pentru substații

de tracțiune de curent continuu, sau disiparea surplusului de energie mecanică de

frânare pe rezistențe de frânare montate în compunerea sistemului de regenerare și

filtrare sau a trenurilor.

Sinteza studiilor efectuate prin simulare numerică pe model pentru

comanda sistemului de filtrare și regenerare pe baza controlului direct, respctiv

indirect a curentului.

Performanțele obținute de sistemul de filtrare au fost studiate comparativ pentru cele

două metode de control a curentului, direct și indirect. De exemplu pentru cazul substației de

tracțiune cu redresor trifazat clasic cu puterea nominală de 2,2 MVA rezultatele obținute sun

prezentate în continuare.

Puterea activă absorbită din rețea este de aproximativ 2,2 MW, aproape de puterea

nominală. Atunci când stația utilizează sistemul de filtrare activă, curentul absorbit din rețea la

funcționarea în regim de tracțiune este ilustrat în fig. 5.2.

Considerând o rețea puternică, tensiunile pe toate fazele sunt sinusoidale. Distorsiunea

armonică a curentului absorbit de stația activă, depinde de performanța filtrului activ, factorul total

de distorsiune armonică a curentului fiind redus de la 25,23% înainte de compensare la 8,84%

după compensare. Aceasta oferă o eficiență de filtrare de 2,85.


18

Fig. 5.2. Curentul și tensiunea absorbite din rețea pentru tensiune sinusoidală

Pentru aceeași substație de tracțiune dar comanda sistemului de filtrare activă făcându-se

pe baza controlului indirect al curentului rezultatele obținute prin simulare sunt ilustrate în fig. 5.3.

Fig. 5.3. Curentul și tensiunea absorbite din rețea pentru tensiune sinusoidală

Calitativ pe baza formelor de undă se constată faptul că filtrarea este mai eficientă decât în

cazul anterior. Acest lucru se poate confirma cantitativ pe baza indicatorului de calitate a energiei

și anume:

o Factorul total de distorsiune armonică a curentului de la rețea este de 3,31 %

redus de la 21,15%

o Rezultă o eficiență a filtrării de 6,42.

1.97 1.98 1.99 t [s]-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

ia

ib

ic

ua

ub

uc

0.97 0.98 0.99 t [s]-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

ia

ib

ic

ua

ub

uc


19

Pentru o analiză calitativă, privind toate cazurile studiate, rezultatele obținute prin simulare

sunt sintetizate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1:

Control

direct

Usin 6p

Control

direct

Unesin 6p

Control

direct

Usin 12p

Control

direct

Unesin 12p

Control

indirect

Usin 6p

Control

indirect

Unesin 6p

Control

indirect

Usin 12p

Control

indirect

Unesin 12p

THDir

8,84% 7,29 % 3,92 % 4,47 % 3,31 % 3,76 % 1,17 % 3,26 %

THDist

25,23% 24,86 % 11,46 % 11,19% 21,15% 21 % 10,45 % 10,45 %

THDur

0 3,06 % 0 3,06 % 0 3,06 % 0 3,06 %

EF

2,85 3,41 2,92 2,49 6,42 5,5 8,22 3,14

Capitolul 6

În acest ultim capitol au fost prezentate determinările experimentale efectuate pe un stand

specializat pentru studiul sistemelor de filtrare și regenerare destinate substațiilor de tracțiune de

curent continuu. O imagine de ansamblu a acestuia este ilustrată în fig. 6.1 și conține următoarele

părți componente:

- Modul de conexiune la rețea – punct comun de conectare;

- Substația de tracțiune:

o autotransformator trifazat reglabil;

o redresor trifazat în punte necomandat;

- Filtrul activ de putere:

o transformator de recuperare în conexiune triunghi – stea;

o modul de încărcare pasivă a filtrului activ;

o invertorul trifazat;

o modul de interfață cu linia de curent continuu;

- Osciloscoape digitale (Tektronix MSO 4104 și Metrix OX7042M);

- Calculator industrial ce conține placa de comandă și control dSpace DS1103 (ce

realizează integral partea de comandă a filtrului activ – primește semnalele analogice

de la traductoarele din sistem și pe baza algoritmului implementat generează

impulsurile de comandă pe grilă a tranzistoarelor din invertor);

- Mașină de curent continuu (vehiculul conectat la catenară);

- Mașină sincronă trifazată cu excitație electromagnetică (sarcina mecanică a mașinii de

curent continuu);

- Aparate de măsură pentru monitorizarea punctelor statice de funcționare ale mașinilor

electrice utilizate.


20

Fig. 6.1. Standul experimental al sistemului de filtrare și regenerare pentru substații

active de tracțiune de c.c.

Comanda și controlul întregului sistem de filtrare și regenerare este realizată de către

calculatorul industrial/ placa de comandă și control dSpace DS1103 pe baza algoritmului de

comandă implementat prin intermediul unui panou de comandă virtual. Acest panou este

implementat în software-ul dedicat al plăcii dSpace (control desk) și permite controlul sistemului

prin controlul valorilor atribuite unor variabile Simulink din agloritmul de comandă. Controlul

acestor variabile este realizat cu ajutorul unor instrumente virtuale legate de variabilele Simulink.

Monitorizarea stării sistemului se face în două moduri:

- prin oscilografierea semnalelor instantanee variabile în timp pe osciloscoape virtuale

(plottere) dispuse pe panoul virtual și legate de semnale Simulink calculate în

algoritmul de comandă, sau primite de la traductoarele din sistem.

- pe baza aparatelor virtuale de măsură și control numerice sau cu ac indicator dispuse

pe panoul virtual. Acestea vor afișa mărimi medii sau efective ale semnalelor

monitorizate (trebuie precizat faptul că mărimile afișate nu sunt calculate de către

instrumentele virtuale, ci în modelul Simulink folosind blocurile corespunzătoare de

calcul a valorii medii sau efective.

Pentru verificarea experimentală a corectitudinii implementării algoritmilor de comandă

precum și pentru validarea rezultatelor obținute prin simulare au fost realizate două experimente

echivalente cu simulările efectuate:

- verificarea experimentală în regim de tracțiune al substației;

- verificarea experimentală în regim de regenerare al substației.


21

În cazul verificării experimentale în regim de tracțiune al substației a fost adoptată metoda

controlului indirect al curentului la încărcarea condensatorului de compensare. Filtrul activ a

realizat automat filtrarea curentului absorbit de autotransformatorul de tracțiune.

În urma achiziției realizate cu placa dSpace rezultă un fișier Matlab de tip Workspace ce

conține toate semnalele oscilografiate virtual/achizițioante sub forma unor vectori Matlab. Acestea

au fost utilizate pentru reprezentarea grafică folosind facilitățile Matlab dar și pentru analiza

numerică a semnalelor studiate, folosind în acest scop un model Simulink.

Astfel tensiunea și curentul absorbite de autotransformatorul de tracțiune în acest regim de

funcționare sunt ilustrate în fig. 6.2.

Fig.6.2. Formele de undă ale tensiunii și curentului la bornele autotransformatorului de

tracțiune achiziționate cu osciloscopul Tektronix MSO 4104

Formele de undă ale tensiunii și curentului absorbite din rețea sunt ilustrate în fig. 6.3. Se

poate observa că acestea pot fi urmărite în timp real pe ecranul osciloscopului, respectiv pe

plotterele din panoul virtual, sau reprezentate grafic ulterior în Matlab.


22

a)

b)

Fig. 6.3. Formele de undă ale tensiunii și curentului la rețea în regim de tracțiune/filtrare:

a) achiziționate cu osciloscopul Metrix OX70442-M

b) achiziționate cu placa dSpace DS1103

Cel de-al doilea experiment efectuat a corespuns funcționării sistemului în regim de

recuperare a energiei pentru punct de funcționare corespondent cazului anterior (aproximativ

aceeași putere vehiculată). Pentru trecerea de la regimul de tracțiune la regimul de recuperare a

energiei, a fost redusă tensiunea de alimentare a mașinii de curent continuu și crescută tensiunea

electromotoare indusă a motorului simulând astfel intrarea vehiculului conectat la linia de c.c. în

regim de frână. Prin aducerea mașinii de c.c. în regim de frână recuperativă energia mecanică

absorbită din rețea de mașina sincronă și transferată mașinii de c.c., ce funcționează ca generator,

este transferată condensatorului de compensare producând creșterea tensiunii la bornele acestuia.

Formele de undă ale tensiunii și curentului rețelei în acest regim de funcționare sunt

ilustrate în fig. 6.4.

0.024997 0.0366637 0.0483303 t [s]-15

-10

-5

0

5

10

15

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

ia

ib

ic

ua

ub

uc


23

a)

b)

Fig. 6.4. Formele de undă ale tensiunii și curentului la rețea în regim de recuperare a

energiei: a) achiziționate cu osciloscopul Metrix OX70442-M;

b) achiziționate cu placa dSpace DS1103

În ansamblul tezei, contribuţiile personale pot fi sintetizate în două planuri.

A. Contribuţii în plan teoretic:

1. Realizarea unui studiu sintetic asupra stadiului actual, a soluțiilor existente dar și a

direcțiilor de cercetare în domeniul substațiilor de tracțiune în curent continuu.

2. Studiul unor metode specifice de decompoziție a curentului pentru calculul curentului

compensator necesar, atunci când substația activă funcționează în regim de tracțiune

(teoria p-q, teoria sistemului de referință ortogonal rotitor sincron, teoria componentelor

fizice ale curentului) și elaborarea modelelor Simulink corespunzătoare calculului

0.024997 0.0366637 0.0483303 t [s]-15

-10

-5

0

5

10

15

-400

-200

0

200

400

ia

ib

ic

ua

ub

uc


24

curentului compensator corespunzătoare teoriei p-q și teoriei sistemului ortogonal rotitor

sincron.

3. Proiectarea părții de forță a unui sistem de filtrare și regenerare pentru o situație concretă

(substații active de tracțiune destinate liniilor de metrou).

4. Elaborarea modelelor Simulink corespunzătoare buclelor de reglare a curentului generat

de către filtrul activ, respectiv a tensiunii pe condensatorul de compensare, pentru

controlul direct al curentului.

5. Elaborarea modelelor Simulink (SimPowerSystems) complete ale substațiilor de tracțiune

clasice cu redresoare necomandate trifazate, respectiv duodecafazate.

6. Elaborarea modelelor Simulink ale sistemelor de filtrare activă pentru fiecare caz studiat,

incluzând modelele complete ale filtrului activ (buclele de reglare şi partea de forţă) şi ale

sarcinilor neliniare utilizate (substațiile clasice de tracțiune).

B. Contribuţii în plan experimental:

1. Utilizarea platformei dSpace DS1103 pentru controlul unui model de laborator al

sistemului de filtrare și regenerare.

2. Completarea panoului virtual de comandă al sistemului experimental de filtrare și

regenerare pentru platforma dSpace DS1103 şi interconectarea acestuia cu variabilele de

intrare şi de ieşire ale modelelor Simulink corespunzătoare.

3. Realizarea unei analize comparative prin simulare şi pe baza datelor experimentale, între

performanţele filtrării active obţinute pentru controlul indirect al curentului la

funcționarea substației în regim de tracțiune.

4. Realizarea unei analize comparative prin simulare şi pe baza datelor experimentale, între

performanţele recuperării energiei de frânare obţinute pentru controlul indirect al

curentului la funcționarea substației în regim de regenerare.

TEZĂ DE DOCTORAT · a îmbunătăți puterea în linia de contact, pentru a regenera aproape...

Documents

Transcript of TEZĂ DE DOCTORAT · a îmbunătăți puterea în linia de contact, pentru a regenera aproape...