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Filtro de Harmônicos Híbridos
1
Disciplina: Condicionadores de Energia- CEN
Professor: Marcello Mezaroba
Mestrandos: Everton Peres Correa
Marcus Vieira Soares
2016
Filtros de Harmônicos Híbridos
Composto por um filtro passivo sintonizado e um filtro ativo;
Apontados como solução plausível para compensação harmônica com
baixo custo e elevada eficiência;
O filtro ativo possui baixa potência nominal enquanto que o filtro passivo
processa a maior parcela de potência;
O filtro passivo cria um caminho de baixa impedância para componentes
harmônicas de corrente na qual encontra-se sintonizado;
Quando um filtro passivo paralelo opera com um filtro ativo paralelo visa-
se a compensação de harmônicos na corrente;
Quando o mesmo opera com um filtro ativo série visa-se a compensação
de harmônicos na tensão;
A metodologia de projeto de potência de filtro híbridos é similar às de
filtro passivos shunt e filtro ativos, porém procura-se um menor
processamento de potência pelos dispositivos chaveados;
3
Filtro Ativo Paralelo + Filtro Ativo Sintonizado
Características:
• Filtro Passivo compensa harmônicos de baixa frequência;
• Filtro Ativo compensa harmônicos de alta frequência;
• Potência do FAP é reduzida;
• Tensão do FAP é a mesma do PCC;
3
4
Equações para os projeto de Filtro passivos shunt
2
1
2222
12
1
22
1 IKILhIRIKRIKI
IKR hhshshs
hh
hh
h
QRL h
h
h
hh
Lh
QRC
22
h: ordem do harmônico
Rh: resistência série do filtro para o harmônico h
Kh: valor máximo permitido para o harmônico h (% de I1)
I1: valor eficaz da fundamental da corrente do alimentador
Ih: valor eficaz do harmônico h da corrente do alimentador
Rs, Ls: resistência e indutância série do alimentador
ω: frequência angular da tensão do alimentador
Resistência do
filtro sintonizado:
Indutância do
filtro sintonizado:
Capacitância do
filtro sintonizado:
Malha de Controle
Malha de controle do FAP (Similar a da operação singular)
5
Especificações dos Dispositivos
6
𝑃0 (potência da carga) 30,06 k𝑊
𝑓𝑠 (Frequência de comutação) 50 k𝐻𝑧
𝑉0 (Tensão do barramento CC) 800V
∆𝑉0(Ondulação de tensão máxima no barramento) 1%
∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%
fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz
𝑃𝐹𝐴 (Potência Nominal do Filtro Ativo) 3 kVA
𝑆𝑡𝑟𝑓 (Potência nominal do trafo) 45 𝑘𝑉𝐴
𝑍𝑡𝑟𝑓 (Impedância do trafo) 6%
𝑆𝑜 (Potência nominal das cargas) 45 𝑘𝑉𝐴
Carga resistiva 20% 𝑆𝑜
Carga RL 30% 𝑆𝑜
Retificador 3φ com filtro capacitivo e carga RC 30% 𝑆𝑜
Retificador 3φ controlado com carga L (α=60°) 20% 𝑆𝑜
Equações de Projeto FAP
7
2
/ 3746
2 .
oo
b b
PC F
f V V
8674
bMIN
L s
VL H
I f
16,333
2ns s
s s
f C FL C
64
ss s
ns s
RR
f L
Planta de Corrente:
_
( )( )
( )
fs bis PWM i s
fss
i s VG s K K
sLd s
1 1
k 2
SV rdVT
SI B B
K VG
V s C
Planta de Tensão de Barramento
1 1
k 2
SVVD
SI B
KG
s C
Planta de Tensão Diferencial
Capacitor do barramento(Co):
Indutor do Filtro de saída (Lf):
Capacitor do Filtro de Saída (Cf):
Resistor do Filtro de Saída (Rf):
Dimensionamento de componentes Modelos das plantas a serem
controladas
Diagramas de bode
Malha da tensão total de barramento Malha da tensão diferencial
Para a planta de corrente foi utilizado um ganho do tipo proporcional unitário.
-100
-50
0
50
100
150
Ga
nho
(d
B)
10-2
10-1
100
101
102
103
104
-180
-135
-90
-45
0
Fa
se
(d
eg
)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
Gvt
Cvt
FTMAvt
-100
-50
0
50
100
150
Ga
nho
(d
B)
10-2
10-1
100
101
102
103
104
-180
-135
-90
-45
0
Fa
se
(d
eg
)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
GV
CV
FTMAv
Simulação
Circuito do sistema a ser compensado
9
Simulação
Simulação
Malha de Controle Implementada no Circuito de Simulação
11
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-200
-400
200
400
Iph_R V_Ph_R
Tensão e Corrente Não Compensado
Corrente e Tensão Compensado com o Filtro Sintonizado
13
THDi
2,06%
THDv
3,16%
0
-200
-400
200
400
V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R Iph_S Iph_T
0
-20
-40
20
40
I_Cap_R I_Cap_S I_Cap_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
IcargaR Iph_R I_Cap_R
Corrente
dos filtros
passivos
Tensão e Corrente Compensado com o FAP
14
0
-200
-400
200
400
V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R Iph_S Iph_T
0-10-20-30
102030
I_Cap_R IconvR
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R IcargaR IconvR+I_Cap_R
THDi
1,71%
THDv
2,37 %
Amplitude dos Harmônicos de Corrente e Tensão compensado FHP
16
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
per
cen
tual
[%
]Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
per
cen
tual
[%
]
Harmônicas da corrente rede com compensação
Irede
IEEE 519
Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
16
Os filtros passivos shunt apresentam uma impedância alta na frequência
fundamental e uma impedância muito baixa para os harmônicos, evitando
que eles circulem pela impedância da rede;
No entanto, certo pontos fracos são apresentados:
• Seu funcionamento é altamente dependente da impedância da fonte,
que não é precisamente conhecida;
• Pode entrar em ressonância com a impedância da fonte e assim
ampliar a amplitude dos harmônicos;
A associação do filtro passivo shunt com o filtro ativo série reduz as
deficiências que uma ou outra estrutura operadas isoladamente possam
ter.
A impedância do filtro passivo deve ser menor que a impedância da fonte
na frequência de sintonia para permitir a atenuação requerida.
O filtro ativo funciona como uma alta impedância nas frequências de
sintonia do filtro passivo;
Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
Topologia básica (esquema unifilar e circuito equivalente monofásico)
Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
• Para o projeto de controle do filtro ativo é necessário obter apenas
uma parcela de componentes das harmônicas, assim evitando de
corrigir a componente da fundamental.
• Utiliza-se, portanto, um filtro rejeita faixa de segunda ordem na
medição da corrente da carga
• Um fator K é determinado de modo a emular uma resistência para
as múltiplas frequências, permitindo que a impedância da fonte
seja maior em relação a impedância do filtro passivo shunt.
Variáveis de Projeto
19
Parâmetros Valores
Vs (Tensão do alimentador fase-neutro) 230 V
frd (Frequência da Rede) 50 Hz
Rs (Resistência série da rede) 70,56mΩ
Ls (Indutância série da rede) 673,54μH
∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%
fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz
So (Potência Total das Cargas) 45kVA
Porcentagem de So Cargas
20% Resistiva
30% Resistiva-indutiva
30% Retificador 3ϕ com filtro C e carga resistiva
20% Retificador controlado com carga fortemente
indutiva (α=60°)
8674
bMIN
L s
VL H
I f
16,333
2ns s
s s
f C FL C
64
ss s
ns s
RR
f L
Planta de tensão do transformador (com
relação unitária) por razão cíclica do FAS:
Indutor do Filtro de saída (Lf):
Capacitor do Filtro de Saída (Cf):
Resistor do Filtro de Saída (Rf):
Equações do projeto do FAS
11
)(2
sCRsCL
VsG
ff
ff
cc
Diagramas de bode
-150
-100
-50
0
50
100
Ga
nho (
dB
)
101
102
103
104
105
106
-180
-135
-90
-45
0
45
Fase (
deg)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
GV
CV
FTMAv
Malha da tensão do transformador do FAS
Simulação – Circuito do Sistema
• 1ª simulação sem compensação e fonte de 5ª e 7ª harmônica;
• 2ª simulação desconsidera-se as fontes de 5ª e 7ª harmônica e aplica-se os
• dispositivos de compensação;
• 3ª simulação considera-se o circuito por completo;
Simulação – Sistema de Compensação
Simulação – Sistema sem Compensação
Tensão do PAC
apresenta
THD=6,55%
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [
%]
Harmônicas da tensão do PAC rede sem compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
0.8 0.81 0.82 0.830.8
4Time (s)
0
-200
-400
200
400
Va_pac Vb_pac Vc_pac
Simulação – Sistema sem Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
Corrente do
PAC apresenta
THD=8,95%
Harmônicas acima
dos limites: 5ª,7ª,
11ª,13ª
0.8 0.81 0.82 0.83 0.84Time (s)
0
-
50
-
100
50
10
0
Ia_rede Ib_rede Ic_rede
Simulação – Sistema com Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [
%]
Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
Componentes de
tensão nos limites
impostos pela
norma
THDv : 2,67%
Simulação – Sistema com Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
THDi : 2,3%
Simulação – Sistema com Compensação com
adição de harmônicos na rede
Correção
significativa em
relação aos
harmônicos da
rede
THDv : 3%
Simulação – Sistema com Compensação com
adição de harmônicos na rede
Referências
[1] Akagi, H., "New trends in active filters for power conditioning," Industry
Applications, IEEE Transactions on , vol.32, no.6, pp.1312,1322, Nov/Dec 1996
[2] Fang Zheng Peng; Akagi, H.; Nabae, A., "A new approach to harmonic
compensation in power systems-a combined system of shunt passive and series
active filters," Industry Applications, IEEE Transactions on , vol.26, no.6,
pp.983,990, Nov/Dec 1990
[3] Hideaki Fujita and Hirohmi Akagi, “A Practical Approach to Harmonic
Compensation in Power Systems-Series Connection of Passive and Active Filters”
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 21, NO. 6,
NOVEMBER/DECEMBER 1991.
[4] BUSARELLO, TIAGO D. C. ; DA SILVA, NEWTON ; VENDRUSCULO, EDSON A. ;
POMILIO, JOSE ANTENOR . A control approach based on frequency response for
line harmonic current mitigation using hybrid active power filter, 2012. p. 237-243.
30
Referências
[5] Z. Chen,F. Blaabjerg and J.K, Perdesen, “a study of parallel operation of Active
and Passive Filters”, IEEE Trans. On Industry Applications, vol 2, pp.1021-1026,
2002.
[6] M.H. Rashid, Power Electronics Handbook: Devices, Circuit and Applications,
Elsevier – Academic Press, 2nd Edition, New York, USA, 2006.
[7] Z. Chen, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, “Harmonic Resonance with a Hybrid
Compensation System in Power Systems with Dispersed Generation”, IEEE 35th
Annual Power Electronic Specialists Conference (PESC 04), vol.4 pp 3070-3079
2004.
[8] JANUÁRIO, Marconi e SCARPIM, William Leonard . Estudo de Utilização de
Filtros Passivos de Harmônicas em Sistemas de Extra Baixa e Baixa Tensão.
Joaçaba, Unoesc & Ciência – ACET, 2013.
31
[9] POMILIO, José Antenor. Eletrônica de Potência para Geração,
Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. Campinas: Unicamp, 2013.
[10] MORAIS, Ernande Eugenio Campelo. Estudo e Projeto de Filtros
Passivos para Atenuação de Harmônicos em Instalações Elétricas
Industriais. Fortaleza, Universidade Federal do Ceará, 2011.
[10] MORAIS, Ernande Eugenio Campelo. Estudo e Projeto de Filtros
Passivos para Atenuação de Harmônicos em Instalações Elétricas
Industriais. Fortaleza, Universidade Federal do Ceará, 2011.
[11] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional – PRODIST – Módulo 8. Revisão 6. S.l: ANEEL, 2015.
[12] PENG, Fang Zheng; AKAGI, Hiperofumi; NABAE, Akira. A New Approach
to Harmonic Compensation in Power Systems – A Combiner System of Shunt
Passive and Series Active Filters. In: IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol 26, nº6, november/december, 1990.
Referências
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In: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 32, nº6, november, 1996.
[14] BHATTACHARYA, Subhashish; DIVAN, Deepak; BANERJEE, B. Bem.
Control and Reduction of Terminal Voltage Total Harmonic Distortion (THD)
in a Hybrid Series Active and Parallel Passive Filter System.
Artigo IEEE 0-7803-1243-6/93. Madison: University of Wiscosin, 1995.
[15] BHATTACHARYA, Subhashish; DIVAN, Deepak. Design and
Implementation of a Hybrid Series Active Filter System. Artigo IEEE 0-7803-
2730-6/95. Madison: University of Wiscosin, 1993.
[16] TONG, Liqing; et al. A novel series-in series hybrid active power filter.
Artigo IEEE 978-1-4244-1874- 9/08. China: Zhejiang University, 2008.
[17] SWAIN, Sushree Diptimayee; RAY ,Pravat Kumar; MOHANTY, K.B.. Voltage
Compensation and Stability Analysis of Hybrid Series Active Filter for Harmonic
Components. 2013 Annual IEEE India Conference (INDICON). India, 2013.
Referências