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This thesis presents a new power circuit configuration to be used in shunt active power filters. A new control algorithm based on the linear voltage control suitable for the proposed circuit is introduced. The system is analysed both in time and frequency domains. The practical implementation of the system proves its suitability for the proposed task. The switching frequency of the proposed circuit is much lower than that in other active filters. The switching losses are then considerably reduced, in addition to the fact that the switching devices can withstand larger values of currents being switched on and off at lower frequencies which is an advantage to this circuit. The component sizes (capacitors and inductors) in the proposed circuit are also much smaller than those in other filter configurations. In addition, the thesis presents a new method for categorising the active filter systems proposed in the surveyed literature. The survey includes a comparison of these techniques showing their respective merits and drawbacks. The thesis also includes an implementation of a reference current generator that is suitable for single-phase applications without the need for excessive computations. The technique involves a modified Fourier analysis, which is suitable for active filtering applications.

Due to its unique features such as controllable power factor, controllable bi-directional power flow, and rapid dynamic response, Voltage Source Converters (VSCs) have been widely used in various industrial applications such as distributed generation systems, power distribution systems, uninterruptible power supplies (UPS), AC motor drives, etc. To optimize the performance of the VSC, many control algorithms have been proposed. This thesis investigates development of the nonlinear control for the VSC in two applications: power factor control and active power filtering. A detailed description of the dynamic model of the VSC system is presented in different reference frames. A linearization-based control scheme is introduced for power factor regulation and verified by switched simulation and real-time experiment on a test stand which has been constructed at the Applied Nonlinear Control Lab (ANCL), University of Alberta. In addition, an internal model-based control scheme is introduced to perform active power filtering. This algorithm is verified by simulation. / Controls

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe o projeto de uma UPQC-UPS monofÃsica de 1,4 kVA e alta eficiÃncia com capacidade de filtragem ativa atravÃs de dois conversores conectados em sÃrie e em paralelo. Com esta topologia, à possÃvel obter uma elevada eficiÃncia e combinar as vantagens dos tipos de UPS on-line e line-interactive, melhorando, ao mesmo tempo, a qualidade de energia da rede e protegendo as cargas de harmÃnicos e oscilaÃÃes de tensÃo. As referÃncias de compensaÃÃo dos conversores sÃrie e paralelo sÃo gerados utilizando a Teoria p-q, que propÃem um conjunto de definiÃÃes para lidar com sistemas elÃtricos sob condiÃÃes nÃo-senoidais. De acordo com os resultados de simulaÃÃo, foi comprovado que, quando os conversores sÃrie e paralelo estÃo em funcionamento, a corrente de entrada do sistema possui baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHi) e o sistema apresenta um fator de potÃncia elevado, mesmo para cargas nÃo-lineares. AlÃm disso, à fornecida à carga uma tensÃo senoidal com baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHv) e com valor eficaz fixo mesmo com oscilaÃÃes na tensÃo de entrada, tanto no modo rede como no modo bateria. SimulaÃÃes foram desenvolvidas no software PSCAD/EMTDC. / This work proposes the design of an UPQC-UPS high efficiency single phase 1.4 kVA with active filter capabilities throughout the parallel and series converters. With this topology, it is possible to obtain high efficiency and combine the advantages of both on-line and line interactive UPS systems improving, at the same time, the grid energy quality. The series/parallel compensation references were generated using the p-q Theory which defines a joint of power definitions to deal with electric systems under non-sinusoidal conditions. According to the simulation results, it was shown that the system input current has a low total harmonic distortion (THDi) and it presents high power factor. Also, the load voltage has a sinusoidal shape with low total harmonic distortion (THDv), both in its grid and battery mode operation. Such simulations were developed in the software PSCAD/EMTDC.

Recent advances in power electronics have lead to the wide spread adoption of advanced power supplies and energy efficient devices. This has lead to increased levels of harmonic currents in power systems, degrading the performance of electrical machinery and interfering with telecommunication services. Active filters provide a solution to these problems by compensating for the distorted currents drawn by non-linear loads. Optimal methods for controlling these active filters have been determined by computer simulation and experimental implementation. Methods used for isolating the harmonic content of an unbalanced three phase load current were compared by computer simulations. A technique based on the Fast Fourier Transform (FFT) was developed as part of this work and shown to perform favourably. Notch Filtering, Sinusoidal Subtraction, Instantaneous Reactive Power Theory, Synchronous Reference Frame and Fast Fourier Transform methods were simulated. The methods shown to be suitable for compensation of three phase unbalanced loads were implemented in a Digital Signal Processor to evaluate true performance. These methods were Notch Filtering, Sinusoidal Subtraction, Fast Fourier Transform, and a High Pass Filter based method. A completely digital hysteresis current controller for a three phase active filter inverter has been developed and implemented with a Field Programmable Gate Array. This controller interfaces directly to a digital signal processor and is resistant to electromagnetic interference. Results from the experimental hardware verified that the active filter model used for simulation is accurate, and may be used for further development of harmonic isolation methods. A technique using notch filtering gives the best performance for steady loads, with the FFT based technique giving the most flexible operation for a range of load current characteristics. Novel use of the FFT based harmonic isolation technique allows selective cancellation of individual harmonics, with particular application to multiple shunt filters connected in parallel.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:07:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 helio parte1.pdf: 1713469 bytes, checksum: 8508da763de16f05e303b27a5e2f576c (MD5) Previous issue date: 2009-07-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Em siderúrgicas que utilizam o processo de laminação de tiras a quente, é muito comum o uso de cicloconversores com potências nominais da ordem de megawatts, para o acionamento de motores síncronos. Os cicloconversores absorvem uma corrente distorcida da rede elétrica, causando assim uma distorção de tensão no ponto de acoplamento comum (PAC) e inúmeros problemas de qualidade da energia elétrica. Uma solução muito utilizada para a mitigação harmônica nesta aplicação é obtida através do uso de filtros passivos, com vários estágios de filtragem. Porém esta é uma solução que pode causar ressonância harmônica, aumentando assim a distorção harmônica no sistema elétrico e causando sobrecarga no sistema de filtragem. Neste trabalho é apresentado um estudo de caso em uma grande siderúrgica, localizada na Grande Vitória. Por meio de medições na subestação do laminador de tiras a quente, são apresentadas as principais formas de onda das correntes e tensões, em conjunto com seus espectros harmônicos, que comprovam a existência do fenômeno da ressonância harmônica. Como está prevista uma expansão de 30% na carga do laminador, torna-se necessário um estudo do comportamento do sistema elétrico por meio de simulação, pois o fenômeno da amplificação harmônica pode aumentar os níveis de distorção e afetar o desempenho do sistema de filtragem passiva. Foi utilizado um modelo para o sistema sob estudo desenvolvido, o qual apresenta forte grau de correlação com o sistema real. De posse do modelo é realizada uma análise comparativa por meio de simulação entre duas topologias de filtragem híbrida, o filtro híbrido série e o paralelo, para a filtragem harmônica e amortecimento da ressonância. Os resultados obtidos mostram que o filtro híbrido série é a topologia que permite realizar o amortecimento harmônico e melhorar as características de compensação harmônica do sistema de filtragem passiva, com um filtro ativo de menor potência nominal, quando comparado a um filtro híbrido paralelo. Porém, esta estrutura não possui boas características de filtragem em elevada frequência, função que o filtro híbrido paralelo pode realizar, porém com um filtro ativo de elevada potência nominal. Por final é mostrado que um filtro híbrido série, composto por um filtro ativo e banco de capacitores aplicado ao sistema elétrico do laminador, pode proporcionar os mesmos resultados de compensação harmônica e amortecimento da ressonância, com um filtro ativo de menor potência, quando comparado à estrutura híbrida tradicional, composta pela associação série entre um filtro ativo e passivo.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-28T23:11:21Z No. of bitstreams: 1 MARCOS BATISTA KETZER – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 19636979 bytes, checksum: 464380f92f3fb477252ab2b6f6cd2655 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-28T23:11:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARCOS BATISTA KETZER – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 19636979 bytes, checksum: 464380f92f3fb477252ab2b6f6cd2655 (MD5) Previous issue date: 2017-01-30 / Esta tese de doutorado apresenta as contribuições realizadas no desenvolvimento de controladores eletrônicos modulados por largura de pulso para compensadores estáticos de potência aplicados na mitigação de. componentes harmônicas de tensão e corrente. Entre as novidades das técnicas aqui apresentadas, destacam-se as seguintes características: maior integração viabilizada pela redução do número de sensores para operação, e projeto robusto, considerando modelagem e sintonia, otimizando tolerância às incertezas e imunidade ao ruído nas malhas de realimentação. As soluções apresentadas contribuem para redução de custos de fabricação, assim como manutenção dos equipamentos, uma vez que o conjunto de componentes eletrônicos necessários na composição do equipamento é reduzida. Dentro do apresentado contexto, esta tese é dividida em três partes, agrupando um conjunto de contribuições distintas em cada caso, exploradas com diferentes topologias de circuitos. Na primeira e segunda parte são apresentadas duas soluções de controladores sensorless, o primeiro baseado na orientação dos sinais, e o segundo baseado na modulação. Enquanto a primeira e segunda parte focam na realização digital dos controladores, na terceira parte é apresentada uma solução em circuito integrado analógico-misturado, com potencial aplicação em sistemas de alta densidade. Também na terceira parte é discutida uma solução considerando circuitos de gerenciamento de energia com dois estágios de conversão. A fim de demonstrar a viabilidade técnica das contribuições, simulações numéricas e resultados experimentais obtidos em laboratório a partir de protótipos são apresentados. Análises da operação em regime permanente e transitórios são discutidos, mostrando que um desempenho satisfatório e estável é obtido através das técnicas propostas. / This doctoral dissertation presents a set of contributions considering the development of pulse width modulated electronic controllers for static power compensators, applied in the mitigation of harmonic components of voltage and current. Among the novelties of the presented techniques, the following charact.eristics are highlighted: greater integration made possible with the reduction of the number of sensors, and robust design, considering the modeling and tuning, optimizing the tolerance for uncertainties and noise immunity in the feedback schemes. The presented solutions contribute for the reduction of manufacturing costs, since the set of electronic components for the equipment composition is reduced. In the presented context, this thesis is divided in three parts, grouping a set of distinct contributions in each case, which is explored with different circuit topologies. In the first and second parts two main solutions for sensorless controllers are presented, the first based in the signals orientations, and the second in the modulation. Whereas the first and second part focuses on the digital realization of the controllers, the third part presents an analog-mixed integrated circuit solution, with potential applications in high-density systems. In addition, the third part discusses a solution considering power management circuits with two-stage conversion. In order to demonstrate the technical feasibility of the presented contributions, numerical simulations and experimental results obtained through laboratory prototypes are presented. Analysis of the steady-state regime and transients are discussed, showing that a satisfactory performance is obtained through the proposed techniques.