تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB

Transcript

1 مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )5( 315 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (35) No. (3) 213 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB * الدكتور محسن خطيب ** الدكتور ثائر إب ارهيم *** ضحى جديد )تاريخ اإليداع.313 / 3 / 4 قبل للنشر في )213 / 6 /1 ملخ ص يقدم هذا العمل مرشحا فعال تفرعيا ثالثي الطور لتحسين جودة الطاقة الكهربائية من حيث تقليل التوافقيات في الشبكة الكهربائية. تعتمد عملية التعويض على قيم تيا ارت الحمل الالخطي و تيا ارت المرشح الفعال و اشتقاق التيا ارت من التيا ارت المقاسة. يتم تحويل التيا ارت المقاسة من اإلحداثيات الثالثية a-b-c اإلحداثيات.d-q إلى الشكل المرجعي الدوار أي المرجعية إلى تم استخدام المتحكم التناسبي التكاملي الت ازمني أخذت الشا ارت الناتجة عن المتحكم الى دارة قيادة تعديل عرض النبضة ومنها تم التحكم بمفاتيح قالبة تعمل كمنبع جهد متحكم به تمثل المرشح الفعال. تم اثبات أداء كل من المرشح الفعال التفرعي الماتالب. ولا متحكم التناسبي التكاملي الت ازمني اعتمادا على النتائج المأخوذة من النماذج المشغولة في بيئة الكلمات المفتاحية: المرشح الفع ال, التوافقيات, جودة الطاقة, التحكم بالشعاع الف ارغي, المحاكاة باستخدام.MATLAB * ** أستاذ مساعد - قسم هندسة األتمتة الصناعية- كلية الهندسة التقنية- جامعة تشرين- طرطوس- سورية. مدرس - قسم هندسة األتمتة الصناعية- كلية الهندسة التقنية- جامعة تشرين- طرطوس- سورية. *** دراسات عليا )ماجستير( -قسم هندسة األتمتة الصناعية- كلية الهندسة التقنية- جامعة تشرين- طرطوس- سورية. 531

2 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )5( 315 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (35) No. (3) 213 Design and Simulation of a Special Active Filter's Control System to Improve Electric Power Quality Using MATLAB Dr. Mohsen Khateeb * Dr. Their Ibrahim ** Douha Jdeed *** (Received 4 / 12 / 212. Accepted 18 / 6 / 213) ABSTRACT This paper presents a three phase shunt Active Power Filter (APF) for power quality improvements in terms of harmonics compensation. The compensation process is based on measure non-liner load currents and Active Filter currents, and then extract the references from measured currents. Measured currents are then transferred from abc frame to d-q reference frame. A Synchronous Proportional Integral controller (Synchronous PI controller) is used. The control signals then drive the Pulse Width Modulation (PWM) routine, where its output controls the Voltage Source Inverter (VSI) switching devices. The performance of the Active Filter and the Synchronous PI controller is validated though the simulink results in MATLAB environment. Key words: Active filter, Harmonics, Power quality, Space vector control, MATLAB simulink. * Associate Professor, Department of Automation Industrial, Faculty of Technical Engineering, Tishreen University, Tartous, Syria. ** Assistant Professor, Department of Automation Industrial, Faculty of Technical Engineering, Tishreen University, Tartous, Syria. *** Postgraduate Student, Department of Automation Industrial, Faculty of Technical Engineering, Tishreen University, Tartous, Syria. 531

3 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 مقدمة: وجود إلكترونية تت ازيد مشكلة التوافقيات الناتجة عن أحمال مستهلكي الطاقة المتصلة مع شبكة التغذية الكهربائية بسبب ت ازيد األحمال الالخطية التي تستخدم العناصر اإللكترونية مثل الكومبيوت ارت و التلفا ازت و وحدات الشحن UPS فيها وخاصة أنظمة و األحمال التحكم بسرعات و والتي تت ازيد حساسيتها للتوافقيات مع تطورها ]1[ مما جعل الحاجة لتقليل هذه التوافقيات ملحة. التي تحوي على عزوم المحركات مبدلت قدرة... بدأ العمل على تقليل التوافقيات منذ عش ارت السنين, حيث استخدمت سابقا المرشحات غير الفعالة المؤلفة من مكثفات وملفات LCs للمكثفات وحالت والتي تولف حسب التوافقية الم ارد تعويضها, لكن نتيجة للسلبيات التي واجهتها مثل الحجم ال ازئد الطنين والحاجة إلى إضافة مرشح لكل توافقية على حدة تغيير أو إضافة مرشحات جديدة عند تغير التشويه التوافقي و بسبب صعوبة العمل معها والحاجة إلى في شبكات التغذية التي تحوي أحمال لخطية و بالتالي الكلفة القتصادية ال ازئدة سيتم في هذا البحث وضع األسس الهندسية لتصميم مرشحات فعالة تفرعية وفق استطاعات محددة, تعتمد في بنيتها على عناصر إلكترونية فعالة Electronics( )Power و تتمتع بمواصفات فنية تفوق عمل المرشحات غير الفعالة حيث تمتاز عنها بصغر حجم عناصرها و قدرة تحمل وقدرتها على تحس س أي قيمة للتشويه التوافقي و تعويضها آنيا في الزمن أعلى الحقيقي, وسيتم وبالتالي عمر تشغيل أطول وضع الخوارزمية الرياضية لتصميم مرشح فع ال تفرعي لتحسين جودة الطاقة في الشبكات الكهربائية و وضع األسس الهندسية لتصنيع مثل هذا المرشح محليا. كما سيتم اختيار المنظم المناسب للمرشح الفعال التفرعي لتقليل الخطأ و التشو ه األعظمي و وضع نماذج تحاكي عمل المرشح الفعال باستخدام ال MATLAB و اختبار هذا المرشح مع دارة تقويم و مبدلة ثايرستورية كأحمال لخطية و تحديد قدرة التحمل و جودة الترشيح و التحقق من النتائج في تحسين شكل الموجة. أهمية البحث و أهدافه: 1- اختيار المنظم المناسب للمرشح الفعال التفرعي لتقليل الخطأ و التشوه األعظمي بعد أن تم ت د ارسة ومقارنة مختلف أنواع المتحكمات و مي ازتها. 2- اختيار الطريقة األفضل لشتقاق التيا ارت المرجعية للمرشح الفعال بعد أن تمت د ارسة و مقارنة اشتقاقها من عدة مصادر و بطرق عد ة. 5- وضع نماذج تحاكي عمل المرشح الفعال باستخدام.MATLAB 4- اختبار هذا المرشح مع دارة تقويم و مبدلة ثايرستورية و التحقق من النتائج في تحسين شكل الموجة. طر ائق البحث و مواده: أنجز -1 هذا العمل اعتمادا على د ارسة العديد من البحوث المنجزة في هذا المجال و الطالع على نتائجها. تم استخدام بيئة ال MATLAB في وضع النماذج التي تحاكي المرشح الفعال و أنظمة التحكم و استخالص النتائج. مشكلة التوافقيات :Harmonics problem يتم توزيع الطاقة الكهربائية غالبا كثالث موجات من الجهد تشكل نظاما جيبيا ثالثي الطور. إحدى مي ازت هذا النظام هي شكل موجته والتي يجب أن تبقى دائما أقرب ما يمكن إلى الموجة الجيبية النقية, و نتيجة لألحمال الالخطية المتصلة مع الشبكة تصبح هذه اإلشا ارت مشوهة كما في الشكل )1(. 531

4 Ampletud تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد i found(5hz) i 7(35Hz) i 5(25Hz) i harmonic&found الشكل )1(: إشارة مشوهة بالتوافقيتين الخامسة و السابعة. )1( تتألف اإلشارة المشوهة من المركبة األساسية للتيار ذات التردد 5Hz و مجموعة من التوافقيات ذات الترددات من مضاعفات التردد األساسي, و يمكن وصفها حسب فورييه ]4,5,2,1[ بالعالقة: i I 2 sin( wt ) I 2 sin( nwt ( t ) H 1 1 Hn n n 2 ( ) ( ) ) )2( حيث: : مطال بالنسبة لمحور الزمن. المركبة المستمرة و تكون عادة : القيمة الفعالة للتوافقيات ذات المرتبة n. :القيمة الفعالة للتوافقية األساسية. : التردد ال ازوي للمركبة األساسية. φ: 1 ازوية اإل ازحة بالطور بين إشارتي تيار و توتر المركبة األساسية. : ازوية اإل ازحة بالطور بين تيار المركبة التوافقية ذات الرتبة n و التوتر. يعبر عادة عن التوافقيات بالطيف التوافقي, معدومة في التوابع الدورية المتناوبة عندما تكون اإلشارة متناظرة يرسم مخطط طيف المطالت بخطوط شاقولية عند كل توافقية n بحيث تمثل هذه الخطوط مطالت التوافقيات المشكلة للتابع الدوري و تبدو على شكل رسم بياني كما في الشكل )2(, تستخدم هذه المخططات لتبيان مدى تأثير كل توافقية بحيث نقوم بحجب تأثير التوافقيات ذات المطالت الكبيرة غير المرغوب بها عن طريق تصميم مرشحات لتعويض هذه التوافقيات. 531

5 Mag (% of Fundamental) Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 Fundamental (5Hz) = 1, THD= 4.61% Harmonic order الشكل )2(: رسم بياني نسيجي للتوافقيات من أهم مصادر التوافقيات: المنظمات والمبدلت اإللكترونية, تجهي ازت اللحام الكهربائي, الكهربائي, المصابيح الضوئية الغازية, المحولت والمحركات الكهربائية... التحكم من اآلثار السلبية للتوافقيات والتصالت واإلنذار... وانهيار المكثفات قامت بعض الدول المتطورة التشويش, التموج, الهت ازز وتسخين المحولت وتسخين الكابالت الميكانيكي للمحركات والضجيج والتداخل أف ارن القوس في دا ارت والعمل الكاذب لتجهي ازت الحماية بوضع توصيات و معايير لضبط التوافقيات و التشوهات الناتجة عنها ضمن مستويات محددة بهدف الحد من انتشارها و المحافظة على جودة الطاقة, سنكتفي بعرض المعيار العالمي IEEE Std ]5,3[ 519 لحدود تشوهات التيار المبين في )1( الجدول في نقطة الربط المشتركة Point of Common (PCC).Coupling حيث يعطى عامل التشوه الكلي للتيار بالعالقة: ]5,3[ )5( حيث: التوافقية ذات المرتبة n. المركبة األساسية. يعطى عامل التوافقية بالعالقة: )4( I sc /I L (SCR) < >1 الجدول 1: المعيار األمريكي لحدود تشوهات التيار IEEE Std 519 لألحمال الالخطية في.PCC Maximum Harmonic Current Distortion % of Fundamental )تشو ه التيار التوافقي األعظمي كنسبة مئوية من المركبة األساسية( Harmonic Order (Odd Harmonics) )h رتبة التوافقية الفردية( <11 11<=h<=17 17<=h<=23 23<=h<= h<= THDI

6 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد حيث:.PCC تيار دارة القصر األعظمي في نقطة التوصيل المشتركة I: sc.pcc تيار الحمولة األعظمي األساسي للمستهلك في I: L يبين الجدول )1( حدود مطالت التوافقيات الفردية و قيم القصر (SCR).Short Circuit Resistance THDI d-q النظرية -2 )الكشف الت ازمني( أو نظرية الشكل الت ازمني المرجعي المسموحة من أجل كل مجال لقيم نسبة Synchronous Reference :Frame(SRF) تعتمد هذه النظرية على تقنيات تقدير اإلشا ارت في مجال الزمن, و يمكنها تمثيل التيا ارت و الجهود في الحالت العابرة و المستقرة, كما تسمح بالتحكم بالمرشحات الفعالة في مجال الزمن الحقيقي ]2, 7[, إضافة إلى سهولة حساباتها التي تتضمن الحسابات الجبرية فقط ]7[. تتألف هذه النظرية بشكل أساسي من تحويلي بارك المباشر والعكسي حيث يتم تحويل التيا ارت و الجهود من اإلحداثيات الثالثية a-b-c الثابتة التي تكون م ازحة عن بعضها ب ازوية 12 ο إلى المحاور الثنائية الدو ارة d(direct)-q(quadratic) و التي تدور بسرعة ازوية تساوي سرعة دو ارن شعاع الف ارغ لكل من الجهد و التيار في اإلحداثيات الثالثية ]7[, حيث يتم الحصول على ازوية دو ارن شعاع الف ارغ للجهد باستخدام حلقة اإلقفال الطوري( Loop(PLL.Phase Locked بفرض لدينا النظام ثالثي الطور التالي: θ i a k f. cos )3( i b k f. cos( 12 ) )5( i c k f. cos( 12 ) )7( i 3 2. i a بالتحويل )8( إلى إلحداثيات الثنائية الثابتة: i 2 3.( i b i c ) )9( بالتحويل إلى الشكل الثنائي المرجعي الدوار: i d i q ( i. cos.( i. cos i. sin ) i. sin ) )11( )11( تبدو المركبة األساسية ذات التردد 5Hz في اإلحداثيات الثالثية كقيمة مستمرة dc عند التحويل إلى اإلحداثيات الثنائية الدوارة, يمكن حذفها بسهولة باستخدام مرشح تمرير منخفض Filter(LPF) Low Pass فتبقى مركبة متناوبة تعبر عن التوافقيات, ويجب مالحظة أن ه باستخدام مرشح تمرير منخفض لحذف المركبة المستمرة )المركبة األساسية في اإلحداثيات ثالثية الطور( يتم تجنب خطأ الطور الذي يمكن أن يحدث في حال استخدام مرشح 541

7 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 تمرير مرتفع Filter(HPF),High Pass ثم تمرر المركبة المتناوبة و المكافئة للتوافقيات إلى متحكم يولد إشا ارت تحكم لجعل هذه التوافقيات معدومة, ثم تحو ل إشا ارت التحكم الثنائية d-q قبل دخولها دارة القيادة إلى PWM اإلحداثيات ثالثية الطور a-b-c باستخدام تحويالت بارك العكسية. يتم تطبيق SRF في استخ ارج كل من تيار الحمل والمنبع و جهد المنبع. 3- المرشحات الفعالة: صممت المرشحات الفعالة المسببة للتوافقيات, و تصنف بشكل رئيسي لتعويض توافقيات التيار و الجهد, و إلى مجموعتين: يتم تركيبها بالقرب من األحمال الالخطية مرشحات فعالة كمنبع للجهد Voltage (VSAFs) (CSAFs) و هي تستخدم المكثف كعنصر تخزين للطاقة, مرشحات فعالة كمنبع للتيار Source Active Filters Current Source Active Filters وهي تستخدم الملف كعنصر تخزين. يبين الشكل )5( مرشحا فعال تفرعيا ثالثي الطور مصمما لتعويض توافقيات تيار حمل لخطي ثالثي الطور متوازن, و يمكن وضع المعادلت األساسية للنظام والمرشح الفعال وفق التالي: ]2, 9[ 8, di fa V a V fa R f. i fa L f. dt di fb V b V fb R f. i fb L f. dt di fc V c V fc R f. i fc L f. dt )12( )15( )14( حيث: : جهد المنبع لكل من األطوار الثالثة. : الجهد على خرج المرشح الفعال. : مقاومة المرشح الفعال. : محارضة المرشح الفعال. : تيار المرشح الفعال. سنستخدم للتحكم بالمرشح الفعال الطريقة المت ازمنة كإطار أساسي للتحكم, و تيار الحمل و جهد المنبع إلى اإلحداثيات,d-q فنحصل على المعادلتين: ]5, 12[ 11, 11, )13( في هذه الطريقة سيتم أول d i q V d R. i d L.. L. i d V dl dt d i d V q R. i q L..L. i q V ql dt )15( حيث: : جهد المنبع في اإلحداثيات الثنائية الدوارة. : المقاومة الكلية في الدارة. : المحارضة الكلية في الدارة. : التيار في اإلحداثيات الثنائية الدوارة. : التردد ال ازوي. : جهود التعويض على خرج المرشح في اإلحداثيات الثنائية الدوارة. تحويل 545

8 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد ActiveFilter الشكل) 3 (: مرشح فعال تفرعي ثالثي الطور. تحو ل المعادلتان السابقتان نظام التحكم المعقد في اإلحداثيات الثالثية والثانية للتحكم بالجهد على طرفي المكثف. قيمتها -4 المرشح الفعال التفرعي :Shunt Active Filter يوصل المرشح الفعال التفرعي على التفرع مع األحمال الالخطية التي صمم لتعويضها حسب متطلبات النظام ]7,2[, إلى حلقتي تحكم واحدة للتحكم بالتيار محارضة تحدد عبر يعمل المرشح الفعال التفرعي كمنبع تيار مثالي و منبع تيا ارت توافقية التيا ارت التوافقية الناتجة عن وجود الحمل الالخطي ]7,5,2,1[ الشكل )4(. ليلغي الشكل )4(: المرشح الفعال التفرعي يمكن أن تكون المرشحات الفعالة التفرعية أحادية الطور أو ثالثية الطور, و هي تستخدم قالبة كمنبع للتيار (VSI),Voltage Source Inverter و يكون التيار الناتج عنها مساو بالقيمة و معاكسا باإلشارة للتيا ارت التوافقية التي صمم لتعويضها ]5,1[. 543

9 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( المتحكم PI الت ازمني :Synchronous PI controller إن تمثيل جهود و تيا ارت األطوار الثالثة لنظام الطاقة بإطار مرجعي,d-q و الذي يدور بنفس تردد جهد التغذية, يحول المكونات األساسية للجهد و التيار إلى قيم مستمرة ]7,2[. بعد أن أصبحت إشا ارت الخطأ بالشكل,d-q يمكن استخدام متحكم PI ت ازمني لكل من المحورين d و q, و بما أن المركبة األساسية للتيار المرجعي هي قيمة مستمرة ]4[, سيقلل المتحكم PI الخطأ الستاتيكي إلى الصفر. يبين الشكل )3( المخطط الصندوقي لعمل المتحكم PI الت ازمني, حيث تم الحصول على التيا ارت المرجعية I d_ref و I q_ref من تيار الحمل بعد تحويله إلى اإلحداثيات الثنائية الدو ارة باستخدام النظرية d-q و حذف المركبة المستمرة باستخدام القيمة المتوسطة. تعد طريقة استخ ارج التوافقيات من تيار الحمل هي األبسط و ت مكن المرشح الفعال من العمل كمعو ض توافقيات فقط و ليس كمخفض للتوافقيات الناتجة عن حالت الطنين, لذا قمنا بعد الد ارسة المرجعية بجمع أفضل الخيا ارت لكل من نوع المتحكم المستخدم و طريقة اشتقاق التيا ارت المرجعية و المصدر الذي اشتقت منه هذه التيا ارت للحصول على التعويض األفضل و الستفادة من مي ازت كل منها. الشكل )5(: المتحكم PI التزامني متحكم PI 6- محاكاة ونمذجة لمرشح فعال تفرعي مع متحكم PI ت ازمني باستخدام :MATLAB تم العمل والنمذجة على مرحلتين: األولى استخدمنا فيها حمل لخطي ثابت عبارة عن دارة تقويم ديودية مع ت ازمني, والثانية استخدمنا المتحكم الت ازمني نفسه ولكن مع حمل لخطي متغير عبارة عن مبدلة ثايرستورية, نتحكم بها بتغيير زوايا القدح بالشبكة ب.]7,2[ L f =3μH α, و في كلتا الحالتين استخدمنا قيمة محارضة الملفات الخطية التي تربط المرشح المرشح الفعال عبارة عن قالبة نصف جسرية بستة مفاتيح من النوع IGBT تعمل بتردد تبديل حتى 2kHz ]5[, و لتسهيل النمذجة تم استبدال المكثف على طرفي حلقة التيار المستمر للقالبة بمنبع جهد مستمر بقيمة 7V ]7,2[. يبين الشكل )5( نظام القدرة الكامل المؤلف من منبع التغذية تم قياس تيا ارت كل من الحمل في نقطة التوزيع ثالثي الطور والمرشح الفعال والحمل الالخطي. و المرشح الفعال باستخدام صناديق قمنا بتصميمها لتحديد التيا ارت بالزمن الحقيقي. تم تحويل التيا ارت المقاسة إلى الشكل الثنائي باستخدام صندوق في مكتبات الMATLAB, تحتاج هذه الصناديق لتحديد ازوية دو ارن الشعاع المرجعي abc_to_dq و هو جاهز و التي يجب أن تكون 543

10 نظام التحكم المبدلة الثايرستورية القالبة مع PCC L=3μH,Vdc=7V منبع الجهد الثالثي الطور تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد Phase Locked Loop )PLL) مطابقة ل ازوية دو ارن شعاع جهد المنبع, و استخدمنا حلقة الطوري اإلقفال لتأمين هذه ال ازوية, كما هو مبي ن في الشكل )7(. الشكل )6(: النموذج الكامل للمرشح الفعال مع مبدلة ثايرستورية كحمل الخطي. 544

11 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 الشكل )7(: حلقة اإلقفال الطوري.PLL عند تحويل تيا ارت الحمل الثالثية المبينة في الشكل ) 8 -أ( إلى الشكل الثنائي الذي يدور بنفس تردد تيار المنبع تبدو المركبة األساسية لتيار الحمل كمركبة مستمرة على كل من المحورين d-q و تظهر المركبة المستمرة كإ ازحة في المطال بقيمة تكافئ المركبة األساسية لتيار الحمل. استخدمنا لحذفها صندوق القيمة المتوسطة بدل من استخدام مرشحات التمرير المنخفض أو المرتفع المطبقة في جميع الم ارجع المدروسة و بالتالي تم تقليل الزمن الطويل الالزم للمحاكاة في حال استخدام مرشحات التمرير ( حيث استغرق إنجازها عد ة ساعات إضافة إلى حالت التوقف العديدة التي واجهها الحاسب بسبب العمليات الرياضية الكثيرة التي يتم إج ارؤها عند استخدام مرشحات التمرير حيث تمتلئ ذاكرة العمل في الماتالب قبل إنجاز المحاكاة( و الحصول على دقة أكثر في الحذف. اإلشا ارت الناتجة بعد حذف المركبة المستمرة تمثل التوافقيات الم ارد تعويضها و لكن بالشكل الثنائي d-q كما في الشكل ) 8 -ب( الذي يبين تيا ارت الحمل في اإلحداثيات الثنائية الدو ارة قبل و بعد حذف المركبة المستمرة حيث يبدأ حذف المركبة المستمرة عند اللحظة.t=.2S يالحظ من الشكل أنه بعد حذف المركبة المستمرة تبقى التوافقيات كإشارة متغيرة متناوبة. بطرح تيا ارت المرشح من تيا ارت الحمل نحصل على إشارة الخطأ في اإلحداثيات الثنائية المبينة في الشكل )8- ج(, و التي استخدمنا لتقليلها متحكمين PI ت ازمنيين واحد لكل محور و يعطى تابع النقل لهما بالعالقة:. يعطى خرج المتحكم المبين في الشكل ) 8 -ج( بالعالقة: حيث: اشارة التحكم و التي هي خرج المتحكم. ثابت الربح التناسبي. ثابت الربح التكاملي. الخطأ في الحالة المستقرة )الخطأ الستاتيكي(. قمنا بضبط ثوابت المتحكم عند القيم: 1= p k و.1= I k و هي قيم توصلنا إليها بتجريب قيم مختلفة هي األفضل حيث نحصل عندها على قيم صغيرة جدا للخطأ الستاتيكي خالل زمن مقبول. فكانت 541

12 Error &control signals Current(A) Current(A) تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد i load(abc) i load a i load b i load c Time(S) 15 1 id id after sub dc iq after sub dc id iq ب 5 iq control signal ج error signal -2 filter on Time(S) الشكل )8(: أ- تيار الحمل في الشكل الثالثي,a-b-c ب- تيار الحمل في الشكل الثنائي,d-q ج-إشارة الخطأ و إشارة التحكم. تحو ل إشا ارت التصحيح الناتجة عن المتحكمين من الشكل d-q إلى الشكل الثالثي a-b-c باستخدام صناديق التحويل abc_to_dq بنفس ال ازوية. لتدخل إلى دارة ال PWM drive المبينة في الشكل )9(. 541

13 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 الشكل )9(: دارة ال.PWM drive تقارن دارة القيادة هذه تيا ارت التصحيح الناتجة عن المتحكمين مع إشارة حاملة مثلثية بتردد,3kHz و تشكل اإلشا ارت الناتجة نبضات لقدح المفاتيح IGBTs في القالبة التي تمثل المرشح الفعال, و يبين الشكل )11( آلية تعديل عرض النبضة التي نحصل من خاللها على نبضات القدح. الشكل )1( آلية تعديل عرض النبضة. تقوم هذه النبضات بتحديد لحظات وصل و فصل مفاتيح القالبة بحيث تعطي على خرجها تيا ارت دورية تدعى بتيا ارت التعويض و التي تكون مساوية و معاكسة لتيا ارت التشويه. عند التطبيق العملي يجب م ارعاة أزمنة فصل و وصل مفاتيح القالبة بحيث ل يبدأ المفتاح الثاني في أحد أذرع القالبة بالتوصيل حتى يقوم المفتاح األول في نفس الذ ارع بالفصل تماما كما في الشكل )11(, هذا ما يعبر عنه عادة بزمن اإلقفال,Lockout Time حيث أن زمن اإلقفال هو الفترة الزمنية الالزمة للمفتاح ليفصل تماما و يختلف هذا الزمن حسب نوع المفاتيح المستخدمة, في حالتنا هذه سنعتبر أن التبديل مثالي و زمن اإلقفال مهمل كون المفاتيح المستخدمة مثالية. 541

14 Current(A) تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد الشكل )11(: مفتاحين في أحد أذرع القالبة. النتائج و المناقشة: 1- المرحلة األولى: الحمل الالخطي دارة تقويم الحمل الالخطي عبارة عن دارة تقويم جسرية ثالثية الطور مع حمل أومي أي حمل ثابت يعطي توافقيات ثابتة, تمت النمذجة كالتالي: و محارضة 2Ω 5mH الشكل )12(. كما في الشكل )12(: الحمل الالخطي دارة تقويم ديودية. سنكتفي في الحالة األولى بمناقشة التوافقيتين الخامسة و السابعة كونهما األخطر في حالة دارة التقويم, ولمتابعة حالة التيا ارت قبل و بعد الترشيح على شاشة ال ارسم نفسها أضفنا للمرشح مفتاحا يقوم بالتوصيل عند اللحظة,t=.5S بحيث يبدأ التعويض عند هذه اللحظة, و يبين الشكل )15( تيار المنبع قبل و بعد الترشيح و يالحظ من الشكل أن تيار الشبكة بعد الترشيح الذي يبدأ في اللحظة t=.5s يعود إلى شكله الجيبي الخالي من التوافقيات Is a filter is on الشكل )13( تيار المنبع is قبل و بعد الترشيح, تم تفعيل المرشح في اللحظة.5=t. 541

15 Δ5th Current(A) Δ7th Current(A) Current(A) Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 كما يبين الشكل )14( تيار الحمل قبل و بعد الترشيح و يالحظ أن ه لم يتأثر بالترشيح و منه نستنتج أ ن التوافقيات بقيت محصورة في الحمل و المرشح حذف التوافقيات من تيار الشبكة Il a Filter on يبدأ مقياس الTHD HF و الشكل )14( تيار الحمل il قبل و بعد الترشيح. بالعمل في اللحظة t=.2s الخامسة و السابعة, و في اللحظة t=.5s يتم وصل المرشح الفعال. لحساب عامل التشوه التوافقي الكلي و عامل التوافقيتين يبين الشكل )13( تيار المرشح و يالحظ منه أن تيار المرشح بعد التوصيل يصبح مساويا و معاكسا لتوافقيات الحمل وبالتالي يكون ناتج طرحهما مساويا تقريبا للصفر. تبدأ كل من المبين في الجدول) 2 ( الشكل )17( بالنخفاض تدريجيا, ويستقر النظام في اللحظة التوافقيتين الخامسة والسابعة المبينتين في الشكل )15( و THD t=.7s عند قيم صغيرة جدا توضح لحقا في 8 6 If a filter on الشكل )15(: تيار المرشح الفعال قبل و بعد الترشيح I5th I7th filter on sy sittling الشكل )16(: التوافقيتان الخامسة و السابعة قبل و بعد الترشيح, تم تفعيل المرشح في اللحظة.5=t. 541

16 ΔTHD تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد.25 THD filter on sys sittling الشكل )17(: عامل التشوه الكليTHD, تم تفعيل المرشح في اللحظة.5=t. نالحظ من األشكال )15( و) 17 ( النخفاض الكبير في تيار المنبع و طيفه التوافقي قبل الترشيح. مطالت التوافقيتين الخامسة والسابعة و,THD ويبين الشكل )18(, الشكل )18(: تيار المنبع و طيفه التوافقي قبل الترشيح. )19( تيار يالحظ من الشكل )18( أن قيمة THD=22.2% و هي خارج الحدود المعيارية. يبين الشكل المنبع و طيفه التوافقي بعد الترشيح. 511

17 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 الشكل )19( تيار المنبع و طيفه التوافقي بعد الترشيح. يالحظ من الشكل )19( أن قيمة THD=1.76% أي أنها أصبحت ضمن الحدود المعيارية. يبين الجدول )2(, قيم كل من THD و HF للتوافقيتين الخامسة و السابعة قبل و بعد الترشيح, يالحظ من خالله النخفاض في قيم التوافقيات و عامل التشوه التوافقي الكلي. الجدول 2: قيم THD و HF للتوافقيتين الخامسة و السابعة قبل و بعد الترشيح. THD(%) 5 th ( A) 7 th ( A) HF(5 th )(%) HF(7 th )(%) 22 قبل الترشيح بعد الترشيح المرحلة الثانية: الحمل الالخطي عبارة عن مبدلة ثايرستورية مبينة في الشكل ) 21 -ا(, نتحكم بها عن طريق تغيير زوايا القدح α كما في الشكل ) 21 -ب(, حيث ستأخذ القيم وفق األزمنة المبينة في الجدول )5(: الجدول )3(: قيم α. ο α الشكل ) 2 -ا(: المبدلة الثايرستورية. الشكل ) 2 -ب(: دارة القدح. 515

18 Current(A) % تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد نقوم بتشغيل النظام في اللحظة,t=.S و يبدأ المرشح العمل في تلك اللحظة, يكون تيار المنبع خالل فترة التشغيل التي تستمر حتى.t=1.2S نقوم بقياس THD و عامل التوافقيات 13, th 11, th حيث يزداد أثرها بتغيير α, و يمكن مالحظة قيم,7 th,5 th ال THD قبل الترشيح في الشكل ) 21 -ا( و بعد الترشيح في الشكل ) 21 -ب(..7 THD a=.2.4 a=3.6.8 a= THD a=.2.4 a=3.6.8 a=6 1 الشكل )21(: ا- قيم THD قبل الترشيح مع قيم α المختلفة, ب- قيم THD أثناء الترشيح و قيم α المختلفة. THD يالحظ من الشكل )21( النخفاض الكبير في قيم عند كل قيمة لزوايا القدح. يبين الشكل )22( قيم التوافقيات 13 th,11 th,7 th,5 th قبل الترشيح i5th i5th i7th i11th i13th 3 25 i7th 2 i11th 15 i13th a=3.6.8 a=6 1 الشكل )22( قيم التوافقيات 13 th,11 th,7 th,5 th قبل الترشيح مع قيم α المختلفة. 513

19 Current(A) Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 يبين الشكل )25( التوافقيتين الخامسة و السابعة أثناء الترشيح I5th I7th i5th i7th الشكل )23(: التوافقيتان الخامسة و السابعة أثناء الترشيح و قيم α المختلفة. يالحظ من الشكل )25( انخفاض مطالت التوافقيتين الخامسة و السابعة. و يبين الشكل )24( تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح عند =α. a=.2.4 a=3.6.8 a=6 1 الشكل )24(: تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح, =α,.thd=5.1% يبين الشكل )23( تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح عند 3=α. الشكل )25(: تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح, 3=α,.THD=15% 513

20 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد يبين الشكل )25( تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح عند 6=α. الشكل )26( تيار المنبع و طيفه التوافقي مع الترشيح, 6=α,.THD=26.82% 5 th يالحظ من األشكال السابقة )24,23,25( انخفاض قيم THD بعد الترشيح عند كل قيمة لزوايا القدح, و يبين 13 th الجدول )4( قيم THD و HF للتوافقيات, th,11 th,7 بعد الترشيح أصبحت ضمن حدود المعيار العالمي حتى قيم 3=>α. THD قبل و بعد الترشيح وفق قيم α, حيث يالحظ أن قيم α ο الجدول 4: قيم THD و HF التوافقيات 13 th,11 th,7 th, 5 th قبل و بعد الترشيح وفق قيم α.. بعد الترشيح 3 بعد الترشيح 6 بعد الترشيح THD% HF(5 th )% HF(7 th )% HF(11 th )% HF(13 th )% < <= > مناقشة النتائج: في حالة ا حل مل الالخطي دارة تقويم: 1- تم تخفيض THD بنسبة 2.24%. كما تم تخفيض عامل التوافقية الخامسة بنسبة.1831% و السابعة بنسبة.145%. 2- نسبة THD بعد الترشيح هي > 12 و هي ضمن الحدود المطلوبة في المعيار.IEEE Std قام المرشح بتعويض التوافقيات التي يحقنها الحمل الالخطي ستبقى هذه التوافقيات محصورة بالحمل المسبب لها دون أن يمتد تأثيره إلى تيار الشبكة. في الشبكة عند نقطة اتصاله معها بالتالي و 514

21 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )53( العدد )1( 3153 المطلوب منه. 4- قاد المتحكم PI -2 المرشح لتوليد تيا ارت مساوية و معاكسة لتوافقيات الحمل على خرج المرشح, أي أنه أنجز في حالة الحمل الالخطي مبدلة ثايرستورية مقادة مع قيم مختلفة ل α: 1 -تم تخفيض ال THD و التوافقيات 13 عند th 11, th 7, th 5, th كل قيمة ل α كما في الجدول )4(. تحس س المرشح الفعال لتغي ارت الحمل الالخطي المتصل معه و قام بتعويض التوافقيات الجديدة الناتجة عنه و جعلها ضمن الحدود المعيارية )<12( و ذلك حتى قيم زوايا القدح <3. 5- قام المرشح الفع ال بتعويض التوافقيات الناتجة عن التغي ارت في الحمل الالخطي المتصل معه حتى قيم محددة لزوايا القدح. االستنتاجات والتوصيات: الملوثة االستنتاجات: 1- سهولة استخدام طريقة الكشف الت ازمني d-q لتحديد تيا ارت الخطأ. 2- ساعد استخدام المتحكم PI الت ازمني في قيادة خرج المرشح الفعال بشكل يطابق و يالحق تيا ارت التوافقيات )بما أن المرشح الفعال المستخدم هو تفرعي لتعويض توافقيات التيار( الحقيقي كوننا نعمل على الحالة المستقرة و ليس العابرة. 5- يعتبر المتحكم PI الت ازمني المستخدم مالئما للعمل مع أحما ل لخطي ة متنوع ة. -4 زوايا قدح > ο.6 قام المرشح بتحسين قيمة THD المرشح تحس س 3- في حالة الحمل الثايرستوري و و تقليل الخطأ الستاتيكي في الزمن جعله ضمن الحدود المعيارية حتى قيمة الفعال التفرعي للتغي ارت في األحمال الالخطية المتصل معها و قام بتعويض التوافقيات الجديدة الناتجة عنها بنسب مختلفة, وهذه أهم ميزة للمرشح الفعال. 5- يساهم النظام الذي قمنا بتصميمه في تصميم الشبكات الكهربائية الصناعية قبل استثمارها و بعد م ارحل التطوير ألنه قادر على تعويض أي توافقيات جديدة يمكن أن تدخل النظام في حال إضافة أحما ل لخطي ة جديد ة للمنشأة. التوصيات: -1 استخدام النظام المدروس الصناعية التي تحوي أحمال لخطية. -2 تبين من الد ارسة لشتقاق التيا ارت التوافقية من تيار الحمل هي األفضل باستخدامها في تصميم المرشحات في الد ارسة لتصميم مثل هذه األنواع من المرشحات المرجعية و التطبيق على النموذج الذي قمنا بتصميمه 5- د ارسة فعالية متحكمات أخرى للتحكم بالمرشحات الفعالة. الفعالة في الشبكات أن طريقة الكشف الت ازمني d-q حيث ت مكن و بسهولة من تحديد التيا ارت التوافقية 4- تطبيق معايير الحد من التشوه بالتوافقيات في الصناعات للتقليل من المشاكل الناتجة عن التوافقيات. لذلك ينصح الفعالة. 3- وضع معايير لتحديد التشو ه بالتوافقيات بما يناسب الشبكات الصناعية في الجمهورية العربية السورية. 511

22 تصميم نظام تحكم خاص بعمل المرشحات الفعالة بهدف تحسين جودة الطاقة الكهربائية ومحاكاته باستخدام الMATLAB خطيب إب ارهيم جديد 5- وضع منهجية علمية صناعية لتصنيع مثل هذه المرشحات في الجمهورية العربية السورية و باستطاعات مختلفة نظ ار لكونه يشكل دعما للدخل القومي في سوريا. نوصي بالرقابة على األجهزة التي تدخل البلد على أنها تحقق مواصفات الجودة العالمية من أجل تجنب -7 التشوهات في تيا ارت الشبكات الكهربائية التي تسببها هذه األجهزة, ألنه يتم إدخال أجهزة تسبب تشوهات كبيرة تفوق بكثير النورمات العالمية الخاصة بتحديد مستوى التوافقيات THD حيث قمنا بقياس لمبة توفير و هي منتشرة بكثرة في األسواق فكانت قيمته 123.4% أي هي قيمة كبيرة جدا و غير مقبولة. الم ارجع: [1] Rudnick,H; Dixon,J; Morán,L. Delivering Clean and Pure Power. IEEE power & energy magazine, 23. [2] Kumar, P. Investigations on Shunt Active Power Filter For Power Quality Improvement. Thesis for the degree of Master of Technology, National Institute of Technology Rourkela University, Rourkela India,27,67. [3] Patidar, R; Singh, S. Active and Reactive Power Control and Quality Management in DG-GRID Interfaced Systems.ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences,Vol.4,NO.3, May 29,1. [4] Sriranjani, R; Jayalalitha, S. Investigation the Performance of the Various Types of Harmonic Filters. World Applied Sciences Journal 17 (5): , 212. [5] Hoevenaars, T; LeDoux, K; Colosino, M. Interpreting IEEE Std 519 and Meeting its Harmonic Limits in VFD Applications. IEEE Paper No. PCIC [6] Kumar, M. Control Implementations for High Bandwidth Shunt Active Filter. Thesis, North Carolina State University,211. [7] Adil,M; Al-Zamil; David, Torrey, A. A Passive Series, Active Shunt Filter for High Power Applications. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 16, NO. 1, JANUARY, 21. [8] Zahira, R, Fathima,A. A Technical Survey on Control Strategies of Active Filter for Harmonic Suppression. Scieverse, ScinceDirect, India, Procedia Engineering 3(212) ,8. [9] Malinowski, M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifier.PH.D. Thesis, Warso University, Warso Poland,211,128. [1] Pandit, P. Modeling and Analysis of Active Front-End Induction Motor Drive for Reactive Power Compensation. Thesis of Master of Science degree, University of Tennessee, Knoxville, May 25,134. [11] Sharma, A; Diwan, R; Tiwari, P. A Novel Approach to Perform Convalescence in Power Quality in Electric Distribution System. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSRJEEE), ISSV: (Sep-Oct 212),pp ]12[ السقا, زياد ورقوزق, هاشم بيرييه, روبيير. تمثيل المرشحات الفعالة األحادية الطور. مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية, دمشق سوريا, المجلد الثالث و العشرون, العدد األول, , 511