مدلسازی رياضی فيلترهای فعال قدرت بمنظور بهسازی کيفيت توان در شبکه توزيع ا رش قطره سامانی رضا نوروزيان سيد حميد فتحی سيد حسام الدين صادقی چکيده: قطب علمی قدرت دانشکده مهندسی برق- دانشگاه صنعتی امير کبير شرکت برق منطقه ای تهران تهران-ايران با توجه به دامنه وسيع استفاده از مبدلهای الکترونيک قدرت و ايجاد هارمونيکهای جريان ناشی از کاربرد ا نها در شبکه توزيع استفاده از فيلترهای اکتيو به منظور حذف اثر هارمونيکها هميشه مورد توجه بوده است در اين مقاله روشی جهت بهبود کيفيت توان با استفاده از فيلتر فعال موازی با بکارگيری روش کنترل برداری ارايه شده است و عملکرد اين فيلتر در جبرانسازی وحذف اعوجاجات هارمونيکی تصحيح ضريب قدرت شرايط بار نامتعادل و تغييرات در شرايط بار مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کليدی: فيلتر اکتيو کنترل برداری هارمونيک و شبکه توزيع 1- مقدمه در شبکه های توزيع امروزی با کاربرد وسيع بارهای غير خطی و حساس از قبيل مبدلهای الکترو نيک قدرت و وسايل حساس الکترونيکی (کامپيوتر وPLC ) مساله کيفيت توان بيش از پيش مورد توجه قرار مي گيرد و اينگونه بارها با کشيدن جريان غير سينوسی از شبکه ا لودگی هارمونيکی ايجاد مي کنند. از ا نجاي يکه اختلالات کيفيت توان ناشی از بار (مشترکين) منبع(شبکه توزيع) را تحت تاثير قرار مي دهد و اغتشاشات ولتاژ در شبکه سرويس دهی مناسب به مشترکين را متاثر مي سازد استفاده از بهسازها امری اجتناب ناپذير به نظر مي رسد. شاخص ترين اغتشاش کيفيت توان که مشترکين به شبکه اعمال مي کنند ا لودگی هارمونيکی است هارمونيکهای جريان به خاطر ايجاد افت ولتاژ بر روی عناصرشبکه موجب عملکرد ناخواسته تجهيزات الکتريکی حساس و ادوات حفاظتي مي گردند.همچنين اضافه ولتاژ ناشی از بروز تشديد موازی بين اندوکتانس شبکه قدرت و بانک خازنی جبران کننده توان راکتيو به تجهيزات شبکه از جمله خازنهای تصحيح اصلاح ضريب قدرت ا سيب مي رساند از طرفی جريانهای هارمونيکی تلفات اضافی در شبکه ايجاد مي کند و ترانسفورمرها را دچار اضافه بار افزايش دما و تنشهای گرمايی مي نمايد منجر به کاهش ظرفيت ترانسها مي گردد. تحت اين شرايط استفاده از ادوات بهسازي کيفيت توان امری ضروری به نظر مي رسد مناسب ترين بهسازی که در دهه های اخيرجهت جبرانسازی هارمونيکی استفاده شده است فيلتر های فعال قدرت مي باشند که کاربرد عملی اين ادوات در دهه 80 ميلادی ميسر گشت به طور نمونه در کشور ژاپن بيش از 550 دستگاه فيلتر فعال قدرت در شبکه توزيع نصب شده است که بيشترين اين دستگاهها از نوع فيلتر فعال موازی مي باشد. قابل توجه است فيلتر های فعال
عملکرد بهتری نسبت به فيلتر های پسيو دارند زيرا فيلترهای پسيو جهت جبرانسازی در يک فرکانسی خاص در نظر گرفته شده است لذا جهت جبرانسازی تمامی مولفه های هارمونيکی استفاده از اين نوع فيلتر مقرون به صرفه و مناسب نيست و با تغيير شرايط بار نيز عملکرد فيلتر تحت تاثير قرار مي گيرد. اساسی ترين مساله در بکارگيری فيلترهای فعال موازی ارايه استراتژی کنترلی مناسب مي باشد روشهای کنترلی متفاوتی جهت محاسبه جريانهای مرجع مدار کنترلی عنصر بهساز ارايه شده است از مقايسه اين روشهای کنترلی خودداری نموده و برای برا وردن اهداف ذيل در جبرانسازی هارمونيکی روش کنترل برداری برای فيلتر فعال موازی پيشنهاد شده است: اندازگيری و حذف مستمر هارمونيکها فيلتر هيچ توان اکتيوی مصرف نمي کند و فقط مقدار جزيی صرف تلفات داخلی اجزاء تشکيل دهنده فيلتر مي گردد و بازده ای بيش از %90 مورد انتظار است. فيلتر با تغيير شرايط بار وفق پيدا مي کند. دارای مشخصه عملکرد سريع و پهنای باند وسيع بوده و قادر به حذف تعداد زيادی از هارمونيکها مي باشد. به دليل ساختار الکترونيک قدرتی فيلتر از لحاظ فضا و هزينه مورد نياز بسيار مناسب و مقرون به صرفه مي باشد. در اين مقاله ضمن تشريح عملکرد فيلتر فعال موازی در بهسازی کيفيت توان شبکه های توزيع نحوه کنترل ا ن با روش کنترل برداری بيان شده است و سپس حالتهای مختلف اغتشاش در بار شبيه سازی شده است نتايج ارايه شده تاييد کننده قابليت های اين روش کنترلی مي باشد. 2- ساختار عنصر بهساز کيفيت توان در شکل ( 1 ) ساختار فيلتر فعال موازی نشان داده شده است که ازيک مبدل منبع ولتاژ (VSC) تشکيل شده است. مبدل با يک خازن جريان مستقيم لينک شده است.. شکل (1) توپولوژی فيلتر فعال قدرت نوع موازی مبدل دارای شش کليد نيمه هادی قدرت کنترل شونده با سيگنال گيت مي باشد که مدلسازی اين مبدل در بح ث و ا ناليز مشخصات عنصر اصلاح کننده خيلی مهم است. مدلهای گوناگونی از قبيل مدل منبع جريان و منبع ولتاژ و مدل رياضی بر پايه توابع سوييچينگ برای مدلسازی مورد استفاده قرار مي گيرد.[ 3 ] در مدلسازی با منابع هر مبدل با يک منبع کنترل شده جايگزين مي گردد اين يک مدل ساده است و با ساختار عناصر و قطعات کليد زنی مبدل کاری ندارد در اين مقاله از مدل واقعی که توسط توابع رياضی نحوه سوييچينگ کليدها تعيين ميگردد استفاده شده است. وظايف پايه مبدل با کنترل برداری موازی جهت بهبود کيفيت توان شامل حذف هارمونيکهای
جريان جبرانسازی توان راکتيو بار جبرانسازی عدم تعادل جريان سيستم تصحيح ض ريب قدرت مي باشد و در واقع حفظ شکل جريان شبکه به صورت سينوسی سه فاز متعادل وظيفه اصلی اين بهساز موازی مي باشد. 3- مدل سازی فيلتر فعال قدرت ساختار کلی فيلتر فعال در مدلسازی رياضی شامل مبدل قدرت از نوع منبع ولتاژ لينک dc و سيستم کنترلی در شکل( 2 ) ا ورده شده است. شکل( 2 ) توپولوژی فيلتر فعال قدرت موازی همراه با مدارات کنترلی وظايف پايه مبدل موازی با کنترل برداریجهت بهبود کيفيت توان شامل حذف هارمونيکهای جريان جبرانسازی توان راکتيو بار جبرانسازی عدم تعادل جريان سيستم تصحيح ضريب قدرت مي باشد و در واقع حفظ شکل جريان شبکه به صورت سينوسی سه فاز متعادل وظيفه اصلی اين بهساز موازی مي باشد.در مدل سازی SV PWM روابط بين بردار سوييچينگ و بردار خروجی که ولتاژهای فاز و خط مي باشند مطابق روابط (1) مي باشد V V V ab bc ac = V dc 1 0 1 0 0 a Va 1 b, Vb = V 3 1 c Vc dc 2 2 a b 2 c (1) با توجه به روابط فوق هشت ترکيب مختلف خاموش و روشن برای کليدهای فوقانی هر بازو و هشت حالت برای کليدهای تحتانی وجود دارد که در هر حالت ولتاژهای فاز و خط بر حسب ولتاژ مستقيم قابل بيان مي باشد[ 4 ].در روش کنترل برداری توالی و ترتيب سويي چينگ به گونه ای انتخاب مي شود که کمترين اختلالات هارمونيکی در ولتاژ و جريان پديدار شود و بازده مبدل نيز نسبت به حالت مدولاسيون سينوسی معمولی بهتر شود. معادلات اصلی و نحوه نمونه گيری در تخمين جريان برای روش (Direct Current Control) DCC در مرجع[ 3 ] به طور مشروح به منظور بدست ا وردن رابطه هايی که بتوان از ا ن در الگوريتم کنترل جريان بهره برد U dc و توالی سوييچينگ بستگی دارد.لذا ا ورده شده است. نحوه کنترل جريان به ولتاژ emf بار ولتاژ لينک dc کنترل ولتاژ dc فيلتر از اهميت ويژه برخوردار است و کنترل ولتاژطرف dc با اندازگيری و کنترل توان اکتيو جاری شده به سمت شبکه مقدور مي باشد زمانی که فيلتر فعال تغذيه مي گردد لينک dc همانند يک کنورتر يکسو کننده عمل مي نمايدولی در مقايسه با يکسو کننده ديودی طرف خط سريعتر سوييچ مي گردد. نوسانات و ريپل ولتاژ لينک dc نسبت به تغييرات توان اکتيو عبوری از فيلتر بسيار حساس شده و اين امر منجر به اعوجاجات ولتاژی مي گردد.لذا با در نظر گرفتن مسايل فوق الذکر مي توان سيستم کنترل ولتاژ بهينه ای را مطابق مرجع[ 4 ] ارايه نمود.کنترل کننده مذکور مقادير مرجع برای جريان ورودی به لينک dc را مشخص مي
(2) نمايد. اين مقادير مرجع بايد به قابهای مرجع گردان انتقال داده شوند و معادلات را مي توان مشابه معادلات توان يک مبدل دو جهته به صورت روابط (2) و (3) در قاب مرجع گردان بيان کرد: di dt 2 2 1d 1q P( t) = Ri. 1 q + Ri. 1d + L i1 d + L i1 q+ e. i q Udcidc ecpqi cp 1 =. 1=. 1q e di dt cp. q idc1 = i1q U dc (3) (4) حال پس از تعيين جريان مرجع لينک dc و کنترل ولتاژ ا ن نوبت به ا شکار سازی و نمونه گيری از جريان بار وشبکه به منظور تعيين ميزان ا لودگی و همچنين حذف مولفه های ناخواسته مي رسد.عموما جهت تعيين جريان از روش FFT يا روش ا شکار سازی جريان لحظه ای در قاب مرجع سنکرون استفاده مي شود.[ 3 ]در روش ا شکار سازی جريان لحظه ای در قاب مرجع سنکرون جريانهای نا خواسته پس از انتقال به قاب مرجع همزمان گردان (سنکرون) بررسی مي گردد جريان بار در قاب مرجع سنکرون بر حسب جريان بار در دستگاه مرجع ساکن که اختلاف فاز θبه ا ن اعمال شده باشدو روابط جريان در راستای محورهای d q مطابق رابطه (4) حاصل مي گردد: i i d q R Ts 1+. ( k) = 2 L Ts ( k) w. L Ts w 2 R T s 1+. 2 L * i d( k ) ud ( k ) T R s 1 + * + i k u k e k L 2 wl q( 1) q( 1) q( 1) wl i d ( k) Ts.. R iq ( k) L برای انجام عمليات فيلتر کردن لازم است ولتاژ و جريان فازها اندازگيری شود و به صورت بردار ها ی مناسب تبديل گردند و سپس به قاب مرجع سنکرون منتقل شوند جريان در راستای محور d مستقيما به عنوان جريان مرجع فيلتر فعال استفاده ميگردد ولی جريان راستای محور q ابتدا از يک فيلتر بالا گذر عبور داده مي شود وسپس به عنوان جريان محور q فيلتر استفاده ميشود.پس فيلتر اکتيو هيچ توان اکتيو متوسطی را برای بار مهيا نمي کند. همچنين فيلتری از نوع پايين گذر و درجه 1 با ثابت زمانی طولانی فرکانس قطع پايين معمولا 30_10 Hz مورد استفاده قرار ميگيرد که فيلتری مشابه فوق جهت کنترل کننده ولتاژ لينک DC نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.مولفه های فرکانس پايين محور q جهت کنترل ولتاژ لينک DC مورد استفاده قرار مي گيرند و مولفه های فرکانس بالا برای کنترل عمل فيلتر فعال استفاده مي شوند.بردار ولتاژ در DCC تابعی از جريان خطا مي باشد و به موقعيت واقعی شبکه و مسير عبور توان از شبکه بستگی دارد بنابراين باند های هيسترزيس که جهت ارزيابی جريان در روش کنترل برداری استفاده مي گردد برای محور d يک باند هيسترزيس ساده خواهد بود ولی باند هيستر زيس در راستای محور q از نوع باند هيسترزيس دو سطحی با يک حاشيه خطا خواهد بود.پس از تخمين و تعيين سيگنال خطای جريان طبق الگوريتم خاصي بردارها با هم ترکيب ميشوند و سيگنال کنترلی را تشکيل ميدهند[ 4 ]. 4- نتايج حاصل از شبيه سازی شبيه سازی فيلتر فعال قدرت از نوع موازی توسط نرم افزار Matlab/Simulink روی يک شبکه توزيع ساده مطابق شکل( 1 ) انجام شده است که منبع با ولتاژ 400 ولت و اندوکتانس 0/01 هانری و مقاومت يک اهمی بار ديودی 18/5 کيلو واتی را تغذيه مي کند. سيستم کنترلی اين بهساز در انواع شرايط ا لودگی های بار و منبع
ا زمايش مي گردد. در جبران سازی همزمان بار (جريان بار) و ولتاژ منبع (ولتاژ باس توزيع) يک سری اغتشاشات در طرف مشترکين مدل شده و عملکرد فيلتر به ترتيب حالتهای زير مورد بررسی قرار گرفته است. حالت 1: اعوجاج هارمونيکی و کمبود توان راکتيو و تصحيح ضريب قدرت شکل مو ج جريان بار در شکل( 3 - الف)نمايش داده شده است.جريان بار علاوه بر داشتن مقادير زيادی هارمونيک جهت تصحيح ضريب قدرت احتياج به تزريق توان راکتيو دارد.شکل( 8 - ب )جريان تزريق شده توسط فيلتر را نمايش مي دهدکه توسط مبدل موازی فيلتر توليد مي گردد. نا متعادلی ها هارمونيکهای جريان و توان راکتيو لحظه ای را جبرانسازی مي نمايد.با حضور بهساز مذکور شکل( 8 - ج )جريان سينوسی متعادل از باس شبکه توزيع کشيده مي شود. ميشود و اغتشاشات ديگری روی ولتاژ باس توزيع مدل مي گردد. شبکه توزيع نمونه مورد مطالعه شامل يک منبع ولتاژ هارمونيکی نا متعادل خط تغذيه و بارهای غير خطی مي باشد. بار غير خطی در اينجا يک يکسو کننده ديودی سه فاز در نظر گرفته شده است. ولتاژ باس توزيع را نا متقارن و نامتعادل دارای کمبود و بيشبود و هارمونيکی در نظر مي گيريم. نتايج شبيه سازی در دو مرحله بهسازی بار و ولتاژ ارايه مي شود. شکل (3) جريانهای لحظه ای سيستم (الف )- جريان بار (ب)- جريان فيلتر (ج)- جريان شبکه شکل( 4 ) جريان فاز a منبع را در کنار مولفه اصلی ولتاژ فاز مربو ط در مقياس 1/20 نمايش مي دهد با توجه به شکل مذکور مشاهده مي گردد جريان و ولتاژ هم فاز شده اند و فيلتر تصحيح ضريب قدرت را نيز به خوبی انجا م داده است. حالت 2: اعوجاج هارمونيکی کمبود توان راکتيو و عدم تعادلی با توجه به شکلهای (5) و (6) توانايی مدار کنترلی به کار رفته در ساختار بهساز ارايه شده جهت متعادل سازی جريان منبع در شرايط نامتقارن بار وحفظ جريان منبع به شکل سينوسی در اين شرايط کاملا مشهود است و مطابق شکل (6) مشاهده مي شود که دامنه جريان هر سه فاز تقريبا برابر و شکل سينوسی نيز حفظ شده است. شکل (4) ولتاژ و جريان لحظه ای فاز A شبکه جهت بررسی PFC
ب ) شکل( 5 ) جريانهای لحظه ای سه فاز بارا حالت 3: تغييرات بار شکل (6) جريانهای لحظه ای سه فاز شبکه يکی ديگر از قابليتهای مدار کنترلی پيشنهادی توانايی ا ن در تطبيق پارامترهای خود و خروجی فيلتر با شرايط متغيير بار مي باشد. در لحظه 0/04 ثانيه يک يکسو کننده ديودی ديگر با توانی معادل 0/4 توان يکسو کننده اصلی وارد مدار مي کنيم که شکل موجهای جريان لحظه ای بار جريان تزريقی فيلتر و شبکه در شکل (7) نمايش داده شده است. با توجه به شکل به تناسب افزايش دامنه جريان بار مدار کنترلی عکس العمل تطبيقی از خود نشان مي دهد و با تنظيم پارامتر های خود باعث مي شود تا جريان شبکه فرم سينوسی خود را حفظ نمايد. شکل (7) جريانهای لحظه ای سيستم (الف ( جريان بار ( جريان بهساز (ج ( جريان شبکه توزيع حالت 4: بهسازی جريان بار در حالت عدم تعادلی ولتاژ باس توزيع در اين حالت ولتاژشبکه نمونه مورد مطالعه مطابق شکل (8) دارای کمبود و بيشبود %20 روی فازهای c a مي باشند. روابط زير ولتاژ شبکه را در حالتی نشان مي دهد که دارای نا متعادلی به شرح زير باشد. چنانکه ملاحظه مي شود در ولتاژ فاز %20 a کمبود ولتاژ و در ولتاژ فاز c به ميزان %20 بيشبود ولتاژ دارد در اين حالت مشاهده مي گردد که سيستم کنترلی بهساز اثرات ناشی از اين نامتعادلی ولتاژ منبع را بر روی جريان شبکه از بين برده است و ومطاب ق شکل (8) جريان سينوسی متعادل از باس توزيع کشيده مي شود و قابليت ديگری از اين روش کنترلی در فيلتر فعال را اثبات مي کند.
ب ) ( فاز b (ج ( فاز c نتيجه گيری شکل( 8 ) جريانهای لحظه ای شبکه (الف )فاز a در اين مقاله ضمن بررسی عملکرد فيلتر فعال قدرت در يک شبکه نمونه با بيان رياضی اجزاء و مدارات کنترلی فيلتر فعال قدرت و شبکه نمونه توزيع در محيط نرم افزار Matlab/Simulink مدلسازی شده است و همچنين توپولوژی و روش کنترل بهبود يافته ای برای فيلتر فعال قدرت نوع موازی بر پايه اندازگيری و ا شکار سازی مولفه های جريان در قاب مرجع همزمان گردان و روش کنترل برداری جريان مبدلها (DCC) بيان گرديد. نتايج شبيه سازی نشان مي دهد عنصر بهساز با کنترل و تزريق جريان بر عليه ا لودگی های موجود در بار و شبکه بطور همزمان اغتشاشات هارمونيکی و نامتعادلی های بار و ولتاژ منبع در حد استاندارد کيفيت توان بهبود مي بخشد و جريان سينوسی متعادل از شبکه کشيده مي شود. بنابر اين عملکرد فيلتر از لحاظ بهبود کيفيت توان مناسب بوده است و الگوريتم کنترلی ارايه شده جهت حذف هر گونه ا لودگی به طور همزمان مناسب است. مراجع رضا نوروزيان مهرداد عابدی گي ورگ قره پتيان سيد حميد فتحی -(1 "مروری بر فيلتر های فعال قدرت و بررسی موارد کاربرد ا نها در شبکه توزيع ژاپن" هشتمين کنفرانسی شبکه های توزيع نيروی برق 30 و 31 ارديبهشت 1382 تهران 2)- Mark Mc Granaghan,"Active filter design and specification for control of harmonics in industrial and commercial facilites ",Electrotec Concepts,Inc,Knoxville TN, USA 3)- Nava-Segura, A.; Linares-Flores, J,"Transient analysis of a vector controlled active filter";industry Applications Conference, 2000. Conference Record of the 2000 IEEE, Volume: 4, 8-12 Oct. 2000 Page(s): 2129-2134 vol.4 4)- P. Enjeti, W. shireen, Ira Pitel, stantaneous space trajectories of a vector controlled active filter,1992,ieee 5)-Su Chen, Geza Joos,A Unified Series-Parallel Deadbeat Control Technique For An Active Power Quality Conditioner with Full Digital Implementation,IEEE,2001 6)- Alferedo Nava-Segura and Jesus Linures I-Feleres,Instantaneous space trajectories of a vector controlled, 2000 IEEE 7)- Keiji Wada,Considerations of a shunt active filter based on voltage detection for installation on a long distribution feeder, 2001,IEEE