] حذف نسانات ناشي از اغتشاشات لتاژ در حلقه قفل فاز سه فاز به رشي نين علياصغر قديمي محمد زارعي ميثم مختاري عض هيي ت علمي گره برق دانشكده مهندسي دانشگاه اراك aghadimi@araku.ac.ir دانشجي كارشناسي ارشد برق قدرت دانشكده مهندسي برق دانشگاه صنعتي اراك m.zareei@mailfa.org دانشجي كارشناسي ارشد برق قدرت دانشكده مهندسي دانشگاه اراك mmokhtary@arshad.araku.ac.ir چكيده يكي از مهمترين امري كه بايد در بهرهبرداري سيستمهاي الكترنيك قدرت متصل به شبكه در نظر گرفته شد سنكرنسازي سيستم با شبكه در فاز فركانس است. سرعت دقت سنكرنسازي به تكنلژي به كار رفته در سيستم حلقه قفل فاز () بستگي دارد. اغلب حلقههاي قفل فاز مبتني بر ساختار حلقه قفل فاز با قاب مرجع گردان (SRF) ميباشند. مهمترين مشكل آنها عملكرد نامناسب در شرايط نامتعادلي اغتشاشات هارمنيكي است. در راستاي اصلاح عملكرد حلقه قفل فاز اناع رشهاي استخراج هارمنيك اصلي م لفه تالي مثبت معرفي شدهاست. در اين مقاله رشي جديد براي حذف نسانات ناشي از اغتشاشات لتاژ در حلقه قفل فاز پيشنهاد شدهاست. اين رش از يك آشكارساز فركانس يك فيلتر متسطگير بهرهميبرد. سادگي انعطافپذيري ساختار سرعت دقت عملكرد مهمترين شاخصههاي اين رش است. كليد اژه آشكارسازي فاز حذف اثرات نامتعادلي حلقه قفل فاز () سنكرنسازي فيلتر ميانگين پيا (MAF) مقدمه امرزه شمار كاربردهاي تجهيزات الكترنيك قدرت از قبيل سيستمهاي تبديل انرژيهاي تجديدپذير در تليد پراكنده ادات FACTS فيلترهاي اكتي قدرت جبرانگر تان راكتي كنترل متر سيستمهاي تغذيه قدرت بدن قفه (UPS) افزايش يافته است. اين كاربردها به رديابي سريع دقيق فاز فركانس هارمنيك اصلي م لفه تالي مثبت پارامترهاي شبكه نياز دارند. با آشكارسازي سنكرنسازي سريع دقيق ايمني قابليت اطمينان عملكرد تجهيزات الكترنيك قدرت متصل به شبكه تضمين ميشد []. اخيرا رشهاي گناگني براي سنكرنسازي اراي ه شدهاست. سادهترين استراتژي تشخيص نقاط عبر از صفر لتاژ شبكه است (ZCD). اساسيترين عيب اين رش نداشتن ديناميك سريع در سنكرنسازي شبكهي بدن اغتشاش عدم تضمين عملكرد مناسب در تشخيص فاز است. علت اين امر تشخيص تغييرات فاز فركانس در يك دره تناب لتاژ شبكه ناكارآمدي در رديابي فاز تالي مثبت لتاژ شبكه نامتعادل است. البته در حالت سه فاز با استفاده از رشي كه در [] به آن اشاره شدهاست ميتان در يك سم دره تناب (در صرت عدم جد نامتعادلي در فاز) نقاط عبر از صفر را تشخيص داد بنابراين تنها به منظر آشكارسازي فركانس مرد استفاده قرارميگيرد. اگر رشهاي سنكرنسازي را به د دسته حلقه باز حلقه بسته تقسيم كنيم حلقه قفل فاز () 4 سيستم كنترلي حلقه بستهاي است كه قادر به تليد سيگنالي در خرجي است كه با سيگنال ردي سنكرن باشد [ (شكل ). شكل : ساختار پايه حلقه قفل فاز در اين ميان تكنلژي قاب مرجع سنكرن 5 (SRF) تقريبا اساس همه رشهاي سنكرنسازي سهفاز است [4]. SRF براي رسيدن به اطلاعات فركانس فاز (انتگرال فركانس) بهسيله تبديل پارك لتاژهاي سه فاز را از قاب مرجع طبيعي (abc) به قاب مرجع سنكرن گردشي (dq) منتقل ميكند. مقعيت زايه فاز تسط حلقه فيدبكي كه م لفه q (يا بسته به مشخصات ماتريس تبديل مربطه م لفه d) را ري صفر تنظيم ميكند كنترل يا به عبارتي بر ري مقعيت سيگنال ردي. Flexible Ac Transmission System 4. Phase looked loop 5. Synchronous Reference Frame. Uninterruptible Power Supply Systems. Zero Crossing Detector 458
سيستم را در جدي ربر ميشد ناپايداري ديناميكي با مشكل اين مشكل پي خاهد داشت از اين ر سعي شدهاست براي [7] رش راهكاري اراي ه دهند. در اين زمينه FS شكل : ساختار يك SRF در شرايط ايدهآل با سيگنال ردي كاملا بالا دارد كه اين سسينسي عملكرد سريع دقيقي با پهناي باند عنان فراگيرترين پايه در امر مجب شدهاست به [5]. اما زماني كه سه فاز مرد استفاده قرار گيرد سسنكرنسازي شبكه در نامتعادلي لتاژ يا اغتشاشات هارمنيكي قرارگيرد ملاحظهاي ربر ماندگار قابل مشكل خطاي عملكرد آن با نساناتي با نامتعادلي لتاژ شبكه ميشد بطريكه در مقعيت هارمنيك مجد فركانس شبكه بسته به مرتبه در خرجي d q ظاهر ميشد. ننسانات با فركانسهاي مختلفي مقايسه با ساير مناسبتري در پيشنهادي [8] در مجمع عملكرد حلقههاي قفل فاز سهفاز مجد دارند. ساختار پايه اين د 4 بر SRF سه فاز است. ساختار FFT كه به مبتني آن جزء اين دسته محسب نعي از لحاظ نع فيلتر بكاررفته در همچن تانژانت ميشد با بكارگيري بلكهاي محاسبات مثلثاتي عمل آشكارسازي فاز را انجام ميدهد. اين نع معكس نزديكي با FS دارد. اخيرا با معرفي فيلتر 5 LPN ارتباط دره تناب در زمان نصف پيشنهادي در [] فيلترينگ نسانات شبكه انجام ميشد. اين فيلتر در ساختار FFTL به لتاژ مربط فيلتر متسطگير مرد استفاده قرار گرفته جاي به آن LPN ناميده شدهاست. طراحي شدهاند نامي خد كار در فركانس اغلب رشها براي حلقههاي قفل عدم انطباق فركانسي اين نع از اين ر جهت رفع احد آشكارساز فركانس در نظر گرفته ساختارشان يك فاز در از ساختارها بطر ذاتي قابليت تطبيق شدهاست. برخي ديگر اين راهكارها ممكن است ذكر است كه فركانسي را دارند. قابل ديناميكي كردن پاسخ پيچيدهشدن ساختار بدتر مجب.[9] در شرايط اغتشاش لتاژ شد قابليت عمل كاهش يكي از مساي لي كه ميتان در مقايسهها ارزيابيها به آن جذر است. تجه كرد استفاده از بلكهاي محاسبات مثلثاتي لا معملا اينچنين بلكهايي در پيادهسازي سرعت محاسبات سه رش اخير مهمترين ساختار پيچيده تا ثيرگذار ميباشند. خد از بلك آنها است. براي نمنه LPN در ساختار عيب MAF سه معكس FS از د فيلتر محاسباتي تانژانت تبديلات پارك پيشنهادي [8] نيز از د فيلتر بلك بلك تشخيصدهنده حالت MAF يك بلك محاسبات جذر رش بهره ماندگار اين پايدار براي حذف خطاي ذاتي حالت ميبرد. رش اراي ه شده در اين مقاله پيچيدگي ساختاري ندارد با انتخاب نع را بهبد ميبخشد. براي اخير عملكرد ريكرد فيلتر آن MAF فيلتر LPN پيشنهاد ميشد. اصل عملكرد حذف نسانات به ترتيب فيلتر ميانگين پيا رش پيشنهادي شبيهسازي در بخشهاي مطرح شدهاند نتايج حاصل از مرد استفاده قرار قفل ميشد. معملا كنترلكننده PI در ميگيرد (شكل ). دبرابر SRF هاي گناگني مبتني بر SRF مشكل جهت رفع اين طراحي ساخته شدهاست كه عمده تفات آنها در نحه سيگنال ردي استخراج هارمنيك اصلي م لفه تالي مثبت داخل ساختار L يا خارج از است. اين امر ممكن است در ساختار اصلي جهت تغذيه كاملا سينسي متعادل L پايه كه اساس ساختارشان بر عمما حلقههاي قفل فازي رياضي است نيازمند فيلترهاي نامتعادلي طبق تبديلات حذف ناشي از هارمنيك هستند اين كاهش اثرات اضافي جهت كه علاه بر پيچيده شدن ساختارشان امكان تغيير درحالي است ررفتار ديناميكي آنها نيز جد ددارد. به طر مثال DDSRF اثرات نامتعادلي عنان يك راهكار بهينه براي حذف در [6] به ساختار پيچيده عمده اين رش لتاژ معرفي شدهاست اما عيب چراكه علاه بر استفاده از د تبديل قاب مرجع گردشي آن است از چهار فيلتر پايينگذر اضافي نيز بهره ميبرد. يك عملكرد مناسب فيلتر ميانگين پيا (MAF) به عنان عملي شد. شرايط مشخص تجه برخي فيلتر پايينگذر ايدهآل در صرت استفاده از به خد جلب كردهاست [7]. در پژهشگران را پايه رفتار عنان فيلتر حلقه در ساختار اين فيلترها به. FilteredSequence PhaseLocked Loop 4. Fast Fourier Transform 5. Low Pass Notch filter. Double Frequency. Moving Average Filter 459
اين رش نيز در بخش 4 اراي ه شدهاست. رش پيشنهادي حذف نسانات فيلتر ميانگين پيا (MAF) MAF از نع فيلتر پاسخ ضربه محدد (FIR) است [7]. عمل فيلترينگ در اين نع فيلتر در صرت پشش نسانات ناشي از نامتعادلي اناع هارمنيكهاي مرتبه بالاتر در يك دره تناب صرت ميگيرد. () پاسخ MAF به ازاي ردي ) x( بهصرت زير است: x( t) T t w tt w x( ) d اين فيلتر مقدار متسط ردي را از زمان t تا t محاسبه ميكند. طل قاب متسطگيري است. در عمل با سيستم گسسته ربر هستيم در اينصرت اگر فركانس نمنهبرداري T s () كه در اينجا باشد خاهيم داشت: X N N n0 x( n) x(0) نمنهبرداري شدهاست. مقدار فعلي x( n) N مقادير قبلي طل قاب نمنهگيري بده برابر با نزديكترين عدد طبيعي به T s است. جهت كاهش خطاي متسطگيري از نمنهها ميتان از درنيابي خطي استفاده كرد يا فركانس نمنهبرداري را افزايش داد [8]. پاسخ پله فيلتر در حضر نسانات در شكل نشان داده شدهاست. به طر ذاتي اين فيلتر تا خير زماني متناسب با دارد بنابراين هرچه مقدار خاهد بد. مقادير مجاز كمتر باشد پاسخ نيز سريعتر متناسب با پشش دره تناب نسانات ناشي از نامتعادلي تمام هارمنيكهاي مجد در شبكه است. شكل : پاسخ ديناميكي فيلتر MAF به ردي پله در حضر نسانات براي استخراج م لفه تالي مثبت هارمنيك اصلي شبكه يا به عبارتي حذف اثرات ناشي از نامتعادلي هارمنيكهاي مرتبه بالاتر رشهاي مختلفي جد دارد از جمله استخراج اين سيگنال قبل از رد به در فضاي abc م لفههاي dq در حلقه قفل فاز.SRF αβ f يا فيلتركردن در رش پيشنهادي اين هدف با استخراج حذف نسانات فاز آشكارشده تسط عملي ميشد. در صرت عبر خرجي PI از MAF تنها فركانس را آشكارسازي خاهيم كرد مرحله قفل فاز با استفاده از اين م لفه DC عملي نخاهد شد بطريكه با عبر آن از يك انتگرالگير شاهد برز اختلاف فاز خرجي با فاز شبكه در درههاي مختلف برز اغتشاش خاهيم بد (شكل 7a). با استفاده از رش جديد اين اختلاف فاز را به صفر ميرسانيم سرانجام عمل قفل فاز انجام خاهد شد. () در صرتي كه فاز م لفه تالي مثبت هارمنيك اصلي شبكه باشد خاهيم داشت: كه f e e تسط SRF e به ترتيب فاز فركانس آشكارشده e به ترتيب نسانات مجد در فاز فركانس آشكارشده است. از آنجا كه نميتان بدن خطاي e e گذرا را بدست آرد بنابراين معادله فق را با متغيرهاي آشكارشده تسط رش پيشنهادي بازنيسي ميكنيم: out e e e Average ff ff (4) (5) كه e out e نسانات تخمينزده شده مجد در به ترتيب فاز آشكار شده نهايي بده ff خرجي آشكارساز فركانس است كه در اقع تخمين مقدار متسط ميباشد. علت جد قسمت دم معادله (5) هنگام برز ظاهرشدن م لفه DC در خرجي ff اغتشاش در ردي است (شكل 6 ) به اين دليل ناگزيريم كه از فيلترهايي نظير MAF براي استخراج حذف آن استفاده كنيم. اين م لفه در اقع همان اختلاف فاز اقعي شبكه با انتگرال ff يا همان f ff است (شكل 7). بنابراين با دستيابي به out در آخرين مرحله ميتانيم طبق معادله (4) به e 460
سه فيلتر پايينگذر استفاده احد ZCD شبكه سه فاز از سه ميشد. براي كاهش خطاي حالتگذرا افزايش قابليت اطمينان آشكارساز فركانس نيز محدده مجازي از تغييرات را براي.[7] خرجي آن تعريف ميكنيم [] شرايط 4 ردي 90 درجه است. در در اين شرايط فاز اليه سيگنال درجه م لفه با فاز اليه 0 زمان %0 0mss هارمنيك پنجم در بازهزماني تالي منفي با دامنه %5 فاز اليه 90 درجه درجه پرش فاز اعمال ميشد. نتايج تا 60 80ms 40ms رش پيشنهادي تحت اين شرايط در شبيهسازي هر د داده شدهاست. شكلهاي 6 7 نشان خاد بد. دست يابيم كه در حالت ماندگار معادل f را با خرجي MAF در رش دم م لفه DC بدست آمده از ساختار شكل 5 جمع ff ميكنيم كه نهايتا منجر به ايجاد مميشد. شكل 4: ساختار حلقه قفل فاز حاصل از رش ال شكل 5: ساختار حلقه قفل فاز حاصل از رش دم سرعت عملكرد ساختار نهايي پيشنهادي براي رسيدن مقدار بين زمان نشست خرجي به حالت پايدار برابر با بزرگترين ) fd ( T به علاه PI زمان آشكارسازي فركانس ككنترلكننده فيلتر يا عمل متسطگيري ) T ( است. در صرت زمان پاسخ w متسطگيري كاهش فيلتر LPN پيشنهادي [] زمان استفاده از ممييابد. شبيهسازي تحليل نتايج 4 6: نتايج حاصل از شبيهسازي تحت شرايط با بكارگيري رش ال. شكل لتاژهاي سهفاز شبكه خرجي (e ff f out ) در بازه صفر ( f out (d ff (c (b (h e (g MAF (f ( (a ) ff تا π د شرايط مختلف شبيهسازي رشهاي پيشنهادي تحت انجام شدهاست. شرايط جهت مشاهده دقيقتر متغيرها نتايج با مقايسه مطابق [8] جهت فراهمسازي امكان شرايط رشهاي ديگر بكار برده شدهاست از اينر آشكارسازي فركانس لت سيگنال ردي با دامنه 400 تسط ZCD صرت ميگيرد. فركانس 50 هرتز اعمال شدهاست. ضرايب من( مايانگرحذف نسانات) i) خطاي حاصل از تخمين فاز شديد فاصله زماني د نقطه عبر از صفر در اثر پرش فاز دادهها را در مجاز است بنابراين ZCD اين خارج از حد متالي آن در اين مدت ثابت ماندهاست. به علت نظر نگرفته خرجي k I k p PI با استفاده از نرمافزار MATLAB براي رسيدن ككنترلكننده در خرجي كنترلكننده به ترتيب به زمان نشست حدد.5ms 5.68455 65600.95 درنظر گرفته شدهاند. فركانس ناشي از جهت حذف خطاي آشكارسازي ردي ZCD را از هارمنيكهاي لتاژ شبكه سيگنالهاي ه كه در فيلترهاي پايينگذر عبر ميدهيم. لازم به ذكر است 46
تنظيم ضرايب كنترلكننده PI جهت داشتن ديناميك سريع زيادي دارد لي اين امر بر خرجي تا ثير مثبتي ارشت گذاشته سبب انحراف كمتر همگرايي سريعتر آن شدهاست. ماكزيمم خطاي آشكارسازي اين پيشنهادي متا ثر از سرعت دقت عملكرد آشكارساز فركانس فيلتر متسطگير است از اين ر با پيشرفت بهبد عملكرد اين احدها در آينده شاهد بهبد عملكرد اين نيز خاهيم بد. (a شكل 7: نتايج حاصل از شبيهسازي تحت شرايط با بكارگيري رش دم. f out (d out (c MAF خرجي (b f ff همانطر كه در شكلهاي 6 7 مشاهده ميشد بكارگيري هر د رش منجر به نتايج يكساني شدهاست. 4 شرايط در اين شرايط پاسخ گذراي تحت 4 حالت مختلف شبيهسازي ميشد. حالت : رد هارمنيكها به سيگنال ردي حالت : كاهش 50 درصدي لتاژ فاز A به همراه 0 درجه پرش فاز در آن پرش فاز حالت : كاهش 50 درصدي هر سه فاز به همراه 0 درجه حالت 4: يك درجه افزايش در فركانس شبكه هارمنيكهاي مجد در حالت در تمام حالت هاي ديگر نيز مجد هستند [8]. نتايج حاصل در شكل 8 نشان داده شدهاست. محددسازي بيشتر ناحيه مجاز تشخيص ZCD به طر كلي افزايش سرعت دقت آشكارساز فركانس منجر به كاهش زمان نشست ماكزيمم خطاي خرجي ميشد. در حالت به علت جد نامتعادلي نع فازي از ZCD تكفاز استفاده شدهاست كه در اين حالت زمان پاسخ ZCD نسبت به حالت سه برابر خاهد بد. زمان نشست مقدار خطاي گذراي آشكارسازي فركانس به شدت بر زمان پاسخ ديناميكي رش پيشنهادي تا ثيرگذار است بنابراين سرعت عملكرد خطاي حالت ماندگار شكل 8: پاسخ شبيهسازي تحت شرايط به ترتيب در حالتهاي 4 رفتار ديناميكي اين نسبت به حلقههاي قفل فاز مشابه تفات چنداني ندارد بطريكه بسته به نع فيلتر مرد استفاده در FFT FS (يا (LPN رش پيشنهادي در اين مقاله هر سه مرد زمان پاسخي نزديك به هم دارند كه ابسته به سرعت آشكارسازي فركانس فيلتر است. استفاده از كنترلكننده PI بكارگيري فيلتر در خارج از حلقه لزم استفاده از آشكارساز فركانس جه مشترك FS رش پيشنهادي است از اين ر كه عامل م ثر در عملكرد اين د رش تقريبا مشابه يكديگر است پاسخ رش پيشنهادي بيش از. OverShoot 46
همه به عملكرد FS شباهت دارد. پيشنهادي در [8] به علت عدم استفاده از ZCD تقريبا از منظر زمان فيلتركردن نسانات با مارد مذكر شباهت دارد. جدل زير مقايسه ساختار حلقههاي قفل فاز را نشان ميدهد. قابل ذكر است كه برخي احدهاي ديگر مانند احد بازسازي سيگنال معرفي شده در [8] يا احد محاسبات مثلثاتي سينس كسينس در اين جدل ذكر نشدهاست. رش پيشنهادي جدل : مقايسه ساختار حلقههاي قفل فاز FS FFT, LPN رش اراي هشده كنترلكننده PI احد محاسبه tan احد محاسبه جذر ZCD تعداد فيلتر تعداد احد تبديل قاب مرجع در [8] ندارد در مجمع مهمترين جه تمايز رش پيشنهادي با دارد رشهاي فق سادگي ساختار سهلت پيادهسازي است. نتيجهگيري در اين مقاله يك رش جديد جهت حذف نسانات ناشي از 5 اغتشاش پارامترهاي شبكه در سه فاز معرفي شدهاست كه دقت سرعت بالايي دارد. به دليل بكارگيري فيلتر در خارج از حلقه فيدبك امكان تنظيم ضرايب كنترلكننده PI براي رسيدن به زمان نشست كتاه فراهم است. كارايي اين رش متا ثر از سرعت دقت عملكرد فيلتر آشكارساز فركانس است. ساختار حاصل از اين رش در ميان حلقههاي قفل فاز مشابه از سادگي انعطافپذيري منحصر به فردي برخردار بده عملكرد اين رش در ماجهه با اناع اغتشاشات شرايط هارمنيكي نامتعادلي مناسب است. مراجع [] Lisheng Shi; Crow, M.L., "A novel system based on adaptive resonant filter," Power Symposium, 008. NAPS '08. 40th North American, vol., no., pp.,8, 80 Sept. 008 [] KyoungJun Lee; JongPil Lee; Dongsul Shin; DongWook Yoo; HeeJe Kim, "A Novel Grid Synchronization Method Based on Adaptive LowPass Notch Filter for GridConnected PCS," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.6, no., pp.9,0, Jan. 04 [] Hsieh, G. C., Hung, J. C., PhaseLocked Loop Techniques A Survey, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 4, No.6, PP: 60965,December 996. [4] Carugati, I.; Maestri, S.; Donato, P.G.; Carrica, D.; Benedetti, M., "Variable Sampling Period Filter for Distorted ThreePhase Systems," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.7, no., pp.,0, Jan. 0 [5] Liccardo, F.; Marino, P.; Raimondo, G., "Robust and Fast Three Phase Tracking System," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.58, no., pp.,, Jan. 0 [6] P. Rodriguez, J. Pou, J. Bergas, J. Candela, R. Burgos, and D. Boroyevich, Decoupled double synchronous reference frame for power converter control, IEEE Trans. Power Electron., vol., no., pp. 584 59, Mar. 007. [7] Robles, E.; Ceballos, S.; Pou, J.; Martín, J.L.; Zaragoza, J.; Ibañez, P., "VariableFrequency GridSequence Detector Based on a QuasiIdeal LowPass Filter Stage and a PhaseLocked Loop," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.5, no.0, pp.55,56, Oct. 00 [8] Liang Wang; Qirong Jiang; Lucheng Hong; Chunpeng Zhang; Yingdong Wei, "A Novel PhaseLocked Loop Based on Frequency Detector and Initial Phase Angle Detector," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.8, no.0, pp.458,4549, Oct. 0 [9] Nicastri, A.; Nagliero, A., "Comparison and evaluation of the techniques for the design of the gridconnected inverter systems," Industrial Electronics (ISIE), 00 IEEE International Symposium on, vol., no., pp.865,870, 47 July 00 46