طراحی و شبیه سازي یک فیلتر اکتیو تکفاز جهت حذف هار مونیک هاي جریان شرکت برق منطقه اي زنجان پژوهشگران: مهندس آرام کنعانی ودکتر محسن کلانتر دانشکده برق -دانشگاه علم و صنعت ایران کلمات کلیدي : هارمونیک ها فیلتر اکتیو Control Sliding- Mode چکیده : -1 این مقاله یک فیلتر اکتیو براي حذف هارمونیک هاي مزاحم و ارتقاء ضریب توان سیستم به مقدار واحد ارایه می دهد فیلتر اکتیو مذکور شامل یک منبع ذخیره انرژي ) خازن ( C یک فیلتر ورودي ) اندوکتانس ( L و یک اینورتر تکفاز با چهار کلیه قابل کنترل است. کنترل فیلتر براساس مفاهیم کنترل مد لغزشی استوار شده است. براي دستیابی به جریان مرجع نیز سیستم دیجیتالی کارایی پیشنهاد شده که نتایج شبیه سازي بیانگر موفقیت فیلتر در تحقق اهداف ذکر شده است. مقدمه پیشرفت در عرصه تولید عناصر نیمه هادي و به کارگیري روز افزون از عناصر الکترونیک قدرت و بارهاي غیر خطی موجب ایجاد جریان هاي غیر سینوسی در شبکه هاي انتقال نیرو گشته است وسایلی مانند. یکسوسازها لامپها قوسی کوره هاي القایی و... از مهمترین تولید کننده هاي هارمونیکها در شبکه هاي نیرو می باشند هارمونیک هاي جریان تولید شده توسط بارهاي غیر خطی با عبور از امپدانس شبکه به هارمونیک هاي ولتاژ تبدیل شده و علاوه بروارد آوردن خسارت به تولید کنندگان انرژي آثار تامطلوبی نیز بر مصرف کنندگان خواهند داشت که از جمله آنها افزایش تلفات گرمایی کاهش راندومان در تجهیزات الکتریکی عملکرد نامطلوب تجهیزات الکترونیکی که به عبور جریان ) یا ولتاژ) از صفر حساس می باشند امکان ایجاد تشدید موازي در عناصر L و C شبکه با فرکانسی معادل فرکانس از هارمونیک هاي موجود تاثیر نامطلوب بر روي شبکه مخابراتی به دلیل کوپلاژ الکترومغناطیسی بین خطوط فشار قوي و مدارهاي مخابراتی افزایش صدا و گویا ماشین هاي الکتریکی پیري زودرس و انهدام خازن هاي موجود در شبکه تاثیر نامطلوب بر عملکرد تجهیزات مانند تلویزیون کامپیوتر که نسبت به ولتاژ تغذیه حساس می باشند. [۲] با توجه به مشکلات ذکر شده استانداردهایی براي محدوده مجاز هارمونیک ها در شبکه هاي نیرو پیش بینی شده است فیلترهاي پسیو ) غیر فعال ( موسوم ترین راه حل مورد استفاده براي محدودسازي هارمونیک هیا جریان می باشد عملکرد این دسته از فیلتر ها به شرایط لحظه اي شبکه وابسته بوده و تشدیدهاي سري و
موازي خرابی بانک هاي خازنی و افزایش دامنه بعضی از هارمونیک ها را بدنیال دارد. امروزه استفاده از فیلترهاي اکتیو به علت عملکرد بهتر قابلیت تنظیم بیشتر حجم و وزن کمتر جهت حذف هارمونیک ها و بهبود ضریب توان مورد توجه بیشتري قرار گرفته است در این مقاله نیز با بکارگیري مفاهیم کنترل مد لغزشی روشی موثر براي دستیابی به اهداف فوق ارایه شده است. براي محاسبه جریان مرجع جبران سازي نیز از یک سیستم دیجیتالی استفاده می شود. 2- مدل سازي سیستم شکل 1 فیلتر اکتیو مورد نظر را که براي جیران سازي جریان مورد استفاده قرار می گیرد نشان می دهد چندانکه می بینیم این فیلتر از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. خازن c اندوکتانس L واینورتر تکفاز براي درك سیستم ابتدا به مدل سازي اینورتر پرداخته می شود. سپس مفاهیم پایه کنترلی را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل : 1 فیلتر اکتیو [ ] 2-1- مدل اینورتر به منظور مدلسازي و کنترل حالت هر کلید اینورتر بصورت توابع کلیدي زیر خلاصه می شود. Ux = ۰ زمانی که کلید S x هدایت می کند زمانی که کلید S x باز است (1) در روابط بالا x نشانگر شماره کلید است. علاوه بر این می دانیم که دو کلید قرار گرفته بر روي یک پایه بایستی به حالت مکمل هم عمل کنند یعنی در هر زمان تنها یک کلید از دو کلید یک پایه بایستی هدایت کند. این مطلب را می توان بصورت زیر بیان کرد :
U+U۲ = U۳+U۴ = Vx = [ u u۴ + u۲ u۳] vc (2) (3) با توجه به تعریف U براي هر کلید می توان نوشت (4) Vx = [ u + u۴-] vc با استفاده از روابط 2 و 3 و 4 می توان نوشت (5) ic = [ u + u۴ - ] i همچنین (6) حال با توجه به روابط ذکر شده می توانیم معادلات حالت را براي جریان سلف و ولتاژ خازن بصورت زیر i vc = [Vs-[u+u۴-] vc] L = [u+u۴-] i c بنویسیم : [] (7) (8) -2-2 کنترل مد لغزشی ۶] Sliding Mode Control [ ۳, کنترل مد لغزشی با ایجاب پیروي یک یا چند متغیر ) معمولا نه الزاما متغیرهاي حالت ( از یک مسیر ویژه مربوط می شود. مسیر مورد نظر به عنوان سطح لغزشی شناخته می شود. محل متغیرها نسبت به سطح لغزشی حاکم بر قوانین کنترلی است که به سیستم اعمال می گردد. یعنی با تغییر محل متغیرها قوانین کنترلی بگونه اي تغییر می کند که همواره سیستم به سمت سطح لغزشی هدایت می شود. کنترل مد لغزشی انتخاب مناسبی براي سیستم هاي الکترونیک قدرت است. دلیل آن قابلبت تغییر توپولوژي مدار با عملکرد کلیدها است این تغییر ساختمان سیستم به قوانین غیر خطی اي هدایت می شود که موجب بازگشت سیستم به سطح لغزشی می گردد. نقطه شروع کنترل مدلغزشی تعریف سطح لغزشی است. در عملکرد فیلتر اکتیو خواهان
آنیم که جریان منبع سینوسی کامل و هم فاز با ولتاژ منبع باشد. بنابراین می توانیم مسیر جریان خط را بصورت زیر تعریف کنیم : is = kvs (9) که در آن K فاکتور مقدار براساس مقدار توان حقیقی مورد نیاز بار می باشد با نوشتن سطح لغزشی S به فرم استاندارد زمانیکه جریان خط روي سطح لغزشی باشد داریم : S = i S kv S = o (10) SS o اطمینان به ماندن جریان خط در سطح لغزشی با برقراري رابطه زیر برآورده می شود. (11) در صورتیکه رابطه بالا بر قرار نگردد مسیر مطلوب بقاء نخواهد داشت با توجه به رابطه 11 می بینیم در صورتی که بتوانیم علامت S را کنترل کنیم رابطه 11 همواره برقرار خواهد ماند. همچنین از رابطه 10 در می یابیم که کنترل علامت S را می توان به کنترل علامت موجب مثبت و یا منفی شدن شود که کنترل i s i s کاهش داد. در هر نقطه از زمان فیلتر می تواند طی عملکرد کلیدها بشود علاوه بر آن خاصیت طرح مدار قدرت موجب می ] s [i s ] > [ kv. با توجه به بحث گذشته در مورد عملکرد کلیدهاي, S ۳, S ۲, S و, ۴ S می توانیم S را به قوانین کنترل غیر خطی در جداول زیر خلاصه کنیم : U O i s < kv s ۰ U ۲ i s > kv s v s < ۰ v s > ۰ U ۳ ۰ ۰ U ۴-3 طراحی کنترلر جدول فوق اساس قوانین عملکرد سیستم را نشان می دهد مطلوب i s که با عنوان kv s. براي این منظور بایستی ابتدا مسیر حرکت معرفی شود به بیان دیگر جریان مرجع جبرانسازي تعیین گردد.
V m 3-1- محاسیه جریان مرجع جریان بارها هارمونیک زا با استفاده از بسط فوریه قابل بیان است. ولتاژ منبع را در حالت ایده آل I s (t ) = i sn Sin( nωt + θ n ), n=, ۲,... n [۷, ۴] Sinωt در نظر می گیریم. (12) i s i s Sin(ωt + θ ) + I sn Sin( nωt + θ n) n رابطه 12 را می توان بصورت زیر بسط داد. (12) I s Cosθ Sinωt + I s Sinθ Cosωt + I sn Sin( nωt + θ n ), n=۲, ۳,... n رابطه 13 نشان می دهد که جریان بار از 3 قسمت اکتیو راکتیو و هارمونیکی تشکیل شده است. براي آشکار سازي قسمت اکتیو جریان بار سیگنال V sr = ۲Sinωt هم فاز با ولتاژ شبکه تولید می شود. ) در مورد نحوه ساخت سیگنال بحث خواهد شد (. با انتگرال گیري از حاصلضرب جریان بار و سیگنال V sr I s. V sr dt = ۲I SI Cosθ Sin ۲ ωt dt + T T در یک دوره تناوب برق شهر دامنه قسمت اکتیو جریان بار بدست می آید. ۲I SI Sinθ T Sinωt Cosωt dt+ ۲ Sinωt I sn Cot (nωt+ θ n ) dt = I SI Cos θ = I a T i r =. I a. V sr = I a Sinωt ۲ i s i r براي تي وري هاي ذکر شده براي استیابی عملی به جریان مرجع میکروکنترلر ۸۹۵ استفاده می شود. بلوك دیاگرام مدار کنترلی در شکل مقایسه آن با جریان خط 2 نشان داده شده است. از یک [۵]
شکل : 2 بلوك دیاگرام سیستم کنترلی مطابق آنچه در بلوك دیاگرام نشان داده شده است جریان اندازه گیري شده پس از عبور از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال به میکروکنترلروارد می شود محاسبه جریان مرجع و همچنین مقایسه این جریان با جریان خط که منجر به تعیین مقدار I S u -4 می شود. به گونه اي که به محض اینکه u ۳ از به مقدار صفر می رسد مقادیر ۲Sinωt که در lookuptable میکروکنترلر ذخیره شده است شروع به محاسبه می کند این عمل با استفاده از تکنیک وقفه خارجی در میکروکنترلر صورت می گیرد. عملیات مذکور در هر پرید اصلی برق شهر تکرار می گردد. نتایج شبیه سازي براي انجام شبیه سازي بار غیرخطی یک یکسو کننده تکفاز با مقادیر مشخص شده در شکل 3 در نظر گرفته شده است.
۵۰Hz, ۲۲oV می باشد. مقدار سلف فیلتر mh شکل : 3 فیلتر اکتیو به همراه بار غیر خطی 2 و مقدار خازن جریان بار یکسوساز بدون جبران سازي در شکل ۲uf محاسبه شده است. ولتاژ خط 4 آمده است. شکل : 4 جریان بار قیل از جبران سازي توابع کلید زنی u و u ۴ مطابق شکل هاي 5 و 6 می باشد. شکل : 5 تابع کلید زنی u : 5 شکل تابع کلید زنی u ۴
شکل : 7 جریان جبران سازي شکل 8 جریان ایده آل جبران شده و شکل شده است. 9 نشانگر جریان جبران شده بوسیله توابع کلید زنی نشان داده شکل : 8 جریان جبران سازي ایده آل شکل : 9 جریان جبران شده بوسیله فیلتر جمع بندي در این مقاله با استفاده از قوانین کنترل مد لغزشی و استفاده از یک سیستم دیجیتالی مناسب با تاخیر زمانی قابل صرف نظر فیلتر اکتیوي مناسب براي حذف هارمونیک و ارتقاء ضریب توان بار به مقدار واحد ارایه شده استنمونه صنعتی این فیلتر براي انواع بارهاي غیر خطی موثر بوده و جایگزین مناسبی براي فیلتر هاي پسیو می باشد. -5 مراجع [] D.A.Torrey, A AL Zamel, Sinlge phase Active power Fillers for Multiple Nonlinear Loads, IEEE Trans. on power Electronics, vol.۰, NO. ۳, PP. ۲۶۳-۲۷, May ۹۹۵. [۲] J.J slotins. and W.Li, Applied Nonlinear Control, prentice Hall, ۹۹. [۳] H. L.Jou, C. Wu, H Y.Chu, New Single phase Active power Filter, IEE Elec. power Appl. Vol.۴. No.۳, pp.۲۹-۳۴, May ۹۹۴. [۴] I. Scott Mackenzie the ۸۰۵ Microcontroller second Edition, prentice Hall, ۹۹۵.
[۵] L. Rossetto, G Spiazzi, p. Tenti Fast Response High Quality Rectifier with Sliding mode Control, IEEE Trans. on Power Elec. Vol. ۹, No. ۲, pp. ۴۶-۵۲, March ۹۹۴. [ استاندارد حدود مجاز هارمونیک ها در سیستم برق ایران معاونت تحقیقات و تکنولوژي امور برق وزار 6 ] نیرو مرداد. 1373 7] زارعی پور حسینی آقاگلزاده جاویدنیا (( روشی جدید براي کنترل یک فیلتر فعال تک فاز )) ششمین کنفرانس مهندسی برق ایران اردیبهشت. 77 ]