اراي ه روشي به منظور كنترل فيلتر قدرت اكتيو جهت بهبود شاخصهاي كيفيت توان در سيستمهاي توزيع حسين عزيزي ايمان زياري دانشكده مهندسي برق دانشگاه علم و صنعت ايران قطب علمي اتوماسيون و بهره برداري سيستمهاي قدرت Ima_za@yahoo.com تهران ايران hossenazz57@yahoo.com كلمات كليدي: فيلتر اكتيو كيفيت توان اينورتر جريان كنترل هيسترزيس چكيده امروزه فيلترهاي قدرت اكتيو نقش مهمي را در بهبود مشكلات كيفيت توان در سيستمهاي توزيع ايفا ميكنند. در اين مقاله يك استراتژي كنترلي جديد مبتني بر فيلتر اكتيو قدرت اراي ه ميشود. در اين روش ابتدا تخمين جريان مرجع با استفاده از جريان بار و ولتاژ شين DC انجام ميشود سپس با استفاده از يك اينورتر جريان كنترلشده به روش هيسترزيس جريان جبرانسازي لازم توليد و به شين بار تزريق ميگردد. فيلتر اكتيو پيشنهادي در محيطsmulnk/MATLAB مدلسازي و شبيهسازي گرديده و عملكرد آن در شرايط بارهاي هارمونيكي مختلف و عدم تعادل ولتاژ در يك سيستم سه فاز سه سيمه و چهار سيمه مورد بررسي قرار ميگيرد. 1- مقدمه افزايش روز افزون بارهاي غيرخطي اعم از يكسوسازهاي ديودي و تايريستوري كورههاي قوسي و... در سيستمهاي توزيع منجر به بروز مشكلات كيفيت توان و تاثير متقابل آن بر روي بارهاي تغذيه شونده از آن شين ميشوند. از طرفي ديگر بهدليل محدوديتهاي در نظر گرفتهشده توسط استانداردهاي مختلف بهخصوص براي مصرفكنندههاي صنعتي كاهش مشكلات هارمونيكي ناشي از بار بهعنوان يك ضرورت مطرح مي گردد. بنابراين انواع مختلفي از جبرانسازها به اينمنظور معرفي شده اند. فيلترهاي پسيو بهعنوان اولين جبرانسازها بهمنظور حذف هارمونيكه يا جريان و بهبود ضريب توان معرفي شده اند. اگرچه اين دسته از فيلترها از سادگي و هزينه كمي برخوردارند و يل بهدليل تاثير امپدانس خط واحتمال بروز مشكلات رزونانسي عدم توانايي در حذف چندين مولفه هارمونيكي و... از مقبوليت كمي برخوردارند. لذا تحقيقات مختلفي در زمينه جبرانسازها و طراحي آنها انجام گرديده است. فيلترهاي اكتيو قدرت يكي از اين جبرانسازها ميباشند كه امروزه از كاربرد وسيعي در سيستمهاي توزيع برخوردارند كه قابليت حذف تمامي هارمونيكهاي ناخواسته بهبود ضريبتوان و عدمتعادل را دارا هستند. در چند دهه اخير ساختارهاي مختلفي از فيلترهاي اكتيو اراي ه شده است كه فيلترهاي از جمله آنها فيلترهاي تركيبي[ 1-2 ] اكتيو سري فيلترهاي اكتيو موازي[ 3-8 ] UPQC و... مي باشند. همچنين روشهاي كنترلي مختلفي در حوزه فركانس [9-10] و حوزه زمان مانند فيلترهاي notch تي وري قاب d-q با مرجع سنكرون روش رديابي جريان سنكرون[ 11-12 ] تي وري توان
1-3 محاسبة جريان مرجع منبع لحظهاي[ 13-15 ] و... اراي ه گرديده اند. در اين مقاله ابتدا با استفاده از ولتاژ لينك DC و ولتاژهاي منبع جريانهاي مرجع منبع حاصل ميشوند سپس با استفاده اندازهگيري جريان بار جريانه يا از مرجع جبرانساز بهدست خواهد آمد. بهمنظور تزريق اين جريان به شين بار از يك اينورتر منبع جريان موازي مبتني بر روش كنترلي هيسترزيس استفاده ميشود. بهمنظور بررسي دقيقتر اين سيستم كنترلي بخشهاي مختلف سيستم قدرت توزيع در محيط smulnk/matlab شبيهسازي شده و عملكرد فيلتر اكتيو پيشنهادي تحت شرايط بارهاي هارمونيكي مختلف و بارهاي نامتعادل مورد بررسي واقع ميشود ارزيابي قرار و در هر مورد شاخصهاي كيفيت توان مورد گرفت. خواهد مناسب اين جبرانساز را تاي يد ميكنند. نتايج شبيهسازي عملكرد 2- ساختار كلي سيستم و استراتژي كنترلي ساختار كلي سيستم در شكل 1 نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود فيلتر اكتيو پيشنهادي از يك اينورتر سهفاز با 6 سوي يچ IGBT تشكيل شده است كه توسط يك خازن لينك DC تغذيه ميشود. اين اينورتر بهصورت موازي با بار ميباشد. در اين سيستم بار بهشكلي انتخاب مي شود كه بتوان شرايط مختلف هارمونيكي و شرايط عدم تعادل ولتاژ را ايجاد كرد. به اين منظور از يك يكسوساز پل ديودي سهفاز به همراه يك يكسوساز پل تايريستوري سهفاز استفاده ميشود. جهت تغذيه بار از يك منبع ولتاژ با شين بينهايت (مدل شبكه توزيع) استفاده شده است. شكل 1. ساختار كلي فيلتر اكتيو در اين روش دامنه پيك جريانهاي مرجع لحظهاي منبع مطابق رابطة (1) با مقايسه ولتاژ DC مرجع و مقدار ولتاژ واقعي خازن و اعمال آن به كنترلر PI محاسبه ميشوند. v ( n ) v ( n ) v ( n ) (1) e = dc dc خروجي كنترل كنندة PI به ترتيب زير خواهد بود : I sd = k. Δv + k Δv p dc dc.dt (2) جهت محاسبة بردارهاي واحد جريان منبع مرجع از رابطة sa2 sb2 sc2 = V K a b c 2 = V K 2 = V K 2 (3) استفاده ميشود: (3) K 2 عكس مقدار دامنة ولتاژ منبع ميباشد. در اين رابطه محاسبة جريان مرجع لحظهاي منبع بهصورت زير خواهد بود: sa sb sc = = = sa1 sb1 sc1 + + + sa2 sb2 sc2 (4) 2-3- محاسبه جريان مرجع جبرانساز با محاسبة جريان مرجع منبع كه در بخش محاسبه قبل گرديد جريان مرجع جبرانساز كه بايد به شين بار تزريق شود با در اختيار داشتن مقدار لحظه اي جريان بار توسط معادلة (5) حاصل ميگردد: ca cb cc = = = sa sb sc La Lb Lc (5) 3-3- اينورترجريان با روش كنترل هيسترزيس به منظور تزريق جريان جبرانساز از يك اينورتر جريان با روش كنترل هيسترزيس كه تابع سوي يچينگ آن مطابق معادلة (6) ميباشد استفاده گرديده است: hys( Δ cx 1 ) = 0,, f Δ f Δ > h < h (6) Δcx = cx cx x = a,b,c دياگرام كنترلي فيلتر اكتيو موردنظر در شكل 2 نشان داده شده است. cx cx
شكل 2. دياگرام كنترلي پيشنهادي فيلتر اكتيو 4- مدلسازي و شبيهسازي فيلتر اكتيو فعال مطابق شكل 3 بخشهاي مختلف سيستم قدرت متشكل است از بارهاي غيرخطي منبع سهفاز امپدانسهاي خط اينورتر جريان سيستم كنترلي و خازن لينك DC در محيطSmulnk/MATLAB مدلسازي گرديدهاند. شكل 3. شبيه سازي سيستم قدرت نمونه در محيطSmulnk/MATLAB α = 60 α = 110 α = 30 شکل محتواي هارمونيکي جريان بار براي زواياي مختلف ا تش.٤ α = 60 α 110 = α = 30 شکل ٥. طيف هارمونيکي جريان بار براي زواياي ا تش مختلف
طي. 1-4- نتايج شبيهسازي جهت ارزيابي فيلتر اكتيو پيشنهادي عملكرد سيستم كنترلي در شرايط مختلف هارمونيكي و عدم تعادل بار در محيطSIMULINK/MATLAB شبيهسازي شده است. با استفاده از شبيه سازي در هر مورد شاخصهاي كيفيت توان بررسي و نسبت به حالت بدون فيلتر اكتيو مقايسه مي شوند. شكل 7 ف فركانسي جريان منبع بعد از جبرانسازي 2-4- عملكرد سيستم در شرايط مختلف هارمونيكي بار غير خطي در اين حالت شبيهسازي براي يك بار هارمونيكي متعادل شامل يكسوساز تايريستوري 6 پالسه به ازاي زواياي آتش مختلف انجام شده است. اين يكسوساز يك بار RL را تغذيه مي كند. شكل ه يا 4 و 5 محتواي هارمونيكي جريان بار را براي زواياي آتش مختلف نشان مي دهند. شكل 6 جريان بار و جريان خط در حضور فيلتر اكتيو را نشان مي دهد. ملاحظه مي گردد كه در اين شرايط هارمونيكهاي بار حذف مي گردند و جريان منبع كاملا سيسنوسي مي شود. شكل 7 و 8 طيف هارمونيكي جريان خط و ولتاژ خازن را نشان مي دهد. همانطور كه ديده مي شود هامونيكهاي مرتبة پايين حذف و THD جريان به مقدار %0/82 محدود مي گردد. تغييرات توان اكتيو و راكتيو در شكل 9 نشان داده شده است. مطابق شكل 10 در اين حالت ضريب توان خط واحد مي باشد. ولتاژ خازن جريان مرجع توليدي به ترتيب در شكل 11 آورده شده است. شكل 6. جريان منبع و جريان بار غيرخطي شكل 8. ولتاژ خازن شكل 9. توان اكتيو و راكتيو شكل 10. ضريب توان خط شكل 11. جريان مرجع و جريان توليدي جبرانساز در مرحلة بعد عملكرد سيستم در شرايط ايجاد توالي صفر در سيستم سه فاز 4 سيمه مورد شبيه سازي قرار مي گيرد. شكل 12 جريان هارمونيكي بار و جريان منبع را پس از اعمال جبرانساز نشان مي دهد. در اين حالت نيز سيستم كنترلي به خوبي عمل مي كند و با توجه به شكل موج جريان منبع و طيف فركانسي (شكل 13 ) آن Q P هارمونيكهاي بار به طور مطلوب حذف مي گردد و مقدار THD جريان از %26/93 به %0/66 مي رسد. مطابق شكل 14 جريان و ولتاژ خط همفاز و ضريب توان در اين حالت واحد
طي. مي باشد. در صورت وجود مسير جريان نول(سيستم چهار سيمه) يك جريان هارمونيكي با فركانس 150 هرتز و شكل 14. ولتاژ و جريان خط پس از جبرانسازي شكل 15. جريان مرجع و جريان توليدي شكل 12. جريان هارمونيكي بار و جريان هارمونيكي منبع I load شكل 16. جريان مرجع و جريان توليدي به سيم نول و جريان سيم نول منبع I s I s I load و منبع شكل 13 ف فركانسي جريان بار دامنة بالا از سيم نول عبور خواهد كرد. با توجه به ساختار اراي ه شده در شكل (1) به منظور جبرانسازي جريان سيم نول يك جريان جبرانساز به نقطة n تزريق مي گردد و جريان سيم نول منبع را به حداقل مي رساند. پس از شبيه سازي فيلتر اكتيو تغييرات جريان مرجع توليدي و جريان خروجي اينورتر براي فاز C در شكل 15 نشان داده شده است. شكل 16 جريان مرجع توليدي و جريان توليد شده توسط اينورتر كه به سيم نول تزريق مي گردد را نشان مي دهد. ملاحظه مي گردد با اعمال حبرانساز جريان نول مقدار جريان نول در منبع تا حد مطلوبي كاهش مي يابد. ولتاژ خازن در شكل 17 نشان داده شده است. شكل 17. ولتاژ دو سر خازن در ادامه به منظور ارزيابي سيستم كنترلي در شرايط عدم تعادل بار هارمونيكي شبييه سازي براي يك بار هارمونيكي سه فاز نامتعادل انجام مي شود. به همين منظور مطابق شكل 18 بارهاي هارمونيكي با دامنه و مرتبة هارمونيكي مختلف به هر يك از فازها اعمال شده است. در اين شكل تغييرات زماني جريان فازها و طيف فركانسي جريان هر فاز را نشان مي دهد. همانطور كه ملاحظه مي گردد دامنة مولفة اصلي و مولفه هاي هارمونيكي هر يك از فازها متفاوت مي باشد و در اين حالت عبور جريان توالي صفر از سيم نول اجتناب ناپذير مي باشد. شكل 19 تغييرات جريان بار و جريان منبع پس از اعمال جبرانساز را نشان مي دهد. در اين حالت سيستم كنترلي ضمن حذف هارمونيكهاي بار
اثر نامتعادلي بار را نيز جبران مي كند و جريان منبع يك موج سيسنوسي متعادل و همفاز با ولتاژ منبع(شكل 20 ) مي باشد. طيف فركانسي جريان منبع پس از اعمال جبرانساز در شكل 21 اراي ه شده است. ولتاژ خازن و جريان خروجي اينورتر به ترتيب در شكل ه يا 22 و 23 اراي ه شده است. با توجه به نتايج شبيه سازي نشان داده شده در شكل 24 با قرار دادن جبرانساز سيم نول جريان سيم نول در طرف منبع تا حد مطلوبي كاهش خواهد يافت. طيف هارمونيكي جريان سيم نول بدون اعمال جبرانساز در شكل نشان داده شده است. نتيجهگيري 25 وجود بارهاي غيرخطي و نامتعادل از جمله عوامل بروز مشكلات كيفيت توان در سيستمهاي توزيع ميباشند. فيلترهاي اكتيو يكي از جبرانسازهايي ميباشند كه جهت رفع اين مشكلات اراي ه شدهاند. در اين مقاله يك استراتژي كنترلي جديد جهت بهبود عملكرد فيلترهاي اكتيو اراي ه گرديده است. بهمنظور ارزيابي روش پيشنهادي چندين سيستم نمونه در شرايط هارمونيكي مختلف و عدم تعادل مورد بررسي قرار گرفتهاند. نتايج بدست آمده از شبيه سازي نشان مي دهد كه با استفاده از اين روش كنترلي هارمونيكهاي بار تا حد مطلوبي حذف و THDجريان بار كاهش مي يابد. همچنين نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه در شرايط عدم تعادل بار هارمونيكي فيلتر اكتيو اراي ه شده داراي عملكرد مطلوبي مي باشد. شكل 18. تغييرات زماني و طيف فركانسي بارهاي غير خطي و نامتعادل در هر يك از فازها شكل 20. جريان و ولتاژ منبع شكل 19. تغييرات زماني جريان بار غير خطي و جريان منبع پس از جبرانسازي شكل 22. ولتاژ دو سر خازن شكل 23. جريان تزريق شده توسط اينورتر اينورتر
شكل 21. طيف فركانسي جريان منبع و مقدار THD شكل 24. جريان سيم نول جريان جبرانساز و جريان سيم نول منبع Internatonal Conf. On Harmoncs and Qualty of Power 1998, Vol. 2, October 1998, pp. 617-622 [10]. Sncy George, Vvek Agarwal, "A Novel Technque for Optmzng the Harmoncs and Reactve Power under Non- Snusodal Voltage Condtons", IECON' 02, Vol. 2, November 2002, pp. 858-863 [11]. Bhm Sngh, Kamal Al-Haddad, "A New Control Approach to Three-Phase Actve Flter for Harmoncs and Reactve Power Compensaton", IEEE Trans. On Power System, Vol. 13, No. 1, February 1998, pp. 133-138 [12]. Hongyu L, Fang Zhuo, "A Novel Current Detecton Algorthm for Shunt Actve Power Flters n Harmonc Elmnaton, Reactve Power Compensaton and Three-Phase Balancng", 35 th Annual IEEE Power Electroncs Specalsts Conf., 2004, pp. 1017-1023 [13]. Masatosh Takeda, Kazuo Ikeda, "Harmonc Current and Reactve Power Compensaton wth Actve Flter", 19th Annual IEEE11-14, Power Electroncs Specalsts Conference, 1988, PESC '88 Record, Vol. 2, Aprl 1988, pp. 1174-1179 [14]. Jaoao L. Afonso, M. J. Sepulveda Fretas, "p-q Theory Power Components Calculatons", IEEE Internatonal Symposum On Industral Electroncs, ISIE' 03, Vol. 1, June 2003, pp. 385-390 [15]. Yasuhro Komatsu, Takao Kawabata, "Characterstcs of Three Phase Actve Power Flter Usng Extenson pq Theory", Proceedngs of IEEE, ISIE' 97, Vol. 2, July 1997, pp. 302-307 فهرست شكل 25. تغييرات زماني و طيف فركانسي بارهاي مراجع غير خطي و نامتعادل [1]WeMn Wu, LQng Tong, "A New ControlStrategy for Seres Type Actve Power Flter", 35 th Annual IEEE Power Electroncs Specalsts Conf, 2004, pp. 3054-3059 [2]. Sangsum Km, Prasad N. Enjet, "A New HybrdActve Power Flter (APF) Topology", IEEE Trans. On Power Electroncs, Vol. 17, No. 1, January 2002, pp. 48-54 [3]. S. Sladc, M. Odavc, "Sngle Phase Actve Power Flter wth Sldng Mode Control", IEEE MELECON 2004, May 2004, pp. 1133-1136 [4]. Jaume Mret, Josep M. Guerrero, "A Smple Sldng Mode Control of an Actve Power Flter", 35 th IEEE Power Electroncs Specalsts, 2004, pp. 1052-1056 [5]. Bor-Ren Ln, Yung-Chuan Lee, "Three-Phase Power Qualty Compensator under the Unbalanced Sources and Nonlnear Loads", IEEE Trans. On Industral Electroncs, Vol. 51, No. 5, October 2004, pp. 1009-1017 [6]. Maurco Aredes, Jorgen Hafner, "Three-Phase Four- Wre Shunt Actve Flter Control Strateges", IEEE Trans. On Power Electroncs, Vol. 12, No. 2, March 1997, pp. 311-318 [7]. Y. S. Km, J. S. Km, "Three-Phase Three-Wre Seres Actve Power Flter, Whch Compensates for Harmoncs and Reactve Power", IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 3, May 2004, pp. 276-282 [8]. Hdeak Fujta, Hrofum Akag, "A Practcal Approach to Harmonc Compensaton n Power Systems Seres Connecton of Passve and Actve Flters", IEEE Trans. On Industry Applcatons, Vol. 27, Issue. 6, November/December 1991, pp. 1020-1025 [9]. M. Sonnenschen, V. Staudt, "Evaluaton of a Shunt Actve Flter Usng Frequency Identfcaton", 8 th