بخشی از مقاله
این مقاله دارای فرمول های زیادی میباشد
خلاصه : در اين مقاله به شبيه سازي بارهاي غيرخطي شامل يک يکسوساز صنعتي مربوط به الکتروليز نمک طعام در مجتمع پتروشيمي بندر امام، کوره قوس الکتريکي سه فاز و لامپ فلورسنت به عنوان منابع توليد هارمونيک در سيستم هاي توزيع پرداخته شده است . سپس به طراحي فيلترهاي پسيو براي حذف هارمونيکي و جبران توان راکتيو در يکسوساز و کوره قوس الکتريکي و از طراحي يک فيلتر اکتيو شنت براي حذف هارمونيکهاي توليد شده توسط لامپ هاي فلورسنت استفاده شده است . اين منابع توليد هارمونيک به همراه فيلترهاي آنها در يک شبکه توزيع واقعي و يک شبکه توزيع و انتقال فشار متوسط نمونه در نرم افزار MATLAB شبيه سازي شده است . نتايج شبيه سازي، عملکرد صحيح فيلترهاي اکتيو و پسيو را در حذف هارمونيک ها و جبرانسازي توان راکتيو و صحت مدلهاي پيشنهاد شده را نشان مي دهد
کلمات کليدي: بار غيرخطي ، فيلتر پسيو و اکتيو, يکسوساز, کوره قوس الکتريکي ، لامپ فلورسنت ، هارمونيک، توان راکتيو.
١ - مقدمه
افزايش قيمت انرژي و همچنين ورود به بازار برق، شرکت ها و صنايع مصرفکننده انرژي الکتريکي را در جهت سرمايه گذاري براي بالا بردن کيفيت توان سوق داده است . يکي از شاخص هاي بهبود کيفيت توان، هارمونيک ها مي باشند که در اثر بارهاي غيرخطي در شبکه توليد مي شوند. براي حذف اين هارمونيکها از فيلترهاي پسيو و اکتيو استفاده مي شود.
فيلترهاي پسيو شامل فيلترهاي پسيو موازي و سري هستند که فيلتر پسيو موازي به صورت موازي با بار هارمونيکزا قرار گرفته است داراي امپدانس بالايي در برابر فرکانس موج اصلي و در مقابل امپدانس بسيار کمي در برابر هارمونيک خاصي که مي خواهد فيلتر نمايد، است . فيلتر پسيو سري داراي امپدانس بالايي در مقابل هارمونيک مشخص و داراي امپدانس پاييني در مقابل فرکانس اصلي شبکه است مهمترين عيب اين فيلترها ايجاد رزونانس با شبکه از مقاومت سلف و خازن تشکيل شده است و مزيت آنها ارزاني و صرفه اقتصادي است [٤].
با پيدايش عناصر نيمه هاي سريع در قدرتهاي بالا امکان محدودکردن هارمونيک هاي جريان (يا ولتاژ) با استفاده از فيلترهاي اکتيو به وجود آمد. اين فيلترها با قابليت نصب به صورت سري يا موازي يا ترکيبي از اين دو بر روي شبکه الکتريکي نصب مي شود در اين صورت با تصحيح ولتاژ شبکه در محل اتصال به منظور تصحيح ولتاژ تغذيه مصرفکنندگان در نقطه اتصال با فيلترکردن جريانهاي هارمونيکي توليدشده توسط بار غيرخطي به منظور آزاد ساختن شبکه الکتريکي از توليد آنها و يا انجام همزمان دو عمل فوق به کار گرفته مي شوند مهمترين وظيفه آنها جبران هارمونيک هاي جريان, جبران توان راکتيو جابجايي و اصلاح ضريب قدرت، جبران هارمونيکهاي ولتاژ منبع و بهبود کيفيت توان و ايجاد تعادل بار در سيستم هاي نامتعادل سه فاز مي باشد[٥]. مهمترين عيب آنها پيچيدگي مدار کنترل و گراني آنها و مزيت آن هم فيلترسازي خوب آنهاست .
٢- مروري بربارهاي غيرخطي درسيستم هاي قدرت
الف - يکسوساز صنعتي سه فاز يکسوسازها در صنعت جهت شارژ باتريها، تغذيه الکتروموتورهايDC،UPS ها، سيستم هاي HVDC و ساير موارد که تغذيه DC نياز باشد استفاده مي شوند. به دليل گستردگي استفاده از يکسوسازها اين بار از جمله توليدکنندههاي مهم هارمونيک در صنعت مي باشد. يکسوسازها براساس تعداد پالس ها که براي فرمان تريستورها استفاده مي شوند نامگذاري مي شوند و هارمونيکهاي مشخصي براساس تعداد پالس ها توليد مي کنند.
ب- کوره القايي سه فاز
کورههاي قوسي و بصورت مشخصه غيرخطي بودن ولتاژ-جريان قوسهاي قدرت توليد هارمونيک مي نمايند. هارمونيکهاي توليد شده مربوط به هارمونيکهاي جريان مي شوند که مشخص تر از هارمونيکهاي ولتاژ هستند. به عبارت ديگر کورههاي قوسي منبع هارمونيک جريان به شمار مي آيند اندازهگيريهاي بدست آمده از ولتاژ خروجي يک کوره قوسي اشاره به يک هارمونيک متغير در حد زيادي را مي نمايد کورههاي قوس الکتريکي را با مدلهاي مختلفي ازجمله مدل شعاعي و امپدانسي شبيه سازي مي کنند[٢]. در اين مقاله کوره با مدل امپدانسي شبيه سازي شده است .
ج- لامپ هاي فلورسنت
حدود ٢٥ درصد کل انرژي الکتريکي در جهان به مصارف روشنايي مي رسد[٨]. در حال حاضر حدود ٨٠ درصد از منابع توليد روشنايي که در مکانهاي تجاري، صنعتي ، علمي و خردهفروشي نصب شدهاند را لامپ هاي فلورسنت تشکيل مي دهند. از اين دسته ، لامپ هاي تخليه اي به خاطر ضريب بالاي تبديل انرژي الکتريکي به روشنايي معمولتر پيچيده است . در اين لامپ ها بر خلاف لامپ هاي معمولي ، نور به صورت مستقيم از انرژي الکتريکي به دست نمي آيد، بلکه توسط مدار خاصي به نام بالاست ١ اين تبديل صورت مي پذيرد. براي آغاز به کار لامپ ، مي بايست يک قوس الکتريکي در هر نيم سيکل (در حالت کار انCرژAي) اتلشکتکرييل ي شوتأدميبان لانسمات يد،ي دباوينس ات ينکايه ن اثقرومسنفري ا ببارحعمدارل لاممصپ ريف منبع تغذيه به جاي گذارد[٣].
٣- شبکه توزيع مجموعه ترانس رکتيفاير در پتروشيمي بندرامام
شبکه توزيع اين واحد داراي ٤ خط ترانس رکتيفاير جهت توليد برق
DC به منظور الکتروليز نمک طعام مي باشد که موج ورودي ترانس هر خط قبل از ترانس زيگزاگ از پست نيروگاه٦٦ کيلوولت تغذيه شده و بعد از شيفت فازي که به منظور عدم تداخل امواج و افزايش پالس ها توسط ترانس زيگزاگ انجام مي شود وارد ترانس ستاره مثلث مي شود پس از اختلاف فاز ٣٠ درجه در خروجي هاي ترانس ستاره مثلث به مبدل ١٢ پالسي وارد مي شود و خروجي مبدل ها که ولتاژ ٣٥٠ تا ٥٠٠ ولت DC بر روي يک شين DC وارد مي شود و در نهايت بين ٦٤ سلول محلول نمک که به طور سري قرار دارند تقسيم مي شود. منبع تغذيه با سطح ولتاژ ٦٦ کيلو ولت که از شين اصلي پست نيروگاه تغذيه شده است و خط حد فاصل نيروگاه تا تغذيه ترانسفورماتور يکسوساز با امپدانس مقاومتي سلفي مدل شده است . ترانسفورماتور زيگزاگ جهت اختلاف فاز ٧.٥ درجه به منظور افزايش پالس هاي در خروجي مبدل که در مجموعه ٤ خط ، موج ورودي به ترانس ستاره مثلث به ترتيب در اولين خط ٢٢.٥ و در خط دوم ٧.٥ و در خط سوم ٧.٥- و در خط چهارم ٢٢.٥- درجه نسبت به موج تغذيه به وسيله ترانس زيگزاگ اختلاف فاز ايجاد مي شود و بعد وارد ترانس با اوليه ستاره و ثانويه ستاره - مثلث مي شود که در دو سيم پيچ خروجي ٣٠ درجه اختلاف فاز نسبت به هم ايجاد ميشود تا مبدل ١٢ پالسه را تغذيه کند. هرکدام از خط ها داراي ١٢مجموعه تريستور مي باشد که مبدل ١٢ پالسي را تشکيل مي دهند. در هر پل مجموعه اي از تريستورها به صورت پارالل به دليل جريان بالا وجود دارد که همه آنها به طور همزمان آتش شده مجموع تريستورهاي هر پل در هنگامي که فاز ورودي در پيک خود مي باشد، آتش مي شوند. مدار فرمان تريستورها وابسته به ولتاژ پيک فاز مربوط به ورودي خود مي باشد.
بار خروجي مبدل در خروجي DC قرار دارد اين بار مجموعه اي از سلولهاي محلول آب نمک مي باشد که ولتاژ با استفاده از دو الکترود آند و کاتد الکتروليز نمک طعام را انجام مي دهد بار با مقاومت و سلف شبيه سازي شده است .
٤- مدلسازي بارهاي غيرخطي
الف - مدل امپدانسي کوره قوس الکتريکي کوره قوس الکتريکي سه فازه را مي توان به صورت يک مدار الکتريکي بيان کرد که در آن قوس به صورت يک مقاومت متغير مدل مي شود [٩ و١٠]. دو مدل معروف، مدل ماير (براي جريان قوس کم ) و مدل کاسي (براي جريان قوس زياد) است [٧]. اين دو مدل معمولا بر حسب کندوکتانس (به جاي مقاومت ) قوس بيان مي شود[١١].
معادله کاسي به صورت:
و معادله ماير به صورت:
بيان مي شود. پارامترها در معادلات (١) و (٢) عبارتند از: E٠: ثابت لحظه اي ماناي ولتاژ قوس، θ: ثابت زماني قوس، P٠: توان لحظه اي تلفات ، i: جريان قوس، v: ولتاژ قوس.
اين معادلات ديفرانسيلي نسبتا ساده بر مبناي سادهسازي مکانيزم تلفات توان و تجمع انرژي در ستونهاي قوس نوشته شده اند.
با تعريف جريان گذراي I0، دو مدل را مي توان در يک مدل خلاصه نمود. مدل کاسي براي حالتي که جريان قوس بيش تر از I0 و مدل ماير هنگامي که جريان قوس کمتر از I0 است به کار مي رود. ليکن براي انتقال نرم دو مدل، يک شاخص گذراي (δ)iتعريف مي شود تا کندوکتانس نهايي قوس را به صورت زير بيان کند:
که در آن GC و GM به ترتيب کندوکتانس هاي ارائه شده در (١) و (٢) هستند.
مقدار اين شاخص گذرا بين صفر و يک تغيير مي کند و مي بايست هنگامي که جريان قوس I زياد مي شود، کاهش يابد. شاخص گذرا به صورت زير تعريف مي شود:
هنگامی که جریان I کوچک است ، مقدار به یک نزدیک است و مقدار G در معادله 3 تقریبا برابر GM میشود . هنگامی که مقدار I بزرگ است . مقدار کوچک میشود و بنابر این G تقریبا با Gc برابر میشود . 3 و 4 برای به دست اوردن مدل کاسی مایر امپدانس قوس با هم ترکیب شده و به صورت در می ایند .
کندوکتانس بين هر دو الکترود، در حالت نبود قوس ميان آنهاست . هنگام تشکيل قوس، انرژي ذخيره شده در واحد حجم در مقايسه با تلفات انرژي در واحد حجم زياد مي شود. بنابراين θ مي بايست تابعي از جريان قوس i باشد. هنگام تشکيل قوس، θ کوچک است و مي تواند به صورت زير بيان شود:
که در آن هنگام تشکيل قوس ، iکوچک است ، و هنگامي که i بزرگ است رابطه برقرار است . رابطه ميان طول قوس و آستانه ولتاژ قوس به صور زير است :
که در آن l طول قوس (برحسب سانتيمتر) و ثابت A به مجموع افت ولتاژ الکترودهاي آند و کاتد و B به افت ولتاژهاي واحد طول دلالت دارد.
ب- مدلسازي لامپ فلورسنت
در شکل (١)، مدار معمول لامپ تخليه اي نشان داده شده است . منبع ولتاژ به صورت موازي با خازن و سري با اندوکتانس بالاست و موازي با مدار استارتر قرار گرفته است . هنگام کار مدار در حالت مانا، جريان باعث افت ولتاژ در بالاست و مي شود. در اين هنگام مدار استارتر باز است و جرياني وارد آن نمي شود. لذا معادلات حاکم بر مدار را مي توان به صورت زير نوشت :
که در آن بالاست با مقاومت R و اندوکتانس L مدل شده است .
ج- انواع مدلهاي لامپ
مدلهاي مختلفي براي شبيه سازي لامپ هاي تخليه اي پيشنهاد شده است [١٢-١٤]. صورت کلي مدل ها را مي توان به شکل زير نوشت :
در اين مدلها، به رسانايي لامپ و به جريان لامپ دلالت دارد. اين صورتها به ترتيب چندجمله اي، نمايي و درجه دوم نام دارند.
٥- طراحي فيلتر پسيو با جبرانسازي توان راکتيو
اين فيلترها براساس جبرانسازي توان راکتيو و از نوع فيلترهاي تکتنظيمه و بالاگذر مي باشد با توجه به اين که توان راکتيو فيلتر مشخص کننده اندازه فيلتر مي باشد فيلترهايي که نقش حذف جريانهاي هارمونيکي با دامنه بالاتري را دارند در عمل بزرگتر و توان راکتيو بالاتري را دارند. به طوري که هارمونيکهايي که دامنه خيلي پاييني دارند با اين روش نياز به فيلترگذاري ندارند.
که در آن، توان مورد نياز براي هر فيلتر در فرکانس اصلي ، in، جريان هارمونيک nام، Qeq توان راکتيوي که بايد فيلترها جبران کنند.
که در آن Qeq توان راکتيوي که توسط فيلتر ها بايد جبران شود, Qc توان قابل جبران توسط جبران کنندههاي استاتيکي مي باشد و Q کل توان راکتيو مورد نياز شبکه مي باشد. ابتدا مقدار خازن بدست مي آيد:
مقدار سلف از رابطه زير بدست آيد:
که در آن فرکانس تشديد است . با داشتن ضريب کيفيت ، مقدار R ازرابطه زير بدست مي آيد:
درفيلترهاي پسيو براي اينکه مقادير بدست آمده براي فيلتر چک شود، بايد ولتاژ هارمونيکي را بدست آورد که اگر اين مقدار از حد مجاز تجاوز نکند آنگاه L و C بدست آمده قابل قبول مي باشند ولي در غير اينصورت مقادير L و C بايد اصلاح شوند که براي اين منظور اندازه خازن را کمي افزايش داده ( معادل با افزايش اندازه فيلتر Qf) و مقدار L متناسب با آن تعيين مي شود. براي محاسبه ولتاژ هارمونيکي نيز مي توان از معادله استفاده کرد.
که در آن ماکزيمم انحراف فرکانس تشديد از فرکانس هارمونيک مي باشدو ماکزيميم فاز امپدانس شبکه [١].
٧- طراحي فيلتر اکتيو شنت با کنترل هيسترزيس
فيلتر اکتيو شنت ٢ (AHF) از يک حلقه قفل فاز٣ (PLL) براي ساخت سيگنال سينوسي جريان منبع استفاده مي کند. سيگنالهاي منبع و بار همفاز بوده و مقدار rms برابري نيز دارند. خطاي جريان بار و جريان مرجع توسط يک پل IGBT و با استفاده از کليدزني هيسترزيس به دست مي آيد. هدف AHF، تزريق اين جريان خطا در نقطه کوپلينگ شبکه است تا جريان بار را شبيه به جريان منبع نمايد[٦و٧].
بلوک دياگرام فيلتر اکتيو در شکل (٢) نشان داده شده است . فيلتر اکتيو شامل بلوک اندازهگيري جريانهاي بار و منبع که نمونه جريانهاي بار و منبع را براي سيستم کنترل اندازه گيري مي کنند يک بلوک حلقه قفل فاز که حلقه قفل فاز يا حلقه قفل شده در فاز سيستم کنترلي الکترونيکي است ، که يک سيگنال قفل شده فاز متناسب با ورودي يا مرجع مي سازد. PLL در يک فيدبک منفي مشترک توسط مقايسه خروجي « اسيلاتور کنترل شونده با ولتاژ ورودي فرکانس مرجع ، با آشکارساز فاز، انجام مي پذيرد. آشکارساز فاز براي هدايت فاز اسيلاتور، به سيگنال مرجع ورودي، استفاده مي شود. ساخت يک يا چند فرکانس ، که از لحاظ پايداري و ثبات به فرکانس مرجع برسد.
