بخشی از مقاله
بهبود کیفیت توان شبکه توزیع انرژي الکتریکی قطارهاي برقی با استفاده از ساختارهاي مختلف فیلترهاي هیبرید
چکیده:
بار الکتریکی قطارهای برقی یکی از مشکلسازترین انواع بارهای الکتریکی شبکه توزیع و دارای نامتعادلی ولتاﮊ و هارمونیکهاست که موجب اعوجاج در شکل موج جریان و ولتاﮊ شبکه توزیع انرﮊی الکتریکی می گردد. برای جبران توان راکتیو و حذف هارمونیکها میتوان از فیلترهای بهبود کیفیت توان استفاده نمود که دارای ساختارها و سیستمهای کنترلی متفاوتی بهمراه مزایا و معایب خود هستند. استفاده از ساختارهای مختلف فیلترهای هیبرید بدلیل دارا بودن همزمان مزایای هر دو نوع فیلتر اکتیو و پسیو بدون وجود معایب آنها می تواند یکی از مناسبترین روشهای بهبود کیفیت توان در سیستمهای توزیع انرﮊی الکتریکی قطارهای برقی باشد. در این مقاله ابتدا به بررسی اثرات متقابل قطارهای برقی بر سیستمهای توزیع انرﮊی الکتریکی پرداخته شده و مشکلات کیفیت توان ایجاد شده در این سیستمها مورد بررسی قرار گرفته است. آنگاه ویژگیها و اثرات استفاده از فیلترهای پسیو، اکتیو و هیبرید در سیستمهای توزیع انرﮊی الکتریکی قطارهای برقی بهمراه شبیه سازیهای انجام شده با نرم افزار PSCAD/EMTDC مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدي: سیستم توزیع، قطار برقی، کیفیت توان، فیلتر هیبرید، هارمونیک
-1 مقدمه
با گسترش استفاده های روزافزون از قطارهای برقی درون شهری و برون شهری بعنوان وسیله حمل و نقل عمومی شاهد کاهش کیفیت توان سیستم توزیع انرﮊی الکتریکی تغذیه کننده آن هستیم. بار الکتریکی قطار برقی بدلیل غیرخطی و متغیر بودن یکی از مشکلسازترین بارهای الکتریکی شبکه توزیع بوده و موجب متاثر گشتن شبکه توزیع از مشکلات کیفیت توان می گردد. مشکلاتی که در کیفیت توان سیستم توزیع انرﮊی الکتریکی منطقه ناشی از تغذیه قطار برقی بوجود می آید شامل ایجاد اعوجاج و هارمونیکها در شکل موج جریان و ولتاﮊ شبکه توزیع، نامتعادلی، فلیکر و افت ولتاﮊ می باشد. هر یک از این موارد تاثیرات نامطلوبی را در شبکه ایجاد می کند که مهمترین آنها افزایش تلفات و نارضایتی سایر مصرف کنندگان شبکه است. ویژگیهای برق تغذیه کننده سیستمهای تراکشن همانند ویژگیهای برق تغذیه کننده دیگر شبکه های توزیع نمی باشند. از آنجائیکه سیستم تراکشن همواره در حال تغییر ناگهانی بار است، شاهد وجود ٥% نوسان ولتاﮊ هستیم. بعنوان مثال یک سیستم قدرت با تغذیه ٢٥ کیلو ولت، همواره دارای ولتاﮊ متغیر در رنج ٢٩‐٥/١٧ کیلو ولت است بدون آنکه این امر اختلالی در فعالیت سیستم تراکشن ایجاد نماید. میزان اعوجاج و هارمونیکها نیز در سیستمهای تراکشن ٣‐٢ برابر مقدار مجاز آن در سیستمهای تغذیه مصارف عمومی است که این امر نیز مشکلات کمی را در سیستمهای تراکشن ایجاد می نماید، البته بایستی توجه داشت تا اضافه ولتاﮊهای ناشی از هارمونیکها بدلیل وجود رزونانس در سیستمهای تراکشن می توانند موجب آسیب دیدن و یا عدم عملکرد صحیح سیستم تراکشن گردند ]۱‐۳.[
برای رفع مشکلات کیفیت توان می توان از روشهای مختلفی استفاده نمود که استفاده از فیلترهای بهبود کیفیت توان شامل فیلترهای پسیو، اکتیو و هیبرید یکی از این موارد می باشد. استفاده از فیلترهای پسیو بدلیل ارزانتر بودن و استفاده از فیلترهای اکتیو بدلیل قابلیت کنترل بیشتر سیستم بموازات تغییر ویژگیهای جریان و ولتاﮊ بار مورد تمایل بسیاری است با این وجود تلفات سوئیچینگ فیلتر اکتیو بالا بوده و فیلتر پسیو نیز می تواند تولید رزونانس در سیستم نماید. لذا هر یک از فیلترهای پسیو و اکتیو در کنار مزایای خود دارای معایب خاصی نیز هستند ولی استفاده همزمان از این دو فیلتر که به فیلتر هیبرید موسوم است، مزایای هر دو را تواماﹰ دارا بوده ولی معایب هیچیک را ندارد. از اینرو ساختارهای مختلف فیلتر هیبرید برای بهبود کیفیت توان سیستمهای تراکشن بکار می رود. در این مقاله ضمن بررسی اثرات متقابل سیستمهای توزیع انرﮊی الکتریکی و قطارهای برقی، مشکلات کیفیت توان در این سیستمها را مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین انواع ساختارهای مختلف فیلترهای اکتیو، پسیو و هیبرید بکار رفته برای مقاصد تراکشن در سراسر جهان بهمراه ویژگیهای آنها معرفی و مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در انتها نتایج شبیه سازیهای انجام شده با نرم افزار PSCAD/EMTDC برای بررسی مشکلات کیفیت توان و تایید تاثیر استفاده از فیلترهای پسیو، اکتیو و هیبرید بر بهبود کیفیت توان شبکه توزیع انرﮊی الکتریکی قطارهای برقی DC آورده شده است.
-2 فیلترهاي بهبود کیفیت توان
یکی از ادوات بکار رفته برای بهبود کیفیت توان شبکه های توزیع، فیلترها هستند که برای رفع مشکلات و مسائلی نظیر هارمونیکها و جبران سازی توان راکتیو در شبکه های قدرت بکار می روند. فیلترها در سه نوع پسیو، اکتیو و هیبرید دسته بندی می گردند. فیلترهای پسیو جزو روشهای سنتی بهبود کیفیت توان بوده و بدلیل قیمت کمتر نسبت به فیلترهای اکتیو مورد توجه بیشتری می باشند. اما با گذشت زمان و کاهش قیمت فیلترهای اکتیو، تمایل برای استفاده از فیلتر نوع اکتیو و یا ترکیب هر دو نوع اکتیو و پسیو (هیبرید) نیز افزایش می یابد. در ادامه ویژگیهای هر یک از انواع فیلترها مورد بررسی قرار می گیرد.
1-2 فیلترهاي پسیو
فیلترهایی که در روش سنتی بهبود کیفیت توان مورد استفاده بودند، از نوع پسیو و از اتصال سری سلف و خازن حاصل شده و مقادیرشان با توجه به امپدانس سیستم بگونه ای انتخاب می گردد تا امکان حذف یک هارمونیک خاص یا یک پهنای هارمونیکی را بوجود آورد. این نوع فیلترها برای محدود کردن هارمونیکها یعنی کاهش هارمونیکها و در حالت ایده آل سد عبور کامل آنها بکار می روند. این عمل یا با انحراف مسیر جریانهای هارمونیکی و یا با انسداد مسیر عبور آنها صورت می گیرد. این فیلترها بصورت سری و یا موازی با بار بکار می روند ]۴.[
یکی از بزرگترین محاسن فیلترهای پسیو، قیمت بسیار کم این نوع از فیلترها می باشد. اما در کنار این مزیت، بزرگترین مشکل این نوع فیلترها، احتمال تشدید هارمونیکها بدلیل نوسان سری موازی بین امپدانس فیلتر و امپدانس منبع است که می تواند موجب آسیب دیدن فیلتر پسیو و ادوات قدرت جانبی سیستم گردد. در این صورت نه تنها هارمونیکهای سیستم حذف و تضعیف نمی گردند، بلکه موجب تشدید هارمونیکها نیز خواهد شد. همچنین برای حذف هر هارمونیک خاص نیاز به یک فیلتر پسیو می باشد و در نتیجه برای حذف چند هارمونیک نیاز به چندین فیلتر پسیو در مدار است که این عمل حجم و هزینه فیلتر پسیو را افزایش می دهد. مشکل دیگر این نوع فیلترهای ناشی از ساختار آنهاست که اگر تغییراتی بصورت تصادفی در اندازه دامنه و فرکانس جریانهای دارای اعوجاج رخ دهد، استفاده از فیلتر پسیو دیگر موثر نمی باشد
2-2 فیلترهاي اکتیو
با پیشرفت ادوات الکترونیک قدرت و بوجود آمدن روشهای جدید برای کنترل، فیلترهای اکتیو که دارای ساختار یک اینورتر می باشند بمنظور حذف هارمونیکها و جبرانسازی توان راکتیو بکار گرفته شده اند. این فیلترها همواره در ارتباط مستقیم با شبکه بوده و با تغییر وضعیت شبکه، وضعیت خود را بگونه ای تغییر می دهند که شکل موج جریان و ولتاﮊ شبکه را بیش از پیش به حالت سینوسی نزدیکتر نمایند. این فیلترها به نحوی عمل می کنند که مجموعه بار غیرخطی و فیلتر اکتیو بصورت یک بار خطی از دید شبکه خواهد بود. این فیلترها نیز بصورت موازی یا سری با بار قرار می گیرند.
فیلتر اکتیو سری برای تصحیح ولتاﮊ شبکه بکار می رود و هیچگونه عوارض جانبی در سیستم ایجاد نمی کند ولی فیلترهای اکتیو موازی برای جبران کردن جریانهای هارمونیکی بکار می روند و باعث ایجاد جریانهای هارمونیکی فرکانس بالا با دامنه کم و متناسب با فرکانس کموتاسیون فیلتر خواهند شد که برای رفع این مشکل در ورودی فیلتر اکتیو از یک فیلتر مرتبه سوم بجای فیلتر ساده مرتبه اول استفاده می نمایند.
مهمترین ویژگی فیلترهای اکتیو در مقایسه با انواع پسیو آنست که برخلاف فیلترهای پسیو که برای حذف هر هارمونیک نیاز به یک شاخه موازی است، تمامی هارمونیکها توسط یک وسیله جبران می شوند. همچنین با تغییر مرتبه یا دامنه هارمونیکها، تنها با تغییر روش کنترل می توان فیلتر را برای حالت جدید تنظیم نمود. همچنین این فیلترها تمامی هارمونیکها را حذف می نمایند، برخلاف فیلترهای پسیو که تنها چند هارمونیک را حذف می کردند و لذا شکل موج ها به حالت سینوسی بیشتر شبیه است. این نوع فیلترها همچنین با تغییر امپدانس منبع، برخلاف فیلترهای پسیو دچار سو عملکرد نمی شوند. فیلترهای اکتیو از آنجائیکه همواره ولتاﮊ و جریان زیادی را در دو سر خود می بینند، بایستی توان نامی زیادی داشته باشند و این امر موجب افزایش حجم و قیمت فیلتر اکتیو می گردد
3-2 فیلترهاي هیبرید
همانطور که گذشت، فیلترهای پسیو دارای مشکل حساسیت زیاد فیلتر به تغییرات المانها و امپدانس منبع می باشند که در صورت نوسان سری و موازی منجر به تشدید اعوجاج در سیستم قدرت می گردند. فیلترهای اکتیو نیز هزینه اولیه و بهره برداری و همچنین توان نامی زیادی دارند که مشکل اصلی برای این فیلترها محسوب می گردد. برای رفع مشکلات فوق و به منظور بهره گیری از مزایای هر دو نوع فیلتر و مهمتر از همه برای کاهش توان نامی فیلتر اکتیو، از ترکیب دو فیلتر اکتیو و پسیو و بکاربردن همزمان آنها در سیستمهای قدرت که با نام هیبرید موسوم می باشد، پیشنهاد می گردد.
این فیلترها مزایای هر دو فیلتر اکتیو و پسیو را همزمان داشته ولی معایب آنها را ندارند. قیمت کم و بازده بیشتر نیز از دیگر ویژگیهای این فیلترها می باشد. فیلترهای هیبرید بر اساس نوع ترکیب و تعداد فیلترهای اکتیو و پسیو دارای آرایشهای مختلفی هستند که در ادامه چندین ساختار آنها که در سیستمهای تراکشن کاربرد دارند, بررسی میشوند
]۰۱‐۶. [
1-3-2 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم و موازي با بار
در این ساختار فیلتر هیبرید، فیلتر اکتیو و پسیو باهم سری شده و مجموعه با بار غیرخطی موازی بسته شده است. در این ساختار فیلتر پسیو برای جبران سازی هارمونیکهای مرتبه های دلخواه تنظیم می گردد. فیلتر اکتیو نیز مانند یک منبع ولتاﮊ کنترل شده با جریان بوده و هارمونیکهای جبران کننده را به مدار تزریق می نماید. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ١ آمده است.
2-3-2 فیلتر اکتیو و پسیو و بار هر سه باهم موازي
در این ساختار فیلتر هیبرید، فیلترهای اکتیو و پسیو و بار غیرخطی هر سه باهم موازی شده اند. کار فیلتر اکتیو، جبران جریان هارمونیکی بعد از فیلترهای پسیو می باشد. در این ساختار، فیلتر هیبرید بعنوان یک منبع جریان تلقی می شود که با بار غیر خطی که منبع هارمونیک است، موازی می باشد. فیلتر اکتیو نیز بگونه ای کنترل می شود که همانند یک امپدانس بینهایت در فرکانس اصلی و یک مقاومت کم در فرکانس هارمونیکها از خود رفتار نماید. روش جبران سازی نیز بر اساس تزریق جریانهای هارمونیکی به شبکه توزیع می باشد که دارای همان اندازه ولی ١٨٠ درجه شیفت فاز نسبت به جریانهای هارمونیکی بار هستند. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ٢ آمده است.
3-3-2 فیلتر پسیو موازي و اکتیو سري با بار
در این ساختار فیلتر هیبرید، فیلتر اکتیو متصل به خط انتقال به کمک ترانسهای کوپلینگ بوده و با بار غیرخطی سری می باشد درحالیکه فیلتر پسیو با بار موازی است. این ساختار بدلیل توان نامی کم فیلتر اکتیو که در حدود ٥% توان نامی بار است، مورد توجه بیشتری قرار داشته و همانند یک ایزولاتور هارمونیکی بین بار و منبع عمل می نماید.
ویژگیهای این ساختار فیلتر هیبرید بیشتر به امپدانس منبع بستگی دارد و هرچه امپدانس منبع بیشتر از امپدانس فیلتر در فرکانس تنظیم شده باشد، ویژگیهای فیلترینگ بهتر خواهد بود. با این وجود، امپدانس منبع نبایستی از یک حد مجاز افزایش یابد زیرا موجب افت ولتاﮊ در سیستم خواهد شد. عمل اصلی فیلتر اکتیو در این ساختار، جبران سازی مستقیم هارمونیکها نبوده بلکه ایزولاسیون هارمونیکهای موجود بین بار و منبع می باشد. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ٣ آمده است.
شکل-1 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم و موازي با بار شکل-2 فیلتر اکتیو، پسیو و بار هر سه باهم موازي
4-3-2 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم و موازي با بار داراي سلف موازي با ترانس کوپلینگ
این ساختار فیلتر هیبرید مشابه ساختار ١‐٣‐٣ می باشد ولی یک سلف بصورت موازی با فیلتر اکتیو قرار گرفته است.
این سلف از طریق ترانس کوپلینگ بکار رفته برای اتصال سری فیلتر اکتیو و پسیو با فیلتر اکتیو موازی بسته شده است.
در هنگام بوجود آمدن عیب در فیلتر اکتیو و خارج شدن آن از مدار به کمک فیوز، فیلتر پسیو و سلف موازی همچنان در مدار باقی مانده و به حذف هارمونیکها می پردازند. همچنین با اضافه شدن سلف موازی به سیستم، ولتاﮊ و جریان کمی بر روی فیلتر اکتیو افتاده و این موضوع موجب کاهش توان نامی فیلتر اکتیو می گردد. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ٤ آمده است.
شکل-3 فیلتر پسیو موازي و اکتیو سري با بار شکل-4 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم بموازات بار تغییریافته
5-3-2 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم و موازي با بار بهمراه فیلتر پسیو کنترل شده تریستوري
این ساختار فیلتر هیبرید نیز مشابه ساختار ١‐٣‐٣ می باشد ولی یک فیلتر پسیو کنترل شده تریستوری نیز به موازات فیلتر پسیو در مدار قرار داده شده است. در این ساختار، فیلتر پسیو هارمونیکهای مراتب تنظیم شده را حذف نموده و برای رفع مشکلات رزونانس فیلتر پسیو از یک فیلتر اکتیو بصورت سری با آن استفاده گردیده است. همچنین با روشن و خاموش شدن تریستورها، جبران توان راکتیو بصورت دینامیکی و بر اساس نیازهای سیستم قطار برقی و با تغییر بار لوکوموتیو صورت می گیرد. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ٥ آمده است.
6-3-2 فیلتر اکتیو و پسیو سري شده توسط ترانس اسکات و موازي با بار
یک ساختار دیگر فیلتر هیبرید بکار رفته در سیستمهای تراکشن تغذیه شونده بصورت دو فاز، استفاده از یک ترانس اسکات برای اتصال دو فیلتر پسیو به یک فیلتر اکتیو می باشد. در این ساختار، پست تراکشن دارای ترانس ستاره‐ مثلث نامتقارن است و در هر سمت ترانس یک فیلتر پسیو قرار دارد که توسط ترانس اسکات بهم وصل شده و طرف ثانویه آن دارای سه فاز متصل به یک فیلتر اکتیو می باشد. بدلیل افت ولتاﮊ زیاد بر روی فیلترهای پسیو، توان نامی فیلتر اکتیو کاهش یافته و برای کاهش بیشتر آن نیز از خازنهای ثابتی بصورت موازی با بار استفاده گردیده است. این ترانس ذاتاﹰ تولید نامتعادلی در ولتاﮊ می نماید اما هارمونیکها را جبران کرده و حذف می نماید. تصویر شماتیک این ساختار فیلتر هیبرید در شکل ٦ آمده است.
شکل-5 فیلتر اکتیو و پسیو سري باهم و موازي با بار بهبود یافته شکل-6 فیلتر اکتیو و پسیو سري شده توسط ترانس اسکات
