بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک الگوریتم تکاملی بنام الگوریتم بهینه سازی آموزش و یادگیری به منظور ارایه الگوی کلیدزنی حذف انتخابی هارمونیک پیشنهاد میگردد. این روش قادر خواهد بود تعداد درخور توجهی هارمونیک مرتبه پایین ولتاژ خط، در خروجی اینورتر با مدولاسیون پهنای پالس را مینیم نماید. تعیین الگوی کلیدزنی برای حذف انتخابی هارمونیکهای مرتبه پایین یک اینورتر با مدولاسیون پهنای پالس مستلزم بهینه کردن پارامتر اعوجاج هارمونیک کل است. در این مقاله از الگوریتم بهینه سازی آموزش و یادگیری برای بهینه کردن پارامتر اعوجاج هارمونیک کل استفاده شده است. برای حذف هارمونیک های مراتب بالا روشهای متعددی وجود دارد، برای تایید کارایی این الگوریتم، شبیهسازیهایی با صورت گرفته و در انتها نتایج حاصله با نتایج حاصل از اعمال دیگر الگوریتم ها مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که هارمونیکهای تا مرتبه پنجاه و پنج به طور چشمگیری مینیمم میشوند.
کلمات کلیدی:حذف هارمونیک، اعوجاج هارمونیک کل ، الگوریتم بهینه سازی آموزش و یادگیری، الگوریتم های تکاملی
-1 مقدمه
یکی از بزرگترین مشکلات در مفاهیم کیفیت توان در سیستم های الکتریکی ، مولفه های هارمونیکی است هارمونیک ها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند -1هارمونیک های ولتاژ -2 هارمونیک های جریان هارمونیک های جریان معمولا به وسیله هارمونیک های موجود در منابع ولتاژ تولید می شوند و بستگی به نوع بار مثلا بار القایی ، مقاومتی یا خازنی دارد[1] هر دو گروه هارمونیک ها می توانند در سمت بار یا منبع تولید شوند هارمونیک هایی که به وسیله بار تولید می شود با توجه به رفتار غیر خطی وسایلی مانند مبدل های توان و ایجاد می شوند هارمونیک های بار می تواند باعث گرمای بیش از حد هسته های مغناطیسی ترانسفرمرها و موتورها شود از طرف دیگر ، هارمونیک های منبع به طور عمده به وسیله منبع توان با شکل موج ولتاژ غیر سینوسی تولید می شوند.
تصحیح هارمونیک ها همواره از روشهای پرهزینه و غیر متداول می باشد و معمولا طبق نظریه - پیشگشری بهتر از درمان ، تفکر و سرمایه گذاری بیشتری در مراحل طراحی انجام می پذیرد. اما، روشهای پیشگیری نیز پرهزینه هستند و بهینه سازی آنها که از مراحل اساسی طراحی به شمار می رود، به شدت به تخمین های تئوری متکی می باشد [2] تخمین دقیق هارمونیک ها نیاز به درک دو موضوع جداگانه و کاملا وابسته به یکدیگر دارد. نخست، اثرات مشخصه غیر خطی ولتاژ- جریان بعضی از قطعات سیستم و یا به عبارتی وجود منابع هارمونیکی در سیستم قدرت است. در این زمینه مشکل اساسی شناخت دقیق منابع هارمونیکی می باشد. موضوع دوم،استخراج مدل های هارمونیکی مناسب برای قطعات خطی غالب در سیستم به منظور محاسبه پخش بار هارمونیکی حاصل از اتصال آنها در شبکه می باشد.
در اینجا مشکل اصلی کمبود اطلاعات در خصوص چگونگی ترکیب بارهای سیستم و میزان میرایی آنها در فرکانس های هارمونیکی می باشد. از موانع دیگر تخمین دقیق هارمونیک ها تعداد زیاد مشخصه های غیر خطی توزیع شده در سیستم، دوگانگی فاز، تنوع بارها و غیره می باشد یکی از عوامل ایجاد هارمونیک ها به کارگیری المانها و بارهای غیرخطی در سیستم است که باعث ایجاد سیگنالهای غیرسینوسی جریان و ولتاژ در شبکه قدرت شده که خود موجب پیدایش اعوجاج در موج اصلی جریان و ولتاژ میگردد. با گسترش بارهای غیرخطی، اعوجاج ولتاژ در سیستم های قدرت شکل می گیرد که با انتقال از منبع به سمت بارها به علت امپدانس سیستم میزان آن افزایش مییابد.برای کنترل اینورترهای چندسطحی و کاهش محتوای هارمونیکی شکل موج خروجی از روش های مدولاسیون، مختلفی مانند مدولاسیون پهنای پالس سینوسی و مدولاسیون پهنای پالس غیر سینوسی ، مدولاسیون پهنای پالس بردار فضائی ، حذف هارمونیک انتخابی و حذف هارمونیک انتخابی مدولاسیون پهنای استفاده می شود.[4-3]
در میان روش های فوق، روشهای حذف هارونیک انتخابی و حذف هارونیک انتخابی- پهنای پالس سینوسی از نظر تئوری میتوانند شکل موج های با کیفیت بالاتر و با کمترین تعداد کلیدزنی در خروجی اینورتر تولید کنند.روش های مذکور هارمونیک های مراتب بالای مشخص را حذف می کنند و هم چنین اعوجاج هارمونیکی کلی کمتری نسبت به سایر روش های PWM دارند. در روش SHE هر یک از کلیدها تنها یک بار در هر سیکل کلیدزنی میشوند و شکل موج ولتاژ خروجی مبدل به صورت پلکانی می باشد. اما عیب معادلات روشهای حذف هارمونیکهای انتخابی پیدا کردن حدس اولیه نزدیک به جواب دقیق معادلات است. که این مقاله از روش بهینه کردن پارامتر اعوجاج هارمونیک کل یا THD استفاده می کند. در این راستا الگوریتم تکاملی بهینه سازی آموزش و یادگیری در جهت بهینه کردن پارامتر مذکور استفاده شده است.
-2 فرمولبندی مسئله
شکل 1 یک موج عمومی چهارربعی متقارن برای خروجی یک اینورتر چند سطحی نمایش می دهد .[5] از آنجا که شکل موج خروجی اینورتر چند سطحی غیر سینوسی است، پس می توان با فرم گسترش سری فوریه زیر بیان شوداز آنجایی که شکل موج چهار ربعی خروجی متقارن است، هارمونیک های زوج پنهان هستند و تنها ترمهای سینوسی با هارمونیکهای فرد در سری فوریه باقی می ماند بنابراین، ولتاژ خروجی را می توان به فرم زیر کاهش می یابد که در آن تعداد زاویه آتش در ربع اول است. با توجه به این که اینورتر به طور عمده در سیستم های متوسط / ولتاژ بالا سه فاز به کار می رود، تمام هارمونیک های مضرب سه در ولتاژ خروجی سه فاز وجود ندارد از این رو، تنها هارمونیکهای مرتبه پایین فرد غیر مضرب سه در ولتاژ خط به نول جهت حذف در نظر گرفته می شود در نتیجه، زاویه آتش بهینه با حل معادلات زیر محاسبه می شود.
که در آن به شاخص مدولاسیون برابر است این معادلات غیر خطی شامل ترمهای مثلثاتی هستند که تعداد جوابهای متعددی برایشان هست علاوه بر این، در نقاط خاص، هیچ مجموعه ای از جوابها در دسترس نیست. با توجه به این دلایل برای حل کردن این معادلات .، تکنیک های عددی معمولی حذف هارمونیکهای مشخص، در حل این معادلات دچار پیچیدگی می شوند. .این تکنیکها نیاز به حدس اولیه نزدیک به حل دقیق دارند. با این حال، در روش بهینه سازی THD ، پیچیدگی پیدا کردن راه حلی برای این معادلات غیر خطی با تبدیل این مشکل به یک مسئله بهینه سازی مرتفع می شود .در این زمینه، THD به عنوان تابع هدف در نظر گرفته و آن را به حداقل می رسانیم. در حالی که مولفه اساسی است که در یک مقدار از پیش تعیین شده ثابت نگه داشته می شود .در این روش، هارمونیک به طور کامل حذف نمی شود بلکه زاویه آتشها با THD به حداقل رسیده به دست می آیند. THD .برای ولتاژ خروجی را می توان با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود
-3 برای الگوریتم بهینه سازی مبتنی بر آموزش و یادگیری - TLBO -
این الگوریتم [6] همانند دیگر الگوریتم های تکاملی یک الگوریتم تصادفی است. تصادفی به این معنا که در فضای جستجو از یک نقطه تصادفی شروع به جستجو می کند و از آن جا تا پیدا کردن بهینه سراسری کارش را ادامه می دهد. الگوریتم بهینه سازی مبتنی بر آموزش و یادگیری بر اساس تاثیر توانایی یک معلم بر خروجی دانش آموزان در یک کلاس می باشد. در این جا خروجی به معنی نتایج، نمرات و یا پایه های علمی است که دانش آموزان کسب می کنند. در این الگوریتم معلم به کسی گفته می شود که از نظر علمی یک انسان دانا است و دانش هایی را که در اختیار دارد با دانش آموزان به اشتراک می گذارد. بدیهی است که یک معلم خوب دانش آموزانش را به گونه ای تعلیم می دهد که بتوانند نتایج بهتری را در قالب نمرات یا پایه های علمی کسب کنند. همچنین دانش آموزان از طریق تعامل با یکدیگر به یادگیری می پردازند که در کسب نتایج بدست آمده آن ها تاثیر گذار است.میانگین یک کلاس بسته به خوب بودن معلم از به افزایش پیدا می کند. یک معلم خوب معلمی است که سطح دانش
