بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي بهينه فيلتر اکتيو موازي در سيستم هاي قدرت با ارائه روش پيشنهادي مبني بر منطق فازي
چکيده - در اين مقاله ، شبيه سازي و نتايج حاصل از کنترل فازي اکتيو فيلتر موازي جهت جبران هارمونيک و توان راکتيو نشان داده شده است مزاياي کنترل فازي وابسته بودن آن به متغيرهاي زباني و عدم احتياج به مدل رياضي مي باشد. در اين روش تنها نياز به اندازه گيري جريان خط مي باشد در حالي که در روشهاي ديگر نياز به اندازه گيري هارمونيک ها و توان راکتيو نيز مي باشد .عملکرد کنترل فازي با يک کنترلر PI مقايسه شده و مشاهده مي شود که رفتار ديناميکي کنترلر فازي نسبت به کنترلر PI بهتر است . سيگنالهاي پالس IGBT بر اساس روش هيسترزيس ساخته شده و به منظور توليد سيگنال آتش به کاربرده مي شوند .
کليد واژه - تئوري توان لحظه اي، فيلتر اکتيو موازي، سيستم قدرت، کنترلر فازي
١-مقدمه
سال هاي اخير کاربرد الکترونيک قدرت فزوني يافته است . اين سيستمهاي الکترونيک قدرت ويژگي غيرخطي بالايي را دارا مي باشند. از ويژگيهاي نامطلوب اين خاصيت توليد هارمونيک و توان راکتيو مي باشد که بازدهي سيستم را پايين آورده و باعث اغتشاش در سيستم و اختلال در شبکه مخابراتي مي شود. به منظور غلبه بر اين مشکلات فيلترهاي اکتيو ساخته و گسترش داده شدند .در سالهاي اخير فيلترهاي اکتيوموازي کنترل شده با جريان به طور گسترده اي به عنوان يک راه حل استفاده شدند هر چند که نيازمند به اندازه گيري هارمونيک و نياز توان و اکتيو مورد نياز بار بود و احتياج به سيستم کنترل پيچيده براي آن بود.
يکي از تجهيزاتي که توانايي خوبي براي حذف هارمونيک از خود نشان داده است ، فيلتر اکتيو قدرت( Active Power Filter) مي باشد که يک روش مناسب براي کاهش اغتشاشات هارمونيکي ولتاژ و جريان، پرش هاي ناگهاني ولتاژ و حالت هاي گذرا است . فيلت هاي اکتيو معمولاً به اين صورت کار مي کنند که سيگنال مساوي ولي در جهت مخالف براي حذف اغتشاش به سيستم تزريق مي کنند. عملکرد فيلترهاي اکتيو کيفيت توان در سيستم فدرت را افزايش مي دهد. به همين علت کاربرد انواع APF در زمينه هاي مختلف افزوده مي شود. [١-١٤] دو روش کّلي تصحيح در فيلترهاي اکتيو استفاده مي شود. يکي تصحيح در حوزه زمان و ديگري تصحيح در حوزه فرکانس است . در ارتباط با اين روش ها مي توان ار انواع فيلترهاي اکتيو موازي استفاده نمود.
فيلترهاي اکتيو موازي عموماً براي بارهاي جرياني بکار مي روند. ولي توانايي جبران ولتاژهاي هارمونيکي در شبکه را دارند. [١ و [2
مهمترين مزيت تصحيح در حوزه زمان پاسخ سريع آن نسبت به تغييرات سيستم قدرت است . همچنين اين روش به سادگي قابل پياده سازي است و داراي بار محاسباتي کمتري است . اين روش براي اصلاح يک نقطه از شبکه مناسب است و براي بارهاي هارمونيکي که متناوب نيستند، بسيار مطلوب مي باشد. در صورتيکه در روش تصحيح در حوزه فرکانس بار محاسباتي بسيار زياد است .
[٣ و ٤ و ٥ و ٦]. در [٧ و ٨] به بيان روش کنترلي در فيلترهاي اکتيو موازي پرداخته و از روش تصحيح درحوزه فرکانس به اين منظور استفاده مي کند. همچنين در [٩ و ١٠]به بررسي فيلت هاي اکتيو سري با توجه به روش حوزه فرکانس و حوزه زمان مي پردازد. [١١ -١٤] روش استفاده از حوزه 2 زمان و بدست آوردن تابع خطاي مؤلفه اصلي را بيان مي کند.
در روش پيشنهاد شده در اين مقاله تنها نياز به اندازه گيري جريان بار مي باشد هرچند که کنترلر PI در اين روش به منظور تعيين جريان مرجع استفاده مي شود اما طراحي PI نياز به مدل خطي سيستم دارد که اين امر در چنين سيستمهايي بسيار پيچيده مي باشد. بنابراين کنترلرهاي فازي مطرح شدند از مزاياي اين نوع عدم احتياج به مدل رياضي کار با ورودي هاي غير دقيق و کار با خاصيت غير خطي و مقاوم بودن آنها مي باشد. در اين قسمت يکسو کنترلرفازي براي فيلتراکتيو موازي به منظور جبران هارمونيک و توان راکتيو ارائه شده که در اين روش تنها احتياج به اندازه گيري جريان خط بوده و برخلاف ديگر روشها مي باشد. ولتاژ DC خازن نيز به منظور تخمين جريان مرجع تنظيم مي گردد و در پايان نيز عملکرد کنترلر فازي با PI مقايسه شده است .
٢- مدل سازي سيستم قدرت به همراه فيلتر اکتيو
دياگرام تک خطي سيستم قدرت به همراه فيلتر اکتيو در شکل (١) نشان داده شده است .
شکل (١): دياگرام تک خطي سيستم قدرت به همراه فيلتر اکتيو
در اين شکل بار غير خطي در نظر گرفته شده براي سيستم ، يک يکسو ساز کنترل شده شده است که باعث تزريق هارمونيک به شبکه مي گردد. فيلتر فعال قدرت نيز از يک اينورتر سه با يک خازن DC تشکيل شده است . سيستم کنترل فيلتر فعال از قسمت هاي محاسبه جريان هاي مرجع ، کنترل خازن و توليد پالس آتش تشکيل شده است . در اين مقاله براي نشان دادن عملکرد مطلوب روش پيشنهادي، روش مرسوم تئوري توان لحظه اي نيز مورد بررسي و مدل سازي قرار مي گيرد و با روش بيان شده مقايسه مي گردد. پالس هاس آتش بر اساس باند هيسترزيس توليد مي شوند.
٣- تئوري توان لحظه اي براي محاسبه توان لحظه اي ازبردا هاي تبديل يافته ولتاژ و جريان به دستگاه α - βبصورت زير استفاده مي گردد.
توان اکتيو و راکتيو لحظه اي در سيستم قدرت بصورت زير محاسبه مي شود:
توان اکتيو لحظه اي (p) و توان راکتيو لحظه اي (q) را مي توان بصورت رابطه زير خلاصه نمود:
توان اکتيو و راکتيو شامل مقادير AC ,DC به صورت زیر است
جريانهاي iα و iβ را مي توان توسط رابطه زير به دو مؤلفه تقسيم کرد:
توان اکتيو توسط مؤلف هاي منتقل مي شود ومؤلفه هاي iαq وiβq نقشي در انتقال توان ندارند. بنابراين جريانهاي مرجع براي جبرانسازي توان راکتيو(مؤلفه اصلي +مؤلفه هارمونيکي ) به صورت زير خواهد بود:
هنگامي که جريانها و ولتاژها سينوسي و متعادل باشند، p و q هردو مقادير ثابتي مي باشند. ولي در حالت حضور جريانهاي هارمونيکي يا نامتعادل p و q ديگر ثابت نيستند و مي توان أنهارا به صورت زير نوشت :
پارامترهاي موجود در رابطه بالابه صورت زير مي باشند:
براي بهبود شاخص هاي کيفيت توان در سيستم قدرت مي توان پارمترهاي مختلف را براي ايجاد جريانهاي مرجع بصورت جدول (١) تعريف نمود. با تعاريف موجود در اين جدول مي توان اکثر شاخص هاي کيفيت توان را براي سيستم قدرت در حد مجازي قرار داد.
جدول (١): ليست پارامترهاي بکار رفته براي کنترل فيلتر اکتيو
براي عملکرد صحيح فيلتر اکتيو بايد بتوان ولتاژ خازن را در يک مقدار ثابتي نگاه داشت .
باتوجه به معادله زير اگر ولتاژ خازن ثابت باشد، مقدار توان حقيقي رد و بدل شده بين خازن و سيستم قدرت در شرايط ماندگار صفر خواهد شد.
در شرايط گذرا ولتاژ خازن تغيير مي کند؛ بنابراين دراين شرايط توان حقيقي با سيستم مبادله مي کند. پس ، بايد اين توان حقيقي را در سيستم کنترل طوري دخالت دهيم که ولتاژ خازن ثابت باقي بماند. براي اين منظور مي توان از سيستم شکل (٢) استفاده کرد.
شکل (٢): سيستم رگولاتور ولتاژ خازن dc
در اين شکل ولتاژ خازن بعد از مقايسه با ولتاژ مرجع سيگنال خطاي e را توليد مي کند. اين سيگنال بعد از عبور از يک کنترل کننده PI، سيگنال IAP را توليد مي کند. اين سيگنال معرف پيک جريان اکتيو مبادله شده بين فيلتر اکتيو و سيستم مي باشد. اين جريان با ولتاژ متناظر همفاز مي باشد بنابراين با ضرب آن در ولتاژ يکه شده مي توان آن را به صورت يک جريان سينوسي که داراي پيک IAP و همفاز با ولتاژ مي باشد تبديل کرد. سپس اين سيگنال با سيگنال مرجعي که از رابطه (٧) بدست آمد، جمع مي شود تا سيگنال مرجع پاياني را توليد کند. از طرفي با توجه به تغييرات شديد پارامترهاي سيستم قدرت در بارهايي نظير کورههاي قوس الکتريکي و مشکل بودن دسترسي به مدل خطي سيستم ، کنترلرهاي معمولي مانند PI قادر نمي توانند دقت لازم را در سيستم کنترل فيلتر اکتيو ايجاد نمايند. بنابراين لازم است از روشهاي غير خطي و بهينه استفاده گردد. در اين مقاله ، از کنترل کننده فازي براي سيستم کنترل استفاده شده است .
٤- روش پيشنهادي: طراحي کنترل کننده فازي
در يک کنترل فازي براساس قوانين زباني ، تصميم گيري انجام مي شود. انتخاب صحيح اين قوانين براساس شناخت صحيح مورد نظر و کنترل آن دارد. اما احتياجي به مدل رياضي نمي باشد. ساختار داخلي کنترلر فازي طراحي شده براي سيستم کنترل فيلتر اکتيو در شکل (٣) نشان داده شده است .
شکل (٣): ساختار داخلي کنترل کننده فازي طراحي شده
در کنترلر فازي طراحي شده، خطا و مشتق خطا به عنوان دو ورودي عددي از سيستم داده مي شود.به منظور تبديل اين دو مقدار عددي به مقادير زباني از هفت تابع عضويت (Negative Big)NB و Negative)NM (Medium و (Negative Small)NS و(Zero)ZE و PS (Positive Small) و Positive)PM (Medium و (Positive Big)PB استفاده شده است .
