بخشی از مقاله
خلاصه:
استفاده روز افزون از بارهای غیرخطی در بخشهای مختلف مانند: مصارف صنعتی و خانگی منجر به افزایش آلودگی هارمونیکی در سیستمهای توزیع الکتریکی شده است. از عمده مشکلات به وجود آمده، میتوان به اتلاف انرژی و افزایش حرارت بیش از حد مجاز تجهیزات الکتریکی نظیر کابلهای توزیع اشاره نمود. اکثر کارهای تحقیقاتی انجام شده، بیشتر تمرکز خود را بر تعدیل و کاهش هارمونیکهای سیستم الکتریکی با بهرهگیری از فیلترهای اکتیو و پسیو قرار دادهاند که نتایج حاصله منجر به بهبودهایی در طراحی کابلهای برق و تجهیزات نصب شده در محیطهای هارمونیکی شده است.
در این مقاله هدف اصلی طراحی فیلتر هارمونیکی پسیو هیبریدی برای به حداکثر رساندن قابلیت بهرهوری کابل توزیع تحت جریانهای بار غیرسینوسی است. به منظور طراحی بهینه فیلتر در روش پیشنهادی از الگوریتم ژنتیک مبتنی بر تابع جریمه بهره گرفته شده و استاندارد IEEE-519 که در سال 2014 ارائه گردیده نیز به عنوان قیود طراحی لحاظ شده است. نتایج حاصل از اعمال فیلتر هیبریدی، حاکی از کاهش قابل توجه در THDI و به تبع آن افزایش HDF - Harmonic Derating Factor - است. فیلتر پسیو هیبریدی طراحی شده نسبت به فیلتر پسیو نوع C، عملکرد بهتری را در افزایش بهرهوری کابل از خود نشان میدهد.
.1 مقدمه
بروز هارمونیکها در سیستمهای برقرسانی اولین پیامد عناصر غیرخطی میباشند. گسترش استفاده از عناصر غیرخطی در سیستمهای الکتریکی، مانند: راهاندازها - درایورهای تنظیم سرعت - و مبدلهای الکترونیکی قدرت، مقدار هارمونیک جریان و ولتاژ را بهطور چشمگیری افزایش داده و سبب ایجاد اختلال و کاهش عمر مفید تجهیزات الکتریکی شده است.بنابراین اهمیت موضوع کاملاً مشخص است و باید شرکتهای برقرسانی تمهیداتی را ارائه کنند تا از آسیبدیدگی تجهیزات مشترکین، اعم از خانگی، تجاری و صنعتی جلوگیری به عمل آید.
در سالهای اخیر به دلیل مشکلات ذکر شده، مسائل فنی و اقتصادی در بهرهبرداری از کابلهای توزیع انرژی الکتریکی با رشد سریعی رو به افزایش گذاشته و توجه محققان زیادی را به خود جلب نموده است. اکثر کارهای تحقیقاتی انجام شده، بیشتر تمرکز خود را بر تعدیل و کاهش هارمونیکهای سیستم الکتریکی با بهرهگیری از فیلترهای اکتیو و پسیو قرار دادهاند که نتایج حاصله منجر به بهبودهایی در طراحی کابلهای برق و تجهیزات نصب شده در محیطهای هارمونیکی شده است.
تاکنون روشهای گوناگونی بمنظور تقلیل اثر هارمونیک پیشنهاد شده و در سالهای اخیر بکار گرفته شدهاند. در میان این روشها، فیلترهای هارمونیکی پسیو برای کاهش اعوجاج هارمونیکی در سیستمهای فشار قوی و متوسط کاربرد وسیعی دارند. فیلترهای پسیو توپولوژیهای متفاوتی دارند که مشخصههای پاسخ فرکانسی متفاوتی را بدست میدهند.
فیلترهای پسیو رایج، فیلترهای تک تنظیم و فیلترهای بالاگذر هستند. فیلترهای تک تنظیم، در فیلتر کردن تنها یک هارمونیک خاص، هدف واقع میشوند، در حالی که فیلترهای بالاگذر تمایل به کاهش هارمونیکها در فرکانسهای بالاتر دارند. فیلترهای بالاگذر چندین نمونه دارند، مانند: بالاگذر مرتبه اول، بالاگذر مرتبه دوم و بالاگذر مرتبه سوم دارند. توسعه صنعت سبب شده که برای کاهش بیشتر اعوجاج هارمونیکی از ترکیب فیلترهای پسیو استفاده شود.
برای مثال مراجع [1]- [3] توصیه میکنند که یک یا چند فیلتر تک تنظیم در ترکیب با فیلترهای بالاگذر استفاده شوند. در مرجع [4] یک مورد مطالعاتی واقعی است که در آن دو شاخه فیلتر تک تنظیم با یک فیلتر بالاگذر مرتبه دوم برای کاهش هارمونیک ترکیب شدهاند. در مورد دیگری که در مرجع [5] ارائه شده، فیلترهای تک تنظیم در ترکیب با یک فیلتر بالاگذر نوع C جهت برآورده ساختن الزامات هارمونیکی استفاده میشوند.
وقعیتم مذبور طبعاً منجر به این سؤال خواهد شد که مناسبترین ترکیب از توپولوژی فیلترهای مختلف برای رسیدن به الزامات و استانداردهای فیلترسازی هارمونکی کدام است؟ متأسفانه پاسخ بر اساس تجربه طراحان فیلتر است به طوری که ما قادر به یافتن نشریهای که این مسئله مهم را مورد بررسی قرار داده باشد، نبودیم. با این وجود، بسیاری از مقالات در رابطه با موضوع تخصیص و سایزبندی فیلترهای هارمونیکی برای فیدرهای توزیع چاپ شدهاند
طبق بررسیهای صورت گرفته آشکار شده است که فیلترهای شنت به تنهایی اگرچه در تعدیل اعوجاج ولتاژ خوب عمل میکنند اما در کاهش اعوجاج هارمونیکی جریان آنچنان موفق نیستند. به همین علت محققان در سالهای گذشته، ترکیبی از توپولوژیهای مختلف از فیلتر پسیو ثابت و یا پسیو تطبیقی را به کار برده و توسعه دادهاند.اخیراً، مرجع [11]، یک پیکربندی سیستم هیبرید تطبیقی را معرفی کرده است که از یک فیلتر پسیو سری و راکتور کنترل تریستوری - TCR - تشکیل شده است.
در این مقاله، هدف اصلی بکارگیری فیلتر هارمونیکی پسیو هیبرید برای به حداکثر رساندن قابلیت بهرهوری کابلها تحت جریانهای بار غیرسینوسی است. فیلتر پسیو هیبریدی شامل یک ترکیب معلوم از فیلتر پسیو شنت با یک فیلتر پسیو سری است. از مزایای این نوع فیلتر نسبت به سایر فیلترها میتوان به کاهش بیشتر تلفات هارمونیکی، کاهش اعوجاج هارمونیکی کل ولتاژ، جبرانسازی ناتوانی سایر فیلترها در رابطه با کاهش مطلوب اعوجاج هارمونیکی کل جریان و انعطاف-پذیری بیشتر نام برد.
در ادامه تشریح رویکرد پیشنهادی، در ابتدا در بخش دوم، نحوه مدل کردن سیستم نمونه به همراه توپولوژی فیلتر پسیو هیبریدی تشریح میگردد. سپس در بخش سوم رویکرد طراحی فیلتر بیان میگردد. بعلاوه در بخش چهارم و پنجم نیز به ارائه نتایج حاصله و نتیجهگیری کلی میپردازیم.
.2 مدل سیستم نمونه
دیاگرام تک خطی سیستم نمونه مورد بررسی که در مقالات مختلفی لحاظ شده [12]-[15]، در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم از یک مصرفکننده با بارهای سه فاز خطی و غیرخطی، کابل قدرت که انرژی را از PCC به سمت بار حمل میکنند و یک فیلتر پسیو هیبریدی متصل شده به باس بار تشکیل شده است. باید متذکر شد که در سیستم مورد مطالعه بعضی از بارهای خطی بصورت منفرد توسط بانک خازنی جبرانسازی میشوند.
شکل :1 دیاگرام تک خطی سیستم مورد مطالعه به منظور طراحی فیلتر پسیو هیبریدی
به علت متعادل بودن سیستم نموه به مظور تعیین جریان، ولتاژ و توان سیستم، از مدار معادل تکفاز آن که در شکل 2 نشان داده شده، استفاده گردیده است. همانگونه که در شکل 2 مشاهده میشود، یک امپدانس خطی R jhX و یک منبع جریان ثابت با مقدار جریانهای هارمونیکی - - I Lh به ترتیب پارامترهای بارهای خطی و غیرخطی را مشخص میکنند
در این روابط h مرتبهی هارمونیک میباشد. امپدانس هارمونیکی خازن جبرانسازی، که از قبل در سمت مصرف کننده نصب شده است، توسط h مشخص میشود. سمت تغذیه کننده، منبع ولتاژ معادل تونن و امپدانس معادل تونن برای هر مرتبه هارمونیکی به ترتیب با - - V و - - Z نشان داده میشوند. با لحاظ نمودن اثر
پوستی، مقاومتهارمونیک مرتبه h از رابطهی - h R CB - R CBh بدست میآید
در این رابطه مقاومت AC هارمونیک اصلی کابل میباشد. بعلاوه راکتانس هارمونیک مرتبه h منبع تغذیه و کابل به ترتیب به صورت hX S X Sh و hX CB X CBh بیان میشوند.
شکل :2 مدار معادل تکفاز سیستم مورد مطالعه برای طراحی بهینه فیلتر پسیو هیبریدی
