بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله از یک کنترلکننده رزونانسی بهمنظور کنترل ساختار دوگان بهساز یکپارچه کیفیت توان استفاده شده است. برخلاف بهساز یکپارچه کیفیت توان سنتی، در ساختار دوگان، فیلتر فعال موازی بهصورت یک منبع ولتاژ سینوسی و فیلتر فعال سری همانند یک منبع جریان سینوسی کنترل میشود.
به این ترتیب، درنتیجه استفاده از مراجع سینوسی، سیستم کنترل مدولاسیون پهنای پالس، برای تولید سیگنالهای کلیدزنی با یک موج تک فرکانس سینوسی سروکار دارد. هدف این مقاله، طراحی یک سیستم کنترل رزونانسی بر پایه انتگرالهای مرتبه دوم برای ساختار دوگان بهساز یکپارچه کیفیت توان سه فاز سهسیمه بهمنظور استفاده در شبکه توزیع میباشد.
این طرح همچنین از یک سیستم بهبودیافته برای تولید مراجع ولتاژ و جریان فیلترهای فعال بهره میبرد. به این صورت که با استفاده از ساختار حلقه قفل فاز مبتنی بر توان راکتیو لحظهای، نیاز به کنترلکننده دامنه در حلقه کنترل فیلتر فعال موازی برطرف میکند. علاوه بر آن با استفاده از مؤلفه توالی مثبت جریان بار در حلقه کنترل فیلتر فعال سری، کیفیت مرجع تولیدی در حالت اعوجاج شدید را بهبود میبخشد.
سیستم پیشنهادی علاوه بر بهبود شاخصهای کیفیت توان، نیاز به سنسورهای اندازهگیری جریان و ولتاژ را کاهش میدهد. بهمنظور ارزیابی بهتر، نتایج شبیهسازی در حالات مختلف ولتاژ شبکه و جریان بار ارائه شده است و نتایج مؤید عملکرد مناسب این ساختار جبرانسازی میباشد.
-1 مقدمه
کاربرد جبرانسازهای کیفیت توان در سیستم توزیع طی سالیان اخیر با توجه به افزایش روزافزون بارهای غیرخطی متصل به شبکه، افزایش چشمگیری داشته است. جریانی که بارهای غیرخطی از شبکه میکشند دارای محتوای هارمونیکی بوده، ولتاژ شبکه را دچار اعوجاج میکنند و درنتیجه، عملکرد بارهای حساس را تحت تأثیر قرار میدهند.
با استفاده از بهساز یکپارچه کیفیت توان [7-1]، حتی باوجود هارمونیک در جریان بار و ولتاژ شبکه، میتوان از وجود یک ولتاژ تنظیمشده، با میزان هارمونیک پایین دو سر بار اطمینان حاصل کرد. همچنین در این حالت، جریان شبکه نیز جریانی بدون اعوجاج خواهد بود. بهساز یکپارچه کیفیت توان تشکیلشده از ترکیب دو فیلتر فعال، فیلتر فعال سری و فیلتر فعال موازی که بهصورت پشتبهپشت متصل شدهاند .[2 ,1] فیلتر فعال موازی اغلب بهصورت یک منبع جریان غیر سینوسی کنترل میشود که وظیفه جبرانسازی جریان هارمونیکی بار را بر عهده دارد. به همین صورت فیلتر فعال سری بهصورت یک منبع ولتاژ غیر سینوسی کنترل میشود که وظیفه جبرانسازی ولتاژ شبکه را بر عهده دارد. مراجع مورد استفاده در هر دو کنترلکننده دارای محتوای هارمونیکی بوده ومعمولاً از روشهای بسیار پیچیده به دست میآیند
در [9] روش جدیدی بهمنظور کنترل بهساز یکپارچه کیفیت توان ارائه شده که در آن فیلترهای فعال سری و موازی به ترتیب از طریق یک حلقه جریان و یک حلقه ولتاژ کنترل میشوند. با این کار جریان شبکه و ولتاژ بار سینوسی بوده و بنابراین، مراجع آنها نیز سینوسی میباشند . این ساختار در [13-10] نیز مورد بررسی قرار گرفته و به عنوان ساختار دوگان بهساز یکپارچه کیفیت توان یا بهساز یکپارچه کیفیت توان بهبودیافته نیز شناخته میشود. در این ساختار کنترلی فیلتر فعال موازی بهصورت یک منبع ولتاژ و فیلتر فعال سری بهصورت یک منبع جریان کنترل میشود. استفاده از این روش باعث طراحی بهینه فیلترهای خروجی و کاهش تلفات کلیدزنی به علت استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی خواهد شد
در سالهای اخیر روشهای زیادی برای کنترل و بهبود عملکرد ساختار دوگان بهساز یکپارچه کیفیت توان پیشنهاد شده است. برای درک بهتر، در [15]، مقایسه تئوری و آزمایشگاهی بین ساختار و عملکرد حالت ماندگار بهساز کیفیت توان سنتی و بهبودیافته انجام گرفته است. در [14 ,10] بهمنظور کنترل فیلترهای فعال سری و موازی، از دو کنترلکننده انتگرالی-تناسبی PI استفاده شده است. همچنین، در [17 ,16] علاوه بر ذکر روند طراحی فیلترهای غیرفعال خروجی، کنترلکننده به اصطلاح سادهشده ارائه شده که در آن علاوه بر به دست آوردن توابع تبدیل دو فیلتر، پاسخ فرکانسی حلقه بسته و حلقه باز آنها نیز مورد بررسی قرار گرفته و مقادیر عددی اجزا حساب شده است.
هدف این مقاله، معرفی یک سیستم کنترل رزونانسی PR بر پایه انتگرالهای مرتبه دوم برای بهساز یکپارچه کیفیت توان سه فاز سهسیمه بهمنظور استفاده در شبکه توزیع میباشد. سیستم کنترل پیشنهادی در دستگاه مختصات αβ ارائه شده که در آن مراجع هر دو فیلتر فعال سری و موازی سینوسی بوده و دیگر نیاز به استخراج محتوای هارمونیکی ولتاژ شبکه و جریان بار در آن حس نمیشود.
ساختار مقاله به شرح ذیل میباشد: در بخش دوم، مدار قدرت بهساز یکپارچه کیفیت توان ارائه شده و در بخش سوم نحوه عملکرد مدار کنترل بهبودیافته تشریح و روند طراحی ضرایب کنترلکنندهها بیان میشود. در قسمت چهارم نتایج شبیهسازی بهمنظور ارزیابی سیستم کنترل، در شرایط مختلف آورده شده است. در بخش پنجم مقایسه عددی بین نتایج حاصل از بهکارگیری کنترلکننده رزونانسی و انتگرالی-تناسبی ارائه شده و در بخش آخر نتیجهگیری انجام میشود.
-2 بهساز یکپارچه کیفیت توان
بهساز یکپارچه کیفیت توان و ساختار دوگان کنترل آن در شکل 1 نشان داده شده است. در ساختار بهساز یکپارچه کیفیت توان، فیلتر فعال سری به عنوان یک منبع ولتاژ غیر سینوسی عمل کرده و اعوجاج ولتاژ شبکه نظیر نامتعادلی و بالازدگی/فروافتادگی را جبرانسازی میکند؛ بنابراین ولتاژ تزریقی مبدل سری متشکل از یک محتوای هارمونیکی و یک مؤلفه اصلی میباشد.
به همین شکل فیلتر فعال موازی همانند یک منبع جریان غیر سینوسی عمل کرده و وظیفه جبرانسازی نامتعادلیها و هارمونیکهای جریان بار را دارد تا درنتیجه، جریان شبکه، یک جریان سینوسی خالص باشد. اتصال فیلتر فعال سریمعمولاً از طریق یک ترانسفورماتور انجام میگیرد، درحالیکه فیلتر موازی اغلب در کاربردهای توان پایین، بهصورت مستقیم دو سر بار متصل میشود
آنچه به عنوان جبرانساز یکپارچه کیفیت توان در [9 -1] به آن اشارهشده دارای مشکلاتی نظیر دشوار بودن استخراج محتوای هارمونیکی ولتاژ شبکه و جریان بار، نیاز به پهنای باند زیاد در حضور مراجع ولتاژ و جریان حاوی محتوای هارمونیکی و همچنین تلفات کلیدزنی بالا، میباشد
شکل :1 بهساز یکپارچه کیفیت توان - ساختار دوگان -
به منظور کاهش مشکلات ذکرشده در بند قبل از ساختار دوگان که در [15-10] به تفصیل به آن اشاره شد، استفاده میشود. عملکرد مبدلها در این ساختار در شکل 1 درون پرانتز نشان داده شده است. همانطور که از شکل مشخص است، تفاوت این ساختار با ساختار سنتی در شیوه کنترل فیلترهای فعال سری و موازی میباشد. در ساختار دوگان، فیلتر فعال موازی، همانند یک منبع ولتاژ سینوسی کنترلشده وظیفه تنظیم اندازه ولتاژ بار در مقدار نامی را بر عهده دارد. از طرف دیگر فیلتر فعال سری بهصورت یک منبع جریان کنترلشده، یک جریان توالی مثبت را به شبکه تحمیل میکند. با این کار فیلتر فعال سری بهصورت یک امپدانس بالا برای هارمونیکهای جریان عمل میکند.
از آنجا که اختلاف ولتاژ بار و ولتاژ شبکه دو سر ترانسفورماتور سری ظاهر میشود، فیلتر فعال سری بهطور غیرمستقیم، اعوجاجات مربوط به ولتاژ شبکه را جبرانسازی میکند. به طریق مشابه فیلتر فعال موازی بهطور غیرمستقیم نامتعادلی و هارمونیکهای جریان شبکه را با ایجاد یک مسیر با امپدانس کم، جبرانسازی میکند.
-3 پیکربندی بهساز یکپارچه کیفیت توان
شکل 2 پیکربندی جبرانساز یکپارچه کیفیت توان را به همراه فیلترهای غیرفعال خروجی، نشان میدهد. و ، به ترتیب اندوکتانس و خازن خروجی فیلتر موازی و و اندوکتانس و خازن خروجی فیلتر فعال سری میباشد.
شکل :2 پیکربندی سیستم بهساز یکپارچه کیفیت توان ×
-4 کنترلکننده اصلی
به منظور کنترل مبدلها مطابق آنچه در [14] پیشنهاد شده از کنترلکننده در دستگاه مختصات αβ استفاده میشود. مزیت این ساختار کنترل، کاهش تعداد اندازهگیریها نسبت به کنترلکنندههای معرفیشده در کارهای قبل میباشد. شکل 3 بلوک دیاگرام کنترلی شامل کنترلکننده فیلترهای فعال سری و موازی را نمایش میدهد. در این مقاله از این سیستم کنترل با دو تغییر عمده استفاده میشود.
اشکال اول این کنترلکننده حلقه قفل فاز مورد استفاده میباشد .[18] این حلقه قفل فاز علیرغم سرعت و دقت مناسب، ولتاژهای توالی مثبت را با دامنه ولتاژ شبکه به دست میآورد. بنابراین برای جبرانسازی فروافتادگی/بالازدگی ولتاژ شبکه نیاز کنترلکننده اضافه وجود دارد. راهحل این مشکل استفاده از حلقه قفل فاز معرفیشده در بخش - 1-4 - میباشد زیرا این ساختار ولتاژ توالی مثبت را با دامنه واحد و فرکانس منبع به دست میآورد. مشکل دوم این کنترلکننده مدار تولید جریان مرجع مبدل سری است. به این صورت که این مدار از جریان بار غیرخطی بهصورت مستقیم برای استخراج جریان مرجع مبدل استفاده میکند.
از آنجاکه جریان بار غیرخطی شامل دو مؤلفه نوسانی و پایه است وجود مؤلفه نوسانی موجب اختلال در تولید جریان مرجع خواهد شد. در نتیجه جریان مرجع تولیدی در این روش تحت اعوجاج شدید جریان بار میتواند دچار نامتعادلی و اعوجاج باشد. برای حل این مشکل، در مدار تولید مرجع جریان از جریان مؤلفه توالی مثبت بار در ورودی سیستم تولید مرجع جریان استفاده میشود. به اینترتیب مبدل سری تنها موظف به تأمین توان پایه بار خواهد بود.
شکل :3 طرح کنترلی بهساز یکپارچه کیفیت توان
حلقه قفل فاز مبتنی بر توان لحظهای
حلقه قفل فاز بخش اصلی کنترلکننده جبرانساز یکپارچه کیفیت توان میباشد. در بین روشهای متعدد به منظور استخراج فرکانس و زاویه فاز ولتاژ شبکه در [20-18]، حلقه قفل فاز مبتنی بر توان لحظهای از کارآمدترین روشها به شمار میرود. شکل 4 بلوک دیاگرام حلقه قفل فاز مبتنی بر توان حقیقی لحظهای p- - - PLL را نمایش میدهد.
در ایده اصلی این روش در [19] که بر اساس تئوری محورهای گردان ارائه شده است، مدار بهگونهای طراحی شده که تحت شکل موج نامتعادل و اعوجاجی ولتاژ، بهصورت صحیح عمل کرده و زاویه تبدیل به عنوان خروجی مدار محاسبه شود.
