مقاله کنترل هوشمند فازی در بهبود کیفیت توان جهت کاهش محتوای هارمونیکی جریان تزریقی به شبکه

بخشی از مقاله

چکیده

کیفیت توان از اواخر دهه 1980 برای شرکتهای برق و مشترکین مصارف فشار ضعیف و متوسط اهمیت زیاد پیدا کرده است، به طوری که با توجه به درخواست مشترکین، شرکتهای برق درصدد بهبود کیفیت برق در شبکههای توزیع میباشند. عنوان کیفیت توان یا کیفیت برق بهصورت یک مفهوم کلی برای تمام اغتشاشات موجود در شبکههای توزیع بکار برده میشود.

کیفیت توان الکتریکی اصطلاحی است که برای بیان میزان کیفیت تغذیه در سیستمهای قدرت AC بکار می رود. حالت ایدهآل برای یک شبکه قدرت، تولید ولتاژ سه فاز متعادل با شکل موج سینوسی و دامنه و فرکانس ثابت است. هرگونه انحرافی از این حالت ایده آل به معنای ضعف در کیفیت توان میباشد. بهمنظور حل مشکلات کیفیت توان شبکههای توزیع برق شامل کمبود ولتاژ، هارمونیکهای ولتاژ منبع و هارمونیکهای جریان بار، امروزه استفاده از فیلترهای پسیو، اکتیو و اصلاحکنندههای قدرت استفاده میگردد.

بهساز یکپارچه توان - UPQC - یکی از جبرانسازهایی است که بهمنظور غلبه بر مشکلات کیفیت توان معرفی گردیده است. UPQC شامل اتصال پشت به پشت فیلترهای اکتیو موازی و سری است که بهطور همزمان جبران سازی ولتاژ و جریان را برعهده دارد.

در این ساختار فیلتر اکتیو سری و موازی از طریق لینکDC به هم مرتبط هستند. این تجهیزات را میتوان در شبکههای توزیع بکار برد تا جبرانسازی بارهایی را که جریانهای هارمونیکی تولید میکنند بر عهده گرفته و از انتقال اختلالات ولتاژ به بار جلوگیری کنند.UPQC قادر است تا جریانهای هارمونیکی و عدم تعادل ولتاژ بارهای غیرخطی را جبران نموده و علاوه بر آن ولتاژهای هارمونیکی و کمبود ولتاژ منبع تغذیه را نیز برطرف نماید.

بدیهی است که با انجام این امور، کیفیت توان برای بارهای حساس به هارمونیکها بهبود مییابد. به همین منظور در این پایاننامه به ارائه و شبیهسازی UPQC مبتنی بر کنترلکننده فازی با استفاده از نرمافزار MATLAB/Simulink پرداخته شده است. نتایج حاصل از شبیهسازی انجام شده برای مشکلات کیفیت توان مختلف، عملکرد مناسب UPQC تحت بررسی را نشان میدهد. علاوه بر این مقایسه انجام شده میان کنترلکننده PI و فازی نیز عملکرد مناسب UPQC مبتنی بر کنترل فازی را در کاهش محتوای هارمونیکی جربان بار و ولتاژ منبع نشان میدهد.

-1  مقدمه

کیفیت توان از اواخر دهه 1980 برای شرکتهای برق و مشترکین مصارف فشار ضعیف و متوسط اهمیت زیاد پیدا کرده است، بهطوریکه با توجه به درخواست مشترکین، شرکتهای برق درصدد بهبود کیفیت برق در شبکههای توزیع میباشند. عنوان کیفیت توان یا کیفیت برق بهصورت یک مفهوم کلی برای تمام اغتشاشات موجود در شبکههای توزیع بکار برده میشود. میتوان دلایل عمده توجه روزافزون به این مسئله را بهصورت زیر برشمرد :

-1 بروز اشکال و به وجود آمدن تبعات نامطلوبدر صورت معیوب بودن یک عنصر، به خاطر اتصال شبکهها به یکدیگر و تشکیل شبکههای بزرگتر.

-2 افزایش روزافزون هارمونیک در سیستمهای قدرت به خاطر رشد استفاده تجهیزات پربازده مانند درایوهای با قابلیت تنظیم سرعت و همچنین استفاده از خازنهای موازی برای تصحیح ضریب قدرت.

-3 توجه بیشتر شرکتهای برق به موضوع کیفیت توان به خاطر آگاهی روزافزون مشتریان از مسائلی چون قطعیها، کمبودهای ولتاژ و حالتهای ناشی از کلیدزنی.

-4 افزایش حساسیت تجهیزات الکتریکی امروزی در مقابل انواع اغتشاشات موجود در شبکههای توزیع.

کیفیت توان الکتریکی اصطلاحی است که برای بیان میزان کیفیت تغذیه در سیستمهای قدرت AC بکار میرود. حالت ایدهآل برای یک شبکه قدرت، تولید ولتاژ سه فاز متعادل با شکل موج سینوسی و دامنه و فرکانس ثابت است. هرگونه انحرافی از این حالت ایده آل به معنای ضعف در کیفیت توان میباشد. مصرفکنندگان انرژی الکتریکی، توان را از روی تأثیری که بر روی عملکرد دستگاهها و تجهیزاتشان ایجاد میکند، ارزیابی میکنند.

-2 الگوریتم مورد مطالعه

فرآیند کنترل UPQC با تشخیص سیگنال های ولتاژ و جریان، با استفاده از CT و PT و سنسورهای اثر هال1 و تقویت کننده ایزوله برای جمع آوری دقیق اطلاعات سیستم آغاز میگردد. براساس سیگنال های اندازه گیری شده، بخش های سطح ولتاژ و جریان در حوزه های زمان یا فرکانس با توجه به نوع کنترلکننده انتخاب شده و در نهایت سیگنال مناسب برای سوئیچ ها با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس - PWM - 2، مدولاسیون بردار فضایی - SVM - 3 و یا باند هیسترزیس - HB - 4 ایجاد میگردد. کنترلکننده مناسب باید سه ویژگی اصلی داشته باشد:

-1  تشخیص سریع و دقیق سیگنال اغتشاش

-2  پردازش سریع سیگنال مرجع

-3  پاسخ دینامیکی سریع

با توجه به حجم محاسبات موردنیاز برای تولید سیگنال های مرجع و پس از آن سیگنال های روشن و خاموش کردن کلیدها، سختافزار لازم برای پیاده سازی کنترل کننده انتخاب می گردد. استفاده از ابزارهای دیجیتال و آنالوگ یا ادوات قابل برنامهریزی مثل میکروکامپیوترها تک چیپه، DSP و غیره، معمول است. ایجاد الگوی سوئیچینگ مناسب با توجه به سیگنال فرمان جبرانسازی استراتژی کنترل UPQC را مشخص می کند. به طور کلی سه دسته روش کنترلی حوزه زمان، حوزه فرکانس و روشهای دیگر در کارهای انجام شده مشاهده نمود

روشهای حوزه زمان بهصورت زیر میباشند:

-1 تئوری p-q یا توان راکتیو لحظهای

-2  الگوریتم کنترلی برمبنای قاب مرجع dq0 سنکرون

-3  روش تعادل توان لحظهای

-4  روش انرژی متعادل شده

-5  الگوریتم آشکارسازی سنکرون

-6  روشهای آشکارسازی مستقیم

-7  روش ضریب توان واحد

روشهای حوزه فرکانس را نیز میتوان بهصورت زیر برشمرد:[19] -1 فوریه معمولی -2 روشهای سری فوریه تغییر یافته در نهایت روش های جدید نیز به صورت زیر قابل تقسیم بندی میباشند:[19]

-1  روش کنترل DeatBeat

-2  تبدیل موجک

سه معیار کلی برای انتخاب روش کنترلی در نظر گرفته میشود.

-1 مشخصات بار: تغییرات بار، توان موردنیاز آن

-2 دقت موردنیاز: میزان حساسیت مصرف کنندگان نسبت به مشکلات کیفیت توان چقدر است؟

-3 سادگی پیادهسازی: حجم محاسبات لازم و سختافزار انجام دهنده آنها

وقتی که سیگنال مرجع تحت شرایط ولتاژ سینوسی و متعادل محاسبه می شود تمام روش ها نتایج یکسانی دارند اما در شرایط غیرسینوسی و نامتعادل، هر روش نتایج متفاوتی دارد. روش کنترل Deatbeat نسبت به دیگر روش ها بهترین عملکرد را داراست اما بهای زیادی برای پیاده سازی محاسبات آن بایستی پرداخته شود. در بین روش های معرفی شده، روش قاب مرجع سنکرون از دیگر روش ها مناسب تر به نظر میرسد.

چون جریان سینوسی و متعادل از منبع میکشد و نسبت به اغتشاشات ولتاژ حساس نیست. روش تئوری قاب مرجع همزمان، زمان محاسبات مدار کنترلی را کوتاه نموده و از پیچیدگی زیادی برخوردار نیست. در نتیجه زمان پاسخ دهی سیستم کنترلی سریع تر می شود. لذا استفاده از روش تئوری قاب مرجع همزمان در مدار کنترلی موازی UPQC ارجحیت دارد.

در زیر به تشریح روش های مورد استفاده در شبیه سازی این مقاله مورد استفاده قرار گرفته است میپرزدازیم.

1-2 کنترل Deatbeat

در این روش، دو متغیر حالت - مثلاً ولتاژ بار و جریان خازن - در هر بازه نمونه برداری اندازه گیری محاسبه می شود و سپس با استفاده از این داده ها پهنای پالس به صورت زمان حقیقی محاسبه می شود تا ولتاژ خروجی در هر لحظه نمونه برداری برابر مقدار مرجع باشد. این روش بهترین دینامیک را در بین روشهای کاملاً دیجیتالی داراست. عیب کنترل Deatbeat حساسیت آن به خطاهای شبیه سازی و پارامترها است

2-2 الگوریتم بر مینای قاب مرجع سنکرون - - d-q

این الگوریتم بر مبنای تبدیل پارک استوار است. در این تبدیل سیگنال های ولتاژ و جریان سه فاز به یک قاب چرخان با سرعت سنکرون نگاشت می شوند. اجزای اکتیو و راکتیو سیستم به ترتیب به وسیله قسمت های مستقیم و عمود بیان می شوند. در این روش مقادیر فرکانس اصلی با تبدیل d-q به مقادیر DC تبدیل می شوند که به سادگی با استفاده از فیلتر قابل جداسازی می باشند. برای پیاده سازی قاب مرجع سنکرون بایستی از بلوک PLL استفاده نمود. چرا که با توجه به ماتریس تبدیل قاب مرجع سنکرون نیاز به داشتن زاویه می باشد. این زاویه را می توان با استفاده از PLL به دست آورد.

بایستی توجه داشت در صورت استفاده از قاب سنکرون، چون مؤلفه های متناوب به مؤلفه های DC تبدیل شده و در نتیجه کنترل کننده در مقابل تغییرات دینامیکی واکنش مناسبتری نشان داده و پایداری سیستم بهتر حفظ میگردد. با وجود آنکه محاسبات لحظه ای هستند اما هنگام فیلتر کردن مقادیر DC تأخیر کمی تحمیل می شود. این روش تنها برای سیستم های سه فاز قابل اعمال است

-3شبیه سازی

به منظور پیاده سازی UPQC در ساختار یک فیدر به منظور جبرانسازی مشکلات کیفیت توان، با استناد به مرجع [31] از سیستم زیر به عنوان فیدر تحت بررسی استفاده میشود. همانطور که مشاهده میشود فیدر تحت بررسی از یک منبع ولتاژ سهفاز، یک خط دارای امپدانس، یک بار غیرخطی و یک UPQC تشکیل شده است.

شکل :1-0 سیستم تحت بررسی

سیستم شبیهسازی شده در نرمافزار MATLAB/Simulink بهصورت شکل 2-0 میباشد.

شکل :2-0 سیستم شبیهسازی شده

پارامترهای استفاده شده در این شبیه سازی نیز در جدول 1-0 آورده شده است:

جدول :1-0 پارامترهای استفاده شده در شبیهسازی

مدلسازی بخش کنترلی

با توجه به وجود دو مبدل در ساختار پیشنهادی نیاز به دو بخش کنترلی یکی برای مبدل سری و دیگری برای مبدل موازی میباشد.

کنترل مبدل سری

با توجه به عملکرد مشابه مبدل سری با بازیاب دینامیکی ولتاژ5 - DVR - ، از کنترل کننده های استفاده شده برای DVR می توان برای کنترل مبدل سری استفاده نمود. به همین منظور در کنترل این مبدل ابتدا با اندازه گیری ولتاژ منبع و مقایسه آن با ولتاژ مرجع، سیگنال خطا به دست میآید. با عبور این خطای ولتاژ از کنترلکننده فازی، ولتاژ مرجعی که بایستی در خروجی ترانسفورماتور سری ایجاد گردیده تا به ازای آن ولتاژ بار در مقدار مطلوب خود قرار گیرد، ایجاد میشود. سپس با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی - SPWM - 6 سیگنال های لازم برای کلیدزنی مبدل سری استخراج می شود. بایستی توجه داشت که با توجه به نسبت تبدیل 220/220 ترانسفورماتور سری، ولتاژی که در خروجی مبدل ایجاد می شود با کمی کمبود ولتاژ روی فیلتر و البته کمی پیرایش توسط فیلتر به صورت سری به شبکه تزریق می شود. سیستم کنترلی شبیه سازی شده در نرم افزار MATLAB بهصورت شکل 3-0 میباشد.