ترجمه مقاله الگوریتم تولید ولتاژهای مرجع یک DVR

الگوریتم جدید برای تولید ولتاژهای مرجع یک DVR با استفاده از روش مولفه های متقارن لحظه ای

A New Algorithm for the Generation of Reference Voltages of a DVR Using the Method of Instantaneous Symmetrical Components

 

این مقاله روشی جدید برای تولید ولتاژ مرجع برای بازیاب ولتاژ دینامیک (DVR) ارائه می دهد. این ولتاژها، در زمان تزریق به همراه یک فیدر توزیع بوسیله ی یک اینورتر منبع ولتاژ می توانند ولتاژ را در ترمینال بار در برابر عدم توازن یا هارمونیک ها در سمت منبع تنظیم کنند. تصریح می شود که DVR هیچ توان واقعی در حالت یکنواخت تامین نمی کند. شمای تولید ولتاژ مرجع از طریق مطالعات شبیه سازی کامپیوتر دیجیتال اعتبارسنجی می شود.

کلیدواژه ها: بازیاب ولتاژ دینامیک، جبران سری ها

 

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

مقدمه

جبرانساز سری مبتنی بر کانورتر الکترونیک قدرت که غیر از خروج بارها می تواند محافظ بارهای ضروری نسبت به اغتشاشات ولتاژ سمت منبع باشد، را یک بازیاب ولتاژ دینامیکی (DVR) گویند. این جرانساز یک مجموعه ولتاژ خروجی ac سه فاز را بصورت سری با ولتاژهای فیدر توزیع تزریق می کند. دامنه و زاویه فاز ولتاژهای تزریقی متغیر هستند لذا کنترل توان حقیقی و راکتیو بین DVR و سیستم توزیع معاوضه می شود. این مقاله مفهوم بازیافت ولتاژ دینامیکی را علاوه بر بحث روی یک DVR که می تواند ولتاژ بار را بدون هیچ گونه مصرف توان حقیقی در حالت ماندگار تنظیم کند، تشریح می کند. همچنین می تواند توابع اولیه بازگردان را  اجرا کند، یعنی محافظت از بار در مقابل قطع موقت  یا افت ولتاژ. بخصوص، طرح تولید ولتاژ مرجع برای DVR بحث شده است. این ولتاژها وقتی بطور سری با استفاده از اینوتر به سیستم تزریق می شوند باعث تنظیم ولتاژ مطلوب می شوند. طرح تولید ولتاژ با استفاده از مطالعات شبیه سازی گسترده مورد تایید قرار گرفته است.

عباراتی برای توان حقیقی بر حسب مولفه های متقارن لحظه ای :  در این بخش ما توان حقیقی را بر حسب مولفه های متقارن لحظه ای بحث می کنیم. این مولفه ها برای سه جریان لحظه ای i_a و i_b و i_c بصورت زیر تعریف می شود : ...... رابطه (1)

جائی که a= e^{j 120  ̊}  و جریان های توالی های صفر، منفی و مثبت به ترتیب با زیرنویس های 0، 1 و 2  ، نشان داده شده است. باید توجه کرد i_a0  برای جریان های متعادل برابر صفر است و فازور i_a2 مزدوج مختلط فازور  i_a1 است. برای ولتاژها نیز چنین تبدیل های مشابهی می توان تعریف کرد.

توان لحظه ای در یک سیستم سه فاز بصورت زیر تعریف می شود : .... رابطه (2) . با جایگزینی تبدیل معکوس (1) در (2) بدست می آوریم : ........ رابطه (3)

تولید ولتاژ مرجع برای DVR : طرح تنظیم ولتاژ معرفی شده در Figure1 نشان داده شده است. این طرح شامل موارد زیر است :

• DVR  : بیان شده با منایع ولتاژ v_fa ، v_fb و v_fc  ؛
• ولتاژ تغذیه : بیان شده با منابع v_sa ، v_sbو v_sc .

DVR بین باس ترمینال سمت چپ و باس بار سمت راست قرار گرفته است. منابع ولتاژ با استفاده از یک فیدر با امپدانس R+jX ، به ترمینال های DVR متصل شده اند. باید فرض کنیم که بارها متقارن اند و امپدانس بار برابر Z_l = R_l + jX_l می باشد. باس وارده به DVR را باس ترمینال و باس خروجی از آن را باس بار گویند که به ترتیب با زیرنویس های t و l مشخص شده اند. بهتر است که ولتاژ مرجع های DVR تنها بر اساس اندازه گیری متغیرهای محلی تولید شوند. علاوه بر آن، فرض می کنیم DVR در حالت ماندگار هیچ توان حقیقی ای زا تولید ( یا مصرف ) نمی کند. از آنجائی که ولتاژهای مطلوب بار سینوسی متعادل هستند و خود بار نیز متقارن است، توان لحظه ای بار ثابت بوده و این مقدار باید برابر باشد با توان متوسطی که وارد باس ترمینال DVR می شود. لذا از (3) بدست می آوریم که :    ....... رابطه (4)

جایی که θ_{vla 1}  و θ_{isa 1}  به ترتیب زوایای بردارهای v_la1 و i_sa1 هستند و  p_tav توان متوسطی است که وارد باس ترمینال می شود. از (4) بدست می آید :  ......... رابطه (5) . اکنون ما مولفه های متقارن لحظه ای مطلوب ولتاژ بار را بصورت زیر تعریف می کنیم :   ...... رابطه (6)

جائی که v_{l rms} مقدار rms مطلوب ولتاژ بار است. سپس ولتاژهای لحظه ای باز با معکوس کردن تبدیل داده شده در (1) از رابطه (6) بدست می آید. وقتی ولتاژهای لحظه ای بار بدست آمدند، ولتاژهای فیلتر مرجع از رابطه زیر بدست می آیند :  ..... رابطه (7)

تنظیم ولتاژ بار با استفاده از DVR : دیاگرام فازوری سیستم جبران شده در حالت دائم در Figure2 نشان داده شده است. از آنجائی که DVR نباید هیچ توان حقیقی ای تزریق کند، ولتاژ DVR باید بر جریان خط I_s عمود باشد. Figure2(a) عملکردی را نشان می دهد که جریان بار دارای ضریب توان پسفاز است. باید توجه کرد که زاویه ضریب توان θ_l به بار بستگی دارد و مستقل از امپدانس فیدر است. در این شکل فرض شده است که ولتاژ rms بار در مقدار1 پریونیت  تنظیم شده باشد. شکل نشان دهنده دو نقطه عملکرد است – یکی با ولتاژ منبع واحد 1 پریونیت و دیگری با 1و25 پریونیت. این موضوع بیان می کند که در سیستمی با منبع ولتاژ 1 پریونیت، افزایش ناگهانی ولتاژ به 1.25 پریونیت را می توان با تغییر ولتاژ تزریقی از V_f1 به V_f2 جبران و اصلاح کرد. بطور مشابه، کاهش ولتاژ منبع ولتاژ تا یک افت مشخص را می توان اصلاح کرد. باید عنوان کرد که برای یک مقدار ثابت |V_s| ، اگر جریان بار افزایش یابد، فازور V_s در طول یک کمان در جهت عقربه های ساعت گردش می کند. وقتی که V_s با I_s همفاز باشد، محدودیت در جبرانسازی محدودیت بوجود می آید. قابل توجه است که اگر مقاومت R فیدر در Figure1 ناچیز باشد، V_s و V_l با هم رخ می دهند و DVR کل افت فیدر را جبران می کند.

Figure2(b) عملکرد یک بار کاملا اهمی را نشان می دهد. می توان ملاحظه کرد که تنظیم کردن با |V_s| و |V_l| برابر، امکان پذیر نیست. بیشترین مقدار |V_s| |V_l|/ را وقتی می توان بدست آورد که V_s با I_s همفاز باشد، یعنی DVR تمام افت راکتیو فیدر را جبران می کند.

پاسخ سیستم وقتی که ولتاژهای مرجع DVR توسط (7) تولید شده باشند در Figure 3  نشان داده شده است. توجه شود که در این و همه شکل های دیگر که مقادیر سه فاز را نشان می دهند، فازهای a، b و c به ترتیب با منحنی های توپر، خط چین و نقطه نقطه نشان داده شده اند. توان متوسط (p_tav) با یک فیلتر متوسط متحرک (MA) بدست می آید. DVR در پایان اولین نصف سیکل و پس از اینکه p_tav  بدست آمد، متصل می شود. از Figure3(a) می توان دید که ولتاژهای بار دارای مقدار پیک 2  پریونیت هستند. با این حال، جریان های خط متقارن نبوده و ولتاژ DVR معوج است همانطور که به ترتیب از شکل های 3(b) و (c) مشخص است. توان DVR نوسان دارد، حتی با اینکه میانگین نوسان همانطور که در (4) مشخص است، برابر صفر می باشد. دلیل این رفتار غیرمعمول این است که اتصال یکباره DVR در پایان نصف سیکل بطور موقت جریان خط را نامتعادل می کند. این امر موجب تخطی گذرای (4) می شود چون p_tav برابر cos (θ_vla1 – θ_isa1) 2|v_la1||i_sa1| نیست و این بخاطر نامتعادل بودن جریان های خط است. بدون هیچ مکانیزم اصلاحی، DVR را نمی توان وادار کرد تا این تخطی را اصلاح کند. این امر منجر می شود به یک حالت دائمی که دارای ولتاژهای معوج است.

استخراج توالی مثبت پایه : برای اجتناب از مشکل مذکور فوق، باید توجه کنیم که DVR باید ولتاژ را بگونه ای تزریق کند که ولتاژ بار شامل تنها مولفه توالی مثبت پایه باشد. وقتی بار متعادل باشد، جریان های بار نیز شامل تنها توالی مثبت پایه خواهند بود. توان حقیقی در ترمینال بار تنها به توالی مثبت ولتاژ بار و جریان (خط) بار دارد همانطور که در (4) مشخص است. لذا، در لحظه اتصال DVR، جریان توالی مثبت پایه باید در (4) مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، ما نیاز داریم که پایه توالی مثبت فازور جریان بار را که با i_{sa1_f} مشخص شده است، استخراج کنیم. می توان این مقدار را بطور مستقیم از نمونه های لحظه ای i_sa1  بصورت زیر محاسبه کنیم : ........ رابطه (8)

انتگرال موجود در (8) با استفاده از میانگین گیری نیم سیکل (T=10 ms) توسط فیلتر MA محاسبه می شود. باید ذکر کرد که عبارت داخل براکت ها که شامل انتگرال هستند متناظر هستند با محاسبه مولفه پایه با استفاده از سری فوریه مختلط. بنابراین، هر هارمونیک موجود در جریان منبع نیز دفع می شود. برای مثال، اجازه دهید جریان های بار هر دو نامتعادل باشند و شامل هارمونیک های پنجم و هفتم با دامنه هایی متناسب با عکس شماره هارمونیک ها. مکان هندسی برداری های جریان های لحظه ای طی یک سیکل در Figure4 نشان داده است. می توان ملاحظه کرد که حتی اگر مکان هندسی i_sa1 یک بیضی باشد که توسط هارمونیک ها معوج شده است، مکان هندسی i_{sa1_f} یک دایره است.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

طرح اصلاح شده تولید مرجع ولتاژ: معادله (5) را اکنون می توان مجددا بر حسب مقدار معادله (8) بصورت زیر نوشت : .... رابطه (9) .   مثال زیر نشان می دهد که اگر زاویه بردار ولتاژ لحظه ای لار بر اساس (9) محاسبه شود آنگاه جریان های خط متعادل می شوند. همچنین تنظیم ولتاژ بار در حضور افزایش/کاهش ولتاژ و وجود هارمونیک ها در منبع ولتاژ نشان داده شده است.

توجه شود که در همه مثال های ارائه شده در بالا، DVR با منابع ولتاژ ایده آل تحقق یافته است. با این حال، در عمل، DVR با اینورترهای منیع ولتاژ که توسط یک خازن لینک dc درایو می شوند، تحقق می یابد. برای نگهداری شارژ خازن dc، مقدار کمی توان حقیقی از سیستم دریافت می شود. بدین منظور، معادله (4) را می توان بصورت p_l = p_tav-p_loss اصلاح کرد که p_loss همان تلفات در اینورتر بوده و می تواند از حلقه فیدبک ولتاژ خازن تولید شود.

نتایج : این مقاله روش جدیدی برای تولید ولتاژهای مرجع یک DVR معرفی می کند که می تواند بخوبی ولتاژ ترمینال بار را در حضور نامتعادلی ها و هارمونیک های منبع ولتاژ، تنظیم کند. از استخراج توالی مثبت پایه استفاده شده است تا بتوان DVR را در نیم سیکل وادار به ایجاد شرایط حالت مانگار متعادل کرد. این طرح در حالت ماندگار تقاضای هیچ توان حقیقی ای از DVR را ندارد. این روش از طر یق شبیه سازی که در آن DVR بوسیله منابع ولتاژ ایده آل تحقق یافته باشد مورد تایید قرار گرفت که می تواند بخوبی ولتاژهای مرجع محاسبه شده را تعقیب کند.