ترجمه مقاله تخمین و کمینه‌سازی هارمونیک‌ها در سیستم توزیع 13 باس IEEE

تخمین و کمینه‌سازی هارمونیک‌ها در سیستم توزیع 13 باس IEEE

Estimation and Minimization of Harmonics in IEEE 13 Bus Distribution System

 

چکیده

مساله کیفیت توان به خاطر ولتاژ، جریان و یا فرکانس غیراستاندارد رخ می‌دهد که منجر به آسیب دیدن تجهیزات کاربران می‌شود. لذا کار انجام شده در اینجا به شناسائی نگرانی‌های مهم در این زمینه می‌پردازد و معیارهایی که می‌توانند کیفیت توان را بهبود دهند توصیه می‌شوند.

برای مطالعه تجهیزات متصل به سیستم غیرسینوسی، جهت طراحی و مکانیابی بهینه فیلترها نیاز به تحلیل هارمونیکی سیستم توزیع است.

در این مقاله، برای تحلیل هارمونیک‌ها از سیستم توزیع 13 باس IEEE استفاده شده است. تحلیل هارمونیکی سیستم، طیف هارمونیکی و THD جریان‌ها و ولتاژهای باس های مختلف را بدست می‌دهد. تخفیف و کاهش هارمونیک‌ از طریق شبیه‌سازی و با استفاده از فیلترهای راکتانسی یک پورت تک تنظیمه و دو تنظیمه صورت می‌گیرد. تحلیل قیاسی عمل فیلتر نیز ارائه می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که بهترین عملکرد فیلتر وقتی اتفاق می‌افتد که در/ نزدیکی باس‌های بارهای غیرخطی قرار گیرند. مدل سیستم توزیع با استفاده از نرم‌افزار سیمولینک متلب نسخه R2009b صورت می‌گیرد که در آن بارها به صورت استاتیکی و درایوهای با سرعت قابل تنظیم هستند.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

مقالات شبیه سازی مهندسی برق

 

1. مقدمه

اکنون سیستم توزیع برق بخشی از یک سیستم الکتریکی است که بین منبع یا منابع بزرگ توان  و کلیدهای خدمات‌رسانی مشترکین قرار دارد. امروزه یکی از بزرگترین مشکلات کیفیت توان عبارت است از کاهش/ افزایش ولتاژ[1].

مدت کاهش/افزایش ولتاژ از نیم‌سیکل تا یک دقیقه طول می‌کشد. کاهش ولتاژ یکی از مشکلات کیفیت توان است که به وفور رخ می‌دهد. برای یک صنعت، کاهش ولتاژ اغلب در سمت تجهیزات مشترکین به عنوان مهم‌ترین مساله کیفیت توان اتفاق می‌افتد [1].

جریان‌های هارمونیکی (مترجم: جریان‌های دارای هارمونیک) باعث تلفات بیشتر خط و تلفات گردابی در ترانسفورماتورها می‌شوند. خطای کنتور (اندازه‌گیر) وات‌- ساعت[2] اغلب یک نگرانی است. در فرکانس‌های هارمونیکی، این کنتور بسته به حضور هارمونیک‌ها و پاسخ کنتور به این هارمونیک‌ها مقادیر بیشتر و یا کمتری نشان دهد. مشکلات ناشی از جریان‌‌های هارمونیکی عبارتند از اضافه‌باری نوترال‌ها، بیش‌گرمایش ترانسفورماتورها، تریپ آزاردهنده مدارشکن‌ها، تنش بیش از حد خازن‌های اصلاح ضریب توان و اثرات پوستی [4]- [6].

تحلیل معمولا به این منظور انجام می‌گیرد که میزان اعوجاج ناشی از افزودن یک بار یا بانک خازنی جدید تولیدکننده هارمونیک پیش‌بینی شود. رویه کلی این است که ابتدا مدلی توسعه یابد که بتواند به خوبی و با دقت کافی پاسخ هارمونیکی سیستم حاضر را شبیه‌سازی کند و مدلی از تجهیز جدید به آن افزوده شود [6]- [8].

در این مقاله، مدلسازی ASD فراهم شده و طراحی انواع فیلترهای پسیو و فیلترهای اکتیو شنت بیان می‌شود. مدل سیستم 13 باس IEEE در نرم‌افزار PSCAD/EMTDC شبیه‌سازی می‌شود و تحلیل هارمونیکی بر روی آن صورت می‌گیرد. کارائی فیلترها در جبرانسازی هارمونیک‌های جریان و ولتاژ با شبیه‌سازی انواع بارها و محل‌های بهینه فیلترها در سیستم توزیع تست می‌شود. THDهای جریان و ولتاژ به عنوان شاخص‌های هارمونیک در این مقاله استفاده می‌شوند.

تحلیل حساسیت نیز انجام می شود تا تاثیر تغییر پارامتر فیلتر بر روی THDهای باس‌های مختلف بررسی شود.

2. کیفیت توان در سیستم توزیع برق

اکثر استانداردهای مهم بین‌المللی کیفیت توان به عنوان مشخصات فیزیکی منبع الکتریکی تحت شرایط عملکرد طبیعی تعریف می‌کنند که فرایندهای مشتری را قطع و یا مختل نمی‌کند. بنابراین، وقتی مشکل کیفیت توان وجود دارد که هر گونه انحراف ولتاژ، جریان و یا فرکانسی منجر به یک خرابی و یا عملکرد بد تجهیزات مشترکین شود.

با این حال، شایان توجه است که کیفیت منبع توان اساسا معرف کیفیت ولتاژ و قابلیت اطمینان منبع است. مشکلات کیفیت ولتاژ به هر نوع خرابی تجهیز در اثر انحرافات ولتاژ خط از مشخصه‌های نامی خود مربوط می‌شود، و قابلیت اطمینان منبع با کفایت (قابلیت تغذیه بار)، امنیت (قابلیت تحمل اغتشاش‌های ناگهانی مثل خطاهای سیستم) و دسترس‌پذیر بودن آن (با ترکز بر بخصوص قطعی‌های بلندمدت) مشخص می‌شود.

مشکلات کیفیت توان در بیشتر شبکه‌های تجاری، صنعتی و بهره‌برداری بسیار مرسوم هستند. پدیده‌های طبیعی چون صاعقه از دلایل اصلی مشکلات کیفیت توان هستند. پدیده‌های کلیدزنی (سوئیچینگ) منجر له گذراهای نوسانی در منبع الکتریکی می‌شوند، مثلا وقتی خازن‌ها سوئیچ می‌شود باعث اغتشاشات اساسی کیفیت توان می‌شوند. همچنین، اتصال بارهای غیرخطی توان بالا منجر به ایجاد مولفه‌های هارمونیکی ولتاژ و جریان می‌شود. بین اغتشاش‌های مختلف ولتاژ که قابل وقوع‌اند، چشم‌گیرترین و بحرانی‌ترین مسائل کیفیت توان عبارتند از افت‌ولتاژها، چون باعث خسارات اقتصادی بالایی می‌شوند. افت ولتاژهای کوتاه مدت (sag) می‌توانند باعث تریپ درایوهای الکتریکی یا تجهیزات حساستر شوند و در نتیجه قطعی‌های خسارت‌باری را به ارمغان آورند.

به همین دلایل، از منظر مصرف‌کننده مسائل کیفیت توان به یک عامل مهم تبدیل خواهند شد که باید به آنها توجه کرد تا بهره‌وری بالا تامین شود. از طرف دیگر، برای صنعت تامین برق، کیفیت توان تحویلی یکی از عوامل مهم برای تضمین وظیفه‌شناسی مشتری در این بازار رقابتی و غیرمنظم برق است.

با اشاره به نیازهای مصرف‌کنندگان انرژی و سعی در بهبود بهره‌روی از طریق کاهش موانع مربوط به کیفیت توان، تامین‌کنندگان توان در تلاشند تا سودهای عملکرد را بیشینه کرده و در عین حال کیفیت مناسب را برای مشترکین تامین کنند. فناوری‌های ابتکاری می‌توانند راه‌حل‌های مقرون به صرفه‌ای برای افزایش کیفیت توان ارائه دهند. با این حال، با وجود روش‌های مختلف موجود برای حل مشکلات کیفیت توان، سوال آشکار برای مشتری و یا بهره‌بردای که با نوع خاصی از مساله کیفیت توان مواجه است این است که کدام تجهیز می‌تواند بهترین راهکار باشد.

3. توان راکتیو در تنظیم ولتاژ
   1. اغتشاشات ولتاژ

سگ یا دیپ[3] ولتاژ عبارت است از افت ولتاژ به 1/0 تا 9/0 پریونیت که کمتر از یک دقیقه طول بکشد و سووِل[4] ولتاژ عبارت است از افزایش ولتاژ به بیش از 1/1 پریونیت که کمتر از یک دقیقه طول بکشد.

1. 2. کنترل ولتاژ با جبرانسازی توان راکتیو

ابتدا، ما یک خط جبران‌نشده را در نظر می‌گیریم. جریان کشیده شده با بار بستگی به خود بار و ولتاژ خط دارد. جریان باعث افت ولتاژ در ترانسفورماتور و راکتانس خط می‌شود. این جریان منجر به کاهش ولتاژ انتقال V_T و ولتاژ توزیع V_D­  می‌شود. شکل1.1 دیاگرام برداری یک بار تنها[5]ی متصل به یک خط جبران‌نشده را نشان می‌دهد. افت ولتاژ در خط عمدتا بستگی به جریان کشیده شده توسط بارها و مقاومت و اندوکتانس خط دارد.

 

شکل 1.1 خطوط جبران‌نشده به همراه بار تنها

 

شکل 1.2 خطوط جبران‌شده به همراه بار تنها

همچنین می‌توان دید که زایوه بین ولتاژ و جریان نقش مهمی در حفظ ولتاژ ایفا می‌کند. اجازه دهید فرض کنیم که ولتاژ منبع برابر E باشد. اکنون به علت افت‌ولتاژهای ناشی از I_R و I_X ، ولتاژ بار برابر V خواهد بود. می‌توان با پیشفاز کردن جریان V = E را فراهم کرد، لذا دیاگرام برداری به صورت شکل 1.2 خواهد بود، یعنی با استفاده از جبرانسازی شنت ( در خط انتقال یا خط توزیع)، ولتاژ را می‌توان در سمت بار تنظیم کرد.

4. مدل درایوهای با سرعت قابل‌تنظیم (ASD)

 ASD ها شامل یک موتور القائی تغذیه شده با ولتاژ متغیر AC هستند که این موتور توسط مبدل‌ها درایو می‌شود. بنابراین، ASD شامل سه قطعه اصلی اس؛ اولین قطعه سرجلوئی است، که شامل یک یکسوساز 6 یا 12 پالسه است. قطعه دوم اینورتر است که ولتاژ DC تولید شده را به ولتاژ AC و با فرکانس قابل کنترل تبدیل می‌کند تا سرعت موتور را بتوان کنترل کرد. مرحله آخر هم لینک DC (خازن شنت) است که دو مرحله قبل را با هم کوپل کرده و به کاهش ریپل‌های ولتاژ DC در حالات VSI و PWM کمک می‌کند.

یکسوساز سرجلو، به علت فرایند سوئیچینگ آن، جریان‌های هارمونیکی را به سیستم AC تزریق می‌کند. اینورتر ریپل‌های اضافی در جریان لینک DC ایجاد می‌کند، که به نوبه خود به سمت تغذیه نفوذ کرده و لذا باعث هارمونیک می‌شود. مثل همه بارهای غیرخطی و بارهای سوئیچینگ، ASDها معمولا به صورت تزریق جریان هارمونیکی نمایش داده می‌شدند. دامنه این جریان‌های هارمونیکی برای هارمونیک n ام، برابر 1/n دامنه جریان فرکانس اصلی در نظر گرفته می‌شود. اما این روش برهمکنش بین هارمونیک‌های جریان و ولتاژ ایحاد شده توسط تجهیز را در نظر نمی‌گیرد. این موضوع ممکن است منجر به تخمین نادرست میزان اعوجاج سیستم شود. به منظور تطبیق این برهمکنش‌ها و در عین حال محاسبه اعوجاج سیستم، مدل ASD به همراه سیستم در حوزه زمان نمایش داده خواهد شد تا برهمکنش‌های هارمونیکی در نظر گرفته شود.

 

شکل2: مدار معمول مبدل برای ASD

هارمونیک‌های تزریقی با اینورتر عمدتا بستگی به توپولوژی اینورتر و مشخصات موتور دارند. بنابراین، ASD را می‌توان با یک مدار مبدل پل سه فاز معمولی و یک لینک DC و منبع جریان هارمونیکی مدل کرد تا مطابق شکل2 بیانگر اینورتر و موتور باشند. خازن لینک DC برای حالت VSI و سلف DC برای حالت CSI می‌توانند از انتشار هارمونیک‌های تولید شده سمت اینورتر به سمت سیستم AC ممانعت کنند [7]. این استنتاج مستلزم یک نمایش ساده مبدل و موتور به صورت یک منبع جریان DC به جای یک منبع جریان هارمونیکی است. جریان مستقیم ورودی به اینورتر را می‌توان از بار موتور به صورت رابطه (1) تخمین زد:

 

5. طراحی فیلترهای پسیو

فیلترهای هارمونیکی پسیو با هدایت جریان‌های هارمونیکی در مسیرهای کم امپدانس باعث کاهش اعوجاج می‌شوند. فیلترهای پسیو به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در فرکانس‌ اصلی به صورت خازنی باشند، لذا برای تولید توان راکتیو موردنیاز مبدل‌ها و اصلاح ضریب توان به کار می‌روند.

1. 1.  فیلتر تک تنظیمه

معمول‌ترین نوع فیلترهای پسیو به کار رفته در کاهش هارمونیک، فیلتر تک تنظیمه (STF) است که یا پایین‌گذر است و یا میانگذر. این نوع فیلتر ساده‌ترین نوع فیلتر از نظر طراحی بوده و از نظر پیاده‌سازی و اجرا کم‌هزینه‌ترین نوع است. پیکربندی این فیلتر در شکل5.1 نشان داده شده است. از جمله معیارهای اصلی در طراحی فیلتر، انتخاب اندازه مناسب خازن است که بتواند ضریب توان معقولی را در فرکانس اصلی فراهم کند. رابطه مقدار راکتانس خازن، X_c و توان راکتیو بدین صورت است:

که kVcap ولتاژ نامی خط به خط خازن بوده و MVAr توان راکتیو خازن است. سپس ظرفیت خازنی فیلتر به کمک رابطه (3) محاسبه می‌شود:

که f فرکانس اصلی است. سپس برای بدست آوردن مقدار سلف فیلتر رابطه (4) به کار می‌رود:

که n مرتبه هارمونیکی است که فیلتر روی آن تنظیم می‌وشد. مقدار مقاومت تعیین کننده ضریب کیفیت (Q) فیلتر است و ضریب کیفیت برابر با است با نسبت راکتانس سلفی یا خازنی در حالت رزونانس به مقاومت. مقادیر مرسوم Q برای فیلترهای به کاررفته در کابردهای صنعتی و تجاری بین 15 تا 80 است [12].

شکل 5.1  فیلتر تک تنظیمه

 

1. 2. فیلتر دو تنظیمه

فیلتر دو تنظیمه (DTF) شامل یک مدار LC سری و یک مدار RLC موازی است. پیکربندی اساسی DTF در شکل5.2 نمایش داده شده است. اگر f1 و f2 دو فرکانس تنظیم باشند، هر دو مدار سری و مدار موازی به تقریبا فرکانس جذرهندسی تنظیم می‌شوند یعنی

شکل5.2 فیلتر دو تنظیمه

 

DTF را می‌توان برای فیلترهمزمان دو مولفه هارمونیکی به کار برد. در مقایسه با STF با همان کارائی، DTF دارای برخی مزایاست، مثلا اینکه تنها یک سلف در معرض ولتاژ کامل خط قرار دارد، تلفات آن بسیار کمتر است و دامنه امپدانس در فرکانس رزونانس موازی کمتر بوده و نیاز به فضای کمتری دارد.

6. سیستم توزیع 13 باس IEEE

برای تحلیل هارمونیک، یک سیستم توزیع صنعتی ولتاژ متوسط 13 باس IEEE [9] انتخاب شده است که مطابق شکل6 بارهای مختلف صنعتی و تجاری را تغذیه می‌کند. اطلاعات ترانسفورماتور و فیدر سیستم [8] در جداول 1 و 2 داده شده است. سیستم از طریق یک منبع 69 کیلوولت در باس 4 و یک ژنراتور محلی 8/13 کیلوولت موجود در باس 1 تغذیه می‌شود.  یک خازن اصلاح ضریب توان با مقدار نامی kVAr 6000 در نقطه مشترک کوپلینگ (PCC) در باس 3 متصل شده است. دو بار مولد هارمونیک یعنی درایوهای با سرعت قابل‌تنظیم 20 اسب‌بخار، مصرف‌کنندگان را در باس‌های 7 و 10 تامین می‌کنند.

شکل6 دیاگرام تک‌خطی سیستم توزیع 13 باس IEEE

7. مدل سیمولینک سیستم تست

شکل7.1 مدل سیمولینک سیستم توزیع 13 باس IEEE

شکل7.2 مدل سیمولینک ASD

 

8. نتایج شبیه‌سازی

شکل8.1 جریان در باس 3 و 7.

شکل8.1 جریان در باس 9 و 10

شکل8.3 ولتاژ در باس 3 و 7.

شکل8.4 ولتاژ در باس 9 و 10.

شکل8.5 THD در باس 10 بدون فیلتر (72/28 %)

شکل8.6 THD در باس 10 با فیلتر تک تنظیمه (34/0 %)

9. نتیجه‌گیری

در این مقاله، روشی برای جایگذاری انواع مختلف فیلتر در سیستم توزیع 13 باس IEEE برای تخمین و کمینه‌سازی هامونیک‌ها بیان شد. دو نوع فیلتر (فیلتر تک تنظیمه و فیلتر دو تنظیمه) مدلسازی شدند. THD قبل و بعد از اتصال فیلتر محاسبه شد.

 

 

 

---

[1] Voltage sag/swell

[2] Watt-hour meter

[3]voltage Sag or dip

[4] Voltage swell

[5] Single load