بررسی استفاده از فیلترهای اکتیو برای حذف هارمونیک در سیستم قدرت

 بسم الله الرحمن الرحیم

موضوع تحقیق:بررسی استفاده از فیلترهای اکتیو برای حذف هارمونیک در سیستم قدرت

فیلتر کردن:
فیلترهای موازی توسط اتصال کوتاه کردن جریان هارمونیکی تا حدامکان اعوجاج را کاهش می دهند.
این روش معمول ترین نوع فیلترسازی عملی بوده و بدلیل مسایل اقتصادی و نیز تمایل به بهبود ولتاژ اعمال به بار با حذف هارمونیک های جریان مورد استفاده قرار می گیرد.
روش دیگر استفاده از فیلتر سری است که باعث سد کردن هارمونیک های جریان می شود.
البته این نوع فیلتر کمتر مورد استفاده قرار می گیرد زیرا در صورت استفاده از ان ولتاژ بار اعوجاجی میگردد.این نوع فیلتر، مدار موازی قابل تنظیمی است که امپدانس بالایی را در برابر جریان هارمونیکی ایجاد می کند.البته این نوع فیلتر کمتر مورد استفاده قرار می گیرد زیرا در صورت استفاده از ان ولتاژ بار اعوجاجی می گردد. یک نوع کاربرد عملی این نوع فیلترها، قرار گرفتن آنها در مسیر نقطه نوترال یک بانک خازنی با اتصال ستاره تا نقطه زمین می باشد.
فیلترهای فعال نیز با وارد کردن مولفه هارمونیکی جریان به یک بار غیر خطی عمل حذف هارمونیک ها را انجام می دهند.

ساختار فیلتر اکتیو:
فیلترهای فعال تجهیزات نسبتا جدیدی برای حذف هارمونیک ها می باشد. عملکرد آنها بر اساس مدارات الکترونیک قدرت پیچیده بوده و در نتیجه هزینه بسیار بیشتر نسبت به فیلترهای غیر فعال دارند. به هر حال این دسته فیلترها دارای مزایای متمایزی مانند تشدید نکردن با سیستم می باشد. این گونه تجهیزات را در شرایط بسیار مشکل، جایی که فیلترهای غیر فعال بصورت موفق عمل نمی کنند (بدلیل بروز تشدید موازی) می توان بکار برد.
شکل زیر شمای اتصال یک فیلتر فعال را نمایش می دهد:

ساختار قدرت فیلتر اکتیو:
ساده ترین ساختار برای فیلتر اکتیو استفاده از دو سوییچ برای هر فاز می باشد که هر سوییچ هدایت در نصف موج را برعهده دارد. این دو سوییچ را در اینجا پایه یک پایه فاز می نامیم.
این شکل شماتیک یک پایه فاز را که از دو سوییچ ایده ال و دیود آنتی پارالل تشکیل شده است را نشان میدهد:

پاسخ سیستم قدرت به منابع هارمونیکی:
در سیستم های قدرت،پاسخ سیستم به منابع هارمونیکی دارای اهمیت است. سیستم های قدرت در مقابل جریان هارمونیکی بوجود امده توسط بارهای تولید کننده هارمونیک، مقاوم می باشد مگر اینکه فرکانس این جریان هارمونیکی با فرکانس روزنانس موازی امپدانس از ان باس هم اندازه شود. پاسخ سیستم قدرت در هر فرکانس هارمونیکی اثر واقعی بارهای غیر خطی را بر اعوجاج هارمونیکی ولتاژ تعیین می کند.
الف: تشدید موازی:
مدارهای شامل خازن و سلف دارای یک یا تعداد بیشتری فرکانس طبیعی می باشد. وقتی که یکی از این فرکانس ها برابر با فرکانس سیستم قدرت گردد پدیده تشدید بوجود می اید و جریان و ولتاژ در ان فرکانس مقدار بالایی را به خود می گیرد.
این پدیده در حقیقت ریشه تمامی مسایل و مشکلات ناشی از اعوجاج هارمونیکی در سیستم های قدرت می باشد.
در فرکانس های هارمونیکی،از دیدگاه منابع هارمونیک ،خازن های موازی بااندوکتانس معادل شبکه به شکل موازی قرار می گیرند.
در فرکانس هایی غیر از فرکانس اصلی،شبکه قدرت به صورت اتصال کوتاه دیده می شود به عبارت دیگر فرض می شود که فقط منبع ولتاژ با فرکانس قدرت وجود دارد.

شکل زیر مربوط به تشدید موازی است

ب: امپدانس سیستم:
در فرکانس اصلی (50 هرتز) سیستم های قدرت اصولا بصورت اکتیو هستند.
در مطالعات هارمونیکی سیستم قدرت، این فرض که مقاومت سیستم تا فرکانس کمتر از مرتبه 9 تغییر زیادی نمی کند، قابل قبول است.
برای کابل ها و خطوط با در نظر گرفتن اثر پوستی، مقاومت بصورت تقریبی با مربع فرکانس تغییر می کندمقاومت معادل ترانس های بزرگ بدلیل تلفات جریان گردابی متناسب با فرکانس افزایش می یابد.
شکل زیر امپدانس بر حسب فرکانس برای یک سیستم اکتیو را نشان می دهد.

ج:امپدانس خازن:
خازن های موازی که برای تصحیح ضریب توان بکار می روند،در فرکانس های مختلف، امپدانس سیستم را شدیدا تحت تاثیر قرار میدهند. خازن ها خود عامل تولید هارمونیک نیستند ولی اعوجاج هارمونیکی گاهی اوقات بدلیل حضور خازن ها تشدید می شود.
در حالی که راکتانس اندکتیو با افزایش فرکانس و متناسب با آن افزایش می یابد، راکتانس خازن متناسب با فرکانس کاهش می یابد.
د: اثر بار مقاومتی:میزان میرایی ایجاد شده توسط مقاومت یا بارهای مقاومتی در سیستم قدرت باعث کاهش ولتاژ و جریان در حالت تشدید می گردد بطوریکه تنها افزایش 10% بار مقاومتی تاثیر بسزایی در کاهش پیک امپدانس سیستم دارد.

منابع تولید هارمونیک ها:
جریان مغناطیسی ترانسفورماتورها
بارهای غیر خطی مانند دستگاهای جوشکاری
کوره های قوس الکتریکی و القایی
سیستم هایHVDC ( انتقال برق فشار قوی DC )
تجهیزات بکار رفته در کنترل کننده های سرعت ماشین الکتریکی
تجهیزات مورد استفاده در حمل و نقل برقی مانند اتوبوس های برقی و متروها
اتصال نیروگاههای خورشیدی و بادی به سیستم های توزیع
صنایعی مانند مجتمع های شیمیایی،پتروشیمی،که نیاز به یکسوکننده های پر قدرت برای تولید برق DC مورد نیاز خود

اثار سوء هارمونیک ها بر سیستم قدرت و تجهیزات ان:
شکست عایقی بانک های خازنی و افزایش جریان و توان راکتیو انها
افزایش تلفات اهمی و تلفات اضافی در هسته و ایجاد حرارت اضافی در ترانس ها و موتورها
افزایش تلفات در کابل ها و خطوط هوایی و کاهش میزان بارگذاری انها
شکست عایقی کابل ها
عملکرد نامناسب و پاسخ اشتباه رله ها
ایجاد خطا در دستگاهای اندازه گیری
ایجاد نویز و تداخل با سیستم های مخابراتی و PLC

تجهیزات فیلتر کردن هارمونیک ها:
فیلترهای پسیو (غیر فعال)………PASSIVE FILTERS

فیلترهای اکتیو (فعال)…………ACTIVE FILTER

فیلترهای هیبرید (ترکیبی)………..HYBRID FILTERS

فیلترهای پسیو:
فیلترهای پسیو از سلف و خازن و مقاومت ساخته می شوند.
این فیلترها در روش سنتی بهبود کیفیت توان مورد استفاده بودند.
مقادیرشان با توجه به امپدانس سیستم بگونه ای انتخاب می شود تا امکان حذف یک هارمونیک خاص یا یک پهنای هارمونیکی را از طریق کاهش هارمونیک ها یا سد عبور آنها فراهم شود.
این فیلترها بصورت سری یا موازی بکار می روند.
مزایا: قیمت بسیار کم و ساختمان ساده
معایب: احتمال تشدید هارمونیک ها ناشی از امپدانس فیلتر و منبع تغذیه نیاز به یک فیلتر پسیو برای هر هارمونیک خاص می باشد.

فیلترهای اکتیو:
فیلترهای اکتیو دارای ساختار یک اینورتر به منظور حذف هارمونیک ها و جبران سازی توان راکتیو بکار گرفته شده اند.
این فیلترها نیز بصورت سری یا موازی با بار قرار می گیرند. فیلتر اکتیو سری برای تصحیح ولتاژ و فیلترهای اکتیو موازی برای جبران جریان هارمونیکی بکار می روند.
مزایا: جبران تمامی هارمونیک ها توسط یک وسیله بر خلاف فیلترهای پسیو
معایب: فیلترهای اکتیو بدلیل اینکه همواره ولتاژ و جریان زیادی را در دو سر خودمی بینند، بایستی توان نامی زیادی داشته باشند و این امر موجب افزایش حجم و افزایش قیمت می گردد.

برنامه های کامپیوتری تحلیل هارمونیکی:
با گسترش نرم افزارهای تخصصی در تحلیل و آنالیز سیستم های قدرت که بر اساس مدلسازی تجهیزات شبکه بصورت مدارهای الکتریکی معادل انها می باشد.
سه مورد از این نرم افزارها که در ایران نیز وجود دارند،عبارتند از:

مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک ها:
انرژی الکتریکی یکی از حامل های با ارزش انرژی بوده و از مزایای ان پاکیزه بودن و انتقال آسان آن می باشد. اما از آنجایی که وجود عوامل تلفات چون هارمونیکها می توانند سبب انحراف اهداف استراتژیک پخش انرژی هر سازمان در مصرف انرژی به شکل بهینه و مناسب شوند.
می توان در یک جمع بندی اجمالی مزایای کاهش هارمونیک ها را این طور بیان نمود:
کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برقرسانی
افزایش طول عمر تجهیزات به دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت
کاهش احتمال روزنانس موازی و سری در شبکه
افزایش راندمان موتورهای الکتریکی،کاهش خطای عملکرد رله ها ( تجهیزات کنترلی و حفاظتی شبکه ناشی از تاثیرات هارمونیک ها )
کاهش خطای قرائت دستگاهای اندازه گیری و کنتورها و در نتیجه کاهش خطای مبالغ دریافتی از مشترکین.
بنابراین بهینه سازی مصرف انرژی، مستقل از قیمت انرژی مصرفی بوده و با بکارگیری روش های ابتکاری در چهارچوب قوانین مقررات دولتی، سعی در اعمال تحولات در سازمان را دارد.

مراجع:
www.madsg.com
www.bargh20.ir
www.power2.ir
www.wikipower.ir