مقدمه
می دانیم که در یک دسته بندی کلی، فیلترها به دو دسته اکتیو و پسیو تقسیم بندی می شوند. یک تعریف ساده از فیلتر پسیو با عناصر آن مشخص می شود، یعنی اگر همه عناصر آن پسیو باشند، آنگاه به آن فیلتر پسیو گویند. بنابراین یک فیلتر پسیو ممکن است شامل مقاومت، خازن، سلف یا ترانسفورماتور باشد. اگر عناصر فیلتر شامل تقویت کننده یا مقاومت های منفی باشند، فیلتر اکتیو نامیده می شود. مفهوم فیلترینگ اکتیو موازی اولین بار توسط دو نفر بنام Gyugyi و Strycula در سال 1976 معرفی شد. امروزه فیلترهای اکتیو موازی در سراسر دنیا در کاربردهای تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. آنها یک روش مؤثر برای تخفیف جریانهای هارمونیکی بارهای غیرخطی است. این فیلتر کیفیت شکل موج جریان منبع را در شبکه های توزیع بهبود می بخشد. این فیلترها به طور موازی با بارهای غیرخطی متصل شده و از تزریق جریانهای غیرسینوسی به آنها جلوگیری می کنند. آنها دارای مزیت های مختلفی هستند مثل: اندازه کوچک ، تنظیم آسان و دقیق، حذف هارمونیک های جریان، توان راکتیو جبرانی، اصلاح ضریب توان و جریانهای متعادل کننده مجدد بار غیر خطی.
در این نوشتار ابتدا با ساختار و نحوه عملکرد فیلتر اکتیو موازی آشنا می شویم، سپس یک شبیه سازی از سیستم ساده متشکل از شبکه، خط انتقال و بار غیر خطی را در نظر گرفته و سعی می کنیم به کمک فیلتر توان اکتیو عملکرد سیستم را در رابطه با جریان سمت منبع بهبود ببخشیم.
پیکربندی فیلتر توان اکتیو موازی (SAPF)
فیلترهای اکتیو موازی معمولاً شامل دو بلوک اصلی مجزا هستند:
1) مبدل توان PWM (پردازش کننده توان)
2) کنترل کننده فیلتر اکتیو (پردازش کننده سیگنال)
مبدل PWM مسئول پردازش توان در سنکرون سازی جریان هارمونیکی است که باید از سیستم توان کشیده شود. کنترل کننده فیلتر اکتیو مسئول پردازش سیگنال در تعیین زمان واقعی مراجع لحظه ای جریان جبران کننده می باشد که به طور پیوسته به مبدل PWM منتقل می شود. شکل 1 پیکربندی اساسی یک فیلتر اکتیو موازی برای جبران جریان هارمونیکی یک بار خاص را نشان می دهد.
مبدل های توان برای فیلترهای اکتیو موازی
در فیلتر توان اکتیو می توان از مبدل منبع ولتاژ (VSC) یا مبدل منبع جریان (CSC) استفاده کرد هر چند که تقریباً همه فیلترهای اکتیو موازی در عملکرد تجاری از مبدل منبع ولتاژی استفاده می کنند. در حالت استفاده از یک مبدل منبع ولتاژی (VSC)، یک خازن لینک dc مورد استفاده قرار گرفته و با آن موازی بسته می شود. در نقطه اتصال مشترک (PCC) نیز VSC از طریق یک اندوکتانس نشتی متصل می شود. تنظیم پارامترهایی مثل اندازه اندوکتانس و ظرفیت خازن اهمیت دارد. توجه می کنیم که مبدل باید دارای یک فرکانس کلیدزنی بالا جهت بازتولید دقیق جریانهای جبران کننده باشد که این فرکانس معمولا بالاتر از 10 برابر فرکانس بالاترین مرتبه جریان هارمونیکی درنظر گرفته می شود که باید جبران شود.
باید توجه شود که بدون درنظرگرفتن منبع توان، فقط یک عنصر ذخیره ساز انرژی به طرف dc مبدل ها متصل می شود. دلیل آن قاعده کاری یک فیلتر اکتیو موازی است که به صورت یک جبران گر رفتار می کند. به عبارت دیگر انرژی متوسط مبادله شده بین فیلتر اکتیو و سیستم توان باید صفر باشد. بعلاوه کنترل کننده فیلتر باید برای حفظ ثابت متوسط ولتاژ dc مربوط به VSC طراحی شود و باید سیستم توان را وادار کند که تلفات را در مبدل توان تأمین کند.
کنترل کننده فیلتر اکتیو
الگوریتم کنترل پیاده سازی شده در کنترل کننده فیلتر اکتیو موازی مشخصات جبرانی فیلتر را تعیین می کند. تعداد زیادی روش برای طراحی یک الگوریم کنترل برای فیلترینگ اکتیو وجود دارد. به طور حتم تئوری چهارچوب سنکرون pq یک اساس بسیار مؤثر را برای طراحی کنترل کننده های فیلتر شکل می دهد.
نحوه عملکرد
عملکرد فیلترهای توان اکتیو بستگی به روش تشخیص هارمونیک برای تولید مراجع ولتاژ/جریان دارد. تعداد زیادی الگوریتم در حوزه زمان و فرکانس برای محاسبه جریان های مرجع استفاده می شده اند. چهارچوب مرجع سنکرون همانطور که در بالا اشاره شد، یکی از روش های معروف استخراج مؤلفه هارمونیکی است. این تئوری به طور گسترده استفاده شده به صورتیکه محاسبات جبری را ساده می کند.
نمونه ای از سیستم موازی شده با فیلتر توان اکتیو موازی بدون نمایش کنترل کننده، در شکل 2 نشان داده شده است.
ساختار فیلتر موردنظر جریان جبرانی ic را برای شبکه AC فراهم می کند، بنابراین هارمونیک های جریان را در طرف ac کنسل می کند و باعث می شود جریان منبع و ولتاژ منبع هم فاز باشد. کنترل کننده آن همانطور که در شکل 3 نشان داده شد، در زمان واقعی، مرجع جریان جبران کننده را تعیین می کند و مبدل توان را وادار به سنکرونیزه کردن آن به طور دقیق می کند. به این طریق فیلترینگ اکتیو می تواند انتخابی و وفقی باشد. به عبارت دیگر یک فیلتر اکتیو موازی می تواند فقط برای جریان هارمونیکی یک بار غیرخطی انتخاب شده عمل جبران را انجام دهد و می تواند به طور پیوسته تغییرات در مؤلفه هارمونیکی اش را ردیابی کند.
با وادارکردن جریان شبکه به سینوسی شدن، فیلتر باید جریان های هارمونیکی را برای بار تأمین کند، به صورتیکه رابطه زیر برقرار باشد:
که iL ، is وic مقدار لحظه ای جریان منبع، جریان بار و جریان فیلتر هستند.
شبیه سازی فیلتر توان اکتیو موازی
در این قسمت بعد از معرفی و آشنایی با عملکرد فیلتر به شبیه سازی عملکرد آن در یک سیستم قدرت ساده می پردازیم. این سیستم که در شکل 3 نشان داده شده است متشکل از منبع توان، فیلتر توان اکتیو و بار غیر خطی می باشد. منبع توان مدل کننده شبکه می باشد که دارای ولتاژ با دامنه مؤثر 400 ولت و فرکانس 60 هرتز است. بار به صورت یک یکسوساز دیودی در نظر گرفته شده که از سمت DC به یک مقاومت – سلف متصل است.
برای عملکرد مؤثر فیلتر در کاهش هارمونیک های جریان منبع باید آن را به شیوه مناسب کنترل کنیم. برای این منظور از تئوری توان راکتیو لحظه ای بهبود یافته استفاده شده است. ساختار کلی کنترل کننده در شکل 4 نمایش داده شده است.
محیط موردنظر برای مدل سازی و شبیه سازی نرم افزار متلب/سیمولینک است. زمان شبیه سازی 0.2 ثانیه بوده که فیلتر توان اکتیو از 0.05 ثانیه به بعد وارد مدار می شود. در ادامه بعضی از نتایج شبیه سازی ارائه شده است.
از شکل 5 مشخص است که خازن فیلتر در لحظه ورود فیلتر به مدار شروع به شارژ شدن می کند و در حالت ماندگار به مقدار ثابتی تقریبی 650 ولت میرسد که ولتاژ مرجع برای تنظیم ولتاژ دو سر خازن فیلتر می باشد.
از شکل 6 نیز به خوبی مشخص است که جریان منبع بعد از ورود فیلتر به مدار تقریبا سینوسی بوده و هارمونیکهای آن به صورت قابل توجه کاهش می یابد. همچنین ولتاژ و جریان منبع همفاز می باشند.
برای بررسی تأثیر هارمونیک ها بر جریان منبع و نیز عملکرد فیلتر جهت کاهش اثر هارمونیکهای جریان، از آنالیز FFT استفاده می کنیم تا درصد THD جریان منبع را محاسبه کنیم. این مورد به کمک بلوک powergui در شبیه سازی انجام می شود. نتایج در شکل 7 ارائه شده است.
میزان اعوجاج هارمونیک کل در این حالت 3.16 درصد می باشد که زیر حد مجاز است و از حالت بدون فیلتر به مراتب کمتر است. بنابراین عملکرد فیلتر در کاهش هارمونیک های جریان منبع مؤثر می باشد.
————————————————————————————————————————————————————————–