زشت‌کردن هارمونیک‌های سیگنال‌های قدرت و بهبود کیفیت توان

چکیده

این مقاله یک رویکرد نوین برای ارائه زشت‌کردن هارمونیک سیگنال‌های قدرت را معرفی می‌کند. روش پیشنهادی از یک تکنیک ساده‌شده برای تحلیل هارمونیک‌ها – روشِ پنج ordinate – بهره می‌برد که ویژگی‌های گذرایی شبکه توان را آشکار می‌سازد. متن شامل تحلیل‌های نمونه‌ای بر روی سیگنال‌های واقعی قدرت نیز می‌شود.

مقدمه

زشت‌کردن هارمونیک سیگنال الکتریسیتی یکی از پارامترهای اصلی برای توصیف کیفیت انرژی الکتریکی محسوب می‌شود. بررسی سطوح زشت‌کردن هارمونیک به شناسایی علل پدیده‌هایی که در شبکه تأمین برق رخ می‌دهند و منجر به اختلال در تجهیزات متصل می‌شوند، کمک می‌کند. این زشت‌کردن ناشی از حضور دستگاه‌هایی با خصیصه‌های غیرخطی مصرف‌کننده قدرت در شبکه است. روش پیشنهادی امکان شناسایی منابع زشت‌کردن را از طریق مشاهده ویژگی‌های گذرایی که بر پایه زشت‌کردن هارمونیک بازسازی شده‌اند، فراهم می‌آورد.

مقاله به پنج بخش اصلی تقسیم شده است: بخش اول مقدمه‌ای بر موضوع است؛ بخش دوم روش پیشنهادی برای ارائه زشت‌کردن هارمونیک را تشریح می‌کند؛ بخش سوم سیستم اندازه‌گیری و نحوه ثبت سیگنال‌های مورد تحلیل را توضیح می‌دهد؛ بخش چهارم نتایج آزمایشات و بحث پیرامون آنها را عرضه می‌کند و بخش پنجم نتایج کلی مطالعه را مرور می‌کند.

شرح روش

زشت‌کردن هارمونیک کل (THD) رایج‌ترین فاکتور برای کمی‌سازی پارامترهای کیفیت انرژی الکتریکی است. این فاکتور به عنوان نسبت میان دامنه هارمونیک‌های مرتبه بالاتر سیگنال و دامنه مؤلفه هارمونیک بنیادی تعریف می‌شود:

در اینجا M تعداد مؤلفه‌های هارمونیک است که برای محاسبه THD در نظر گرفته می‌شوند، Uhk دامنه مؤلفه هارمونیک k (k = ۱، ۲، …، M) و Uh1 دامنه مؤلفه بنیادی است. اندازه‌گیری THD در آزمون‌های کیفیت انرژی از طریق تبدیل فوریه سیگنال الکتریکی انجام می‌شود و در تشخیص وضعیت شبکه تأمین برق، ضریب‌های هارمونیک سیگنال تجزیه‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این حال، مشخص شده که تحلیل مستقیم نتایج توصیف‌کننده سطوح هارمونیک‌ها علل تولید هارمونیک‌ها در سیستم‌های سیم‌کشی الکتریکی را فاش نمی‌کند؛ از این رو ایده به کارگیری روش پنج ordinate برای بازسازی ویژگی‌های گذرای سیستم چهار قطبی نمایان‌گر شبکه تأمین برق به همراه تجهیزات متصل که منبع تداخل‌اند، مطرح گردید. به صورت شماتیک، ایده روش پیشنهادی در شکل ۱ نمایش داده شده است. سیگنال ورودی یک سینوس ایده‌آل است که شکل موج ولتاژ تأمین بدون زشت‌کردن را نمایاند. در عمل، سیگنال ثبت‌شده – یعنی سیگنال خروجی در شکل ۱ – تحت تأثیر بارهای غیرخطی موجود در شبکه دچار زشت‌کردن شده است. با استفاده از دامنه‌ها و فازهای اولیه هارمونیک‌های مختلف که محاسبه شده‌اند، می‌توان ویژگی‌های گذرای سیستم را بازسازی نمود. پارامترهای سیگنال‌ها از طریق روش پرونی (Prony) استخراج شده‌اند. شکل این ویژگی‌ها نقاط خاصی را برجسته می‌سازد که بر اساس آنها می‌توان به علل شکل‌گیری هارمونیک‌ها پی برد.

سیستم اندازه‌گیری

سیستم اندازه‌گیری که در اشکال ۲ و ۳ نمایش داده شده است، در این پژوهش به کار گرفته شده است. سیگنال‌های واقعی شبکه برق، یعنی شکل موج‌های ولتاژ، در ورودی واحد تنظیم سیگنال وارد می‌شوند. در این واحد، دامنه موج‌های ولتاژ به سطحی مناسب برای ورودی ترانسفورماتور AC کاهش می‌یابد. از خروجی واحد تنظیم، شکل موج‌ها به کارت اندازه‌گیری اعمال شده و در آنجا به فرمت دیجیتال تبدیل می‌گردند، سپس بر اساس الگوریتم پیشنهادی در محیط محاسباتی Matlab پردازش می‌شوند. سیگنال‌های نمونه با دقت ۱۶ بیتی و فرکانس نمونه‌برداری ۱۲.۸ کیلوهرتز ثبت شده‌اند.

آزمایشات

شکل‌های ۴ تا ۷، نتایج حاصل از تحلیل سیگنال نمونه ۱ را نشان می‌دهند. این سیگنال در شبکه فشار ضعیف ساختمان دوم دانشگاه فناوری اوپوله، واقع در خیابان ۷۶ پروشکوفسکا، در تاریخ ۲۴ ژانویه ۲۰۱۶ و ساعت ۱۱:۲۶ ثبت شده است. در شکل ۴ بخشی از موج ولتاز در حوزه زمان به تصویر کشیده شده است. شکل ۵، سطوح هارمونیک‌های مشخص‌شده، فازهای اولیه آن‌ها و نرخ اعوجاج هارمونیک کل (THD) را ترسیم می‌کند. همچنین، شکل‌های ۶ و ۷، روش پیشنهادی ارائه اعوجاج را برای ۱۰ و ۴۰ هارمونیک به ترتیب نمایش می‌دهند. اصطلاح «انحراف H1» در این دو شکل، رویداد افزایش ولتاز هارمونیک اولیه اندازه‌گیری شده را مشخص می‌کند.

با بررسی شکل ۵ در می‌یابیم که تحلیل‌گر شبکه، علاوه بر دیدن سطح هارمونیک‌های منفرد، قادر به تشخیص ماهیت اعوجاج‌های مشاهده‌شده نیست. اما روش پیشنهادی در شکل‌های ۶ و ۷ آشکار می‌سازد که اعوجاج‌های هارمونیک عمدتاً در نواحی مجاور بیشینه‌های مطلق ولتاز لحظه‌ای ظاهر می‌شوند؛ یعنی در نقاط انتهایی ویژگی‌های گذرا. این مشاهده نشان می‌دهد که در سیستم مورد بررسی، لوازم الکترونیکی ایجادکننده تداخل، جریان را به‌صورت پالسی و در نزدیکی مقادیر مطلق بیشینه موج ولتاز دریافت می‌کنند. نکته قابل توجه دیگر، تفاوت در اعوجاج برای موج ولتاز رو به افزایش و کاهش است. این تفاوت، در این مورد خاص، نشان‌دهنده ماهیت خازنی منبع تداخل می‌باشد. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که اعوجاج هارمونیک عمدتاً توسط منابع تغییرپذیر (مانند منابع تغذیه رایانه) تولید شده است.

با مقایسه شکل‌های ۶ و ۷، افزایش جزئیات نمودارها به‌چشم می‌آید که ناشی از درج تعداد بیشتری هارمونیک در بازسازی ویژگی‌های گذرا است. با این حال، به نظر می‌رسد که در این مورد، حتی با استفاده از ۱۰ هارمونیک اولیه، ویژگی‌های ایجاد شده برای تشخیص صحیح منابع تداخل در شبکه تغذیه کافی باشد.

سایر نتایج مربوط به نمونه‌های واقعی سیگنال ثبت‌شده در ساختمان‌های دیگر دانشگاه فناوری اوپوله (سیگنال‌های ۲، ۳ و ۴) در شکل‌های ۸ تا ۱۴ نشان داده شده است.

شکل ۴. بخشی از موج ولتاز سیگنال آزمایشی واقعی شماره ۱

شکل ۵. تحلیل اعوجاج هارمونیکی سیگنال شماره ۱

شکل ۶. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۱

شکل ۷. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۱

شکل ۸. تحلیل اعوجاج هارمونیکی سیگنال شماره ۲

شکل ۹. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۲

شکل ۱۰. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۲

شکل ۱۱. تحلیل اعوجاج هارمونیکی سیگنال شماره ۳

شکل ۱۲. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۳

شکل ۱۳. تحلیل اعوجاج هارمونیکی سیگنال شماره ۴

شکل ۱۴. تابع انتقال برای سیگنال آزمایشی شماره ۴

نتیجه‌گیری

روش جدید پیشنهادی برای ارائه اعوجاج هارمونیکی سیگنال‌های الکتریکی، در مقایسه با روش‌های سنتی مبتنی بر تحلیل صرف سطوح هارمونیک، امکان تحلیل دقیق‌تر پدیده‌های شبکه‌های تغذیه را فراهم می‌آورد. این روش با بازسازی ویژگی‌های گذرای سیستم چهارقطبی نماینده شبکه برق به‌همراه لوازم متصل، بر اساس دامنه‌ها و فازهای اولیه، مسیری برای تعیین علل ایجاد هارمونیک‌ها می‌گشاید. در نتیجه، تشخیص وضعیت‌هایی از شبکه که موجب خرابی یا نقص عملکرد لوازم می‌شوند، با اطمینان بیشتری صورت گرفته و تفسیر آن ساده‌تر می‌گردد.

منابع

[۱] Zygarlicki J., Mroczka J., روش تست و اصلاح تابع انتقال تقویت‌کننده‌های سیگناک با استفاده از تحلیل پرونی، Metrology and Measurement Systems (M&S)، ۱۹ (۲۰۱۲)، شماره ۳، ۴۸۹-۴۹۸

[۲] Cykin G., Wzmacniacze sygnałów elektrycznych، WKŁ، ورشو، ۱۹۶۴

[۳] Zygarlicki J., Mroczka J، روش پرونی برای تست هارمونیک‌ها و بین‌هارمونیک‌های سیگنال‌های الکتریکی قدرت، Metrology and Measurement Systems (M&S)، ۱۹ (۲۰۱۲)، شماره ۴، ۶۵۹-۶۷۲

[۴] Zygarlicki J., Mroczka J، کاربرد عملی روش کاهش‌یافته پرونی – تست مدارهای ورودی ولتازی دستگاه‌های پایش‌کیفیت انرژی الکتریکی، Przegląd Elektrotechniczny، ۵ (۲۰۱۱)، ۱۹۹-۲۰۳

[۵] Rezmer J., Lobos T، برآورد طیفی سیگنال‌های اعوجاج‌یافته با استفاده از روش پرونی، Przegląd Elektrotechniczny، ۱۰ (۲۰۰۳)، ۷۳۵-۷۳۸

[۶] Hong Li, Zhong Li, Wolfgang A. Halang, Bo Zhang, Guanrong Chen، تحلیل طیف‌های آشوب‌آلود مبدل‌های DC-DC با استفاده از روش پرونی. IEEE Trans. Circuits and Systems-II: Express Briefs، ۵۴ (۲۰۰۷)، شماره ۱، ۶۱-۶۵

نویسندگان

دکتر مهندس Małgorzata Zygarlicka، دانشگاه فناوری اوپوله، موسسه اتوماسیون و انفورماتیک، خیابان ۷۶ پروشکوفسکا، ۴۵-۷۵۸ اوپوله، ایمیل: m.zygarlicka@po.opole.pl

دکتر مهندس Jarosław Zygarlicki، دانشگاه فناوری اوپوله، موسسه مهندسی برق قدرت و انرژی تجدیدپذیر، خیابان ۷۶ پروشکوفسکا، ۴۵-۷۵۸ اوپوله، ایمیل: j.zygarlicki@po.opole.pl

شناسه ناشر و منبع مقاله: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، سال ۹۲، شماره ۱۱/۲۰۱۶. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۶.۱۱.۱۸

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده مقالات بیشتر

پرسش‌های متداول

زشت‌کردن هارمونیک چیست؟

زشت‌کردن هارمونیک به انحراف شکل موج سیگنال‌های الکتریسیته از حالت ایده‌آل اشاره دارد.

چگونه زشت‌کردن هارمونیک تأثیر می‌گذارد؟

زشت‌کردن هارمونیک بر عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی و شبکه تأثیرگذار است و ممکن است منجر به اختلالات و کاهش کارایی شود.

روش‌های بهبود کیفیت توان کدامند؟

استفاده از فیلترهای هارمونیک، بهینه‌سازی بارها و تحلیل دقیق سیگنال‌ها از جمله روش‌های بهبود کیفیت توان هستند.

منبع: powerquality.blog