بررسی هارمونیک در سیستم قدرت و حذف با فیلتر هارمونیک در ETAP

منتشر شده توسط: ضیا حمید^۱، محمد رفیع خان سیال^۲، عدنان یوسف^۳، محمد عثمان هاشمی
دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه سوپریور، ۱۷ کیلومتری جاده رایویند، لاهور، پاکستان
ایمیل‌ها: zia.hameed@superior.edu.pk، rafay.khan@superior.edu.pk، adnan.yousaf@superior.edu.pk

چکیده

هارمونیک‌های سیستم قدرت (Power System Harmonics) یکی از چالش‌های جدی مهندسان برق به شمار می‌آید. در این سیستم‌ها، بارهای غیرخطی (Non-linear Loads) به‌ طور همیشگی متصل هستند، در حالی که گذراها و سایر اعوجاج‌ها معمولاً موقتی‌اند. این بارهای غیرخطی به ایجاد اعوجاج در شکل موج سینوسی منجر می‌شوند. به منظور کاهش این اعوجاج‌ها، یک فیلتر اکتیو شنت (Active Shunt Filter) به‌ صورت موازی با بار به کار گرفته می‌شود تا به شکل موج سینوسی خالص دست یابیم. عملکرد فیلتر اکتیو شنت شبیه یک منبع جریان است، با این تفاوت که توالی فاز آن مخالف با جریانی است که بارهای غیرخطی تولید می‌کنند. مسئله هارمونیک یک چالش دائمی است. از آنجایی که دستگاه‌های حفاظتی رله به اندازه کافی در حل این مشکل مؤثر نیستند، ضروری است که تکنیک‌های دیگری برای کاهش اثرات آن‌ها مورد بررسی قرار گیرد. در این مقاله، اصلی‌ترین تمرکز بر شناسایی بارهای تولیدکننده هارمونیک، نحوه طراحی فیلتر برای حذف هارمونیک‌ها، تاثیر هارمونیک بر سیستم قدرت، پیشنهاد فیلترهای مؤثر برای انواع مختلف بارها و شبیه‌سازی آن‌ها در نرم‌افزار ETAP (برنامه تحلیل گذراهای الکتریکی – Electrical Transients and Analysis Program) قرار دارد.

کلیدواژه‌ها: موج AC، هارمونیک‌های زوج، فیلترها، هارمونیک‌های فرد، بارهای خطی و غیرخطی، ETAP

مقدمه‌ای بر هارمونیک‌های سیستم قدرت

قابلیت اطمینان و کیفیت توان (Power Quality) به یکی از نگرانی‌های فزاینده برای بسیاری از مدیران تأسیسات تبدیل شده است، به ویژه با افزایش حساسیت تجهیزات الکتریکی و سیستم‌های کنترل برنامه‌ریزی‌شده [۴]–[۶]. انواع مختلفی از تغییرات ولتاژ وجود دارد که ممکن است منجر به ناهنجاری شوند، از جمله نوسانات و نویزهای ناگهانی (Surges and Spikes)، افت ولتاژ (Sags)، اعوجاج هارمونیکی (Harmonic Distortion) و اختلالات موقت. هارمونیک‌ها می‌توانند به خرابی تجهیزات حساس و دیگر مشکلات، همچنین گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتورها و سیم‌کشی، قطع مکرر کلیدهای مدار و کاهش ضریب توان (Power Factor) منجر شوند [۲]، [۱۱].

توزیع ولتاژهای الکتریکی در سیستم قدرت یک بخش بسیار مهم به حساب می‌آید. این وظیفه به دلیل جریان‌های هارمونیکی که تولید می‌شوند، به چالشی دشوار تبدیل می‌شود [۹]. این جریان‌ها اثرات مخربی بر سیستم دارند و استمرار آن را مختل می‌کنند. بنابراین، هنگامی که هارمونیک تولید می‌شود، ضروری است تا برای بهبود عملکرد سیستم، این اثرات کاهش یابند. دو مفهوم کلیدی برای درک تأثیر هارمونیک بر سیستم قدرت وجود دارد [۲]، [۱۰]. اول اینکه هارمونیک‌ها به واسطه بارهای غیرخطی تولید می‌شوند و دوم اینکه چگونه جریان هارمونیک، جریان و ولتاژ هارمونیکی تولید می‌کند [۶].

تاریخچه هارمونیک‌ها

در سال ۱۸۸۸، تسلا مفهوم سیستم‌های چندفاز (Poly-phase Systems) را معرفی کرد. سپس، در سال ۱۸۹۰، اولین خط انتقال برق به طول ۱۳ مایل با فرکانس ۱۳۲ هرتز در پورتلند، اورگن به بهره‌برداری رسید [۱]، [۲]. در همان سال، بدل (Bedell) به مطالعه اثرات شکل‌های موج جریان متناوب و زمینه‌های جریان متناوب در سیستم‌های قدرت پرداخت [۲]، [۳]. در سال ۱۸۹۳، در هارتفورد، مهندسانی که با مشکل گرمایش یک موتور مواجه بودند، تحلیل هارمونیک (Harmonics Analysis) را به‌ عنوان روشی برای شناسایی علل گرمایش موتور اتخاذ کردند و کوشیدند تا این مشکل را حل کنند [۳]، [۴]. اشتاینمتز (Steinmetz) برای جلوگیری از تشدید خطوط انتقال، استفاده از فرکانس‌های بالا در سیستم‌های قدرت را رد کرد [۶]. او مشاهده کرد که شکل موج ولتاژ با فرکانس ۱۳۳ هرتز یا ۱۲۵ هرتز غنی از هارمونیک بود. اشتاینمتز دو راهکار برای حذف هارمونیک‌های بالاتر پیشنهاد داد: اولی کاهش فرکانس سیستم از ۱۳۳ هرتز یا ۱۲۵ هرتز به نصف، یعنی ۶۶٫۵ هرتز یا ۶۲٫۵ هرتز و دومی تعویض ورقه‌های آهنی در موتور به گونه‌ای بود که بتوانند ولتاژ بالاتر در سرویس را تحمل کنند [۱]، [۲]. در سال ۱۸۹۵، شرکت‌های معروف تولید ژنراتور مانند وستینگهاوس (Westinghouse) و جنرال الکتریک (GE) ژنراتورهایی با سیم‌پیچی آرمیچر توزیع‌شده‌ای ارائه کردند تا شکل موج بیشتری به حالت سینوسی نزدیک شود. همچنین مشخص شد که هنگامی که دو ژنراتور به‌ صورت موازی و با اتصال زمین محکم کار می‌کنند، جریان خنثی زیادی ایجاد می‌شود که منجر به تولید هارمونیک می‌گردد. هارمونیک سوم زمانی که نقطه خنثی یک ماشین به زمین متصل بود، با تغییر ضریب گام سیم‌پیچی آرمیچر کاهش یافت [۳]، [۵]. در سال ۱۹۱۰، ضریب تداخل تلفنی (Telephone Interference Factor) اهمیت ویژه‌ای پیدا کرد و حتی در دهه ۱۹۸۰ در استانداردها لحاظ شد، به خاطر استفاده گسترده از یکسوکننده قوس جیوه‌ای (Mercury Arc Rectifier) که منبعی بزرگ از این اعوجاج محسوب می‌شد. در دهه ۱۹۶۰، جهت بهبود ضریب توان و کاهش هارمونیک‌های سیستم قدرت، تعداد زیادی خازن شنت و بانک‌های فیلتر در سیستم‌های قدرت صنعتی نصب شدند. در سال ۱۸۱۲، ژان فوریه (Jean Fourier) روشی ریاضی برای تحلیل توابع پیچیده توسعه داد [۱]، [۲]. این روش توابع پیچیده را به توابع سینوسی و کسینوسی تبدیل می‌کند. تامسون و تایت (Thomson and Tait) این تکنیک را تحلیل هارمونیک نامیدند [۱]–[۳]. برنولی (Bernoulli)، اویلر (Euler) و ماکسول (Maxwell) نیز در قرن ۱۸ از این تکنیک بهره بردند. در سال ۱۹۶۶، جی.دبلیو کولی (J.W. Coley) و جی.دبلیو توکی (J.W. Tuky) تبدیل فوریه سریع (Fast Fourier Transform – FFT) را به‌عنوان روشی برای تسریع در پردازش داده‌های کلیدی پیشنهاد دادند. استاندارد IEEE ۵۱۹ حالا به‌عنوان یک استاندارد اصلی در ارزیابی مسائل هارمونیک مورد استفاده اکثر مهندسان قرار دارد [۳]، [۶].

مفاهیم هارمونیک (Harmonic Concepts)

هارمونیک‌ها به‌دلیل اعوجاج در شکل موج ولتاژ و جریان به وجود می‌آیند. هارمونیک به بخشی از شکل موج اطلاق می‌گردد که مضرب صحیحی از فرکانس اصلی (Fundamental Frequency) است. اگر بار توان نرمال را با فرکانس‌های هارمونیکی به منبع برگرداند، می‌توان آن را یک منبع هارمونیک (Harmonic Source) نامید. به‌عنوان مثال، در سیستم‌های قدرت با فرکانس اصلی ۵۰ هرتز (مانند ایران)، هارمونیک سوم ۱۵۰ هرتز، هارمونیک پنجم ۲۵۰ هرتز و غیره خواهد بود.

شکل ۱: هارمونیک‌های فرد (Odd Harmonics) – هارمونیک‌های فرد مانند سوم، پنجم، هفتم و … رایج‌ترین نوع هارمونیک در سیستم‌های قدرت به شمار می‌روند.

بارهای خطی و غیرخطی (Linear and Non-linear Loads)

در یک سیستم قدرت، اگر بار خطی (Linear Load) باشد، شکل موج جریان مشابه ولتاژ خواهد بود، زیرا جریان به‌طور مستقیم با ولتاژ متناسب است. از جمله نمونه‌های بارهای خطی می‌توان به بخاری‌های برقی و موتورهای الکتریکی (زمانی که با ولتاژ سینوسی تغذیه می‌شوند) اشاره کرد.

شکل ۲: شکل موج بار خطی – جریان و ولتاژ هم‌فاز و سینوسی

ولی برای بارهای غیرخطی (Non-linear Loads)، شکل موج جریان و ولتاژ به‌طور واضحی متفاوت است. بارهای غیرخطی مانند یوپی‌اس (UPS – Uninterruptible Power Supply) و درایوهای موتور DC (DC Motor Drives) جریان غیرسینوسی را مصرف می‌کنند.

شکل ۳: شکل موج بار غیرخطی – اعوجاج در جریان

اگرچه این شکل موج تناوبی نیست، اما در هر چرخه ثابت می‌ماند. امواج تناوبی به‌وسیله مجموعی از امواج سینوسی تولید شده‌اند.

هارمونیک‌های ولتاژ و جریان (Voltage and Current Harmonics)

این بخش در ادامه مقاله ارائه خواهد شد.

VI. مقایسه بین گذراها و هارمونیک‌ها

گذراها (Transients) و هارمونیک‌ها (Harmonics) اغلب باعث سردرگمی می‌شوند و در بسیاری از موارد، یکی به جای دیگری برای یک اغتشاش کیفیت خاص در سیستم قدرت مقصر شناخته می‌شود. تفاوت‌های اصلی بین هارمونیک‌ها و گذراها در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول ۱: مقایسه بین گذراها و هارمونیک‌ها

VII. هارمونیک‌های زوج و فرد

هارمونیک‌ها اساساً مضارب صحیح فرکانس اصلی (Fundamental Frequency) هستند. هارمونیک‌های زوج (Even Harmonics) مضارب زوج و هارمونیک‌های فرد (Odd Harmonics) مضارب فرد فرکانس اصلی می‌باشند.

هارمونیک‌های زوج: ۲f, ۴f, ۶f, …, ۲nf

هارمونیک‌های فرد: ۳f, ۵f, ۷f, …, (۲n+۱)f

در اینجا n یک عدد طبیعی است.

امواج متقارن (Symmetric Waves) فقط شامل هارمونیک‌های فرد هستند، اما امواج نامتقارن (Asymmetric Waves) هر دو نوع هارمونیک زوج و فرد را تولید می‌کنند.

در هارمونیک‌های فرد، بخش‌های مثبت و منفی موج یکسان هستند، اما در امواج نامتقارن، بخش‌های مثبت و منفی متفاوت می‌باشند. موج نامتقارن نتیجه عملکرد یکسوساز نیم‌موج (Half Wave Rectifier) است.

طرح‌های کنترلی معمولاً فقط هارمونیک‌های فرد تولید می‌کنند. این به دلیل شکل موج‌های متقارن است. به همین دلیل، در بخش‌های بعدی فقط هارمونیک‌های فرد مورد بحث قرار خواهند گرفت.

VIII. توالی فاز هارمونیک‌ها

برای توصیف یک سیستم فیزیکی سه فاز، مهندسان برق از تکنیکی مبتنی بر قضیه فورتسکیو (Fortescue’s Theorem) استفاده می‌کنند. این قضیه بیان می‌کند:

«یک مجموعه نامتعادل از n فازور می‌تواند به (n-۱) سیستم پایدار n فازی با توالی فاز متفاوت و یک سیستم با توالی صفر تجزیه شود.»

توالی فاز (Phase Sequence) فازورها، ترتیبی است که در آن از یک ماکزیمم مثبت عبور می‌کنند. یک سیستم سه فاز فیزیکی با فازهای A-B-C می‌تواند به سه مجموعه مؤلفه زیر از فازورهای متعادل تجزیه شود:

• توالی مثبت (Positive-Sequence): شامل سه سیگنال سینوسی است که با اختلاف زاویه ۱۲۰ درجه از یکدیگر قرار دارند.
• توالی منفی (Negative-Sequence): شامل سه سیگنال سینوسی است که با اختلاف زاویه ۱۲۰ درجه از یکدیگر قرار دارند اما جهت چرخش آنها مخالف توالی مثبت است.
• توالی صفر (Zero-Sequence): شامل سه سیگنال سینوسی است که هم‌فاز با یکدیگر هستند.

بنابراین برای هارمونیک دوم، n=۲ داریم:

۲×(۰°, -۱۲۰°, ۱۲۰°) یا ۲×(۰°, ۱۲۰°, -۱۲۰°)

این نشان‌دهنده توالی منفی است.

برای هارمونیک سوم، n=۳ داریم:

۳×(۰°, -۱۲۰°, ۱۲۰°) یا (۰°, ۰°, ۰°)

که توالی صفر است. در ادامه جزئیات مربوط به هارمونیک‌های فرد آمده است:

• n = ۱, ۷, ۱۳, … → توالی مثبت (+ve Sequence)
• n = ۵, ۱۱, ۱۷, … → توالی منفی (-ve Sequence)
• n = ۳, ۹, ۱۵, … → توالی صفر (Zero Sequence)

هارمونیک‌های مرتبه n=۳, ۹, ۱۵, … هارمونیک‌های تریپلن (Triplens) نیز نامیده می‌شوند. این هارمونیک‌ها به دلیل ماهیت بحرانی و اثرات قابل توجه بر رفتار سیستم قدرت، نیازمند توجه ویژه هستند. آنها در بحث سیستم‌های ستاره‌ای با نول ارت (Grounded-Star System) که شامل جریان نول هستند، اهمیت زیادی دارند. دو مشکل اصلی مرتبط با تریپلن‌ها عبارتند از:

• اضافه بار نول (Overloading of the Neutral)
• تداخل مخابراتی (Telephone Interference)

به دلیل هارمونیک‌های تریپلن، جریان بیش از حدی از هادی نول عبور می‌کند که منجر به اضافه بار نول می‌شود. در میان هارمونیک‌های تریپلن، هارمونیک سوم بیش از همه مورد توجه مهندسان برق قرار گرفته است.

IX. پارامترهای اندازه‌گیری هارمونیک‌ها

نتایج هارمونیک‌ها با روش‌های زیر اندازه‌گیری می‌شوند:

الف) اعوجاج هارمونیکی کل (Total Harmonic Distortion – THD)

اعوجاج هارمونیکی کل (THD) با ضریب اعوجاج هارمونیکی (Harmonic Distortion Factor) شناسایی می‌شود که رایج‌ترین تکنیک برای محاسبه اعوجاج هارمونیکی جریان و ولتاژ است. برای یک سیستم ایده‌آل، THD برابر با صفر است. THD با فرمول زیر تعیین می‌شود:

THD = (√(ΣV_n²)) / V₁

در این رابطه، V_n ولتاژ مؤثر (RMS) در هارمونیک مرتبه n، N حداکثر مرتبه هارمونیک و V₁ ولتاژ مؤثر خط به خنثی فرکانس اصلی است.

ب) اعوجاج تقاضای کل (Total Demand Distortion – TDD)

THD می‌تواند برای مطالعه سطوح اعوجاج جریان نیز به کار رود، اما در مورد جریان بار اصلی کم، می‌تواند فریب‌دهنده باشد. یک جریان کوچک ممکن است THD بالایی داشته باشد که برای سیستم خطرناک است. به عنوان مثال، درایوهای سرعت متغیر (Speed Drives) مقادیر THD بالایی را در بارهای بسیار سبک برای هر مقدار جریان ورودی نشان می‌دهند. مقدار جریان هارمونیکی در این حالت کم است. این مقدار THD بالا برای جریان ورودی نگران‌کننده نیست، حتی اگر اعوجاج نسبی آن نسبت به فرکانس اصلی زیاد باشد.

TDD به صورت تحلیلی با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

TDD = (√(ΣI_n²)) / I_R

در این رابطه، I_R جریان بار پیک تقاضا (Peak Hours Demand Load Current) در مؤلفه فرکانس اصلی است که در نقطه اتصال مشترک (Point of Common Coupling – PCC) تعیین می‌شود. دو روش برای محاسبه I_R وجود دارد. برای باری که از قبل در سیستم وجود دارد، می‌توان آن را به سادگی با میانگین‌گیری از حداکثر جریان تقاضا برای ۱۲ ماه قبل تعیین کرد.

X. منابع تولید هارمونیک‌ها

اعوجاج هارمونیکی (Harmonic Distortion) به دلیل بارهای غیرخطی (Non-linear Loads) و فرآیندهای کلیدزنی (Switching Processes) تولید می‌شود. این منابع اعوجاج شکل موج را می‌توان در تأسیسات مهندسی با مقادیر هزاران کیلوولت‌آمپر یافت. منابع اصلی هارمونیک‌ها در سیستم قدرت عبارتند از:

• سیم‌پیچی‌ها در ترانسفورماتورها و ظرفیت مغناطیسی در استاتورها و روتورهای ماشین‌های الکتریکی (Electrical Machines)
• اشباع مغناطیسی (Magnetic Saturation) در هسته ترانسفورماتور
• یکسوسازها (Rectifiers) و اینورترها (Inverters) مورد استفاده در درایوهای سرعت متغیر
• کوره‌های قوس الکتریکی (Electric Arc Furnaces)
• منابع تغذیه سوئیچینگ (Switched-Mode Power Supplies – SMPS) مورد استفاده در کامپیوترها و تجهیزات الکترونیکی
• سیستم‌های جوشکاری (Welding Systems)
• چوک‌های مغناطیسی (Magnetic Chokes) و بالاست‌های (Ballasts) لامپ‌های تخلیه گاز
• تجهیزات تحت ولتاژ بالا DC (HVDC) و سیستم‌های انتقال انعطاف‌پذیر AC (FACTS)

ادامه دارد…

علل تولید هارمونیک‌ها

• به دلیل استفاده از یکسوسازها و اینورترها
• به علت بارهای غیرخطی

A. ماشین‌آلات چرخشی

ماشین‌های چرخشی، به واسطه ناهنجاری‌هایی که در شیارهای استاتور و روتور وجود دارد یا به دلیل الگوی پیچیدن، به عنوان منبع ایجاد اعوجاج هارمونیکی شناخته می‌شوند. این هارمونیک‌ها منجر به تولید emf می‌گردند، اما میزان تولید این هارمونیک‌ها به خصوص در درایوهای با سرعت متغیر، بسیار کمتر است.

B. ترانسفورماتور

وقتی که ترانسفورماتور در نزدیکی ناحیه اشباع قرار می‌گیرد، فلوکس مغناطیسی بیشتری از حد معمول از میان هسته عبور می‌کند. این افزایش فلوکس مغناطیسی، به طور خطی چگالی فلوکس را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اشباع هسته ترانسفورماتور معمولاً در شرایط زیر اتفاق می‌افتد:

• زمانی که از توان نامی فراتر رود
• زمانی که ولتاژ نامی بیشتر شود

در حین کار در توان نامی، هارمونیک‌ها به علت ولتاژهای پیک ساعتی ایجاد می‌شوند. عملکرد ترانسفورماتور در ناحیه اشباع باعث بروز جریان مغناطیسی غیرخطی می‌شود که هارمونیک‌های فرد را تولید کرده و همراه با خسارات هیستریسی، اعوجاج ایجاد می‌کند. این اعوجاج عمدتاً به دلیل هارمونیک‌های سوم است. برای محدود کردن جریان هارمونیک سوم در ترانسفورماتور، اتصال دلتا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش به حفظ ولتاژ تأمین با شکل موج سینوسی معقول کمک می‌کند.

C. مبدل‌های الکترونیکی قدرت

مبدل‌های الکترونیکی در مصارف خانگی و صنعتی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از متداول‌ترین مبدل‌ها، یکسوساز تک‌فاز است که در این موارد به کار می‌رود. با این حال، مبدل‌های سه‌فاز به دلیل تولید هارمونیک‌های مرتبه سوم که می‌توانند برای سیستم قدرت خطرناک‌تر باشند، بیشتر مورد توجه قرار دارند.

D. دستگاه‌های قوس‌دار

در این گروه، منابع اصلی تولید هارمونیک شامل قوس بایدها، کوره‌های الکتریکی و انواع روشنایی تخلیه مانند کوره قوسی، بخار سدیم و روشنایی فلوروسنت (با بالاست‌های مغناطیسی و نه الکترونیکی) هستند. به دلیل فعالیت کوره‌های قوسی در صنعت، هارمونیک‌ها تولید می‌شوند و به همین دلیل، افزایش قوس منجر به کاهش ولتاژ در سیستم قدرت می‌گردد.

E. منابع آینده هارمونیک‌ها

چالش طراحان سیستم‌های الکتریکی، ایجاد ابزارهایی است که بتوانند در سطوح هارمونیکی به درستی عمل کنند، به‌ویژه در مصارف خانگی و صنعتی. با توجه به رونق روزافزون استفاده از دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی حساس، تولید هارمونیک‌ها خطراتی را به همراه خواهد داشت. بخصوص به خاطر استفاده زیاد از ابزارهای سوئیچ، هارمونیک‌هایی تولید می‌شود که در آینده نزدیک ممکن است مشکلات جدی به وجود آورند. همچنین، تولیدکننده‌های توزیع‌شده به ویژه در ساعات اوج بار، منبعی برای تولید هارمونیک‌ها محسوب می‌شوند.

عواقب هارمونیک‌ها

هارمونیک‌ها می‌توانند برای سیستم‌های قدرت و تجهیزات متصل به آن تبعات شدید و خطرناکی به همراه داشته باشند. اثرات اصلی هارمونیک‌های ولتاژ و جریان در سیستم قدرت شامل موارد زیر است:

• امکان تقویت سطوح هارمونیک ناشی از رزونانس‌های سری و موازی
• تخریب ضریب قدرت
• گرم شدن بیش از حد هادی‌های فاز و نول
• کاهش بهره‌وری ژنراتورها در پی وجود هارمونیک‌ها
• از دست دادن جریان گردابی و هیستریسی در ترانسفورماتورها
• گرم شدن بیش از حد اجزای سیستم مانند ژنراتورها، موتور‌ها و ترانسفورماتورها
• جریان اضافی از طریق خازن‌های قدرت
• کاهش عمر مفید لامپ‌های رشته‌ای
• افزایش اثرات پوستی و نزدیک
• مشکلات در تداخل با ارتباطات تلفنی
• تأثیر منفی بر سیستم حفاظت رله

به دلیل آثار مخرب هارمونیک‌ها بر سیستم قدرت، امروزه نیاز به طراحی فیلترهای مناسب، چه به صورت فعال و چه به صورت غیرفعال، برای کاهش این هارمونیک‌ها ضرورت دارد.

طراحی فیلترها

شبکه توزیع به نزدیک‌ترین نقطه مصرف‌کننده متصل است و بارهای غیرخطی در انتهای این شبکه قرار دارند، به همین دلیل هارمونیک‌ها عمدتاً در انتها تولید می‌شوند. برای حذف هارمونیک‌ها از فیلترهای شنت فعال در سمت توزیع بهره‌برداری می‌شود. بارهای غیرخطی جریان راکتیو تولید می‌کنند که به نوبه خود هارمونیک‌ها را به وجود می‌آورد. برای حذف این جریان راکتیو، روش کنترل نوار هیستریسی برای تولید سیگنال تحریک به اینورتر به کار می‌رود و به این ترتیب جریان مرجع برای تنظیم آن تولید می‌شود. به لطف بارهای غیرخطی، اعوجاج‌هایی در شکل موج سینوسی تولید می‌شود که برای افت این اعوجاج‌ها، فیلتر شنت فعال به صورت موازی با بار استفاده می‌شود. این عملیات در نتیجه منجر به ایجاد یک فرم موج سینوسی خالص می‌گردد. فیلتر شنت فعال به عنوان یک منبع جریان عمل کرده و نسبت به جریانی که توسط بارهای غیرخطی تولید می‌شود، در فاز معکوس قرار دارد. همچنین، فیلترهایی که به عنوان منبع ولتاژ برای حذف هارمونیک‌ها به کار می‌روند، وجود دارند. وقتی که هارمونیک‌ها از سیستم الکتریکی حذف شوند، کارایی و عمر تجهیزات به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت. محاسبه‌گر جریان هارمونیک قادر است جریان بار را تشخیص داده و آن را با مقدار واحد موج سینوسی و کسینوسی ضرب کند، به این ترتیب ما به سادگی می‌توانیم هارمونیک‌ها را در سیستم‌های قدرت الکتریکی شناسایی کنیم. بنابراین، مدارهای کنترل مبتنی بر هیستریسی در فیلترها برای حذف هارمونیک‌ها به کار گرفته می‌شود. سه نوع شبیه‌سازی برای فیلتر کردن هارمونیک‌ها وجود دارد: ۱- شبیه‌سازی فیلتر شنت فعال، ۲- شبیه‌سازی محاسبه‌گر جریان هارمونیک، ۳- شبیه‌سازی اینورتر منبع ولتاژ. در این مقاله، از شبیه‌سازی فیلترهای شنت فعال با استفاده از نرم‌افزار ETAP (برنامه تحلیل گذرای الکتریکی) بهره‌برداری می‌شود. فیلترها به گونه‌ای تنظیم می‌شوند که در فرکانسی که برایشان تعیین شده رزونانس ایجاد کنند و محتوای هارمونیک را تصفیه نمایند.

ETAP به عنوان یک ابزار عالی برای تحلیل هارمونیک‌ها

بررسی هارمونیک با استفاده از ETAP

نرم‌افزار ETAP (Electrical Transient and Analysis Program) ابزاری بی‌نظیر برای تجزیه و تحلیل هارمونیک‌ها در سیستم‌های قدرت به شمار می‌رود. با استفاده از ETAP، ما توانایی بررسی تحلیلی مدارها و همچنین مطالعه طیف هارمونیک را داریم. یکی از مراحل کلیدی در این تحلیل، انجام تحلیل بار (Load Flow) است که به ما کمک می‌کند رفتار هارمونیک‌ها را در فرکانس‌های پایه بهتر درک کنیم. از طریق این فرایند، امکان بررسی ضریب توان در ایستگاه‌های مختلف سیستم قدرت الکتریکی فراهم می‌شود و پس از آن، تحلیل هارمونیک و ترتیب طیف هارمونیک‌ها در دستور کار قرار می‌گیرد. این تحلیل باعث تولید فرکانس‌های با مرتبه پایین می‌شود.

در ادامه، به بررسی جنبه‌های مختلف “درایوهای فرکانس متغیر” (Variable Frequency Drives) با استفاده از ETAP می‌پردازیم و نحوه تأثیرگذاری این ابزار را بر عملکرد سیستم‌ها مشاهده خواهیم کرد.

شکل ۶: تحلیل هارمونیک ۶ پالس با VFD

شکل ۷: THD با VFD و بارهای مختلف.

شکل ۸: حذف هارمونیک‌های غیرخطی با استفاده از فیلترها.

جمع‌بندی

تحریف هارمونیک‌ها یکی از چالش‌های اساسی در حفظ کیفیت توان به شمار می‌رود. تحلیل‌های انجام‌شده نشان می‌دهند که استفاده از فیلترهای شنت فعال می‌تواند به طور مؤثری هارمونیک‌ها را حذف کند. این تحریف‌ها نه‌تنها بر کیفیت توان تأثیر می‌گذارند، بلکه می‌توانند عمر مفید تجهیزات قدرت را نیز کاهش دهند. این موضوع به اجزای اصلی سیستم قدرت شامل ترانسفورماتورها، موتورها و کوره‌های الکتریکی مرتبط است. به دلیل اتصال مداوم این اجزا به سیستم قدرت، هارمونیک‌ها به طور دائمی در سیگنال‌های پایه وجود دارند. بنابراین، کاهش این تحریف‌ها امری حیاتی است. تحلیل هارمونیک به‌طور چشمگیری برای بررسی آثار و خساراتی که باید متحمل شویم، از اهمیت بالایی برخوردار است. از این رو، ETAP به‌عنوان یک نرم‌افزار کلیدی برای شبیه‌سازی و بررسی خسارات سیستم‌ها و اثرات آن‌ها پیش از نصب به شمار می‌آید. نتیجه‌گیری ما این است که می‌توانیم تحلیل هارمونیک‌ها را با استفاده از ETAP انجام دهیم و با بهره‌گیری از فیلترهای شنت فعال، آن‌ها را به صورتی مؤثر حذف کنیم.

مراجع

1. Edward L. Owen, “A History of Harmonics in Power Systems”, IEEE Industry Application Magazine, Jan/Feb 1998, pp 6-12
2. P. Berdell,” History of AC wave form, Its determination and standardization”, AIEE, Trans, vol.61, 1942, pp.864-68
3. S.P. Thompson, “A new Method of Harmonic Analysis by selected ordinate”, Proc. Of the physical society
4. T. R. Bosela, Introduction to Electrical Power System Technology, New Jersey, Prentice Hall, 1997, pp. 458 462.
5. Angelo Baggini, Zbigniew Hanzelka, Handbook of Power Quality, John Wiley and Sons Ltd. England 2008, pp. 187 236.
6. Francisco C. De La Rosa, Harmonics and Power Systems, Distribution Control Systems, Inc. Hazelwood, Missouri, U.S.A. 2006, pp. 1-56.
7. Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty, Electrical Power Systems Quality, Second Edition, pp. 167 223.
8. R. Rexte, “Power Electronic Polluting Effects”, IEEE Spectrum, May 1997, pp. 33 39.
9. M. Izhar, C. M. Hadzer, S. Masri, S. Idris, “A Study of the Fundamental Principles to Power System Harmonic”, National Power and Energy Conference (PECon) Proceedings, Bangi, Malaysia, 2003.
10. C. Sankaran, Power Quality, CRC Press LLC.
11. John J. Grainger, William D. Stevenson, Power System Analysis, McGraw-Hill Companies, Inc. New York, c1994. pp. 417 418.
12. S. P. Ghosh, A. K. Chakraborty, Network Analysis and Synthesis, McGraw-Hill Education, c2010, pp. 933.
13. S. L. Clark, P. Famouri, W. L. Cooley, “Elimination of Supply Harmonics”, IEEE Ind. Appl. Magazine, March 1997.
14. E. B. Makram, R. B. Haines, A. A. Girgis, “Effect of Harmonic Distortion in Reactive Power Measurement”, IEEE Trans. Ind. App., vol. 28, no. 4, July 1992.
15. Control of Harmonics in Electrical Power Systems, American Bureau of Shipping, May 2006, pp. 29 48.
16. L. Cividino, “Power Factor, Harmonic Distortion; Causes, Effects and Considerations”, IEEE Telecommunications Energy Conference INTELEC 92, 14th International, Oct. 1992, pp. 506 513.
17. Jos Arrillaga, Bruce C. Smith, Neville R. Watson, Alan R. Wood, Power System Harmonic Analysis, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand, pp. 7 25.
18. W. M. Grady, R. J. Gilleskie, “Harmonics and how they relate to Power Factor”, IEEE San Diego, Nov. 1993, pp. 1 8.
19. IEEE Harmonics Modeling and Simulation Taskforce, “Modeling and simulation of the propagation of harmonics in electric power networks part I”, IEEE Trans on power delivery, vol.11, no. 1, Jan 1996, pp.466-474.
20. A. Median, “Harmonic simulation techniques (Methods and Algorithms)” IEEE Power Engineering Society General Meeting, Vol.1, June 2004, pp.762-765
21. Pravin Chopade and Dr. Marwan Bikdash, “Minimizing Cost and Power loss by optimal placement of capacitor using ETAP”, IEEE 2011 pp.24-3

نویسنده: زیا حامد در سال ۱۹۹۱ در بهاولپور، پاکستان متولد شد. او هم‌اکنون در حال تحصیل در مقطع کارشناسی مهندسی قدرت الکتریکی در دانشگاه اسلامی بهاولپور (۲۰۱۰-۱۴) است. او به‌ویژه در پژوهش‌های مربوط به منابع و اثرات هارمونیک‌ها مشارکت داشته و نقش مهمی در مطالعه فیلترها ایفا کرده است. زیا همچنین دوره‌های متعدد الکتریکی را از بهترین دانشگاه‌های دنیا مانند MIT، دانشگاه دلفت و دانشگاه تورنتو گذرانده است. در حال حاضر، او به عنوان مهندس آزمایشگاه در دپارتمان مهندسی برق دانشگاه سوپریور در لاهور مشغول به کار است.

تماس: +92-343-7177273

ایمیل: zia.hameed@superior.edu.pk

منبع و شناسه انتشارات: مقاله کنفرانس · فوریه ۲۰۱۶. لینک

منتشر شده توسط: PQBlog

مهندس الکتریک:

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

هارمونیک در سیستم قدرت چیست؟

هارمونیک به مولفه‌های فرکانسی گفته می‌شود که مضرب صحیحی از فرکانس اصلی سیستم (مثلاً ۵۰ یا ۶۰ هرتز) هستند و باعث اعوجاج شکل موج ولتاژ یا جریان می‌شوند.

چه بارهایی باعث تولید هارمونیک می‌شوند؟

بارهای غیرخطی مانند یکسوکننده‌ها، درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، یوپی‌اس، منابع تغذیه سوئیچینگ و لامپ‌های LED جریان غیرسینوسی می‌کشند و هارمونیک تولید می‌کنند.

فیلتر هارمونیک چگونه به حذف هارمونیک کمک می‌کند؟

فیلترهای هارمونیک (اعم از پسیو یا اکتیو) با ارائه مسیر امپدانس پایین در فرکانس‌های هارمونیکی، جریان هارمونیک را جذب کرده و از ورود آن به شبکه جلوگیری می‌کنند. فیلتر اکتیو شنت یک جریان مخالف با هارمونیک تزریق می‌کند و در نتیجه شکل موج سینوسی خالص‌تری ایجاد می‌شود.

نرم‌افزار ETAP چه کاربردی در تحلیل هارمونیک دارد؟

ETAP (Electrical Transients and Analysis Program) یک نرم‌افزار جامع برای شبیه‌سازی سیستم قدرت است. با استفاده از آن می‌توان هارمونیک‌های تولیدشده توسط بارهای غیرخطی را تحلیل کرد، فیلترهای هارمونیک طراحی و نصب کرد و اثر آن‌ها بر کیفیت توان را ارزیابی نمود.

استاندارد IEEE ۵۱۹ چه نقشی در کنترل هارمونیک دارد؟

استاندارد IEEE ۵۱۹ حدود مجاز اعوجاج هارمونیکی ولتاژ و جریان را در نقاط اتصال مشترک (PCC) تعیین می‌کند. این استاندارد به مهندسان کمک می‌کند تا میزان هارمونیک مجاز را مشخص و فیلترهای مناسب را طراحی کنند.

منبع: powerquality.blog