شبیه سازی مقاله برق قدرت

شبیه سازی مقالات و انجام پایان نامه

شماره تماس و واتس اپ و تلگرام ۰۹۹۰۶۱۱۸۶۱۳

منابع ایجاد هارمونیک و تاثیر هارمونیک بر سیستم قدرت

۱-هارمونیک از گذشته‌ تا به امروز

هارمونیک یکی از عوامل تاثیرگذار بر کیفیت توان سیستم قدرت می باشد و باید بطور دقیق در برنامه ریزی سیستم منظور شود. در نخستین سال‌ها، الکتریسیته به شکل مستقیم (DC) مورد استفاده قرار می‌گرفت که نمونه بارز آن باتری‌های الکتروشیمیایی بودند که در تلگراف کاربرد وسیعی داشتند. در اولین نیروگاه برق که در سال ۱۸۸۲ میلادی توسط توماس ادیسون در شهر نیویورک احداث گردید، از ماشین بخار و دینام‌های جریان مستقیم برای تولید برق استفاده شد و نیروی حاصله به همان فرم DC از طریق کابل‌های زیر زمینی توزیع و مصرف گردید.

ادوارد اوئن در سال  ۱۸۹۸میلادی،‌ تاریخچه‌ای را در مورد هارمونیک ها در شبکه قدرت منتشر نمود. او از تجربه شهر هاتفورد امریکا در سال ۱۸۹۳ میلادی به عنوان اولین مشکل اعوجاجات  هارمونیکی یاد می‌کند، ‌و اینکه مهندسین قدرت با مشکل گرم شدن بیش  از حد یک موتور الکتریکی و خرابی عایق‌بندی آن مواجه شده بودند. شایان ذکر است که این موتور قبل از ارسال به هارتفورد در کارخانه ساخته شده و به خوبی کار کرده بود. تنها تفاوت بین شرایط آزمایش در کارخانه وشرایط کار واقعی در هارتفورد یک خط انتقال ۱۰ مایلی بود. به منظور پیدا کردن دلیل این مشکل، ‌تحلیل هارمونیکی بر روی شکل موج‌های جریان و ولتاژ خط انتقالی که موتور را تغذیه می‌کرد، ‌انجام گرفت. نتایج بدست آمده عامل گرم شدن موتور را تشدید ایجاد شده در خط انتقال ناشی از وجود هارمونیک‌ها تشخیص داد. شایان ذکر است که تولید کنندگان تجهیزات الکتریکی در اروپا برخلاف امریکایی‌ها به دلیل اینکه در سیستم های انتقال خود از فرکانس‌های بالا ( مانند ۱۲۵،  ۱۳۳ یا ۱۴۰ هرتز ) استفاده  نمی‌کردند، ‌تا آن زمان با تشدید خط انتقال مواجه نشده بودند. ازدیگر تجارب هارمونیک‌ها در شبکه قدرت در آن سال‌ها می‌توان به بکارگیری یک ژنراتور سه فاز ۱۲۵هرتز با ولتاژ نامی ۸/۳ کیلو ولت اشاره نمود که توسط شرکت جنرال الکتریک برای نیروگاه طراحی شده بود. قدرتی که توسط این ژنراتور تولید می‌شد از طریق یک خط انتقال به سمت دیگر شهر هارتفورد منتقل می‌گردید و در آنجا یک موتور سنکرون را تغذیه می‌کرد. موتور سنکرون نیز به نوبه خود به عنوان محرک یک ژنراتور DC بود که قطارهای شهر را تغذیه می‌کرد. مهندسین با محاسبه اندوکتانس وخازن خط انتقال و اندوکتانس بار ‌مشاهده کردند که در فرکانس حدود ۱۶۰۰ هرتز ( هارمونیک سیزدهم فرکانس اصلی ) در خط تشدید ایجاد می‌شود. شکل موج‌های ولتاژ ژنراتور نیروگاه و موتور سنکرون دارای مولفه‌های هارمونیکی قابل توجه بودند. شاید جالب‌ترین جنبه این تحقیقات این باشد که آنها چگونه توانستند با وجود وسایل و تجهیزات بسیار ابتدایی کار خود را به اتمام برسانند. آنها به تجهیزات اندازه‌گیری مدرن مانند اسیلوسکوپ یا هارمونیک‌سنج دسترسی نداشتند. درسال ۱۸۹۳ حتی امکان دسترسی به یک ولتمتر خوب نیز وجود نداشت. اسیلوگراف‌ها هم هنوز اختراع نشده بودند و تنها وسیله‌ای که امکان استفاده از آن وجود داشت موج‌نما نام داشت که شکل موج را به صورت نقطه به نقطه از طریق قطع و وصل مرتب یک زبانه نمونه‌گیری می‌کرد. آنان موفق شدند که شکل موج‌ها را ثبت کرده وتحلیل فوریه را بر روی این شکل موج‌ها انجام دهند. طبق گزارشات موجود محاسبه هر یک از ضرایب فوریه یک ساعت طول می‌کشید. شایان ذکر است که کموتاتور موج نما با فرکانس ۴۵۰۰ هرتز اطلاعات را ثبت می‌کرد که برای فرکانس پایه ۱۲۵ هرتز ، ۳۶ نمونه در هر سیکل بدست خواهد آمد. امروزه با استفاده از هارمونیک سنج‌های دیجیتال و با به کارگیری الگوریتم‌های سریع تبدیل فوریه گسسته  می‌توان به راحتی اعوجاجات هارمونیکی را اندازه‌گیری کرد

اولین پیامد وجود عناصر غیر خطی در شبکه، بروز هارمونیک‌ها در سیستم قدرت می‌باشد، که با توجه به گسترش فزاینده استفاده از این عناصر در سیستم‌های قدرت مانند مبدل‌های الکترونیکی قدرت و راه‌اندازها (درایورهای تنظیم سرعت و ولتاژ) مقادیر هارمونیک در شکل موج‌های جریان و ولتاژ به طور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع را به مراتب بیشتر از قبل حساس و آشکار نموده است. این امر منجر به تحقیقات و بررسی مسائلی در مورد هارمونیک‌ها گردید که نتایج آن به وجود آمدن نقطه نظرات متعددی در مورد کیفیت برق بود و به نظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیکی هنوز به عنوان مهم‌ترین مسئله کیفیت برق مطرح می‌باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم‌های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایرت دارد.

بنابراین مهندسین برق با پدیده های ناشناخته زیادی روبرو هستند که برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آن‌ها نیازمند ابزار و تجهیزات پیشرفته ای می‌باشند. گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی بسیار دشوار و پیچیده است ولی خوشبختانه همه سیستم‌های قدرت دارای مشکلات هارمونیکی نیستند و فقط درصد کمی از فیدرهای مربوط به سیستم‌های توزیع تحت تاثیر عوامل ناشی از هارمونیک‌ها قرار می‌گیرند.

مشترکین برق در صورت وجود هارمونیک‎ها مشکلات و خسارات زیادی از شرکت‎های برق را تحمل می‎کنند. مشترکین صنعتی که از محرکه‎‎های موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کوره‎‎های قوس الکتریکی، کوره‎‎های القایی، یکسو کننده‌ها، اینورترها، دستگاه‎‎های جوش و نظایر آن استفاده می‎‎کنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه‌پذیر تر از بقیه مشترکین می‎باشند.

اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید در سیستم‎های قدرت به شمار نمی‎رود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دوره‎های سیستم‌ قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه‎های قبل نشان می‎دهد که مقالات مختلفی در رابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیکی شناخته‎‎شده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم‎های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‎های قوس الکتریک به دلیل مؤلفه‎های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل‎های الکترونیک قدرت در سال‎های اخیر نبوده است.

خوشبختانه در طی این سال‌ها پژوهشگران متوجه شده‌اند که اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، به ‎‎نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشکلات ناشی از هارمونیک‎ها برای سیستم قدرت بسیار کم خواهد بود، گرچه این هارمونیک‎ها می‎توانند موجب مسائلی در سیستم‎های مخابراتی شوند. اغلب در سیستم‎های قدرت مشکلات زمانی بروز می‎کنند که خازن‎های موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید در یک فرکانس هارمونیکی گردند. در این شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول می‎گردند و امکان ایجاد این مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستم‎های صنعتی به دلیل درجه زیادی از تشدید رخ می‎دهد.

سطوح هارمونیک‌های جریان و ولتاژ در سیستم توزیع، دائم در حال افزایش هستند. یک دلیل مهم استفاده گسترده از وسایلی است که تولید هارمونیک می‌نمایند. وسایل کنترل کننده تریستوری، نمونه ایست که در سطوح قدرت صنعتی، تجاری و خانگی در حد وسیعی مورد استفاده پیدا نموده، این وسایل برای کنترل ولتاژ، سرعت تغییر فرکانس و مدل قدرت بکار برده می‌شوند و عموماً به سبب قیمت پایین‌تر، بازده بیشتر و نگهداری ساده تر جایگزین دیگر وسایل شده‌اند. دلیل دیگر افزایش هارمونیک‌ها، ازدیاد تحریک ترانسفورماتور های توزیع است که کاربرد پذیری آن‌ها عملاً بیشتر و بیشتر می‌شود.بعنوان دلیل سوم استفاده از خازن‌های شنت را می‌توان نام برد، خازن‌ها در هیچ شرایطی تولید هارمونیک نمی‌نمایند. اما نصب خازن‌های تصحیح کننده ضریب قدرت مسائل پتانسیلی را افزایش و حضور آن‌ها در مدار القائی اساساً امکان حلقه های شبکه را برای رزونانس محلی، عمومی یا بزرگ سازی هارمونیک مهیا می‌سازد و تمایل به سوی ظرفیت بیشتر و ولتاژ بالاتر سیستم‌های توزیع در سطوح هارمونیک اثر خواهد گذاشت. پوشش‌های وسیع سیستم‌ها همراه با تمایل به سوی حلقه های شبکه طویل‌تر مدار تلفن، رویارویی با مسائل تداخل القایی اضافی را میسر خواهد ساخت. آمیختن بارهای مسکونی، تجاری و صنعتی به درجه زیاد روی همان فیدرها امکان تداخل القائی اضافی را مطرح خواهد نمود. با تغذیه کانورترهای قدرت با ظرفیت بالاتر از این فیدرها در نتیجه مقدار بیشتر منابع و جریان هارمونیک از شبکه نیرو کشیده خواهد شد.

بانک‌های خازن تصحیح کننده ضریب قدرت به تعداد زیادتر یا در اندازه بزرگ‌تر منجر به ترکیبات بیشتر پارامترهای مدار برای تولید حلقه های رزونانس می‌شوند، ایستگاه های کششی قدرت (مانند مترو، تراموا) برای ترانزیت سریع از سیستم‌های توزیع تغذیه شده، به علت آمیختن با بارهای تجاری و مسکونی عموماً سطوح هارمونیک محیطی را افزایش می‌دهند.

بیشتر صنایع آلومینیوم در فرآیند تولیدات خود از سیستم‌های DC استفاده می‌نمایند. این تأسیسات هارمونیک بالا را تولید می‌کنند. خلاصه آنکه کوچک‌ترین تردیدی باقی نمی‌گذارد که هارمونیک‌ها بدون کنترل در سیستم‌های قدرت در حال افزایش و توسعه می‌باشند.

۲- مفهوم هارمونیک

به بیان ساده می‌توان هارمونیک را چنین بیان کرد:

به دلیل وجود عواملی در سیستم، شکل موج جریان و در نتیجه شکل موج ولتاژ از حالت سینوسی خود خارج شده و با ضرایبی دارای نوسان می شود. درسال‌های اولیه هارمونیک‌ها به خاطر مصرف‌کننده‌های خطی متعادل در صنایع چندان رایج نبودند. مانند: موتورهای القایی سه فاز، گرم کننده‌ها و ….. این بارهای خطی جریان سینوسی را در فرکانسی برابر با فرکانس ولتاژ می‌کشند. بنابراین با این تجهیزات اداره کل سیستم نسبتاً با سلامتی بیشتری همراه خواهد بود. ولی پیشرفت سریع در الکترونیک صنعتی در کاربری صنعتی سبب بوجود آمدن بارهای غیر خطی صنعتی شد. درساده‌ترین حالت، بارهای غیرخطی شکل موج بار غیر سینوسی از شکل موج ولتاژ سینوسی به دست خواهند آمد(شکل موج جریان غیر سینوسی). پدیدآورنده‌های اصلی بارهای غیر خطی درایوهای AC / DC ، نرم راه اندازها می‌باشند. عناصر غیرخطی جزئی از مدار الکتریکی است که در آن ولتاژ متناسب با جریان نمی‌باشد. این بارها باعث آسیب رساندن به شکل موج ولتاژ و جریان می‌شوند. در یک عنصر خطی مانند راکتور هوایی زمانی که ولتاژ مشخصی به سر آن اعمال می‌شود جریان معینی اندازه‌گیری می‌شود که عموماً لزومی ندارد که این جریان دارای همان شکل موج ولتاژ باشد. در هر حال اگر ولتاژ دو برابر شود جریان نیز دو برابر خواهد شد و شکل موج جریان همان نوع شکل موج قبلی را خواهد داشت. این موضوع در مورد عناصر غیر خطی صادق نمی‌باشد و جریان شکل‌موج متفاوتی به خود خواهد گرفت. دو مقاومت را که دارای مشخصه V-I مطابق شکل زیر در نظر می‌گیریم. یکی از مقاومت‌ها خطی است و مشخصه V-I یک خط مستقیم است و دیگری یک مقاومت غیر خطی است. اگر یک ولتاژ سینوسی به هر دو مقاومت اعمال شود متوجه خواهیم شد که جریان در مقاومت غیر خطی تغییر شکل خواهد داد. این یک پدیده اساسی در ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم قدرت می‌باشد.

​

۳- منابع تولید هارمونیک

در این بخش سعی خواهد شد ضمن شناسائی منابع تولید هارمونیک به صورت فشرده، به اثرات زیان آور آن‌ها بر روی دستگاه‌ها و روش‌های کنترل و همچنین تقلیل آنها نیز اشاره گردد. منابع تولید هارمونیک را می‌توان به سه گروه تقسیم بندی نمود.

۱-۳- منابع وابسته به عناصر نیمه هادی

با استفاده روز افزون از عناصر نیمه هادی و المان‎‎های غیرخطی نظیر دیود، تریستور و … در شبکه‎‎های قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم‎های قدرت به ‎وجود آمده است. کاربرد این عناصر را می‎توان در تجهیزات الکتریکی و سیستم‎های قدرت زیر به عنوان برخی از منابع تولید هارمونیک مشاهده کرد :

• کوره‎های قوس الکتریکی و القایی که به روش ( PBM ) کنترل می‌شوند.
• یکسو کننده‌ها و مبدل‎‎های الکترونیک قدرت
• تجهیزات کنترلی مورد استفاده در کنترل کننده‌های سرعت ماشین‎های الکتریکی
• کاربرد کنترل کننده های ولتاژ ساکن ( SVC ) به عنوان ابزار مهمی در کنترل توان راکتیو
• اتصال نیروگاه‌های خورشیدی و بادی به سیستم‌های توزیع
• سیستم‌های HVDC

سیستم‌های انتقال HVDC دارای دو ایستگاه مبدل در ابتدا و انتهای خط DC می‌باشند که یکی در حالت یکسوکنندگی و دیگری در وضعیت اینورتری کار می‌کند که این ایستگاه های مبدل حاوی پل‌های سه فاز تریستوری می‌باشند و همان‌گونه که می‌دانیم این پل‌ها یکی از مهم‌ترین تولید کنندگان هارمونیک می‌باشند. ولی به دلیل عدم وجود سیستم HVDC در شبکه سراسری برق ایران فعلاً از این نوع هارمونیک‌ها در امان هستیم.

۲-۳- منابع غیر وابسته به عناصر نیمه هادی

• بارهای غیرخطی شامل دستگاه‎‎های جوشکاری
• جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
• استفاده زیاد از یکسو کننده‌ها برای دشارژ باتری‌ها
• تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‎های سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم‎‎پیچی‎های اپراتور
• توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشین‎های سنکرون
• عدم یکنواختی در راکتانس ماشین‌های سنکرون

 ۳-۳- تولید هارمونیک به وسیله صنایع و کارخانجات در شبکه های قدرت

• صنایع شامل مجتمع‌های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیوم که از یکسو کننده های پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیاز انجام فرآیندهای شیمیایی و ذوب آلومینیوم استفاده می‌کنند. با توجه به قدرت بالا، این یکسو کننده‌ها هارمونیک قابل ملاحظه ای در شبکه قدرت به وجود می‌آورند.
• از سوی دیگر استفاده از سیستم‌های HVDC به منظور ارتباط بین دو نقطه با فواصل طولانی باعث ایجاد هارمونیک در سیستم می‌گردد.
• استفاده از سیستم‌های الکترونیک قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث می‌شود که سطوح بالایی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود.
• بارهای غیرخطی مانند کوره های قوس الکتریکی که در صنایع ذوب آهن استفاده می‌شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ می‌باشند.
• سوئیچ کردن سریع بارهای بزرگ (مانند پرس‌های اتوماتیک)
• راه اندازی موتورهای با توان بالا (خصوصاً با کارکرد پریودیک)
• بارهای نوسانی (مانند کوره های الکتریکی کنترل شده توان بالا)
• ماشین‌های گردنده:

در ماشین‌های القایی مهم‌ترین هارمونیک‌ها عمدتاً به دلیل تغییر در مقاومت مغناطیسی ایجاد شده به واسطه شیارها در روتور استاتور تولید می‌شوند. تولید هارمونیک در ماشین‌های سنکرون بستگی به عواملی چون تحریک اشباع در مدار اصلی، مسیر نشتی و فضای نامتقارن سیم پیچی مستهلک کننده دارد. کانورترهای کاربردی حذف کامل ترتیب‌های پایین‌تر هارمونیک را نشان نمی‌دهند، زیرا مدار ترانسفورماتور و نامتعادلی در آتش تریستور وجود داشته که در ملاحظات تئوریکی طرح‌های اصلاحی در نظر گرفته نمی‌شود.

۴- آثار هارمونیک

اعوجاجات هارمونیکی حاصل از بارهای غیر خطی به صورت جریان‌های هارمونیکی به بقیه شبکه تزریق می‌گردد و با توجه به امپدانس شبکه، ‌به صورت اعوجاجات ولتاژ هارمونیکی به تجهیزات مختلف اعمال می‌شود. لذا تجهیزات مورد استفاده در شبکه های قدرت به طور دائم در معرض این اعوجاجات و آلوده به هارمونیک می‌باشند. لازم است تاثیرات این اعوجاج‌ها بر تجهیزات را مورد بررسی قرار داده و عملکرد صحیح تجهیزات مورد مطالعه قرار بگیرد. بنا بر این می‌بایستی روش‌هایی را به منظور کاهش این‌گونه تاثیرات جستجو نمود. اعوجاجات هارمونیکی دارای اثرات متفاوتی بر روی تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی می‌باشند. به عنوان مثال اگر چنانچه خطوط انتقال انرژی در نزدیکی خطوط مخابراتی قرار بگیرند، وجود هارمونیک‌های جریانی می‌تواند باعث ایجاد تداخلات در سیستم مخابرات گردد که میزان این تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیک‌های جریان دارد. همچنین وجود هارمونیک‌های جریانی در سیستم قدرت سبب ایجاد تلفات اضافی در ترانسفورماتورها شده و تلفات را در خط انتقال می‌دهد و ممکن است در این حالت دستگاه‌های اندازه گیری موجود در سیستم قدرت دچار خطای اندازه گیری گردند؛ لذا اثرات هارمونیک‌های یک سیستم قدرت در دو بخش قابل بررسی است، بخش نخست تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی، بخش دوم کنترل، حفاظت و اندازه گیری.

در ادامه این بخش به چگونگی تاثیرات مخرب هارمونیک‌ها بر روی ادوات سیستم‌های قدرت خواهیم پرداخت.

در یک سیستم قدرت، به دلیل افزایش بار و تجهیزات غیرخطی، جبران اغتشاشاتی که این تجهیزات غیرخطی به وجود آورده‌اند، امری لازم و ضروری است. این بارهای غیرخطی ممکن است موجب کاهش ضریب توان و درجه بالای هارمونیک شوند. فیلترهای توان اکتیو (APF) می‌توانند مشکلات وجود هارمونیک ها را مرتفع سازند و کیفیت توان سیستم را افزایش دهند.APF  این توانایی را دارد که اندازه ولتاژ ساخته شده توسط اینورتر را با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی و یا کنترل ولتاژ لینک DC تنظیم کند و موجب کشیدن توان راکتیو پیش فاز و یا پس فاز از منبع ولتاژ شود. استفاده از APF یک روش مدرن برای از بین بردن مشکلات کیفیت توان است.APF موازی، به صورت هم زمان امکان جبران هارمونیک جریان و اصلاح ضریب توان را به وجود می‌آورد و می‌تواند روش بهتری نسبت به روش‌های سنتی (فیلترهای پسیو و خازنها) باشد. ساده‌ترین روش حذف هارمونیک‌های جریان خط و بهبود ضریب توان سیستم استفاده از فیلترهای پسیو است. با این حال عناصر پسیو بزرگ، تشدید سری و موازی و داشتن مشخصه جبران ثابت از معایب اصلی فیلترهای پسیو است.

به منظور کنترل APF از منطق فازی استفاده شده است که پیچیدگی دینامیکی زیادی دارد. در طراحی و کنترل APF ، تئوری توان لحظه‌ای معمولاً به عنوان اساس محاسبه جریان جبران‌سازی به حساب می‌آید. در این تئوری فرض می‌شود که ولتاژهای اصلی در فرآیند محاسبه ایده‌آل هستند. با این حال، در اکثر زمانها و در اکثر سیستم‌های قدرت صنعتی، ولتاژهای اصلی ممکن است نامتعادل و یا مغشوش باشند. در چنین شرایطی این تئوری ممکن است برای کاربرد معتبر نباشد.

​

انجام پروژه های درسی رشته مهندسی برق

انجام پروژه درس گرایش قدرت و دانلود پروژه آماده

انجام پایان نامه و شبیه سازی مقالات برق گرایش قدرت انجام می پذیرد.