۱-۱- مقدمه
در دنياي امروز با پیشرفت تکنولوژی، كاربرد تجهيزات برقي و استفاده روز افزون از آنها آنچنان رواج يافته كه استفاده نكردن از آن امكان پذير نيست. استفاده از تجهیزات برقی با تکنولوژی بالا مانند کامپیوترها و کنترل کننده‌های برنامه‌پذیر منطقی (PLC) که علاوه بر وابستگی به انرژی الکتریکی به کیفیت آن نیز وابسته می‌باشند. امروزه دیگر تنها استفاده از انرژی الکتریکی مورد پذیرش نبوده، بلکه کیفیت و خصوصیات برق تحویلی به مصرف کنندگان نیز مهم می‌باشد. از سوی دیگر گسترش روز افزون استفاده از تجهیزاتی مانند کنترل کننده‌های سرعت، محرکه‌های تغییر دهنده فرکانس و خازن‌هایی که برای اصلاح توان راکتیو به کار می‌روند، همگی موجب کاهش کیفیت برق و ایجاد مشکلات متعددی برای تجهیزات الکترونیکی شده‌اند. لذا با در نظر گرفتن افزایش حساسیت تجهیزات و استفاده روز افزون از تجهیزاتی که موجب کاهش کیفیت می‌شوند، مبحث کیفیت برق نسبت به گذشته از اهمیت بیشتری برخوردار می‌باشد و سیستم قدرت مطلوبی را طلب می‌کند.
بنا به تعریف شبکه قدرت ایده‌آل، شبکه ای است که در آن انرژی الکتریکی به صورت ولتاژ و جریان سینوسی در فرکانس ثابت و سطح ولتاژ مشخصی از سوی نیروگاه ها به مراکز مصرف منتقل گردد.
از اين رو، كاركرد صحيح و مطلوب این گونه تجهيزات، مورد نظر افراد می‌باشد و كيفيت توان به عنوان يكي از شاخصه هاي رشد صنعتي، توجه مهندسان برق را به خود جلب كرده است. يكي از مشكلات كيفيت توان، اعوجاج هارمونیک‌ها می‌باشد. بروز هارمونیک ها در سیستم قدرت ناشي از استفاده از عناصر غيرخطي در شبكه می‌باشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين طراحي سیستم‌های قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي متغير است. هارمونیک ها حالت‌های متناوبي هستند، كه فركانس آنها مضرب صحيحي از فركانس اصلي می‌باشد. اثراتي همانند گرم شدن موتورها و خرابي عايق بندي آن، ايجاد اغتشاش و نويز در سیستم‌های مخابراتي، كاركرد نامطلوب بارهاي حساس و افزايش تلفات ترانسفورماتورها از جمله اثرات وجود هارمونیک‌ها در شبكه می‌باشد. در ابتدای استفاده از انرژی الکتریکی، در چرخه توليد و توزيع اين مشكلات ديده می‌شد، اما با پيشرفت تكنولوژي در سال‌های اخير و استفاده از مبدل‌های الكترونيك قدرت به عنوان منبع موثر در توليد اعوجاج هارمونيكي افزايش چشمگيري داشته است. پيشرفت الكترونيك قدرت و بالطبع آن وجود بارهاي غير خطي سبب اصلي بروز اين اعوجاجات شده‌اند. در بخش‌های وسيع، می‌توان به كارخانه هاي فولاد، ذوب آهن، HVDC ها، و وسايل حمل و نقل الكتريكي همانند مترو اشاره كرد. اما در سطوح کوچک‌تر، كاربرد روزافزون كامپيوترها باعث ايجاد مشكلاتي شده است. منابع تغذیه كامپيوترها كه از عناصر نيمه هادي و کلید زنی استفاده می‌کنند و به دليل تعداد زيادي وسايل در ادارات و مجتمع‌های تجاري، مشكلات جديد هارمونيكي را پديد آورده‌اند. جهت بهبود كيفيت توان، روش‌هایی همچون حفاظت از بارهاي حساس، جلوگيري از عبور جريان هارمونيكي بارهاي غير خطي به درون شبكه و طراحي بارها به گونه اي كه هارمونيك كمتري توليد كنند، مد نظر قرار گرفته است. بارهاي حساس را جهت حفاظت، می‌توان با استفاده از ترانسفورماتور و يا UPS از شبكه ايزوله كرد. فيلترهاي پسیو (سري و موازي) را براي جلوگيري از عبور جريان هارمونيكي در مدار قرار می‌دهند. عملكرد اين گونه فيلترها حساس بوده و ممكن است مشكلات هارمونيكي را دوچندان كند. با پيشرفت علم، يكي از تکنیک‌های حذف هارمونیک‌ها، انتقال هارمونیک‌ها به فرکانس‌های بالا می‌باشد. كاربرد اين مبدل‌ها، در فيلترهاي اكتيو است. فيلترهاي اكتيو سري و موازي و تركيب اين دو جزء بهبود دهنده هاي فعال خطوط قدرت می‌باشند. قيمت بالا، تلفات زياد و تداخل الكترومغناطيسي از معايب اين فيلترهاست. فيلتر اكتيو سري، معادل با منبع ولتاژ كنترل شده و فيلتر اكتيو موازي، معادل با منبع جریان كنترل شده می‌باشد.
۱-۲- پیامد وجود عناصر غیر خطی در شبکه
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.
مشتركين برق در صورت وجود هارمونيكها مشكلات و خسارات زيادي از شركتهاي برق را تحمل ميكنند. مشتركين صنعتي كه از محركههاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كورههاي قوس الكتريكي، كورههاي القايي، یکسو کننده‌ها، اينورترها، دستگاههاي جوش و نظاير آن استفاده ميكنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربه‌پذیر تر از بقیه مشتركين ميباشند.
اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستمهاي قدرت به شمار نميرود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دورههای سیستم قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهههاي قبل نشان ميدهد كه مقالات مختلفي در رابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستمهاي تلفن پديد آمد. استفاده گروهي از لامپهاي قوس الكتريك به دلیل مؤلفههاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدلهاي الكترونيك قدرت در سالهاي اخير نبوده است.
خوشبختانه در طي اين سال‌ها پژوهشگران متوجه شده‌اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، به نحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكلات ناشي از هارمونيكها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهد بود، گرچه اين هارمونيكها ميتوانند موجب مسائلي در سيستمهاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستمهاي قدرت مشكلات زماني بروز ميكنند كه خازنهاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد در يك فركانس هارمونيكي گردند. در اين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول ميگردند و امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستمهاي صنعتي به دلیل درجه زيادي از تشديد رخ ميدهد.
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.
۱-۳- 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.
۱-۳-۱- منابع وابسته به عناصر نیمه هادی
با استفاده روز افزون از عناصر نيمه هادي و المانهاي غيرخطي نظير ديود، تريستور و … در شبكههاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستمهاي قدرت به وجود آمده است. كاربرد اين عناصر را ميتوان در تجهيزات الکتریکی و سيستمهاي قدرت زير به عنوان برخی از منابع تولید هارمونیک مشاهده کرد :
- كورههاي قوس الكتريكي و القايي که به روش[۱] ( PBM ) کنترل می‌شوند.
- یکسو کننده‌ها و مبدلهاي الكترونيك قدرت
- تجهيزات کنترلی مورد استفاده در کنترل کننده‌های سرعت ماشينهاي الكتريكي
- كاربرد کنترل کننده های ولتاژ ساکن ( SVC )[2] به عنوان ابزار مهمي 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.
۱-۳-۲- منابع غیر وابسته به عناصر نیمه هادی
- بارهاي غيرخطي شامل دستگاههاي جوشكاري
- جريان مغناطيسي ترانسفورماتور
- استفاده زیاد از یکسو کننده‌ها برای دشارژ باتری‌ها
- توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشينهاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيمپيچيهاي اپراتور
- توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشينهاي سنكرون
- عدم یکنواختی در راکتانس ماشین‌های سنکرون
۱-۳-۳- 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.
۱-۴- آثار هارمونیک
اعوجاجات هارمونيكي حاصل از بارهاي غير خطي به صورت جریان‌های هارمونيكي به بقيه شبكه تزريق می‌گردد و با توجه به امپدانس شبكه، به صورت اعوجاجات ولتاژ هارمونيكي به تجهيزات مختلف اعمال می‌شود. لذا تجهيزات مورد استفاده در شبكه هاي قدرت به طور دائم در معرض اين اعوجاجات و آلوده به هارمونيك می‌باشند. لازم است تاثيرات اين اعوجاج‌ها بر تجهيزات را مورد بررسي قرار داده و عملكرد صحيح تجهيزات مورد مطالعه قرار بگيرد. بنا بر این می‌بایستی روش‌هایی را به منظور كاهش این‌گونه تاثيرات جستجو نمود. اعوجاجات هارمونيكي داراي اثرات متفاوتي بر روي تجهيزات و سیستم‌های الكتريكي 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 يک سیستم قدرت، به دلیل افزايش بار و تجهیزات غیرخطی، جبران اغتشاشاتی كه اين تجهیزات غیرخطی به وجود آورده‌اند، امري لازم و ضروري است. اين بارهاي غیرخطی ممکن است موجب كاهش ضريب توان و درجه بالاي هارمونیک شوند. فیلترهاي توان اكتیو[۳] (APF) می‌توانند مشکلات وجود هارمونیک ها را مرتفع سازند و کیفیت توان سیستم را افزایش دهند.APF این توانايی را دارد كه اندازه ولتاژ ساخته شده توسط اينورتر را با استفاده از مدولاسیون پهناي پالس سینوسی و يا كنترل ولتاژ لینک DC تنظیم كند و موجب كشیدن توان راكتیو پیش فاز و يا پس فاز از منبع ولتاژ شود. استفاده از APF يک روش مدرن براي از بین بردن مشکلات كیفیت توان است.APF موازي، به صورت هم زمان امکان جبران هارمونیک جريان و اصلاح ضريب توان را به وجود می‌آورد و می‌تواند روش بهتري نسبت به روش‌هاي سنتی (فیلتر پسیو و خازنها) باشد. ساده‌ترين روش حذف هارمونیک‌هاي جريان خط و بهبود ضريب توان سیستم استفاده از فیلتر پسیو است. با اين حال عناصر پسیو بزرگ، تشديد سري و موازي و داشتن مشخصه جبران ثابت از معايب اصلی فیلتر پسیو است.
[۱] Pulse – Burst Modulation
[۲] Static Var Comensator
[۳] Active Power Filter