۱-هارمونيک 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 ۱۸۹۸ميلادي، تاريخچه‌اي را در مورد هارمونيك ها در شبكه قدرت منتشر نمود. او از تجربه شهر هاتفورد امريكا در سال ۱۸۹۳ ميلادي به عنوان اولين مشكل اعوجاجات هارمونيكي ياد مي‌كند، و اينكه مهندسين قدرت با مشكل گرم شدن بيش از حد يك موتور الكتريكي و خرابي عايق‌بندي آن مواجه شده بودند. شايان ذكر است كه اين موتور قبل از ارسال به هارتفورد در كارخانه ساخته شده و به خوبي كار كرده بود. تنها تفاوت بين شرايط آزمايش در كارخانه وشرايط كار واقعي در هارتفورد يك خط انتقال ۱۰ مايلي بود. به منظور پيدا كردن دليل اين مشكل، تحليل هارمونيكي بر روي شكل موج‌هاي جريان و ولتاژ خط انتقالي كه موتور را تغذيه مي‌كرد، انجام گرفت. نتايج بدست آمده عامل گرم شدن موتور را تشديد ايجاد شده در خط انتقال ناشي از وجود هارمونيك‌ها تشخيص داد. شايان ذكر است كه توليد كنندگان تجهيزات الكتريكي در اروپا برخلاف امريكايي‌ها به دليل اينكه در سيستم هاي انتقال خود از فركانس‌هاي بالا ( مانند ۱۲۵، ۱۳۳ يا ۱۴۰ هرتز ) استفاده نمي‌كردند، تا آن زمان با تشديد خط انتقال مواجه نشده بودند. ازديگر تجارب هارمونيك‌ها در شبكه قدرت در آن سال‌ها مي‌توان به بكارگيري يك ژنراتور سه فاز ۱۲۵هرتز با ولتاژ نامي ۸/۳ كيلو ولت اشاره نمود كه توسط شركت جنرال الكتريك براي نيروگاه طراحي شده بود. قدرتي كه توسط اين ژنراتور توليد مي‌شد از طريق يك خط انتقال به سمت ديگر شهر هارتفورد منتقل مي‌گرديد و در آنجا يك موتور سنكرون را تغذيه مي‌كرد. موتور سنكرون نيز به نوبه خود به عنوان محرك يك ژنراتور DC بود كه قطارهاي شهر را تغذيه مي‌كرد. مهندسین با محاسبه اندوكتانس وخازن خط انتقال و اندوكتانس بار مشاهده كردند كه در فركانس حدود ۱۶۰۰ هرتز ( هارمونيك سيزدهم فركانس اصلي ) در خط تشديد ايجاد مي‌شود. شكل موج‌هاي ولتاژ ژنراتور نيروگاه و موتور سنكرون داراي مولفه‌هاي هارمونيكي قابل توجه بودند. شايد جالب‌ترين جنبه اين تحقيقات اين باشد كه آنها چگونه توانستند با وجود وسايل و تجهيزات بسيار ابتدايی كار خود را به اتمام برسانند. آنها به تجهيزات اندازه‌گيري مدرن مانند اسيلوسكوپ يا هارمونيك‌سنج دسترسي نداشتند. درسال ۱۸۹۳ حتي امكان دسترسي به يك ولتمتر خوب نيز وجود نداشت. اسيلوگراف‌ها هم هنوز اختراع نشده بودند و تنها وسيله‌اي كه امكان استفاده از آن وجود داشت موج‌نما نام داشت كه شكل موج را به صورت نقطه به نقطه از طريق قطع و وصل مرتب يك زبانه نمونه‌گيري مي‌كرد. آنان موفق شدند كه شكل موج‌ها را ثبت كرده وتحليل فوريه را بر روي اين شكل موج‌ها انجام دهند. طبق گزارشات موجود محاسبه هر يك از ضرايب فوريه يك ساعت طول مي‌كشيد. شايان ذكر است كه كموتاتور موج نما با فركانس ۴۵۰۰ هرتز اطلاعات را ثبت مي‌كرد كه براي فركانس پايه ۱۲۵ هرتز ، ۳۶ نمونه در هر سيكل بدست خواهد آمد. امروزه با استفاده از هارمونيك سنج‌هاي ديجيتال و با به كارگيري الگوريتم‌هاي سريع تبديل فوريه گسسته مي‌توان به راحتی اعوجاجات هارمونيكي را اندازه‌گيري كرد
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.
۲- مفهوم هارمونيک
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 هارمونیك‌ها به خاطر مصرف‌كننده‌های خطی متعادل در صنایع چندان رایج نبودند. مانند: موتورهای القایی سه فاز، گرم كننده‌ها و ….. این بارهای خطی جریان سینوسی را در فركانسی برابر با فركانس ولتاژ می‌كشند. بنابراین با این تجهیزات اداره كل سیستم نسبتاً با سلامتی بیشتری همراه خواهد بود. ولی پیشرفت سریع در الكترونیك صنعتی در كاربری صنعتی سبب بوجود آمدن بارهای غیر خطی صنعتی شد. درساده‌ترین حالت، بارهای غیرخطی شكل موج بار غیر سینوسی از شكل موج ولتاژ سینوسی به دست خواهند آمد(شكل 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 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 ( 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 ) 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.
۲-۳- 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
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 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 (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 (فیلترهاي پسیو و خازنها) باشد. ساده‌ترين روش حذف هارمونیک‌هاي جريان خط و بهبود ضريب توان سیستم استفاده از فیلترهاي پسیو است. با اين حال عناصر پسیو بزرگ، تشديد سري و موازي و داشتن مشخصه جبران ثابت از معايب اصلی فیلترهاي پسیو است.
به منظور كنترل APF از منطق فازي استفاده شده است كه پیچیدگی دينامیکی زيادي دارد. در طراحی و كنترل APF ، تئوري توان لحظه‌اي معمولاً به عنوان اساس محاسبه جريان جبران‌سازی به حساب می‌آيد. در اين تئوري فرض می‌شود كه ولتاژهاي اصلی در فرآيند محاسبه ايده‌آل هستند. با اين حال، در اكثر زمانها و در اكثر سیستم‌هاي قدرت صنعتی، ولتاژهاي اصلی ممکن است نامتعادل و يا مغشوش باشند. در چنین شرايطی اين تئوري ممکن است براي كاربرد معتبر نباشد.