Power Quality Enhancement in Industrial Networks Using a Transformerless Shunt Hybrid Active Power Filter with MVF-PLL: System Design and Experimental Validation
यह शोध पत्र एक ट्रांसफॉर्मर रहित शंट हाइब्रिड एक्टिव पावर फिल्टर को प्रस्तुत और प्रयोगात्मक रूप से मान्य करता है जो MVF-PLL नियंत्रण रणनीति का उपयोग करता है, जो औद्योगिक नेटवर्क के लिए IEEE-519 मानकों को पूरा करते हुए ग्रिड करंट टोटल हार्मोनिक डिस्टॉर्शन को 27% से अधिक से घटाकर 4% से नीचे प्रभावी रूप से कम करता है।
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आधुनिक उद्योग के गुप्त बुनियादी ढांचे में, बिजली एक ऐसे नेटवर्क के माध्यम से प्रवाहित होती है जो उन उपकरणों द्वारा तेजी से तनावग्रस्त हो रहा है जो इसे शक्ति प्रदान करते हैं। कारखाने और कार्यालय जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स—कंप्यूटर, वेरिएबल-स्पीड मोटर्स और पावर सप्लाई—पर निर्भर हैं, जो बिजली को एक सुचारू, स्थिर धारा में नहीं खींचते हैं। इसके बजाय, ये नॉन-लीनियर लोड बिजली को टेढ़े-मेढ़े, अनियमित झटकों के रूप में खींचते हैं। यह व्यवहार विद्युत प्रवाह को विकृत कर देता है, जिससे उपयोगी शक्ति के साथ मिलकर आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) का एक अराजक मिश्रण बन जाता है। यह विरूपण, जिसे हार्मोनिक प्रदूषण कहा जाता है, वास्तविक दुनिया की समस्याएं पैदा करता है: यह ट्रांसफार्मर को अत्यधिक गर्म करता है, ऊर्जा बर्बाद करता है, और संवेदनशील संचार उपकरणों में हस्तक्षेप कर सकता है। दशकों से, इंजीनियरों ने इस गंदगी को साफ करने की कोशिश की है। शुरुआती समाधानों में पैसिव फिल्टर का उपयोग किया गया था, जो अनिवार्य रूप से बड़े कॉइल्स और कैपेसिटर थे जिन्हें विशिष्ट आवृत्तियों को ब्लॉक करने के लिए ट्यून किया गया था, लेकिन ये कठोर थे और कभी-कभी ग्रिड के साथ अनुनाद (रेजोनेंस) करके समस्या को और भी खराब कर सकते थे। बाद में, पूरी तरह से सक्रिय (एक्टिव) फिल्टर उभरे, जो शोर को रद्द करने के लिए परिष्कृत इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करते थे, लेकिन वे अक्सर व्यापक उपयोग के लिए बहुत महंगे और भारी थे क्योंकि उन्हें सिस्टम की पूरी शक्ति को संभालना पड़ता था।
बोरज बौ अरिद (Bordj Bou Arreridj) विश्वविद्यालय के मुस्तफा सारा के नेतृत्व में एक शोधकर्ता ने एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जो पुराने और नए तरीकों के बीच के अंतर को पाटता है। उन्होंने एक प्रणाली डिजाइन की जिसे 'शंट हाइब्रिड एक्टिव पावर फिल्टर' कहा जाता है, जो चतुराई से एक सरल, कम लागत वाले पैसिव फिल्टर को एक बहुत छोटे, अधिक कुशल एक्टिव इलेक्ट्रॉनिक फिल्टर के साथ जोड़ती है। मुख्य नवाचार यह है कि वे इन दो भागों को कैसे जोड़ते हैं और उन्हें कैसे नियंत्रित करते हैं। एक्टिव फिल्टर को पावर ग्रिड से जोड़ने के लिए एक भारी, पारंपरिक ट्रांसफार्मर का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने इसे पूरी तरह से हटा दिया, जिससे एक "ट्रांसफॉर्मरलेस" डिजाइन बना जो हल्का और सस्ता है। इसके अलावा, उन्होंने अपने पैसिव घटक को अधिक सामान्य पांचवें (fifth) हार्मोनिक के बजाय एक विशिष्ट आवृत्ति—सातवें (seventh) हार्मोनिक—को लक्षित करने के लिए ट्यून किया। इस चुनाव ने उन्हें छोटे भौतिक घटकों का उपयोग करने की अनुमति दी, जबकि वे प्रभावी रूप से शोर की एक विस्तृत श्रृंखला को बाहर निकालने में सक्षम रहे। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सिस्टम ग्रिड के साथ पूरी तरह से तालमेल बनाए रखे, भले ही बिजली की आपूर्ति गंदी या अस्थिर हो, उन्होंने मल्टी-वेरिएबल फिल्टर का उपयोग करके एक मजबूत नियंत्रण एल्गोरिदम लागू किया। यह एक अत्यधिक चयनात्मक कान की तरह कार्य करता है, जो केवल बिजली ग्रिड की वास्तविक लय को सुनता है और आसपास के शोर को अनदेखा कर देता है।
शोधकर्ता ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से इस प्रणाली का परीक्षण किया और फिर यह देखने के लिए कि क्या यह वास्तविक दुनिया में काम करेगी, प्रयोगशाला में एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया। उनके सिमुलेशन में, उन्होंने डिवाइस को एक नॉन-लीनियर लोड वाली ग्रिड से जोड़ा, जिसके कारण शुरुआत में करंट गंभीर रूप से विकृत था, जिसमें कुल हार्मोनिक डिस्टॉर्शन (THD) का स्तर 27.38 प्रतिशत था। एक बार हाइब्रिड फिल्टर चालू होने के बाद, सिस्टम ने तुरंत करंट को साफ करना शुरू कर दिया। विरूपण गिरकर केवल 2.71 प्रतिशत रह गया, जो सख्त अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा मानकों को पूरा करता है। सिस्टम उल्लेखनीय रूप से त्वरित प्रतिक्रिया देने में सक्षम रहा; जब शोधकर्ता ने अचानक लोड बदला, तो फिल्टर ने एक सेकंड के अंश के भीतर समायोजन किया, जिससे बिना किसी झटके या स्पाइक के बिजली स्थिर रही।
यह पुष्टि करने के लिए कि ये परिणाम केवल एक कंप्यूटर कल्पना नहीं हैं, शोधकर्ता ने पोइटियर्स, फ्रांस में LIAS प्रयोगशाला में एक 20 किलोवोल्ट-एम्पीयर का प्रयोगात्मक सेटअप तैयार किया। उन्होंने उसी हार्डवेयर पर समान परीक्षण किए, और ग्रिड को उसी तरह की अव्यवस्थित, प्रदूषित स्थितियों के अधीन किया। परिणाम सिमुलेशन के समान ही आश्चर्यजनक थे। फिल्टर लगाने से पहले, प्रयोगात्मक ग्रिड करंट में 23 प्रतिशत का विरूपण देखा गया। सिस्टम को सक्रिय करने के बाद, विरूपण गिरकर 3.9 प्रतिशत हो गया। करंट वेवफॉर्म, जो टेढ़ा-मेढ़ा और अनियमित था, एक लगभग पूर्ण साइन वेव (sine wave) में बदल गया। इन परीक्षणों के दौरान, सिस्टम ने अपने आंतरिक ऊर्जा भंडारण कैपेसिटर पर एक स्थिर वोल्टेज बनाए रखा, जिससे सिद्ध हुआ कि नियंत्रण तर्क (control logic) कुशलतापूर्वक पावर फ्लो को प्रबंधित कर सकता है और इसे चलाने के लिए बाहरी बिजली स्रोत की आवश्यकता नहीं है।
अध्ययन स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करता है कि भारी कपलिंग ट्रांसफार्मर को हटाने से प्रदर्शन से समझौता नहीं होता है; वास्तव में, यह एक्टिव फिल्टर के हिस्से को बहुत छोटा और कम खर्चीला बनाने की अनुमति देता है क्योंकि इसे ग्रिड के पूरे वोल्टेज को नहीं संभालना पड़ता है। शोधकर्ता ने यह भी दिखाया कि पैसिव फिल्टर को पारंपरिक पांचवें हार्मोनिक के बजाय सातवें हार्मोनिक के लिए ट्यून करना, उच्च-क्रम के शोर के निकलने के लिए एक बेहतर मार्ग प्रदान करता है, जिससे समग्र सफाई में सुधार होता है। हालांकि सिस्टम अत्यधिक प्रभावी है, पेपर में उल्लेख किया गया है कि इसका प्रदर्शन नियंत्रण एल्गोरिदम की सटीकता पर निर्भर करता है, विशेष रूप से मल्टी-वेरिएबल फिल्टर, जिसने बिना किसी देरी या फेज शिफ्ट के शोर से मूल पावर फ्रीक्वेंसी को सफलतापूर्वक अलग किया। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि यह हाइब्रिड दृष्टिकोण औद्योगिक नेटवर्क के लिए एक व्यावहारिक, लागत प्रभावी समाधान प्रदान करता है, जो बिजली की गुणवत्ता के मुद्दों को सफलतापूर्वक उन स्तरों तक कम करता है जो संवेदनशील उपकरणों के लिए सुरक्षित और वैश्विक मानकों के अनुरूप हैं।
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