فلیکِر یا Flicker یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مرتبط با کیفیت توان در شبکه‌های الکتریکی است که در اثر تغییرات و نوسانات ولتاژ ایجاد می‌شود. این پدیده در ظاهر خود را به‌صورت تغییرات قابل مشاهده در شدت روشنایی لامپ‌ها نشان می‌دهد، اما از دیدگاه مهندسی، مسئله‌ای پیچیده‌تر است که به پاسخ زنجیره‌ای متشکل از منبع نور، چشم انسان و سیستم عصبی ـ ادراکی مربوط می‌شود. ازاین‌رو، برای ارزیابی شدت فلیکِر نمی‌توان تنها به اندازه‌گیری مستقیم دامنه تغییرات ولتاژ اکتفا کرد و لازم است یک مدل استاندارد برای تبدیل نوسانات ولتاژ به میزان احساس فلیکِر مورد استفاده قرار گیرد.

در این شبیه‌سازی، یک مدل Flickermeter برای اندازه‌گیری احساس لحظه‌ای فلیکِر در ولتاژ ترمینال یک واحد STATCOM ارائه می‌شود. ساختار این مدل مطابق مشخصات عملکردی استاندارد بین‌المللی IEC 61000-4-15 طراحی شده است. هدف اصلی شبیه‌سازی، بررسی نحوه عملکرد فلیکرمتر در برابر نوسانات ولتاژ و استخراج سیگنال‌هایی است که میزان احساس فلیکِر را در طول زمان نشان می‌دهند. این مدل در محیط MATLAB/Simulink قابل پیاده‌سازی است و برای مطالعات کیفیت توان و ارزیابی عملکرد تجهیزات جبران‌ساز توان راکتیو، از جمله STATCOM، کاربرد دارد.

اهمیت بررسی فلیکِر در شبکه‌های قدرت

شبکه‌های توزیع مدرن به‌طور پیوسته با بارهایی مواجه هستند که توان مصرفی آن‌ها ثابت نیست. تجهیزاتی مانند کوره‌های قوس الکتریکی، موتورهای بزرگ، تجهیزات جوشکاری، بارهای صنعتی متغیر و برخی مبدل‌های الکترونیک قدرت می‌توانند موجب ایجاد تغییرات سریع در جریان و در نتیجه تغییرات ولتاژ شبکه شوند. هنگامی که دامنه ولتاژ در بازه‌های زمانی مشخص دچار نوسان شود، این تغییرات می‌تواند در تجهیزات روشنایی قابل مشاهده باشد و احساس ناپایداری یا چشمک‌زدن نور را در انسان ایجاد کند.

فلیکِر صرفاً یک مسئله بصری نیست، بلکه یکی از شاخص‌های کیفیت توان محسوب می‌شود. بنابراین در شبکه‌هایی که تجهیزات حساس یا بارهای صنعتی متغیر وجود دارند، اندازه‌گیری دقیق آن اهمیت زیادی دارد. استفاده از فلیکرمتر استاندارد این امکان را فراهم می‌کند که نوسانات پیچیده ولتاژ به یک کمیت قابل تحلیل تبدیل شوند.

ارتباط DSTATCOM با فلیکِر

DSTATCOM یا جبران‌ساز استاتیکی توزیع، یکی از تجهیزات مهم الکترونیک قدرت برای بهبود کیفیت توان در شبکه‌های توزیع است. این تجهیز با تزریق جریان مناسب به شبکه می‌تواند افت ولتاژ، توان راکتیو و برخی اختلالات مرتبط با کیفیت توان را کنترل کند. از آنجا که عملکرد DSTATCOM به‌صورت مستقیم با ولتاژ و جریان شبکه در ارتباط است، ارزیابی تأثیر آن بر نوسانات ولتاژ و فلیکِر اهمیت ویژه‌ای دارد.

در یک مطالعه شبیه‌سازی، ممکن است هدف این باشد که مشخص شود یک DSTATCOM تا چه اندازه می‌تواند نوسانات ولتاژ ناشی از یک بار متغیر را کاهش دهد. برای دستیابی به این هدف، لازم است قبل و بعد از اعمال عملکرد جبران‌ساز، شاخص فلیکِر محاسبه شود. فلیکرمتر موجود در این مدل دقیقاً برای تبدیل تغییرات ولتاژ به سیگنال متناظر با احساس فلیکِر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استاندارد IEC 61000-4-15

مدل فلیکرمتر استفاده‌شده در این شبیه‌سازی بر اساس مشخصات عملکردی استاندارد IEC 61000-4-15 طراحی شده است. این استاندارد الزامات عملکردی و طراحی فلیکرمتر را برای اندازه‌گیری فلیکِر در سیستم‌های قدرت مشخص می‌کند. ایده اصلی استاندارد، مدل‌سازی پاسخ زنجیره‌ای است که از تغییرات ولتاژ ورودی شروع شده و در نهایت به یک کمیت مرتبط با احساس فلیکِر توسط انسان منتهی می‌شود.

ساختار استاندارد فلیکرمتر از چند بخش پردازشی تشکیل شده است. هر بخش وظیفه مشخصی دارد و در کنار بخش‌های دیگر باعث می‌شود رفتار فلیکرمتر نسبت به تغییرات دامنه و فرکانس نوسانات ولتاژ، مشابه پاسخ مورد انتظار سیستم ادراکی انسان باشد. در مدل شبیه‌سازی‌شده، خروجی‌های داخلی ماژول‌های مختلف نیز در دسترس قرار گرفته‌اند تا امکان بررسی جزئیات عملکرد فلیکرمتر فراهم شود.

ساختار کلی مدل فلیکرمتر

فلیکرمتر مورد استفاده در این شبیه‌سازی سیگنال ولتاژ ورودی را دریافت کرده و آن را از مجموعه‌ای از بلوک‌های پردازشی عبور می‌دهد. این پردازش‌ها شامل نرمال‌سازی سیگنال، استخراج مؤلفه‌های مرتبط با نوسانات، اعمال توابع انتقال و شبیه‌سازی پاسخ زنجیره لامپ، چشم و مغز است. نتیجه این فرایند، سیگنالی است که بیانگر شدت احساس لحظه‌ای فلیکِر خواهد بود.

در مدل ارائه‌شده، خروجی داخلی ماژول‌های مختلف از طریق خروجی m در اختیار کاربر قرار می‌گیرد. این موضوع برای تحلیل مهندسی بسیار مهم است، زیرا در یک شبیه‌سازی صرفاً مشاهده خروجی نهایی کافی نیست و بررسی رفتار بخش‌های داخلی می‌تواند به تشخیص خطا یا تحلیل دقیق‌تر پاسخ سیستم کمک کند.

ماژول اول و نرمال‌سازی ولتاژ

یکی از وظایف مهم ماژول اول، آماده‌سازی سیگنال ورودی برای مراحل بعدی پردازش است. این بخش علاوه بر مدار نرمال‌سازی، یک مولد سیگنال نیز دارد که برای بررسی تنظیمات فلیکرمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. نرمال‌سازی باعث می‌شود مقدار مؤثر ولتاژ ورودی در فرکانس اصلی شبکه، یعنی 50 یا 60 هرتز، به مقدار مرجع مناسب تبدیل شود.

مولد داخلی این بخش می‌تواند یک ولتاژ اصلی را با یک سیگنال مدوله‌کننده ترکیب کند. سیگنال مدوله‌کننده می‌تواند ماهیت سینوسی یا مثلثی داشته باشد و تغییرات نسبی دامنه و فرکانس آن برای بررسی عملکرد فلیکرمتر تنظیم شود. در شرایط استاندارد، مجموعه مشخصی از دامنه‌ها و فرکانس‌های نوسان باید پاسخ استانداردی در خروجی فلیکرمتر ایجاد کنند.

در مثال مورد بررسی، ولتاژ مرجع می‌تواند برابر با 120 ولت RMS در فرکانس 60 هرتز یا 230 ولت RMS در فرکانس 50 هرتز باشد. سپس یک مؤلفه متغیر به این ولتاژ اصلی اضافه می‌شود. این تغییرات همان مؤلفه‌ای هستند که در ادامه توسط فلیکرمتر پردازش می‌شوند.

مفهوم احساس لحظه‌ای فلیکِر

یکی از خروجی‌های مهم مدل، سیگنال S است که به‌عنوان احساس لحظه‌ای فلیکِر یا Instantaneous Flicker Sensation شناخته می‌شود. این سیگنال نشان می‌دهد که نوسانات ولتاژ ورودی در هر لحظه چه سطحی از پاسخ فلیکِر را در مدل استاندارد ایجاد کرده‌اند.

از آنجا که سیستم دارای چندین مرحله پردازشی و فیلتر است، خروجی S بلافاصله پس از فعال شدن مدل به مقدار نهایی خود نمی‌رسد. به همین دلیل در تفسیر نتایج شبیه‌سازی باید زمان گذرا را از بازه تحلیل اصلی جدا کرد. این مسئله به‌ویژه در مطالعاتی که قصد مقایسه دو وضعیت شبکه را دارند اهمیت دارد.

شرایط اولیه و کاهش پاسخ گذرا

یکی از نکات مهم در این مدل، تعیین شرایط اولیه برای توابع انتقال مختلف است. اگر شرایط اولیه سیستم‌های دینامیکی به‌درستی تعیین نشوند، در ابتدای شبیه‌سازی ممکن است پاسخ‌هایی ایجاد شوند که ناشی از وضعیت اولیه بلوک‌ها بوده و ارتباطی با فلیکِر واقعی سیگنال ورودی نداشته باشند.

برای کاهش این اثر، شرایط اولیه توابع انتقال در مدل محاسبه و اعمال می‌شوند. علاوه بر این، یک دوره مقداردهی اولیه ثابت با نام Tini در نظر گرفته شده است که مقدار آن برابر با 0.3 ثانیه است. بنابراین پس از فعال شدن مدل، باید این دوره اولیه سپری شود تا محاسبه نتایج اصلی آغاز شود.

ورودی ON وظیفه فعال‌سازی فلیکرمتر را بر عهده دارد. توصیه می‌شود این ورودی پس از پایدار شدن سیگنال مورد تحلیل، یعنی ورودی U، فعال شود. این ترتیب باعث می‌شود شرایط اولیه و گذراهای ناخواسته تأثیر کمتری بر نتیجه نهایی داشته باشند.

زمان تثبیت خروجی‌ها

یکی از نکات قابل توجه در تحلیل نتایج، تفاوت زمانی در تثبیت خروجی‌های مختلف است. مطابق ساختار مدل، خروجی مربوط به احساس لحظه‌ای فلیکِر یعنی S معمولاً پس از شروع دوره مقداردهی اولیه، در مدت کوتاهی به حالت پایدار نزدیک می‌شود. در این مدل، این خروجی در حدود 2 ثانیه پس از آغاز فرایند مقداردهی اولیه تثبیت می‌شود.

در مقابل، خروجی مربوط به دوز یک‌دقیقه‌ای سیگنال ادراک لحظه‌ای، که با Output_4 مشخص شده است، برای رسیدن به حالت پایدار به زمان بسیار بیشتری نیاز دارد و حدود 2 دقیقه زمان برای تثبیت آن در نظر گرفته می‌شود. بنابراین مقایسه این دو خروجی بدون توجه به مقیاس زمانی آن‌ها می‌تواند منجر به تفسیر نادرست نتایج شود.

پیاده‌سازی فلیکرمتر در MATLAB و Simulink

برای اجرای این شبیه‌سازی در محیط MATLAB/Simulink، استفاده از قابلیت‌های Simscape Electrical و Control System Toolbox اهمیت دارد. Simscape Electrical امکان مدل‌سازی سیستم‌های قدرت، تجهیزات الکتریکی و شبکه‌های توزیع را فراهم می‌کند و Control System Toolbox نیز ابزارهای مورد نیاز برای مدل‌سازی و تحلیل سیستم‌های دینامیکی و توابع انتقال را در اختیار قرار می‌دهد.

در محیط Simulink، مدل فلیکرمتر را می‌توان به‌عنوان بخشی از یک سیستم بزرگ‌تر شامل شبکه توزیع، بار متغیر و DSTATCOM در نظر گرفت. سیگنال ولتاژ نقطه مورد نظر به ورودی U متصل می‌شود و پس از عبور از مراحل مختلف فلیکرمتر، خروجی‌های مورد نظر در Scope یا سایر ابزارهای ثبت داده قابل مشاهده خواهند بود.

در یک سناریوی شبیه‌سازی معمول، ابتدا شبکه بدون اعمال تغییرات عمده بررسی می‌شود تا سیگنال ولتاژ به وضعیت پایدار برسد. سپس فلیکرمتر با فعال کردن ورودی ON وارد فرآیند اندازه‌گیری می‌شود. پس از سپری شدن زمان مقداردهی اولیه، خروجی S و سایر سیگنال‌های داخلی ثبت می‌شوند. در مرحله بعد می‌توان یک تغییر در بار یا یک نوسان مشخص به سیستم اعمال کرد و پاسخ فلیکرمتر را بررسی نمود.

تحلیل سیگنال ورودی و خروجی

برای تحلیل صحیح نتایج، ابتدا باید سیگنال ولتاژ ورودی از نظر دامنه، فرکانس اصلی و نوع نوسان بررسی شود. یک سیگنال ولتاژ با فرکانس اصلی 50 یا 60 هرتز می‌تواند تحت تأثیر یک مؤلفه مدولاسیون قرار گیرد. این مؤلفه ممکن است سینوسی یا مثلثی باشد و دامنه نسبی آن به‌عنوان درصدی از ولتاژ اصلی تعریف شود.

پس از ورود سیگنال به فلیکرمتر، مراحل مختلف پردازش باعث می‌شوند اثر نوسانات ولتاژ به شکل یک کمیت قابل اندازه‌گیری ظاهر شود. خروجی S برای مشاهده رفتار لحظه‌ای مناسب است، در حالی که خروجی‌های زمانی مانند Output_4 برای ارزیابی آماری و زمانی طولانی‌تر کاربرد دارند.

همچنین خروجی‌های داخلی موجود در بردار m امکان بررسی عملکرد تک‌تک ماژول‌ها را فراهم می‌کنند. برای مثال، در صورت مشاهده یک پاسخ غیرمنتظره در خروجی نهایی، می‌توان سیگنال‌های داخلی را بررسی کرد تا مشخص شود تغییر مورد نظر در کدام مرحله ایجاد شده است.

آزمون صحت عملکرد فلیکرمتر

یکی از کاربردهای مهم مولد سیگنال داخلی، بررسی تنظیمات و صحت عملکرد فلیکرمتر است. استاندارد IEC 61000-4-15 مجموعه‌ای از شرایط مشخص را برای ارزیابی عملکرد فلیکرمتر در نظر می‌گیرد. در این شرایط، نوسانات مشخصی به ولتاژ اصلی اعمال می‌شوند و انتظار می‌رود خروجی فلیکرمتر پاسخ مشخصی داشته باشد.

در این مدل، برخی تنظیمات استاندارد به‌گونه‌ای انتخاب شده‌اند که بتوان عملکرد فلیکرمتر را بررسی کرد. اگر شرایط ورودی، دامنه نوسان و فرکانس مدولاسیون مطابق شرایط آزمون باشند، خروجی متناظر در مسیر اندازه‌گیری فلیکِر قابل بررسی خواهد بود. این ویژگی باعث می‌شود مدل صرفاً یک ابزار محاسباتی نباشد، بلکه بتوان از آن برای اعتبارسنجی عملکرد الگوریتم اندازه‌گیری نیز استفاده کرد.

اهمیت شبیه‌سازی در مطالعات کیفیت توان

استفاده از شبیه‌سازی پیش از اجرای آزمایش‌های عملی می‌تواند درک مناسبی از رفتار سیستم قدرت فراهم کند. در مطالعات مرتبط با DSTATCOM، تغییر پارامترهای کنترل، نوع بار و شرایط شبکه ممکن است بر کیفیت توان تأثیر بگذارد. اندازه‌گیری فلیکِر به کمک یک مدل استاندارد این امکان را فراهم می‌کند که تأثیر این تغییرات به‌صورت کمی بررسی شود.

برای مثال، می‌توان یک بار متغیر را به شبکه متصل کرد و مقدار فلیکِر را در نقطه اتصال مشترک اندازه‌گیری نمود. سپس DSTATCOM فعال شده و همان آزمایش با حضور تجهیز جبران‌ساز تکرار می‌شود. مقایسه شکل موج‌ها و خروجی‌های فلیکرمتر می‌تواند نشان دهد که تغییرات ولتاژ و پاسخ فلیکِر در دو حالت چگونه تغییر کرده‌اند.

در چنین مطالعاتی، لازم است سایر شرایط شبیه‌سازی تا حد امکان ثابت نگه داشته شوند تا اختلاف مشاهده‌شده در خروجی‌ها را بتوان به تغییر مورد نظر نسبت داد. همچنین باید زمان کافی برای مقداردهی اولیه و تثبیت خروجی‌های فلیکرمتر در نظر گرفته شود.

محدودیت‌های مدل

یکی از نکات مهم درباره این شبیه‌سازی آن است که همه بخش‌های فلیکرمتر استاندارد الزاماً به یک شکل در مدل پیاده‌سازی نشده‌اند. به‌طور مشخص، تحلیل آماری یا Module 5 در این مدل شبیه‌سازی نشده است. بنابراین خروجی‌های موجود در مدل را باید با توجه به محدوده عملکرد واقعی آن تفسیر کرد.

این موضوع به‌خصوص زمانی اهمیت دارد که هدف، استخراج شاخص‌های آماری فلیکِر برای بازه‌های زمانی طولانی باشد. در چنین شرایطی ممکن است لازم باشد داده‌های خروجی مدل در محیط MATLAB ذخیره شده و پردازش آماری مورد نیاز به‌صورت جداگانه روی آن‌ها انجام شود.

جمع‌بندی

فلیکرمتر یکی از ابزارهای مهم برای ارزیابی کیفیت توان و بررسی تأثیر نوسانات ولتاژ بر احساس فلیکِر است. در شبیه‌سازی حاضر، یک مدل فلیکرمتر مطابق مشخصات عملکردی استاندارد IEC 61000-4-15 برای بررسی ولتاژ ترمینال یک واحد STATCOM در محیط MATLAB/Simulink ارائه شده است. این مدل می‌تواند سیگنال ولتاژ را دریافت کرده، آن را نرمال‌سازی و پردازش کند و در نهایت سیگنالی متناظر با احساس لحظه‌ای فلیکِر ارائه دهد.

وجود شرایط اولیه مشخص و دوره مقداردهی اولیه 0.3 ثانیه، نقش مهمی در کاهش اثر پاسخ‌های گذرا دارد. همچنین باید توجه داشت که خروجی‌های مختلف مدل دارای زمان تثبیت متفاوتی هستند؛ به‌گونه‌ای که خروجی احساس لحظه‌ای فلیکِر در حدود 2 ثانیه و خروجی مربوط به دوز یک‌دقیقه‌ای در حدود 2 دقیقه به وضعیت پایدار نزدیک می‌شوند.

ترکیب این فلیکرمتر با مدل شبکه توزیع و DSTATCOM می‌تواند چارچوب مناسبی برای مطالعه اثر تجهیزات جبران‌ساز بر کیفیت توان ایجاد کند. با استفاده از چنین مدلی می‌توان شرایط مختلف بار، دامنه و فرکانس نوسانات ولتاژ و وضعیت عملکرد DSTATCOM را بررسی کرد و تغییرات حاصل در پاسخ فلیکِر را به‌صورت دقیق تحلیل نمود. از این منظر، شبیه‌سازی فلیکرمتر در MATLAB/Simulink ابزار مناسبی برای مطالعات پژوهشی، طراحی سیستم‌های کنترل کیفیت توان و ارزیابی عملکرد تجهیزات الکترونیک قدرت در شبکه‌های توزیع به شمار می‌رود.

منابع

1. IEC 61000-4-15, Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 4: Testing and Measurement Techniques – Section 15: Flickermeter – Functional and Design Specifications, Edition 1.1, 2003.
2. Bertola, A., Lazaroiu, G. C., Roscia, M., Zaninelli, D., A MATLAB-Simulink Flickermeter Model for Power Quality Studies, IEEE PES 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Lake Placid, USA, September 2004.