AKTİF GÜÇ FİLTRESİ İLE HARMONİK VE REAKTİF GÜÇ KOMPANZASYONU

Transkript

1 KTİF GÜÇ FİLTRESİ İLE HRMONİK E REKTİF GÜÇ KOMPNZSYONU Engin Özdir, Şule Özdir, Murat Kale,, Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi ölümü, İzmit eozdir@kou.edu.tr, sozaslan@kou.edu.tr, kale@kou.edu.tr nahtar Sözcükler: ktif Güç Filtresi, Harmonikler, Reaktif Güç Kompanzasyonu STRT This paper presents a new control algorithm for an active power filter to compensate harmonic and reactive power of a phase diode rectifier. Reference currents of the active power filter is computed by sensing load current, D bus voltage and source voltage. ctive power filter driving signals are produced with these signals via a hysteresis band current controller. MTL/SIMULINK power syst toolbox is used to simulate the proposed syst. The simulation results are presented and discussed showing the effectiveness of the control algorithm. The proposed algorithm is found quite satisfactory to compensate the reactive power and harmonics.. GİRİŞ Güç elektroniği teknolojisinin son yıllardaki hızlı gelişimi ve statik güç dönüştürücüleri gibi doğrusal olmayan yüklerin kullanımı sonucu güç iletim ve dağıtım sistlerinde güç kalitesi bozulmuş ve kompanzasyon ihtiyacı daha da artmıştır. unun sonucunda birçok gelişmiş ülkede doğrusal olmayan yüklerin ürettiği akım harmoniklerinden kaynaklanan gerilim harmonikleri ve kompanzasyon talebi ciddi bir probl haline gelmiştir. nlık reaktif güç kompanzasyonu, yüksek gerilim iletim sistlerinde ve birçok endüstriyel tesiste gerilim kararlılığı sağlamak ve güç kalitesini iyileştirmek için bir zorunluluk haline gelmiştir. Günümüzde alçak gerilim elektrik enerjisi kalitesindeki sorunlar giderek endişe verici probller yaratmakta ve güç kalitesinden kaynaklanan şikayetler artmaktadır. Enerji kesilmeleri, ani gerilim yükselmeleri ve düşmeleri, iklim şartlarından kaynaklanan hatalar, elektrik enerjisinin regülasyonu, ayarlanması ve dönüştürülmesi için kullanılan doğrusal olmayan alıcılar (doğrultucular, eviriciler ve kesintisiz güç kaynakları gibi) özel probller ortaya çıkarmaktadır. u nedenle, alçak gerilim sistlerinde koruma cihazları gereksiz açmakta, otomatik kontrol sistleri etkilenmekte ve aşırı harmonikler güç kalitesini bozarak elektriğin verimli kullanımını engellektedir.. GF Güç sistlerinde meydana gelen yukarıdaki probllerin üstesinden gelmek için, güç sist hat akım ve gerilimlerinin harmonik bileşenlerini azaltmak ve güç faktörünü arttırmak için filtrele teknikleri geliştirilmiştir. Güç faktörü ve harmonik kompanzasyonu için en sık kullanılan teknik endüktans ve kapasiteden oluşan pasif filtrelerin uygulanmasıdır. Pasif filtreler, güç sist akımlarındaki sadece. harmonik akımı ve 5. harmonik akımı gibi tel harmonik frekanslarını filtrelek için ayarlanabilirler. yrıca pasif filtreler kaynak pedansından kolaylıkla etkilenerek kompanzasyon sürecinde istenmeyen rezonans probllerine neden olurlar. Doğrusal olmayan yüklerin pasif olarak filtrelenmesindeki bu önli dezavantajlar nedeniyle, güç faktörü ve harmonik kompanzasyonu için "ktif Filtreler" geliştirilmiştir. Güç elektroniği devrelerinin gelişimi ile aktif filtreler pasif filtrelerin bir alternatifi haline gelmiştir. Statik güç dönüştürücüleri ve diğer yüksek güçlü yüklerin ürettiği harmoniklerin bastırılması için 98'den beri aktif filtreler geliştirilmektedir. ktif filtreler sadece harmonik akımları kompanze etmekte değil aynı zamanda gerilim dengesizlikleri ve gerilim düşmelerinde de kullanılmaktadır. ktif Güç Filtresi (GF), Şekil de görüldüğü gibi akım denetimi sağlayabilmek için D tarafına bir kondansatör bağlanmış üç fazlı bir evirici devresinden meydana gelmektedir. GF tel fonksiyonu şebekeden sinüzoidal ve dengeli güç faktörlü akımlar çekilmesini sağlayarak yükün reaktif güç talebini karşılayıp harmonikleri yok etmektir.. DENETİM SİSTEMİ ktif Güç Filtresi (GF) denetimi için önerilen denetim sisti blok diyagramı Şekil 'de görülmektedir. Kaynak akımının referans bileşeni (I smd), D taraftaki kondansatör kapasitesi ( dc ), D taraftaki ortalama gerilim (v dc ) ve D taraf için seçilen bir referans gerilim (v dc) kullanılarak hesaplanmaktadır. Yük akımlarının tel aktif güç bileşeni (I smp) algılanan yük akım ve gerilimleri

2 kullanılarak hesaplanmaktadır. Toplam referans kaynak tepe akımı (I sm), I smd ve I smp bileşenleri kullanılarak hesaplanmaktadır. Referans anlık kaynak akımları da (i sa, i sb, ve i sc), bunların tepe değerleri (I sm) ve algılanan kaynak gerilimlerinden türetilen birim akım şablonları (u sa, u sb ve u sc ) kullanılarak hesaplanmaktadır. GF referans akımları (i ca, i cb ve i cc), anlık kaynak referans akımları (i sa, i sb, ve i sc) ve algılanan yük akımları (i La, i Lb, ve i Lc ) arasındaki farklar dikkate alınarak bulunmaktadır. GF tetikle sinyallerinin üretilmesi için, histerisiz ve taşıyıcısız PWM akım denetleyici, GF referans akımlar (i ca, i cb ve i cc) ve algılanan GF akımları (i ca, i cb ve i cc ) arasına uygulanmaktadır. GF anahtarları Güç Sist lok setinde IGT anahtarlar olarak alınmaktadır. GF'e seri bağlanan endüktans değeri (L c ) kompanzasyon akımlarının uygun şekil alması için seçilmiştir. L c endüktans değeri yüksek seçilirse, kompanzasyon akımları referans akımları izleyez ve eğer düşük seçilirse de kompanzasyon akımlarında yüksek dalgalanmalar görülmektedir. GF böylece lokal olarak yük akımlarının harmonik ve reaktif bileşenlerini karşılayarak sistin işletim şartlarının değişimleri karşısında sinüzoidal bir güç ve ideal bir güç faktörü sağlamaktadır []... Tepe Kaynak kım Hesaplaması Tepe kaynak akımı (I sm) aşağıdaki gibi iki bileşenden oluşmaktadır. Yüke (I smp) bağlı kaynak aktif bileşeni, ortalama yük gücünden (P s )hesaplanmaktadır. nlık güç () denkli ile elde edilmektedir. p L = vsa.i La vsb.i L b vsc. i Lc () Denkldeki i La, i Lb ve i Lc değerleri, üç fazlı algılanan yük akımları ve v sa, v sb ve v sc ise ideal şartlarda aşağıdaki () denkli ile ifade edilebilen algılanan üç fazlı kaynak gerilimleridir. vsa sin ωt vsb sin( ωt π / ) vsc sin( ωt π / ) () () denklindeki sm, kaynak geriliminin tepe değeri, ω ise şebeke geriliminin (rad/sn) cinsinden frekansıdır. dc dc D ara Enerji ileşeni ile Kaynak kım Hesaplama I sm I sm v sa v sb v sc Kaynak Referans kım Hesabı i La i Lb i Lc nlık ortalama yük gücünü kullanarak kaynak akımının aktif bileşen hesabı I sm GF kım Hesabı Histerisiz akım denetleyici v sa v sb v sc v dc GF Kaynak Şekil. GF denetim sisti blok diyagramı... naliz ve Modelle Tüm sist; kaynak, doğrusal olmayan yük (R yüklü bir doğrultucu), GF ve önerilen denetim sistinden meydana gelmektedir. Simülasyon için komple bir model geliştirmek üzere tüm sist bileşenleri aşağıda ayrı ayrı analiz edilmektedir. Denetim sistinin çalışması giriş bölümünde açıklandığı gibi aşağıda eşitlikler ile ifade edilebilir. Doğrusal olmayan yük Eğer yük gücü (P L ), kaynak frekansının periyodunun altıda birine ortalanırsa ortalama yük gücü (P s ) aşağıdaki gibi elde edilir. P s = (/ )smi smp () Dengeli güç faktörü kaynak akım bileşeni (I smp), () denkli ile güç ve gerilim değerleri kullanılarak elde edilmektedir. I smp elde edilmesi için kullanılan blok diyagram Şekil 'de verilmektedir.

3 Kaynak akımının ikinci bileşeni (I smd), GF'de anahtarlama, omik ve kondansatör kayıplarını karşılamak ve D taraftaki gerilimi sabit tutmak içindir. I smd akımı hesaplaması için referans bir D taraf ortalama gerilim değeri (v dc ) tayin edilir. Gerçek D gerilimi örneklesi ile ortalama değeri (v dc ) kaynak frekansı periyodunun altıda biri (T x ) oranında hesaplanır. T x süresince, v dc ve v dc değerine karşılık gelen enerji farkı () denkli ile hesaplanabilir. ( dc ) / edc = e dc edc = dc dc () GF aynı aralıkta (Tx), bu enerji farkını ( e dc ) dengeli güç faktörü ve I smd tepe değeri ile şebekeden çekmeye çalışır. u enerji ilişkisi de aşağıdaki (5) denkli ile ifade edilmektedir. edc = smi smd Tx (5) I smd değeri (5) denkli ile elde edilmektedir. v dc iyi seçildiğinde, kararlı hal işletiminde v dc hiçbir zaman v dc değerine eşit olamaz fakat I smd akım değeri GF kayıpları için gerekli olan sabit bir değere oturacaktır. Geçici rejim şartlarında I smd GF ve yük arasındaki enerji alışverişi tarafından belirlenen pozitif veya negatif bir değer alabilecektir.. I smd elde edilmesi için kullanılan blok diyagram Şekil 'de verilmektedir. I Pinst Pmean Discrete phase Total Power Şekil. I smp hesaplama blok diyagramı. K Kazanc=(/)(/sm) Ismp yukarıdaki iki akımın toplamı şeklinde bulunmaktadır. I sm = I smp I smd (6).. Kaynak Referans kımları Harmoniksiz dengeli güç faktörlü üç fazlı kaynak akımları, kaynak gerilimi fazında ve hesaplanan tepe değerler ile birim akım şablonları kullanılarak belirlenebilir. Denkl () den türetilen birim akım şablonları aşağıdaki (7) denkli ile bulunabilir. u sa = vsa ; u sb = vsb ; u sc = vsc (7) Üç fazlı referans kaynak akımları aşağıdaki gibi bulunur. Şekil 'de referans kaynak akım hesaplama blok diyagramı görülmektedir. i sa sa ; i sb sb ; i sc sc.. GF Referans kımları (8) Üç fazlı GF referans akımları, (8) denklindeki referans kaynak akımları ve algılanan yük akımları kullanılarak (9) denkli ile bulunmaktadır. Şekil 5'de GF referans akım hesaplama blok diyagramı görülmektedir. s Ism K /sm In Mean u Isb dc Discrete Mean value Math Function K (/)6(/sm) K (5e6)/ Ismd Isc 5 u Sabit Math Function Şekil. I smd hesaplama blok diyagramı. () ve (5) denklleri ile elde edilen toplam kaynak referans tepe akımı aşağıdaki (6) denkli ile Şekil. Kaynak referans akım hesaplama. i ca = i sa i La ; i cb = i sb i Lb ; (9) i cc = i sc i Lc

4 IL Isb Isc Ica Icb Icc. SİMÜLSYON SONUÇLRI Histerisiz bant karşılaştırıcı ile yapılan denetim sisti ile alınan simülasyon sonuçları aşağıdaki şekillerde verilmektedir. Şekil 7'de üç fazlı doğrultucu çıkışına omikkapasitif yük bağlandığında GF bağlı olmadan gerilim ve akım dalga şekilleri görülmektedir. Doğrultucu kaynaktan doğrusal olmayan bir akım çekmektedir. Şekil 8'de ise kompanzasyon yapıldıktan sonraki şebeke akım ve gerilim dalga şekilleri görülmektedir. u sırada GF nin siste verdiği akım dalga şekli Şekil 9 da verilmektedir. Tüm sistin simülasyon blok diyagramı Şekil da görülmektedir. Şekil 5. Referans akım hesaplama..5. Histerisiz Tabanlı kım Denetleyici 8 6 Histerisiz tabanlı akım denetleyici, aşağıda açıklanan mantık ile GF anahtarlama fonksiyonlarını belirlektedir. una göre; Eğer i ca < (i ca hb) a kolu için üst anahtar açık ve alt anahtar kapalıdır (S=). Eğer i ca > (i ca hb) a kolu için üst anahtar kapalı ve alt anahtar açıktır (S=). Diğer b ve c fazları için S ve S anahtarlama fonksiyonları, bu fazlara karşılık gelen referans ve algılanan akımlar ile histerisiz bant kullanılarak benzer biçimde bulunmaktadır. Eğer i cb < (i cb hb) b kolu için üst anahtar açık ve alt anahtar kapalıdır (S=). Eğer i cb > (i cb hb) b kolu için üst anahtar kapalı ve alt anahtar açıktır (S=). Eğer i cc < (i cc hb) c kolu için üst anahtar açık ve alt anahtar kapalıdır (S=). Eğer i cc > (i cc hb) c kolu için üst anahtar kapalı ve alt anahtar açıktır (S=). Histerisiz tabanlı akım denetleyici ile GF anahtarlama fonksiyonlarını belirleyen akım regülatörü bloğunun içini gösteren blok diyagram Şekil 6'da verilmektedir Şekil 7. R yüklü doğrultucu akımı x Şekil 8. Kompanze edilen omik yüklü doğrultucu şebeke akım ve gerilimi. 8 x 6 Ic Mu Pulses Ic 6 Şekil 6. Histerisiz tabanlı akım denetleyici x Şekil 9. GF kompanzasyon akımı.

5 Gerilim Kaynagi Gerilim Kaynağ i Yük I Universal ridge i urrent Measurent R Scope Kaynak I v oltage Measurent LR Toprak Phase Series RL Gerilim Kaynağ i L connector Discrete syst Ts=e6 F I pulses GSK Out I L connector Ism p In Out v dc oltage Measurent Ism d Out Ism Out Out In Out In Out In I Out lt sist urrent Regulator Pulses Scope Şekil. Tüm sistin simülasyon blok diyagramı. Şekil de doğrultucu çıkışı sadece omik bir yüke bağlandığı durumdaki yük akımı dalga şekli görülmektedir. Şekil de kompanzasyon sonrası kaynak akım ve gerilim değişimi görülmektedir. Şekillerden yükün çektiği akımın GF ile h reaktif güç h de harmoniklerini yok edildiği açıkça görülmektedir. 5 6 x Şekil. Omik yüklü doğrultucu akımı Şekil. Kompanzasyon sonrası kaynak akım ve gerilimi. x 5. SONUÇLR u çalışma paralel bağlı bir aktif güç filtresi için geliştirilen denetim algoritmasının geçerliliğini göstermektedir. GF önerilen denetim algoritması ile, sist verimini arttırarak, yük akımının harmonik ve reaktif akım bileşenlerini yok ederek, şebekeden dengeli bir güç faktörü ile sinüs şeklinde bir akım çekilmesini sağlamaktadır. Geçici rejim durumlarında bile şebeke akımı kararlılığını korumaktadır. Önerilen algoritmanın deneysel çalışmaları halen sürmektedir. Test sonuçları daha sonraki çalışmalarda verilecektir. 6. TEŞEKKÜR u çalışma Kocaeli Üniversitesi raştırma Fonu / nolu proje kapsamında desteklenmektedir. KYNKLR [] Singh,., Haddad K., handra,., New ontrol pproach to ThreePhase ctive Filter for Harmonics and Reactive Power ompensation, IEEE Trans. on Power Systs, ol., No. pp 8, 998. [] kagi, H., Nabae,., toh, S., ontrol Strategy of ctive Power Filters Using Multiple oltage Source PWM onverters. IEEE TRNS. INDUSTRY PPLITIONS ol., pp. 665, 986. [] fonso, J., vd., ctive Filters with ontrol ased on the pq Theory. IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, ol.7, No., Page(s): 5,. [] Hingorani, N. G. ; Gyugyi L., Understanding FTS. IEEE Press. New York,. [5] Özdir, E. d., The Simulation of Fuzy Logic ased dvanced Static ar ompensator in MTL, PIM Power Quality onference, pp:555.