Farklı Dinamik Derece Modelindeki Senkron Generatörlerin Geçici Durumlarda Rüzgar Santrali Üzerindeki Etkileri

Transkript

1 Farklı Dinamik Derece Moelineki Senkron Generatörlerin Geçici Durumlara Rüzgar Santrali Üzerineki Etkileri * 1 Mehmet Kenan Döşoğlu, 1 Uğur Güvenç, 2 Gökhan Poyraz ve 3 Bayram Küçük * 1 Teknoloji Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühenisliği Düzce Üniversitesi, Türkiye 2 Mühenislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühenisliği, Bilecik Şeyh Eebali Üniversitesi, Türkiye 3 Bilişim Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Türkiye Özet Yapılan bu çalışmaa, IEEE 14 baralı güç sistemine kullanılan senkron generatörlerin farklı inamik erece moellemeleri ile geçici kararlılık urumları incelenmiştir. Ayrıca generatör baralarına bağlı olan Çift Beslemeli Asenkron Generatör (ÇBAG) en oluşan rüzgar santralinin geçici urum cevapları inamik erece moellerine bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Senkron generatörlerin inamik moellemesine 3. ve 6. erece moelleri kullanılmıştır. Benzetim çalışması Güç Sistemleri Analizi Programı (PSAT) a gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışma sonucuna, senkron generatörlerin erece moellerinin geliştirilmesi ile sistemin kısa zaman içine kararlı hale geliği, osilasyonların azalığı ve benzetim çalışması performansının arttığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Senkron generatör, ÇBAG, erece moelleri, PSAT The Impacts of Synchronous Generator with Different Dynamic Orer Moel in Win Farm uring Transient Stability Abstract In this stuy, transient stability conitions of synchronous generators with ifferent orer moels use in IEEE 14 were investigate. In aition, win farms consisting of DFIG connecte to generator bus transient responses were compare with the ynamic orer moels. 3r an 6th moels of synchronous ynamic moeling were use. Simulation stuy was conucte in Power Systems Analysis Program (PSAT) environment. As a result of stuies, the orer of the system with the evelopment of synchronous generator moel became stable in a short time, an it was observe that the oscillations increase an ecrease the performance of simulation stuy. Key wors: Synchronous generator, DFIG, orer moels, PSAT 1. Giriş Son yıllara fosil yakıtların fiyatınaki yükselmeler ve kullanımının sınırlı hale gelmesinen olayı yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmeler başlamıştır. Bunlaran en önemlisi rüzgar enerjisiir. Rüzgar enerjisinen elektrik enerjisine önüşümüne kullanılan rüzgar santrallerinin şebeke entegrasyonun sağlanması, güç sistemlerinin çalışma sınırlarının genişletilmesi açısınan olukça önemli bir hal almaktaır. Rüzgar santraline aktif güç ve moment kontrolü iğer *Corresponing author: Aress: Faculty of Technology, Department of Electric-Electronic Engineering Duzce University, 8162, Duzce TURKEY. aress: kenanosoglu@uzce.eu.tr, Phone: Fax:

2 M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain 358 asenkron generatörlere göre aha iyi olan ÇBAG tercih eilmekteir. Şebeke tarafınaki geçici urumların rüzgar santrali üzerineki etkileri ile ilgi literatür çalışmaları mevcuttur. Şebeke tarafınaki engeli ve engesiz arızalar gibi olumsuz urumlaran rüzgar santraline kullanılan ÇBAG olukça etkilemekteir. [1-3]. ÇBAG en oluşan rüzgar santralinin şebekeye bağlı olarak çalışmasına üzerine urulan konularan biri e statik ve inamik yük eğişimleriir. Statik ve inamik yüklerin ÇBAG üzerine oluşturuğu etkiler incelenmiştir [4-5]. Çok baralı güç sistemine yük baralarınaki belli yük eğişimlerinin rüzgar santralineki analizleri yorumlanmıştır [6-7]. Generatör barasına bağlı olan rüzgar santraline sistemin küçük sinyal kararlılığı analizi incelenmiştir. Ayrıca farklı generatör baralarına bağlanan ÇBAG ün özeğer analizleri incelenmiştir [8-9]. Güç sistemlerine geçici kararlılık urumlarına senkron generatör ünitesine güç sistem kararlılık ünitesi kullanılmaktaır. Farklı kontrol yapılarınaki bu ünitenin ÇBAG üzerineki etkileri üzerine urulmuştur [1-11]. Senkron generatörün farklı stator ve rotor moellerinin geliştirilmesi ile ÇBAG kullanılığı ve kullanılmaığı urum karşılaştırılması yapılmıştır [12-13]. Yapılan bu çalışmaa çok baralı güç sistemine senkron generatörün farklı inamik moellemeleri yapılmıştır. Bu farklı inamik moellerin ÇBAG ün kullanılığı urumlaraki etkileri incelenerek, geçici urumlaraki zaman cevapları etaylı olarak karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışma sonucuna erece moelinin artışı hem benzetim çalışmasının performansını hem e sistemin kısa süree kararlı hale geliğini göstermiştir. 2. Senkron Generator Moelleri Senkron generatör moellerine 3. ve 6. inamik erece moelleri kullanılmıştır. 3. inamik erece moeline tüm q ekseni elektromanyetik evreleri ihmal eilmiştir ve ekseni enüktansı transfer fonksiyon içerisine kullanılmıştır. 3. inamik erece moeli üç eğişkenle tanımlanmaktaır. Bunlar açı, açısal hız ve q eksen geçici gerilim kaynağıır. Açı, açısal hız ve q eksen geçici gerilim kaynağı Eş. 1 ve Eş. 3 te gösterilmiştir. ( 1) (1) f b ( P P D( 1)) / M (2) m e e ( f e x x i v ) / T (3) ' ' ' * ' q s q f 6. inamik erece moeline eksenine bir evre ve q eksenine iki evrenin ilave eilmesi ile ele eilmekteir. 6. inamik erece moeli altı eğişkenen oluşmaktaır. Bunlar; açı, açısal hız, q eksen geçici gerilim kaynağı, eksen geçici gerilim kaynağı, q eksen alt geçici gerilim kaynağı, eksen alt geçici gerilim kaynağıır. 6. inamik erece moelinin ele eilmesine kullanılan eşitlikler Eş. 4 ve Eş. 9 a verilmiştir. ( 1) (4) f b ( P P D( 1)) / M (5) m e

3 M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain 359 '' '' ' * ' ' ' T ' (1 / ) x TAA T v f eq eq x x ' ' x x i ' T x T '' '' ' ' ' T q xq ' ' e fs( e x ' ' ) / q xq xq xq i q Tq Tq xq '' '' T x TAA e e e x x ' ' x x i v / ' T T x T '' '' '' '' ' ' '' T q xq ' ' e e e x ' ' / q xq xq xq i q Tq Tq xq '' '' ' ' '' ' * '' q q q f (6) (7) (8) (9) Buraa, f b temel frekans, P m mekanik güç, M moment, D sönümleme katsayısı, x an x q -q eksen senkron reaktanslar, x an x q -q eksen senkron geçici reaktanslar, x an x q -q eksen senkron alt geçici reaktanslar, T an T q -q eksen açık evre geçici zaman sabiti, T an T q -q eksen açık evre alt geçici zaman sabiti, T AA -q eksen ilave kaçak zaman sabiti, i an i q -q eksen akımı, δ rotor açısı, w rotor hızı, v f alan gerilimi, e an e q -q eksen geçici gerilim kaynağı, e an e q -q eksen alt geçici gerilim kaynağıır[14]. 3. Çift Beslemeli Asenkron Generatör (ÇBAG) Moeli ÇBAG ün evre moeli Şekil 1 e gösterilmiştir. ÇBAG Şebeke Rotor tarafı evirici DC bara Şebeke tarafı evirici Koruma ünitesi Şekil 1. ÇBAG evre moeli ÇBAG temel olarak bir işli kutusu, bir generator ve bir şebeke-rotor evirici evresinen oluşmaktaır. ÇBAG stator kısmı irek olarak şebekeye bağlanırken, rotor kısmı arka arkaya bağlı evirici evresi sayesine şebekeye bağlanmaktaır. Arka arkaya bağlı evirici evresi generatörün eğişik hızlara çalışmasına izin vermekteir. ÇBAG rüzgar hızının çok az oluğu

4 M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain 36 veya çok oluğu urumlara belli bir seviyeye kaar çıkış gücünü sabit tutma avantajına sahiptir. Seviye sınırlarının ihmal eilmesi urumuna rotor tarafınaki evirici evresine bulunan crowbar ünitesi sayesine rüzgar santrali şebekeen ayrılır. ÇBAG ün stator ve rotor evresi matematiksel moellemesine -q eksen stator ve rotor gerilimleri kullanılmaktaır. D-q eksen stator ve rotor gerilimleri Eş. 1 Eş. 13 te verilmiştir.. vs Rsis wsqs s t (1) vqs Rsiqs wss qs t (11) vr Rrir swsqr r t (12) vqr Rriqr swsr qr t (13) ÇBAG stator ve rotor akı eşitlikleri Eş. 14 Eş. 17 e verilmiştir. ( L L ) i L i (14) s s m s m r ( L L ) i L i (15) qs s m qs m qr ( L L ) i L i (16) r r m r m s ( L L ) i L i (17) qr r m qr m qs Bu eşitliklere; v s, v r, v qs, v qr,-q stator ve rotor gerilimleri, i s, i r, i qs, i qr, -q stator ve rotor akımları, λ s, λ r, λ qs, λ qr, -q stator ve rotor kaçak akıları, w s açısal hız, s kayma, R s ve R r, -q stator ve rotor irençleri, L s an L r, -q stator ve rotor enüktansları, L m, manyetik enüktansır [15]. 4. Benzetim Moeli Yapılan çalışmaa IEEE 14 baralı güç sistemi üzerine test eilmiştir.ve Güç Sistemleri Analizi Programı (PSAT) ile gerçekleştirilmiştir [16]. Oluşturulan 14 baralı güç sisteminin evre moeli Şekil 2 e gösterilmiştir.

5 M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain 361 Şekil 2. IEEE 14 bus baralı güç sistemi 14 baralı bu güç sistemine 1 numaralı bara sonsuz bara olarak kullanılırken, 2, 3, 6 ve 8 numaralı baralar generatör barası olarak kullanılmıştır. Diğer geri kalan 9 bara ise yük barası olarak kullanılmıştır. Bu sistemin 4-7, 4-8 ve 4-9 iletim hatlarına gerilimi üşüren transformatörler kullanılmıştır. 4-7 ve 4-9 nolu iletim hatları arasınaki transformatörlere kaeme eğiştirme ve faz kayırma işlemleri yapılmaktaır. Generatör baralarına generatörlerin güç kontrolünü sağlamaa otomatik gerilim regülatörü kullanılmıştır. 2 numaralı generatör barasına ayrıca 3 MVA gücüne ÇBAG en oluşan rüzgar santrali bağlanmıştır. Analizi yapılacak olan bu güç sistemine 2 ve 4 numaralı baralar arasına kesicinin yanlış koorinasyon sonucu açma kapama işlemi gerçekleşmiştir. Kesicinin açma kapama süresi 1 saniye ile 1.3 saniye arasına meyana gelmiştir. Benzetim çalışması iki aşamaan oluşmaktaır. İlk aşamaa kesici açıp kapama işlemine senkron generatörlere 3. inamik erece moeli kullanılmıştır. İkinci aşamaa ise aynı açma kapama işlemi için 6. inamik erece moeli kullanılmıştır. 5. Benzetim Moeli Sonuçları 3 MW lık ÇBAG lerin 3 numaralı baraya bağlı olması esnasına 2 ve 4 baralar arasınaki saniyeler arasına açılıp kapanması urumlarına 3 numaralı senkron generatörün açısal hızı, açısı ve bara gerilim eğişimi Şekil 3-Şekil 6 a gösterilmiştir.

6 Senkron generatör açı eğişimi (p.u.) Senkron generatör açısal hız eğişimi (p.u.) M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain inamik moel 3. inamik moel Şekil 3. 3 numaralı baraya bağlı senkron generatör açısal hız eğişimi inamik moel 3. inamik moel Şekil 4. 3 numaralı baraya bağlı senkron generatör açı eğişimi

7 Senkron generatör aktif güç eğişimi (p.u.) Generatör bara gerilimleri (p.u.) M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain inamik moel 3. inamik moel Şekil 5. Senkron generatörün farklı inamik moellere 3 numaralı bara gerilim inamik moel 3. inamik moel Şekil 6. Senkron numaralı baraya bağlı senkron generatör aktif güç eğişimi Farklı inamik erece moeline senkron generatörün açısal hız eğişiminin p.u., açı eğişiminin p.u. arasına, bara geriliminin p.u. arasına, senkron generatör aktif güç eğişiminin p.u. arasına oluğu gözlemlenmiştir. 3. inamik erece moeline sistem parametreleri kararsız uruma iken 6. inamik erece moeline sistemin yaklaşık olarak 5 saniye sonra kararlı hale geliği görülmüştür. 2 ve 4 baralar arasınaki saniyeler arasına açılıp kapanması urumlarına ÇBAG lerin açısal hızı ve açı eğişimleri Şekil 7-Şekil 8 e gösterilmiştir.

8 ÇBAG açı eğişimi (p.u.) ÇBAG açısal hız eğişimi (p.u.) M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain inamik moeli 3. inamik moeli Şekil 7. ÇBAG açısal hız eğişimi inamik moel 3. inamik moel Şekil 8. ÇBAG açı eğişimi 3. inamik erece moeline ÇBAG açısal hız eğişiminin 1-3 p.u. arasına, ÇBAG -18 p.u. arasına oluğu görülmüştür. 6. inamik erece moeline ÇBAG açısal hız eğişiminin 1-2 p.u. arasına, ÇBAG -9 p.u. arasına oluğu görülmüştür. Sonuçlar Çok baralı güç sistemine senkron generatörlerin farklı inamik erece moellemeleri ile hem güç sistemi üzerine heme ÇBAG en oluşan rüzgar santrali üzerine oluşturmuş oluğu etkiler bu çalışmaa incelenmiştir. Senkron generatörlerin 3. inamik erece moeline kesici açma kapama işlemine oluşan kararsızlık urumuna yetersiz kalığı görülmüştür. Senkron generatörlerin 6. inamik erece moeline kesici açma kapama işlemine oluşan kararsızlık urumunu kısa süre içerisine kontrol etmee başarılı olmuştur. ÇBAG en oluşan rüzgar santralinin 6. inamik erece moeline kararlı hale geliği görülmüştür. Özelliklee kesici açma

9 M. K. DOSOGLU et al./ ISITES215 Valencia -Spain 365 kapama işlemine geçici kararsızlık urumuna senkron generatör parametrelerinen olan aktif güç en fazla etkilenen parametre olmuştur. Senkron generatöre oluğu gibi ÇBAG e e açı en fazla etkilenen parametre olmuştur. Kaynaklar [1] Leesma P, Usaola J. Doubly fe inuction generator moel for transient stability analysis. IEEE T Energy Conver 25; 2:2, [2] Luna A, Lima FDA, Santos D, Roríguez P, Watanabe EH, Arnaltes S. Simplifie moeling of a DFIG for transient stuies in win power applications. IEEE T In Electron 211; 58:1, 9-2. [3] Qiao W, Ronal GH. Effect of gri-connecte DFIG win turbines on power system transient stability. IEEE Power Energy Society General Meeting-Conversion an Delivery of Electrical Energy in the 21st Century 28; 1-7. [4] Boemer JC, Maeleine G, Wil LK. Dynamic moels for transient stability analysis of transmission an istribution systems with istribute generation: an overview. IEEE PowerTech Conferences 29; 1-8. [5] Ren MH, Ji LW, Jin M, Yan HX, Dong H. Impacts of DFIG-base win farm on loa moeling. IEEE Power Energy Soc Gen Meet 29; 1-6. [6] Shi L, Dai S, Ni Y, Yao L, Bazargan M. Transient stability of power systems with high penetration of DFIG base win farms. IEEE Power Energy Soc Gen Meet 29; 1-6. [7] Döşoğlu MK, Arsoy AB. Moeling an simulation of static loas for win power applications. Neural Comput Appl 214; 25:5, [8] Yang L, Xu Z, Østergaar J, Dong ZY, Wong KP, Ma X. Oscillatory stability an eigenvalue sensitivity analysis of a DFIG win turbine system. IEEE T Energy Conver 211; 26:1, [9] Fernanez RD, Mantz RJ, Battaiotto PE. Impact of win farms on a power system. An eigenvalue analysis approach. Renew Energ 27; 32:1, [1] Xu L, Cartwright P. Direct active an reactive power control of DFIG for win energy generation. IEEE T Energy Conver 26; 21:3, [11] Hughes FM., Anaya-Lara O, Jenkins N, Strbac G. Control of DFIG-base win generation for power network support. IEEE T Power Syst 25; 2:4, [12] Rahimi M, Parniani M. Efficient control scheme of win turbines with oubly fe inuction generators for low-voltage rie-through capability enhancement. IET Renew Power Gen 21; 4:3: [13] Ekanayake JB, Holsworth L, Jenkins N. Comparison of 5th orer an 3r orer machine moels for oubly fe inuction generator (DFIG) win turbines. Electr Pow Syst Res 23; 67:3, [14] F. Milano, Available: Documentation for PSAT version [15] Krause PC, Oleg W, Scott D. Analysis of Electric Machinery an Drive Systems, 2en. e., Ieee Press, New York USA: Piscataway NJ John Wiley Sons; 22. [16] Milano F. An open source power system analysis toolbox, IEEE T Power Syst 25; 2:3,