ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNDE SERİ KAPASİTÖRLERİN GERİLİM KARARLILIĞI AÇISINDAN SİSTEM BÜYÜMELERİNE ETKİLERİ

Transkript

1 ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNDE SERİ KPSİTÖRLERİN GERİLİM KRRLILIĞI ÇISINDN SİSTEM BÜYÜMELERİNE ETKİLERİ Faruk YDIN Yılmaz UYROĞLU 2 M. li YLÇIN 3 Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye faruk_aydin@ymail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye uyaroglu@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye yalcin@sakarya.edu.tr ÖZET Mevcut güç sistemlerinin en iyi Ģekilde iģletilmesi kadar, gelecekte sistemlerde meydana gelebilecek geliģ melerin planlanması da oldukça önemlidir. ġebekelerdeki genel enerji durumunu tanıyabilme, hat kayıpları hakkında bilgi edinme, Ģebekelerin herhangi bir noktasındaki güç değerleri hakkında bilgi edinme için mutlak surette yük akıģı hesaplarının yapılması gerekmektedir. ġebekenin optimum iģletmesi için yük akıģı analizlerinin yapılması bir zorunluluktur. Yük akıģ analizi etütlerinde elde edilen baģlıca bilgiler, her barada geriliminin genliği, faz açıģı ve her hatta akan aktif ve reaktif güçlerdir. Önceleri güç sistemi analizleri ve dolayısıyla yük akıģ analizleri a.c. hesap boardları ile yapılırdı. Bu iģlem oldukça can sıkıcı ve zaman alıcıydı. Bilgisayarlardaki hızlı geliģ melerin sonucu olarak eskiden kullanılan analiz metotları yerlerini bilgisayar analiz metotlarına bırakmak zorunda kalmıģtır. Bilgisayarların sürati, güvenirliği ve yüksek hassasiyeti, kısa zamanda güç sistemlerinin analizinde ve bilhassa yük akıģ analizinde en fazla kullanılan araç haline gelmelerine sebep olmuģtur. Burada da Powerworld[] programı kullanılarak seri kapasitör kullanımının enerji iletim sistemlerindeki etkileri incelenmiģ 7 baralı bir sistemde örnek uygulamalar yapılmıģtır. nahtar Kelimeler: Seri kapasitör, yük akıģı, gerilim kararlılığı, Powerworld.GİRİŞ Bu çalıģ mada örnek iletim bölgeleri tasarlanarak seri kapasitörün devreye alınma öncesi ve sonrasına göre karģılaģtırmalar yapılmıģtır. Bu karģılaģtırmalarda aģırı yüklenmeler sonucu baralarda, iletim hatlarında generatör ve yüklerdeki artıģlar incelenmiģtir. Örnek olarak 2. baradaki mevcut sistem gücündeki değiģiklikler incelenmiģtir. Sistemdeki tüm gerilimler salınım barasının gerilimi referans alınarak hesaplanır. Yük akıģı probleminin 47 bilgisayarda çözümü matematik yönünden kesindir. Hesaplama hassasiyeti limitleri içinde kesin çözüm elde edilebilir.[2] 2.GERİLİM KONTROL YÖNTEMLERİ Gerilim seviyelerinin kontrolü sistemde bütün seviyelerde reaktif güç akıģı, üretimi ve çekiģi kontrol edilerek sağlanır. Gerilimi kontrol etmek için kullanılan ilave cihazlar elektrik enerji sistemlerinin bütününde yer alır. ġönt kapasitör, seri kapasitör, Ģönt reaktör v.b. ġönt kapasitör ve seri kapasitörler pasif kompanzasyonu sağlarlar. Bunlar gerilim kontrolüne Ģebeke karakteristiklerini düzelterek katkı sağlarlar. 2..Seri Kapasitör Seri kapasitörler hattın endüktif reaktansını kompanze etmek için (hattın empedansını küçültmek için) kullanılan hat iletkenine seri bağlanırlar. Bu hatta bağlanan baralar arasındaki dönüģüm reaktanslarını azaltır, iletilen maksimum gücü arttırır ve etki reaktif güç kaybını azaltır. Kondansatörün kapasitif reaktansı, hattın endüktif reaktansını azaltmaya çalıģır. Seri kapasitörler genellikle gerilim kontrolü için tesis edilmedikleri halde, reaktif güç dengesinin ve gerilim kontrolünün sağlanmasına katkıda bulunurlar. Seri kapasitörlerle üretilen reaktif güç iletilen güçle doğru orantılı olarak artar. 2...Besleme hatlarına uygulanması Seri kapasitörler 930 dan beri endüstriyel besleme hatlarının ve dağıtımın gerilimini düzeltmek üzere uygulanır. Kaynak ve ark fırınları aralıklarla talep edilen ve güç faktörü düģük olan yüklerdir. Seri kapasitörler sadece sürekli durumda gerilim düģümünü azaltmaz, aynı zamanda yük akımındaki değiģimlere de eģzamanlı olarak cevap veririler. Seri kapasitör, güç kaynağı ve düzensiz değiģen yük arasındaki empedansı azaltarak zayıf flicker sorunlarını etkin olarak çözer. Endüstriyel dağıtım hattı uygulamalarında sistemin arıza akımlarından

2 kapasitörleri korumadaki güçlük nedeniyle seri kapasitörler günümüzde fazla kullanılmamakta ancak enerji iletim sistemlerinde sıkça uygulanmaktadır.[3] 3.Hattın /3 veya /4 noktalarına: Kompanzasyon modelinin etkinliği ilgili Ģönt reaktörlerin ve seri kapasitörlerin yerleģtirilmesine bağlıdır. 2..2Enerji iletim hatlarına uygulanması Seri kapasitörler uzun iletim hatlarının ekonomik yüklenmesine izin verdiği için, bunların yüksek gerilim iletim sistemlerinde uygulaması geliģmiģtir.[4] Bunlar önceleri sistem kararlılığını düzeltmek ve paralel hatlar arasındaki istenen yük paylaģımını elde etmek için kullanılmıģtır. Hattın tam kompanzasyonu asla göz önüne alınmaz. %00 kompanzasyonda etkin hat reaktansı sıfır olacaktır ve hat akımı güç akıģı uç gerilimlerinin bağıl açılarındaki değiģimlere önemli ölçüde duyarlı olacaktır. Seri kompanzasyonun derecesine pratik üst sınır %80 civarındadır. Seri kapasitör grubu teorik olarak hat boyunca her yere yerleģtirilebilir. Bölgelendirmenin seçimini etkileyen faktörler maliyet, kolay devreye alınma, arıza seviyesi, koruma rölesi akımları, gerilim profili ve güç transferi özelliğini düzeltmedeki etkinliktir. Ģağıdaki durumlar bölgelendirmede göz önüne alınmalıdır.. Hattın orta noktası: Kompanzasyon %50 den az ise, orta noktaya yerleģtirme, koruma ihtiyaçları daha az olacağından üstünlüğe sahiptir. yrıca, kısa devre akımı daha düģüktür yine de gözlemleme ve güvenilirlilik açısından çok uygun olduğu söylenemez. 2.Hat uçlarında: Kompanzasyonun iki kısma bölünmesi (Hattın uçlarına konacak Ģekilde bölünmesi) tesis hizmeti ve diğer açılardan kabul edilebilir bir durumdur. Sakıncası, daha yüksek hata akımı, karmaģıklaģ mıģ koruma ve daha yüksek değerli kompanzasyondur. ġekil 2. 2 baralı örnek sistem X=X L -X C (X L = 2X C olacak Ģekilde alınırsa) P m ax =P= U. 2 U X sin gereği ġekil 2. deki sisteme seri kapasitör eklenmesiyle hattan iletilen güç iki katına çıkarılabilir. Burada gerilimler arasında verilmiģ bir faz açısı için, seri kompanzasyon yapıldıktan sonra taģınan güç daha büyüktür. Gücün sınırını arttırmakla, geçici rejimler esnasında normal yük akıģı ve senkronizasyon yükünün akıģı kolaylaģtığı için kararlılığa da olumlu yönde etkisi olur. [5-9] 2.2 Benzetim çalışmaları Ġncelenecek sistemin seri kapasitör eklenmeden önceki durumu Ģekil 2.2 de gösterilmektedir. 02 MW 43 MW 4 MW MV 2 MV MV 4 MV 3 MW 3 95 MW 70 MW MV 79 MW MV 76 MW 39 MW MV,0 pu 4 ltı MV MV MV 20 MW MV ġekil 2.2 Örnek sistemin seri kapasitör eklenmeden önceki durumu 48

3 ġekil 2.3 Örnek sistemde seri kapasitör eklenmeden önce 2. baranın durumu ġekil 2.2 deki 7 baralı 5 generatör, 6 yük ve hattan oluģan örnek sistemde seri kapasitör eklenmeden önce sistemin durumu, çekilen aktif ve reaktif güçler, ġekil 2.3 de de 2. baranın ve bu baraya bağlı hattın yüklenme durumu sırasıyla görülmektedir.2. bara ile 5. bara arasına hattın endüktif reaktansının yarısı değerinde bir seri kapasitör yerleģtirilmiģtir. 7. bara salın ım barası o larak seçilmiģtir. 0 MW 43 MW 4 MW MV 2 MV MV 4 MV 9 MW 3 99 MW 68 MW 88% 88 MW MV 85 MW MV 43 MW MV 4 ltı MV MV 23 MW MV 23 MW MV 20 MW ġekil 2.4 Örnek sistemin seri kapasitör eklendikten sonraki durumu 49

4 MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV MV PU Volt PU Volt ġekil 2.5 Örnek sistemde seri kapasitör eklendikten sonra 2. baranın durumu ġekil 2.4 de örnek sistemin simülasyonu yapıldıktan sonra seri kapasitörün de devreye alınmasıyla (By pass konumundan Servis konumuna) beraber ġekil2.5 de de görüldüğü gibi 2. bara ile 5. bara arasındaki hattın taģıma kapasitesi arttırılmıģ bu da sistemin kararlılığını olumlu yönde etkilemiģtir. 02 MW ltı 43 MW 4 MW 2 70 MW 4 ġekil 2.6 Seri kapasitör eklenmeden önce hattın yüklenme durumu 3 MW 79 MW 77 MW 39 MW 3,0 pu 4 95 MW PWSIM V3 Educational, Optimal Power Flow (OPF), Security Constrained OPF (SCOPF), OPF Reserv es, vailable Transfer Capability (TC), PV and QV Curv es (PVQV); Build Haziran 5, 2008,04,02 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 0,78 0,76 0,74 0,72 0,7 0,68 0,66 0,64 0,62 0, Nominal Shift base case: () base case: (2) base case: (3) base case: (4) base case: (5) base case: ltı (6) base case: (7) Hat (Bara-Bara2): () Hat (Bara-Bara2): (2) Hat (Bara-Bara2): (3) Hat (Bara-Bara2): (4) Hat (Bara-Bara2): (5) Hat (Bara-Bara2): ltı (6) Hat (Bara-Bara2): (7) Hat (Bara2-Bara5): () Hat (Bara2-Bara5): (2) Hat (Bara2-Bara5): (3) Hat (Bara2-Bara5): (4) Hat (Bara2-Bara5): (5) Hat (Bara2-Bara5): ltı (6) Hat (Bara2-Bara5): (7) Hat (Bara2-Bara6): () Hat (Bara2-Bara6): (2) Hat (Bara2-Bara6): (3) Hat (Bara2-Bara6): (4) Hat (Bara2-Bara6): (5) Hat (Bara2-Bara6): ltı (6) Hat (Bara2-Bara6): (7) Hat (Bara3-Bara4): () Hat (Bara3-Bara4): (2) Hat (Bara3-Bara4): (3) Hat (Bara3-Bara4): (4) Hat (Bara3-Bara4): (5) Hat (Bara3-Bara4): ltı (6) Hat (Bara3-Bara4): (7) Hat (Bara4-Bara5): () Hat (Bara4-Bara5): (2) Hat (Bara4-Bara5): (3) Hat (Bara4-Bara5): (4) Hat (Bara4-Bara5): (5) Hat (Bara4-Bara5): ltı (6) Hat (Bara4-Bara5): (7) Hat (Bara7-Bara5): () Hat (Bara7-Bara5): (2) Hat (Bara7-Bara5): (3) Hat (Bara7-Bara5): (4) Hat (Bara7-Bara5): (5) Hat (Bara7-Bara5): ltı (6) Hat (Bara7-Bara5): (7) Hat (Bara6-Bara7)(): () Hat (Bara6-Bara7)(): (2) Hat (Bara6-Bara7)(): (3) Hat (Bara6-Bara7)(): (4) Hat (Bara6-Bara7)(): (5) Hat (Bara6-Bara7)(): ltı (6) Hat (Bara6-Bara7)(): (7) Hat (Bara6-Bara7)(2): () Hat (Bara6-Bara7)(2): (2) Hat (Bara6-Bara7)(2): (3) Hat (Bara6-Bara7)(2): (4) Hat (Bara6-Bara7)(2): (5) Hat (Bara6-Bara7)(2): ltı (6) Hat (Bara6-Bara7)(2): (7) ġekil 2.7 Seri kapasitör eklenmeden önce PV eğrileri,05 0 MW 43 MW 4 MW MW 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 ltı 68 MW 88% 87 MW MV 85 MW ġekil 2.8 Seri kapasitör eklendikten sonra hattın yüklenme durumu 20 MW 4 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0, Nominal Shift base case: () base case: (2) base case: (3) base case: (4) base case: (5) base case: ltı (6) base case: (7) Hat (Bara-Bara2): () Hat (Bara-Bara2): (2) Hat (Bara-Bara2): (3) Hat (Bara-Bara2): (4) Hat (Bara-Bara2): (5) Hat (Bara-Bara2): ltı (6) Hat (Bara-Bara2): (7) Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): () Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): (2) Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): (4) Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): (5) Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): ltı (6) (3) Hat (Bara2-Bara5)(Seri kap.): (7) Hat (Bara2-Bara5): () Hat (Bara2-Bara5): (2) Hat (Bara2-Bara5): (3) Hat (Bara2-Bara5): (4) Hat (Bara2-Bara5): (5) Hat (Bara2-Bara5): ltı (6) Hat (Bara2-Bara5): (7) Hat (Bara2-Bara6): () Hat (Bara2-Bara6): (2) Hat (Bara2-Bara6): (3) Hat (Bara2-Bara6): (4) Hat (Bara2-Bara6): (5) Hat (Bara2-Bara6): ltı (6) Hat (Bara2-Bara6): (7) Hat (Bara4-Bara5): () Hat (Bara4-Bara5): (2) Hat (Bara4-Bara5): (3) Hat (Bara4-Bara5): (4) Hat (Bara4-Bara5): (5) PWSIM V3 Educational, Optimal Power Flow (OPF), Security Constrained OPF (SCOPF), OPF Reserv es, vailable Transfer Capability (TC), PV and QV Curv es (PVQV); Build Haziran 5, 2008 ġekil 2.9 Seri kapasitör eklendikten sonra PV eğrileri 50

5 ġekil 2.6 ve ġekil 2.7 de örnek sisteme seri kapasitör eklenmeden önce hattın ve PV eğrilerinin durumu verilmektedir. ġekil 2.8 ve ġekil 2.9 da sisteme seri kapasitör eklendikten sonra hatta ve PV eğrilerinde oluģan değiģiklikler görülmektedir. Eklenen seri kapasitör sayesinde sistemin çökmeye gittiği kritik noktalarda bir iyileģ me oluģ muģ ve gerilim kararlılığına katkı sağlanmıģtır. EĢ yükselti eğrilerinde de görüldüğü gibi seri kapasitör eklendikten sonra hattın taģıma kapasitesi artmıģtır. 3.SONUÇLR DeğiĢik oranlarda seri kompanzasyon yapılmıģ bir sistemde, sürekli halde iletim hatlarının yük taģıma kapasitesinin arttığı, bara gerilimlerindeki salınımların istenen değerler arasında olduğu, generatörlerin rotor açılarındaki salınımların ise azaldığı, sistemin hem açısal hem de gerilim kararlılığının arttığı görülmüģtür. Reaktif güç kontrolü ile sistemin gerilim kararlılığının sağlanmasında, seri kompanzasyon sistemlerinin kullanılması, pratik ve ekonomik bir çözümdür. 4.KYNKLR [] [2] Paserba, J.J. How FCTS controllers benefit C transmission systems, Power Engineering Society General Meeting, IEEE, Vol.2, June 2004, pp: [3]Demirören.,Zeynelgil L. Elektrik enerji sistemlerinin kararlılığı, kontrolü ve çalıģ ması, sen Yayınevi, Ġstanbul 2004 [4]F.Garayar, M. Riccuci, nalysis of the Venezuelan Power System Loss Variation with the Series Compensation at S/S Tablazo out of Service 2006 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition Latin merica, Venezuela [5] Indulkar C.S., Vıswanathan B., Effect of Series Compensation on the Voltage Instability of EHV Long Lines, Electric Power System Research, 6, pp.85-9, 983 [6] Mıller T.J.E, Reactive Power Control in Electric Power Systems, John Wiley &Sons, Inc., 982 [7] Deterministic and Probabilistic pproach to Voltage Stability of Series Compensated EHV Transmission Lines, IEEE Transactions On Power pparatus and Systems, Vol. PS-02, No. 7, pp , July 983 [8] Indulkar C.S., Vıswanathan B., Venkata S.S., Reactive Power Constrained Loadability Limits of Series Capacitor Compensated EHV Transmission Lines, IEEE Transactions On Power [9]Yalçın M.., Enerji Sistemlerinde Gerilim Kararlılığının Yeni YaklaĢımla Ġncelenmesi, Doktora Tezi, ĠTÜ, E-E Fakültesi, Ġstanbul, 995 5