3-FAZLI 4-TELLİ SİSTEMLERDE BGKD İLE

Transkript

1 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gaz Unv. Clt 25, No 4, , 21 Vol 25, No 4, , 21 3-FAZLI 4-TELLİ SİSTEMLERDE BGKD İLE GÜÇ KALİTESİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ Metn KESLER* ve Engn ÖZDEMİR** *Blgsayar Mühendslğ Bölümü, Mühendslk Fakültes, Bleck Ünverstes, Gülümbe 112, Bleck **Elektrk Eğtm Bölümü, Teknk Eğtm Fakültes, Kocael Ünverstes, Umuttepe 4138, Kocael (Gelş/Receved: ; Kabul/Accepted: ) ÖZET Bu çalışmada, Brleşk Güç Kalte Düzenleycs (BGKD) le şebeke gerlm ve yük akım harmonklern düzelterek sstemn güç kaltes problemlernn yleştrlmes açıklanmaktadır. Brleşk güç kalte düzenleycs ortak br DC hattı paylaşan paralel ve ser aktf güç fltre sstemlernn brlkte kullanılması le oluşmaktadır. Paralel aktf güç fltres le akım harmonkler, yük akım dengeszlkler, reaktf güç ve nötr akımı kompansazyonu yapılmakta, ser aktf güç fltres le kaynak gerlm harmonkler, dengeszlkler ve gerlm çökme-yükselme gb güç kaltes problemler düzeltlmektedr. BGKD çn önerlen denetm algortmasının laboratuar ortamında uygulaması yapılmaktadır. Ayrıca Matlab/Smulnk yazılımı le önerlen denetm algortmasının smülasyonu yapılarak sstemn performansı ncelenmektedr. Önerlen BGKD denetm algortması güç dağıtım sstemndek ortak bağlantı noktasında güç kaltesn yleştrmektedr. Anahtar Kelmeler: Brleşk güç kalte düzenleycs, harmonkler, aktf güç fltres, güç kaltes. POWER QUALITY IMPROVEMENT WITH UPQC IN 3-PHASE 4- WIRE SYSTEMS ABSTRACT Ths paper presents a new control method to compensate source voltage and load current harmoncs and mprovement of power qualty problems through a three-phase unfed power qualty condtoner (UPQC). The UPQC system conssts of combned operaton of seres and shunt actve power flters sharng a common DC lnk. Paralel Actve Power Flter (PAF) used for current harmoncs, unbalanced and neutral current compensaton; Seres Actve Power Flter (SAF) used for compensaton of source voltage harmoncs, unbalanced voltage and sag and swell of source voltage. The performance of the proposed control system was analyzed usng smulatons h Matlab/Smulnk program, and expermental results h the hardware prototype. The proposed UPQC control algorthm can mprove the power qualty at the pont of common couplng (PCC) on power dstrbuton system. Keywords: Unfed Power Qualty Condtoner (UPQC), harmoncs, actve power flter, power qualty. 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Elektrk enerjs Güç Kaltes PQ (Power Qualty) problemler elektrk enerjsnn yoğun olarak kullanılmaya başlandığı tarhten günümüze kadar güncellğn korumaktadır. Elektrk enerjsn sağlayan kuruluşlar ve enerjy tüketen son kullanıcılar güç sstemlernde güç kaltes sorunları le yakından lglenmektedr. Güç kaltes fades, güç sstemlernde oluşan problemlern tamamını kapsayan genel br fade olarak kabul edlmektedr. Kelme manası olarak güç kaltes, güç sstemlernde çok genş mktarda elektromagnetk olaylar olarak tanımlanmaktadır. Aslında farklı sorunları referans alarak çok sayıda çok farklı güç kaltes tanımı yapılablmektedr. Örneğn elektrk enerjsn sağlayan kuruluşlar güç kaltesn güvenrlğ ve kararlılığı açısından değerlendrmekte, yük tarafındak tüketcler se elektrk enerjnn devamlılığı ve elektrk enerjsnden beslenen chazların sorunsuz çalışması şeklnde güç kaltes tanımı yapmaktadır. Elektrk enerjsnde güç kaltesn dğer hzmet ve

2 M. Kesler ve E. Özdemr 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes ürünlerde olduğu gb br standart krter kullanarak tanımlamak oldukça zordur. Ancak son kullanıcı donanım ve chazlarını sorunsuz ve güvenlr br şeklnde çalışmasını sağlayablmeldr. Eğer elektrk enerjs bu htyaçları karşılamayacak kadar yetersz ve sorunlu se o zaman genel manada güç kaltesnden bahsedlemez [1]. Genel olarak güç kaltes, elektrk güç sstemlernde gerlm ve akımın kaltes olarak ntelendrleblr. Çünkü gerlmdek sorunlar brçok güç kaltesnn ana sebeplernden sayılmaktadır. Gerlmdek anlık yükselmeler, gerlm çökmeler, uzun ve kısa sürel kesntler, gerlmdek harmonkler ve frekans değşmler gb sorunları örnek olarak vereblrz. Aslında gerlm le akım arasında çok yakın br lşk vardır. Doğrusal olmayan br yükün çektğ doğrusal olmayan akım, gerlm üzernde olumsuz etk oluşturmaktadır. Bu bağlamda güç kaltes, gerlm ve akım dalga şeklnn herhang br bozulmaya uğramamış, stenlen frekans ve genlkte olması durumunda temz enerj olarak tanımlamaktadır [1,2,3]. Elektrk enerjsn üreten ve hzmet veren kuruluşların öneml sorumluluklarından brs, Ortak Bağlantı Noktasında (OBN) enerj tüketen kullanılıcılar çn üretlen elektrk enerjsnn akım ve gerlmn dalga şekllernn snüzodal formda, stenlen genlk ve frekansta olmasını sağlamaktır. Her ne kadar elektrk enerjs senkron makneler le snüzodal gerlme yakın bçmde üretlse de bazı stenmeyen ve beklenmeyen geçc gerlm olayları, yıldırım ve kısa devre durumları ve doğrusal olmayan yüklerden dolayı akım bozulmaları gb durumlar oluşmaktadır. Güç kalte problemlerne çözüm üretmek, güç stemlernn performansını ve kararlılığını artırmak çn çok sayıda teknk ve chaz önerlmekte ve uygulanmaktadır. Geleneksel chazlar, gerlm regülasyonu yapmak ve ser-paralel güç kondansatörler kullanarak güç faktörü düzeltm çn kullanılmaktadır. Gerlm regülasyon performansını artırmak, temel frekansta kalıcı durum ve anlık aktf ve reaktf güç kontrolü yapmak çn gelşmş FACTS (Flexble AC Transmsson Systems) sstemler kullanılmaktadır. Ayrıca güç kaltes problemlern gdermek, aktf ve reaktf güç kompansazyonu ve gerlm regülasyonu yapmak çn özel güç chazları CPD (Custom Power Devces) kullanılmaktadır. Dğer modern çözüm yöntem olan ve güç kaltes problemlerne genş çaplı çözüm üreten Brleşk Güç Kalte Düzenleycs (UPQC- Unfed Power Qualty Condtoner) sstemler konusunda çalışmalar yapılmaktadır [2]. 2. BİRLEŞİK GÜÇ KALİTE DÜZENLEYİCİSİ (UNIFIED POWER QUALITY CONDITIONER) Brleşk Güç Kalte Düzenleycs (BGKD), Ser Aktf Güç Fltres (SAGF) le Paralel Aktf Güç Fltresnn (PAGF) brlkte kullanılması le oluşturulmuş en gelşmş fltre sstemdr. Brleşk Güç Kalte Düzenleycs nn temel bleşenler olan SAGF ve PAGF 1976 yılında Gyugy [4] tarafından ler sürülmüştür. PAGF, doğrusal olmayan yüklern kaynaktan çektğ harmonkler yok etmekte, nötr akımı kompansazyonu, reaktf güç kompanzasyonu ve DA hat gerlm regülasyonu gerçekleştrmektedr. SAGF se şebeke gerlm harmonk kompansazyonu, gerlm düşme ve yükselmeler, şebeke gerlmnde frekans problemler, gerlm keslmeler, geçc rejm gerlm bleşenler, kaynak gerlmndek dengeszlkler ve hızlı gerlm değşklkler parametrelernn düzeltlmes şlevn gerçekleştrmektedr [4-7]. Şekl 1 de BGKD genel blok şeması verlmektedr. 3- fazlı 4-tell sstemler çn konfgürasyonu yapılan BGKD, ortak br DA hattına bağlı k adet Gerlm Kaynaklı Evrc (GKE) ve kaynak gerlmne ser bağlı transformatörlerden oluşmaktadır. OBN a paralel bağlı GKE doğrusal olmayan yüklern ürettğ harmonklern dğer hassas yükler etklenmesn önlemektedr. Kaynak gerlmne ser transformatörler le bağlı olan GKE kaynak gerlm problemlern ve bozulmalarını OBN a bağlı dğer hassas yüklern etklenmesn önlemektedr. SAGF denetm algortmasında, kaynak gerlmnn sebep olduğu güç kaltes problemlern düzeltecek referans fltre gerlmler v' Tabc hesaplanmaktadır. SAGF fltre hat gerlmler v Tabc le hesaplanan referans fltre gerlmler v' Tabc snüzodal DGA yöntem le karşılaştırılarak anahtarlama snyaller üretlmektedr. Böylece kaynak gerlm problemler düzeltlmekte ve hassas yüklere olumsuz etks azaltılmaktadır. PAGF denetm algortmasında doğrusal olmayan yükten kaynaklanan akım harmonk problemlern düzeltecek referans fltre ' Cabc akımları hesaplanmaktadır. PAGF fltre hat akımları Cabc le hesaplanan referans fltre ' Cabc akımları hstersz band (HB) akım denetleyc yöntem le karşılaştırılarak anahtarlama snyaller üretlmekte ve OBN da yük akım kaynaklı problemler düzeltlmektedr. v Ka v Ta v Ya Ka Ca Ya v Kabc 3 3-Fazlı Kaynak = = Kabc R Kabc L Kabc Tabc R Tabc L Tabc SAPF v Tabc C DA OBN PAPF Labc R Labc L Labc R Cabc L Cabc Cabc v Labc Doğrusal Olmayan Yük Şekl 1. BGKD blok şeması (UPQC block dagram) Z yük 682 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4, 21

3 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes M. Kesler ve E. Özdemr 3. DENETİM STRATEJİSİ (CONTROL STRATEGY) 3.1. Faz Kltlemel Döngü (Phase Locked Loop) 3-fazlı 4-tell güç sstemlernde yük gerlmler genelde temel poztf sıralı bleşenlerden oluşmaktadır. Fakat dengesz ve doğrusal olmayan yük durumlarında temel poztf sıralı bleşenle brlkte negatf ve sıfır sıralı bleşenlerde bulunmaktadır. Aktf güç fltre sstemlernde yükün harmonklern kompanze etmek çn gerlmlern temel poztf sıralı bleşenlernn ayırt edlmes gerekmektedr. Sstem gerlmlernn temel poztf sıralı bleşenlern tespt etmek çn PLL devreler kullanılmaktadır [5-6] Senkron Referans Yapı (Synchronous Reference Frame: SRF) Senkron Referans Yapı (SRY) tabanlı denetm le harmonk kompanzasyon 1991 yılında S. Bhattacharya [8] tarafından önerlmştr. Lteratürde SRY tabanlı brçok aktf güç fltre çalışması yapılmıştır [8-15]. a-b-c koordnatlarından d-q- senkron referans koordnatlarına dönüşüm yapablmek çn sstem gerlm senkron blgsne htyaç duyulmaktadır. Sstem gerlmyle senkron olablmek çn PLL yapıları kullanılmaktadır. PLL grşne kaynak gerlmler uygulanarak üretlen ωt, sstemn ωt le senkronze olduğunda d-q- senkron referans yapı, sstem gerlmyle senkron dönmektedr. d-q- yapıda gerlm vektörünün açısal konumu aynı zamanda senkron referans yapının da açısal konumunu göstermektedr [13-15]. SRY tabanlı aktf güç fltre uygulamalarında, 3-fazlı a-b-c koordnatlarında akımlar veya gerlmler, sstem gerlmyle senkron dönen referans yapıya çevrlmektedr. Doğrusal olmayan yük durumlarında yükün çektğ harmonk ve reaktf akımlar tespt edlmekte ve aktf güç fltre sstem bu harmonkl akımları yok etmek çn ssteme eşt büyüklükte ve ters fazda akımlar üreterek nötr akımı, harmonk ve reaktf güç kompanzasyonu yapmaktadır. Şekl 2(a) da verlen a-b-c koordnatlarından Şekl 2(b) de verldğ gb durağan referans yapı α-β- koordnatlarına ve dönen referans yapı d-q- koordnatlarına dönüşümü brlkte verlmektedr. b eksen 2π/3 c eksen v b b v c c φ 2π/3 θ 2π/3 (a) abc v a a v abc a eksen q eksen v eksen β eksen v β β d θ φ α q (b) ω v α abc v abc d eksen α eksen Şekl 2. (a) a-b-c koordnatlarından (b) α-β- durağan referans yapıdan d-q- senkron referans yapıya dönüşüm (Converson from α-β- to d-q- axes) Durağan referans yapıda α-β- eksenler dönmemektedr. Sstem gerlm ve akım vektörler yer değştrdkçe bu vektörlern α-β- eksenlerndek değerler değşmektedr. Dönen referans yapı sstem gerlmyle senkron dönmektedr. Bu nedenle sstem gerlm vektörünün açısal konumu aynı zamanda senkron referans yapının da açısal konumunu göstermektedr [9-15]. 3-fazlı 4-tell stemlerde, d-q- koordnatlarına dönüşümü yapılan akımın d eksen üzernde bulunan d bleşen gerlmle aynı fazda olduğu çn poztf sıralı aktf akıma karşılık gelmektedr. q eksen üzernde bulunan q bleşen, d bleşenne göre dk olduğu çn negatf sıralı reaktf akımlara karşılık gelmektedr. d ve q bleşenlerne dk olan eksen üzernde bulunan bleşen se akımın sıfır sıralı bleşenne karşılık gelmektedr. Akımın q eksen üzernde bulunan q bleşen negatf se, yükün endüktf bleşen çerdğn, poztf se, yükün kapastf bleşen çerdğn göstermektedr. 3-fazlı doğrusal olmayan yüklerde d = d ve d q = q hem AA q ( d ve q ) hem de DA ( d ve q ) bleşenlerne sahptr. d ve q nun AA ( d ve q ) bleşenler harmonk akımlara karşılık gelmektedr. DA bleşenler se ( d ) aktf ve ( q ) reaktf akımlara karşılık gelmektedr [8, 9, 15]. Şekl 3 de d ve q nun anlık bleşenlernn elde edlmes şlem blok dyagramı verlmektedr. d ve q nun anlık DA bleşenler ( d ve q ) alçak geçren fltreden (AGF) geçrerek ve AA bleşenler ( d ve q ) yüksek geçren fltreden (YGF) geçrerek elde edlmektedr [25]. (t) AGF:Alçak Geçren Fltre (LPF:Low Pass Flter) Şekl 3. d ve q nun anlık bleşenlernn elde edlmes şlem blok dyagramı (Obtanng nstantaneous component of d and q process block dagram) SRY tabanlı PAGF le sadece reaktf güç kompanzasyonu yapılmak stenyorsa akımın q bleşen, sadece harmonk güç kompanzasyonu yapılmak stenyorsa akımın d ve bleşenler, q reaktf güç ve harmonk güç kompanzasyonu brlkte yapılmak stenyorsa akımın d ve q bleşenler referans alınmaktadır. Dengesz ve doğrusal olmayan yüklerden kaynaklanan nötr akım kompanzasyonu yapılmak stenrse, d-q- koordnatında akımın bleşen kullanılmaktadır. Tablo 1 de SRY tabanlı PAGF le yapılacak kompanzasyon tpne göre gerekl akım bleşenler verlmektedr. Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4,

4 M. Kesler ve E. Özdemr 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes Tablo 1. SRY tabanlı PAGF le yapılacak kompanzasyon tpne göre gerekl akım bleşenler (Compensaton parameters for PAGF) Kompanzasyon Tp Reaktf Harmonk Reaktf ve Harmonk Nötr akımı Gerekl Akım Bleşenler q d, q d, q 3.3. SRY Tabanlı BGKD Denetm Algortması (SRF Based UPQC Control Algorthm) Önerlen SRY tabanlı Kaynak Akımları ölçüm Yöntem (KAY) le BGKD nn denetm algortmasında, lteratürde [8-11] benzer çalışmaları olan SRY tabanlı PAGF denetm algortması kullanılmakta ve yen br SRY tabanlı SAGF denetm algortması se önerlmektedr. Geleneksel BGKD denetm algortması yöntemlernde; kaynak gerlmler (v Kabc ), kaynak akımları ( Kabc ), fltre gerlmler (v Fabc ), yük akımları ( Yabc ), fltre akımları ( Cabc ), ve DA bara gerlm (V DA ) olmak üzere toplam altı ayrı noktadan ölçüm alınarak gerçekleştrlmektedr. Önerlen SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortması, kaynak gerlmler (v Kabc ), kaynak akımları ( Kabc ), yük gerlmler (v Yabc ) ve DA bara gerlm (V DA ) olmak üzere toplam dört ayrı noktadan ölçüm alınarak gerçekleştrlmektedr. SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortması hem ölçüm sayısının az olması hem de denetm algortmasının daha bast ve kolay uygulanablr olması nedenyle avantajlı görünmektedr. Şekl 4 de önerlen SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortması blok şeması görülmektedr. Denetm algortması blok şemasında görüldüğü gb SAGF ve PAGF denetm katlarında SRY yöntem kullanılmaktadır. Ka Kb Kc v Ka v Kb v Kc [T] PLL [T] K Kq v K v v Kq AGF ' V DA V DA1 V DA2 AGF - Σ 1 PI Σ d kayp ' K ' ' Kq= v K= v v Kq= [T] -1 [T] -1 ' Ka ' Kb ' Kc PAGF Hsterezs Akım Dentm PWM Ka Kb Kc v La v Lb v Lc v' La SAGF v' Lb Snüzodal v' Gerlm Lc Denetm PWM Şekl 4. Önerlen SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortması blok şeması (The proposed SRF based UPQC control block dagram) GAH GAL GBH GBL GCH GCL GAH GAL G BH G BL GCH G CL Ser Aktf Güç Fltre Denetm Algortması (SAPF Control Algorthm) Şekl 5 de önerlen SRY tabanlı KAY le SAGF nn denetm algortması blok şeması verlmektedr. Önerlen SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortmasında, kaynak gerlmleryle senkron olablmek çn PLL devres kullanarak a-b-c koordnatlarında akım ve gerlmler d-q- koordnatlarına çevrlmektedr. Denklem 1 de verlen T çevrm matrs ve PLL devres le üretlen ωt kullanarak kaynak gerlmler Denklem 3 de, kaynak akımları Denklem 4 de görüldüğü gb a-b-c koordnatlarından d-q- senkron referans koordnatlarına dönüşümü (Park dönüşümü) yapılmaktadır. v Ka v Kb v Kc [T] v K v v Kq AGF v K= v v Kq= [T] -1 v La v Lb v Lc v' La SAGF v' Lb Snüzodal v' Gerlm Lc Denetm PWM Şekl 5. Önerlen SRY tabanlı KAY le SAGF denetm algortması blok şeması (The proposed SRF based Seres APF control block dagram) 1/ 2 1/ 2 1/ 2 2 T = sn() sn( - 2π/3) sn( 2π/3) (1) 3 cos() cos( - 2π/3) cos( 2π/3) 1/ 2 sn() cos() T = 1/ 2 sn( - 2π/3) cos( - 2π/3) (2) 3 1/ 2 sn( 2π/3) cos( 2π/3) v v v K Kq K Kq v T = v v T = Ka Kb Kc Ka Kb Kc GAH GAL GBH G BL G CH GCL (3) (4) SRY tabanlı YAY le BGKD nn denetm yöntemnde, SAGF denetm algortması aynı anda kaynak gerlm harmonkler, gerlm dengeszller, gerlm çökme ve yükselmes gb kaynak gerlm problemlern düzeltmektedr. 3-fazlı harmonkl kaynak gerlm durumunda, d-q- koordnatlarına dönüşümü yapılan d ve q eksenlernde bulunan anlık kaynak gerlmler v ve v Kq hem AA ( v ve vkq ) hem de DA ( v ve v Kq ) bleşenler çermektedr. v ve v Kq nun AA 684 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4, 21

5 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes M. Kesler ve E. Özdemr bleşenler kaynak gerlmnn harmonk ve negatf sıralı bleşennden meydana gelmektedr. DA bleşenler se gerlmn poztf sıralı bleşennden oluşmaktadır. Kaynak gerlmne at sıfır sıralı v K gerlm se kaynağın dengesz olması durumunda meydana gelmektedr. Önerlen SAGF denetm algortmasında, kaynak gerlm problemlernn düzeltlmes çn gelştrlen yöntemde d-q- koordnatlarına dönüşümü yapılan kaynak gerlmnn v bleşen kullanılmaktadır. d eksennde v gerlm AGF yöntem uygulanarak DA bleşen v elde edlmektedr. Denklem 2 de verlen ters çevrm matrs T -1 grşne, kaynak gerlmnn v bleşen ve PLL le üretlen ωt kullanarak Denklem 5 de verldğ gb kaynak gerlmlernn temel poztf sıralı bleşen olan referans yük gerlmler (v' Ya, v' Yb ve v' Yc ) üretlmektedr. v' v' v' Ya Yb Yc = T -1 v (5) Böylece 3-fazlı 4-tell sstemlerde harmonkl kaynak gerlm kompansazyonu yapacak referans gerlmler (v' Ya, v' Yb ve v' Yc ) elde edlmektedr. Önerlen SAGF denetm algortması tarafından üretlen referans yük gerlmler (v' Ya, v' Yb ve v' Yc ) le yük hat gerlmler (v Ya, v Yb ve v Yc ) snüzodal darbe genşlk ayar denetleyc teknğ kullanarak anahtarlama snyaller üretlmektedr Paralel Aktf Güç Fltre Denetm Algortması (PAPF Control Algorthm) Şekl 6 da SRY tabanlı KAY le PAGF denetm algortması blok şeması verlmektedr. SRY tabanlı KAY le PAGF nn denetm algortması, kaynak gerlmler (v Kabc ), kaynak akımları ( Kabc ), ve DA bara gerlm (V DA ) ölçüm alınarak gerçekleştrlmektedr. SRY tabanlı KAY le PAGF nn denetm algortmasında, kaynak gerlmyle senkron olablmek çn PLL devres kullanarak a-b-c koordnatlarında akım ve gerlmler d-q- koordnatlarına çevrlmektedr. Denklem 1 de verlen T çevrm matrs ve PLL devres le üretlen ωt kullanarak kaynak gerlmler Denklem 3 de, kaynak akımları Denklem 4 de görüldüğü gb a-b-c koordnatlarından d-q- senkron referans koordnatlarına dönüşüm (Park dönüşümü) yapılmaktadır. 3-fazlı doğrusal olmayan yük durumunda, d-q- koordnatlarına dönüşümü yapılan d ve q eksenlerndek anlık kaynak akımları, ve hem AA ( K d ve K q ) hem de DA ( ve Kq ) Kq bleşenler çermektedr. ve Kq nun AA bleşenler, akımın harmonk ve negatf sıralı bleşennden meydana gelmektedr. DA bleşenler se akımın poztf sıralı bleşennden oluşmakta aktf ve reaktf akımlara karşılık gelmektedr. Kaynak akımına at sıfır sıralı akım K se yükün dengesz olması durumunda oluşmaktadır. Ka Kb Kc [T] K Kq AGF ' V DA V DA1 V DA2 - Σ 1 PI Σ d kayp ' K ' ' Kq= [T] -1 ' Ka ' Kb ' Kc PAGF Hsterezs Akım Dentm PWM Ka Kb Kc Şekl 6. SRY tabanlı KAY le PAGF denetm algortması blok şeması (SRF based Shunt APF control block dagram) SRY tabanlı KAY le PAGF nn denetm yöntemnde yük akım harmonklernn ve dengeszllernn yok edlmes ve reaktf güç kompanzasyonu gerçekleştrmek çn kaynak akımına at ve K bleşenler kullanılmakta ve d-q- koordnatlarında yük akım harmonklern düzeltecek referans kaynak akımları (' K, ' Kα ve ' Kβ ) üretlmektedr. akımı dkayp V DA bara gerlmnn PI denetleyc anlık akım çıkışı olup, fltre kayıplarını gdermek ve DA bara gerlm salınım ve değşmler azaltmak amacıyla anlık akım bleşenne lave edlmektedr. Denklem 2 de verlen ters çevrm matrs T -1 ve PLL le üretlen ωt kullanarak Denklem 6 da verldğ gb referans fltre akımları ' Ka, ' Kb ve ' Kc üretlmektedr. ' ' ' Ka Kb Kc = T -1 K Kq G AH GAL G BH GBL G CH GCL (6) Böylece 3-fazlı 4-tell sstemlerde doğrusal olmayan yükün ürettğ nötr akımını, harmonkler ve reaktf güç kompansazyonu yapacak referans kaynak akımları (' K, ' Kα ve ' Kβ ) elde edlmektedr. PAGF denetm algortması tarafından üretlen referans kaynak akımları (' Ka, ' Kb ve ' Kc ) kaynak hat akımları ( Ka, Kb ve Kc ) le karşılaştırılmakta ve hsterezs bant akım denetleyc teknğ kullanılarak anahtarlama snyaller üretlmektedr. Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4,

6 M. Kesler ve E. Özdemr 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes Şekl 7. SRY tabanlı KAY le BGKD nn denetm algortması smülasyon blok şeması (The proposed SRF based UPQC control algorthm smulaton block dagram) 4. SİMÜLASYON SONUÇLARI (SIMULATION RESULTS) Bu bölümde, gelştrlen BGKD denetm algortmasının smülasyon çalışmaları verlmektedr. Tablo 2 de smülasyonu yapılan sstem parametreler verlmektedr. Smülasyon, BGKD önces ve sonrası olmak üzere k aşamalı gerçekleştrlmektedr. Ayrıca sstemn dnamk cevabını test etmek üzere %1 yük artışı da yapılmaktadır. BGKD devrede ken yük değşm yapılarak sstemn dnamk cevabı test edlmektedr. Dengesz ve harmonkl kaynak gerlm ve dengesz yük akımı durumu ayrı olarak test edlmektedr. Smülasyonlarda gelştrlen ve Şekl 7 de verlen BGKD denetm algortması le kabul edleblr sevyede sonuçlar elde edlmştr. BGKD denetm algortması Matlab/Smulnk ortamında smülasyonu yapılan, dengesz ve harmonkl kaynak gerlm düzeltm smülasyon sonucu Şekl 8 da, dengesz ve doğrusal olmayan yük akımları düzeltm smülasyon sonucu Şekl 9 da, nötr akımı kompanzasyonu smülasyon sonucu Şekl 1 de ve reaktf güç kompanzasyonu smülasyon sonucu Şekl 11 de görülmektedr. Brleşk Güç Kalte Düzenleycsnn dnamk cevabına at smülasyon sonuçları Şekl 12 de (a) Yük gerlmler, (b) trafo gerlmler, (c) yük akımları, (d) kaynak akımları, (e) fltre akımları, (f) kaynak nötr akımı, (g) aktf güç, (h) reaktf güç, () kaynak akımı ve yük gerlm, (k) V DA bara gerlm değşm görülmektedr. BGKD devreye grmeden öncek, devreye grdkten sonrak durum ve % 5 yük değşmnde elde edlen dnamk cevap oldukça y görülmektedr. Smülasyon sonuçlarında da görüldüğü gb BGKD le harmonkl yük akımları kaynak tarafına snüsodal olarak letlmekte, yük tarafında görülen gerlm harmonkler ve nötr akımı yok edlmekte ve reaktf güç kompanzasyonu başarılı bçmde gerçekleştrlmektedr. vsabc(v) vtabc(v) vlabc(v) 2-2 Kaynak gerlmler Fltre gerlmler Yük gerlmler Şekl 8. Dengesz ve harmonkl kaynak gerlm düzeltm smülasyon sonucu (The smulaton result for unbalanced and harmonc source voltages) Labc(A) Cabc(A) Sabc(A) Yük akımları t(s) -2 Fltre akımları Kaynak akımları.25.3 t(s).35.4 Şekl 9. Dengesz ve doğrusal olmayan yük akımları düzeltm smülasyon sonucu (The smulaton result for unbalanced and nonlnear load currents) 686 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4, 21

7 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes M. Kesler ve E. Özdemr Dengesz yük akımı durumunda sstem oldukça hızlı cevap vermekte, yük akımlarındak dengeszlk ve harmonkler başarıyla gderlmektedr. Ln(A) Cn(A) Sn(A) 2-2 Yük nötr akımı Şekl 1. Nötr akımı kompanzasyonu smülasyon sonucu (Neutral current compensaton smulaton results) vsa(v) La(A) vla(v) Sa(A) 2-2 La vsa Sa vla.25.3 t(s).35.4 Şekl 11. Reaktf güç kompanzasyonu smülasyon sonucu (Reactve power compensaton smulaton results) p(va) q(iva) vya(v) vta(v) Ya(V) Ka(A) Ca(A) Kn(A) vya(v) Ka(A) VDA(V) BGKD önces BGKD devrede Fltre nötr akımı Kaynak nötr akımı Yük degsm ( %5 arts ) 7 (k) Şekl 12. (a) Yük gerlmler, (b) trafo gerlmler, (c) yük akımları, (d) kaynak akımları, (e) fltre akımları, (f) kaynak nötr akımı, (g) aktf güç, (h) reaktf güç, () kaynak akımı ve yük gerlm, (k) V DA bara gerlm değşmler ((a) load voltages, (b) transformer voltages, (c) load currents, (d) source currents, (e) flter currents, (f) source neutral current, (g) actve power, (h) reactve power, () source current and load voltage, (k) V DC lnk voltage) (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) () Tablo 2. BGKD Smülasyon sstem parametreler (UPQC smulaton system parameters) Parametreler Değer Gerlm v Kabc 38V rms Frekansı f 5 Hz Kaynak Drenc R Kabc 1 mω Empedansı L Kabc,1 mh 3-Fazlı Hat Reaktörü L Yabc 2 mh 1-Fazlı Hat Reaktörü L Ya1 1 mh 3-Fazlı DA Endüktansı L da3 1 mh Yük 3-Fazlı DA Drenc R da3 3 Ω 1-Fazlı DA Drenc R da1 87,5 Ω 1-Fazlı DA Kondansatörü C da1 24 μf Gerlm V DA 7 V DA Kondansatör1 C 1 22 μf Bara Kondansatör2 C 2 22 μf AA Hat Endüktansı L Cabc 3,5 mh Fltre Drenc R Cabc 5 Ω Fltre Kondansatörü C Cabc 1 μf PAGF Anahtarlama Frekansı f pwm 15 khz Ön Şarj Drençler R şarj 1 Ω Hstersz Bant HB 1 A AA Hat Endüktansı L Tabc 1,5 mh Fltre Drenc R Tabc 5 Ω Fltre Kondansatörü C Tabc 18 μf SAGF Anahtarlama Frekansı f pwm 18 khz 1-Fazlı Ser S 5,4 kva Transformatörler Oran 1/3 Tablo 3. Ortak bağlantı noktasında akım ve gerlmlern THD sevyeler smülasyon sonuçları (Smulaton results and THD levels of voltage and current waveforms at the PCC) THD (%) fazlar BGKD Önces Akımlar (A) Gerlmler (V) BGKD Devrede Akımlar (A) Gerlmler (V) A 31,2 2,2 3, 1,4 B 31,7 17,7 3,1 1,4 C 29,9 19,7 3, DENEYSEL SONUÇLAR (EXPERIMENTAL RESULTS) BGKD laboratuar düzeneğnn fotoğrafı Şekl 13 de verlmektedr. BGKD deneysel düzeneğnde paralel aktf fltre, ser aktf fltre ve sstem parametrelern denetlemek üzere üç adet DSP kartı kullanılmaktadır. DC bara gerlm 7V sevyesnde k adet ser bağlı 22 uf kondansatör kullanılmıştır. Yük tarafında üç fazlı ve tek fazlı köprü dyotlu doğrultucular kullanılmaktadır. Deneysel çalışma parametreler Tablo 2 de verlen smülasyon parametreler le yaklaşık aynı seçlmştr. Kaynak ve yük gerlmler LEM LV 25P, kaynak akımları LEM LA 55P/SP1 alan etkl algılayıcılarla ölçülmektedr. Ser ve paralel aktf fltre güç katında SEMIX 11GD128Ds IGBT Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4,

8 M. Kesler ve E. Özdemr 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes modüller kullanılmaktadır. Bu IGBT blokları, CONCEPT 6SD16EI ve SEMIKRON SKHI 61 IGBT sürücüler le anahtarlanmaktadır. Her k IGBT sürücüsü aşırı akım ve kısa devre koruma ve grşçıkış arasında elektrksel yalıtım özellklerne sahptr. Denetm algortması TMS32F28335 DSP yongaları kullanılarak sağlanmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalarda elde edlen kaynak akımının fltre önces ve sonrası deneysel sonuçları Şekl 14 de, kaynak akımı fltre önces ve fltre sonrası harmonk dağılımı Şekl 15 de, fltre önces ve sonrası kaynak akımı ve nötr akım kompanzasyonu Şekl 16 da görülmektedr. Deneysel uygulama sonuçları ncelendğnde kaynak akımında görülen harmonklern ve dengeszlklern gderldğ açıkça görülmektedr. Şekl 17 de yük değşm önces ve sonrası DC hat gerlm ve kaynak akımı değşm görülmektedr. Şekl 18 de fltre çalışmadan önce şebeke ve yük gerlm değşm, Şekl 19 da se fltre önces ve sonrası tek faz ve üç faz yük gerlm değşm deneysel sonuçları görülmektedr. Yük gerlm v Yabc fltre önces ve fltre sonrası harmonk dağılımına lşkn harmonk analzöründen alınan verler Şekl 2 de verlmektedr. OBN da, yük gerlmlerndek harmonklern gderldğ deneysel sonuçlardan görülmektedr [25]. (a) (b) Şekl 15. Kaynak akımı Sa (a) fltre önces ve (b) fltre sonrası harmonk dağılımı deneysel sonuçları (Expermental results for source current harmonc spectrum (a) before flter (b) after flter operaton) Kabc kaynak akımları Kn nötr kaynak akımı Şekl 16. Fltre önces ve sonrası kaynak akımı ve nötr akım kompanzasyonu deneysel sonuçları (expermental results for source and neutral current compensaton before and after flter operaton) Şekl 13. BGKD deneysel düzeneğn fotoğrafı (UPQC expermental prototype photograph) Ka DA-hat gerlm Şekl 14. Kaynak akımın ( Kabc ) fltre önces ve sonrası deneysel sonuçları (Source current expermental results before and after flter operaton) Şekl 17. Yük değşm önces ve sonrası DA hat gerlm ve kaynak akımı değşm deneysel sonuçları (Expermental results for source and DC lnk voltage before and after load varaton) 688 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4, 21

9 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes M. Kesler ve E. Özdemr v Ka v Ya (a) Şekl 18. Fltre devreye grmeden önce şebeke ve yük gerlm değşm deneysel sonuçları (Expermental results for source and load voltage before flter operaton) (b) Şekl 2. Yük gerlm v Yabc (a) fltre önces ve (b) fltre sonrası harmonk dağılımı deneysel sonuçları (Expermental results for load voltage harmonc spectrum (a) before flter, (b) after flter operaton) (a) Tablo 4. Ortak bağlantı noktasında akım ve gerlmlern THD sevyeler deneysel sonuçları (Expermental results and THD levels of voltage and current waveforms at the PCC) BGKD Önces BGKD Devrede fazlar Akımlar (A) Gerlmler (V) Akımlar (A) Gerlmler (V) THD (%) A 29,1 29,7 5,7 3,42 B 28,4 3,6 5,5 4,11 C 29,5 3,2 5, (b) Şekl 19. Yük gerlm v Yabc fltre önces ve sonrası (a) tek fazlı, (b) üç fazlı deneysel sonuçlar (Expermental results for load voltages before and after flter operaton (a) sngle phase (b) three-phase) Yukarıdak deneysel çalışmalarda elde edlen sonuçlar Tablo 4 de özetlenmekte, BGKD önces ve sonrası olmak üzere k aşamalı olarak karşılaştırılmaktadır. BGKD devreye alındığında akım ve gerlm harmonklernn gderldğ görülmektedr. a fazı çn akım Toplan Harmonk Dağılımı (THD) değer % 29,1 den %5,7 ye, gerlm THD değer % 29,7 den %3,42 ye düşürülmektedr. 3-fazlı 4-tell sstemlerde önerlen BGKD sstemnn, kararlı hal ve yük değşm durumunda oldukça y sonuç verdğ ve güç kaltesnn yleşmesn sağladığı deneysel çalışmalar le gösterlmştr. 6. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Bu çalışmada 3-fazlı 4-tell sstemlerde, ortak bağlantı noktasında görülen gerlm dalgalanması, dengeszlğ ve kırpışmasının gderlmesnde ve aynı zamanda doğrusal olmayan yüklern meydana getrdğ akım harmonkler, dengeszlkler ve nötür akım kompanzasyonunda kullanılan BGKD çn gelştrlen denetm algortmasının smülasyonu ve deneysel sonuçları verlmektedr. Smülasyon ve deneysel çalışmalar, BGKD devreye grmeden önce ve sonra olmak üzere k aşamalı olarak gerçekleştrlmektedr. Sstemn dnamk cevabını test etmek üzere yük artışı da yapılmaktadır. Dengesz ve harmonkl kaynak gerlm ve dengesz yük akımı durumu ayrı test edlmektedr. Smülasyonlarda gelştrlen BGKD denetm algortması le kabul edleblr sevyede sonuç elde edlmştr. Ayrıca deneysel uygulama sonuçlarında ortak bağlantı noktasındak akım ve gerlm harmonkler le dengeszlklern azaltıldığı, nötr akım ve reaktf güç kompanzasyonunun başarılı bçmde yapıldığı açıkça görülmektedr. Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4,

10 M. Kesler ve E. Özdemr 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes 7. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Bu çalışma, TÜBİTAK 18E83 nolu proje ve Kocael Ünverstes Blmsel Araştırma Projeler Brm hızlı destek projes kapsamında desteklenmektedr. 8. KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Dugan, R.C., McGranaghan, M.F. Santoso, S. Beaty, H.W., Electrcal Power Systems Qualty, Second Edton, McGraw-Hll, ISBN X, Fuchs, E.F., Masoum, M.A.S., Power Qualty n Electrcal Machnes and Power Systems, Academc Press, ISBN: , Grady, W.M., Santoso, S., "Understandng power system harmoncs", IEEE Power Engneerng Revew, Volume: 21 Issue: 11, Page(s): 8-11, Nov Gyugy, L., Strycula, E., Actve AC Power Flters, IEEE Industry Applcatons Socety Annual Meetng, Chcago, USA, , Aredes, M., Heumann, K., Watanabe, E. H., "An unversal actve power lne condtoner", IEEE Trans. on Power Delvery, Vol. 13, No.2, , Apr 1998,. 6. Montero, L. F. C., Aredes, M., Neto, L. A. M., A control strategy for unfed power qualty condtoner, IEEE Internatonal Symposum on Industral Electroncs 23, Vol. 1, , June Peng, F. Z., OTT, G. W., Adams, D. J., Harmonc and Reactve Power Compensaton on the Generalzed Instantaneous Reactve Power Theory for Three-Phase Four-Wre Systems, IEEE Trans. on Power Electroncs, Vol. 13, No. 6, , Bhattacharya, S., Dvan, D. M., Banerjee, B., "Synchronous Reference Frame Harmonc Isolator Usng Seres Actve Flter", Proc. 4th EPE, Florence, Vol. 3, 3-35, Bhattacharya, S., Frank, T.M., Dvan, D.M., Banerjee, B. Actve flter system mplementaton, IEEE Industral Applcaton Magazne, 47-63, September/October Bhattacharya, S., Dvan, D., Synchronous frame based controller mplementaton for a hybrd seres actve flter system, IEEE Industry Applcatons Conference, , Marques, G.D., Pres, V. F., Malnowsk, M., Kazmerkowsk, M., An Improved Synchronous Reference Frame Method for Actve Flters EUROCON 27, The Internatonal Conference on Computer as a Tool, , September Bhattacharya, S., Frank, T. M., Dvan, D.M., and Banerjee, B., Parallel actve flter system mplementaton and desgn ssues for utlty nterface of adjustable speed drve systems, Industry Applcatons Conference, Thrty-Frst IAS Annual Meetng, IAS '96, , Marques, G.D., A comparson of actve power flter control methods n unbalancedand nonsnusodal condtons, Proceedngs of the 24th Annual Conference of the IEEE Industral Electroncs Socety, IECON APOS98. Vol. 1, Issue 31, , Kaura, V., Blasko, V., Operaton of a phase locked loop system under dstorted utlty condtons, IEEE Transactons on Industry Applcatons, Vol. 33, Issue 1, 58 63, Lmong, L.R., Bojo, R., Pca, C., Profumo, F., Tencon, A., Analyss and Comparson of Phase Locked Loop Technques for Grd Utlty Applcatons, Power Converson Conference, Nagoya, PCC, APOS;7, , Le Roux, A.D., Du Tot, J.A., Ensln, J.H.R., Integrated actve rectfer and power qualty compensator h reduced current measurement, IEEE Transactons on Industral Electroncs, Vol. 46, Issue 3, , Takeshta, T.; Matsu, N., Control of actve flters usng source current detecton, The 29th Annual Conference of the IEEE Industral Electroncs Socety, 23. IECON APOS 3, Vol.2, , Chatterjee, K.; Fernandes, B.G.; Dubey, G.K., An nstantaneous reactve volt-ampere compensator and harmonc suppressor system, IEEE Transactons on Power Electroncs, Vol. 14, Issue 2, , Ozdemr, E., Ucar, M., Kesler, M., Kesler, Kale, M., "The Desgn and Implementaton of a Shunt Actve Power Flter based on Source Current Measurement", The IEEE Internatonal Electrc Machnes and Drves Conference, IEMDC 27, Antalya, Turkey, , Ozdemr, E., Ucar, M., Kesler, M. Kale, M., "A Smplfed Control Algorthm for Shunt Actve Power Flter Wthout Load and Flter Current Measurement", The 32nd Annual Conference of the IEEE Industral Electroncs Socety, IECON'6, Pars, France, , Han, B. Bae, B., Km, H., Baek, S., Combned Operaton of Unfed Power-Qualty Condtoner Wth Dstrbuted Generaton, IEEE Transacton on Power Delvery, Vol. 21, No. 1, Esfandar, A., Parnan, M., Emad, A., Mokhtar, H., Applcaton of the Unfed Power Qualty Condtoner for Mtgatng Electrc Arc Furnace Dsturbances, Internatonal Journal of Power and Energy Systems, Vol. 28, No. 4, , Aredes, M., Akag, H., Watanabe, E.H., Salgado, E.V., Encarnacao, L.F., Comparsons Between the p-q and p-q-r Theores n Three-Phase Four- Wre Systems, IEEE Transactons on Power 69 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4, 21

11 3- Fazlı 4-Tell Sstemlerde BGKD le Güç Kaltesnn İyleştrlmes M. Kesler ve E. Özdemr Electroncs, Vol. 24, No. 4, , Aprl, Kesler, M., Ozdemr, E., A Novel Control Method for Unfed Power Qualty Condtoner (UPQC) Under Non-Ideal Mans Voltage and Unbalanced Load Condtons, IEEE APEC 21 The Appled Power Electroncs Conference and Exposton, , Kesler M., Brleşk Güç Kalte Düzenleycsnn Senkron Referans Yapı Tabanlı Uygulama Tasarımı ve Analz, Doktora tez, Kocael Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü, 21. Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. Der. Clt 25, No 4,

12