20 (1), , (1), ,

Transkript

1 Fırat Üiv. Fe ve Müh. il. Dergisi Sciece ad Eg. J of Fırat Uiv. 0 (), 09-5, 008 0(), 09-5, 008 Harmoikleri Reaktif Güç Kompazasyo Sistemlerie Etkilerii İcelemesi ve Simülasyou da KKİİ, Koray TUNÇP ve Mehmet SUU 3 Marmara Üiversitesi Tekik Eğitim Fak. Elektrik Eğitimi ölümü Göztepe Kampüsü 347 Kadıköy/İstabul Marmara Üiversitesi Tekik Eğitim Fak. Mekatroik Eğitimi öl. Göztepe Kamp. 347 Kadıköy/İstabul 3-33 Thurlow Street acouver, 6EX6 Kaada kakilli@marmara.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/ccepted: ) Özet: u çalışmada, elektrik eerji sistemleride oluşa harmoikleri reaktif güç kompazasyo sistemlerie ola etkileri icelemiştir. Örek olarak ele alımış harmoik barıdıra bir elektrik eerji sistemii modeli MT/SMUNK programı ile oluşturulmuştur. u sisteme, öcelikle klasik kompazasyo sistemi uygulamış, daha sora filtreli kompazasyo sistemi uygulaarak buu sistem üzeride oluşturduğu etkiler icelemiş, souçlar üzeride yorumlar yapılmıştır. ahtar Kelimeler: Harmoik, Kompazasyo, Filtre, Simülasyo. The Effects of Harmoics o Reactive Power ompesatio Systems vestigatio ad ts Simulatio bstract: this study, effects of harmoics occured i the electric power system are examied o the reactive power compesatio systems. The sample electrical eegy system which has harmoic is modelig with MT/SMUNK. First off all classical reactive power compesatio system is applied to this system. fter that filtered reactive power compesatio system is applied ad effects o the system are examied, results are explaied. Keywords: Harmoic, ompesatio, Filter, Simulatio..Giriş Elektrik eerjisii ürete, ilete ve dağıta kuruluşları amacı; kesitisiz, ekoomik ve kaliteli bir hizmeti tüketicilerie sumaktır. Elektrik eerji sistemleride kalite söz kousu oluca, sabit şebeke frekasıda; sabit ve siüsoidal biçimli uç gerilimii sağlaması alaşılmaktadır. cak bu tür eerji pratikte bir takım zorluklarla sağlaabilir. Güç sistemie bağlaa bazı elemalar ve buları yol açtığı olaylar sebebiyle tam siüsoidal dalga şeklide sapmalar olabilmektedir. Tam siüsoidal dalga şeklide sapma, geellikle harmoik adı verile bileşeleri ortaya çıkması ile ifade edilir ve bua sebep ola etkeleri başıda ise mayetik ve elektrik devrelerideki degesizlikler gelir. Yarı iletke elemaları yapısı gereği ve saayide kullaıla bazı doğrusal olmaya yükleri (güç elektroiği elemaları, ark fırıları, v.b.) etkisiyle, akım ve gerilim dalga biçimleri periyodik olmakla birlikte temel siüsoidal dalga ile frekas ve geliği farklı diğer siüsoidal dalgaları toplamıda meydaa gelmektedir. Temel frekas dışıdaki siüsoidal dalgalara harmoik adı verilir. u dalgalar, Fourier aalizi yardımıyla temel frekas ve diğer frekaslardaki bileşeler ciside ifade edilebilir. u aaliz ile siüsoidal dalga şeklie sahip olmaya dalgalar, frekasları farklı siüsoidal dalgaları toplamı şeklide matematiksel olarak yazılabilir. u sayede harmoikleri aalizi kolaylıkla yapılabilir. Harmoikler güç sistemleride; kayıpları artışı, gerilim düşümleride artış, rezoas olayları, güç faktörüü değişmesi v.b. tekik ve ekoomik problemlere yol açar.

2 .Kakilli, K.Tuçalp ve Mehmet Sucu. Harmoikleri Matematiksel alizi Harmoikler foksiyou Fourier alizi ile gelik ve frekasları farklı (temel dalga frekasıı tam katları) ola sosuz sayıda siüsoidal dalgaı toplamı şeklide yazılabilir. Herhagi bir periyodik dalgaı Fourier serisie açılabilmesi içi Dirichlet koşulları olarak bilie koşulları sağlaması gerekir. Elektrik eerji sistemlerideki dalga şekilleri her zama bu koşulları sağladığıda Fourier bileşelerii elde edilmesi mümküdür [,]. 3. Toplam Harmoik ozulma (THD) Sistemdeki harmoikleri sıırladırılmasıı amaçlaya stadartlarda çok yaygı olarak kullaıla Toplam Harmoik ozulma (THD), akım ve gerilim içi ayrı ayrı taımlamaktadır. Gerilim içi, THD = = () şeklidedir. kım içi ise, THD = = () şeklide taımlaabilir. urada, THD, gerilimdeki toplam harmoik bozulma; THD, akımdaki toplam harmoik bozulma;, devreye uygulaa gerilimi ici mertebedeki harmoiğii etki değeri;, devrede geçe akımı ici mertebedeki harmoiğii etki değeri;, devreye uygulaa gerilimi temel frekastaki etki değeri;, devrede geçe akımı temel frekastaki etki değeridir. kım ve gerilim içi taımlaa THD değerleri geel olarak yüzde ciside ifade edilirler dolayısıyla ve deklemleride elde edile souçlar 00 ile çarpılarak sistemi yüzde THD değerleri elde edilir [3]. 4. Harmoikleri Kompazasyo Tesislerie Etkisi Harmoikler edeiyle oluşa gerilim ve akım dalga şekilerii bozulmasıda e çok etkilee, güç faktörü düzeltilmeside kullaıla kompazasyo sistemleridir. Edüstriyel güç sistemleride harmoik problemlerii ilk belirtileride biri kompazasyo sistemide oluşa arızadır. Kompazasyo sistemleride e öemli problem aşırı akımlardır. Diğer bir problem de gerilimii tepe değerii oluşturduğu yalıtım zorlamasıdır [,]. Temel bileşedeki değeri, X = = (3) ω πf ola kapasitif reaktas,. mertebeside; harmoik X X = (4) değerii alır, yai harmoik mertebesi büyüdükçe kapasitif reaktas küçülür. u edele kodasatörler harmoik frekaslarıda daha büyük akımlar çekerler ve aşırı yükleirler.. harmoik içi harmoik gerilimi altıda kodasatörü çektiği akım; = = ω (5) X değerii alır. ir kompazasyo sistemii uçlarıdaki gerilim, 3 m si3 t... + m si t v = m si ωt + m si ωt + ω + ω (6) şeklide olduğuda bu durumda kompazasyo sistemide akacak ola akım, i = mω si( ωt + 90) + m ω si( ωt + 90) + 3 m 3ω si( 3ωt + 90) m ω si( ωt + 90) (7) olur. urada görülmektedir ki akımdaki harmoikleri frekası gerilimdeki harmoikleri frekasıda daha büyüktür. Öreği, akımdaki dalgalama gerilimdeki 0

3 Harmoikleri Reaktif Güç Kompazasyo Sistemlerie Etkilerii İcelemesi ve Simülasyou dalgalamaya göre. harmoik içi kat daha büyüktür [4-6]. yrıca. mertebede ki bir harmoik akımı sistemde paralel veya seri rezoasa yol açabilir. Seri rezoas; sistem trasformatörü ve kompazasyo sistemi arasıda meydaa gelebilir ve. harmoikdeki akımı geliğii yükselmesie sebep olur. Paralel rezoas ise sisteme bağlı yükler ile kompazasyo sistemi arasıda meydaa gelebilir ve. harmoikdeki gerilimi yükselmesie sebep olur. u akım ve gerilim değeri ısımayı ve dielektrik zorlamayı arttırarak kodasatör gruplarıı ömürlerii azaltır. Kompazasyo tesislerii tasarımıda bu durumları göz öüe alıması gereklidir [7]. 5.Harmoikleri Kompazasyo Tesislerie Etkisii zaltılabilmesi İçi Filtreli Kompazasyo Kullaımı Harmoikler kodasatörleri performasıı düşürmekte ve ömürlerii azaltmaktadır. u olumsuz etkileri azaltabilmei e pratik ve e ekoomik yolu kompazasyo sistemie seri edüktas bağlamaktır. u yöteme ait presip şema Şekil de verilmiştir. öylece, harmoikli akımlara karşı seri edüktas sayeside yüksek empedas gösterilerek harmoikleri kompazasyo sistemie geçmesi ölemekte ve bu seri edüktasla kompazasyo sistemii kapasitası bir filtre görevi görerek harmoikleri etkiliğii azaltmaktadır [7]. Trasformatör Seri Edüktas uları e öemlisi p faktörüe karar vermektir [7]. u faktör; X p = (8) X eşitliğide belirlemektedir. urada; X,kompazasyoa seri bağlaacak ola edüktası temel frekastaki edüktif reaktası (Ω) ve X, kompazasyo sistemii temel frekastaki kapasitif reaktasıdır (Ω). p faktörü sistemde etki ola harmoik derecesie göre seçilmelidir. Öreği; 50 Hz şebeke frekaslı sistemde 3. harmoik baskı ise, bu sistemi 89 Hz de rezoasa getirecek (edüktas ve kopma-zasyo sistemi arasıdaki seri rezoas) p değeri %7 ola edüktaslar seçilmelidir, sistemde 5. harmoik baskı ise, bu sistemi 0 Hz de rezoasa getirecek p değeri %5,67 ola edüktaslar seçilmelidir. urada amaç; öreği 3. harmoiği baskı ola sistemde sistemi 3. harmoiği frekası ola 50 Hz de rezoasa getirilirse bu durumda 3. harmoiği bütü geliği kompazasyo sistemie akacaktır, bu da kompazasyo sistemie zarar verecektir. u yüzde sistem, sistemde mevcut ola baskı harmoiği frekasıa yakı frekaslarda rezoasa getirilmekte ve böylece sistemde baskı ola harmoiği geliği öemli ölçüde azaltılmaktadır. u baskı olmaya diğer harmoik mertebeleri üzeride de etki göstereceğide sistemdeki THD seviyesi öemli ölçüde düşecektir. Yukarıda bahsedile 3. harmoik içi 89 Hz, 5. harmoik içi 0 Hz değerleri zamala uygulamada kazaıla tecrübelerde elde edilmiş verilerdir [7-9]. Kodasatör uçlarıdaki gerilim; = (9) p Kompazasyo Sistemi Şekil. Kompazasyo sistemie seri edüktas bağlamak ile hesaplaabilir.urada;,şebeke gerilimidir (). u sistemler tesis edilirke seçilecek ola Şebeke gerilimi 400 ola bir sistemde p edüktaslara, her firmaı kedi edüktasları değeri % 5.67 ola bir edüktas seçilmişse, bu içi hazırladığı tablolara bakılarak karar durumda kapasitasları gerilimi 45 verilmektedir. u seçim içi bazı kriterler vardır. seçilmelidir. cak, 45 da çalışabilecek

4 N.Kakilli, K.Tuçalp ve Mehmet Sucu şekilde seçile kapasitaslar üzerleride yazılı ola reaktif gücü bu gerilim altıda verebilirler. Eğer kapasitaslar daha düşük gerilim ile çalışırlar ise yei güçleri; Q Q = (0) ile hesaplamalıdır. urada; Q,kompazasyo sistemii omial çalışma gerilimi altıda üreteceği reaktif güç (r); Q,gerilimi değişmesi soucuda kompazasyo sistemii üreteceği reaktif güç (r);, kompazasyo sistemii omial çalışma gerilimi ();, değişe gerilimi değeridir (). yrıca kompazasyo sistemi, seri bağlı reaktörleri tükettiği olduğu kabul edilmiştir. (Tablo ). Örek olarak alıa elektrik eerji sistemide yükleri degeli olarak fazlara dağıtıldığı kabul edilmiştir. Tablo. Örek elektrik tesisideki lieer olmaya yüklere ait akım gelikleri kımdaki Harmoik Derecesi Geliği () / 0,4 k 630 k / λ 50 Hz Kompazasyo Sistemi 30 kr x 5 Kademe Şekil. Örek elektrik tesisi k cos ϕ=0,75 50 Hz Q 3 X = () reaktif gücüde kadar daha az reaktif güç sisteme verecektir [9]. urada; Q,seri edüktasları tükettiği reaktif güç (r);,seri edüktas üzeride aka akım (); X,seri edüktası temel frekastaki edüktif reaktasıdır (Ω). 6. Harmoikleri Kompazasyo Sistemi Üzerideki Etkilerie it Simülasyo Öreği u bölümde, örek olarak alıa harmoik barıdıra bir elektrik eerji sistemi üzerie, güç katsayısıı düzeltmek içi öce kompazasyo sistemi kurulmuş ve harmoikleri tesise etkileri icelemiştir. Daha sora harmoikleri sistem üzerideki etkilerii azaltılabilmesi içi kompazasyo sistemie seri edüktas bağlaarak sistemi bu durumdaki davraışı icelemiştir. u iceleme, sistemi akıma ve gerilime ait THD değerleri üzeride MT v6.5 programı kullaılarak yapılmıştır [0]. 6.. Örek sistem Simülasyou yapılacak her iki filtre sistemi, Şekil de tek hat şeması ve elektriksel büyüklükleri verile sistem üzeride uygulamıştır. u sistemdeki lieer olmaya yükler akım kayağı ile modellemiştir. Sistemde 3., 5., 7., 9.,., ve 3. harmoikleri Örek elektrik eerji sistemii MT de hazırlamış simülasyo devresi Şekil3 de verilmiştir. u simülasyo devreside, Ölçüm loğu, Fazı, Fazı ve Fazı isimli bloklar birer kapalı bloktur. Ölçüm loğu isimli kapalı bloğu içeriside gerekli ola bütü büyüklükleri (her fazı ayrı ayrı akımı ve gerilimi, akım ve gerilime ait THD büyüklükleri, akım ve gerilime ait FFT değerleri, v.b.) ölçmek mümküdür. u blok isteildiği taktirde her türlü ölçümü yapacak şekilde geliştirilebilir. Sistemi, akım içi THD grafiği Şekil 4 de ve gerilim içi THD grafiği Şekil 5 de verilmiştir. 3 Fazli Kayak a b c 3 Fazli Trasformatör Ölçüm logu Fazi Fazi Fazi Şekil 3. Örek elektrik tesisii MT de hazırlaa simülasyo devresi Şekil 4 ve Şekil 5 de akıma ve gerilime ait THD değerleri görülmektedir. ua göre; akımdaki THD değeri %40 mertebeleride, Gerilimdeki THD değerleri ise % 6.5 mertebeleridedir. u değerler, EEE stadardlarıa göre kabul

5 N Harmoikleri Reaktif Güç Kompazasyo Sistemlerie Etkilerii İcelemesi ve Simülasyou edilebile sıırlar ola akım içi % 5, gerilim içi %3 mertebelerii oldukça üstüdedir. Şekil 4. fazı akımıı THD değeri 3 Fazli Kayak a b c 3 Fazli Trasformatör Ölçüm logu Kompazasyo Sistemi Fazi Fazi Fazi Şekil 6. Örek elektrik tesisie kompazasyo sistemii uygulaması Şekil 7 ve Şekil 8 de sisteme kompazasyo ilave edildikte soraki akıma ve gerilime ait THD değerleri görülmektedir. ua göre; akımdaki THD değeri %8 mertebelerie, Gerilimdeki THD değerii ise %3 mertebelerie çıktığı görülmektedir. u kabul edilebile sıırları çok üzerideki değerlerdir. urada görülmektedir ki, harmoik barıdıra bir sisteme kompazasyo sistemi eklediğide sistemdeki mevcut harmoik mertebeleri katlaarak artmıştır. uu sebepleri, kompazasyo sistemii yüksek frekaslardaki harmoikli akımlara çok düşük empedas göstererek bu akımları geliklerii artmasıa Şekil 5. fazı faz-ötr gerilimii THD değeri 6.. Örek sisteme kompazasyo sistemii eklemesi Sistemi mevcut güç katsayısı 0,75 dir. u değeri 0,95 e çıkartabilmek içi gerekli ola kodasatör gücü, 45.3 kr olarak hesaplamıştır. u değer, stadart kodasatör güç değerleri göz öüe alıdığıda buda soraki hesaplamalarda 50 kr olarak alımıştır. u kapasitif güç 5 kademeli bir kompazasyo sistemi ile karşılaacaktır. u değerdeki kapasitasları sisteme bağlamış durumuu MT programıda hazırlamış simülasyo devresi Şekil 6 da verilmiştir. u simülasyo devresii çalıştırılması soucuda sisteme kompazasyo uyguladıkta sora, akım içi THD grafiği Şekil 7 de ve gerilim içi THD grafiği Şekil 8 de verilmiştir. 3 Şekil 7. Kompazasyo sistemi uyguladıkta sora fazı akımıı THD değeri Şekil 8. Kompazasyo sistemi uyguladıkta sora fazı faz-ötr gerilimii THD değeri

6 N.Kakilli, K.Tuçalp ve Mehmet Sucu ede olması ve sistemde meydaa gele rezoas olaylarıdır. u sebeplerde dolayı harmoik barıdıra bir sistemde kompazasyo tesisi kurulması gerektiğide bu sistemde bildiğimiz klasik kompazasyo sistemii kullaılması çok sakıcalıdır. u durumda e iyi çözüm filtreli kompazasyo (seri edüktas bağlamış kompazasyo) sistemleridir Örek sisteme filtreli kompazasyo sistemii uygulaması Kompazasyo sistemie seri edüktas bağlama işlemi, harmoik barıdıra sistemlerdeki harmoikleri azaltılabilmesi içi uygulamada e çok kullaıla uygulamalarda birisidir. uu e öemli sebepleri, uygulamasıı kolay ve maliyetii düşük olmasıdır. Harmoikli bir sistemde harmoikleri varlığı çoğu zama kompazasyo sistemie verdiği zararlarla alaşılır. O yüzde bu yötem, harmoikleri kompazasyo sistemi üzerideki etkilerii de azalttığıda oldukça yaygı olarak kullaılmaktadır. u yöteme göre; sistemdeki kompazasyo sistemii değerlerie bakılarak firmalar tarafıda oluşturula edüktas seçim tablolarıda uygu edüktas değerleri seçilerek kompazasyo sistemie seri bağlamalıdır. Örek sistemi kapasitif güç ihtiyacı 45,3 kr değeridedir. u değer, stadart kodasatör güçlerii tam katı ola 50 kr değerie tamamlaarak 5 kademeli bir kompazasyo sistemi kurulmuştur. u kompazasyo sistemi, reaktif güç kotrol rölesi ile kumada edilmektedir. ua göre her bir kademei kodasatör gücü 30 kr dir. Örek sistem tam yük durumu içi modellediğide kompazasyo sistemideki tüm kademeleri devrede olduğu duruma göre filtre uygulamıştır. Örek sistemdeki harmoik mertebeleride gelik değeri e yüksek ola harmoik 3. harmoik olduğuda bu sistem içi p değeri % 7 ola edüktaslar seçilmelidir. Sistemdeki kodasatörler 440 da çalışacak şekilde seçilmiştir. ua göre edüktasları değeri,53 mh olmaktadır. u değerdeki edüktaslar, her bir faz içi ayrı olmak üzere kompazasyo sistemie seri bağladığıda bu filtre gerçekleştirilmiş olur. u sisteme ait MT programıda hazırlamış simülasyo devresi Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 9 daki simülasyo devresii çalıştırılması soucuda sistemi filtre uyguladıkta sora, akım içi THD grafiği Şekil 0 da ve gerilim içi THD grafiği Şekil de verilmiştir. 3 Fazli Kayak a b c 3 Fazli Trasformatör Ölçüm logu Seri Edüktas agli Kompazasyo Sistemi Fazi Fazi Fazi Şekil 9. Örek elektrik tesisii kompazasyo sistemie seri edüktası uygulaması Şekil 0. Kompazasyo sistemie seri edüktas bağladıkta sora fazı akımıı THD değeri Şekil. Kompazasyo sistemie seri edüktas bağladıkta sora fazı faz-ötr gerilimii THD değeri Kompazasyo sistemie seri edüktas bağladıkta sora sistem akımıı THD değeri % 8 mertebelerie, gerilimi THD değeri % 6 mertebelerie düşmüştür. u değerler yie kabul edilebile sıırları üzeridedir acak bu tür filtreleri avatajları, maliyetlerii düşük olması, uygulamasıı kolay olması ve souçlarıı tatmikar olmasıdır. 4

7 Harmoikleri Reaktif Güç Kompazasyo Sistemlerie Etkilerii İcelemesi ve Simülasyou 7. Souçlar ve Öeriler Yapıla simülasyolarda görülmüştür ki, harmoik barıdıra bir sisteme klasik kompazasyo sistemi uyguladığıda sistemdeki harmoik mertebelerii katlaarak arttığı görülmüştür. uu sebepleri, kompazasyo sistemii yüksek frekaslardaki harmoikli akımlara çok düşük empedas göstererek bu akımları geliklerii artmasıa ede olması ve sistemde meydaa gele rezoas olaylarıdır. u edelerde dolayı arta harmoikli akım ve gerilim seviyeleri kompazasyo sistemide ısıma ve dielektrik zorlamaya ede olarak kodasatörleri ömürlerii azaltmakta ve patlamalarıa ede olmaktadır. u sebeplerde dolayı harmoik barıdıra bir sistemde harmoikleri mevcudiyeti ve etkileri e fazla kompazasyo sistemleride hissedilmektedir. Harmoikli bir sistemde kompazasyou meydaa getirdiği olumsuz etkileri azaltılabilmesii e ekoomik ve uygulaması kolay ola yolu kompazasyo sistemie seri edüktas bağlama (filtreli kompazasyo) işlemidir. u sistemi söyleebilecek e olumsuz yaı harmoik mertebelerii istee değerlere tam olarak çekememesidir. Diğer bir olumsuz yaı ise bu edüktaslar kompazasyo sistemii uçlarıdaki gerilimi yükselmesie sebep olmaktadır, bu sebepte sistem içi seçile kapasitaslar şebeke gerilimide daha büyük gerilim değerlerie dayaıklı olmalıdır. u sistemi olumlu yaları ise; öcelikle maliyeti çok düşüktür, mevcut sistemlere kolayca mote edilebilir, sistemdeki rezoas riskii azaltır. u yötem uygulamada çok sık kullaıla bir yötemdir. Harmoikleri kompazasyo sistemie etkilerii azaltmada ve harmoikleri bastırmada e ekoomik ve uygulaması e kolay olaı kompazasyo sistemie seri edüktas bağlama işlemii, kompazasyo tesisi kurma zorululuğu gibi zorulu hale getirilmesi uygu görülmektedir. Eğer bu filtre sistemdeki harmoikler seviyelerii bastırmada yeterli olmuyorsa sistem iceleerek diğer harmoik filtre çeşitleri (pasif, aktif, hibrid) sisteme uygulaabilir. 8. Kayaklar. İzmirlioğlu,.(990). Fourier Serileri ve aplace Döüşümleri. Marmara Üiversitesi Matbaa Eğitimi ölümü, İstabul.. Eralp, F.,Y. (985). Mühedisler İçi Fourier Yötemi İle Dalga alizi. Nur Ofset Matbaası, İstabul. 3. Kocatepe,.; Uzuoğlu, M. (00). Harmoikleri Sıırlaması ve Harmoik Stadartları. Kayak Elektrik Dergisi, Sayı: Karakaş,. (000). Harmoikli Devrelerde Güç Kompazasyou. Yüksek isas Tezi, Yıldız Tekik Üiversitesi Fe ilimleri Estitüsü, İstabul. 5. rrillaga, J., Smith,.., Watso, N.R., Wood,.R. (997). Power System Harmoics. Joh Wiley&Sos, US. 6. kı,. (00). Siüsoidal Şebekelerde eslee de, Harmoik kım ve Gerilimleri Güç Faktörü Üzerie Etkilerii İcelemesi. Yüksek isas Tezi, Yıldız Tekik Üiversitesi Fe ilimleri Estitüsü, İstabul. 7. Sucu, M. (003). Elektrik Eerji Sistemleride Oluşa Harmoikleri Filtrelemesii ilgisayar Destekli Modellemesi ve Simülasyou. Yüksek isas Tezi, Marmara Üiversitesi Fe ilimleri Estitüsü, İstabul. 8. Hilkar Elektrotekik td. Şti., 9. Erka, E. (996). Nolieer de Güç Faktörüü İyileştirilmesi. Yüksek isas Tezi, Marmara Üiversitesi Fe ilimleri Estitüsü, İstabul. 0. MT, 5