Samet Kocatürk, Görkem Şen, Ali Rıfat Boynueğri, Mehmet Uzunoğlu, Recep Yumurtacı 1

Transkript

1 TRİSTÖR ANAHTARLAMALI BİR KOMPANZASYON SİSTEMİNİN TASARLANMASI VE UYGULAMASI DESIGN AND APPLICATION OF A TRISTOR SWITCHING CAPACITOR COMPENSATION SYSTEM Samet Kocatürk, Görkem Şen, Ali Rıfat Boynueğri, Mehmet Uzunoğlu, Recep Yumurtacı 1 1 Elektrik Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi sametkocaturk@gmail.com, gorkemsen10@gmail.com, alirifat@yildiz.edu.tr, uzunoglu@yildiz.edu.tr, ryumur@yildiz.edu.tr Özet Dünyamızın son yıllarda karşı karşıya kaldığı enerji krizi, bir yandan araştırmacıları yeni enerji kaynaklarına yöneltirken diğer yandan da mevcut enerji kaynaklarının en verimli şekilde kullanılması yönündeki çalışmaların yoğunlaşmasına neden olmuştur. Güç sistemlerinde işletmeyi kolaylaştırmak ve verimliliği arttırmak için gerekli en etkin önlemlerden biri de reaktif güç kompanzasyonu yapmaktır. Ancak, günümüzde çoğunlukla kullanılan kompanzasyon sistemlerinin istenilen verimde çalışmadığı ve sistemde gerilim bozulmalarına neden olduğu görülmektedir. Bu gerilim bozulmaları, kompanzasyon sistemlerinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan kontaktörlerin, kondansatörleri devreye alıp çıkarma anlarında meydana gelmektedir. Bu çalışmada bahsi geçen sorunlara çözüm üretmek amacıyla güç elektroniği elemanları kullanarak kondansatörleri devreye alıp çıkarabilen bir kompanzasyon sistemi önerilmiştir. Öncelikle, bu sistem benzetim ortamında denenmiş sonra da elde edilen sonuçlar test düzeneği üzerinde doğrulanmıştır. Yapılan deneysel çalışmaların sonucunda elde edilen veriler tasarlanan sistemin diğer kompanzasyon sistemlerine göre daha hızlı çalıştığını göstermiştir. Ayrıca, kompanzasyon sistemlerinin enerji kalitesi üzerindeki olumsuz etkileri oldukça azaltılmıştır. Abstract Research specialists increase working on energy efficiency besides researching new energy sources because of worldwide energy crisis of late years. Reactive power compensation is one of the influential methods as facilitating of power system operations and increasing efficiency. On the other hand, recently most of applied compensation systems do not work efficiently enough and cause deterioration of voltage wave form. The disfigurement observed at the time of being started up and being cut of the capacitors by contactors. The compensation system which is supposed uses power electronics to solve the problems mentioned above. The system is simulated then experimental setup is prepared. The experimental results expose that designed system works faster also the effects on energy quality caused by compensation system is reduced. 1. Giriş Dünya nüfusunun artmasına ve gelişen teknolojiye bağlı olarak enerji talebinde artış gözlenmektedir. Bahsi geçen talebi karşılamak için mevcut enerji kaynaklarının en verimli şekilde kullanılması gerekir. Elektrik enerjisini verimli kullanmak ve kayıpları azaltmak için uygulanan yöntemlerinden biri de reaktif güç kompanzasyonu yapmaktır [1]. Genel olarak şebekeden çekilen endüktif (geri) reaktif gücün, kapasitif (ileri) reaktif güç çekmek suretiyle dengelenmesine kompanzasyon ve bu dengeyi ihtiyaca göre ayarlamayı sağlayan sisteme de kompanzasyon sistemi denir. Böylelikle, şebeke gereksiz yüklenmez, şebeke kaynaklarının kullanım verimi ve kapasitesi düşmez ve kayıplar azalır. [2-5]. Kompanzasyon yapılırken yaygın olarak kullanılan yöntem statik kompanzasyondur. Statik kompanzasyonda, endüktif reaktif güç değerini dengelemek için kondansatör grupları devreye alınır. Bu işlem kontaktör kullanılarak yapılabileceği gibi tristör gibi güç elektroniği elemanları kullanılarak da yapılabilir [6]. Devreye alma ve çıkarma işlemleri tristör kullanılarak yapılan kondansatör bataryalarına Tristör Anahtarlamalı Kondansatör (TSC) adı verilir. Gerçekleştirilen çalışmada, tristör kullanılarak yapılan kompanzasyon uygulamalarındaki gibi bir kondansatör kademesi için iki adet tristör kullanmak yerine kademeyi devreye alıp çıkarmak için bir tristör ve bir diyot kullanılmıştır. Bu sayede hem maliyet azaltılmış hem de tristörlerin tetiklenmesi için hazırlanan kontrol algoritması daha basitleştirilmiştir. Ayrıca reaktif güç ölçümü entegre aracılığı ile yapıldığı için mikro denetleyiciye düşen iş yoğunluğu azaltılmış ve bu sayede 8 bitlik maliyeti düşük bir denetleyici ile hem donanımsal hem de yazılımsal eklemelere yatkın bir kontrol ünitesi elde edilmiştir. 2. Tanımlanması ve Metodoloji Geleneksel kompanzasyon sistemleri, kondansatör gruplarını kontaktörler ile mekanik olarak devreye alıp çıkardığından anahtarlama esnasında şebeke hattında parazitlere, arklara, gürültüye, gerilim düşme ve yükselmelerine neden olurlar. Binlerce kullanıcıda aynı durum düşünüldüğünde çok ciddi

2 hat kirlenmeleri ve dolayısıyla kalitesiz enerji ortaya çıkar. Bu sorunlu durum hassas cihazlara zarar verebilir. Ayrıca, hızlı değişen yük durumlarında güç faktörünün elektro-mekanik olarak sürülen kondansatör kademeleriyle düzeltilmesi zordur [7]. Böyle durumlarda geleneksel sistemler, yükün ihtiyacı olan reaktif gücü karşılamakta gecikir. Tristörler ile hazırlanan kompanzasyon sisteminin ölçüm yapıldıktan sonra cevap verme süresi ise milisaniyeler mertebesindedir. Bu durum göz önüne alındığında, tristör anahtarlamalı kondansatör sisteminin kullanılmasının avantajı anlaşılmaktadır. Bu çalışmada, değişken reaktif güce sahip bir yükün reaktif güç ihtiyacını sürekli olarak denetleyebilen bir kontrol ünitesi tasarlanmıştır. Bahsi geçen kontrol ünitesi ile sistemin güç katsayısını 1 e yaklaştırmak için gerekli ileri reaktif güç ihtiyacı tespit edilmiştir. Tasarlanan sistemin genel şeması Şekil 1 de verilmiştir. Kondansatör kademelerinin gerektiği zaman devreye girebilmesi için yükün ihtiyaç duyduğu reaktif güç değerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bunun için ölçülen akım ve gerilim bilgileri, reaktif güç ölçüm ünitesine gönderilmektedir. Kontrol ünitesi hesaplanan reaktif güç değerine göre gerekli kondansatör kademelerini devreye almak için kademelere ait tristörlerin iletime girmesini sağlar. Böylece istenen reaktif güç kompanzasyonu yapılmış olur. Şekil 2: Simulink ile modellenen sistemin bir fazlı eşdeğer devresi Şekil 3: Modellenen sisteme ait blok diyagramı Bu modelde yükler farklı zamanlarda değişken olarak devreye girmektedir. Reaktif güç ihtiyacı ölçme ünitesi, reaktif güç değerlerini ölçerek kontrol ünitesine bu verileri göndermektedir. Kontrol ünitesi, gelen bilgileri kendi içerisinde bulunan verilerle karşılaştırarak kademeleri devreye alıp-çıkarmak için tristör sürme devrelerine gerekli tetikleme sinyallerini göndermektedir. Şekil 1: Test düzeneğinin genel şeması 2.2. Test Düzeneği Hazırlanan test düzeneğini Şekil 4 te gösterilmiştir. iki ana kısımdan oluşmaktadır. Bu kısımlardan birincisi tristör anahtarlamalı kondansatörlerin bulunduğu güç ünitesidir. İkinci kısım ise kontrol ünitesidir Benzetim Çalışması Bu çalışmada hazırlanan kompanzasyon sisteminin modellenmesi ve analizi MATLAB & Simulink, SimPowerSystems ile yapılmıştır. in bir fazlı eşdeğer devresi Şekil 2 de gözükmektedir. Gerçekleştirilen benzetim çalışması şebekeyi temsil eden bir kaynak, kademeli olarak devreye girip çıkan endüktif karakterli yükler, tristör anahtarlamalı kondansatörler ve kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Şekil 2 de de görüldüğü gibi beş tane kondansatör kademesini devreye alıp çıkarmak için tristör ve diyot bağlantısı kullanılmıştır. Modellenen sistemin blok diyagramı Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 4: Hazırlanan test düzeneği

3 Tristör Anahtarlamalı Kondansatörler Bu ünitede kondansatör kademeleriyle birlikte tristör anahtarlamalı güç devresi ve tristör sürme devreleri bulunmaktadır. Tristör sürme devresi tasarımı yapılırken göz önünde bulundurulması gereken bazı noktalar vardır. Kompanzasyon sistemlerinde kondansatörler, devreye girme ve devreden çıkma anlarında sistemden ani olarak aşırı akım çekebilir ve şebeke geriliminde geçici olaylara (transientler) sebep olabilirler. Bu nedenle, kondansatör gruplarını devreye alacak tristörlerin tetiklenme işlemleri ancak kondansatör gerilimi ile şebeke geriliminin genlik değerleri arasında çok az bir fark olduğu zaman yapılmalıdır. Bu sayede tristörlerden geçen akımın zamana bağlı değişim miktarı tristörlere zarar verecek değerlere yükselmez. Kondansatörleri devreden çıkarmak istediğimiz zaman ise kondansatör akımının sıfır olduğu an beklenmeli ve bu anda kondansatör devreden çıkarılmalıdır ki tristör çalışma karakteristiği gereği bu durumu kendiliğinden sağlar [7-9]. Kademe sayısı ve kondansatör değerleri kör nokta bırakmayacak ve en fazla 1800 VAr geri reaktif gücü kompanze edecek şekilde tasarlanmıştır. Tristör sürme devresi, benzetim çalışmasında olduğu gibi beş kademeli olarak hazırlanmıştır. Her kademe için gereken elemanlar ve devre şeması Şekil 5 te verilmiştir. Şekil 5: Her bir kondansatör kademesine ait güç devresi Kompanzasyon sisteminde bulunan diyotun, tristörün ve bastırma hücresinde kullanılan elemanların değerleri benzetim çalışması ile elde edilmiştir. Gerçekleştirilen çalışmada kondansatörler, gerilim değerleri şebeke geriliminin tepe noktasına eşit oluncaya kadar diyot üzerinden şarj olurlar. Tasarlanan tristör sürme devresinin diğer tristör sürme devrelerinden en büyük farkı ise, tristörleri şebekeye olumsuz etkiler oluşturmadan iletime sokmasıdır. Genellikle kompanzasyon sistemlerinde bu işlem kontrol ünitesi vasıtasıyla yapılmaktadır. Ancak tasarlanan tristör sürme devresiyle, kontrol algoritması basitleştirilmiştir ve bu işlem analog olarak yapılmıştır. Sonuçta, sürme devresi kondansatör gerilimi ile şebeke gerilimi arasındaki farkın sıfır olduğu anda tristörü iletime sokmaktadır. sokmaktadır. Bu durumda kondansatör akımının pozitif alternansı diyotlar üzerinden akarken, negatif alternansı tristorler üzerinden tamamlanmaktadır. Eğer bir sonraki gerilimin pozitif alternansında tristöre her hangi bir tetikleme sinyali gelmezse, kademe devreden çıkmakta ve kondansatör gerilimi şebeke geriliminin tepe noktasında sabit kalmaktadır. Ayrıca, tristörler kondansatör akımının sıfır anında devreye girmekte ve devreden çıkmaktadırlar. Bu sayede anahtarlama sırasında oluşabilecek geçici aşırı gerilimler önlenmiş olmaktadır Kontrol Ünitesi Kontrol ünitesi birbiriyle bağlantılı dört devreden oluşmaktadır. Bu devreler; DC besleme devresi, Akım - gerilim ölçme devresi, Reaktif güç ölçme devresi, Kontrol devresi. de bulunan devrelerin beslemesi için ihtiyaç duyulan gerilim değerleri DC besleme devresi ile sağlamaktadır. Reaktif güç ölçüm devresinin, reaktif gücü hesaplamak için ihtiyaç duyduğu akım ve gerilim bilgileri, akım- gerilim ölçüm devresi aracılığı ile elde edilmiştir. Reaktif güç ölçüm devresi, akım - gerilim ölçme devresinden gelen analog sinyaller düşürücü opamp devresi sayesinde dirençlerle yapılan gerilim bölücüye göre gürültülerden daha az etkilendiği gözlenmiştir. Bu sinyaller reaktif güç ölçüm entegresine uygulanarak reaktif güç ölçümü yapılmıştır. Yapılan reaktif güç ölçümü SPI iletişim protokolü yoluyla mikro denetleyiciye aktarılmaktadır. Kontrol devresinde, SPI iletişim protokolünü desteklemesi, dış kesme imkanı sunması ve maliyeti düşük olması nedeniyle PIC16F877 serisi mikro denetleyici kullanılmıştır. Bu denetleyiciye programlama aşamasında, kullanılan kademelere ait bilgiler aktarılmıştır. Mikro denetleyici hafızasındaki kademe bilgileri ile reaktif güç ölçüm devresinden okunan reaktif güç bilgilerini geliştirilen algoritma aracılığıyla karşılaştırmaktadır [10-12]. Kıyaslama sonucunda uygun kademeyi belirleyen mikro denetleyici, bu kademeye ait sürme devresine sinyal gönderir. 3. Verilerin Alınması ve Değerlendirilmesi Tasarlanan sistemin başarısını test etmek için farklı yüklerin hızlı bir şekilde devreye girip çıktığı bir benzetim çalışması yapılmış ve alınan sonuçlar incelenmiştir Benzetim Sonuçları Gerçekleştirilen benzetim çalışmasında, sistemdeki yükler değişik zaman aralıklarında devreye girip çıkmaktadır. Bu durumda, yüklerin ihtiyaç duyduğu reaktif güç değerleri ve sistemden çekilen reaktif güç değerleri Şekil 6 da görüldüğü gibi değişmektedir. Bahsi geçen sistemde, tristörler iletime girene kadar kondansatörler şarjlı olarak bekletilmektedir. Bir kademeye ait tristör sürme devresine kontrol ünitesinden bir sinyal uygulandığında sürme devresi tristörü uygun şartlarda iletime

4 Reaktif Güç [VAr] Şekil 6: ten ve şebeke bağlantı noktasından ölçülen reaktif güç değerleri Aynı şekilde yapılan benzetim çalışmasında yük ucu ile şebeke bağlantı noktasından ölçülen güç faktörü değişimleri ise Şekil 7 de görüldüğü gibidir. Güç Faktörü Şekil 7: ten ve şebeke bağlantı noktasından ölçülen güç faktörü değerleri Şekil 7 de gösterilen şebekenin güç faktörünün zamana bağlı değişimi incelendiğinde, sistemde güç faktörü büyük oranda bire yakın seviyede tutulmuştur. Ancak yük değişmeleri anında tasarlanan sistemin cevap verme süresine bağlı olarak (ms ler mertebesinde) güç faktörü değeri düşük değerler almaktadır. Bu durumdan görülmektedir ki yavaş olan geleneksel kompanzasyon sistemlerinde bu düşük değer cevap verme süresine bağlı olarak daha uzun süre (saniyeler mertebesinde) devam edecektir. Bu sebeple hızlı olarak değişen yüklerde geleneksel kompanzasyon sistemleri yavaş kalacak ve güç faktörü istenilen sınırlar içinde tutulamayacaktır. Tasarlanan TSC li statik kompanzasyon sisteminde kondansatörler, tristör ve diyot yardımı ile devreye alınıp devreden çıkarılmaktadır. Daha öncede bahsedildiği üzere tristörlerin pozitif tepe değerinde tetiklenmesi durumunda şebeke geriliminde bir bozulma görülmemektedir. Bu durum Şekil 8 da gösterilmiştir. Şekil 8: Bir kademenin devreye girme ve çıkma anlarında tetikleme sinyalinin, şebeke ve kondansatör gerilimlerinin değişimi Şekil 8 da örnek olarak kondansatör kademelerinden birinin devreye girme ve devreden çıkma anı incelenmiştir. Bahsi geçen şekilde görüldüğü gibi kontrol bloğundan tristöre tetikleme sinyalleri şebeke geriliminin pozitif tepe noktasında gönderilmektedir. İlk tetikleme sinyali geldiğinde tristör iletime girmektedir ve akımın negatif alternansını üzerinden geçirmektedir. Akımın pozitif alternansı da, diyot üzerinden geçmektedir. Tristörün devreden çıkması için görüldüğü gibi tetikleme sinyali kesilmektedir. Tristör sinyali kesildikten sonra diyot akımın pozitif alternansını geçirmektedir. Böylelikle kondansatör kademesi devreden çıkarılmış olur. Sonuç olarak kondansatör kademelerini devreye alma ve devreden çıkarma işlemi gerilimin pozitif tepe değerinde ve akımın sıfır noktasında gerçekleştirilmiş olmaktadır. Eğer tristörlere herhangi bir tetikleme sinyali uygulanmazsa kondansatör kademeleri hep şarjlı halde kalacaktır Test Sonuçları Hazırlanan kompanzasyon sistemini test etmek amacı ile test düzeneği üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmada değişken reaktif güç çeken yük kompanzasyon sistemi ile beraber çalıştırılmış ve sistemin reaktif güç kompanzasyonu son derece başarılı olarak sağlanmıştır. ün ihtiyaç duyduğu reaktif güç ve şebekeden sistem tarafından çekilen reaktif gücün zaman bağlı olarak değişimleri Şekil 9 de gösterilmiştir. ün reaktif güç ihtiyacı son derece hızlı değişmesine karşılık reaktif güç kompanzasyonu başarı ile sağlanmıştır.

5 Reaktif Güç [VAr] Şekil 9: Test düzeneğinde ölçülen reaktif güç değişimleri Ayrıca sistemin başarısı güç faktörü değerleri incelendiğinde daha net gözükmektedir. Bahsi geçen güç faktörü değerleri Şekil 10 de gösterilmiştir. ün hızlı olarak değişen güç faktörü değeri şebeke bağlantı noktasında sürekli olarak 1 değerine çok yakın bir aralıkta korunmuştur. Güç Faktörü Şekil 12: ten ve şebeke bağlantı noktasından ölçülen güç faktörü değerleri 5. Kaynaklar [1] Bayram, M., Kuvvetli Akım Tesislerinde Reaktif Güç Kompanzasyonu, Birsen Yayınevi, İstanbul, [2] Richard, E., Frederick, P.C.H., Jayanta, K.P., Optimal Reactive Power Control for Industrial Power Networks, IEEE Transaction on Industry Applications, 35 (3), , [3] Jin, K., Ortmeyer, T.H., Application of Static Compensators in Small AC Systems, Electric Power Components and Systems, 30 (9), , [4] Mekhamer, S.F. El-Hawary, M.E., Mansour, M.M., Moustafa, M.A., Soliman, S.A., State of the Art in Optimal Capacitor Allocation for Reactive Power Compensation in Distribution Feeders, IEEE Large Engineering Systems Conference on Power Engineering, LESCOPE 02, 61-75, [5] Miller, J., Reactive Power Control In Electric Power Systems, John Willey & Sons.,1982. [6] TMMOB, Reaktif Güç Kompanzasyonu Seminer Notları, İstanbul, EMO, [7] Jianhua Z., Guangping D., Gang X., Jie Z., Hui Z., Shuying W., Design of the Control System for Thyristor Switched Capacitor Devices, IEEE Power Engineering Society, pp , [8] Bayram, M., Hızlı Değişen Olaylarda Reaktif Güç Kompanzasyonu, Elektroteknik Dergisi, Sayı 1 Ocak [9] Kundur, P., Power System Stability And Control, McGraw-Hill, Inc., [10] Şekkeli, M. ve Tarkan, N., Reaktif Güç Kontrol Rölesinde Minimum Anahtarlama Sayısı ve Optimal Reaktif Güç Seçimi, İtüdergisi, 4, 11-15, 2005 [11] Bayındır, R. ve Kaplan, O., Pic Denetimli Reaktif Güç Rölesi Tasarımı, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 22, 47-56, 2007 [12] Şekkeli, M. ve Adak, S., Yeni Bir Yaklaşımla Reaktif Güç Kontrol Rölesi Dizaynı ve Uygulaması, KSÜ. Fen ve Mühendislik Dergisi, 9(1), Sonuçlar Gerçekleştirilen bu çalışma ile hızlı değişken yüklere cevap verebilen bir reaktif güç kompanzasyonu ünitesi tasarlanmıştır. Bu kompanzasyon sistemi hızlı çalışmasının yanı sıra oldukça az enerji kalitesi problemlerine de sebep olmaktadır. Elde edilen sonuçlardan açıkça görülmüştür ki hızlı değişen yüklerde bile reaktif güç kompanzasyonu başarı ile sağlanmaktır. Ayrıca kondansatör değerlerinin değişmesi halinde sadece yazılımsal değişiklikle modüler bir sistem elde edilebilir. Ayrıca kondansatör kademelerinin sayıları arttırılarak daha büyük reaktif güçleri kompanze etmek için sistem geliştirilebilir. Ülkemizde bu tür sistemlerin ihtiyaç duyulduğunda, genellikle yurt dışından veya yurt dışından malzeme temin eden yerli firmalardan karşılandığı görülmektedir. Bahsi geçen çalışmanın bir diğer önemli çıktısı da ülkemizde de bu tür sistemlerin geliştirilebileceğinin gösterilmiş olmasıdır.