ENDÜSTRİYEL GÜÇ SİSTEMLERİNDE OLUŞAN HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE YOK EDİLMESİ

Transkript

1 ENDÜSTİYE GÜÇ SİSTEMEİNDE OUŞAN HAMONİKEİN PASİF FİTEEE YOK EDİMESİ M. Mustafa ETAY 1, Bora ABOYAI, H.Tarık DUU, E.Mustafa YEĞĠN 1 Düzce Üiversitesi, Tekik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü Kocaeli Üiversitesi, Mühedislik Fakültesi, Elektrik Mühedisliği Bölümü mustafaertay@duzce.edu.tr, alboyaci@kocaeli.edu.tr, tduru@kocaeli.edu.tr, emy@kocaeli.edu.tr Özet Güç sistemlerideki güç kalitesi problemlerii geelde harmoik bozulmalar oluģturur. Bu çalıģmada MATAB ortamıda edüstriyel bir sistemde olieer yükler sebebiyle meydaa gele harmoik bozulmalara karģı pasif filtre tasarımı ve uygulaması gerçekleģtirilmiģtir. Ġlk oce sistemi harmoik özellikleri icelemiģ, daha sora tek ayarlı filtre tasarımı içi gerekli eģitlikler verilmiģtir. Belirli harmoik dereceleri içi pasif filtre tasarımı yapılmıģtır. Herbir adımda dizay edile pasif filtreleri harmoik bozulmalara ve sisteme ola etkileri icelemiģtir. Ayrıca sistemi kısa devre gücüü değiģmesii harmoik bozulmalar üzerie ola etkiside yapıla simülasyolarla icelemiģtir. Baskı harmoiklere filtre uyguladığıda diğer harmoik gelikleriide azaldığı görülmüģtür. Souçlar tablo ve grafikler halide suulmuģtur. Aahtar Kelimeler: Güç kalitesi, Harmoik bozulma, Pasif filtreler,tek ayarlı filtre. 1.Giriş Elektrik güç sistemideki olieer elemalar, iletim ve dağıtım sistemleride ciddi bir harmoik kirliliğe ede olmakta ve tüketiciye verile eerjii kalitesii olumsuz etkilemektedirler. Tekik ve ekoomik pek çok etkisi ola harmoikleri bu etkilerii bilimesi ve iģletmelerde aalizlerii yapılması hem eerji kalitesi açısıda hem de iģletmei sürekliliği açısıda so derece öemlidir. Nolieer yükleri oluģturduğu harmoik akım bileģeleri, sistemde harmoik gerilimleri oluģmasıa ede olurlar. Harmoik gerilimler ise bu sisteme bağlı lieer ve olieer yükler üzeride harmoik akımlar akıtırlar. Nolieer yükleri buluması halide çekile harmoikli akımlarla, besleme oktası ile bu tip yükleri birbirie bağlaya baralar üzeride harmoik gerilim düģümleri oluģacaktır. Harmoik bileģeleri bu olumsuzluklarıı icelemesi ve giderilmesi bakımıda harmoikli sistemlerde detaylı aalizleri gerçekleģtirilmesi gerekmektedir [1]. Harmoik problemlerii azaltmak ve güç kalitesi problemlerii iyileģtirmek, içi iki yaklaģım mevcuttur. Birici yaklaģım yük Ģartladırmadır. Bu, doaımı güç bozuumlarıa karģı az hassas, olmak zoruda olmasıı, belirgi gerilim veya akım bozuumları altıda çalıģmaya izi vermesii sağlamak alamıa gelmektedir. Ġkici yaklaģım ise, güç sistemi bozuumlarıı bastırmak içi hat Ģartladırma sistemleri kurmaktır. Ġkici yaklaģım çok ilgi çekicidir [4]. Bular pasif ve aktif güç filtreleri olarak biliir. Pasif filtreler edüstride e çok kullaıla filtrelerdir [-3]. Diğer yötemlerle kıyasladığıda daha ekoomiktir [3]. Edüstriyel güç sistemleride harmoik azaltma tekiklerii icelediği çalıģmada aktif ve pasif güç filtreleri icelemiģtir. Pasif filtreleri diğer yötemlere göre daha ekoomik olduğu acak özel harmoik bileģeleri içi dizay edildiğide dolayı değiģe harmoik durumlarıa adapte edilebilir olmadığı ifade edilmiģtir. Aktif filtreleri iyi bir sistem performası ve akım harmoikleride azaltma sağladığı, fakat güç elektroiği tabalı bir cihaz olduğuda dolayı pasif filtrelere göre çok pahalı olduğu ve küçük tesislerdeki uygulamalar içi uygu olmadığı ifade edilmiģtir [5]. Edüstriyel bir güç sistemide harmoik azaltma çalıģmasıı suulduğu çalıģmada, tek ayarlı ve çift ayarlı filtreleri harmoik elimiasyoudaki etkiliği icelemiģtir. Ayrıca çalıģmada filtreleri yerleģimi, güç kapasitörleri ve yük değiģimlerii harmoik bozulumlara etkisi de icelemiģtir. Souç olarak çift ayarlı filtreleri harmoik bozulmaları azaltmada daha iyi bir performas sergilediği ifade edilmiģtir [6]. Tek ayarlı ve -tipi harmoik filtreleri içi etkili ve geiģ kapsamlı dizay prosedürlerii öerildiği çalıģmada, alçak güç uygulamaları içi yei bir yüksek geçire filtre topolojisi öerilmiģtir [7]. Orta gerilim seviyeside ola edüstriyel bir sistem içi kurula farklı filtreleri performasıı karģılaģtırıldığı çalıģmada, farklı filtreler içi hassaslık çalıģmaları yapılmıģtır [8]. 58

2 Bu çalıģmada orta gerilim seviyeside ola edüstriyel bir sistem içi harmoik aalizi ve tek ayarlı pasif filtre dizayı yapılmıģtır. Sistemde bulua olieer yük tarafıda oluģturula harmoikler içi farklı tek ayarlı filtre tasarımı yapılmıģtır. Herbir filtre ayrı ayrı sisteme uygulamıģ ve filtrei harmoik bozulmalara ola etkisi icelemiģtir..pasif Filtreler A.Devre Kofigürasyoları Pasif filtreler -- elemalarıda oluģmaktadır. Pasif filtrelerde amaç yok edilmek istee harmoik bileģe frekasıda rezoasa gelecek ve değerlerii belirlemektir [1]. ġekil 1 ve de pasif filtrelere iliģki devre kofigürasyoları görülmektedir. 1 reaktasları olmak üzere filtre boyutu aģağıdaki gibi ifade edilir. VS S = (). harmoik içi ayarlamıģ filtrei edüktif ve kapasitif reaktasları aģağıdaki gibi hesaplaır. =. o (3) Burada, olur. Filtre boyutu yeide düzeleirse; S = VS 1 ( 1 ) (4) 1 1 Filtrei kalite faktörü (Q) ayar keskiliğii belirler. Bu açıda filtreler düģük Q veya yüksek Q filtresi tipide olabilir. Tek ayarlı filtrei kalite faktörü deklem 5 teki gibi verilir [1,1]. 3 3 Q = o (5) (a) (b) 3. Bezetimi Yapıla Edüstriyel Sistem ġekil 1: Pasif ayarlı filtreler; a) Tek ayarlı b) çift ayarlı [9]. Şebeke Sk =1 MVA Harmoik ölçüm Noktası 34.5 kv 34.5/6.3 kv Dy11 Dağıtım Hattı (a) (b) ġekil : Pasif yüksek geçire filtreler; a) Birici derece b) Ġkici derece c) Üçücü derece [9]. B.Tek Ayarlı Filtreler (c) 4 MW, osφ=.8 1 KVA OBN (6.3 kv ) Tek ayarlı filtreler ayarladığı harmoik akımlarıı etki bir Ģekilde bastırmak içi düģük bir empedas yolu olarak rol oyarlar []. Filtre empedası aģağıdaki gibi ifade edilir []. 1 Z = + j(w - ) (1) w ve kapasitör ve idüktörü temel frekastaki ġekil 3:Filtre uygulaa sistem Bu çalıģmada Ģekil 3 te yer ala sistem, MATAB/Simulik ortamıda modellemiģtir. Sistemi filtre uygulamada öceki güç faktörü,8 dir. Filtresiz sistemi harmoik gelikleri tablo 1 de verilmiģtir. Burada akımı harmoik 59

3 Gerilim (V) Gelik (V) Akım (A) Gelik (A) bozulumuu %7.45, gerilim harmoiklerii ise %19.67 olduğu görülmektedir. Ayrıca sistemi akım ve gerilim dalga Ģekilleri Ģekil 4 ve 5 te akım ve gerilim harmoiklerie iliģki bar grafikleri ise Ģekil 6 ve Ģekil 7 de, verilmiģtir. Tablo 1: Filtrelemede öceki harmoik gelikleri ve THD Harmoik THD% Akım (A) Gerilim (V) Akım Harmoikleri Harmoik derecesi ġekil 6: Sistemi Akım Harmoikleri Zama(s) ġekil 4: Filtresiz sistemi akım dalga Ģekli Gerilim Harmoikleri Harmoik derecesi ġekil 7:Sistemi Gerilim Harmoikleri Zama(s) ġekil 5: Filtresiz sistemi gerilim dalga Ģekli ġekil 8: Edüstriyel Sistemi Simulik Modeli Edüstriyel sistemi simulik modeli Ģekil 8 de verilmektedir. Modelde yer ala o-lieer yük akım kayaklarıyla modellemiģtir. Ölçümler bloğuda sisteme iliģki THD, cosφ ve güç değerleri görülebilmektedir. 6

4 4.Tek Ayarlı Filtre Tasarımı Ve Uygulaması Filtre tasarımı içi ilk öce sistemi reaktif güç gereksiimi belirlemelidir. Çükü filtreler temel frekasta reaktif güç kompazasyouda kullaılmaktadırlar [1,]. eaktif güç gereksiimi aģağıdaki gibi hesaplaır []. Q 1 = P(ta ta ) (6) Orta gerilim seviyesideki bu edüstriyel güç sistemie sırasıyla 5th, 5th-7th harmoik filtreleri tasarlamıģtır. Bua göre tasarlaa filtre değerleri tablo de verilmiģtir. Tablo : Filtre değerleri Filtre (Ω) (H) (F) 5th x1-4 5th-7th x x1-5 Sisteme iliģki güç faktörü.8 dir. Bu değer.95 e yükseltilecektir. Deklem 6 ya gore sistemi reaktif güç gereksiimi 1686 kva olarak hesaplaır. eaktif güç değeri 17 kva olarak alımıģtır. Bua gore gerekli kapasitörü reaktası deklem 7 deki gibi hesaplaır [,11]. S V (7) Q Deklem 3 te ise filtrei rezoas aıdaki reaktası hesaplaır.tablo 1 de yer ala harmoik akım derecelerii gelik değeri farklı olduğuda her bir paralel kol, tasarladığı harmoik derecesii gelik değerideki akımı taģıyabilecek kapasitede tasarlamalıdır. Bu sebepte sisteme bağlaması gereke toplam değerii kollara paylaģtırılması deklem 8 deki gibi olacaktır [1]. I =. I (8) h Tablo 3: Harmoik Aalizi ġekil 9: Sisteme 5 th -7 th filtresi uyguladıkta sora elde edile empedas-frekas değiģimi Harmoikler THD osφ Filtresiz 5th 5th-7th Akım %7.45 Gerilim %19.67 Akım %9.99 Gerilim %8.18 Akım %4.78 Gerilim % Filtreler sisteme uyguladıkta sora elde edile harmoik gelikleri, THD değerleri ve güç faktörü değerleri tablo 3 te verilmiģtir. Bezetimi yapıla sisteme filtre uygulamaları adım adım yapılmıģtır. Sistemde filtre yokke akım harmoiklerii THD değeri %7.45 tir. 5th filtresi sisteme uyguladığıda bu değeri %9.99 a düģtüğü görülmektedir. Buula beraber filtre uygulamaya harmoik gelikleriide, filtresiz sisteme göre azaldığı gözlemektedir. Öreği 7th akım harmoik geliği filtresiz sistemde A ike 5th filtresi uyguladığıda bu değer 35.8 e düģmüģtür. Gerilim harmoikleri içide ayı Ģey söz kousudur. 5th-7th filtresi uyguladığıda elde edile empedas frekas değiģimi Ģekil 9 da görülmektedir. Tek ayarlı filtrei temel frekasta yaptığı kompazasyo etkisi tabloda et bir biçimde görülmektedir. Filtresiz sistemde akım değeri 6.75 A ike 5th filtresi uyguladıkta sora bu değer 61

5 Gelik (V) Gelik (A) Akım (A) Gerilim (V) 51.4 A olmaktadır. Kompazasyola beraber bekleildiği gibi akımı azaldığı, görülmektedir. Gerilimi temel bileģe değerii ise V değeride V değerie yükseldiği görülmektedir. Buula beraber filtresiz sistemde.8 ola güç faktörü değeri artarak.95 olmuģtur. Sisteme filtre ekledikçe akım ve gerilim harmoik gelikleri giderek azalmıģtır. Sisteme 5th-7th filtresi uyguladığıda akım harmoiklerii THD değeri %4.78 olmuģtur. Gerilim harmoiklerii THD değeri ise %4.51 e düģmüģtür. 5th filtresi uyguladıkta sora temel bileģe gerilim değeri V (maksimum değer) ike 5th-7th filtresi uyguladıkta soraki temel bileģe gerilim değeri V olmaktadır. Aradaki farkı harmoikler edeiyle meydaa gele gerilim düģümüde kayakladığı söyleebilir. ġekil 1 ve 11 de 5th-7th filtresi uyguladıkta soraki harmoik gelikleri görülmektedir Akım Harmoikleri Harmoik derecesi ġekil 1: 5 th -7 th filtresi uyguladıkta sora sistemi akım harmoik gelikleri Gerilim Harmoikleri Harmoik derecesi ġekil 11: 5 th -7 th filtresi uyguladıkta sora sistemi gerilim harmoik gelikleri. ġekil 1 ve 13 te 5th-7th filtresii uygulaması sorasıdaki akım ve gerilim dalga Ģekilleri görülmektedir. Görüldüğü gibi filtresiz sisteme göre akım ve gerilim dalga Ģekli düzelmiģtir Zama(s) ġekil 1: 5 th -7 th harmoiklere uygulaa filtrede sora gerilimi dalga Ģekli Zama(s) ġekil 13: 5 th -7 th harmoiklere uygulaa filtrede sora akımı dalga Ģekli Tablo 4: Kısa devre gücüü harmoik bozulumlar üzerie etkisi Kısa Devre Gücü (MVA) THD I (%) THD V (%)

6 Filtresiz durum içi kısa devre gücü değiģtirildiğide tablo 4 teki souçlar elde edilmiģtir. Görüldüğü gibi kısa devre gücü arttıkça gerilim THD değeri yaklaģık %9 kadar bir azalma göstermiģtir. Kısa devre gücüü artması sistemi gerilim profilii iyileģtirmektedir. 5. Souçlar Bu çalıģmada edüstriyel bir güç sistemi içi harmoik aalizi, tek ayarlı pasif filtre tasarımı ve MATAB ortamıda uygulaması gerçekleģtirilmiģtir. Tek ayarlı filtreler sisteme adım adım uygulamıģtır. Buu soucuda filtre uygulamaya harmoik gelikleriide azaldığı görülmüģtür. Filtreleri uygulaması ile akım ve gerilim THD değerleri kabul edilebilir seviyelere gelmiģtir. Tek ayarlı filtreler baskı ola harmoik derecelerie uygulamalıdır. Ayrıca bu filtreler kompazasyo iģlemi içide kullaılmaktadırlar. Tasarım eģitlikleride sistemi kompazasyo gereksiimide faydalaılmaktadır. Tek ayarlı filtreler orta gerilim seviyesi içi e ekoomik filtrelerdir. Sistemi kısa devre gücüü artması gerilimi THD değerii iyileģtirmektedir. Ekler Güç Sistemie iliģki parametreler Kayak Gerilimi Frekas Trasformatör Gücü Dağıtım Hattı Empedası 34.5 kv 5 Hz MVA +j=.+j.4 Ω [5] P.P. Wi Harmoic Mitigatio Techiques i Idustrial Power System,GMSAN Iteratioal oferece o Sustaiable Developmet: Issues ad Prospects for the GMS 1-14 Nov. 8 [6] S.N. Yousif,M.Z.. Waik, A.,Mohamed, Implemetatio Of Differet Passive Filter Desigs For Harmoic Mitigatio,, Natioal Power & Eergy oferece (PEo) 4 Proceedigs, Kuala umpur, Malaysia.,9-34 [7] E. Pashajavid, M. A. A. Golkar, Efficiet procedures to desig ad characterize passive harmoic filters i low power applicatios, Idustrial Electroics (ISIE), 1 IEEE Iteratioal Symposium o Bari, [8] A. B. Nassif,W.,u Passive Harmoic Filters for Medium-Voltage Idustrial Systems: Practical osideratios ad Topology Aalysis Power Symposium, 7. NAPS '7. 39th North America, as ruces,nm,31-37 [9] H. Akagi, Moder active filters ad traditioal passive filters,bulleti Of The Polish Academy Of Scieces Techical Scieces Vol. 54, No. 3, 6,55-69 [1] J.Arrillaga,N.. Watso, Power System Harmoics secod editio,joh Wiley,3. [11] J.. Das, Passive Filters Potetialities ad imitatios,ieee Trasactıos O Idustry Applıcatıos, Vol. 4, No. 1, Jauary/February 4, 3-41 [1] M. Sucu, Elektrik Eerji Sistemleride OluĢa Harmoikleri Filtrelemesii Bilgisayar Destekli Modellemesi Ve Simülasyou Marmara Üiversitesi Fe Bilimleri Estitüsü, Yüksek isas Tezi. ieer Yük No-lieer Yük 4 MW 1 KVA Kayaklar [1].Kocatepe, M.Uzuoğlu,.Yumurtacı, A.KarakaĢ, O.Arıka, Elektrik Tesisleride Harmoikler, Ġstabul: Birse Yayıevi, 3. [] F.. De a osa, Harmoics Ad Power Systems, Missouri, U.S.A.,Taylor & Fracis Group,, 6. [3]..Duga, M.F.McGraagha,S. Satoso,H.W. Beaty Electrical Power Systems Quality, Secod Editio,. McGraw-Hill,4 [4] M.Izhar,.M.Hadzer, Syafrudi M, S.Taib ad S.Idris, Performace for Passive ad Active Power Filter i educig Harmoics i the Distributio System, Natioal Power & Eergy oferece (PEo) 4 Proceedigs, Kuala umpur, Malaysia.,