The Static Reactive Power Compensation With Different Algorithms By Using PLC

Transkript

1 PLC İle Frklı Algoritmlr Kullnılrk Sttik Rektif Güç Kompnzsyonu The Sttic Rective Power Compenstion With Different Algorithms By Using PLC Ylçın DOĞRUL 1, Yılmz ASLAN 2 1 Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Müh. Anilim dlı Dumlupınr Üniversitesi ylcindogrul@gmil.com 2 Mühendislik Fkültesi, Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü Dumlupınr Üniversitesi ysln@dpu.edu.tr Özet Bu çlışmd sttik rektif güç kompnztörü (SVK) denetimi, sit kpsite-tristör kontrollü rektör (SK-TKR) metodu ile gerçekleştirilmiştir. Uygulm enerji nlizörü ile gerçek zmnlı olrk incelenmiş, lgoritmlr progrmlnilir mntık denetleyicisinde (PLC) tsrlnmıştır. Bulnık mntık (BM) ve PID (Proportionl-Integrl-Derivte/Ornsl- İntegrl-Türevsel) denetim lgoritmlrı ile gerçekleştirilen sonuçlr krşılştırılmıştır. SVK uygulmlrı ir fzlı olrk gerçekleştirilmiştir. Astrct In this study the sttic rective power compenstor (SVC) ws relized y using fixed cpcity-thyristor controlled rector (FC-TCR). The lgorithms of SVC hve een implemented using progrmmle logic controller (PLC) nd pplictions re exmined in rel time y using energy nlyzer. In the study the performnce of fuzzy logic (FL) nd PID (Proportionl-Integrl-Derivte) lgorithms re compred. The SVC lgorithms hve een implemented s single phse system. 1. Giriş Günümüzde enerjiye oln tlein giderek rtmsı ve rtn çevresel fktörlerden dolyı, dh kliteli ve güvenli enerji kynklrın oln gereksinimi çok fzl önem kznmıştır. Bun ğlı olrk enerjideki güç klitesi de önemli hle gelmiştir. Üretilen enerjinin dh kliteli ve verimli kullnılmsı, iletim kyıplrının zlmsı, gerilim düşümlerinin önlenmesi, tüketicilerin mddi yük getiren rektif edeli ödemekle krşı krşıy klmmlrı için rektif güç kompnzsyonu zorunlu hle gelmiş ve önemi de gün geçtikçe rtmy şlmıştır [1]. Bu gelişmelere prlel olrk, ülkemizde geleneksel rektif güç kompnzsyon metotlrının dışınd, yrı iletken tnlı uygulmlrın hızl rttığı gözlenmektedir. Bu çlışmd d, lçk gerilimde rektif güç kompnzsyonu özellikle hızlı degişen ve dengesiz yüklerin ulunduğu tesislerin kompnzsyonu için tristör kontrollü rektör tnlı ir fzlı SVK, PLC kullnılrk gerçekleştirilecektir. SVK ler günümüzde irçok uygulmd kullnılmktdır. Örnegin güç sistemlerinde kompnzsyon ve gerilim regülsyonu SVK nün kullnılmsınd sıl mçtır. Ypıln çlısmlrd SVK lerin güç sistemi üzerinde irçok olumlu etkisinin olduğu görülmektedir. SVK, rektör ve kpsitör nhtrlmlı sistemleriyle ğlı olduğu sistemin rektif güç kontrolünü sğlyn en iyi ve en ucuz yöntemlerden iridir [2]. 2. SVK ve Kontrolü SVK, elektriksel güç sisteminin prmetrelerini kontrol edecek şekilde yrlnilir kpsitif vey endüktif kım çıkışlı prlel ğlı ir rektif enerji üreticisidir. SVK, gerilim kontrol çevrimlerinde, güç sistemi dlglnmlrını etkili ir şekilde söndüreilir ve güç sistemlerinin krrlılığını geliştireilir. İdel ir SVK ktif ve rektif güç kyı olmyn, gerilimi referns gerilime eşit değişmeyen ve çok hızlı cevp vereilen kontrolör olrk tnımlnmktdır [3]. Özellikle hızlı değişen yüklerin ulunduğu rk ocğı, hddehneler gii demir-çelik tesislerinde SVK sistemleri günümüzde oldukç yygın ir içimde kullnılmktdır. SVK kullnımı, iletim httının geçici durum krrlılığını önemli ölçüde iyileştirir. SVK sistemleri rüzgr sntrllerinde de geniş kullnım lnın shiptirler. Rüzgr sntrllerinde kullnıln SVK sistemleri gerilim krrlılığını iyileştirmekle erer, iletim htlrındn kynklnn gerilim düşmelerinde de rüzgr sntrlinin devre dışı klmsını önlemektedir [4]. SVK sistemleri dengesiz yüklerin kompnzsyonund d etkin ir sonuç verir. Bu sistemler, sttik nhtrlm yöntemi ile yüksek ir emniyete shiptir [5]. 115

2 2.1. SK-TKR Modeli 2.2. PID Denetim PID denetleyici döngüsü yöntemi, yygın endüstriyel denetim sistemlerinde kullnıln genel ir denetim döngüsü geriildirim meknizmsıdır [6]. Bir PID denetleyici ölçülü ir süreç içinde değişen ve istenilen yr noktsı ile rsındki frkı lrk ir "ht" değerini hesplr. Denetleyici proses kontrol girişini yrlyrk htyı en z indirerek istenilen yr değerine ulşmk için çlışır [6]. Şekil 1: SK-TKR temel ypısı. Şekil 3. den görüleceği gii, PID lgoritmsı üç şmlı kontrol olrk dlndırılmkt ve ornsl P, integrl I, türev D, ile gösterilmektedir [6]. () () Şekil 2: SVK sisteminde gerilim ve kımın değişimi ) Gerilim ve kımın dlg şekli ) Rektörden geçen kım, tetikleme ve iletim çısı Şekil 1. den görüldüğü gii SK-TKR tipi kompnzsyon, sit ir kpsitöre prlel ğlı ve tristör ile kontrol edileilen ir rektörden oluşur. Tristörlerin teşleme çılrının değiştirilmesi rektör kımının temel ileşenini (I r ), dolyısıyl endüktif rektif güç üyüklüğünü denetleyecektir. Şekil 2. d sisteme uygulnn gerilim ve çekilen kım görülmektedir. SK-TKR de, σ iletim çısı ve α tetikleme çısı syesinde rektif gücü istenilen sınırlr içerisinde tutmk mümkün olcktır. Şekil 2. d kım ve gerilim değişimi, Şekil 2. de ise tetikleme çısı, α, iletim çısı, σ, görülmektedir. Şekil 1. de rektör devresine uygulnn gerilimin efektif değeri (V) ve un ğlı olrk rektör kımı (I r ) ihtiyc göre sürekli olrk yrlnrk değişken endüktif rektif güç elde edileilir. Her yrım periyott (50 Hz, 10 ms), endüktnsı nhtrlyn tristörün kpm gecikmesi kontrol edilerek, suseptns değeri değiştirileilir. Bu gecikme süresine teşleme çısı, α, denir. Bu şekilde elde edilen rektif güç kdemeli olrk çlışn ir otomtik rektif güç kontrol rölesinden çok dh hsss olcktır [5]. Şekil 3: PID denetim lok diygrmı Sezgisel olrk, P, I ve D mevcut değişim göz önüne lınrk zmn çısındn sırsıyl; P mevcut hty ğlı, I geçmiş htlrın toplmı ve D gelecekteki htlrın ir thmini olrk yorumlnilir [6]. Bu çlışmd PID denetim için PLC yzılımdki PID kontrol loğu kullnılmıştır. PID girişi rektif güç, PID çıkışı teşleme çısı sinyli ve PID set değeri ise 0 VAr olrk elirlenmiştir. Prmetreler Ziegler-Nichols metodu uygulnrk elirlenmiştir. Bu süreçte PID denetleyicinin I ve D prmetreleri 0 ypılır. P prmetresi sistem slınım gidene kdr rtırılır. Sistemin slınım gittiği ndki P değeri K u, slınım freknsı ise P u olrk isimlendirilir. Şekil 4. te metodun hesplm tlosu görülmektedir [7]. Sit kpsitörler kpsitif rektif güç üretirken, tristör kontrollü rektör değişken endüktif rektif güç tüketecektir. Kpsitör sürekli sit kpsitif kım çekeceğinden, sistemin rektif güç üretimi teşleme çılrının değişimi ile sğlnmktdır. Şekil 4: Ziegler-Nichols metodu PID prmetreleri hesplm tlosu 116

3 2.3. BM Denetim Günümüzde BM uzmn sistemlerin doğrusl ve doğrusl olmyn denetim, örnek tnım, finnsl sistemler, işletme rştırmlrı ve veri nlizleri gii irçok lnd yygınlştığı görülmektedir. Birçok sistemin, BM sistemler yrdımı ile modelleneilmesi ve htt kopylnilmesi, gerek ilimsel lnd gerekse hytımızd oldukç önemli gelişmelerin kpısını rlmıştır. BM, hem ulnık mntık yürütme lgoritmlrı hem de değişen girdi koşullrını ölçen lgılyıcılr kullnmktdır [8]. Şekil 5. te BM sisteminin kış şemsı görülmektedir. BM ir sistemin kurllrı ile girdilerin tümünü, çıktılrın tümüyle ilişkilendiren ve örtüşen lnlrdn oluşn ir küme tnımlr. Bu nlmd BM sistem mtemtiksel ir neden-sonuç fonksiyonu y d denklemine yklşır. Bu fonksiyonlr ir mikroişlemciye ir klim cihzının gücünü y d çmşır mkinesinin hızını, ypıln en son ölçüme uygun olrk nsıl yrlmsı gerektiğini söyleyen kurllr olilir [8]. Şekil 7: Ateşleme çısı rtım ve zltım miktrı BM çıkış kümesi üyelik fonksiyonu Kurl cümleleri ise; If REAKTIF GUC is CK (Çok kpsitif) SURUCU CIKISI is CAR (Çok rtır) If REAKTIF GUC is K (Kpsitif) SURUCU CIKISI is AR (Artır) If REAKTIF GUC is AK (Az kpsitif) SURUCU CIKISI is AAR (Az rtır) If REAKTIF GUC is O (Omik) SURUCU CIKISI is SBT (Sit kl) If REAKTIF GUC is AE (Az endüktif) SURUCU CIKISI is AAZ (Az zlt) Şekil 5: Temel ir ulnık sistemin lok diygrmı Bu çlışmd rektif güç ulnık giriş olrk kullnılmış ve enerji nlizörü rcılığı ile 0-10 V sinyle dönüştürülerek PLC ye ktrılmıştır. Tristörlerin teşleme kontrol sinyli ulnık çıkış olrk yine PLC yrdımı ile 0-10 V sinyle dönüştürülerek kontrol edilmiştir. Şekil 6. d ulnık giriş yedi üyeli üçgen üyelik fonksiyonu ile tnımlnmıştır. Şekil 7. de ulnık çıkış ile teşleme çılrının rtım ve zltım miktrı yine yedi üyeli üçgen üyelik fonksiyonu ile tnımlnmıştır [9]. If REAKTIF GUC is E (Endüktif) SURUCU CIKISI is AZ (Azlt) If REAKTIF GUC is CE (Cok endüktif) SURUCU CIKISI is CAZ (Çok zlt) şeklindedir. Kurllr çerçevesinde oluşn, üyelik fonksiyonlrı ğırlık merkezinin syısl krşılığı, denetleyici çıkışını oluşturmktdır [10]. BM ile teşleme çısın rtırılmsı yd zltılmsı yönünde, yrıc ne kdr rtırılcğı yd zltılcğı yönünde -1 ve +1 rsınd 0-10 V gerilim sinyli ile rektif güç kontrol ltınd tutulmy çlışılmıştır [10]. 3. Mteryl ve Metot 3.1. Mteryl Şekil 6: Rektif güç-bm giriş üyelik fonksiyonu Tsrlnn ir fzlı SVK sisteminin görünüşü Şekil 8. de, prensip şemsı ise Şekil 9. d görülmektedir. Çlışm, Honeywell XL-800 PLC, 8 nlog girişli, 6 nlog çıkışlı ve 12 dijitl girişli modül, 1 kvar rektör, 0.5 kvar kpsitör, sistemin elektriksel prmetrelerini ve 51. hrmoniğe kdr ölçüm ypilen enerji nlizörü, 15/5 A kım trnsformtörü ve 40 A rektör sürücüsü kullnılrk gerçekleştirilmiştir. Elektriksel yük olrk ise ir fzlı, 200 W gücünde 0,6 geri 117

4 güç ktsyılı senkron motor ve 2000 W gücünde ısıtıcı kullnılrk gerçekleştirilmiştir. K01_VAR K02_VAR Şekil 8: Gerçeklenen SVK sisteminin görünüşü CAR CK K Şekil 11: BM denetim yzılımındn ir kesit Şekil 9: SVK sisteminin prensip şemsı Şekil 9. d prensip şemsı verilen SK-TKR devresinde kpsitör nhtrlmsı ypılmmıştır. Kpsitör nhtrlmsı ypılmyrk sistemin kullnım ömrünün uztılmsı sğlnmıştır [11]. 4. Deneysel Sonuçlr Tsrlnn SK-TKR SVK sistemi ir fzlı senkron motor ve ısıtıcı ile yüklenerek test edilmiştir. PID ve BM denetim lgoritmlrı uygulnrk 1sn lik örneklemeler, Honeywell XW Online progrmı yrdımıyl lınmış olup, gerçek zmnlı olrk rektif gücün (Q), zmn ğlı değişimleri ve hrmonik spektrum grfikleri şğıdki grfiklerde görülmektedir. Rektif Güç (Q) VAr 3.2. Metot t (s) SK-TKR devresinde rektif gücü sürekli izleyen ve denetleyen ir sistem kurgulnmıştır. PLC üzerinde PID ve BM lgoritm çlıştırılrk iki frklı kontrol metodu krşılştırılmıştır. PLC progrmlrının yzılmsı için CARE progrmlm editörü kullnılmıştır. Şekil.10 ve 11 de progrmdn kesitler görülmektedir. Yzılım grfik formtınd kullnılmktdır. Mtemtik opertörler syesinde BM denetim üyelik fonksiyonlrı tnımlnmıştır. TCR OUT Q IN THDI IN Şekil 12: SVK sisteminin PID denetim rektif güç grfiği Rektif Güç (Q) VAr t (s) PID Şekil 13: SVK sisteminin BM denetim rektif güç grfiği TCR_En Şekil 10: PID denetim yzılımındn ir kesit Şekil 12. ve 13. d rektif gücün zmn ğlı değişimi görülmektedir. Grfiklerde yükün devreye girdiği ve yükün devreden çıktığı noktlrı görülmektedir. PID ve BM lgoritmlı denetleme ile rektif gücün sıfır ykın olduğu grfiklerde görülmektedir. Her iki denetimde de rektif güç krrlılığı sğlnmıştır. 118

5 Çizelge 1: SVK sisteminin PID ve BM denetim nlık ölçüm prmetreleri PARAMETRE PID DENETİM BM DENETİM Gerilim <V> Akim <A> Aktif güç <W> Rektif güç <VAr> Görünür güç <VA> Cos Ø PF Toplm Vhozulm <%> Toplm Ihozulm <%> %-Hrmonik üyüklüğü Şekil 14: SVK sisteminin BM denetim THDI spektrum grfiği %-Hrmonik üyüklüğü Şekil 15: SVK sisteminin PID denetim THDI spektrum grfiği Çizelge 1 ile Şekil 14. ve 15. te de enerji nlizöründen nlık olrk ConfigEA V progrmı yrdımıyl lınn PID ve BM denetim lgoritmlrın it elektriksel ölçüm prmetreleri ve 13. hrmoniğe (650 Hz) kdr oln hrmonik spektrum grfikleri görülmektedir. PID denetimde THDI ortlmsı % 4.8, BM denetimde % 4.37 dir. PID denetimde 3. kım hrmoniği (150 Hz) % 2.91, BM denetimde ise % 2.67 dir. Her iki denetim sonucund güç fktörü (PF) 0.99 dur ve rektif güç krrlılığı sğlnmıştır. 5. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Bu çlışmd, SVK sistemi, SK-TKR metodu ile lçk gerilim tesislerinde uygulnilecek ir fzlı kompnztör PID ve BM denetim metodu ile sistem güç fktörünü istenilen seviyede tutck ir kontrol sistemi gerçekleştirilmiştir. Çlışmd progrmlm, veri kydetme kolylığı ve endüstriyel ortmlrd kullnılm üstünlüğü kımındn denetleyici olrk PLC tercih edilmiştir. gelen kım hrmoniklerinde, PID denetime göre % 8.9 dh z olduğu görülmüştür. İki frklı denetim metodund d rektif güç denetiminde enzer krrlılık elde edilmiştir. PID prmetrelerinin yrlm zorluğu dikkte lındığınd BM ile denetimde u şekilde ir sorun olmdığı ve dilsel ifdelerden fydlnıldığı için dh koly ir lgoritm geliştirilmiştir. Şeeke de meydn gelen gerilim değişimleri kpsitörün rektif gücünün rtmsın yd zlmsın seep olmktdır. SVK sistemi ile sürekli ir denetleme olduğu için u değişimler nınd hissedilip sistemin rektif güç kompnze krrlılığı sürekli hle getirilmiştir. 6. Kynklr [1] Vrdr T., Yıldırım F. ve Çm E., Yeni Nesil Kompnzsyon Sistemi SVC, TMMOB Ankr EMO Her Bülteni, 14-17, (2011). [2] Arnold R., Solution to the Power Qulity Prolem, Power Engineering Journl, 15:65-73, (2001) [3] Akgün Ö., Sttik VAR Kompnztör ve Tristör Kontrollü Rektör Tsrımı, Yüksek Lisns Tezi, Niğde Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,18, (2006). [4] Amenedo R., Alves J.L., Arnltes R. ve Ríos S., Improving Voltge Stility in Wind Frm y using SVC, Proceeding of the Europen Wind Energy Conference, 3, (2004) [5] Kıyn M., Tristör Denetimli Rektörlü Alçk Gerilim Tepkin Güç Kompnzsyonunun Gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisns Tezi, Hcettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 20, (2010) [6] İnternet: (2012). [7] Kuşcu H., Otomtik Kontrol Ders Notlrı, Trky Üniversitesi, tik_kontrol/otomtik_kontrol_6_pid.pdf, 3, 2009 [8] Alcı M. ve Krtepe E., Bulnık Mntık ve Mtl Uygulmlrı, Ege Üniversitesi Yyınlrı, 118-(2010) [9] Kurt H. ve Asln Y., Kyoğzı Hidroelektrik Sntrlinin Elektrik Enerji Üretim Kpsitesinin İncelenmesi, ELECO Mklesi, (2013) [10] Mumykmz B. ve Vrdr K., Ark fırınlrı için fuzzy kontrole dylı rektif güç kompnztörü tsrımı, ELECO Sempozyum Bildirisi, (2002) [11] Koctepe C. Endüstriyel Tesislerde Rektif Güç Kompnzsyonu İçin Sttik VAR Kompnzsyon Sisteminin Gerçekleştirilmesi, EMO Yyınlrı, Proje Çlışmsı, (2005) Ypıln çlışmd PID ve BM denetim olmk üzere iki frklı denetim metodu krşılştırılmış, BM ile denetimde meydn 119