Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite Pasif Filtreler. Yrd. Doç. Dr. M. Mustafa ERTAY DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite Pasif Filtreler Yrd. Doç. Dr. M. Mustafa ERTAY DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

2 HARMONIK STANDARTLARı Standartlar ve kılavuzlar IEEE, ANSI, IEC vb teknik organizasyonlar tarafından verilmiştir. Bu kılavuzlar elektrik güç kalitesinin teori ve uygulamasında yardımcı olmaktadır. IEEE standartı IEEE şeklinde güncellenmiştir. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 2

3 Güç Kalitesi Standartları ve Göstergeleri Tablo 1.10 IEEE ye göre gerilim için harmonik distorsiyon sınırları [15] Tablo 1.11 IEEE ye göre dağıtım sistemlerine ait akım için harmonik bozulum sınırları [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 3

4 IEEE Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 4

5 IEEE Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 5

6 IEEE Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 6

7 IEC Harmonik Standartları EN standardında harmonik akımları için sınır değerler dört farklı sınıf cihaz için tanımlanmış durumda. Taşınabilir cihazlar B sınıfı, Yıldırımdan korunma cihazları C sınıfı, 600 W ve düşük güçlü PC ve TV alıcıları D sınıfı, bunu dışında kalan ve şebekeye bağlanarak çalışan tüm cihazlar A sınıfı olarak tanımlı [5, 15]. Tablo 1.4 Konutlarla ilgili alçak gerilim şebekelerinde IEC gerilim harmonik distorsiyon limitleri (k=0,2+12,5/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 7

8 Tablo 1.5 Endüstriyel santraller için IEC gerilim harmonik distorsiyon limitleri (2. sınıf elemanlar için) - (k=0,2+12,5/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 8

9 Tablo 1.6 Endüstriyel santraller için IEC gerilim harmonik distorsiyon limitleri (3. sınıf elemanlar için) - (m=5 11/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 9

10 Tablo 1.7 Konutlarla ilgili alçak gerilim şebekeleri için EN harmonik distorsiyon limitleri[15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 10

11 Tablo 1.8 Konutlarla ilgili orta gerilim şebekeleri için EN harmonik distorsiyon Limitleri [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 11

12 Tablo 1.9 D sınıfı donanım için IEC e göre izin verilen maksimum harmonik Akımları ) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 12

13 A.Devre Konfigürasyonları Pasif filtreler R-L-C elemanlarından oluşmaktadır. Pasif filtrelerde amaç yok edilmek istenen harmonik bileşen frekansında rezonansa gelecek L ve C değerlerini belirlemektir [1]. Şekil 1 ve 2 de pasif filtrelere ilişkin devre konfigürasyonları görülmektedir. C 1 C L 1 R 1 L C 3 L 2 R R 3 R 2 (a) (b) Şekil 1: Tek Ayarlı Pasif filtre Çift ayarlı pasif filtre Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 13

14 B.Tek Ayarlı Filtreler Tasarımı Tek ayarlı filtreler ayarlandığı harmonik akımlarını etkin bir şekilde bastırmak için düşük bir empedans yolu olarak rol oynarlar.filtre empedansı aşağıdaki gibi ifade edilir [2]. 1 (1) Z = R+ j(wl - ) wc X L ve X C kapasitör ve indüktörün temel frekanstaki reaktansları olmak üzere filtre gücü aşağıdaki gibi ifade edilir. S = X C 2 S V X L (2) n. harmonik için ayarlanmış filtrenin endüktif ve kapasitif reaktansları aşağıdaki gibi hesaplanır. X o = n.x L X n C (3) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 14

15 B.Tek Ayarlı Filtreler Tasarımı Filtrenin kalite faktörü (Q) ayar keskinliğini belirler. Bu açıdan filtreler düşük Q veya yüksek Q filtresi tipinde olabilir. Tek ayarlı filtrenin kalite faktörü denklem 5 teki gibi verilir [1,10]. f 0 Q = X R o 1 = 2 L C (4) (5) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 15

16 Filtre tasarımı için ilk önce sistemin reaktif güç gereksinimi belirlenmelidir. Çünkü filtreler temel frekansta reaktif güç kompanzasyonunda kullanılmaktadırlar [1,2]. Reaktif güç gereksinimi aşağıdaki gibi hesaplanır [2]. QC = P(tan 1 tan 2 ) (7) Denklem 7 ye gore sistemin reaktif güç gereksinimi hesaplanır. Reaktif güç değerine göre gerekli kapasitörün reaktansı denklem 8 deki gibi hesaplanır [2,11]. X C V Q 2 S C (8) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 16

17 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 17

18 Rezonans olayı harmonik bileşenlerin birinde veya bu harmonik bileşenlere yakın değerlerde meydana gelirse harmonik akım ve gerilim değerleri çok büyük seviyelere ulaşır. Bu nedenle filtrelerin ayarlandıı rezonans frekansları kaydırılır. Doğrusal olmayan yükün ürettiği en düşük harmonik derecesinden daha düşük bir değerde rezonans frekansı meydana getirilerek, harmonik yük akımlarının yükselmesi engellenebilir. Bu işlem, filtredeki kondansatör ile endüktansın ayarlandığı rezonans frekansını, en düşük harmonik derecesinden %3 ile %10 daha küçük seçilmesi ile sağlanabilir. Örneğin en düşük harmonik derecesi 5 olan bir doğrusal olmayan yük için rezonans frekansı 225 ile 242 Hz arasında olacaktır. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 18

19 Filtrenin kaynak empedansıyla etkileşime girmesiyle rezonans meydana gelebilir. Bu frekans değeri, filtrenin ayarlandığı frekanstan daha düşük bir frekanstır. Ls kaynak özendüktansı ve L filtre endüktansı olmak üzere, rezonans frekansı; olarak bulunur. Filtrelerin sistemde rezonansa girdiği bu frekans değerinin kontrol edilmesi gereklidir. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 19

20 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 20

21 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 21

22 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 22

23 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 23

24 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 24

25 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 25

26 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 26

27 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 27

28 Utility Grid 154 kv 154 kv/10.5 kv Dyn11 Distribution Line PCC (10.5 kv) 1.6 MW M 2000 kw M 2000 kw Şekil : Örnek Güç Sistemi 1350 kva Tablo :Güç sistemine ilişkin harmonik verileri (PCC deki) Harmonikler TDD% Akım Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 28

29 Sistemin kısa devre gücü 100 MVA olarak verilmiştir. PCC kısa devre gücü MVA olarak hesaplanmıştır. Kısa devre akımı 3.3 ka olarak hesaplanmıştır. Maksimum talep akımı 324 A dir. I SC /I L değeri as A olarak bulunmuştur. IEEE standardına göre müsaade edilen TDD limiti 5% tir.. I sc 1000 MVA = 100% 3kV Table 2. IEEE Current Distortion Limits for distribution systems (<69 kv) I SC / IL <11 11 n<17 17 n<23 23 n<35 35 n TDD < < < < > Table 3. IEEE Voltage Distortion Limits for distribution systems Bus Voltage at PCC(kV) Individual Voltage Distortion (%) Total Voltage Distortion (%) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 29

30 1 x Voltage (V) Current (A) Time(sec) Şekil. Filtresiz ve kapasitörsüz olarak PCC gerilimi Time(sec) Şekil. Filtresiz ve kapasitörsüz olarak PCC akımı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 30

31 1 x Impedance Voltage (V) Impedance (ohms) Time(sec) Şekil :Kapasitör eklendiğinde PCC gerilimi Phase (deg) Frequency (Hz) Phase Current (A) Frequency (Hz) Kapasitörlü sistemin empedans frekans diyagramı Time(sec) Şekil :Kapasitör eklendiğinde PCC akımı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 31

32 TABLO FİLTRE TASARIMI VE HARMONİK ANALİZİ Harmonikler (Akım) Ayar frekansı THD V TDD PF Filtresiz Filtre Gücü 5 th (kvar) th th th 7 th 11 th th 7 th 11 th Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 32

33 1 x 104 Voltage (V) Time(sec) Şekil: 5 th -7 th -11 th filtresi sonrası gerilim dalga şekli Current (A) Time(sec) Şekil: 5 th -7 th -11 th filtresi sonrası akım dalga şekli Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 33

34 60 Impedance Impedance (ohms) Frequency (Hz) 100 Phase Phase (deg) Frequency (Hz) Şekil 5 th -7 th -11 th filtresinin empedeans frekans diyagramı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 34

35 Magnitudes (A) without filter 5th 5th-7th 5th-7th-11th 5th-7th-11th Harmonic Order Harmonik akım genlikleri Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 35

36 Filtre Tasarımları Tablo. Hesaplanan pasif filtre parametreleri Filtre Parametreleri R (Ω) L (H) C (F) 5 th e th e th e th e th e th e th e th e th e-005 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 36

37 Aktif filtreler, harmoniklerin ortadan kaldırılması için geliştirilmiş elemanlardır. Bu filtreler ileri güç elektroniği teknolojilerine dayanırlar ve pasif filtrelerden cok daha pahalıdırlar. Aktif filtreler ise pasif filtrelere oranla daha pahalı olmakla birlikte aynı anda birden fazla harmonik frekansı için adreslenebilir ve enerjinin kalitesini etkileyen problemleri ortadan kaldırabilirler. Yine aktif filtreler mevcut dağıtımda değişiklikler yapıldığı zaman bile etkili harmonik kompanzasyonuna devam ederler ki bu onların en önemli üstünlükleridir. Aktif filtrenin çalışma prensibi doğrusal olmayan yükün çekecegi, temel bileşen dışındaki akımı karşılamaktır. Buna göre aktif filtreler yük tarafından çekilen harmonikleri analiz ederek harmonik bileşenleri uygun bir fazda yüke enjekte ederler. ederler. ederler. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 37

38 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 38

39 KAYNAKLAR 1. Sevgi L EMC, Güç Kalitesi ve Harmonik Analizi, Endüstri & Otomasyon Dergisi. 2. Güç Kalitesi ve Harmonik Filtreleme, Erişim Tarihi: Yard. Doç. Dr. Oben Dağ, Elektrik Güç Sistemlerinde Mikro Şebeke Uygulamaları ve Harmonik Kaynak Yer Tespiti, Microgrid Applications in Electrical Power Systems and Harmonic Source Location, Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesi`nin Geleceği Sempozyumu, Nisan Düzgün Akmaz, Asım Kaygusuz, Akıllı Şebekeler ve Gerilim Harmonikleri Smart Grid and Voltage Harmonics, Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesi`nin Geleceği Sempozyumu, Nisan Electrical Power Systems Quality, Roger C.Dugan, Mark F. McGranagham, Surya, Second edition, McGraw-Hill, Erişim Tarihi: Belgin TÜRKAY, Dağıtılmış Enerji Kaynakları içeren şebeke tasarım Önerisi, EMO 8. Eko yapı dergisi, Erişim Tarihi: Prof. Dr. Muğdeşem Tanrıöven, Rıza İnce, ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİNİN KALİTESİNİ BOZAN FAKTÖRLERİN İNCELENMESİ, Erişim Tarihi: Mustafa ŞEKKELİ* ve A. Serdar YILMAZ, Bir Taş Kırma Tesisinde Güç Kalitesi Seviyesinin Ölçümü ve Değerlendirilmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Cilt 15, Sayı 3, 2009, Sayfa Dr. Kurt Schipman, Dr. François Delincé, THE IMPORTANCE OF GOOD POWER QUALITY,ABB Power Quality Products, Belgium, and%20filters.pdf, Erişim Tarihi: S.Khalid& Bharti Dwivedi, POWER QUALITY ISSUES, PROBLEMS, STANDARDS & THEIR EFFECTS IN INDUSTRY WITH CORRECTIVE MEANS,International Journal of Advances in Engineering & Technology, May 2011, 1 Vol. 1,Issue 2,pp.1-11, Chapter 2 Electric Power Quality, 3A%2F%2Fwww.springer.com%2Fcda%2Fcontent%2Fdocument%2Fcda_downloaddocument%2F c2.pdf%3FSGWID%3D p &usg=AFQjCNEsjEhvOq2MQS4z0P_DpP3nLeAf_A&cad=rja, Erişim Tarihi: KOCATEPE Celal., UZUNOĞLU M., YUMURTACI R., KARAKAŞ A., ARIKAN O., Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Birsen Yayınevi Ltd. Şti., İstanbul, Özer ŞENYURT, Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Yüksek Lisans Semineri Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, MAYIS 2005 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 39