Resul ÇÖTELİ, Zafer AYDOĞMUŞ Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 23119, ELAZIĞ ÖZET

Transkript

1 Politeknik Dergii Journal of Polytehni ilt: 0 Sayı: , 2007 ol: 0 No: 2 pp.2-28, 2007 DGM-Statom ile Reaktif Güç Kompanzayonu Reul ÇÖTELİ, Zafer YDOĞMUŞ Fırat Üniveritei Teknik Eğitim Fakültei Elektrik Eğitimi ölümü 29, ELZĞ ÖZET Son yıllara, iletim ve ağıtım itemlerinin reaktif güç kompanzayonuna gelenekel kompanzatörlere göre aha iyi evap hızlarına ahip olmalarınan olayı, önüştürüü tabanlı FTS (Enek lternatif kım İletim Hatları) aygıtları kullanılmaktaırlar. STTOM, yaygın olarak kullanılan FTS aygıtlarınan biriir. u çalışmaa, Darbe Genişlik Moülayonu (DGM) tekniği kullanan STTOM un (Statik Senkron Kompanzatör) MTL ile benzetimi yapılmıştır. u benzetime, bara geriliminin genliği eğiştirilerek DGM-STTOM un inamik evabı gözlemlenmiştir. enzetim programı onuçlarınan, DGM-STTOM un bu ani eğişikliklere evabının çok hızlı oluğu ve güç itemi için gerekli reaktif güü kıa üree ağlaığı görülmüştür. nahtar Kelimeler: Kompanzayon, DGM-STTOM. Reative Power ompanation y PWM-Statom STRT n reent year, FTS (Flexible lternating urrent Tranmiion Sytem) evie are ue for reative power ompenation in power ytem, tranmiion an itribution ytem, ine their repone i fater than that of the onventional ompenator. One of the mot wiely ue FTS evie i STTOM. n thi tuy, imulation of the STTOM (Stati Synhronou ompenator) ha been realize by uing Pule With Moulation (PWM). Matlab-Simulink oftware i ue for imulation. n the imulation, ynami repone of PWM-STTOM ha been oberve for variou bu voltage. From the reult of the imulation, it ha been oberve that repone of the PWM-STTOM to intant variation i very fat an reative power for power ytem i provie in hort time. Key Wor: ompenation, PWM-STTOM.. GİRİŞ Enerji itemlerinin kontrolüne en önemli problemleren biri reaktif güç kompanzayonuur. Reaktif güç, iletim itemine kayıpların artmaına, iletim hattının güç iletim kapaiteinin azalmaına ve hat onunaki gerilimin genliğine çok büyük eğişmelere neen olur. u yüzen alternatif akım güç itemlerine iletilebilir güü arttırmak ve kayıpları azaltmak için reaktif güç kompanzayonu yapmak gerekir (). üyük güçlü ve hızlı evreye girip çıkan yüklerin güç faktörü gelenekel elektromekanik kompanzayon üzenekleri ile üzeltilemez. unun neeni gelenekel kopmanzayon itemlerinin, yükün ani şekile ihtiyaç uyuğu reaktif güç talebine hemen evap verememei ihtiyaç uyulan kapaitif reaktif güün kompanzayon iteminen karşılanamamaıır. yrıa 2000 yılına yayınlanan yönetmelik ile reaktif güç için izin verilen aralık araltılığınan gelenekel kontaktörlü kompanzayon itemineki kontaktörler ık ık evreye girip çıkaağı için ömürleri azalaağınan tüketiiler ek bir reaktif enerji beeli öemek zoruna olaaklarır (2). Son yıllara enerji iletim ve ağıtım itemleri için hızlı kompanzayon ihtiyaı gierek önem kazanmaktaır. Günümüze güç elektroniği elemanları, anahtarlama hızlarının yükek olmaı neeniyle Digital Objet entifier 0.29/ kompanzayon uygulamalarına terih eilmekteirler. Güç itemlerine kompanzayonunun yarı iletken anahtarlar ile yapılmaı urumuna, gerilim çökmelerinin önlenebileeği ve geçii ve inamik kararlığı iyileştirebileeği görülmüştür (). Yarı iletken tabanlı önüştürüüler kullanılarak eri ve şönt reaktif kompanzatörler taarlanabilir. Kompanzayon için kullanılan bu tip aygıtlara FTS aygıtları enir. uraa eneklik, çalışma noktaına veya kontrol girişine meyana gelen herhangi bir eğişime, itemin hızlı bir şeklie evap verme yeteneği olarak anlaşılır (4). FTS aygıtları, iletim hatlarının kompanzayonuna konanatör veya reaktör gruplarına ihtiyaç uymaan, önüştürüü evreleri kullanılarak güç itemi ile reaktif güç alışverişi yapabilmekteirler (5). u çalışmaa benzetimi yapılan STTOM un inamik evabı; gerilim belemeli bir önüştürüünün, oğru ve alternatif tarafınaki gerilimleri kontrol eilerek gözlemlenmiştir. unun için gerekli olan inamik enklemler Park önüşümü kullanılarak ele eilmiştir. Sonuç bölümüne ie Matlab-Simulink kullanılarak gerçekleştirilen benzetim programının onuçları verilmiştir. 2. DGM-STTOM STTOM veya tatik konener olarak bilinen S (İleri Statik R Kompanzatör) bağlı bulunuğu 2

2 Reul ÇÖTELİ, Zafer YDOĞMUŞ / POLİTEKNİK DERGİSİ, İLT 0, SY 2, 2007 güç iteminen reaktif akım çekeek şekile kontrol eilebilen ve enüktan-konanatör gibi bir enerji epolama elemanı ile üç fazlı item araına bağlanan yükek güçlü keninen komutayonlu evirii kullanılarak yapılan bir FTS aygıtıır (6). Çalışma karakteritiği açıınan güç iletim itemlerinin inamik kompanzayonuna, enkron konenerler gibi kullanılabilirler (7, 8). STTOM, bir güç itemine gerilim regülayonu ve ürekli urum iletim karakteritiklerini iyileştirmek için kullanılabilir (9). Şekil e göteriliği gibi STTOM, bir bağlantı tranformatörü, bir önüştürüü ve bir oğru gerilim enerji epolama aygıtınan (konanatör) meyana gelir. Dönüştürüü, olu bir konanatörün ağlaığı oğru gerilimi, güç itemi ile aynı frekanta, genliği ve faz açıı hızlı bir şekile kontrol eilebilir üç fazlı alternatif bir çıkış gerilimine önüştürür ve şebekeye bir bağlantı tranformatörü yarımı ile bağlanır. Sitem araı 0 D- Dönüştürüü + S D ağlantı Tranformatörü Şekil. STTOM un genel göterimi STTOM tarafınan üretilen çıkış geriliminin genliği, önüştürüü ile güç itemi araınaki reaktif güç alışverişini belirler. Dönüştürüünün ürettiği çıkış geriliminin genliği bara geriliminin genliğinen fazla ie, akım bağlantı tranformatörünün kaçak reaktanı yarımı ile önüştürüüen baraya oğru akar ve önüştürüü, item için kapaitif reaktif güç üretir. Dönüştürüünün ürettiği çıkış geriliminin genliği bara geriliminin genliğinen küçük olmaı urumuna akım baraan önüştürüüye oğru akar ve önüştürüü enüktif reaktif güç tüketir. Dönüştürüünün çıkış gerilimi ve bara geriliminin genliğinin birbirlerine eşit oluğu uruma reaktif güç alışverişi olmayaaktır. u üç uruma ilişkin alga şekilleri ve fazör iyagramları Şekil 2 e göterilmiştir. STTOM un Eşeğer Devrei Fazör Diyagramı - Dalga Şekilleri i(t) GD o v(t) o i(t)=0 = Hat Gerilimi o = Dönüştürüünün Çıkış Gerilimi o o v(t) v(t) i(t) Şekil 2. STTOM un temel çalışma prenibi Dönüştürüü ile güç itemi araınaki aktif güç eğişimi; STTOM un bağlı bulunuğu baranın gerilimi ile önüştürüünün çıkış gerilimi araınaki faz farkı ayarlanarak kontrol eilebilir. Dönüştürüünün çıkış gerilimi bara geriliminen ileri faza olaak şekile kontrol eilire, önüştürüü keni oğru gerilim enerji epounan iteme aktif güç ağlar. Eğer önüştürüünün çıkış gerilimi bara geriliminen geri faza olura, bu uruma önüştürüü, şebekeen aktif güç çekeektir. STTOM un ürettiği/tükettiği reaktif güç miktarı, Q = ( ooϕ) () ile ifae eilir. STTOM un iteme veriği veya itemen alığı aktif güç miktarı, o P = Sinϕ (2) şekline yazılır. uraa bara gerilimi, o önüştürüünün çıkış gerilimi, bağlantı tranformatörünün kaçak reaktanı ve ϕ ie STTOM un bağlı bulunuğu baranın gerilimi ile önüştürüünün çıkış gerilimi araınaki faz farkıır. Sürekli uruma, önüştürüünün çıkış gerilimi, bara geriliminen geri faza tutularak, aktif güç akışının güç iteminen önüştürüüye oğru olmaı ağlanır ( P > 0 ). u uruma önüştürüüe ve tranformatöre meyana gelen kayıplar güç iteminen karşılanır. ait bir evirii, oğru gerilimi yarı iletken anahtarlar yarımı ile kare algaya çevirir. İyi bir eviriie amaç, az harmonikli yaklaşık bir inüzoial alternatif gerilim üretmektir. Evirii tarafınan üretilen gerilimeki harmoniklerin azaltılmaı için tranformatörlerin kullanılığı çok arbeli yapı, çok eviyeli eviriiler ve DGM anahtarlama teknikleri kullanılmaktaır (0). Harmonik içeriğini azaltmaya yönelik uygulamalara kullanılan faz kayırma tranformatörleri, STTOM un boyutunu ve karmaşıklığını arttırır. DGM tekniği, önüştürüünün alternatif çıkış gerilimini eğiştirmek için, ayarlanabilir genişlikli çok arbeli yapı temeline ayanır. Yükek anahtarlama frekanına ahip enetimli anahtarların kullanılığı DGM teknikleri, harmonik içe- 24

3 DGM-STTOM İLE REKTİF GÜÇ KOMPNZSYONU / POLİTEKNİK DERGİSİ, İLT 0, SY 2, 2007 riğini azalttığı ve tranformatör evreini baitleştiriği için STTOM kontrolüne on zamanlara terih eilmekteirler. Gelenekel STTOM a alternatif çıkış gerilimi, giriş tarafınaki oğru gerilim eğerinin eğiştirilmei ile DGM-STTOM a ie önüştürüünün kazanı ayarlanarak kontrol eilir (). Şekil te, bir GD, önüştürüüye oğru gerilim ağlayan bir konanatör, bağlantı tranformatörünün kaçak reaktanı ve önüştürüüe meyana gelen anahtarlama kayıplarını temil een bir R K ireninen oluşan STTOM un eşeğer evrei göterilmiştir. D D R K e a e b e i a i b i RS R S R S LS LS LS Şekil. STTOM un eşeğer evrei Sitemin kontrolü için, STTOM un akım ve gerilimleri Park önüşümü kullanılarak - bileşenlerine (aktif-reaktif) ayrılır. Sitem engeli kabul eilerek Denk.() yarımı ile STTOM un akım ve gerilimleri - bileşenlerine ayrılabilir. i i i = [] i 0 i v v 0 a b v = [] v v uraa, o( ωt) = Sin( ωt) 2 a b o( ωt ) Sin( ωt ) 2 o( ωt + ) Sin( ωt + ) 2 v a v b v () (4) olarak ifae eilebilir (5). Şekil te göterilen eşeğer evreye göre STTOM un alternatif gerilim tarafının enklemi; ia ia va ea L.p + = ib R. ib vb eb (5) i i v e şekline yazılabilir. uraa p, /t ir. Denk.(5) e Park önüşümü uygulanıra, R ω i L i (e v ) p = + (6) i R i (e v ) ω L L enklemi ele eilerek önüştürüünün akımı - θ bileşenlerine ayrılır. uraa, ω = ir. Dönüştürüünün gerilim vektörleri ie aşağıaki gibi kontrol t eilir. e = L (x ωi ) + v (7) e = L (x + ωi ) (8) 2 ki * ki * x = (kp + )(i i) ve x2 = (kp + )(i i) şekline tanımlanan P kontrolörün çıkış inyalleriir. uraa k p P kontrolörün oranal kazanı, k i integral kazanı, i referan aktif akım eğeri, i ie referan * reaktif akım eğeriir. DGM-STTOM un genel bir kontrol şemaı Şekil 4 te göterilmiştir. θ Şekil 4. DGM-STTOM un kontrol şemaı. ENZETİM SONUÇLR u çalışmaa, MTL-SMULNK Toolbox ı kullanılarak DGM-STTOM un benzetimi yapılmıştır. DGM-STTOM bir bağlantı tranformatörü yarımı ile güç iteminin baraına bağlanmıştır. enzetimi yapılan güç itemi ve STTOM evrei Şekil 5 te göterilmiştir. Şekil 5 ten e görüleeği gibi STTOM evrei; bağlantı tranformatörü, kontrolör, filtre, iki eviyeli GD ve GD için gerekli olan oğru gerilimi ağlayan bir konanatören meyana gelir. * 25

4 Reul ÇÖTELİ, Zafer YDOĞMUŞ / POLİTEKNİK DERGİSİ, İLT 0, SY 2, 2007 /2 -Fazli Programlanabilir Gerilim Kaynagi N iletim hatti a b Tranformator Filtre + N - Darbeler Donuturuu /2 2 Powergui -Direte, T = 5e-006. ab ab* ab Yuk * Darbeler 0 *.G.Filtre Kontrolor Şekil 5. MTL Simulink te oluşturulan güç itemi ve DGM-STTOM evre moeli DGM-STTOM un kontrolör kımının içyapıı Şekil 6 a göterilmiştir. Kontrolör, güç iteminin gerilimini üzenleme, oğru gerilimi itenilen eviyee tutma ve güç itemi ile enkronizayonu ağlama gibi üç temel işlevi yerine getirir. STTOM a oğru gerilim kontrolü ile itemen önüştürüüye ya a önüştürüüen iteme akaak olan aktif güç miktarı belirlenir. Ölçülen oğru gerilim eğeri ile referan oğru gerilim eğeri karşılaştırılıp bir P kontrolören geçirilikten onra referan aktif akım bileşeni ( Ref ) bulunur. Daha onra Ref ile ölçülen aktif akım bileşeni ( ) karşılaştırılır. Hata eğeri bir P kontrolören geçirilerek GD nin üretmei gereken gerilimin reaktif bileşeni ( ) ele eilir. ynı şekile referan reaktif akım bileşeni ( Ref ) ile ölçülen reaktif akım ( ) karşılaştırılıp hata eğeri bir P kontrolören geçirilikten onra GD nin üretmei gereken gerilimin aktif bileşeni ( ) bulunur. Ele eilen ve tekrar üç faza çevrilerek DGM kontrolü için gerekli olan moülayon algaları ele eilir. Sinüzoial DGM (SDGM) yapıı, iğer DGM tekniklerine göre aha bait oluğunan yaygın şekile kullanılmaktaır. u neenle, yapılan çalışmaa SDGM terih eilmiştir. SDGM e kapı arbeleri, moülayon algaları ile taşıyıı alganın karşılaştırılmaı onuu ele eilir. SDGM ile bir fazlı GD için kapı arbelerinin ele eilmei Şekil 7 e göterilmiştir + / 2 N - / 2 ' 4 4 ' Moülayon Dalgaı Taşıyıı Dalga + / 2 an - / (a) (b) Şekil 7. SDGM ile önüştürüü için kapı arbelerinin üretilmei a) GD nin bir faz baağı, b) DGM algaları enzetim programına DGM-STTOM un inamik evabını gözlemlemek için bara gerilimi 0.2 n ye kaar STTOM gerilimi ile aynı genlikte ve pu ya ( pu = 600 ), 0.2. ile 0.. n ler araına 0.97 pu ya, 0.. ile 0.4 n ler araına 0.94 pu ya, 0.4. n en onra ie.02 pu ya ayarlanmıştır. Şekil 8 e bara akımının reaktif bileşenin eğişimi ( ) göterilmiştir. DGM-STTOM un bara geriliminin genliğine Fre ab 2 -K- pu -K- pu ab (pu) wt Sin_o PLL in_o ab Olumler ref ref _Ref ara Gerilim Kontrolu _Ref a - 'nun Ele Eilmei wt ab (t) Moulayon Dalgalarinin Ele Eilmei Ut a a_ref _Ref _Ref Dogru Gerilim Kontrolu Şekil 6. STTOM evreinin kontrolör kımı 26

5 DGM-STTOM İLE REKTİF GÜÇ KOMPNZSYONU / POLİTEKNİK DERGİSİ, İLT 0, SY 2, 2007 meyana gelen bu eğişimlere göre güç itemine enüktif/kapaitif kompanzayon akımı çok kıa bir üree ağlaığı Şekil 8 en görülmekteir. Referan reaktif akım bileşeni, güç iteminin ihtiyaı olan kompanzayon akımıır. enzetim onuunan, STTOM un ürettiği reaktif akım bileşeninin bu eğeri çok yakınan takip ettiği görülür. ara gerilimi ile STTOM un ürettiği gerilim eğerleri araınaki farka göre STTOM un ürettiği reaktif akım eğerleri Tablo e göterilmiştir. Şekil 0 a STTOM un aktif akım bileşeni göterilmiştir. ktif akım bileşeni pozitif bir eğere oluğunan, aktif güç akışı güç iteminen STTOM a oğruur. öylee tranformatör ve önüştürüüe meyana gelen kayıplar, oğru gerilim kontrolörü vaıtaıyla güç iteminen STTOM a oğru bir aktif güç akışı meyana getirilerek itemen karşılanmış, konanatör gerilimi itenilen eğere tutulmuştur. Şekil 8. STTOM un bağlı bulunuğu bara akımına ait bileşeninin eğişimi Tablo. ara gerilimi ile STTOM un ürettiği gerilim eğerleri araınaki farka göre STTOM un ürettiği reaktif akım eğerleri ara Gerilimi (-pu) STTOM un Gerilimi (-pu) STTOM un Ürettiği Reaktif kım Değeri (-pu) STTOM, 0.4 n ye kaar kapaitif bir reaktif güç üretmiş (bara gerilimi referan gerilimen üşük oluğu için), 0.4 n en onra ie enüktif bir reaktif güç üretmiştir. u urumla ilgili benzetim programı onuu Şekil 9 a göterilmiştir. Şekil 0. STTOM un bağlı bulunuğu bara akımına ait bileşeninin eğişimi DGM-STTOM lara önüştürüünün oğru geriliminin eğeri abittir. Dönüştürüünün oğru geriliminin eğişimi ile ilgili benzetim programı onuu Şekil e verilmiştir. Görülüğü gibi bara gerilimine meyana gelen eğişmelere rağmen oğru gerilim kontrol öngüü konanatör gerilimini itenilen eğere abit tutmuştur. u, güç iteminen STTOM a oğru bir aktif güç akışı ağlanarak başarılmıştır. Şekil 9. STTOM tarafınan üretilen reaktif güç Şekil. STTOM un oğru geriliminin eğişimi Şekil 2 e STTOM un bir fazına ait akım ve gerilimleri araınaki ilişki verilmiştir. Şekil 2 en görüleeği gibi STTOM, 0.4 n ye kaar bara gerilimi nominal geriliminin altına (item enüktif) oluğunan kapaitif bir reaktif akım, 0.4 n en onra ie bara gerilimi nominal geriliminin üzerine (item 27

6 Reul ÇÖTELİ, Zafer YDOĞMUŞ / POLİTEKNİK DERGİSİ, İLT 0, SY 2, 2007 kapaitif) oluğunan enüktif bir reaktif akım ağlaığı görülür. STTOM 0.4 n en onra kapaitif çalışmaan enüktif çalışmaya geçmiştir. STTOM, yaklaşık olarak 2.5 m onra enüktif reaktif akım ağlamaya başlamıştır. u üre gelenekel kompanzayonla karşılaştırılığı zaman (Statik anahtarlamalı kontaktörler ile bir kaemenin evreye alınmaı yaklaşık 60 m ir) çok kıa bir üre oluğu görülür. Şekil 2. STTOM un bir fazına ait akım ve gerilimleri araınaki faz ilişkii DGM-STTOM lara oğru gerilim eğeri eğişmeiğinen önüştürüünün çıkış geriliminin eğeri, moülayon ineki yarımı ile eğiştirilir. enzetim programına moülayon inekinin eğişimi Şekil te göterilmiştir. Şekil. Moülayon inekinin eğişimi 4. SONUÇ u çalışmaa, MTL-Simulink Toolbox ı kullanılarak DGM-STTOM un benzetimi yapılmış ve bara geriliminin genliğine meyana gelen eğişmelere karşı kompanzatörün bu eğişikliklere veriği inamik evap gözlemlenmiştir. enzetim programının onuçlarınan, DGM-STTOM un item için gerekli olan kompazayon akımını, gelenekel kompanzayona göre olukça kıa üree (2.5 m) karşılayarak bağlı bulunuğu baraya reaktif güç eteği ağlaığı ve güç itemine meyana gelen eğişmelere çok hızlı evap veriği görülmekteir. STTOM un güç itemine meyana gelen eğişmelere çok hızlı evap vermei ve güç itemi için gerekli olan gerekli reaktif güü çok kıa üree ağlamaı, iletim ve ağıtım itemlerinin inamik kararlılığı üzerine olumlu etkii varır. 5. KYNKLR. Gyugyi, L., Power Eletroni in Eletri Utilitie: Stati ar ompenator, Proeeing of the EEE, ol. 76, No. 4, pp , Koatepe,. ve iğ., Enütriyel Teilere Reaktif Güç Kompanzayonu İçin Statik ar Kompanzayon Siteminin Gerçekleştirilmei, Proje.. Gyugyi, L., Dynami ompenation of Tranmiion Line by Soli-State Synhronou oltage Soure, EEE Tran. On Power Delivery, ol. 9, ue: 2, 904-9, avaliere,..., Watanabe, E. H., ree, M., omparion between the onventional STTOM an the PWM STTOM, ol. 2, OEP 99, razil, Hingorani, N. G., Flexible Tranmiion Sytem. EEE Spetrum, 99; Shauer,., an Mehta, H., etor nalyi an ontrol of vane Stati R 7. ompenator, EE Proeeing-,ol. 40, No. 4,pp , Gyugyi, L., et al, vane tati ar ompenator Uing Gate Turn-off thyritor for utility appliation, GRE, pp. 2-20, Ewar,. W., et al., vane tati ar Generator Employing GTO thyritor, EEE PES Winter Power Meeting, pp. 8WM09-, Uzunovi, E., EMPT, Tranient Stability an Power Flow Moel an ontrol of S ae FTS ontroller, Ph. Thei, Waterloo, Ontario, anaa, El-Mouri, M. S. an Sharaf,. M., Novel ontroller for the 48-Pule S STTOM an SSS for oltage Regulation an Reative Power ompenation, EEE Tran. On Power Sytem,ol. 22, No. 4, Çöteli, R., STTOM ile Güç kış Kontrolü, Y. Lian Tezi, Fırat Üniveritei Fen ilimleri Entitüü,