İDEAL OLMAYAN ŞEBEKE GERİLİMİ DURUMUNDA PQ TEORİ TABANLI PARALEL AKTİF GÜÇ FİLRE PERFORMANSININ İYLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 Fırat Ünerstes-Elazığ İDEAL OLMAYAN ŞEBEKE GERİLİMİ DURUMUNDA PQ TEORİ TABANLI PARALEL AKTİF GÜÇ FİLRE PERFORMANININ İYLEŞTİRİLMEİ Özgür C. Özerdem, amet Brc, 2 Mohammed O.I.Kmal Eletr-Eletron Mühendslğ Bölümü Yaın Doğu Ünüerstes oozerdem@neu.edu.tr 2 Eletron-Eletron Mühendslğ Bölümü Yaın Doğu Ünüerstes sbrc@neu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, anlı güç teors le ontrol edlen Atf Güç Fltre (AGF) performansı dengesz e harmon bozulumlar çeren (deal olmayan) şebee oltajının etler ncelenmştr. Yapılan çalışmada, deal olmayan şebee oltajının anlı güç teors le ontrol edlen AGF performansını öneml ölçüde düşürttüğü görülmüştür. İdeal olmayan şebee oltajının ontrol sstem üzernde yaratmış olduğu olumsuz etler selftunng flter (TF) adaptasyonu le çözülmes önerlmştr. Benzetm sonuçları, önerlen yöntemn anlı güç teors le ontrol edlen atf güç fltre performansını artırdığını göstermştr. Anahtar Kelmeler: Att Güç Fltres, doğrusal olmayabn yü, deal olmayan şebee oltajı, p-q teor, TF.. GİRİŞ Günümüzde, harmon bozulma en öneml güç alte sorunlarından br halne gelmştr. Bu bozulmaların başlıca nedenler yumuşa yol erc, doğrultmaç dereler e bunun gb yarı leten derelern artması olara sıralanablr. Bu doğrusal olmayan yüler şebeeden snüzodal olmayan aımlar çaere gerlm e aım bozulmalarına, başa br değşle harmonlere neden olurlar []. Harmonler güç sstemler, eletrl chazlar e transformatörler üzernde aşırı ısınmalara, nötür aımlarının normaln üzerne çımasına e düşü güç fatörü gb çeştl sorunlara neden olurlar [2]. LC tp pasf fltreler harmonlern bastırılmasında endüstrde sıca ullanılmatadırlar. Faat bu fltrelern rezonans gb stenmeyen olaylara sebep olduları blnmetedr. Ayrıca pasf fltreler sadece ayarlandıları freansta aım harmonlern bastıra bldlernden ötürü çoğu zaman yetersz almatadırlar. Öte yandan, harmonlern yaratmış olduları sorunları azaltma çn, Atf Güç Fltre (AGF) ullanımı 97'lerden bu yana ncelenmetedr [], [4]. on yıllarda araştırmacılar harmon aımlarını en y şelde bastırma e aynı anda şebeeden çelen reatf gücü ndrgeme çn gelştrlmeye çalışılmatadırlar. AGF ler doğrusal olmayan yü eya yü guruplarına, paralel olara bağlanara br harmon aım aynağı olara ontrol edlmetedrler. Temel prensp doğrusal olmayan yülern şebeeden çetler harmon aımlar le aynı genlte faat zıt fazda harmon aım enjete etme olara açılanablnr. Kullanılan ontrol tenğ malyet e fltre performansını dre olara etlemetedr. Bu yüzden, AGF lernn performansı büyü ölçüde ontrol tenğne bağlıdır. Aag tarafından önerlen anlı güç teorsne [5] AGF ontrol tenler arasında lteratürde genş br yer erlmştr. Bu yöntem anca deal şebee oltajı altında doğru br şelde AGF sn ontrol edebldğ blnmetedr [6]. Bu çalışmada, öncelle anlı güç teors tabanlı AGF nn deal e deal olmayan şebee oltajı altında performansı ncelenmştr. Daha sonra deal olmayan şebee oltajı altında göre yapan AGF nn harmon bastırma performansını artırma amacıyla anlı güç teorsne self-tunng fltre (TF) adapte edlere ullanımı önerlmştr. 2. ANLIK GÜÇ TEORİİ (p-q teor) Bu teor, br brnden 2 şer derece açı farı olan üç fazlı 'abc' ordnatlarında gerlm e aım snyallern, eştl () de erlen Clare dönüşümü ullanılara fazlı br sstem olan '' ordnatları olan fazlı anlı uzay etörlerne dönüştürülür. V V a V [ T ]. V b V V c a T. b c, [ ] T transformasyon matrs aşşağıda gb fade edlmetedr Eştl () e (2) de erlen e ordnatları brbrne dtr. Bu yüzden, üç falı sstemde anlı güç teors aşşağıda gb fade edlr. () (2) p () q (4) ün şebeeden çetğ anlı atf e reatf güç bleşenler, yü aımı le faz nötür gerlmler e ordnatlarında arşılıları le sabt matrs formunda eştl (5) te erlmştr. p q p (5) 24

2 Eletr-Eletron e Blgsayar empozyumu 2 ün şebeeden çetğ anlı atf e reatf AA e DA bleşenler 'p' e 'q' tarafından erlmetedr. Bu durumda atf e reatf güçler sürel e alternatf termler oluşturmatadır. p p ~ p q q q~ AGF snn harmonler bastırıp aynı zamanda reatf gücü ompanze edeblmes çn reatf gücün sürel e alternatf bleşenler, atf gücün alternatf bleşen eştl (7) de gb hesaplanara geçerl e ordnatlarında referans aımları elde edlr. (6) V ( ) j H ( ) U ( ) 2 2 (9) Eştl (9) da geçen V eştl () da erlmetedr. j t j t V ( t ) e e U ( t ) dt () Bu eştlte, grşte U () e çıış V () aynı fazda olduğu gösterlmetedr. Ayrıca, bu transfer fonsyonunun genl e faz tepler genel br bant pass fltreye benzer olduğu görülmüştür. f s s p% pdc 2 2 f s s s s q % Eştlte P dc AGF ayıplarını arşılama çn ullanılmatadır. Eştl (7) de elde edlen e ordnatlarında referans aımları (8) eştlğnde erlen ters Clar matrs ullanılara AGF snn üretmes stenlen üç fazlı referans aımlarına çerlr. (7) V ( ) ( ) j H ( ) 2 2 U ( ) ( ) Fonsyonun blo dyagramı Şel 'de görülmetedr. X X () fa 2 f fb 2 2 f fc 2 2 Böylece, doğrusal olmayan yülern şebeeden çetler harmon aımları yo edece olan aynı yönde faat zıt fazda harmon aımları e reatf gücü üretece referans aımları elde edlr. Faat şebee oltajının deal olmadığı durumlarda faz netür oltajları dengesz e harmon bleşen çerecetr. Bu durum, faz nötür gerlmlernn e ordnat hesaplamalarında dengeszlğe sebebyet err. Böylece AGF snn üretmes stenlen üç fazlı referans aımlarının hesaplanmasında hatalar oluşacatır.. KENDİ KENDİNİ AYARLAYAN FİLTRE (elf Tunng flter) Türçede end endn ayarlayan fltre olara tanımlana blece olan elf Tunng Flter (TF) [7] Hong ong tarafından, pwm dönüştürücülernn ürettğ gerlmn faz açılarını tahmn etme çn önerlmş br transfer fonsyonudur. Bu transfer fonsyonu aşşağıda erlmetedr. (8) X Şel : TF prensp şeması. Temel bleşenler sabt br referans olara erlmetedr. X [ X ( ) X ( ) ] X ( ) ( ) X a (2) [ X ( ) X ( ) ] X ( ) ( ) () İdeal olmayan şebee oltajı altında, TF adapte edlmş Anlı Güç Teors le ontrol edlen AGF performansını artırma mümündür. Başa br değşl deal olmayan şebee oltajının ontrol tenğ üzernde olumsuz etler bast e etl br yöntem şelde gderleblmetedr. önerlen otrol tenğnn AGF sne uygulanmasını gösteren dyagram şel 2 de erlmetedr. Şel 2 de görüldüğü üzere şebee gerlm snyaller TF den geçrlere üç fazlı snüzodal e smetr gerlm snüzodal e smetr olmayan şebee gerlmnden ayılanablnr. X 25

3 Fırat Ünerstes-Elazığ Şel 2: Önerlen ontrol tenğnn AGF ontrol sstem üzerne uygulanmasına at şema. Table : Benzetm çalışmalarında ullanılan sstem değşenler embol Değer s Kayna Gerlm (L-N rms) 24 V f Freans 5 Hz R Kayna Drenc mω L Kayna Empedansı 2.6 µh R y drenc 5 Ω L y empedansı 2 mh R y2 2 drenc 5 Ω L y2 2 empedansı 2 mh R f Fltre drenc 2 mω L f Fltre empedansı mh C dc Fltre ondansatör sıhası 5 µf V dc Fltre ondansatör oltajı 9 V 4. BENZETİM ONUÇLARI Önerlen yöntem n performansını nceleme çn APF sstem Matlab-muln yazılım paet ullanılmıştır. Benzetm yapılan AGF sstemnn blo dyagram gösterm, Şel. 4 de görülmetedr. stem değşenler Tablo de beslenen RL tp adet yü ulanılmıştır. le. sanye arasında Ω e mh değernde yü,. la.6 sanyeler arasında se aynı yü dereden çıarılıp, 7 Ω e 8 mh değernde yü 2 dereye alınmatadır. Bu çalışmada farlı şebee durumu altında benzetm sonuçları elde edlmştr: - Dengel e bozulmamış (deal) şebee oltajı. 2 - Dengesz e harmon bozulma çeren (deal olmayan) şebee oltajı. 4.. İdeal Şebee Voltajı Altında p-q Teor Tabanlı AGF Performasının İncelenmes Bu bölümde, deal olmayan şebee oltajının Anlı Güç Teor (p-q teor) tabanlı AGF üzernde etsnn ncelenmes amacı le deal şebee oltajı le benzetm çalışmaları yapılmıştır. Benzetm çalışmalarında ullanılan fazlı şebee oltajının matamatsel eştlğ (4) te erlmş e dalga şel se şel 2 de sunulmuştur. ayrıca erlmetedr. Önerlen yöntemn fltreleme performansını gösterme amacıyla üç fazlı öprü tp dyot le 26

4 Eletr-Eletron e Blgsayar empozyumu 2 sa sb sc ( t) ( t) ( t) n n n n n n 2V 2V sb 2V sa sc sn( nwt φ ) sn( nwt φ ) sn( nwt φ) (4) Şel 7: Fltreleme sonrası şebeeden çelen aım dalga şel (faz a) Tme (s) Şel : İdeal şebee oltajı dalga şel. Şel 4: Fltre Kondansatörü üzernde gerlm değşm Şel 6 da erlen aımın şebeeye enjete edlmes le şebeeden aan aım şel 7 de görüldü gb deal dalga şelne ulaşmıştır. Fltrelemeden sonra ayna aımı dalga şel üzernde yapılan analzde aım THB oranının yü de %2.4 a e yü 2 de se %.76 ya adar düşürüldüğü görülmüştür. Toplam Harmon Bozulumun IEEE standart geresnm üzernde olduğu görülmetedr İdeal Olmayan Şebee Voltajı Altında PQ teor tabanlı AGF Performansının İncelenmes Anlı güç teors tabanlı AGF performasının deal olmayan şebeje oltajı altında nceleyeblme çn şel (8) de erlen dengesz e harmon bleşen çeren şebee oltajı ullanılmıştır. Şel 8 de erlen fazlı şebee gerlm eştl (7) le oluşturulmuşur. Bu dalga gerlmnn Toplam Harmon Bozulum (THB) a fazı çn %8., b fazı çn %.8 e c fazı çn %2.7 olduğu görülmetedr THD 8.% THD.8% THD 2.79% Şel 5: aımı dalga şel (faz a) Şel de erlen grş gerlm ullanan yülern şebeeden çemş olduğu aım şel 5 te görülmetedr. n oluşturmuş olduğu Toplam Harmon Bozulum (THB) değernn %27. e yü 2 nn oluşturmuş olduğu THB nn %26.28 olduğu görülmetedr Tme (s) Şel 8: İdeal olmayan harmonl şebee oltaj dalga şel Şel 9: Fltre ondansatörü üzernde gerlm değşm Şel 6: Fltre aımı dalga şel (faz a) Şebeeden çelen harmon aımları bastırma amacı le AGF tarafından ssteme enjete edlen aım dalga şel şel 6 da görülmetedr. Şel : aımı dalga şel (faz a) V 4sn( ) sn(5 ) 2sn(7 ) 7sn( ) a wt wt wt wt Vb 2sn( wt ) 5sn(5wt ) 9sn(7wt ) sn( wt ) V 5sn( wt ) 9sn(5wt ) 5sn(7wt ) sn( wt ) c (7) 27

5 Fırat Ünerstes-Elazığ br gerlm ullanılmalı eya önerlen method le şebee gerlm fltrelendten sonra anlı güç teors le şlenmeldr. Önerlen tenğn şel 2 de gb fltre sstemne adapte edlmes le yapılan analz sonuçları aşşağıda erlmştr. Ayrıca, benzetm çalışmaları le elde edlen değerler Tablo 2 de ayrıntılı br şelde sunulmuştur. Şel : Fltre aımı dalga şel (faz a) Şel : Fltre ondansatörü üzernde gerlm değşm Şel 2: Fltreleme sonrası şebeeden çelen aım dalga şel (faz a) Anlı güç teors tabanlı AGF s l yüün oluşturduğu %24.4 l THB değern anca %.69 a adar ndrdğ görülmetedr. Aynı şelde yü dereden çııp yü 2 nn dereye grmes le oluşan % 2.44 lü aım harmonğ se %.7 e adar ndrleblmştr. Halbu, anlı güç teors tabanlı AGF deal şebee oltajı altında yüün yaratmış olduğu harmon aımlarını, c yüte %27. den %2.4 a, yü 2 de se % den %.76 ya adar ndrmştr. Benzetm sonuçlarından açıca görülmetedr Anlı Güç Teor banalı AGF performansı, şebee gerlmnde harmon bozulumlar e dengesz oltajlardan ötürü olumsuz şelde etlenmetedr. 4.. Önerlen Kontrol Yöntem Yuarıda benzetm çalışmaları le yapılan her durum gösterlmetedr. Bu çalışmalarda; Anlı Güç Teors deal şebee gerlm altında stenldğ gb göre yapmatadır. Faat, deal olmayan şebee oltaj oşullarında AGF performansı düştüğü açıca görülmüştür. Dolayısı le Anlı Güç Teorsnn eştl (7) de erlen anlı referans aımlarını doğru br şelde hesaplaya blmes çn (V ) 2 e (V ) 2 değerlernn toplamı sabt olmalıdır. Bu yüzden şebeeden çelen harmon aımlarını yo edp snusodal br aım halne getrme çn brnc benzetm çalışmasında gb deal Şel 8 de erlen grş gerlm ullanan yülern şebeeden çemş olduğu aım şel 4 te görülmetedr. n oluşturmuş olduğu THB %24.4 e yü 2 nn oluşturmuş olduğu THB nın se %2.44 olduğu görülmetedr. Şel 4: aımı dalga şel (faz a) İdeal olmayan ayna gerlmnn TF le fltrelenmes le dengel br V e V değerler hesaplanmış e anlı güç teors le AGF snn üretmes stenlen en deal referans aımı üretlmştr. Üretlen fltre aımı şel 5 te görülmetedr. Şel 5: Fltre aımı dalga şel (faz a) Kontrol Yöntem Tablo 2: Benzetme çalışmalarında elde edlen sonuçlar İdeal Voltaj Altında İdeal OlmayanVoltaj İdeal OlmayanVoltaj PQ teor Altında PQ teor Önerlen Yöntem (TF tabanlı PQ) THB (abc) % % % % 8. %.8 % 2.79 % 8. %.8 % 2.79 THB () THB (Kayna) % 27. %26.28 %24.4 %2.44 %42.74 %6.6 %2.4 %.76 %.69 %.7 %2.44 % Fltre aımının şebeeye enjete edlmes le brlte aynatan çelen aım şel 6 da görüldüğü gb olmuştur. Kayna aımı dalga şel üzernde yapılan analzde aım THB oranının yü de %2.44 e e yü 2 de se %.78 e adar 28

6 Eletr-Eletron e Blgsayar empozyumu 2 düşürüldüğü görülmüştür. Bu değerlern, IEEE standart geresnmlernm altında olduğu görülmetedr. Şel 6: Fltreleme sonrası şebeeden çelen aım dalga şel (faz a) Crcuts, IPEC'8- Int. Power Electroncs Conf., Toyo, Japan, 98, pp [6] M. Uçar Ve E. Özdemr, İdeal Olmayan Şebee Gerlm Ve Dengesz Şartlarında -Fazlı 4-Tell Paralel Atf Güç Fltres Denetm, Gaz Ün. Müh. Mm. Fa. Der. Clt 2, No, 47-56, 25. [7] H.. ong, Control scheme for PWM conerter and phase angle estmaton algorthm under oltage unbalance and/or sag condton, Ph.D. n Electronc and Electrcal Engneerng. outh Korea, ONUÇLAR Bu çalışmada, Anlı Güç Teors le ontrol edlen atf güç fltre performansı deal e deal olmayan şebee oltajı şartlarında ncelenmştr. Benzetm sonuçlarından, Anlı Güç Teor tabanalı AGF performansı, şebee gerlmnde harmon bozulmalardan e dengesz oltajlardan ötürü olumsuz şelde etlendğ görülmüştür. Bu olumsuz durumu ortadan aldırma çn önerlen yöntem le deal olmayan şebee oltaj oşulları altında çalışan AGF performansı başarılı br şelde artırılmıştır. KAYNAKLAR [] W. Mac Grady,. antoso, "Understandng power system harmoncs", IEEE Power Eng. Re Noember 2. [2]. Brc, O. C. Ozerdem "Expermental tudy and Comparate Analyss of Transformer Harmonc Behaour under Lnear and Nonlnear Load Condtons", IEEE EEEIC th Internatonal Conference on Enronment and Electrcal Engneerng ( th EEEIC), 8 - May 2, Roma, Italy. [] L. Gyugy and E. C. trycula, Acte ac power flters, n Proc. IEEE/Ind.Appl. oc. Annual Meetng, 976, p [4] N. Mohan, H. A. Peterson, W. F. Long, G. R. Drefuerst, and J. J.Vthayathl, Acte flters for AC harmonc suppresson, n Proc. IEEE-PE Wnter Meetng, 977, pp [5] H. Aag, Y. Kanazawa, A. Nabae, Generalzed Theory of the Instantaneous Reacte Power n Three-Phase 29