7-SEVĐYELĐ STATCOM PROTOTĐPĐ ĐÇĐN YAPILAN TASARIM VE MODELLEME ÇALIŞMALARI

Transkript

1 7-SEVĐYELĐ STATCOM PROTOTĐPĐ ĐÇĐN YAPILAN TASARIM VE MODELLEME ÇALIŞMALARI Cem Özgür Gerçek, Burhan Gültekin, Mustafa Deniz, Tevhid Atalık TÜBĐTAK-Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsü 06531, ODTÜ/ ANKARA Öz:Đletim sistemlerindeki gerilim regülasyonu ve kararlılık sorunları, sistem kalitesini önemli ölçüde etkileyen iki önemli unsurdur. Son yıllarda, bahsedilen unsurların güç yarı-iletkenlerine dayalı dinamik ve esnek yapı elemanları (FACTS) kullanılarak kontrolünün, geleneksel metotlara göre hem daha ekonomik hem de daha etkili olduğu gösterilmiştir. Bu makalede Türkiye Elektrik Đletim Sisteminde birincil olarak gerilim regülasyonu, ikincil olarak kararlılık sorununa çözüm olabilecek çok seviyeli STATCOM için, 154kV, ± 50MVAr anma gücünde seri bağlı üç tam köprülü 7-seviyeli bir STATCOM uygulamasının 400V,± 100kVAr prototipi için EMTDC/PSCAD programı yardımı ile gerçekleştirilen tasarım ve modelleme sonuçları irdelenmektedir. Anahtar Kelimeler: STATCOM, FACTS, Đletim Sistemi Gerilim Regülasyonu, Çok Seviyeli Çevirgeç I. GĐRĐŞ STATCOM sistemleri, ± Q MVAr aralığında, şebeke frekansında (50Hz) sürekli, hem endüktif hem kapasitif reaktif güçleri üretebilmektedir. Bu açıdan rakip sistem olan Statik VAr Kompanzatörüne (SVC) üstünlük sağlamaktadır. STATCOM sisteminin SVC sistemine bir diğer üstünlüğü ise geniş bir çıkış gerilimi aralığı için maksimum reaktif güç üretiminin neredeyse sabit kalmasıdır. Bu açılardan STATCOM sistemi, dağıtım ve iletim sistemlerinin güç kalitesi problemlerinin çözümünde doğrudan kullanılabilecek geleceğin teknolojisi olarak gözükmektedir. Şu ana kadar gerçekleştirilmiş olan iletim STATCOM sistemleri büyük oranda çok darbeli yapıdadır [1]. Öte yandan, çok seviyeli yapıların çok darbelilerin yerini almak üzere olduğu literatürdeki çalışmalardan anlaşılmaktadır [2,3,4]. Çok seviyeli STATCOM lar içerisinde, modüler yapısı ve eş anma değerli elemanlar kullanılması sebebiyle, tam köprülü çevirgeç yapısında olanlar, diğerlerine üstünlük sağlamış gibi görünmektedir [2]. Harmonik eleme teknikli seri bağlı tam köprülü çok seviyeli çevirgeç veya bir diğer adıyla çok seviyeli tam köprülü tipi anahtarlamalı çevirgeç (Cascade Multilevel Inverter With Staircase Switching - CMIWSS), son yıllarda sıcak bir araştırma konusu haline gelmiştir. Öte yandan, çok sayıda (tam köprü sayısı kadar) kondansatör kullanılması sebebi ile, DC gerilim kont- Bu makalede sunulan çalışmalar TÜBĐTAK Kamu Araştırma Projeleri Destekleme Programı (Program Kodu:1007)/ 105G129 No.lu Güç Kalitesi Milli Projesi kapsamında yürütülmektedir. cem.gercek@uzay.tubitak.gov.tr rolü diğer çok seviyeli topolojilere göre daha zordur. Bu çalışmada, gelecekte 154kV iletim sistemine bir adet YG/OG güç trafosu ile bağlanarak gerilim regülasyonu sağlaması planlanan, ±50MVAr gücündeki STATCOM tasarımına hazırlık olarak, EMTDC/PSCAD programı yardımı ile oluşturulan üç faz 400V, ±100kVAr gücündeki prototip için yapılan simülasyonların sonuçları irdelenmektedir. II. CMIWSS TOPOLOJĐSĐ II.a. Devre Şeması CMIWSS nin her fazı birbirine seri bağlı tam köprülerden oluşmaktadır. Şekil-1 de verilen üç fazlı çevirgeç şemasında görüldüğü üzere, her faz için üç adet DC kondansatöre ve üç adet tam köprüye sahip CMIWSS faz-nötr gerilim seviyesi sayısı L = 2x31 = 7 şeklinde bulunmaktadır. Faz-faz gerilimi için seviye sayısı ise 4x31 = 13 olmaktadır. Tam köprü sayısı arttıkça, elenebilen harmonik sayısı artmakta, çıkış gerilimi sinüse daha da yaklaşmakta ve gerilim THD si azalmaktadır. Şekil-1 de görüldüğü üzere üç faz çevirgeç, tek faz çevirgeçlerin Y bağlanması sonucu elde edilmektedir. 9 adet tam köprü, 9 adet DC kondansatör, 36 adet IPM, 36 adet de diyot kullanılmıştır. Anti-paralel IPM ve diyot kullanılmasının sebebi akımın her hangi bir anda sistemden çevirgece de, çevirgeçten sisteme de akabilmesini sağlamaktır. II.b. Sistem Kontrolü Sistemin genel kontrol şeması Şekil-2 de verilmiştir. Sistemde kullanılan IPM anahtarları, Seçici Harmonik Eleme (SHE) tekniğine uygun olarak ateşlenmiştir ve bu sayede çevirgeç çıkış geriliminde olan 5. ve 7. harmonikler yok edilmektedir [5]. Bu amaçla bu harmonikleri yok eden açı değerleri modülasyon endeks değerlerine (m) bağlı olarak MATLAB da genetik algoritma ile bulunmuş ve bir açı okuma tablosu oluşturulmuştur. Bu topolojinin en zor kontrol problemi olan kondansatör ortalama gerilimlerini eşitleme sorunu, literatürde geçen [4] ancak her modülasyon endeksi için tatmin edici sonuçlar veremeyen eşitleme teknikleri yerine geliştirilen Seçici Yer-Değiştirmeli Ateşleme Algoritması ile çözülmüştür. Bu teknik sonucunda her bir anahtar, ortalama 250Hz frekansında ateşlenmekte ve böylece anahtarlama kayıpları çok büyük değerlerde olmamaktadır. Kondansatör gerilimlerinde olan salınımlar Pencereli Ortalama Alma Algoritması ile yok edilerek kapalı kontrol

2 döngüsüne sokulmaktadır. Sistem kontrolü için gerekli olan reaktif güç ölçümü için Clark ve Park dönüşümlerine bağlı DQ0 metodu kullanılmış ve bu sayede sistem reaktif güç başarımında hızlı tepkimeler elde edilmiştir. III. SĐMÜLASYONLAR Simülasyonlar, kontrol mekanizmaları ve kullanılan devre şeması aynı olmak kaydıyla bazı parametrelerin ve devre elemanlarının değerlerinin değiştirilmesi ile sistem performansının nasıl etkilendiğini gözlemlemek amacı ile yapılmıştır. Yapılmış olan simülasyonlarda PSCAD in kendi ortalama alma ve PQ metreleri yerine PSCAD içinde Fortran dili ile oluşturulan özgün yazılımlar kullanılmış ve bu yazılımların performanslarının PSCAD in kendi bloklarının performanslarından daha iyi sonuç verdiğinden emin olduktan sonra simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyonlar farklı PI parametreleri, DC kondansatör değerleri, hat kuplaj reaktansı değerleri ve T swap için denenmiştir.(tablo-1) Mümkün olan en iyi performansı sağlayan PI değerleri için sonuçlar verilmiştir. Yapılan simülasyonların hepsinde yarıiletken anahtarlar iletimde iken aşağıdaki denklemle modellenmiştir : V ON = 1.5 (3.5m)I AVG Volt Anahtarlama kayıpları ise ihmal edilebilecek değerlerde olduğu için dikkate alınmamıştır. Üç faz STATCOM laboratuar prototipinden beklenen en önemli özelliklerden biri, her fazı gerektiğinde ayrı ayrı kompanze edebilir nitelikte olmasıdır. Bu yüzden sistem topolojisi PSCAD de simülasyonlarla dengeli ve dengesiz durumlar için denenmiştir. III.a. Dengeli Durum için Simülasyonlar Simülasyonlarda kullanılan parametreler Tablo-1 de verilmiştir. 5 saniyelik simülasyon boyunca Q ref saniyede bir olmak üzere değiştirilmiş ve sırasıyla 100kVAr, -100kVAr, 100kVAr, 0kVAr ve -50 kvar yapılmıştır. Başlangıçtaki 0.2 saniye boyunca IGBT ateşlemesi yapılmamış ve DC kondansatörlerin diyotlar üzerinden şarj olması için gerekli süre tanınmıştır. Sistemin çalışma performansının en önemli göstergelerinden biri olan Q başarımı P ölçümü ile birlikte modülasyon endeksinin değişimine göre Şekil-3 te verilmiştir. Şekil-4 te ise aynı faza ait kondansatör ortalama gerilimleri gözlemlenmektedir. Tablo-1 Simülasyonlarda Kullanılan Parametreler Parametre Hat Kuplaj Reaktansı, L DC Kondansatör Değeri, C DC kondansatör referans gerilimi, V dc DC Gerilim Bloğu Sabit Katsayısı, K p 8 DC Gerilim Bloğu Đntegral Katsayısı, K int 50 Q Kontrol Bloğu Sabit Katsayısı, K pq 6 Değer 1.6 mh 27.2mF 140V Q Kontrol Bloğu Đntegral Katsayısı, K iq 400 Seçici yer-değiştirmeli ateşleme periyodu, T swap 400µs Ea Eb Ec Lsa - Qref Ca3 Ca2 Ca1 Şekil-1 3 Faz Üç Tam Köprülü CMIWSS Şeması Güç Trafosu Qölçülen PI PLL Bloğu m wt Havai Hatlar Vs Kuplaj Trafosu Açı Okuma Tablosu La Seçici Yer- Değiştirme Algoritması E j Cb3 Cb2 Cb1 7 Seviyeli Tam Köprülü Çevirgeç Ateşleme Ünitesi Şekil - 2 Sistemin Genel Kontrol Şeması Şekil - 3 Q Başarımı ve m Değişimi PI DC kondansatör gerilimi ölçümleri Vcj - Vdcref Bu gerilimler için de yine özgün olarak yazılan Pencereli Ortalama Alma Algoritması kullanılmış ve en fazla 10ms gecikmeli tepki verdiği görülmüştür. Şekil-4 te en altta görülen dalga şekli ise ortalama kondansatör gerilimlerinin toplamını yani aslında PI blok ile kontrol edilen esas değeri vermektedir. Çevirgecin verebileceği maksimum anlık Q değişiminde, çevirgecin akım ve gerilim çıkışlarının dalga şekilleri Şekil-5 te verilmiştir. Cc3 Cc2 Cc1

3 Şekil - 5 Anlık Q ref Değişimi için Çevirgeç Çıkış Akım ve Gerilimi Şekil - 4 Kondansatör Ortalama Gerilimleri Dikkat edileceği üzere hem kapasitif ve hem de endüktif modda gerilim dalga şeklinde seviye sayısı 7 olmakta ve sistem başarı ile 50ms içinde istenen tepkiyi vermektedir. Laboratuar prototipi için özgün olarak geliştirilen DC kondansatör ortalama gerilimlerini eşitleme metodunun sonucu Şekil-6 da verilmiştir. Bu algoritmanın sonucunda, şekilde görüldüğü üzere saf (AC bileşen dahil) DC kondansatör gerilimleri, merdivensi bir yapı almaktadır. Aynı şekilde, altta referans olması amacıyla çevirgeç akım ve gerilim çıkışları da verilmiştir. Gözlemlenen diğer bir önemli durum da kondansatör gerilimleri üzerindeki salınımın, kapasitif modda, endüktif modundakinden daha fazla olmasıdır (Şekil-7). Bunun sebebi, kapasitif modda iken her tam köprünün IPM lerinin çaprazlama olarak iletimde kaldığı, dolayısıyla kondansatörlerin şebeke ile bağlı olduğu toplam zamanın endüktif moda göre daha fazla olması ve bu yüzden kondansatörlerden daha fazla 2. harmonik akım çekilmesidir. Sistemin THD başarımının verildiği Şekil-8 de (yukarıdan aşağıya sırasıyla Q ref, çevirgeç çıkış akımı, çevirgeç çıkış gerilimi ve sistem gerilimi) görüldüğü üzere, THD değerleri, faz-faz çevirgeç geriliminde 3 ve katları harmoniklerin bulunmaması sebebiyle oldukça düşük çıkmıştır. Şekil - 6 Saf Kondansatör Gerilimlerinin Değişimi 1 Şekil - 7 Saf Kondansatör Gerilimlerinin Değişimi 2

4 Şekil-10 m=2.40 için Çevirgeç Akım Harmonikleri rinin kullanılmasından ve çevirgeç gücünün sistem kısa devre gücüne göre çok düşük değerlerde olmasından kaynaklanmaktadır. m=2.40 iken çevirgeç faz-faz gerilimi harmonikleri Şekil-9 da, çevirgeç akımı harmonikleri de Şekil-10 da görülmektedir. Şekil - 8 Çevirgeç Çıkış Akım-Gerilim ve Sistem Gerilimi THD Değerleri Şekil-9 m=2.40 için Çevirgeç Faz-Faz Gerilim Harmonikleri Reaktörün çıkışında, bir başka deyişle PCC deki gerilim THD si çevirgeç gerilimine göre daha da düşüktür. Bu da 1.6mH gibi yüksek bir reaktans değe- III.b. Dengesiz Durum için Simülasyonlar Bu simülasyonlarda Q ref her faz için ayrı ayrı uygulanmış bu yüzden her faza karşılık gelen modülasyon endeksi ve ateşleme açıları da farklı olmuştur. Simülasyonlarda dengeli durumda verilen parametrelerin çoğu aynen kullanılmış farklı olarak K iq =700 alınmıştır. Topolojide çevirgecin yıldız noktasını trafonun nötr noktasına bağlamak gerektiği için akımlarda üç ve üçün katları olan harmonikler gözlemlenmiştir. Şekil-11 de görüldüğü üzere her faz, talep edilen reaktif güce cevap verebilmektedir. Fakat bu noktada hatırda tutulması gereken bazı önemli hususlar vardır. Her fazın PLL ve PQ ölçümleri, birbirinden ayrı yapılmaktadır. Bu da dengesiz akım ve gerilimler durumunda, sanki diğer fazlar dengeliymiş gibi hesap yapmayı gerektirmektedir. Bu maksatla, örneğin A fazının PLL i ve PQ hesabı yapılırken, PLL ve PQ bloklarının B ve C fazlarına girilen akım ve gerilimler, sanki 3 faz dengeli sistemmiş gibi A fazının gerilim ve akımından oluşturulmaktadır. Kısacası, A fazının gerilimi ve akımı 120 derece ileriye ve geriye alınarak B ve C fazlarının akım ve gerilimleri elde edilmektedir. Bu operasyon, her faz için ayrı ayrı yapılarak kontrol sağlanmaktadır. Ancak bu işlem, ekstra işlem yükü ile beraber sistem performansını da etkilemektedir. Çünkü, geçici rejim anlarında, gerilimde önemli olmamasına rağmen, akımda fazlar arasında çok büyük farklar görülmektedir. Örneğin A fazı 400A tepeye çıkmaktayken C fazı -300A e inmektedir. Halbuki, A fazı için yapılan PQ ölçümleri, C akımını da A fazının akımından oluşturmuştu. Bu yüzden sistem doğru tepki verememekte ve dolayısıyla tepki süresi uzamaktadır. Bunun yanı sıra durağan durum Q salınımı da normale göre biraz daha fazla olmaktadır. Bu duruma çözüm olarak, DQ0 metodu ile P ve Q

5 ölçmektense, her faza ait akım ve/veya gerilimlerin 50 Hz lik ana bileşenlerini filtreyle alıp, bunlar üzerinden doğrudan aktif ve reaktif güç hesabı yapmak mantıklıdır. IV. SONUÇ Bu çalışmada 3 faz 3 tam köprülü 400V, ±100kVAR çok seviyeli çevirgeç tabanlı STATCOM için 2 farklı durumda (temel olarak dengeli ve dengesiz kompanzasyon) PSCAD yazılımında simülasyonlar yapılmış ve Q başarımı, kondansatör gerilimlerinin değişimi, harmonik ve THD değerleri gibi değerler hesaplanıp ayrıntılı grafikleri elde edilmiştir. Dengeli durumda çevirgecin yıldız noktasının trafonun nötr noktası ile bağlantılı olması gerekmemektedir. Fakat dengesiz durumlara yönelik simülasyonlarda bu bağlantı yapılmıştır. Çevirgeç çıkış gerilimi THD değerleri beklenilen teorik değerlere çok yakın çıkmıştır. PCC noktasında da THD beklenildiği gibi oldukça düşük olmuştur. Topoloji için özgün olarak geliştirilen Seçici Yer-Değiştirmeli Ateşleme algoritması ile DC kondansatör gerilimleri eşitlenmiş ve böylece en önemli kontrol problemi çözümlenmiştir. Dengesizlik durumlarında da STATCOM prototipinin doğru çalışabilmesi için bir kontrol algoritması geliştirilmiş ve gerçekleştirilen simülasyonlarda bu algoritmanın başarı ile çalıştığı gözlemlenmiştir. Yapılan bu ön tasarım ve modelleme çalışmalarının sonucu olarak söz konusu prototip için gerçekleştirme safhasına geçilmiştir. (Resim-1) V. KAYNAKÇA [1] C. Schauder et al, Development of a ±100 MVAr Static Condenser for Voltage Control of Transmission Systems, in IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.3, July 1995 [2] Fang Zheng Peng, Jih-Sheng Lai Multilevel Converters A New Breed of Converters, in IEEE Transactions on Industry Apps., Vol. 32, No. 3, May/June 1996 [3] Yiqiao Liang, C. O. Nwankpa, A New Type of STATCOM Based on Cascading Voltage-Source Inverters with Phase-Shifted Unipolar SPWM, in IEEE Transactions on Industry Apps., Vol. 35, No. 5, September/October 1999 [4] Fang Zheng Peng et al, A Multilevel Voltage- Source Inverter with Seperate DC Sources for Static Var Generation in IEEE Transactions on Industry Apps., Vol. 32, No. 5, September/October 1996 [5] Cem Özgür Gerçek, Seri Bağlı Tam Köprülü Çok Seviyeli STATCOM Prototipi Tasarımı, EMO Yayın: SK/2006/5/1.c Sayfa ELECO, Aralık 2006 Resim-1 Prototip Çalışmalarının Đlk Aşaması Olarak Üretilen Tek Bir Tam Köprü Modülü Test Düzeneği Şekil - 11 Dengesiz Durumda Her Faz için P ve Q Değişimleri