ARK OCAKLARININ AKIM HARMONİK ANALİZLERİ İLE ENERJİ SİSTEMİ ÜZERİNDEKİ BOZUCU ETKİLERİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 ARK OCAKLARININ AKIM HARMONİK ANALİZLERİ İLE ENERJİ SİSTEMİ ÜZERİNDEKİ BOZUCU ETKİLERİNİN BELİRLENMESİ Hacer Şekerc Öztura Dokuz Elül Ünverstes Eüp Akpınar Dokuz Elül Ünverstes Özet : Bu çalış ma, demr çelk fabrkalarının (PCC) ortak kuplaj noktasından elektrk sstemne verdkler bozucu etklern net br şeklde arıştırılablmes amaçlanmıştır. Bu nedenle Tubtak tarafından desteklenen Güç Kaltes Mll Projes kapsamında İzmr Alağa bölgesnde oğun olarak bulunan demr çelk endüstrs tesslernde eş zamanlı olarak apılan akım ve gerlm ölçümler verler kullanılarak, ark ocaklarının ssteme verdğ harmonk etkler arıntılı olarak ncelenmştr. Proje kapsamında bölgedek demr-çelk tesslernn her brsnn çnden hem tüm fabrkalar çalışıorken hem de dğer dört tanes duruş vermşken ver kadedlmştr. Ölçülen akım ve gerlm verler PSCAD (Power Sstem Computer Added Desgn) programı kullanılarak ve IEC standardında verlen tanımlara göre analz edlerek bölgenn ve tesslern harmonk etkler gözlenmştr. Anahtar Kelmeler: Enerj kaltes, demr-çelk endüstrs, ark ocağı, harmonk ve ara harmonk.grş Ülkemzde son ıllarda demr çelk endüstrsnde çok hızlı br gelşme gözlenmştr. Şu anda ülke kurulu gücü olan 0GW ın onda br gb br oranı demr çelk endüstr tessler tarafından kullanılmaktadır. Kısa br zaman çersnde se bu oranın artmaa devam ederek k katına çıkacağı öngörülmektedr []. Güç Kaltes Mll Projesnde letm sstemnn gözlenerek sorunların tespt ve çözümlernn üretlmes hedeflendğnden, genel güç kaltes üzernde bu ark ocaklarının harmonk, ara-harmonk, voltaj kırpışması gb bozucu etklernn uluslar arası standart değerlere göre ncelenmes gerekmektedr. Hele de beklenen bu güç arttırımı talebnn karşılanmasında önce bu araştırmanın apılması kesnlkle br zorunluluktur. Ark ocaklarının neden olduğu güç kaltesn problemlern nceleen brçok çalış ma lteratürde vardır [ ]. Arıca sadece ark ocaklarından kanaklanan harmonk ve araharmonkler nceleen çalış malara da sıkça rastlanmaktadır [-7]. harmonkler olarak tanımlanmaktadır [8]. Ara harmonkler normalde harmonklerden küçüktür ve standartlarca tanımlanmış br lmt değerler oktur. Ara harmonkler ağırlıklı olarak ark ocakları, kanak makneler, statk frekans converter, ccloconverter, ve hızlı değşen motor converter sürücüler tarafından üretlr. Ara harmonkler aşırı ısınma, kullanım ömründe azalma gb harmonklern neden olduğu problemlere ek olarak voltaj dalgalan maları, altsenkron oslason ve kırpış ma (flcker) gb ek bazı sorunlar neden olurlar [9]..Güç Kaltes Analz. Bölge Demr-Çelk Endüstrs İzmr Alağa bölgesnde bulunan ve dört arı trafo merkeznn besledğ hattan enerjlendrlen beş adet demr-çelk tess bulunmaktadır. Güç Kaltes Mll Projesnde kapsamında lk önce TEİAŞ trafo merkezlernn çnde 7 gün kesntsz süren ölçümler alın mıştır. Bu ölçü mlerden trafo merkezlernde demrçelk endüstrlern besleen fderlerde TDD (toplam talep bozulması) ların asal lmtler neredese sürekl olarak geçtğ belrlenmştr. Alağa bölgesndek demr-çelk fabrkalarının hepsnn., 3. ve. harmonk fltreler ve hatta bazılarının se. ve 6. harmonk fltrelernn olmasına rağmen, enerj sstemnde 7 gün süren kesntsz ölçümler sırasında sürekl olarak asal lmtlern üzernde olarak gözlenen TDD ın nedenn belrleeblmek adına bu tesslern çlernden ölçüm alınması planlanmıştır. Şekl- de se pota ocağı ve ark ocağı saısı değşmekle brlkte fabrkaların çersnden ölçüm alınan genel noktaları göstermektedr. Harmonk temel bleşenn tam katları olan frekanslarda görülen alternatf akım vea voltaj snaller olarak blnr. Ara harmonk tanımı lk olarak 990 ılında IEC de apıldı. Daha sonra IEC de ve IEEE 9 da bu tanım enlenmştr. Alternatf voltaj ve akımın temel frekansının tam saı olmaan katlarında görülen 8 Şekl Fabrkalarda ölçüm alınan noktalar Şeklden de görüleceğ üzere üksek gerlm barasından sonra fabrka grşndek ana trafonun sekondernden ve mevcut tüm ark ve pota ocakları le

2 TKR ve fltrelern grşlernden eş zamanlı olarak ölçümler alınmıştır. Genelde 60 dakka cvarında süren bu ölçümlern aklaşık dakkalık kısımlarında dğer fabrkalar üretm durdurmuştur []. Bu dakkalık sürede mevcut fabrkanın üretm ve buna bağlı olarak fltreler le TKR çalış ması devam ettğnden her br fabrka çn fltrelernn gerçekte ne kadar görevn erne getrdğn belrlemek mümkün olablecektr. Bölge demr-çelk fabrkalarından sadece brs çn dğer fabrkaların duruş verdğ ve çalıştığı kapalı k arı durumdan örnekler alınarak güç kaltesnn en öneml parametrelernden br olan harmonk analzler apılmıştır.. Harmonk Çeştler ve Hesaplama Yöntemler IEC standardında farklı harmonk ve ara harmonk hesaplama öntemler tanımlanmıştır[0]. Brbrne akın ama farklı sonuçlar veren harmonk ve ara harmonk hesaplama öntemler aşağıdak gb verleblr: Tek hat harmonk frekansı: Hz çözünürlüğündek Arık Fourer Dönüşümü (DFT) örneklernden doğrudan elde edlen akım ve gerlmn 0Hz, 00Hz, 0Hz, gb tam katlarında olan harmonk bleşennn ölçümüdür. Harmonk grup ve ara harmonk grupları: Br harmonğn kendsne btşk olan spektral bleşenlernn karelernn toplamının kareköküne eşttr. Şekl de görülen harmonk grup tanımı eştlk de, ara harmonk grup tanımı se eştlk de verlmştr. Bu denklemlerde, C k+, DFT nn br çıkış brmne karşılık gelen spektral bleşenn rms değer ken, G g,n harmonk grubun hesaplanan rms değerdr. Ck Ck G g, n C () k Benzer şeklde, ara harmonk grubu da, k harmonk (n ve n+) arasında kalan Hz çözünürlülük bleşenlern çermektedr. g, n 9 () k Bu denklemlerde, C k+, DFT nn br çıkış brmne karşılık gelen spektral bleşenn rms değer ken, G g,n harmonk grubun hesaplanan rms değerdr. Harmonk alt grup ve ara harmonk alt grup: Şekl 3 den görüleceğ gb harmonk alt gruplama, harmonk bleşennn çevresndek DFT bleşenlernden alnızca br öncek ve br sonrakn kapsar. Ara harmonk alt grubunda se, harmonk frekanslarına btşk olan bleşenler dışındakler alınarak dalgalanmaların etks kıs m olarak azaltılablr. Şekl 3 harmonk ve ara harmonk alt grupların gösterlm Sstem frekansı 0 Hz ken, çözünürlülük Hz alınarak hesaplanan harmonk alt grup eştlk 3 de verlrken, ara harmonk alt grup eştlk de görülmektedr. Şekl harmonk ve ara harmonk grupların gösterlm Ck Ck G g, n C () k Benzer şeklde, ara harmonk grubu da, k harmonk (n ve n+) arasında kalan Hz çözünürlülük bleşenlern çermektedr. g, n 9 () k sg, n G C (3) sg, n 8 k () k 3. Demr-Çelk Tesslernn Harmonk Analzler İncelenen tesse at. harmonk, harmonk grup ve alt grupların 0 perotluk ortalamalar le elde edlen dağılımlar tüm fabrkaların çalıştığı ve çalış madığı durum çn şekl de verlmştr. Bu analzde fabrkanın ssteme vea sstemn fabrkaa harmonk 9

3 gönderp göndermedğnn araştırablmes çn, şekl den görüleceğ üzere /3. kv grş trafonun sekondernde ölçülen akım le elektrk ark ocağı akımının. harmonkler karşılaştırılmıştır. Grş akımında görülen harmonk genlğ ark ocağındak harmonk akımdan daha büük olduğunda, ark ocağının ürettğ harmonk akımlar fltre tarafından tam olarak süzülememş ve grşe gtmş demektr Ara Harmonk Blesen [ka] ON Hnter-group source Hnter-group eaf 90. Harmonk Blesen [ka] ON 0.80 Hnter-subgroup source Hnter-subgroup eaf Hgroup source Hsub group source Hgroup eaf Hsub-group eaf (a) beş fabrkada çalışıorken harmonk. Harmonk Blesen [ka] OFF Hgroup source Hsub group source Hgroup eaf Hsub-group eaf (b) dğer fabrkalar duruş vermşken harmonk Şekl tessn. harmonk, grup ve alt grup harmonk dağılımları. harmonk fltrenn gerekl süzme şlemn apamadığı gb, ark ocağının ürettğ harmonk akımı ükselterek şebekee göndermekte olduğu se şekl - b den açıkça görülmektedr. Temel bleşenn tam katları arasında kalan harmonklern rms değern veren ara harmonk grup ve alt gruplarında da. harmonk çn benzer sonuçlara ulaşılmıştır. Ara harmonk dağılımları se şekl de verlmştr (a) beş fabrkada çalışıorken ara harmonk. Ara Harmonk Blesen [ka] OFF Hnter-group source Hnter-subgroup source Hnter-group eaf Hnter-subgroup eaf (b) dğer fabrkalar duruş vermşken ara harmonk Şekl tessn. ara harmonk, ara harmonk grup ve alt harmonk grup dağılımları Grş. harmonk akımının ark ocağı akımından üksek olduğu ve dğer fabrkalar çalış mıorken bu hamonğn fltre tarafından ükseltlerek şebekee verldğ gerçeğ ara harmonklerde de değşmemştr. Yükseltlme olaının daha net görüldüğü br başka ncelme alanı bulut dağılımlarına bakmaktır. Şekl 6 da se dğer fabrkalar duruş vermşkenk tessn grş ve ark ocağı akımlarının. harmonk, harmonk grup ve ara harmonk grup bleşenlernn brbrlerne göre bulut dağılımları şekl 6 da verlmştr. (a). harmonk bulut 30

4 3. Harmonk Blesen [ka] OFF 0 Hz source 0 Hz eaf (b). harmonk grup bulut H3group source H3sub-group source H3group eaf H3sub-group eaf (c). ara harmonk grup bulut Şekl 6 tessn. harmonk, harmonk grup ve ara harmonk gruplarının bulut dağılımları Şekl 6 dak tüm grafklerde bulut dağılımlarının doğrunun üst arısında çıkması, dğer fabrkalar kapalı ken her harmonk hesaplama durumda. harmonk akımının ükseltlerek şebekee verldğn göstermektedr (b) dğer fabrkalar duruş vermşken harmonk Şekl 6 tessn 3. harmonk, grup ve alt grup harmonk dağılımları Harmonk Blesen [ka] ON 00 Hz source 00 Hz eaf H group source Hgroup eaf Bu tesse at 3. ve. harmonk fltrelern görevlern sağlıklı olarak erne getrp getrmedğ şekl 7 ve 8 de görülmektedr. Her k grafkte de ark ocağı akım genlğ, grştek trafonun akımının genlğnden daha büüktür. Bu da ark ocağının ürettğ 3. harmonğn, 3. harmonk fltres tarafından süzüldüğünü ve şebekee oldukça düşük genlkl br harmonk akımının verldğn göstermektedr Harmonk Blesen [ka] ON 0 Hz source 0 Hz eaf H3group source H3sub-group source H3group eaf H3sub-group eaf (a) beş fabrkada çalışıorken harmonk Hsub-group source Hsub-group eaf (a) beş fabrkada çalışıorken harmonk. Harmonk Blesen [ka] OFF Hz source 00 Hz eaf H group source Hsub-group source Hgroup eaf Hsub-group eaf (b) dğer fabrkalar duruş vermşken harmonk Şekl 7 tessn. harmonk, grup ve alt grup harmonk dağılımları 3

5 Şekl 7 nn a şıkkına göre. harmonk fltresnn görevn tüm fabrkalar çalışıorken erne getrdğ zlenm ednlmketedr. Şekl 7 nn b şıkkından se. harmonğn dğer fabrkalar kapalı ken br mktar ükseltldğ görülmektedr. Bunu braz daha net anlaablmek çn tekrar bulut analzlerne bakılmalıdır.. harmonk, harmonk grup ve alt harmonk grup akımlarının bulut dağılımları şekl 8 de verlmştr. (a). harmonk bulut (b). harmonk grup bulut (c). harmonk alt grup bulut Şekl 8 tessn. harmonk, harmonk grup ve ara harmonk gruplarının bulut dağılımları Şekl 8 den görülen. harmonk fltre, dğer dört fabrkanın duruş verdğ zaman dlmnde ılımlı mktarda da olsa ark ocağı tarafından üretlen harmonk bleşen ükselterek şebekee vermekte ve görevn tam olarak apamamaktadır. Sonuç Fabrkanın çlende apılan ölçümden özellkle dğer fabrkaların çalış madığı zaman dlmlerne at olanlardan gözlenen şudur k; bu tessn 3. harmonk fltres kesnlkle sorunsuz olarak çalışmasına rağmen,. harmonk fltre dğer fabrkaların devrede olmadığı zaman dlmlernde haff olarak ükseltmee gtmektedr. Ancak. harmonk fltrelerde kesnlkle sorunludur. Elektrk ark ocakları tarafından üretlen. harmonk fltre süzülerek şebekee doğru gtmes erne, ükseltlmş olarak gtmştr. Buda. harmonk fltrelern 00 Hz dek bleşenler amplfe ettğn göstermektedr. Referanslar [] Salor O., Gültekn B., Buhan S., et.al., Electrcal Power Qualt of Iron and Steel Industr n Turke Industr Applcatons Conference,. IAS Annual Meetng, p: 03-3, 3-7 September 007 [] Issourbehere P.E., Issourbehere F., Barbera G.A., Power Qualt and Operatng Characterstcs of Electrc Arc Furnaces, IEEE PES General Meetng, p: 78-79, -6 June 00. [3] Issourbehere P.E.,Barbero J.C., Barbera G.A., et.al., Compatblt between Dsturbance Emsson and Argentnan Power Qualt Regulatons n Iron and Steel Industres, IEEE/PES Transmsson & Dstrbuton Conference and Exposton: Latn Amerca, p:-6, August 006 [] Andrews D., Bshop M. T. & Wtte F. J., Harmonc Measurements, Analss, and Power Factor Correcton n a Modern Steel Manufacturng Faclt, IEEE Transactons On Industr Applcatons, Vol. 3, No. 3, p:67-6, Ma- June 996 [] Carpnell G., D Manno M., Verde P., Tron E., Zannell D. AC and DC Arc Furnaces: a Comparson on Some Power Qualt Aspects IEEE p:99-06, 999 [6]Barros J., Perez E., Pgazo A., Dego R. I., Smultaneous Measurement of Harmoncs, Interharmoncs and Flcker n Power Sstem for Power Qualt Analss, Conference of Power Sstem Management and Control, 7-9 Aprl 00, IEE 00, p:00-0 [7]Keppler T., Watson N. R., Arrllaga J., Chen S., Theoretcal Assessment of Lght Flcker Caused b Sub- and Interharmonc Frequences, IEEE Tran. On Power Delver, Vol:8, No: Jan. 003, p: [8] Chun L., Wlsun X., Thavatcha T., Interharmonc: basc concepts and technques for ther detecton and measurement, Electrc Power Sstems Research 00 (003), p:-0 [9] Gallo D., Langella R., Testa A., Interharmonc Part : Aspect Related to Modelng and Smulaton, L Energa Elettraca- Vol:8 (00), p:68-73 [0] IEC , Testng and Measurement Technques- General Gude on harmoncs and nterharmoncs measurements and nstrumentaton, for power suppl sstems and equpment connected there to. 3