GERİLİM DÜŞÜMÜ KOMPANZE YÖNTEMLERİ

Transkript

1 GERİLİM DÜŞÜMÜ KOMPANZE YÖNTEMLERİ Özgür GENCER Semra ÖZTÜRK E.Mustafa YEĞİN Korhan KARAARSLAN Elektrik Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Kocaeli Üniversitesi, 41050, Veziroğlu Kampüsü, Kocaeli Anahtar Kelimeler:Gerilim düşmesi, dinamik gerilim düzenleyici, Simpow ÖZET Güç sistemlerinde gerilim bozulmaları, özellikle gerilim düşmeleri, mikroişlemci tabanlı cihazlara sahip işletmelerde büyük problemlere neden olmaktadır. Son zamanlarda gerilim bozulmalarının belirlenmesi, ölçülmesi ve yok edilmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Güç elektroniği devrelerindeki gelişmelerle birlikte gerilim kalitesi probleminin çözümünde yüksek performanslı düzenleyici devreler geliştirilmiştir. Bu çalışmada gerilim düşümünü kompanze yöntemleri tanıtılmıştır. Çok baralı bir sistemde oluşan arızada, herhangi bir bara gerilimini sabit tutmak amacıyla dinamik gerilim düzenleyici tarafından üretilmesi gereken gerilimler belirlenmiştir. 1. GİRİŞ Güç sistemlerinde Güvenilirlik kavramı, rekabetçi yapıdaki üretim birimleri ve tüketicileri için oldukça önemlidir. Günümüzde iletim ve dağıtım sistemlerinde güvenilirlik çok yüksek seviyelere ulaşmasına karşın, bozucu etkiler tamamen yok edilememiştir. Modern elektronik devreler, bu bozucu etkilere karşı geleneksek elektro-mekanik cihazlara göre daha hassas olduklarından, işletmelerde enerji kesintilerine neden olabilmekte; bunun sonucunda önemli maddi kayıplar oluşmaktadır [1]. Elektrik dağıtım sistemlerinde meydana gelen bir arıza sonucunda birçok tüketicide gerilim düşmeleri oluşmaktadır ve genel olarak maliyeti en yüksek problem olarak bilinir. Gerilim düşmeleri, sistemde kesintilere neden olmasa bile, özellikle hassas endüstriyel cihazların (PLC ler, bilgisayarlar, hassas transduserler, bazı deşarj lambaları) çalışmalarını engelleyecek düzeyde olabilmektedir. Gerilim düşmelerinin nedenleri temel olarak iki bölümde incelenebilir. Bunlar: İletim veya dağıtım sistemindeki arızalar, İşletmelerde oluşan bir problem (büyük güçlü motorların devreye girmesi) İşletmelerde oluşan problemler daha yaygın olarak görülmekte ve bunların en aza indirilmesi için alınan çeşitli önlemler bulunmaktadır. Örneğin büyük güçlü motorların devreye girmesinden dolayı oluşan gerilim düşmeleri, bu motorların ayrı hatlar veya ayrı güç kaynakları ile beslenmesi ve yumuşak yol verici devreleri kullanarak çalıştırılması ile çözülmektedir. İletim veya dağıtım sistemlerinde oluşan hataların neden olduğu gerilim düşmeleri nadir oluşsa da kesintilere göre daha büyük bir sorundur. Bunun çözümü için şebekedeki arızaların azaltılması, hata temizlenme sürelerinin kısaltılması, sistem yapısının (kısa devre gücü) geliştirilmesi gereklidir. Bir diğer çözüm ise gerilim azalması süresince sistemin ihtiyacı olan gerilimi sağlayabilecek harici bir kaynağın kullanılmasıdır. Alçak gerilim ve orta gerilim seviyelerinde oluşan gerilim düşmelerine karşı geliştirilmiş bazı çözüm yöntemleri mevcuttur. Bu sistemlerden bazıları enerji depolama sistemlerini (kapasitörler, aküler) veya redüktör sistemlerini (flywheel) kullanmaktadır. Modern gerilim düzenleyiciler ise enerji depolama sistemlerine daha az ihtiyaç duyan güç elektroniği tabanlı sistemlerdir. Bu tür çözümler, seri gerilim kaynağı prensibiyle bir trafo üzerinden şebekeye bağlanır. Tablo 1 de gerilim düşmelerine karşı geliştirilen çözüm yöntemlerinin özellikleri görülmektedir [2].

2 Tablo 1 - Gerilim düşmelerine karı geliştirilen sistemler ve özellikleri. Cihaz Gerilim Faz Güç Açıklama Bobin KG 1 <100 VA Düşük güç katsayısı ile çalışan röle ve manyetik devrelerde kullanılır. Sistem korumasızdır. Sabit Gerilim Transformatörleri Kondansatörlü UPS ler KG, AG 1 <10 kva Büyük boyutlarda seçilirler. Hacimleri büyüktür ve verimsizdirler. 480 V: 120 V olanları kullanılmaktadır. KG 1 <5 kva Gerilim düşmesinde bir kesintideki gibi çalışır. Düzeltme oranı depolanan enerji ile sınırlıdır. Kare dalga çıkış sinyali verir. Endüstriyel depolama tabanlı UPS ler KG 1 0,1-10 kva Akü ömrü kısadır. Düzenli bakım gerektirir. Endüstriyel depolama tabanlı UPS ler AG, OG MVA Yüksek maliyetli ve düşük verimlidirler. Jeneratörlerin devreye girmesi için 15 s süre ile kullanılırlar. Düzenli bakım gerektirir. Güç elektroniği tabanlı düzenleyiciler KG, AG 1,3 250 VA 3 MVA Maliyeti düşüktür. Ani kesintilerde enerji devamlılığı sağlar. Depolama cihazlarına ihtiyaç duymaz, daha uzun süreli çözüm için gerekebilir. Verimleri yüksek ve kompakt yapıdadır. PC ağırlıklı sistemler için uygundur. Transformatörlü gerilim düzenleyiciler (DGD) AG, OG 1, MVA Gerilim düzeltme kapasitesi maliyetini ve tasarımını etkiler. Kesintilere karşı etkisizdir. OG uygulamalarında sadece enerji girişlerinde kullanılır. Trafo sargıları devamlı akım taşıdığında verimleri düşer. KG: kontrol gerilimi, V, AG: alçak gerilim, V, OG: orta gerilim, V Dinamik Gerilim Düzenleyiciler (DGD), güç sistemlerinde meydana gelen hatalar sonucunda oluşan gerilim düşümü ve yükselmesine karşı işletmeleri korumak için geliştirilmiştir. DGD nin temel kullanım amacı hata sonucunda oluşan düşük veya yüksek gerilimi kompanze ederek devre kesicilerinin açmasına engel olmak, dolayısıyla işletmede enerji kesintilerinin önüne geçmektir [3]. Güç kalitesinden, özellikle de gerilim düşmelerinden dolayı enerji kesintilerinin yaşandığı işletmelerde enerji analizörleri kullanılarak bozuklukların sebepleri hakkında fikir sahibi olunabilir. Analizörden alınan verilerle sistemin yapısı göz önünde tutularak yukarıda açıklanan gerilim düzeltme yöntemlerinden birisi seçilebilir. Bu çalışmada bir transformatör üzerinden şebekeye bağla- nan Dinamik Gerilim Düzenleyici sistemler ele alınmıştır. Örnek iletim ve dağıtım sistemini içeren test sisteminin bir barasında oluşturulan bir faz kısa devresinden elde edilen gerilim bilgileri değerlendirilmiştir. Bu sisteme DGD eklenmesi halinde, hata sonucu oluşan gerilim düşümü sırasında DGD nin sisteme vermesi gereken gerilim değeri her bir faz için hesaplanmıştır. Dinamik analiz için SIMPOW güç sistemleri analiz programı kullanılmıştır. 2. DGD NİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Enerji sistemlerinde bir noktanın geriliminin sabit tutulması amaçlandığında, çoğunlukla kapasitörler, modern sistemlerde ise Statik Güç Kompanzasyonu kullanılmaktadır. Bu sistemler, sistemin eşdeğer empedansını değiştirerek gerilimi sabit tutmaktadır. İletim veya dağıtım sistemlerinde, kısa devre hatalarının neden olduğu gerilim düşmelerinin önüne geçilmesinde ise reaktif güç kontrolü yanında, aktif güç kontrolü de yapabilen ayarlı gerilim kaynaklarına, Dinamik Güç Düzenleyici (DGD) sistemlere ihtiyaç vardır [4].

3 Şekil 1 de DGD sistemlerin temel bileşenleri görülmektedir. Buna göre DGD, bir hata sırasında oluşan gerilim düşümünü önlemek için bir trafo üzerinden iletim hattına seri olarak V G (t) gerilimini verecektir. Her bir fazın gerilimi ayrı ayrı denetlenerek yük uçlarındaki gerilim sabit tutulmaktadır. Dolayısıyla, DGD sistemde oluşan geçici durumlar sırasında eşdeğer bir gerilim kaynağı olarak çalışmaktadır. Şekil 2. (a) bekleme (b) hata durumlarında transformatör bağlantıları Bekleme durumunda transformatör, sekonderi kısa devre edilmiş bir akım trafosu gibi düşünülebilir. Dolayısıyla DGD tarafından şebekeye verilen gerilim sıfırdır. Bu konumda herhangi bir anahtarlama yapılmadığından, sadece dönüştürücü devresindeki yarıiletkenlerde bir kayıp söz konusudur. Bu da, günümüzde kullanılan IGBT teknolojisi sayesinde oldukça düşük değerlerdedir. Şebekedeki gerilim düşme olayları çok sık karşılaşılmadığından, DGD ler genellikle bu konumda çalışırlar. Şekil 1. DGD nin temel yapısı DGD ler, AC sistemler, örneğin kesicilerin açma komutu gelmediği hata durumları için tasarlanır. Pratik uygulamalarda, ekonomik bir DGD tasarımı yapılmak istendiğinde, hata sırasında sadece gerilimin pozitif ve negatif bileşenleri kompanze edilir. Bu tasarım, sıfır bileşenlerin dağıtım sistemlerinin genellikle primer taraflarında üçgen bağlantı tercih edilmesinden dolayıdır. Şekil 1 de, depolanabilir enerji kaynağı ile dönüştürücü devresi arasındaki kapasite, DGD nin gerilim düşmesi ve yükselmesi anlarında güç üretmesi veya tüketmesinde tampon görevi görür [5]. Şebeke geriliminde bir düşme olmağı durumda, DGD nin bara geriliminin izlenmesi haricinde bir işlevi yoktur. Dolayısıyla DGD lerin daha verimli kullanımları için, bekleme durumunda çalışmalarının üzerinde daha ayrıntılı çalışılmaktadır. Bu çalışmalar şebekeye bağlanmak için kullanılan trafonun çeşitli tasarım yöntemleri ile kayıplarının azaltılması ve gelişmiş elektronik devrelerin kullanılması üzerinde yoğunlaşmaktadır. Şekil 2. (a) da, DGD nin şebeke bağlantı transformatörünün bekleme durumunda alçak gerilim sargılarının konvertör üzerinden kısa devre edildiği görülmektedir. Bunu sağlamak için, konvertör devresindeki anahtarlama düzeni anahtarlama yapmamaktadır. DGD lerin güç sistemlerinde alternatifleri ferroresonans trafoları, Servo variyak sistemleri ve UPS lerdir. Fakat ferroresonans trafoları, Servo variyak sistemleri verimleri düşük olduğundan tercih edilmeyen sistemlerdir. UPS ler ise; büyük güçlü uygulamalarda, yüksek maliyetleri, büyük hacimleri ve düşük elektriksel verimleri nedeniyle kullanışlı değillerdir. DGD lerde kullanılan elemanlar, kompanze edilecek sisteme göre boyutlandırılırlar. Dolayısıyla, 1 MVA gücündeki bir DGD nin maliyeti, aynı güçteki eşdeğer bir UPS in maliyetinin %20 si kadar olmaktadır. Fakat bunun yanında UPS sistemleri uzun süreli enerji gereksinimlerinde, sahip olduğu enerji depolama cihazları nedeniyle daha kullanışlıdırlar. DGD lerin kapasiteleri, hata sırasındaki gerilim düzeltme oranları ve KVA cinsinden güçleri ile boyutlandırılırlar. DGD nin gücü, yükün gücünü ve bir miktarda aşırı yüklenmeyi karşılayacak şekilde seçilir. Gerilimin düzeltme oranı ise, yükün hatalara karşı hassasiyetine ve bu sırada oluşan gerilim düşmelerinin genliğine bağlıdır. Örneğin bir sistemde çoğunlukla %30 oranında bir gerilim düşümü oluşuyorsa ve sistemin toleransı %10 oranında ise, %20 veya üstünde düzeltme kapasiteli bir DGD bu sistem için uygun olacaktır. DGD pratik uygulamalarında genellikle %15, %20 ve %30 oranlarında gerilim düzeltme kapasiteli olarak kullanılırlar.

4 3. SIMPOW İLE YAPILAN DİNAMİK ANALİZ Güç sistemlerindeki hata durumlarında DGD lerden beklenen davranışı göstermek için iletim ve dağıtım sisteminin bulunduğu Şekil 3 deki test sistemi ele alınmıştır. Bu test sisteminde 220kV luk havai hat ile SAID1 sonsuz güçlü barası ve G31 senkron genaratöründen beslenen ADA barasından, 6 asenkron makina ve 3 şönt empedansa enerji iletilmektedir. Şekil 4.1 faz-toprak kısa devresi sonucu B00 bara gerilimlerinin değişimi Şekil 3. Test sistemi. Şekil 5. Bara gerilimlerinin efektif değerlerinin değişimi DGD lerin hata durumunda davranışının belirlenmesi için ADA barasında yapılan bir faz-toprak kısa devresinde, B00 barası geriliminin SIMPOW programında elde edilen değişimi Şekil 4 de görülmektedir. Hata 0,1 saniyesinde oluşturulmuş, 0,2 saniyesinde kaldırılmıştır. Fakat şekil incelendiğinde hatanın kaldırılmasına rağmen gerilimin hemen eski konumuna dönmediği görülmektedir. Bunun sebebi sistemde bulunan 6 adet büyük güçlü asenkron motordur. Şekil 5 de ise, SIMPOW programından elde edilen gerilim değerlerine göre hesaplanan efektif değerlerin değişimi çizilmiştir. Burada, bir periyottaki örnekleme sayısı 256 olarak belirlenmiş ve tüm simülasyon süresince birer örnekleme aralığı kadar kayılarak efektif değerler elde edilmiştir. Şekil 5 de elde edilen efektif gerilimlere göre DGD nin, gerilimleri hata öncesi gerilim seviyesinde tutmak için üretmesi gereken gerilim değerleri Şekil 6 daki gibi hesaplanmıştır. Bir faz-toprak kısa devresi uygulandığından, A fazının geriliminin yükseltilmesi, B ve C fazlarına ait gerilimlerinin ise azaltılması gerektiği görülmektedir. Şekil 6. DGD nin B00 barasına enjekte etmesi gereken gerilimler 4. SONUÇ Bu çalışmada güç sistemlerinde en sık karşılaşılan güç kalitesi problemi olan gerilim düşmelerine karşı geliştirilmiş yöntemler kıyaslanmıştır. Bu yöntemlerden Dinamik Gerilim Düzenleyici ayrıntılı olarak incelenmiştir. SIMPOW güç sistemleri analiz ve simülasyon programı kullanılarak, çok baralı bir dağıtım sisteminde bir faz-toprak arızası ele alınmıştır. Sistemdeki hassas yüklerin etkilenmemesi için bağlanacak DGD nin davranışı belirlenmiştir. Buna göre bir faztoprak arızasında DGD, kısa devrenin olduğu fazda şebeke gerilimi ile aynı, diğer fazlarda ise şebeke gerilimi ile ters fazda gerilim vermesi gerekmektedir.

5 5. KAYNAKLAR [1] M.H.J. Bollen, Understanding Power Quality Poblems, Voltage Sags and Interruptions, IEEE Basımı, 2000, New York. [2] T. L. Grant, D.M. Divan, Power Quality Solutions to Mitigate The Impact of Voltage Sags in Manifacturing Facilities,World Energy engineering Congress, WEEC [3] A. Campbell and R. McHattie, Backfilling the Sinewave A Dynamic Voltage Restorer Case Study, IEE Power Engineering Journal, Vol. 13, No. 3, June 1999 pp [4] T. Davis, G.E. Beam, and C.J. Melhorn, Voltage Sags: Their Impact on the Utility and Industrial Customers, Proceedings of the Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, pp , New Orleans-Louisiana, USA, May [5] P. Daehler, R. Affolter, Requirements and Solutions for Dynamic Voltage Restorer, A Case Study, Proc. IEEE Trans. Power Engineering Soc. Winter Meeting 4, (2000),