Birleşik Güç Kalite Düzenleyicisi (UPQC) Denetim Algoritmasının Geliştirilmesi ve PSIM Ortamında Simülasyonu

Transkript

1 Brleşk Güç Kalte Düzenleycs (UPQC) Denetm Algortmasının Gelştrlmes e PSIM Ortamına Smülasyonu Metn Kesler, Engn Özemr, Kocael Ünerstes Teknk Eğtm Fakültes Elektrk Eğtm Bölümü metnkesler@kocael.eu.tr, eozemr@kocael.eu.tr Özet Bu çalışmaa, Brleşk Güç Kalte Düzenleycs (UPQC- Unfe Power Qualty Contoner) kullanarak engesz e oğrusal olmayan yüklern ürettğ güç kaltes roblemler gerlmekter. Brleşk güç kalte üzenleycs aralel e ser aktf güç fltre sstemlernn brlkte kullanılması le oluşmaktaır. Paralel aktf güç fltres le akım harmonkler, engeszlkler e nötr akımı komansazyonu yaılmakta, ser aktf güç fltres le kaynak gerlm harmonkler, engeszlkler e gerlm çökme-yükselme gb güç kaltes roblemler üzeltlmekter. Denetm algortmasına ölçüm sayısına azaltma yaılarak aha etkn e erml çalışması çn trafo gerlmler, yük akımları e fltre akımlarınan ölçüm alınmaan UPQC nn enetm yaılmaktaır. PSIM yazılımı ortamına enetm algortmasının smülasyonu yaılarak sstemn erformansı ncelenmekter. Abstract Unfe Power Qualty Contoner (UPQC) for harmonc elmnaton an smultaneous comensaton of oltage an current, whch mroes the ower qualty offere for other harmonc senste loas. UPQC consst of combne seres acte ower flters that comensate oltage harmoncs of the ower suly, an shunt acte ower flters that comensate harmonc currents of a non-lnear loa. Control algorthm of the UPQC s otmze an smlfe wthout transformer oltage, loa an flter current measurement, so that system erformance s mroe. The control technque an system erformance has been teste usng PSIM software.. Grş Moern güç elektronğ sstemlernn gerek gelşmes e hızla artan uygulama alanları neenyle (blgsayar, ofs ekmanları, oğrultucular, ercler, ayarlı hız enetm chazları, kesntsz güç kaynakları, anahtarlamalı güç kaynakları e ark fırınları) şebekelere e letm hatlarına reaktf güç çeklmesne, harmonk üretlmesne e enerj kaltesnn üşmesne sebe olmaktaır. Bu sstemler tarafınan oluşturulan reaktf güç e harmonkler; elektromanyetk chazlara ısınmaya, mekank chazlara ttreşm e gürültülü çalışmaya, şebekee güç faktörünün azalmasına, aşırı nötr akımlarına e nötr letken roblemlerne, ateşleme erelernn anormal çalışmasına, hassas elektronk kartların arızalanmasına, elektronk ölçüm chazlarının oğru çalışmamasına, güç konansatörlerne aşırı ısınma le ömrünün azalmasına e kayılara, letm hatlarına, kablolara ısınma e enerj kayılarına yol açmaktaır. Enerj Pyasası Düzenleme Kurulu (EPDK), 569 sayı e..4 tarhl Elektrk İletm Arz Güenlğ e Kaltes Yönetmelğ ne güç faktörünü aşamalı olarak yükseltmştr. Türkye elektrk ağıtım sstem ne reaktf enerj akışları le lgl hususlar, EPDK'nın 5.9. tarhl e 4887 sayılı Resm Gazete e yayınlanmıştır. Elektrk Pyasası Müşter Hzmetler Yönetmelğ ne yaılan 9..7 tarhl e 698 sayılı e.6.7 tarhl e 6558 sayılı resm gazetee yayınlanan Elektrk Pyasası Müşter Hzmetler Yönetmelğne Değşklk Yaılmasına Dar Yönetmelk le yenen üzenlenmştr[]. Tablo e yukarıak yönetmelğe göre reaktf enerj sınırlarının enüktf bölgee,98, kaastf bölgee se,988 eğerlerne yükselmes neenyle Türkye Elektrk Dağıtım Sstem nen beslenen kurulu gücü 5 kva e üstüne olan tüm enüstryel tess eya yüklern nereeyse, ortalama güç faktörüne çalıştırılmaları zorunluluk halne gelmekter. Tablo. Aktf e reaktf enerj tüketm oranları. Yönetmelkte Belrtlen Sınır Değerler Dağıtım sstemne kurulu gücü 5 kva nın altına olanlar Dağıtım sstemne kurulu gücü 5 kva e üstüne olanlar 7 en tbaren 8 en tbaren 7 en tbaren 8 en tbaren Enerj Tüketm /Ay Aktf Reaktf (%) (%) Enüktf Kaastf 5 Bu yen reaktf enerj sınırları, Türkye ağıtım sstem ne gerek aha çok aralel konansatör bankasının tess elmes sorununu oğurmaktaır. Bu neenle, tesslere komanzasyon gücünün artmasıyla beraber aralel rezonans olayı oluşması tehlkesne e yol

2 açmaktaır. Ayrıca aşırı komanzasyon neenyle tesstek harmonkler yükseltlmekter. Yüksek harmonk oranlarının tesslere meyana getreceğ sorunlar a otomatk olarak artmaya başlamaktaır. Bu sorunların başına a tessn uruşuna neen olablecek elektronk kart arızaları gelmekter. Dolayısıyla, önümüzek br kaç sene çersne reaktf güç komanzasyonu e harmonklerle lgl ülkemz kaynaklarının kullanılığı yoğun araştırma gelştrme çalışmalarının yaılması gerektğ açıktır.. Brleşk Güç Kalte Düzenleycs Aktf güç fltreler, akım e gerlm harmonklern komanze etmek çn kullanılmaktaır. Bunun yanı sıra reaktf güç komanzasyonu, akım e gerlm engeszlkler, nötr akımı komanzasyonu le şebeke gerlm regülasyonu çn kullanılmaktaır. Aktf güç fltreler oğrusal olmayan yükün ürettğ akım harmonklern azaltmakta, reaktf güç çekeblmekte eya üreteblmekter. Aktf güç fltresnn çalışma lkes, yükün ürettğ harmonkle aynı genlkte fakat ters faza br akımın ssteme lae elmes temelne ayanmaktaır[]. Aktf güç fltrelernn en gelşmş e en yen uygulaması olan brleşk güç kaltes üzenleycs (UPQC) sstem aralel e ser aktf güç fltresnn brlkte kullanılması le oluşmaktaır... Paralel Aktf Güç Fltres Paralel aktf güç fltres (PAGF), oğrusal olmayan yüklern kaynaktan çektğ harmonkler yok etmekte, reaktf güç komanzasyonu e DA hat gerlm regülasyonu gerçekleştrmekter. PAGF, Şekl e görülüğü gb DA tarafına br konansatör bağlanmış üç fazlı br gerlm kaynaklı erc eresnen meyana gelmekter. S abc S a C a L a S abc R S L S = + C abc R C L abc L C R L L L L abc Z yük Doğrusal Olmayan Yük Paralel Aktf Güç Fltres Şekl : Paralel aktf güç fltres. PAGF nn temel göre, yük akımı harmonklernn fltrelenmes e engelenmes, reaktf güç komanzasyonu e nötr akım yok elmes amacıyla yüke aralel bağlanarak ssteme aynı genlkte fakat ters faza br komanzasyon akımı lae etmektr. Böylece kaynak akımı snüzoal olmakta e komanzasyon yaılarak kaynak gerlmyle aynı faza getrlmekter. C DC.. Ser Aktf Güç Fltres Ser aktf güç fltres (SAGF) le şebeke gerlm harmonk komansazyonu, gerlm yükselme-çöküşler üzeltlmekte e gerlm engeszlkler gerlmekter[]. Şekl e görülüğü gb ser aktf güç fltres, yükten önce br transformatör yarımıyla ssteme ser olarak bağlanığı çn, kaynak le yük arasına ser gerlm kaynağı olarak çalışmaktaır. Ser aktf güç fltres, kaynak gerlm harmonklern azaltmak e gerlm regülasyonu yamak amacıyla ssteme eşt büyüklükte e ters faza harmonk gerlmler ermekter. Böylece kaynak gerlmnek yükselme-çöküşler, gerlm keslmeler, kaynak gerlmnek engeszlkler e gerlm harmonkler üzeltleblmekter. bc Ta La bc RS LS Tabc + = Tabc RT Labc RL LT LL Labc Ser Aktf Güç Fltres Şekl : Ser aktf güç fltres. Doğrusal Olmayan Yük.. Brleşk Güç Kalte üzenleycs Brleşk güç kalte üzenleycs lk olarak Brleşk Güç Akış Denetleycs (BGAD) aıyla Gyugy tarafınan 99 e ortaya atılmıştır. Ser e aralel aktf fltrenn brleşm olan UPQC se 995 e Akag e 998 e Fujta e Arees tarafınan önerlmştr [,5,6] Bununla brlkte UPQC sstem yaı olarak benzer olmakla brlkte amaç şletm e enetm açısınan BGAD en olukça farklıır. Brleşk güç kalte üzenleycs, ser aktf güç fltres le aralel aktf güç fltrelersnn brlkte kullanılması le oluşturulmuş fltre sstemr. Aktf güç fltrelernn en gelşmş e en yen uygulaması olan brleşk güç kaltes üzenleycsnn temel şle; IEC 6-4- Electromagnetc comatblty (EMC) stanarına tanımlanan güç kaltes bleşenlernn frekans, kaynak gerlm büyüklüğü, flker, kaynak gerlmnek çukur e teeler, gerlm keslmeler, geçc rejm gerlm bleşenler, kaynak gerlmnek engeszlkler, gerlm harmonkler, gerlm ara harmonkler, kaynak gerlmnek ana snyal gerlm, hızlı gerlm eğşklkler, ölçümek alt e üst eğşm arametrelernn üzeltlmesr[4]. Şekl e brleşk güç kalte üzenleycs genel blok yagramı erlmekter. Şeklen anlaşılacağı gb UPQC ortak br DA hattını kullanarak şebekeye ser olarak bağlanmış gerlm kaynağı olarak çalışan ser aktf güç fltres e yüke aralel bağlanmış akım kaynağı olarak çalışan aralel aktf güç fltre sstemlernn brlkte kullanılması le oluşmaktaır. CDC

3 S a T a L a S a C a L a S abc + = = + R S T abc S abc L S R T L T SAGF T abc C DC PAGF L abc R L R C L C L abc C abc L L Doğrusal Olmayan Yük Z yük Şekl :Brleşk güç kalte üzenleycs genel blok şeması.. UPQC Denetm Algortması Şekl 4 e brleşk güç kaltes üzenleycs PSIM smülasyon yazılımı ortamına hazırlanmış enetm algortması genel blok yagramı erlmekter. Denetm sstem ser aktf güç fltres e aralel aktf güç fltres olmak üzere k ayrı enetm algortmaan oluşmaktaır. La Lb Lc PLL. (snwt coswt) -q Dönüşümü -q Dönüşümü (eş.) LPF q Referans Gerlm Hesabı -q Ters Dönüşüm (eş.) S Hysteress Ban Denetm Şekl 5: Ser aktf güç fltres enetm blok şeması. () = + sn(wt) sn(wt - ) sn(wt ) q cos(wt) cos(wt - ) cos(wt + ) Dönüşüm le ele elen gb DA (oğru akım) e GAH eğer () eştlğne görülüğü GAL GBH GBL GCH GCL ~ AA (alternatf akım) olmak üzere k bleşenen oluşmaktaır. eğer LPF (üşük geçren fltre) en geçrlerek bleşen ele elmekter. ~ + = () bc referans gerlm eğerlernn hesalanması eğernn DA bleşen kullanarak () eştlğne erlğ şekle yaılmaktaır. Hesalanan bc referans gerlm eğerler le yük gerlm Labc eğerler hsterezs ban yöntem kullanılarak anahtarlama snyaller üretlmekter. Şekl 4:Brleşk güç kalte üzenleycs enetm blok yagramı. S sn(wt) = sn(wt - ) sn(wt + ) cos(wt) cos(wt + ) cos(wt + ) q ().. Ser aktf güç fltre enetm algortması Ser aktf güç fltre enetm algortması blok şeması Şekl 5 e görülmekter. Şebeke bc gerlmler kullanarak () eştlğne görülüğü gb a-b-c koornatlarınak üç fazlı gerlmlern -q- senkron referans önüşümü yaılmaktaır. Ayrıca şebeke bc gerllernen ölçüm alınarak senkron referans önüşümlerne kullanılmak üzere PLL (Phase- Locke Loo) önüşümü ele elmekter... Paralel aktf güç fltres enetm algortması Şekl 6 a aralel aktf güç fltres enetm algortması blok yagramı görülmekter. Paralel aktf güç fltres gerçek zamanlı enetm çn anlık güç teors (-q teors) tabanlı enetm algortması kullanılmaktaır. P-q teors, (4) e (5) eştlğne görülüğü gb a-b-c koornatlarınak üç fazlı akım e gerlmlern, -- koornatlarına cebrk önüşümünen e sonrasına anlık güç bleşenlernn hesalanmasınan oluşmaktaır [5].

4 -q Dönüşümü - o Dönüşüm (eş. 4) - o Dön. (eş. 5) Anlık Güç Hesabı (eş. 6) * V DC - V DC + Σ VDC + LPF q PI - Ref. Hesabı (eş. 8) DC kay Referans Hesabı S S - Ters Dönüşüm (eş. 9) Hysteress Ban Denetm Şekl 6: Paralel aktf güç fltres enetm blok şeması. / / / = - / - / (4) / - / / / / = - / - / (5) / - / Yükün anlık gerçek e sanal güç bleşenler, yük akımlarının e faz-nötr gerlmlernn - koornatlarınak karşılıklarıyla (6) eştlğnek gb hesalanmaktaır. q = Anlık gerçek e sanal güçler AA e DA bleşenler çermekter e (7) eştlğne k gb fae elmekter. e q nun DA bleşenler ( e q ), yük akımının oztf sıralı bleşennen oluşmaktaır. e q nun AA bleşenler ( ~ e ~ q ), yük akımının harmonk e negatf sıralı bleşenlernen oluşmaktaır [7]. Aynı zamana nötr akımı azaltılması çn (7) eştlğne hesalanan hem harmonk hem e reaktf güç komanzasyonu yamak çn sanal gücün DA e AA bleşenler le gerçek gücün AA bleşen kullanılarak (8) eştlğnek gb referans akımlar hesalanmaktaır. (6) = ; = + ~ (7) - S - ~ + + = + S -q kay s * e s *, - koornatlarına yükün harmonk e reaktf akımlarına karşılık gelen e aralel aktf güç fltres enetm algortmasının üretmes gereken akımlarır. Bu akımlar üç fazlı ssteme (9) eştlğ kullanılarak çerlmekter. (8) GAH GAL GBH GBL GCH GCL = - / - / - / / S S Böylece, -fazlı güç sstemne yükün ürettğ nötr akımını, harmonk e reaktf akımları yok eecek * sa * sb e * sb referans akımları ele elmekter. Anahtarlama snyallernn üretm aralel aralel aktf güç fltres enetm algortması tarafınan üretlen referans akımlar le hat akımları karşılaştırılmakta e hsterezs bant akım enetleyc le anahtarlama snyaller ele elmekter [6]. 4. Smülasyon Sonuçları Bu çalışmaa, UPQC enetm algortmasının gelştrlmes e smülasyon çalışmaları yaılmaktaır. Tablo e smülasyonu yaılan UPQC sstem arametreler erlmekter. Smülasyon, aralel aktf güç ftres ereye grmeen önces e sonrası olmak üzere k aşamalı gerçekleştrlmekter. Paralel aktf güç fltres eree ken yük eğşm yaılarak sstemn namk ceabı test elmekter. Smülasyonlara gelştrlen Brleşk Güç Kaltes Düzenleycs enetm algortması le kabul eleblr seyee sonuç ele elmştr. Tablo. UPQC Smülasyon sstem arametreler. Sstem Parametreler Şebeke gerlm bc 8V faz-faz. Sstem frekansı f S 5Hz DC bara gerlm V DA 75V SAGF Parametreler Ser transformatör Oran / AC fltre R f C f 5Ω, μf AC enüktans L C.5mH Anahtarlama frekansı f S khz PAGF Parametreler AC enüktans L LA mh DC renç R LD Ω, DC enüktans L LD mh DC konansatör C DC μf Tolam Harmonk Bozulma % (THD) Fltre Önces Fltre Deree bc 6 6 Labc 6. bc..4 Labc.. Şekl 7 e brleşk güç kaltes üzenleycsnn enetm algortması PSIM smülasyon yazılımı ortamına yük akımları Labc, şebeke akımları bc, şebeke gerlmler bc e yük gerlmler Labc eğerler le ele elen smülasyon sonuçlar görülmekter. Şekl 8 e Brleşk güç kaltes üzenleycsnn Labc, bc, bc, Labc yükün nötr akımı N L e şebeke nötr akımı N S eğerler le ele elen sonuçlar görülmekter. Şekl 9 a se tek fazlı olarak La,,, La N L e N S eğerlernn smülasyon sonuçları görülmekter. (9)

5 Şeklleren e görülüğü gb UPQC le harmonkl kaynak akımları kaynak tarafına snüsoal olarak letlmekte, nötr akımı yok elmekte e reaktf güç komanzasyonu başarılı bçme gerçekleştrlmekter. Fltre önces Fltre eree Şekl 7: UPQC fltre önces, sonrası e yük eğşm, akım e gerlm smülasyon sonuçları Şekl 8: UPQC yük akımı,şebeke e yük gerlm e nötr akım smülasyon sonuçları Şekl 9: tek faz gösterm UPQC yük akımı,şebeke e yük gerlm e nötr akım smülasyon sonuçları 5. Sonuçlar Yük eğşm La Lb Lc La Lb Lc La Lb Lc La Lb Lc NS NL Bu çalışmaa, oğrusal olmayan yüklern neen oluğu harmonkler, gerlm engeszlkler, nötr akımı e reaktf güç komansazyonu gb güç kaltes roblemlernn gerlmes çn kullanılan Brleşk Güç kaltes Düzenleycs çn önerlen enetm algortmasının gelştrlmes e smülasyon sonuçları erlmekter. La La NS NL Lteratüre brçok çalışmaa UPQC enetm algortması çn yük akımları, fltre akımları, şebeke akım e gerlmler, trafo gerlmler e DC bara gerlm ölçülerek yaılmaktaır. Gelştrlen enetm yöntemne ölçüm sayısı azaltılmakta e saece DC bara gerlm, kaynak akımları, kayak gerlmler e yük gerlmler ölçülerek sstemn enetm sağlanmaktaır. Bu çalışmaa PSIM yazılım ortamına gelştrlen enetm yöntemnn başarılı smülasyon sonuçları erlmekter. Deneysel üzeneğn kurulma çalışmaları eam ettğnen eneysel çalışma sonuçları lerk yayınlara yer erlmes lanlanmaktaır. 6. Teşekkür Bu çalışma, TÜBİTAK 8E8 nolu roje e Kocael Ünerstes Blmsel Araştırma Projeler Brm hızlı estek rojes kasamına esteklenmekter. 7. lar [] Arees M., Heumann K., Watanabe E.H., An unersal acte ower lne contoner, IEEE Trans. Power Del., 998,, (), [] Elektrk Pyasası Müşter Hzmetler Yönetmelğne Değşklk Yaılmasına Dar Yönetmelk, EPDK,.6.7 tarhl e 6558 sayılı Resm Gazete. [] Peng, F. Z., OTT, G. W., Aams, D. J., Harmonc an Reacte Power Comensaton on the Generalze Instantaneous Reacte Power Theory for Three-Phase Four-Wre Systems. IEEE Trans. on Power Elec., Vol., No. 6,. 74-8, (998). [4] Güç kaltes mll rojes. htt:// (Zyaret Tarh: 5 Mayıs 8). [5] Akag, H. an Fujta, H., A new ower lne contonal for harmonc comensaton n ower systems, IEEE Trans. Power Del., ol., no., , Jul [6] Fujta, H. an Akag, H., The unfe ower qualty contoner: The ntegraton of seres an shunt-acte flters, IEEE Trans. Power Electron., ol., no.,. 5, Mar [7] Kesler M., Uçar M., Özemr E., Paralel Aktf Güç Fltres İçn DSP Tabanlı Denetm Algortmasının Otomatk Gömülü Ko Üretm İle Hızlı Protlenrlmes, Elektrk, Elektronk, Blgsayar Mühenslğ Semozyumu, ELECO 6, Bursa, 8-85, (6) [8] Duˇsan Graoac, Vlamr A. Katc, an Alfre Rufer, Power Qualty Problems Comensaton Wth Unersal Power Qualty Contonng System, IEEE Transacton on Power Delery, VOL., NO., (7). [9] B. Han, Senor Member, IEEE, B. Bae, H. Km, an S. Baek, Combne Oeraton of Unfe Power- Qualty Contoner Wth Dstrbute Generaton,, IEEE Transacton on Power Delery, VOL., No.,(6). [] Kesler M., Paralel Aktf Güç Fltres Tasarımı e Vssm Yazılımı le DSP Üzernen Denetm Kocael Ünerstes, Fen Blmler Ensttüsü, Yüksek Lsans Tez, (Temmuz 5).