Güç Sisteminde SVC ve STATCOM Denetleyici Etkilerinin İncelenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Güç Sisteminde SVC ve STATCOM Denetleyici Etkilerinin İncelenmesi S. Tosun 1, A. Öztürk 2, M.A. Yalcın 3, K. Döşoğlu 4, U. Güvenç 5 1 Düzce Üniversitesi, Türkiye, salihtosun@duzce.edu.tr 2 Düzce Üniversitesi, Türkiye, aliozturk@duzce.edu.tr, 3 Sakarya Üniversitesi, Türkiye, yalcin@sakarya.edu.tr, 4 Düzce Üniversitesi, Türkiye, kenandosoglu@duzce.edu.tr 5 Düzce Üniversitesi, Türkiye, ugurguvenc@duzce.edu.tr Investigation of SVC and STATCOM Controller Effects in the Power System Abstract Because of increased demands and loads of different quality, electric power systems are growing so stability and control of power systems are difficult. In these systems, the transmission line capacity is increased by reactive power compensation and control can be performed. In recent years, reactive power compensation elements FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) devices are used. FACTS devices include power electronic components. They have a faster response than conventional compensators. In this study, SVC (Static VAR Compensator) and STATCOM (Static Synchronous Compensator) that are known as the FACTS devices are used. These devices are connected to the transmission line as shunt. As a result of the this simulation study, the effects of FACTS devices on the voltage stability, active - reactive power and transmission line losses were investigated. Keywords Power System, Voltage Stability, FACTS, SVC, STATCOM I. GİRİŞ Günümüzde, endüstriyel büyüme ve toplumsal gelişmelerden dolayı güç talepleri hızla artmaktadır. Bununla birlikte, yeni enerji üretim merkezlerinin ve iletim şebekelerinin kurulması çevresel etkenler ve ekonomik nedenlerden dolayı daha da zorlaşmaktadır [1]. Enerji iletim sistemlerinin kontrolünde en önemli sorunlardan bir tanesi de reaktif güç kompanzasyonudur. Reaktif güç, iletim sistemlerinde kayıpların artmasına, iletim hattından taşınan güç kapasitesinin azaltılmasına ve hat sonundaki gerilimin genliğinde değişmelere neden olmaktadır. Bundan dolayı iletilebilir güçü artırmak, kayıpları azaltmak ve gerilimin genliğinin kararlılığını sağlamak için reaktif güç kompanzasyonu yapmak gerekir [2]. Reaktif güç kompanzasyonu hem iletim kapasitesi hem de gerilim kararlılığını iyileştirmede çoğu zaman en etkili yöntem olarak kullanılmaktadır [3]. Bu amaçla güç sistemlerinde reaktif güç kompanzasyon ve çalışmaları ve uygulamaları yaygın bir şekilde yapılmaktadır. Büyük güçlü ve hızlı devreye girip çıkan yüklerin güç faktörü geleneksel elektromekanik kompanzasyon düzenekleri ile düzeltilmesi zordur. Bunun nedeni geleneksel kopmanzasyon sistemleri, yükün ani şekilde ihtiyaç duyduğu reaktif güç talebine hemen cevap verememesi ve tepki süresinin uzun olmasıdır. Bu durumda ihtiyaç duyulan kapasitif reaktif gücün kompanzasyon sisteminden karşılanamaması durumu ortaya çıkmaktadır [4]. Buna bağlı olarak enerji iletim ve dağıtım sistemleri için hızlı kompanzasyon ihtiyacı giderek önem kazanmaktadır. Günümüzde güç elektroniği elemanları, anahtarlama hızlarının yüksek olması nedeniyle kompanzasyon uygulamalarında tercih edilmektedirler. Güç sistemlerinde kompanzasyonunun yarı iletken anahtarlar ile yapılması durumunda, gerilim çökmelerinin önlenebileceği ve geçici ve dinamik kararlığı iyileştirebileceği görülmüştür [5]. Temel yapıları güç elektroniğinin elemanlarından oluşan reaktif güç kompanzasyon elemanları olan FACTS cihazları teorik olarak enerji nakil hattının herhangi bir noktasına bağlanabilmekte olup denetleme işlevini hızlı bir şekilde yerine getirmektedir. Bu çalışmada, altı baralı bir güç sisteminde FACTS cihazlarından olan ve hatta paralel olarak bağlanan SVC ve STATCOM reaktif güç kaynakları kullanılmıştır. Güç sistemin statik hal performansları olan; gerilim kararlılığı, sistemin güç taşıma kapasitesi, sistemdeki kayıpların analizi için Power System Analysis Toolbox (PSAT) [6] programı kullanılarak sonuçlar elde edilmiştir. II. FACTS CİHAZARI Modern kompanzasyon yöntemlerini oluşturan FACTS aygıtlarının, çok kısa sürede tepki vermesi, her fazın ayrı ayrı denetlenebilirliği, dengesiz yükleri kompanze edebilmesi dikkate alındığında bu cihazlarının kullanımı önem kazanmaktadır [7, 8]. FACTS kontrolü bakımından güç elektroniği tabanlı olduğundan geleneksel kontrolörlere göre 287

2 S. Tosun, A. Öztürk, M.A. Yalcın, K. Döşoğlu, U. Güvenç daha hızlı tepki verirler. Bu cihazlar uygun olarak kullanıldıkları zaman iletim hatlarının kararlılık sınırlarını artırır. FACTS ların iki temel amaçları vardır. Bunlardan birincisi iletim sistemlerinin güç taşıma kapasitelerinin arttırılması, ikincisi ise iletim hatları üzerindeki güç akışını kontrol etmektir [9]. Günümüzde FACTS adı altında bir çok güç akış denetleyicisi geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanları; Statik Var Kompanzatör (SVC), Tristör Kontrollü Seri Kapasitör (TCSC), Statik Kompanzatör (STATCOM), Birleşik Güç Akış Kontrolörü (UPFC), Faz Kaydırıcısı ve Statik Senkron Seri Kapasitör (SSSC) olarak gösterilebilir. A. SVC SVC nin ana görevi, bağlı olduğu baraya kontrol verilerine bağlı olarak kapasitif veya endüktif akım enjekte etmektir [10]. Statik VAr kompanzatör güç sisteminde çekilen reaktif gücün kontrolü ile bağlı olduğu sistem geriliminin belirlenen sınırlarda kontrolüne imkan sağlamaktadır. Çok bilinen şekilleri, sabit kapasiteli tristör kontrollü reaktör(tcr) ve tristör kontrollu kapasite (TSC) dir. Şekil 1 de SVC nin basit yapısı, gerilim kontrolu için gösterilmiştir. Yarı iletkenlerin kullanılmasıyla gerçekleştirilen SVC elemanının çalışma prensibi; kondansatör ve/veya reaktörlerin, hesaplanan tetikleme açılarına bağlı olarak şebekeye sokup çıkarılarak, değişken değerli şönt empedans elde etmeye dayanır. Uygun tetikleme ile statik VAr generatörünün bağlı olduğu barada maksimum kapasitif reaktif güç değerinden, maksimum endüktif reaktif güç değerine kadar geniş bir aralıkta reaktif güç ayarı yapılabilir [11]. Cihazın kapasitif veya endüktif çalışma durumunu endüktans belirler. Endüktansın değeri ise aşağıdaki denklem (1) ile belirlenir [12]. V (1) 2( ) sin 2 Burada tristör kontrolsuz temel indüktif reaktans ve α ise tetikleme açısıdır. Kontrolorün toplam empedansı aşağıdaki denklem (2) eşitliği ile bulunur. e C / rx 1 sin 2 2 (2 ) r Burada, rx C / tetikleme açılarının sınırları ile kontrolörlerin limit değerlerini verir, c ise kapasitif reaktanstır. SVC nin çıkış gücü ise aşağıda belirtilen denklem (3) ile belirlenir. Q c 2 2 V V (3) v Burada, V hattın gerilimidir. c x (2) Vref + - V Kontrolör Vi I C a:1 Şekil 1: SVC nin temel yapısı ile gerilim kontrolü SVC nin sürekli çalışma altıdaki gerilim kontrol karakteristiği de Şekil 2 de gösterilmiştir [13]. Burada V ref sistemin normal yüklenme durumundaki gerilim değerini göstermektedir. B max tüm kapasitelerin devreye alınmasını, B min ise tüm kapasitelerin devreden çıkartıldığını göstermektedir. Bunlara bağlı olarak sisteme verilen akımın endüktif veya kapasitif olması sağlanır. Bu sistemde SVC ayarlanabilir bir reaktif güç kaynağı gibi davranarak bağlı olduğu güç sistemini kontrol eder. Şekil 2: SVC nin sürekli çalışmada V-I karakteristiği B. STATCOM Gelişmiş Statik Var Kompansatör olarak bilinen STATCOM, bir DC depolama elemanı ile üç fazlı sistem arasına invertör bağlanarak yapılan FACTS kontrolörüdür. İletim hattına paralel bağlanarak iletim hattından kontrollü reaktif güç çekip, hattın gerilim düzenlemesini yapmaktadır. Bu işlem STATCOM un esas görevidir [14]. Şekil 3 de görüldüğü bir STATCOM, bir bağlantı transformatörü, gerilim kaynaklı inverter ve DC enerji depolama elemanından oluşmaktadır. Enerji depolama elemanı oldukça küçük bir kondansatör ise STATCOM hat ile sadece reaktif güç alış verişi yapabilir. Eğer DC kondansatör yerine bir akümülatör veya diğer bir DC gerilim kaynağı kullanılırsa, iletim sistemi ile aktif ve reaktif güç alışverişi yapabilir. STATCOM un çıkış geriliminin genliği ve faz açısı değiştirilebilir. Bir inverterin AC çıkış geriliminin temel bileşeninin genliği V0 m a V dc şeklinde kontrol edilir. Burada ma modülasyon indeksidir [15-17]. 288

3 Güç Sisteminde SVC ve STATCOM Denetleyici Etkilerinin İncelenmesi VacV0 sin P (6) III. SİMÜASYON ÇAIŞMAARI Şekil 3: STATCOM devre şeması Şekil 4 de STATCOM un sürekli halde çalışma halinde V-I grafiği verilmiştir. Grafikte güç sistemine, belli aralıkta hem endüktif ve hem de kapasitif akım sağlanabildiği görülmektedir. Bu çalışma PSAT programı ile 6 baralı sistemde kullanılarak ve sistemin yük baralarındaki λ-v eğrileri baz alınarak yapılmıştır. Burada λ yüklenme parametresi adı verilen yük artış oranını temsil etmektedir. Sisteme ve FACTS denetleyicilerine ait kullanılan parametreler PSAT programı içerisinde mevcuttur. Şekil 5 te 6 baralı sistemin genel yapısı gözükmektedir. Öncelikle 6 baralı güç sisteminin sürekli güç akışı analizi yapılarak SVC ve STATCOM olmaksızın maksimum yüklenme parametrelerinin bulunması yoluna gidilmiştir. Daha sonra da sistemin gerilim kararlılığı bakımından en zayıf baralarına SVC ve STATCOM bağlanarak V değişim eğrileri elde edilmiştir. SVC ve STATCOM un güç sisteminin statik kararlılığına etkisini anlamak için öncelikle 6 baralı sistemin sade hali (temel durum) ile V eğrileri çizilmiş ve böylece statik yüklenme sınırları (max ) bulunmuştur. Burada yüklenme parametrelerinden, aktif ve reaktif güçler elde edilebilir. Bunlara ilişkin denklemler aşağıda verilmiştir. P P ( 1 ) (7) O Q Q ( 1 ) (8) O Şekil 4: STATCOM un sürekli durumda V I karakteristiği. İnverterden hatta doğru akan, akımın genlik değeri aşağıdaki denklem (4) ile hesaplanabilir I ac V Vac 0 (4) Burada bağlantı transformatörünün kaçak reaktansıdır. Karşılıklı alınıp verilen reaktif güç ise denklem (5) deki gibi ifade edilebilir. Burada, P 0 ve Q 0 başlangıç anındaki veya temel güçleri ifade etmektedir. P ve Q ise i. barada değeri ile belirlenen aktif ve reaktif güçlerdir [18]. Aynı zamanda sitemde yapılan bu çalışmalar ile meydana gelen aktif ve reaktif güç kayıpları da incelenmiştir. Şekil 5 de verilen sistemde 1. bara salınım barası diye ifade edilen referans baradır. Bu bara gerilimi her an sabit tutacak kadar güçlü kabul edilir. Güç açısı sıfırdır. 2. ve 3. baralar ise P-V veya gerilim kontrollü baraları ifade eder. Bu generatörlerin uyarmalarına etki yapılarak gerilimi sabit tutulur. 4.,5. ve 6. baralar ise P-Q veya yük baralarıdır. Bu baralar şehirlerin veya sanayilerin beslendiği baralardır. 2 V0 V0 Vac cos Q (5) Sistemde inverter çıkış gerilimi, AC sistem gerilimine göre ileride ise, inverter DC kondansatörden SC sisteme aktif güç verecektir. Eğer inverter çıkış gerilimi AC sistem geriliminden geride ise, inverter AC sistemden aktif güç çekecektir. Sürekli durumda alınıp verilen aktif güç miktarı genellikle küçüktür. Gerilim kaynaklı inverter ile AC sistem arasındaki aktif güç alışverişi denklem (6) kullanılarak hesaplanabilir. Şekil 5: 6 baralı sistemin genel şeması 289

4 S. Tosun, A. Öztürk, M.A. Yalcın, K. Döşoğlu, U. Güvenç Tablo 1 de normal yüklenme değerleri verilen güç sistemi sürekli yük akışı sonucu Şekil 6 de V eğrileri ve Şekil 7 de baraların gerilim değerleri gösterilmiştir. Bara Tipi Tablo 1: Sistemin generatör ve yük verileri Bara No Gerilim pu (kv) Aktif Güç (MW) Reaktif Güç (MVAr) Salınım (230 kv) - - P-V (20 kv) P-V (20 kv) Yük Yük Yük Tablo 2: Güç sisteminde kritik yük barası değerleri Bara λ max (pu) Gerilim (pu) 6. bara Tablo 3: Güç sistemindeki kayıplar Aktif Kayıplar (pu) A. SVC Analizi Reaktif kayıplar (pu) Sistemde gerilim kararlılığı bakımında en kritik durumda olan 6 nolu barada iyileştirme çalışmaları yapmak gerekir. Bu durumda 6 nolu baraya SVC ilave edilerek yük akışı çalışmaları Şekil 8 deki gibi yapılmıştır. Sisteme ilave edilen SVC nin parametreleri Tablo 4 deki gibi seçilmiştir. Şekil 6: yük baralarında sürekli yük akışı sonucu elde edilen V eğrileri Şekil 8: Kritik yük barasına SVC ilave edilmesi durumu S (MVA) Tablo 4: SVC denetleyicisinin parametreleri V (pu) f (hertz) Tr (s) Kr (pu/pu) V ref (pu) Güç akışı sonucu en kritik bara olan 6. baraya SVC ilave edilmesiyle gerilim kararlılığında iyileşmeler, sistemden çekilen güçte artış ve sistemdeki aktif ve reaktif kayıpların değişimi aşağıdaki Şekil 9, Şekil 10 ve Tablo 5 de gösterilmiştir. Şekil 7: Sistem baralarında sürekli yük akışı sonucu elde edilen gerilim değerleri Yapılan yük akışı sonucu en kritik bara olarak görülen 6. bara değerleri Tablo 2 de gösterilmiştir. Bu durumda sistemde aktif güç kaybı ve reaktif güç kaybı ise Tablo 3 de gösterilmiştir. 290

5 Güç Sisteminde SVC ve STATCOM Denetleyici Etkilerinin İncelenmesi gibi yapılmıştır. Altıncı baraya ilave edilen STATCOM elemanı için seçilen parametre değerleri Tablo 7 de verilmiştir. Şekil 9: 6 nolu yük barasına SVC ilave edilmesi sonucu elde edilen V eğrileri Şekil 11: Kritik yük barasına STATCOM ilave edilmesi durumu S (MVA) Tablo7: STATCOM denetleyicisinin parametreleri V f Kr Tr I max (pu) (hertz) (pu/pu) (s) (pu) I min (pu) Yapılan güç akışı sonucu en kritik bara olan 6. baraya STATCOM ilave edilmesiyle gerilim kararlılığında iyileşmeler, sistemden çekilen güçte artış ve sistemdeki aktif ve reaktif kayıpların değişimi aşağıdaki Şekil 12, Şekil 13 ve Tablo 8 de gösterilmiştir. Şekil 10: 6 nolu yük barasına SVC ilave edilmesi sonucu elde edilen gerilim değerleri Tablo 5: Güç sisteminde kritik yük barası değerleri Bara λ max (pu) Gerilim (pu) 6. bara nolu baraya SVC eklenmesine bağlı olarak güç sistemindeki aktif güç ve reaktif güç kayıplarında değişmeler sağlanmıştır bu değişimler Tablo 6 ile verilmiştir. Tablo 6: Güç sistemindeki kayıplar Aktif Kayıplar (pu) Reaktif kayıplar (pu) Şekil 12: 6 nolu yük barasına STATCOM ilave edilmesi sonucu elde edilen V eğrileri B. STATCOM Analizi Sistemde gerilim kararlılığı bakımında en kritik durumda olan 6 nolu barada iyileştirme çalışmaları yapılması gereği belirtilmişti. Bu durumda aynı baraya yani 6 nolu baraya STATCOM ilave edilerek yük akışı çalışmaları Şekil 11 deki 291

6 S. Tosun, A. Öztürk, M.A. Yalcın, K. Döşoğlu, U. Güvenç ortaya konulmuştur. Incelenen sistemde kayıpların değişimi ise Tablo 11 de verilmiştir. Tablo 11: Kayıpların değişimi Denetleyici Aktif kayıp. (pu) Reaktif kayıp (pu) Denetleyicisiz SVC STATCOM Şekil 13: 6 nolu yük barasına STATCOM ilave edilmesi sonucu elde edilen gerilim değerleri Tablo 8: Güç sisteminde kritik yük barası değerleri Bara λ max (pu) Gerilim (pu) 6. bara nolu baraya STATCOM eklenmesine bağlı olarak güç sistemindeki aktif güç ve reaktif güç kayıplarında meydana gelen değişimler aşağıdaki Tablo 9 da verilmiştir. Tablo 9: Güç sistemindeki kayıplar Aktif Kayıplar (pu) Reaktif kayıplar (pu) IV. SONUÇAR İncelenen güç sisteminde kritik gerilim, transfer edilen güç değerleri Tablo 10 verilmiştir. Tablo 10: Gerilim ve güç değişimi Denetleyici λ max (pu) Gerilim(pu) Denetleyicisiz SVC STATCOM Elde edilen sonuçlardan SVC ve STATCOM denetleyicilerinin, bir güç sisteminin statik yüklenme sınırlarını yükselttiği görülmüştür. Böylece gerilim çökmesi olayına karşı sistemin güvenilirliği arttığı ifade edilebilir. Bu sistemde, SVC ile aktif güç iletim sınır değeri pu den pu a artarken, STATCOM ile ise aktif güç iletim sınır değerine pu olarak ulaştığı görülmüştür. Sisteme SVC ve STATCOM denetleyicilerinin eklenmesi ile sisteme reaktif güç enjekte edilmesi söz konusudur. Bu reaktif güç, sistemdeki aktif ve reaktif kayıplarının azalmasını sağlamıştır. Sistemde 0.85 pu olan aktif güç kayıpları SVC ile 0.68 pu e, STATCOM ile 0.39 pu a düşürülmüştür. Reaktif güç kayıpları ise 6.04 pu den SVC ile 0.68 pu e, STATCOM ile 3.48 pu e indirilmiştir. Kararlılık ve kayıpların azaltılması bakımından STATCOM ve SVC denetleyicilerinin kullanılmasının önemi, bu çalışma ile KAYNAKAR [1] R.K., Aggarwal, H.F., Wang and.y., Zhou, Detailed modeling and simulation of UPFC using EMT, Universities Power Engineering Conference, UPEC th International, Volume 1, Page(s): Vol. 1, 6-8 Sept [2]., Gyugyi, Power Electronics in Electric Utilities: Static Var Compensators, Proceedings of the IEEE, Vol. 76, No. 4, pp , [3] M.H. Haque, Best location of SVC to improve first swing stability limit of a power system, Electric PowerSystem Research, vol.77, pp , [4] R., Çötelli, Z. Aydoğmuş, DGM-Statcom ile Reaktif Güç Kompanzasyonu, Journal of Polytechnic, Vol: 10, pp , [5]., Gyugyi, Dynamic Compensation of AC Transmission ines by Solid State Synchronous Voltage Sources, IEEE Trans. On Power Delivery,Vol. 9, Issue: 2, , [6] F., Milano,., Vanfretti, J.C., Morataya, J. C., An Open Source Power System Virtual aboratory: The PSAT Case and Experience, IEEE Transactions on Education, Vol. 51, No. 1, pp , February [7] TMMOB, TMMOB Reaktif Güç Kompanzasyonu Seminer Notları, İstanbul EMO, 1999 [8] M., Bayram, Reaktif Güç Kompanzasyonu, ENTES, İstanbul, 1997 [9] A., Hasanovic, Modeling and Control of The Unified Power Flow Controller (UPFC), MA Thesis, West Virginia Uni., [10] IEEE FACTS working group , FACTS Application, December [11] U., Arifoğlu, Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi, Alfa Yayınları, İstanbul, [12] C.A., Canizares, T.F., Zeno, Analysis of SVC and TCSC Controllers in Voltage Collapse, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 14, No. 1, February [13] C.A., Canizares, Power Flow and Transient Stability Models of FACTS Controllers for Voltage and Angle Stability Studies. In Proc. of IEEE/PES Winter Meeting, Singapore, January [14] C., Schauder, and H., Mehta, Vector Analysis and Control of Advanced Static VAR Compensators, IEE Proceedings-C,Vol. 140, No. 4,pp , [15] E., Deniz, S., Tuncer, M.T., Gençoğlu, " Voltage Regulation in A Distribution System By Using STATCOM with Three evel Diode Clamped Inverter", 2009 IATS 09-5th International Advanced Technologies Symposium, Karabuk, pp.1-7. [16] M.A., Kamarposhti and M., Alinezhad, Comparison of SVC and STATCOM in Static Voltage Stability Margin Enhancement, World Academy of Science, Engineering and Technology pp , [17] E. Deniz, R. Çöteli, S. Tuncer, ve Dandıl, B., "3-Seviyeli Kaskat Evirici Kullanan D-STATCOM ile Gerilim Regülasyonu", E-Journal of New World Sciences Academy, vol. 4(1), pp , [18] N., Talebi, M., Ehsan, S.M.T., Bathaee, Effect of SVC and TCSC Control Strategies on Static Voltage Collapse Phenomena, Southeast Conference, pp , Mar