!" #!$%! 1"&# 8$%'()$% $&#,$% /012

Transkript

1 '#$%& !"#$%&

2

3 !" #!$%! "&# 8$%'()$% 8*+ 8, $-". 5 $&#,$% /0

4

5 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin bilimsel ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıa tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Şahin SÖNMEZ

6 ÖZET HABERLEŞME GECİKMESİ İÇEREN YÜK FREKANS KONTROL SİSTEMLERİNİN KARARLI OLACAĞI MAKSİMUM ZAMAN GECİKME DEĞERLERİNİN HESALANMASI SÖNMEZ, Şahin Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Saffet AYASUN Haziran 03, 96 Sayfa Yük frekans kontrol sistemlerinde kullanılan fazör ölçüm ihazları ve haberleşme ağından dolayı, zaman geikmeleri kaçınılmaz hale gelmiştir. Bu zaman geikmeleri sistemin dinamiğini ve performansını olumsuz etkilemekte ve kararsızlıklara sebep olmaktadır. Bu tez çalışmasında, zaman geikmesinin bir bölgeli yük frekans kontrol sistemi dinamiğine olan etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminin sınırda kararlı olaağı maksimum zaman geikmeleri, literatürde mevut olan üstel terimin yok edilmesi ve Rekasius yöntemleri ile teorik olarak hesaplanmıştır. Ayrıa, oransal integral kontrolör kazançlarının, maksimum zaman geikmesine etkisi araştırılmıştır. Çalışmanın ikini aşamasında ise, elde edilen teorik sonuçların doğruluğu Matlab/Simulink programı kullanılarak gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, zaman geikmesinin yük frekans kontrol sistemini karasızlaştırdığını ortaya koymuştur. Ayrıa, sonuçların doğruluğu kullanılan teorik yöntemlerin uygun olduğunu göstermiştir. Anahtar Sözükler: Yük Frekans Kontrolü, Otomatik Üretim Kontrolü, Rekasius Metodu, Üstel Terimin Yok Edilmesi Metodu, Maksimum Zaman Geikmesi, Kararlılık, Zaman Geikmesi, MATLAB/SİMULİNK, Haberleşme Geikmesi. iv

7 SUMMARY COMUTATION OF DELAY MARGINS FOR STABILITY OF LOAD FREQUENCY CONTROL SYSTEMS WITH COMMUNICATION DELAYS SÖNMEZ, Şahin Nigde University Graduate Shool of Natural and Applied Sienes Department of Eletrial Eletroni Engineering Supervisor : Asso. rof. Dr. Saffet AYASUN June 03, 96 ages Due to the use of phasor measurement units and ommuniation networks in load frequeny ontrol systems, time delays have beame inevitable in eletri power systems. These delays adversly affet the system dynamis and performane, and auses instability. In this thesis study, the effets of time delays on the single area load frequeny ontrol system have been investigated. In the first stage of the study, the delay margins for stability of a single area load frequeny ontrol system have been theoretially omputed by using two existing methods, namely elimination of the exponential term and Rekasius substitution methods. Moreover, the quantitative effets of proportional integral ontroller gains on the delay margin have been analyzed. In the seond stage, the auray of the theoretial delay margin results has been proven by using Matlab/Simulink. The theoretial and simulation results learly indiate that time delays destabilize the load frequeny ontrol systems. In addition, the auray of the delay margin results show that the theoretial methods used in this thesis are suitable for omputation of delay margins in general. Keywords: Load Frequeny Control, Automati Generation Control, Otomatik Üretim Kontrolü, Rekasius Substitution Method, Diret Method, Delay Margin, Stability, Time Delay, MATLAB/SİMULİNK, Communiation Delay. v

8 ÖN SÖZ Bu yüksek lisans çalışmasında, bir bölgeli yüksek frekans kontrol sistem dinamiğine haberleşme ve veri transferinden kaynaklanan zaman geikmesinin etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, sistemin kararlılık sınırını belirleyen ve sistemin sınırda kararlı olaağı maksimum zaman geikme değerini teorik olarak hesaplamak için iki farklı yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntemlerle, farklı I kazanç değerleri için Bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde meydana gelen zaman geikmeleri teorik olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre denetleyii tasarım ve kazanç değerlerinin seçiminde zaman geikmelerinin mutlaka dikkate alınması gerektiği sonuuna varılmıştır. Ayrıa teorik ve benzetim sonuçları, zaman geikmesinin sistem dinamiğini olumsuz etkilediğini ve hatta kritik değerleri aştığında kararsızlığa sebep olduğunu ortaya koymuştur. Yüksek lisans tez çalışmamın yürütülmesi esnasında, çalışmalarıma yön veren, bilgi ve terübesini esirgemeyen ve bana her türlü desteği sağlayan danışmanım, Sayın Doç. Dr. Saffet AYASUN' a en içten teşekkürlerimi sunarım. Niğde Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümündeki değerli öğretim elemanlarına, maddi ve manevi destekleri ile her zaman yanımda olan aileme teşekkürlerimi sunarım. vi

9 İÇİNDEKİLER DİZİNİ ÖZET... iv SUMMARY... v ÖN SÖZ... vi İÇİNDEKİLER DİZİNİ... vii ŞEKİLLER DİZİNİ... ix ÇİZELGELER DİZİNİ... xii SİMGE VE KISALTMALAR DİZİNİ... xiii BÖLÜM I GİRİŞ... BÖLÜM II YÜK FREKANS KONTROL SİSTEMİ Yük Frekans Kontrolü Yük frekans kontrol çevrimi Jeneratör modeli Jeneratörün salınım denklemleri Yük modeli Türbin modeli Devir sayısı regülatörünün yapısı ve modeli Hız regülasyon yüzdesi veya düşüşü.... Otomatik Üretim Kontrolü AGC içeren bir bölgeli yük frekans kontrol sistemi İki Bölgeli Yük Frekans Kontrol Sistemi Bağlantı hattı frekans yönelim kontrolü Enterkonnekte Güç Sisteminde Frekans Kontrolünün Genelleştirilmesi Güç Sistemlerinde Zaman Geikmeleri Haberleşme geikmesinin sebepleri Zaman Geikmeli Yük Frekans Kontrol Sistemi BÖLÜM III REKASİUS YERİNE KOYMA YÖNTEMİ Giriş Rekasius Yerine Koyma Yöntemi BÖLÜM IV ÜSTEL TERİMİN YOK EDİLMESİ YÖNTEMİ Giriş vii

10 4. Üstel Terimin Yok Edilmesi Tek zaman geikmeli durum Orantılı zaman geikmeli durum BÖLÜM V REKASIUS YÖNTEMİNİN ZAMAN GECİKMELİ BİR BÖLGELİ YÜK FREKANS KONTROL SİSTEMİNE UYGULANMASI Giriş Zaman Geikmeli Bir Bölgeli Yük Frekans Sistemi Maksimum Zaman Geikmesinin Hesaplanması Zaman Geikmeli YFK Sisteminin Matlab/Simulink Analizi BÖLÜM VI ÜSTEL TERİMİN YOK EDİLMESİ YÖNTEMİNİN ZAMAN GECİKMELİ BİR BÖLGELİ YÜK FREKANS KONTROL SİSTEMİNE UYGULANMASI Giriş Maksimum Zaman Geikmesinin Hesaplanması Zaman Geikmeli YFK Sisteminin Matlab/Simulink Analizi BÖLÜM VII BİR BÖLGELİ YÜK FREKANS KONTROL SİSTEMİ İÇİN SÖNÜMLEME FAKTÖRÜNE BAĞLI MAKSİMUM GECİKMENİN HESALANMASI Giriş Bir Bölgeli Yük Frekans Kontrol Sistemine Sönümleme Faktörünün Uygulanması. 8 BÖLÜM VIII SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZ GEÇMİŞ TEZ ÇALIŞMASINDAN ÜRETİLEN ESERLER viii

11 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil..0 Karakteristik denklemin köklerinin zaman geikmesine göre değişimi Şekil..0 Bir senkron jeneratörün YFK ve AVR sisteminin şematik diyagramı... 7 Şekil..0 Basit bir frekans kontrol çevrimi içeren senkron jeneratörün şematik blok diyagramı Şekil.3.0 Jeneratör blok diyagramı Şekil.4.0 Jeneratörün ve yükün blok diyagramı... 6 Şekil.5.0 Basit bir buhar türbinin blok diyagramı... 7 Şekil.6.0 Devir sayısı regülatör sistemi... 7 Şekil.7.0 Devir sayısı regülatörü içeren jeneratör biriminin rotor hızı ile mekaniksel güç arasındaki ilişki Şekil.8.0 Yükte küçük bir adımlık artışa evaplar... 9 Şekil.9.0 Devir sayısı regülatörünün sürekli durum hız karakteristiği... 0 Şekil.0. Buhar türbinine ait hız regülatör sisteminin blok diyagramı... Şekil.. İzole bir güç sisteminin yük frekans kontrol blok diyagramı... Şekil. ( s) girişi ve f ( s) çıkışı bulunan YFK blok diyagramı... L Şekil.3 Hız düşüşüne sahip olan bir devir sayısı regülatörünün ideal sürekli durum karakteristiği... 3 Şekil.4. İzole bir güç sistemine AGC 'nin eklenmesi... 4 Şekil.5. Sadee birinil hız kontrolü bulunan iki bölgeli YKF sistemi... 7 Şekil.6.. Bölge'de yük değişiminin etkisi... 9 Şekil.7. İkinil kontrol içeren iki bölgeli sistemin blok diyagramı... 3 Şekil.8. N kontrol bölgeli güç sistemi... 3 Şekil.9. N kontrol bölgeli güç sisteminde i. kontrol bölgesinin bağlantı hattı güç değişimine ait blok diyagram Şekil.0. i. kontrol bölgesi için blok diyagram Şekil.. İkinil kontrol çevrimi içeren i. kontrol bölgesine ait blok diyagram Şekil.. Ölçüm sistemlerindeki fazör ölçüm ünitelerinin yeri Şekil.3. Zaman geikmeli YFK sisteminin blok diyagramı Şekil 5..0 Bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminin dinamik modeli ix

12 Şekil 5..0 K = 0.05 ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil K = 0. ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil K = 0.4 ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil Zaman geikmeli bir bölgeli YFK sisteminin Simulink modeli Şekil K = 0. ve K I = 0.5 bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil K = 0.4 ve K I = 0.4 bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil K = 0.6 ve K I = 0. bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil 6..0 K = 0 ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil 6..0 K = 0. ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil K = 0.6 ve K I = 0.05 aralığı için maksimum zaman geikmesinin değişimi Şekil Zaman geikmeli bir bölgeli YFK sisteminin Simulink modeli Şekil K = 0 ve K I = 0.6 için bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil K = 0.6 ve K I = 0.6 bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil K = 0. ve K I = 0. bir bölgeli yük frekans kontrol sisteminde farklı zaman geikme değerleri için frekansın değişimi Şekil 7..0 Karakteristik denklem kökünün σ 'ya bağlı geikme süresinin değişimi... 8 Şekil 7..0 K I = 0.4 için sanal köklerin hareket doğrultusu x

13 Şekil K I = 0.6 için sanal köklerin hareket doğrultusu Şekil K I = aralığı için zaman geikmesi değerlerinin σ 'ya göre değişimi Şekil K I = 0.4 için sönümleme faktörünün ( σ ) etkisi Şekil K I = 0.6 için sönümleme faktörünün ( σ ) etkisi xi

14 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge.. H 'ın enerji üretim santraline göre değerleri... 3 Çizelge.. Çeşitli iletişim bağlantılarıyla ilgili zaman geikmesi değerleri Çizelge 5.. Sisteme ait parametre değerleri... 6 Çizelge 5.. Önerilen yöntemle elde edilen maksimum zaman geikme değerlerinin K ve K I ya göre değişimi Çizelge 5.3. Lyapunov yöntemi ile elde edilen maksimum zaman geikme değerlerinin K ve K I ya göre değişimi Çizelge 6.. Maksimum zaman geikme değerlerinin K I ya göre değişimi... 7 Çizelge 6.. Önerilen yöntemle elde edilen maksimum zaman geikme değerlerinin K ve K I ya göre değişimi... 7 Çizelge 7.. Sanal ekseni kesen köklerinin σ ve K I 'ya göre değişimi Çizelge 7.. Zaman geikmesi değerlerinin σ ve K I 'ya göre değişimi xii

15 SİMGE VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler D E H J K K I M e m p R T a T h T e T g T m Açıklama Yük sönümleme sabiti Jenaratörün terminal gerilimi er unit olarak jeneratör eylemsizlik sabiti Eylemsizlik momenti Oransal kontrolör İntegral kontrolör Jeneratör eylemsizlik sabiti Elektriksel güç Mekaniksel güç Senkron makine kutup sayısı Hız regülasyon düşüşü İvmelendirme momenti Türbin zaman sabiti Elektriksel moment Devir sayısı regülatörü zaman sabiti Mekaniksel moment T ij i. ve j. kontrol bölgeleri arasındaki senkronizasyon güç katsayısı X ara Hat reaktansı W k f Kinetik enerji Frekans değişimi ara Ara bağlantı hattı güç değişimi g Governor çıkış güü değişimi C Kontrolör sinyalinin çıkışı xiii

16 Simgeler Açıklama L Yük değişimi ref Referans güç değişimi e Elektriksel güç değişimi m Jeneratörün mekanik güünün değişimi V Hidrolik yükselteç çıkış güü değişimi τ Zaman geikmesi τ β δ Maksimum zaman geikmesi Frekans yönelim faktörü Faz açısı sm Senkron hız m e Mekaniksel açısal hız Elektriksel açısal hız NL Jeneratörün yüksüz durumdaki hızı FL Jeneratörün tam yüklü durumdaki hızı 0 Jeneratörün nominal veya ilgili hızı ss Sürekli durum frekans değişimi θ m Rotorun açısal konum değişimi xiv

17 Kısaltmalar MU YFK AVR AGC I mmf ACE DFT LC DSSS FHSS OFDM VT CT p.u. Açıklama Fazör Ölçüm Birimi Yük Frekans Kontrolü Otomatik Gerilim Regülatörü Otomatik Üretim Kontrolü Oransal-Integral Kontrolör Manyeto Motor Kuvveti Bölge Kontrol Hatası Hızlı Fourier Dönüşümü Gerilim Hattı Haberleşmesi Doğrudan Ardışık Spektrum Yayılım Frekans Atlamalı Yayık Spektrum Dikgen Frekans Bölüşümlü Çoğullama Gerilim Transdüseri Akım Transdüseri er unit xv

18 BÖLÜM I GİRİŞ Yük frekans kontrol sistemi, her bir kontrol bölgesinde yük ile üretim arasındaki dengeyi sağlamak ve dolayısı ile yükün değişimine bağlı olarak oluşan sistem frekansındaki değişimleri yok etmek amaı ile uzun yıllardan beri elektrik güç sistemlerinin kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır (Kundur, 994). Elektrik güç sistemlerinde aktif ve/veya reaktif güç talebinde herhangi bir değişiklik olduğu zaman senkron jeneratörler, sistem frekansını ve jeneratör terminal gerilimini nominal değerlerde tutmak için, yük frekans kontrol ve uyarma kontrol sistemlerine (otomatik gerilim regülatörü) sahiptirler (Kundur, 994; Saadat, 999). Yük frekans kontrol sistemlerinde, akım, gerilim, güç, frekans vb. büyüklükleri ölçmek için MU lar ve bunlardan elde edilen verileri merkezi kontrolörlere aktarmak ve kontrol merkezinden santrallere kontrol sinyallerini göndermek gerekmektedir. Bu nedenle, MU lar ve haberleşme ağları yaygın olarak kullanılmaktadır. MU lar ve haberleşme ağlarının yaygın kullanımı, sistem dinamik ve kararlılığını olumsuz etkiyeek zaman geikmelerine sebep olmaktadır (Ayasun, 009; Bevrani, ve Hiyama, 009; Bhowmik vd., 004; Liu vd., 007; Naduvathuparambil vd., 00; Yu ve Tomsovi, 004). Elektrik güç sistemlerinde, ölçülen verileri uzak mesafelerden merkezi kontrolörlere aktarmak için telefon hatları, fiber optik kablo hatları, enerji iletim hatları, uydu veya internet gibi çeşitli haberleşme ağları kullanılmaktadır. MU ların kullanımından dolayı sistemde gerilim transdüser geikmesi ve veri işleme geikmesi oluşaağından toplam veri ölçüm zaman geikmeleri gözlenmektedir. Kullanılan haberleşme ağının tipine bağlı olarak, toplam veri haberleşme geikmesi ms aralığında olduğu gözlemlenmiştir (Naduvathuparambil vd., 00). Yük frekans kontrol sistemlerinde kullanılan haberleşme teknolojisine bağlı olarak toplam zaman geikmesinin 5-5 s aralığında olabileeği gözlemlenmiştir (Liu vd., 007). Yük frekans kontrolünde ortaya çıkan zaman geikmeleri, sistem dinamiğini olumsuz etkileyerek kararsızlıklara neden olmaktadır. Bu nedenle, zaman geikmeleri, kontrolör tasarım ve sistem dinamiğinin analizinde dikkate alınmalı ve zaman geikmesi içeren güç sistemlerinin karmaşık dinamik analizlerinin yapılmasına imkan vereek analitik

19 yöntemler geliştirilmelidir. Özellikle, sistemin sınırda kararlı olaağı maksimum zaman geikmesinin bilinmesi oldukça önemlidir. Maksimum zaman geikme bilgisi, kontrolör tasarımı ve veri transferinde kullanılaak haberleşme ağ tipinin belirlenmesinde etkin bir rol oynamaktadır. Sistemin kararlılığı için, haberleşme ağında gözlemleneek toplam zaman geikmesinin maksimum zaman geikmesinden daha düşük olaak şekilde bir haberleşme ağı seçilmelidir. Güç sistemlerinde büyük zaman geikmeleri kararsız bir etki oluşturarak kontrol sisteminin sönümleme etkisini azaltır ve senkronizasyon kaybı, kararsızlık gibi beklenmeyen performanslara neden olur. Bu yüzden, kararlılık analizi ve kontrolör tasarım yöntemleri büyük zaman geikmelerinde dikkate alınmalı ve zaman geikmeli güç sistemlerinin kompleks dinamik davranışını inelemek için analitik yöntemler geliştirilmelidir (Ayasun, 009). Zaman geikmeli güç sistemlerinin dinamik davranışının inelenmesinde genellikle aşağıdaki sorunlar dikkat çekmiştir. ) Güç sistem kararlı kılıı (Chaudhuri vd., 004; Wu vd., 009), yük frekans kontrolü (LFC) (Liu vd., 007; Yu ve Tomsovi, 004), tristör kontrollü seri kompanzatör (Liu vd., 007; Quanyuan vd., 005) için kontrolör tasarımındaki zaman geikme etkisini araştırmak, ) Zaman geikmelerinin nedenini belirlemek ve analiz etmek, zaman geikmelerinin olumsuz etkilerini azaltmak için uygun yöntemler araştırmak, 3) Zaman geikmeli geri beslemeli kontrol yapılarak güç sistemlerinde düzensiz ve periyodik olan salınımları ortadan kaldırmak. Genellikle zaman geikmeli sistemlerde maksimum geikmeyi hesaplamak için literatürde birçok yöntem vardır. Bu yöntemlerin ortak noktası karakteristik denklemin tüm sanal köklerinin belirlenmesidir. Bu yöntemler beş temel gruba ayrılabilir: ) Shur-Cohn (Hermite matris formu) (Chen vd., 995; Gu vd., 003; Fu vd., 006) ) Üstel terimin yok edilmesi yöntemi (Walton ve Marshall, 987)

20 3) Matris penil - Kroneker toplam metodu (Chen vd., 995; Gu vd., 003; Fu vd., 006; su, 995) 4) Kroneker çarpım ve temel dönüşüm (Louisell, 00) 5) Rekasius yerine koyma yöntemi (Fazelinia vd., 007; Hertz vd., 984; Olga ve Sipahi, 00; Olga ve Sipahi, 004; Rekasius, 980) Bu yöntemler nümeriksel olarak birbirlerinden farklıdır ve sanal kök hesabında farklı sonuçlar üretebilirler. Bu yöntemlerin avantaj ve dezavantajlarının detaylı olarak kıyaslanması Sipahi ve Olga (005)'de bulunmaktadır. Son yıllarda, sadee iki yöntem zaman geikmeli güç sistemlerinin kararlılık analizine uygulanmaktadır. Chen vd. (005)'de verilen yöntem, zaman geikmeli otomatik üretim kontrol sistemleri için maksimum geikme zamanını hesaplanmak için kullanılmıştır (Liu vd., 007). Olga ve Sipahi (00)'de belirtilen Rekasius yerine koyma yöntemi, maksimum zaman geikmesini hesaplamak için güç sistemlerinin küçük sinyal kararlılık analizine uygulanan bir yöntemdir (Jia vd., 007). Zaman geikmeli yük frekans kontrol sisteminin kararlılık analizini yapabilmek için, sistemin karakteristik denkleminin köklerinin, zaman geikmesine bağlı olarak nasıl değiştiğinin analiz edilmesi gerekmektedir. Anak, zaman geikmeli sistemin karakteristik denkleminde zaman geikmesinden dolayı üstel terim ( s e τ ) bulunmakta ve bu durum, köklerin belirlenmesini oldukça karmaşık hale getirmektedir. Üstel terimin mevudiyeti, karakteristik denklemin sonsuz adet köke sahip olmasına neden olmaktadır. Sonsuz adet kökün değeri ve bunların zaman geikmesinin (τ ) değişimine göre nasıl değişebileeğinin analiz edilmesi oldukça zor bir problemdir. Anak, kararlılık analizi yapabilmek için, bütün köklerin belirlenmesi zorunlu değildir. Köklerden hangilerinin zaman geikmesine göre nasıl değişeeğinin belirlenmesi kararlılık analizleri açısından yeterli olmaktadır. Yük frekans kontrol sisteminin kararlı olabilmesi için, karakteristik denkleme ait tüm kökler kompleks düzlemin sol yarı bölgesinde bulunmalıdır. Zaman geikmeli sistemlerde, sistemin kararlı çalışabileeği parametre değerlerinde geikme şartlarının belirlenmesi ve sistemin kararlı çalışabileeği maksimum geikme zamanının hesaplanması kararlılık çalışmalarındaki önemli amaçlardır. Toplam zaman 3

21 geikmesi τ nun değişimi ile köklerden bazılarının konumunun değişeeği muhakkaktır. Köklerin, zaman geikmesine bağlı olarak nasıl değişebileeği ve kararlı sistemin zaman geikmesi τ nun değişimine göre nasıl kararsız olabileeği Şekil. de grafiksel olarak gösterilmiştir. Şekil. de görüldüğü üzere sistemde herhangi bir zaman geikmesi olmadığında ( τ = 0), kökler kompleks düzlemin sol yarı bölgesinde bulunmakta ve dolayısı ile yük frekans kontrol sistemi kararlı olmaktadır. Zaman geikmesi τ artırıldığında, bir çift kompleks kök, sol yarı bölge içerisinden, sağ yarı bölgeye doğru hareket etmeye başlayabilir. Kökler, sonlu bir zaman geikme değerinde (τ = τ ) sanal ekseni s = ± j noktalarında keserek, kompleks düzlemin sağ yarı bölgesine geçebilir. Köklerin, sanal ekseni kestiği zaman geikmesi değerinde sistem sınırda kararlıdır. Dolayısı ile kararlık analizi açısından sistemin köklerinin hangi zaman geikme değerinde sanal eksen üzerinde olaağının belirlenmesi yeterli olmaktadır. Bu zaman geikme değeri, sistemin kararlılığını kaybetmeden dayanabileeği maksimum zaman geikmesi olarak tanımlanmakta ve sistemin zaman geikmesi açısından kararlılık sınırını temsil etmektedir. Verilen sistem parametre değerleri için, maksimum zaman geikmesi (τ = τ ) ile tanımlanan sistemin kararlılık sınırının belirlenmesi, sistem dinamiğinin analizi için oldukça önemli olmaktadır. τ τ τ τ Karakteristik denklemin kökleri s = s, s,, s n şeklinde gösterilirse sistemin asimptotik kararlı olması, s C için max( real( s τ )) < 0 şartının sağlanması gerekir. τ i i j τ =0 τ = τ * τ τ* τ τ j τ = τ *+ τ τ =0 δ j τ < τ* < τ Şekil.. Karakteristik denklemin köklerinin zaman geikmesine göre değişimi. 4

22 Zaman geikmeli sistemlerin kararlılığı, sistemin karakteristik denkleminin kök konumuna bağlıdır. τ 'nun değişimi ile bazı köklerin yerleri de değişebilir. Sistem parametrelerine göre, iki farklı kararlılık durumu vardır (Gu vd., 003; Walton ve Marshall, 987):.Geikmeden bağımsız kararlılık: max( real( s τ i )) < 0 kararlılık şartı tüm pozitif ve sonlu geikme değerleri için sağlanırsa, τ [0, ), sistemin karakteristik denklemi zaman geikmesinden bağımsız kararlılığa sahiptir (Gu vd., 003; Walton ve Marshall, 987)..Geikmeye bağlı kararlılık: max( real( s τ i )) < 0 kararlılık şartı τ [0, τ ) aralığındaki geikme değerleri için sağlanırsa, sistemin karakteristik denklemi zaman geikmesine bağlı olarak kararlıdır ve τ τ değerleri için sistem kararsız olmaktadır (Gu vd., 003; Walton ve Marshall, 987). Bu yüksek lisans tez çalışmasında; zaman geikmesinin sistem kararlılığına olan etkisi araştırılmış ve Bir Bölgeli Yük Frekans Kontrol Sistemine literatürde bulunan Rekasius ve Üstel Terimin Yok Edilmesi yöntemleri uygulanarak teorik olarak sistemin kararlı olaağı maksimum zaman geikmesi değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen teorik sonuçların doğruluğu Matlab/Simulink programı kullanılarak ispatlanmıştır. Bölüm II'de yük frekans ve otomatik üretim kontrol sistemleri hakkında temel bilgiler sunulmakta ve güç sistemlerinde meydana gelen zaman geikmeleri hakkında bilgi verilmiştir. Bölüm III te ve IV'de zaman geikmesinin teorik olarak hesaplanmasında kullanılan Rekasius ve Üstel Terimin Yok Edilmesi yöntemleri ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Bölüm V, VI ve VII'de zaman geikmesi içeren Bir Bölgeli Yük Frekans Kontrol Sisteminin Matlab/Simulink programı kullanılarak kararlılık analizleri sunulmuştur. 5

23 BÖLÜM II YÜK FREKANS KONTROLÜ Bir iletim hattında aktif ve reaktif güç akışı birbirinden bağımsızdır ve farklı kontrol sistemleri uygulanmaktadır. Reaktif güç, sistem frekansındaki değişimlerden daha az etkilenirken jeneratörün terminal geriliminin genliğindeki değişime bağlı olarak kontrol edilir. Fakat aktif güçteki değişim sistem frekansını önemli ölçüde etkiler. Böylee, aktif ve reaktif güç kontrolleri birbirinden ayrılır. Yük frekans kontrol (YFK) sisteminde aktif güç ile frekans ayarlanırken, otomatik gerilim regülatörü (AVR) ise reaktif güç ile gerilim genliğinin ayarlanmasını sağlar. Yük frekans kontrol sistemi enterkonnekte sistemler için önemlidir ve enterkonnekte sistemlerin çalışmasını kontrol eder (Saadat, 999). Enterkonnekte bir güç sisteminde, yük frekans kontrolü (YFK) ve otomatik gerilim kontrolü (AVR) her bir jeneratör sistemi için gereklidir. Şekil. yük frekans kontrol çevrimini (YFK) ve otomatik gerilim regülatör çevrimini (AVR) göstermektedir. Bu kontrolörler özel bir çalışma koşulu için ayarlanır ve belirli sınırlar içerisinde frekans ve gerilimin genliğini korumak için yük talebindeki değişimleri dikkate alırlar. Aktif güçteki küçük değişimler genellikle rotor açısı δ 'daki değişimlere yani frekansa bağlıdır. Reaktif güç ise genellikle gerilimin genliğine bağlıdır (jeneratör uyarımı). Uyarma sisteminin zaman sabiti tahrik sisteminin zaman sabitinden çok daha küçüktür ve uyarma sisteminin geçii bozulması çok daha hızlıdır, Ayrıa YFK sistemini etkilemez. Böylee YFK ve AVR çevrimleri arasındaki karşılıklı ilişki ihmal edilebilir. Yük frekans ve uyarma gerilim kontrolü birbirinden bağımsız analiz edilebilir (Saadat, 999).. Yük Frekans Kontrolü Bir güç sisteminde frekans aktif güç dengesine bağlıdır. Bir elektrik şebekesinde aktif güç talebindeki değişim frekansın değişimine neden olur ve frekanstaki değişim tüm sisteme yansır. Bu yüzden sistem frekansı, yük dengesizliğini ve sistem üretimini gösteren önemli bir kavramdır. Enerji üretimi ve tüketimi arasında herhangi bir kısa süreli dengesizlik sistem frekansında ani bir değişime neden olur. Bu dengesizlik ise 6

24 enerji üretim santralindeki jeneratörün kinetik enerjisi ile ayarlanabilmektedir. Elektrik santralinin çalışma frekansının üstünde bir değerde bulunması durumunda, sistemde bir tepki oluşmazsa üretimde önemli kayıplar meydana gelebilir. Jeneratöre bağlı olarak üretilen aktif güç; buhar türbini, gaz türbini, su türbini veya dizel motor gibi mekanik güç üreten türbin sistemleri ile kontrol edilmektedir. Buhar veya su türbinlerinde mekaniksel güç, türbindeki su veya buhar akışı jeneratör miline gelen valf yardımıyla ayarlanarak kontrol edilir. Jeneratöre gelen buhar veya su aktif güç talebine göre sürekli olarak düzenlenir. Mekaniksel hızın değişimi ile üretilen enerjinin (jeneratör) frekans değişimi sağlanmış olur. Bir güç sisteminin verimli çalışması için frekansın sabit tutulması gerekir (Bevrani, 009). Yük frekans kontrol sisteminin kullanılma amaı genel olarak uygun frekans değerinin korunması, jeneratörler arasındaki yükün paylaştırılması ve bağlantı hattı güç değişimlerinin kontrol edilmesi olarak ifade edilebilir. Frekanstaki ve bağlantı hattındaki aktif güç değişimi, rotor açısı δ 'nın değişimi ile belirlenir ve açısı kullanılarak düzeltilir. Örneğin f ve ve aktif güü kontrol eden δ rotor hata hata sinyalleri yükseltilir, karşılaştırılır ara sinyaline dönüştürülür. V V gelen herhangi bir artış için gerekli sinyali türbine gönderir. Türbin ise göre jeneratör çıkışında değişim oluşturur. Bu durumda f 'in ve sinyali torkta meydana miktarına G G, belirli toleranslar dahilinde 'nın değerlerinin değişimini sağlayaaktır. (Kundur, 994; Saadat, 999). ara V, Q G G ara C Şekil.. Bir senkron jeneratörün YFK ve AVR sisteminin şematik diyagramı 7

25 Bir kontrol sisteminin tasarımında ve analizindeki ilk adım sistemin matematiksel olarak modellenmesidir. Sistemin matematiksel modelinin çıkarılmasında kullanılan yöntemler ise transfer fonksiyonu yöntemi ve durum değişkenleri yaklaşımıdır. Durum değişkenleri yaklaşımı lineer ayrıa nonlineer sistemleri tanımlamak için uygulanabilir. Transfer fonksiyonunu ve lineer durum denklemlerini kullanmak için sistem ilk olarak lineerleştirilmelidir. Uygun yaklaşımlar ve varsayımlar sistemi tanımlayan matematiksel denklemleri lineerleştirmek için yapılır ve bir transfer fonksiyon modeli elde edilir... Yük frekans kontrol çevrimi Birinil frekans kontrolünde büyük jeneratörler ek bir frekans kontrol çevrimine ihtiyaç duyar. Bir senkron jeneratörün şematik blok diyagramında, Şekil. 'de görüldüğü gibi, frekans kontrol çevrimi kullanılmıştır (Bevrani, 009). m C g L f Şekil.. Basit bir frekans kontrol çevrimi içeren senkron jeneratörün şematik blok diyagramı. Şekil.'de devir sayısı regülatörü (speed governor) birinil ve ikinil kontrol çevrimleri hızdaki (frekansa) bir değişime karşı duyarlıdır. Hidrolik amplifikatör (hydrauli amplifier) yüksek buhar veya su basınına karşı ana valf konumunu ayarlamak için gerekli mekaniksel güü sağlar. Hız değiştirii (speed hanger) türbinin sabit bir güç çıkışı ayarlamasını sağlar (Bevrani, 009). Her bir üretim biriminde devir sayısı regülatörü birinil hız kontrolünü sağlar ve tüm üretim birimleri kendi devir sayısı regülatörlerini kullanarak değişken yük durumlarında 8

26 jeneratörde yapılması gereken genel değişikliği sağlarlar. Anak, enterkonnekte güç sistemlerinde birinil kontrol, sistem frekansının düzenlenmesi için yeterli değildir. Böylee ikinil kontrol çevrimi, hız değiştirii motor vasıtasıyla referans yük ayar noktasını oluşturmak için gereklidir (Bevrani, 009). İkinil kontrol çevrimi frekans değişimi üzerinde bir geri besleme sağlar ve dinamik kontrolörler ile birinil kontrol çevrimine eklenir. Sonuç olarak C sinyali sistem frekansını düzenlemek için kullanılır. Güç sistemlerinde dinamik kontrolörler genellikle basit bir oransal veya integral (I) kontrolörden oluşur (Bevrani, 009). Şekil.'de frekans, yük değişiminin ardından geçii değişimler ( f ) gösterir. L Sistemde geri besleme mekanizması devreye girer ve yükün değişimini izleyip mekanik güç üreten ( m ) türbin için uygun bir sinyal üretir ve sistem frekansı düzenler. Yük frekans kontrol sisteminde bulunan her bir elemanın blok diyagramı aşama aşama oluşturulmuştur (Bevrani, 009)... Jeneratör modeli... Senkron jeneratörün salınım denklemleri Normal şartlarda, rotor ekseni ve manyetik alan eksen bileşkesi sabittir. Rotor ekseni ve manyetik alan ekseni arasındaki açı, δ, rotor açısı veya moment açısı olarak bilinir. Jeneratörde herhangi bir elektriksel yükün değişimi sırasında, rotor hava aralığında oluşan döner manyetik alana (m.m.f) bağlı olarak rotor hızlanır veya yavaşlar ve rotorda bir bağıl hız oluşur. Bu bağıl hızı tanımlayan denklemlere salınım denklemleri denir. Rotorun hızlanması veya yavaşlaması sırasında frekansta salınımlar oluşur. Bu salınım periyotlarından sonra rotor senkron hızına tekrar kilitlenirse jeneratör kararlılığını korur. Yükteki değişim aktif güçte herhangi bir değişime neden olmazsa rotor ilk andaki gibi hareketini devam ettirir. Jeneratörde yüke veya şebekeye bağlı bir değişim gözlenirse rotor, senkron olarak döner alana göre yeni bir güç açısında çalışır (Saadat, 999). 9

27 Senkron hızda ( sm) çalışan ve elektromanyetik momente ( T e) sahip olan bir senkron jeneratörde T m mekaniksel moment ile tahrik edilen ve sürekli çalışma durumunda jeneratör kayıpları ihmal edilirse; T e = e m, Tm = (.) e m T m = T (.) e Jeneratörde meydana gelen herhangi bir değişim anında rotorun hızlanması veya yavaşlanmasından dolayı oluşan T a moment farkı: Ta = Tm Te (.3) J, jeneratör ve türbin sisteminin eylemsizlik momentlerinin birleşimidir ayrıa sürtünme ve sönümleme momenti ihmal edilirse; d θ m J = Ta = Tm Te (.4) dt Burada, θ m statorda referans eksene göre rotorun açısal konum değişimidir. Senkron hıza bağlı olarak rotorun açısal hızı dikkate alındığından rotor, sabit açısal hız ( sm) ile hareket eder. θ = t + δ (.5) m sm m Burada δ m, t = 0 anındaki rotor konumudur. Denklem (.5)'in türevi alınarak rotor açısal hızı tespit edilir. dθ dt dδ dt m m m = = ms + (.6) 0

28 Rotorun hızı Denklem (.7) ile elde edilir. d θm d δm = (.7) dt dt Denklem (.4)'de ilgili yere Denklem (.7) yazılırsa; d δ m J = Tm Te (.8) dt Mekanik hız m ile Denklem (.8) çarpılarak; d δm Jm = mtm mte (.9) dt Açısal hızın moment ile çarpımı güe eşittir. d δm J m = m e (.0) dt J m eylemsizlik momentidir ve M ile gösterilir. Ayrıa dönen bir parçanın kinetik enerjisiyle de ifade edilebilir; Wk = Jm = Mm (.) M W k = (.) m M senkron jeneratörün eylemsizlik sabiti olarak adlandırılmasına rağmen, rotor hızı senkron hızın dışına çıktığında aslında M sabit değildir. Anak, m jeneratörün kararlı olduğu süree çok büyük değerlerde değişmediği için M eylemsizlik momentinin senkron hızda elde edildiği varsayılır ve sabit olduğu kabul edilir.

29 M W k = (.3) sm Eylemsizlik sabiti salınım denkleminde ilgili yere yazılırsa; d δ m M = m e (.4) dt Elektriksel güç açısı δ, mekaniksel güç açısı δ m arasındaki bağıntı yazılırsa; p δ = δ (.5) m Burada, p senkron jeneratörün kutup sayısıdır. Ayrıa; p = (.6) m Elektriksel güç açısı δ, salınım denkleminde yazılırsa; d δ M = m e (.7) p dt Güç sistem analizinde sistem, per unit insinden ifade edildiği için salınım denklemi genellikle per unit olarak ifade edilir. Bu durumda S B baz güü Denklem (.7) ile bölünerek ve Denklem (.3) M eylemsizlik momentinin yerine kullanıldığında; W d δ = (.8) k m e p smsb dt SB SB Denklem (.9) ile ifade edilen H sabiti veya per unit insinden eylemsizlik sabiti olarak bilinen bir ifade tanımlanır.

30 H İlgili hızdaki MJ insinden kinetik enerji Wk = = (.9) MVA insinden senkron makinenin görünür güü S B H 'ın birimi saniyedir ve değeri - 0 saniye aralığında değişir. MKS birim sisteminde eylemsizlik momentinden H'ın hesaplanması Denklem (.0) ile yapılabilir. Depolanan enerji= Kinetik enerji W. s = J 0m 6 = J0mx0 MW. s (.0) J = kg. m insinden eylemsizlik momenti 0m =İlgili mekaniksel hız Rad s RM = π (.) 60 H = = J x0 MVA 6 0m ( π ) -9 ( ) 6 J RM 60 x0 = 5.48x0 MVA J RM MVA (.) Çizelge.. H 'ın enerji üretim santraline göre değerleri Üretim Birimi H Termik santral Birimi (a) 3600 dev / dak ( kutuplu) (b) 800 dev / dak (4 kutuplu) Hidrolik santral birimi Senkron makinenin tipine ve boyutuna bağlı olarak H sabiti, Denklem (.8)'de kullanılırarak Denklem (.3) elde edilir. 3

31 H d δ = m( pu) e ( pu) (.3) p dt sm Burada m( pu ) ve e( pu) per unit insinden mekaniksel ve elektriksel güçleri ifade etmektedir. Elektriksel açısal hız ile mekaniksel açısal hız arasında = ( p) bağıntısı bulunmaktadır ve elektriksel açısal hız ( ) Denklem (.3)'de yerine yazılırsa; e sm e H d δ = m( pu) e ( pu) (.4) dt s Yukarıdaki denklem f 0 frekans terimiyle de ifade edilebilir. Ayrıa ifadeyi basitleştirmek için pu notasyonu Denklem (.4)'den kaldırılır, fakat güçler pu insindendir. H d δ = m e (.5) π f dt 0 Yükte veya şebekede herhangi bir küçük değişim meydana geldiğinde Denklem (.4) aşağıdaki gibi kullanılabilir. H d δ = m e (.6) dt s Hızdaki değişime göre; d s = ( m e ) (.7) dt H Hız per unit olarak ifade edilirse (Saadat, 999); d = ( m e ) (.8) dt H 4

32 Denklem (.8)'in laplae dönüşümü alınırsa (Saadat, 999); f ( s) = ( m ( s) e ( s) ) (.9) Hs Denklem (.9), Şekil.3.'deki blok diyagramla gösterilebilir (Saadat, 999). ( ) m s Hs f ( s) ( ) e s Şekil.3. Jeneratör blok diyagramı...3 Yük modeli Güç sisteminin beslediği yükler çeşitli elektriksel ihazlardan oluşur. Aydınlatma yükleri ve ısıtıı yükler gibi rezistif yükler için, elektriksel güç frekanstan bağımsızdır. Şebekenin beslediği fanlar, motorlar veya pompalar gibi indüktif yüklerin olması durumunda motor hızındaki değişimler nedeniyle elektriksel güç frekansla değişir. Bu tür yüklerin frekansa ne kadar duyarlı oldukları tüm tahrik ihazlarının hız yük karakteristiklerine bağlıdır. Bir yükün hız-yük karakteristiği aşağıdaki gibi ifade edilir. = + D (.30) e L Burada L frekanstan bağımsız yük değişimidir ve D frekansa bağlı yük değişimidir. D yük sönümleme sabitidir. Sönümleme sabiti, frekanstaki % değişimin yükteki % değişime oranlanarak ifade edilmesidir. Örneğin, frekanstaki %'lik bir değişim için yük %.6 değiştirilirse, sönümleme sabiti ( D ).6 olur. Jeneratör blok diyagramına yük modeli eklenerek Şekil.4'de gösterilirse; 5

33 ( ) L s ( ) m s ( s) Hs D a L ( s) m( s) ( s) Hs + D b Şekil.4. Jeneratörün ve yükün blok diyagramı..4 Türbin modeli Mekaniksel güün kaynağı genellikle tahrik sistemi olarak ifade edilen türbinlerin oluşturduğu güç olarak bilinir. Türbin çeşitleri genellikle nehirlerde hidrolik türbinler, kömür, nükleer yakıt, gaz gibi yakıtların yakılmasından elde edilen buhar güünün kullanıldığı buhar türbinleri ve gaz türbinleri olarak sınıflandırılabilir. Türbin modeli, V vana konumundaki değişimler ile m mekanik güç çıkışındaki değişimlerle ilişkilidir. Buhar türbini için en basit türbin modeli tek bir zaman sabiti ile aşağıdaki gibi oluşturulabilir. m GT ( s) = = + T s V h (.3) Zaman sabiti T h, 0. ile.0 arasında değişir. Basit bir türbinin blok diyagramı Şekil.5. ile gösterilmiştir. 6

34 V ( s) m ( s) + T s h Şekil.5. Basit bir buhar türbinin blok diyagramı..5 Devir sayısı regülatörünün yapısı ve modeli Jeneratörün elektriksel yükü aniden arttığında; elektriksel güç, sistemi tahrik eden mekaniksel güçten büyük olur. Bu durumda mekaniksel güç, rotor sisteminde depolanan kinetik enerji ile sağlanır. Kinetik enerjideki azalma türbin hızında düşüşe, sonuç olarak jeneratör frekansında düşmeye neden olur. Hızdaki bu değişimden dolayı, sistemin hızını yeni bir sürekli çalışma noktasına getirilmesi mekaniksel güün değişimini sağlayan su, buhar veya gaz türbinleri sayesinde sağlanır (Saadat, 999). Aşağıdaki şekilde devir sayısı regülatörünün önemli kısımları gösterilmektedir. g X C ref X A f X B R X D V X E Şekil.6. Devir sayısı regülatör sistemi 7

35 Devir sayısı regülatörü, mil hızını bir pozisyon çıkışına çeviren mekaniksel bir çeviriidir. Devir sayısı regülatörü çıkışı hız değiştiriinin pozisyonu ile belirlenen bir hız - yük referansı ( ref ) ile karşılaştırılır. Hata sinyali ( g ), valfin pozisyonunu kontrol etmek için kullanılır (Darçın, 004). ref ve g arasında bağıntı Denklem (.3) ile ifade edilmiştir. A'dan E'ye kadar olan bağlantı noktalarında ölçümler milimetre insindedir. Kullanılan büyüklükler ise güç artışı olduğundan MegaWatt olaaktır. Şekilde gösterilen ok yönleri ise hareketlerin frekans farkının pozitif olduğunu göstermektedir. Hata sinyali, g, X C 'deki pozisyon değişimi ile ölçülür. Devir sayısı regülatörünün ref ve X B 'deki pozisyon değişimi olan, f, jeneratörün frekans değişimi olmak üzere iki girişi vardır. Devir sayısı regülatörünün çalışması örneklenirse; üretilen güün talep edilen güçten az olması durumunda frekans değeri düşeektir. Bu durumda jeneratörün yavaş olduğu ve hızlanması gerektiği anlamına gelmektedir. Hız değiştirii sistem, hızı arttırmak için A noktası aşağı yönde hareket sağlayaaktır. B noktası da frekanstaki azalmadan dolayı aşağı yönde hareket edeektir (örneğin f = = ok yönüne göre frekans değişiminin pozitif olması durumunda). Regülatör çıkışı C noktası yukarı, pilot vana girişi D noktası yukarı doğru ve ana piston E noktası aşağı yönde hareket edeektir. Kontrol vanası aşağı yönde hareket edeeğinden buhar girişi artaağından türbin daha hızlı döneek ve jeneratör hızlanarak sistem frekansı istenilen değere getirileektir. Böylee birinil kontrol işlemi tamamlanır. Sistemin yeni çıkış güüne göre sistemi tekrar istenen frekans değerinde çalıştırmak ve üretimin kinetik enerjisini arttırmak için regülatör yük - frekans ayarı yapılarak ikinil kontrol işlemi sağlanır (Darçın, 004). Şekil.7'den görüldüğü gibi, yükte bir değişim olduğunda devir sayısı regülatörü içeren jeneratör biriminin zamana göre yanıtını gösterilmektedir. e elektriksel güçte artış olması durumunda, rotorun eylemsizliğinin belirlediği oranda frekans bozulmasına neden olur. Rotor hızı düşerken türbinin mekaniksel güü artmaya başlar. Bu durum karşılıklı olarak, rotor hızındaki düşme oranında türbinin mekaniksel güünde azalmaya neden olur. Türbin güü yükün güünü aştığında rotor hızında artma meydana gelir. Rotor hızı nihayetinde referans değerine gelir ve sürekli durumda türbin güü ilave yüke eşit olaak şekilde artar. Bir jeneratör izole bir yükü beslediğinde veya birden fazla 8

36 jeneratör bulunan sistemde sadee bir jeneratörün yükteki değişimlere evap vermesi ihtiyaı duyulduğunda devir sayısı regülatörü yeterli olarak çalışır. Sisteme bağlı olan jeneratörler arasında güç yük paylaşımı için, hız regülasyonunun veya düşü özelliğinin daha fazla tartışılması gerekir (Demirören ve Zeynelgil, 004). 0 r Rotor Hızı m Mekaniksel Güç m0 m = L Zaman(s) Şekil.7. Devir sayısı regülatörü içeren jeneratör biriminin rotor hızı ile mekaniksel güç arasındaki ilişki Sistemde yük değişimi olduğu anda devir sayısı regülatörünün etkisi Şekil.8 ile gösterilebilir. L zaman zaman = L D + D zaman L ss = + + D + D R R Şekil.8. Yükte küçük bir adımlık artışa evaplar Devir sayısı regülatörleri aynı sisteme bağlı iki veya daha fazla birim olduğunda kullanılamaz çünkü her bir jeneratörün tam olarak aynı hız ayarına sahip olması gerekir. Aksi durumda jeneratörler birbirlerine karşı üstünlük sağlamaya çalışaak ve her biri 9

37 sistem frekansını kendi ayar noktasında kontrol etmeye çalışaaktır. aralel çalışan iki veya daha fazla birim arasında dengeli yük paylaşımı yapmak için, devir sayısı regülatörlerinin, yük artarken hız azalaak şekilde bir özelliğe sahip olmalıdır (Kundur, 994). Devir sayısı regülatörünün sürekli durum karakteristiği Şekil.9'da gösterilmiştir (Saadat, 999) =0.65 pu 'de =.0 değerinde hız değiştiriinin ayarlanması R = =.0 pu 'de =.0 değerinde hız değiştiriinin ayarlanması (pu) Şekil.9. Devir sayısı regülatörünün sürekli durum hız karakteristiği Eğrinin eğimi, R hız regülasyon düşüşünü göstermektedir. Devir sayısı regülatörleri genellikle yüksüz durumdan tam yüklü duruma %5-6'lık bir hız regülasyonuna sahiptir. Hız regülatör mekanizması bir karşılaştırıı olarak çalışır. Bu karşılaştırıı çıkışı g, devir sayısı regülatörünün hız karakteristiklerinde verildiği gibi R güü ve ref referans güü arasındaki farkı vermektedir. = g ref R (.3) Denklem (.3) s domeninde ifade edilirse; g ( s) = ref ( s) f ( s) (.33) R güü, hidrolik yükselteç vasıtasıyla V buhar vanası pozisyon güüne g dönüştürülür. Lineer bir bağıntı varsayılarak ve basit bir T g zaman sabiti düşünülerek s domeninde aşağıdaki bağıntı kurulabilir. 0

38 V ( s) = g ( s) + T s g (.34) ref ( s) g V ( s) + T s g R ( s) Şekil.0. Buhar türbinine ait hız regülatör sisteminin blok diyagramı R ( ) L s ( s) ref g +Tg s V +Th s m Hs + D ( s) Şekil.. İzole bir güç sisteminin yük frekans kontrol blok diyagramı Denklem (.33) ve (.34) Şekil..'de verilen blok diyagramı göstermektedir. Şekil.4, Şekil.5 ve Şekil.0.'daki bloklar kullanılarak Şekil. ile gösterilen izole bir güç sisteminin yük frekans kontrol bloğunu oluşturmaktadır. Şekil.'deki blok diyagram dikkate alınarak ( s) yük değişimini giriş olarak ve frekans değişimi L f ( s) çıkış olarak alınarak Şekil.'de gösterilen blok diyagram oluşturulur. Şekil.'deki blok diyagramın açık çevrim transfer fonksiyonu Denklem (.35) ile verilmiştir. KG( s) H ( s) = R T s Hs D T s ( + g )( + )( + h ) (.35) Kapalı çevrim transfer fonksiyonu Denklem (.36) ile verilmiştir. ( Tg s)( Th s) ( )( )( ) ( s) + + = ( s) + T s Hs + D + T s + R L g h (.36)

39 ( s) = ( s) T( s) (.37) L ( ) L s Hs + D ( s) ( + g )( + h ) R T s T s Şekil.. ( s) girişi ve f ( s) çıkışı bulunan YFK blok diyagramı L Yük değişimi basamak girişi ( s) = s olarak değerlendirilebilir. Son değer teoremi kullanılarak L L sürekli durum değeri Denklem (.38) ile belirlenir. ss = slim 0s f ( s) ( L ( s) ) (.38) D + R Frekanstan bağımsız yük durumları için ( D = 0) frekanstaki sürekli durum değişimi hız regülasyon düşüşü ile belirlenir. ss ( ) = R (.39) L Sisteme R, R,..., R n devir sayısı regülasyonu içeren birden fazla jeneratör bağlandığında, frekanstaki sürekli durum değişimi Denklem (.40) ile verilebilir. ss ( ( s) ) = L D + R + R +... R n (.40)..6 Hız regülasyon yüzdesi veya düşüşü R hız regülasyon düşüşü, üretim biriminin yük karakteristiğinin sürekli durum hızına göre belirlenir. Hız değişiminin ( r ) veya frekans değişiminin ( f ) Valf/kapak

40 pozisyonundaki ( V ) veya çıkış güündeki ( ) değişime oranı R hız regülasyon düşüşüne eşittir (Kundur, 994). G hız yüzdesi veya frekans değişimi % R = x00 çıkış güü değişim yüzdesi = NL FL 0 x00 (.4) Burada; NL : yüksüz durumdaki hız FL : tam yüklü durumdaki hız 0 : nominal veya ilgili hız Örneğin, %5 'lik hız düşüşü veya regülasyonun anlamı, frekansta %5'lik değişimin çıkış güü veya valf pozisyonunda %00'lük değişime neden olmasıdır. NL 0 = f0 FL = f R = f f = f f Şekil.3. Hız düşüşüne sahip olan bir devir sayısı regülatörünün ideal sürekli durum karakteristiği. Otomatik Üretim Kontrolü Birinil hız kontrol işlemi bulunan bir sistemde; sistem yükündeki herhangi bir değişim, frekansın yük üzerindeki etkisine ve devir sayısı regülatörünün düşü karakteristiğine bağlı olarak sürekli durum frekans değişimine neden olaaktır. Hızı ayarlanan tüm üretim birimleri yükün değişim bölgesine bakılmaksızın üretimde bütünsel bir değişim sağlayaaktır. Sistem frekansının tekrardan nominal değere getirilmesi (hız değiştirii 3

41 motor ile) yük referans noktasını ayarlayan ikinil kontrol işlemi gerektirir. Bu yüzden, istenilen bir şekilde sistem yükündeki değişimleri karşılamak için tahrik sistemi güünün kontrol edilmesinin temel amaı seçilen üretim birimlerinin yük referans ayar noktalarının kontrolünün gerçekleştirilmesidir. Sistem yükü sürekli değiştiğinde, jeneratörlerin çıkışının otomatik olarak değişmesi gerekir (Kundur, 994). Otomatik üretim kontrolünün ilk amaı, frekansı belirlenen nominal değere ayarlamak ve seçilen jeneratörlerin çıkışını ayarlayarak kontrol bölgeleri arasındaki güç alış verişini istenilen değerlerde sürdürmektir. Bu işlem yaygın olarak yük frekans kontrolü olarak adlandırılır. Sistemin ikini amaı ise çalışma maliyetlerini minimize etmek için üretimde ihtiyaç duyulan değişimi üretim birimleri arasında dağıtmaktır (Kundur, 994)... AGC içeren bir bölgeli yük frekans kontrol sistemi Birinil YFK çevrimi ile sistem yükündeki bir değişim devir sayısı hız regületörüne bağlı olarak, sürekli durum frekans değişimine neden olaaktır. Frekans değişimini sıfıra indirmek için reset işlemi yapılmalıdır. Reset işlemi hız ayar noktasını değiştirmek için yük referans ayar noktasına bir integral kontrolör girilerek yapılabilir. Son frekans değişimini sıfıra indirilmesi sağlanarak sistem tipi bir deree artar. İkinil kontrol çevrimini içeren YFK sistemi Şekil.4 ile gösterilmiştir (Saadat, 999). G ( ) C s R ( ) L s ref ( s) g + stg V + sth m Hs + D f ( s) Şekil.4. İzole bir güç sistemine AGC 'nin eklenmesi.3 İki Bölgeli Yük Frekans Kontrol Sistemi Ani yük değişim durumunda izole bir güç sisteminin frekans analizinin yapılması için, Şekil.'de gösterildiği gibi tek makineli eşdeğer devreden yola çıkılarak çok makineli bir sistemin dinamik modeli kullanılmıştır. Bu durumda önerilen model, çok makineli 4

42 bir sistemin tümü için eşdeğer bir frekans yanıt modeli olarak kullanılabilir (Demirören ve Zeynelgil, 004). Şekil. ile tanımlanan YFK sistem modeli, bağlantı hattı güç sinyali dikkate alınarak değiştirilmelidir. Ayrıa Şekil.'de gösterilen eşdeğer model de tek bir sönümleme sabiti içeren jeneratörler ve sistem yüklerinin etkileri bir arada gösterilmektedir. Eşdeğer eylemsizlik sabiti, tüm jeneratör birimlerinin eylemsizlik sabitlerinin toplamına eşit olduğu varsayılır. Ayrıa, her bir kontrol çevrimi ve türbin-jeneratörler aynı regülasyon parametrelerine ve karakteristiklere sahip olduğu varsayılır. Eşdeğer modelin yalnıza izole bir güç sisteminin frekans yanıt analizini basitleştirmek için kullanıldığına dikkat edilmelidir (Demirören ve Zeynelgil, 004). İzole bir güç sisteminde güç değişiminin ayarlanması önemli bir kontrol sorunu değildir ve yük frekans kontrol sisteminin görevi sistem frekansını istenilen nominal değere getirmekle sınırlıdır. Enterkonnekte güç sistemlerinin tanımlandığı modeli genelleştirmek için, kontrol bölgesi kavramının kullanılması gerekir. Kontrol bölgesi, jeneratör ve yük gruplarını içeren uyumlu bir alanı tanımlar. Burada tüm jeneratörler, hız değiştirii ayarlarına veya yükteki değişimlere birlikte yanıt verir. Frekansın bir kontrol bölgesinin tüm noktalarında aynı olduğu varsayılır (Kundur, 994). Şekil.5 (a)'da gösterilen enterkonnekte bir güç sistemi X ara bağlantı hattı reaktansı ile bağlı olan iki bölge içerir. Yük-frekans çalışmalarında her bir bölge, kendi performansının tamamen belirtildiği eşdeğer bir üretim birimi ile gösterilebilir. Bu tür sistem modelleri her bir bölge dahilinde makineler arasındaki osilasyonlar dikkate alınmadığı için kabul edilebilir (Kundur, 994). Şekil.5 (b)'de X ara eşdeğer reaktansa sahip olan bağlantı hattının her iki tarafında bir gerilim kaynağı ile gösterilen her bir bölge sistemin elektriksel eşdeğer devresini göstermektedir. Normal çalışma durumunda, bağlantı hattı üzerinden transfer edilen aktif güç Denklem (.4) ile verilebilir (Kundur, 994). E E = sinδ (.4) X 5

43 Burada X = X + Xtie + X, her iki bölgedaki jeneratörlerin ve bağlantı hattı reaktanslarının toplamını göstermektedir. δ = δ δ, δ ve δ. Bölge ve. Bölge'deki jeneratörlerin güç açısını ifade etmektedir ayrıa E ve E her iki bölgedeki jeneratörlerin terminal gerilimlerini göstermektedir (Kundur, 994). δ = δ0 ve δ = δ0 alınarak, bağlantı hattı güç akışında 'lik küçük bir değişim için Denklem (.4) lineerleştirilebilir. d = δ dδ δ 0 = T δ (.43) Burada T, δ = δ δ başlangıç çalışma açısındaki güç açısı eğrisinin eğimidir. T ve. Bölge arasındaki senkronizasyon güç katsayısı olarak tanımlanır. T d E E = = os δ (.44) 0 dδ X δ 0 Bağlantı hattı güç değişimi Denklem (.45) ile tanımlanır. = T ( δ δ ) (.45) 6

44 X ara a X X ara X E δ E δ X b R ( ) L s ref ( s) m g V + stg + sth Hs + D ( s) T s ref ( s) m g V + stg + sth H s + D ( s) R L( s) Şekil.5. Sadee birinil hız kontrolü bulunan iki bölgeli YFK sistemi, İki bölgeli sistem (a), Elektriksel eşdeğer devre (b) ve İki bölgeli sistemin blok diyagram() Sistemin blok diyagramı Şekil.5 ()'de gösterilmiştir. Şekil.5 ()'de her bir bölgenin eşdeğer eylemsizliği M, yük sönümleme sabiti D, türbin ve R hız regülasyon düşüşü özelliğine sahip devir sayısı regülatörü bulunmaktadır. Bağlantı hattı, T senkronize güç katsayısı ile gösterilmiştir. 'nin pozitif elde edilmesi ( δ > δ olması durumunda). Bölge'den. Bölge'ye güç transferinin arttığını göstermektedir. Bu durum aynı zamanda. Bölge'de yükün artmasına ve. Bölge'de yükün azalmasına eşdeğerdir. Bu yüzden 'nin geri beslemesi. Bölge için negatif,. Bölge için 7

45 pozitif bir işaret alır. Sürekli durum frekans değişimi ( f = f f0) iki bölge için aynıdır. L toplam yük değişimi (Kundur, 994); = = = L ( R + R ) + ( D + D ) (.46). Bölge'de L yük değişimi olduğu düşünülürse, sürekli durumda her iki bölge aynı sürekli durum frekans değişimine sahip olaaktır. = = (.47) = D (.48) m L Aynı zamanda. Bölge için; + = D (.49) m Mekaniksel güçteki değişim hız regülasyon düşüşüne bağlıdır. Böylee; m = (.50) R m = (.5) R Denklem (.48)'de ilgili yere Denklem (.50) ve Denklem (.49)'da ilgili yere Denklem (.5) yazılırsa (Kundur, 994); + D = L R (.5) 8