ELEKTRİK ENERJİ SİSTEMLERİNDE OLUŞAN HARMONİKLERİN FİLTRELENMESİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ MODELLENMESİ VE SİMÜLASYONU

Transkript

1 T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK ENERJİ SİSTEMLERİNDE OLUŞAN HARMONİKLERİN FİLTRELENMESİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ MODELLENMESİ VE SİMÜLASYONU Mehmet SUCU (Teknik Öğretmen, BSc.) YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ELEKTRİK EĞİTİMİ PROGRAMI DANIŞMAN Doç.Dr. Koray TUNÇALP İSTANBUL 2003

2 ŞEKİL LİSTESİ Şekil II.1. SAYFA NO Temel Dalga İle 2., 3., 4., 5. Harmonikler Ve Bunların Bileşkesi Olan Toplam Dalgalar...7 Şekil III.1. Çift Fonksiyon Simetrisine Örnek...23 Şekil III.2. Tek Fonksiyon Simetrisine Örnek...24 Şekil III.3. Grafik Metotla Fourier Analizinin Yapılması [16]...28 Şekil III.4. Tipik Bir Simetrik Nonsinüsoidal Akım Olan Transformatörlerin Uyarma Akımı...30 Şekil III.5. Tipik Bir Simetrik Nonsinüsoidal Akım Olan Transformatörlerin Uyarma Akımının Yarım Periyodu...31 Şekil III.6. Sinüsoidal Gerilim Beslemeli Nonlineer Devre...37 Şekil III.7. Nonsinüsoidal Gerilim Beslemeli Lineer Devre...39 Şekil III.8. n., h. Ve k. Harmonik Mertebeleri Arasındaki İlişki...43 Şekil IV.1. Lineer Yüklerin Modellenmesi (a) Endüktif Yük Durumu İçin, (b) Kapasitif Yük Durumu İçin...53 Şekil IV.2. Nonlineer Yüklerin Modellenmesi...53 Şekil IV.3. Direnç Elemanının Modellenmesi...55 Şekil IV.4. Endüktif Reaktansın Modellenmesi...56 Şekil IV.5. Kapasitif Reaktansın Modellenmesi...57 Şekil IV.6. Örnek Elektrik Enerji Sisteminin Kapalı Şeması...58 Şekil IV.7. Örnek Elektrik Enerji Sisteminin Açık Şeması...59 Şekil IV.8. Seri Rezonans Devresi...60 Şekil IV.9. Paralel Rezonans Devresi...63 Şekil IV.10. Transformatörün Eşdeğer Devresi [20]...67

3 Şekil IV.11. Transformatörün Harmonik Bağımlı Modellenmesi...68 Şekil IV.12. İletim Hattının π Eşdeğer Devresi [21]...70 Şekil IV.13. İletim Hattının π Eşdeğer Devresinin Harmonik Bağımlı Modellenmesi...69 Şekil IV.14. Asenkron Motorun Temel Frekanstaki Eşdeğer Devresi [22]...72 Şekil IV.15. Asenkron Motorun Harmonik Bağımlı Modellenmesi...73 Şekil V.1. Seri Pasif Filtre İçin Bir Örnek...83 Şekil V.2. Pasif Filtre İçin Bir Örnek (Tek Ayarlı Paralel Pasif Filtre)...84 Şekil V.3. Tek Ayarlı Paralel Pasif Filtre...85 Şekil V.4. Tek Ayarlı Paralel Pasif Filtre İçin Frekans-Empedans İlişkisi...86 Şekil V.5. Çift Ayarlı Paralel Pasif Filtre...89 Şekil V.6. Çift Ayarlı Paralel Pasif Filtre İçin Frekans-Empedans İlişkisi...88 Şekil V.7. Şekil V.8 Şekil V.9. Şekil V.10. Yüksek Geçiren Sönümlü Filtreler (a) Birinci Derece, (b) İkinci Derece, (c) Üçüncü Derece, (d) C Tipi...89 Yüksek Geçiren Sönümlü Paralel Pasif Filtre İçin Frekans-Empedans İlişkisi...92 Kompanzasyon Sistemine Seri Endüktans Bağlamak...91 Paralel Aktif Filtrenin Prensip Şeması...96 Şekil V.11. Seri Aktif Filtrenin Prensip Şeması...97 Şekil V.12. Aktif Güç Filtresinin Blok Şeması [32]...97 Şekil V.13. Dönüştürücü Bloğunun Prensip Şeması [32]...99 Şekil V.14. Gerilim Beslemeli Üç Fazlı PWM Dönüştürücünün Ana Akım Devresi [32] Şekil V.15. BJT li Akım Beslemeli Dönüştürücünün Ana Akım Devresi [32].101 Şekil V.16. Histerezis Metodunun Prensip Şeması [32] Şekil V.17. Üçgen Dalga Metodunun Prensip Şeması [32] Şekil V.18. α β Dönüşümü [32] Şekil V.19. Anlık Uzay Vektörleri [32] Şekil V.20. a b c Koordinatlarında p q Teorisinin Güç Bileşenleri [33].110 Şekil V.21. a b c Koordinatlarında p q Teorisinin Güç Bileşenlerinin Paralel Aktif Güç Filtresi İle Kompanzasyonu [32,33]...112

4 Şekil V.22. p q Teorisi Uygulanmış Bir Paralel Aktif Filtre İçin Kontrol Blok Şeması [32,33] Şekil VI.1. Örnek Elektrik Enerji Tesisi Şekil VI.2. Örnek Elektrik Enerji Tesisinin MATLAB de Hazırlanan Simülasyon Devresi Şekil VI.3. Ölçüm Bloğu İsimli Kapalı Bloğun İç Devresi Şekil VI.4. A-B-C Fazlarına Ait Nonlineer Yüklerin İç Şeması Şekil VI.5. A Fazı Akımı Şekil VI.6. A Fazı Faz-Nötr Gerilimi Şekil VI.7. A Fazı Akımının FFT Değeri Şekil VI.8. A Fazı Faz-Nötr Geriliminin FFT Değeri Şekil VI.9. A Fazı Akımının THD Değeri Şekil VI.10. A Fazı Faz-Nötr Geriliminin THD Değeri Şekil VI.11. Örnek Elektrik Enerji Tesisine Tek Ayarlı Filtrenin Uygulanması.125 Şekil VI.12. Tek Ayarlı Filtrenin Açık Şeması Şekil VI.13. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımı Şekil VI.14. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Gerilimi.127 Şekil VI.15. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımının FFT Değeri Şekil VI.16. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Geriliminin FFT Değeri Şekil VI.17. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımının THD Değeri Şekil VI.18. Tek Ayarlı Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Geriliminin THD Değeri Şekil VI.19. Örnek Elektrik Enerji Tesisinin Kompanzasyon Sistemine Seri Endüktansın Uygulanması Şekil VI.20. Seri Endüktans Bağlı Kompanzasyon Sisteminin Açık Şeması Şekil VI.21. Akımı Şekil VI.22. Faz-Nötr Gerilimi...135

5 Şekil VI.23. Şekil VI.24. Şekil VI.25. Şekil VI.26. Şekil VI.27. Şekil VI.28. Şekil VI.29. Akımının FFT Değeri Faz-Nötr Geriliminin FFT Değeri Akımının THD Değeri Faz-Nötr Geriliminin THD Değeri Örnek Elektrik Enerji Tesisine Aktif Filtrenin Uygulanması V x, Vy ( V α β I x, I y ( I α β V, ) Kapalı Bloğu I, ) Kapalı Bloğu Şekil VI.30. Kare Kapalı Bloğu Şekil VI.31. Fark Akımları Hesaplama Kapalı Bloğu Şekil VI Fazlı Referans Kaynağın Kapalı Bloğu Şekil VI.33. Dönüştürücü Sinyali Kapalı Bloğu Şekil VI.34. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımı Şekil VI.35. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Gerilimi Şekil VI.36. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımının FFT Değeri Şekil VI.37. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Geriliminin FFT Değeri Şekil VI.38. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Akımının THD Değeri Şekil VI.39. Aktif Filtre Uygulandıktan Sonra A Fazı Faz-Nötr Geriliminin THD Değeri...145

6 TABLO LİSTESİ Tablo II.1. SAYFA NO Deney Motorlarının Yükte Çalışması Sırasında Ölçü Bobinlerinde İndüklenen Emk İn Dalga Biçiminin Fourier Analizi Sonucunda Elde Edilen Harmonik Katsayıları [7]...12 Tablo III.1. Transformatörün Uyarma Akımının Grafiğine Ait Değerler...31 Tablo III.2. Temel bileşen İçin Oluşturulan Tablo...32 Tablo III Harmonik İçin Oluşturulan Tablo...33 Tablo III Harmonik İçin Oluşturulan Tablo...34 Tablo III.5. Çeşitli Ülkelerin Harmonik Standartları [18]...49 Tablo III.6. IEEE nin Gerilim İçin Harmonik Standartları [19]...49 Tablo III.7. IEEE nin Akım İçin Harmonik Standartları [19]...50 Tablo V.1. Kompanzasyon Sistemine Seri Bağlanacak Endüktanslar İçin Seçim Tablosu [30]...93 Tablo V.2. Aktif Filtre İle Pasif Filtrenin Karşılaştırılması [29,32]...96 Tablo VI.1. Örnek Elektrik Tesisindeki Nonlineer Yüklere Ait Akım Genlikleri...115