HARMONİK DİSTORSİYONUNUN ÖLÇÜM NOKTASI VE GÜÇ KOMPANZASYONU BAKIMINDAN İNCELENMESİ

Transkript

1 HARMONİK DİSORSİYONUNUN ÖLÇÜM NOKASI VE GÜÇ KOMPANZASYONU BAKIMINDAN İNCELENMESİ Celal KOCAEPE Oktay ARIKAN Ömer Çağlar ONAR Mehmet UZUNOĞLU Yıldız ekik Üiversitesi Elektrik-Elektroik Fakültesi Elektrik Mühedisliği Bölümü Aahtar kelimeler : Harmoik, Kompazasyo, Güç faktörü, oplam harmoik distorsiyou ÖZE Bu çalışmada, güümüz şartlarıda öemi giderek arta güç sistemlerideki eerji kalitesi kousuda öemli bir parametre ola harmoikleri, sistemi çeşitli oktalarıda ede oldukları bozulma ve güç kompazasyou üzerideki etkileri icelemiştir. Harmoikleri sistemde var olması durumuda elektriksel büyüklükleri taımlamalarıı asıl yapıldığı verilerek, harmoik bileşeleri kapasite üzerideki etkisi ortaya komuştur. Harmoik ölçümlerii stadartlara uygu şekilde yapılmasıı öemie işaret edilerek buu gerekliliği üzeride durulmuştur. Sayısal uygulama kısmıda, ele alıa olieer yükleri farklı baralara bağlı olduğu üç farklı sistemde, kompazasyou devrede olduğu hal ve kompazsasyou devrede olmadığı hal içi simülasyolar yapılmıştır. Simülasyo ile elde edile souçlar verilmiştir. Buları değerledirilmesiyle ortaya koa souçlarda, sistemde olieer yükü olması durumuda ölçümü asıl yapılması gerektiği ve olieer yükü farklı baralara bağlı olduğu durumlarda yapıla kompazasyou sistemde meydaa getirdiği bozulma etkisi ortaya koulmuştur.. GİRİŞ ekolojii gelişmesi ve üfusu artması ile beraber elektrik eerjisie ola talep sürekli artmaktadır. Bu artış, güveilir ve kaliteli elektrik eerjisi kousuu güdemimize getirmiştir. Elektrik eerji kalitesi olarak adladırıla bu kavram kapsamıda, olieer sistemleri artması soucu harmoikleri meydaa getirdiği etkiler kalite problemii öemli faktörleride biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Elektrik güç sistemleride harmoiklerde dolayı gerilim ve akım dalga şekillerii bozulması birçok problemlere yol açmaktadır. Harmoikleri güç sistemide meydaa getirdiği soruları giderilmesi içi bu bileşeleri ölçümü ve bileşeleri aalizleri çok öemlidir. Ele aldığımız sistemlerde, hagi oktalarda ölçüm alıacağı, buları aalizlerii asıl yapılacağı, dikkat edilmesi gereke koulardır. Bular yapılırke uluslararası ve ulusal kuruluşları belirlediği stadartlar baz alımalı, yapılması gereke aaliz, ölçüm ve ölçüm süreleri uygu stadartlara göre yapılmalıdır [], [].. HARMONİK KAVRAMLARI Güç sistemleri içi taımlaa elektriksel büyükler siüsoidal sürekli hal işletim sistemleri içi taımlamıştır. Harmoik bileşeleri devrede buluması bu taımlamaları yei durum içi tekrar yapılmasıı gerektirmektedir. Harmoikli durumda harmoik bileşeii göstermek üzere, gerilim ve akımı efektif değerleri, V = v (t)dt = V () 0 0 = I = i (t)dt = I () = olarak taımlaır. Buları yardımıyla görüür güç ifadesi, S = V.I (3) belirleir. Literatürde harmoikli durumda görüür güç, S + = P + Q D (4) deklemi kullaılarak taımlaır. D ile gösterile distorsiyo gücü olup, aktif olmaya bir güçtür ve siüsoidal işaretli lieer devrelerde sıfırdır. Aktif ve reaktif güçler sırasıyla, = P = V I cos( θ δ ) = P (5) = = Q = V I si( θ δ ) (6) deklemleri kullaılarak hesaplaabilir. Burada, θ ile δ sırasıyla. harmoik gerilim ve akımıa ait faz açılarıdır.

2 oplam güç faktörü ifadesi siüsoidal ve osiüsoidal durumlarda değişmeksizi aşağıdaki deklem kullaılarak hesaplaabilir. P GF = (7) S Gerilim ve akımdaki harmoikler edeiyle meydaa gele bozulmayı göstere ve geellikle stadartlarda harmoikleri sıırladırılması içi kullaıla öemli bir ifade ola toplam harmoik distorsiyou (HD) gerilim ve akım içi, olarak taımlamıştır. HD V = V = (8) V = I HDI = (9) I 3. HARMONİK BİLEŞENLERİN KAPASİE İLE EKİLEŞİMİ Kodasatörler harmoik ürete bir elema olmamakla birlikte sistemde bulua harmoik seviyelerii etki bir biçimde artmasıa ede olurlar. Harmoikler ise kodasatörlerde hem aşırı gerilimlere hem de aşırı akımlara ve buları soucuda da aşırı reaktif yüklemeye yol açarlar. Ayrıca harmoik bileşeler sistemdeki kodasatörlerle selfler arasıda rezoas meydaa getirerek işletmei sürekliliğii de etkilerler [], []. Harmoikli durumda güç faktörü değişmekte ve güç faktörüü düzeltilmesi sadece kapasite elemaı ile yapılamamaktadır. Buu içi devreye filtre elemalarıı yerleştirilmesi gerekmektedir [3]. Harmoik distorsiyouu mevcut olduğu durumda, güç faktörüü düzelte kodasatörleri gerilimleri omial gerilim değerii üzerie çıkabilir. Oluşa bu aşırı gerilim, gerilim harmoik bileşeleri (V ) edeiyle oluşmaktadır. Kodasatörlerde aşırı akım, harmoik gerilim bileşelerii her birii devrede akıtacakları harmoik akımlar edeiyle ortaya çıkmaktadır. Harmoik içermeye bir devrede kodasatörü reaktası X C ike harmoik mertebesi ola harmoik bileşe içi ayı kodasatörü reaktası, X C X C = = (0). ω.c eşitliği kullaılarak buluur. Harmoik derecesi arttıkça kapasitif reaktas azalacaktır. Burada. harmoik bileşeie ait kodasatör akımı, I = V X =. ω.c.v () C olur. Bu eşitlik icelediğide harmoik distorsiyouu kodasatör akımıda, kodasatör gerilimide daha fazla olduğu görülecektir. Bu bilgiler doğrultusuda, sistemde harmoikleri buluduğu ortamda kompazasyo yapıldığıda, akım değerii ve reaktif güç değerii artacağı ve meydaa gele distorsiyou (HD I ) yükseleceğii söyleyebiliriz. Ayı zamada harmoikli ortamda kodasatörü dielektrik malzemeside zorlama ve dielektrik kayıplarda artış meydaa gelir. Kodasatörler sistemde gerilim yükselmelerie sebep oldukları içi, şebekede yükleri az olduğu durumlarda trasformatörleri doyma bölgesie girmesi soucu harmoik bileşeleri artmasıa da sebep olmaktadırlar [], []. 4. HARMONİK ÖLÇÜMÜ Harmoik bileşeleri mevcut olduğu hallerde ölçümler yapılırke uluslararası (IEC ) ve ulusal (EPDK yöetmelikleri) stadartlara uygu şekilde ölçümler yapılması çok öemlidir. Yapılacak aalizler ve gerekirse getirilecek çözüm öerileri bu ölçümlere göre yapılacağıda bulara özellikle dikkat edilmelidir. Yapılacak ölçümler içi Elektrik Piyasası Dağıtım Yöetmeliğide, dağıtım şirketi ve kullaıcıı ilgili stadartlara uymakla yükümlü olduğu belirtilmiş ve Madde 5 d de oplam harmoik bozulmaya ilişki hizmet kalitesii sağlaabilmesi içi, ölçüle toplam harmoik bozulmaı, ölçüm süresii % 5 ide daha uzu bir süre içide % 8 de daha yüksek olmaması gerekir hükmü vardır. Bu yüzde ölçüm süreleri ve hassasiyeti öemlidir [4]. Ayrıca kompazasyola ilgili olarak da Madde de, Kompazasyo tesisii dağıtım şirketi tarafıda oaylamış ve devreye alımış olması; tesislerde sorada ortaya çıkabilecek rezoas, harmoik bozulma, gerilim yükselmesi gibi hizmet kalitesii boza durumları giderilmesi hususudaki kullaıcı sorumluluğuu ortada kaldırmaz. Demektedir [4]. 5. SAYISAL UYGULAMA Sayısal uygulama içi 3 ayrı barada beslee lieer yükler ve sırasıyla bu baralara bağlaa olieer yük bulua bir sistem ele alımıştır. Nolieer yükü baralara bağlaması, her barada distorsiyo değerii değişimii belirlemesi içi yapılmıştır. Kompazasyo amaçlı kullaıla kodasatör devreye alımak suretiyle her bir durum içi güç

3 kompazasyolu durumda değişimler araştırılmıştır (Şekil a, b, c). Şekil a. Nolieer yükü C barasıda olması hali Şekil b. Nolieer yükü B barasıda olması hali Şekil c. Nolieer yükü A barasıda olması hali Şekil a. Şekil a daki durum içi kompazasyo devrede değilke C barasıdaki gerilim dalga şekli Şekil b. Şekil a daki durum içi kompazasyo devrede değilke C barasıdaki gerilimi harmoik spektrumu Devrei aalizi MALAB programı kullaılarak yapılmıştır [5]. Şekil a daki durum içi aalizde kullaıla devre modeli Şekil 3 de örek olarak verilmiştir. Aaliz soucu elde edile değerler ablo, ablo ve ablo 3 de detaylı olarak ortaya komuştur. Şekil 3. Devrei aalizi içi kullaıla MALAB Simulik de hazırlamış model ablo a. Şekil a içi kompazasyo devrede değilke elde edile simülasyo souçları A % 4,8,8 V B % 0,8 0,6 V C % 6,38 94,9 V % 0,04 8,5 V ablo b. Şekil a içi kompazasyo devredeyke elde edile simülasyo souçları A % 8,4 4, V B % 0,35,4 V C % 3,77 05,8 V % 0,6 8,6 V ablo a. Şekil b içi kompazasyo devrede değilke elde edile simülasyo souçları A % 5,08,7 V B % 0,86 0,7 V C % 0,8 98, V % 0,04 8,5 V ablo b. Şekil b içi kompazasyo devredeyke elde edile simülasyo souçları A % 9,30 4,3 V B %,35 3,8 V C %,56 0 V % 0,7 8,6 V

4 ablo 3a. Şekil c içi kompazasyo devrede değilke elde edile simülasyo souçları A % 5,48,9 B %5,43 05,6 C %5,4 0 %0,05 8,5 ablo 3b. Şekil c içi kompazasyo devredeyke elde edile simülasyo souçları A % 0,84 4,6 B % 0,66 6,9 C % 0,56 3 % 0,8 8,6 Nolieer yükü farklı baralarda buluması durumuda trasformatör çıkışı ve A, B, C baralarıda elde edile değerleri ablo a, ablo a, ablo 3a da verilmiştir. Elde edile değerler icelediğide, her durum içi baralarda ölçüle HD ve gerilim değerlerii farklılık gösterdiği görülmektedir. Bu yüzde olieer yükü olması halide hagi baraya bağlaması gerektiğii bu aalizler soucu belirlemesi gerekir. Şekil 4. Nolieer yük ve kompazasyou C barasıda olması hali ablo 4. Şekil 4 içi kompazasyo devredeyke elde edile simülasyo souçları A % 9,3 9,9 V B % 8,85 7, V C % 8,9, V % 0,07 8,6 V Nolieer yükü C barasıda olması durumuda yapıla iki farklı kompazasyou (Kompazasyou A barasıda ve kompazasyou C barasıda olması halleri) etkilerii karşılaştırabilmek içi elde edile gerilim dalga şekilleri ve harmoik spektrumları aşağıda verilmiştir. ablolardaki değerler icelediğide, e kötü durumu olieer yükü C barasıa bağlaması olduğu görülmektedir. Yie ablo b, ablo b ve ablo 3b de kompazasyou A barasıda yapılması durumuda olieer yükü farklı baralara bağlı olmasıı soucuda elde edile değerler verilmiştir. Kompazasyou devreye girmesi ile toplam harmoik distorsiyoları büyük orada artış gösterdiğie dikkat edilmelidir. Buraya kadar yapmış olduğumuz icelemelerde, olieer yükü farklı baralara bağlı olması içi ve bu durumlarda kompazasyou A barasıda olması içi simülasyo souçlarıı ve aalizler verilmiştir. Fakat buları yaıda olieer yükü sabit olarak bir barada buluması durumuda kompazasyou farklı baralarda yapılması da icelemesi gereke bir koudur. Örek sistem üzeride buu icelemesii Şekil a da kompazasyou devrede olduğu durum ile yie kompazasyou devrede ola Şekil 4 de verile sistemi karşılaştırarak irdeleyebiliriz. Şekil 5a. Şekil 4 teki durumda kompazasyo devredeyke C barasıdaki gerilim dalga şekli Şekil 5b. Şekil 4 teki durumda kompazasyo devredeyke C barasıdaki gerilimi harmoik spektrumu

5 güç kompazasyou yaparke buu mutlaka dikkate alıması gerekmektedir. Şekil 6a. Şekil a daki durumda kompazasyo devredeyke C barasıdaki gerilim dalga şekli Yukarıda belirtile souçlar, olieer yükleri buluduğu ortamlarda kompazasyo gerçekleştirilirke sistemi icelemesi gereğii ortaya koymaktadır. Böyle durumlarda güç kompazasyou yapmada öce sistemde gerekli ölçümleri yapılmasıı ve buları aaliz edilmesii gerektiği ifade edilebilir. Bu işlemleri yapılması ile sistem içi hem distorsiyo bakımıda hem de güç kompazasyou bakımıda e uygu çözüm sağlaabilecektir. KAYNAKLAR Şekil 6b. Şekil a daki durumda kompazasyo devredeyke C barasıdaki gerilimi harmoik spektrumu Nolieer yükü C barasıda olduğu durumda kompazasyou A ve C barasıda yapılması durumu içi gerilim dalga şekilleri ve harmoik spektrumları Şekil 5a, Şekil 5b, Şekil 6a ve Şekil 6b de gösterilmiştir. Simülasyo soucu elde edile değerler ablo b ve ablo 4 de verilmiştir. Bu iki tabloda verile değerler karşılaştırıldığıda, kompazasyou farklı baralarda [] Kocatepe, C., Uzuoğlu, M., Yumurtacı, R., Karakaş, A., Arıka, O., Elektrik esisleride Harmoikler, Birse Yayıevi, İstabul, 003. [] Arrillaga, J., Bradley, D. A., Bodger, P.S., Power System Harmoics, Joh Wiley & Sos, Norwich, 985. [3] Shepherd, W., Zad, P., Eergy Flow ad Power Factor i Nosiusoidal Circuits, Cambridge Uiversity Pres, 979. [4] Eerji Piyasası Düzeleme Kurumu, Elektrik Piyasası Dağıtım Yöetmeliği, 505 sayılı Resmi Gazete, 9 Şubat 003. [5] Uzuoğlu, M., Kızıl, A., Oar, Ö.Ç., "Her Yöü İle MALAB", ürkme Kitabevi, İstabul, SONUÇLAR Yapıla bu çalışma ile gerçekleştirile aalizde soucu elde edile souçlar şu şekilde ifade edilebilir : Kompazasyou yapılmadığı durumda olieer yükü bağladığı barada e büyük distorsiyo değeri ortaya çıkmaktadır. Kompazasyou yapılması halide harmoik distorsiyo değerleri kompazasyosuz duruma göre tüm baralarda artış göstermektedir. Sistemdeki lieer yükler sabit ike olieer yükü bağladığı bara değiştirildiğide baralardaki distorsiyo değerleride değişim göstermektedir. Kompazasyolu durumda beklediği gibi sistemdeki gerilim düşümleri azalma göstermektedir. Kompazasyou bağladığı bara özellikle distorsiyo bakımıda öem kazamaktadır. Kompazasyo barası diğer baralarda da distorsiyo değerii değişmesie ede olmaktadır. Nolieer yükleri olduğu sistemde