6 th Internatonal Avance Technologes Symposum (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Paralel Aktf Güç Fltresnn Denetm İçn Farklı Referans İşaret Çıkarma Yöntemlernn İncelenmes R. Çötel, F. Uçar, B. Danıl, F. Ata Fırat Ünverstes, Teknk Eğtm Fakültes, Elektrk Eğtm Bölümü, 23119, Elazığ/Türkye, fucar@frat.eu.tr, Investgaton of Dfferent Reference Etracton Methos for Control of Parallel Actve Power Flters Abstract Wesprea use of power electronc base eupments has been cause the storton of electrc power ualty n power systems. Reactve power an harmoncs are the most commonly electrc power ualty problems. Tratonally, passve flters are use to solve these problems. However, passve flters have some lmtatons n applcaton such as lan space, resonance an slow response. Recently, actve power flters (AF) have been replace wth passve flters because of ts avantages over conventonal flters. In ths paper, a smulaton moel of AF s prepare n Matlab/Smulnk software. Smulaton moel covers reference current etracton, source an nonlnear loa, couplng nuctance, two-level nverter an control of nverter swtches. Nonlnear loa current nclues 5 th an 7 th harmoncs an AF s controlle to elmnate these harmoncs. Gate pulses for nverter are generate by hysteress control metho. Fourer, nstantaneous reactve power an synchronous reference frame methos are separately use to estmate reference sgnals. Some smulaton results showng ynamc performance of AF for each etracton methos are gven. Keywors Actve Power Flter, Reference Current Etracton, Power Qualty. I. GİRİŞ E nerjnn verml kullanılması ve etkl enetm güç elektronğ elemanlarının yaygın şekle kullanılmasına yol açmıştır. Bu urum reaktf güç ve harmonk gb c güç kaltes problemlerne neen olmaktaır [1, 2]. Harmonkler; kayıpların artması, koruma ve ölçüm evrelernn hatalı çalışması, evre elemanlarına aşırı ısınma ve paralel rezonans gb brçok stenmeyen probleme neen olmaktaır. Geleneksel olarak harmonk kompanzasyonu reaktör ve konansatör gb pasf reaktf elemanlarla gerçekleştrlmekter. Pasf harmonk fltrelern ekonomk br çözüm olmasının yanına; boyutlarını büyük olması, akort frekanslarının fltre malzeme toleranslarına oğruan bağımlı olması, sabt br kompanzasyon mkânı sunmaları, performanslarının şebeke empeansına bağlı olması ve şebeke ve/veya yük le rezonans evreler oluşturmaları gb belrgn sakıncaları varır [3]. Gelşen yarı letken ve mkroşlemc teknolojsne paralel olarak, pasf fltrelern ezavantajlarını germek çn güç elektronğ tabanlı fltreler güç sstemlerne uygulanmaya başlanmıştır. Aktf güç fltreler (AF) olarak blnen güç elektronğ tabanlı bu fltreler, harmonk fltreleme görevnn yanına uygun enetm algortması kullanılarak reaktf güç kompanzasyonu, gerlm regülâsyonu ve yük engeleme gb görevler e yerne getreblr. AF ler şebekeye bağlantı urumuna göre paralel, ser ve melez aktf güç fltreler olarak sınıflanırılmaktaır [3]. AF lern namk cevabını referans şaretlern bulunması çn kullanılan yöntem, enetleyc brm ve güç evres belrlemekter [4]. AF nn enetm çn frekans alanına ve zaman alanına olmak üzere çeştl referans şaret bulma yöntemler bulunmaktaır. Frekans alanına referans akım bulma Fourer yöntemne ayanmaktaır. Zaman alanınak yöntemler se genelleştrlmş ntegral, uyarlamalı fltre, snr ağları tabanlı geckmesz fltre, uyarlamalı oğrusal snr hücres, anlık reaktf güç, tek fazlı anlık reaktf güç, senkron referans çatı ve algacık önüşüm metou olarak sıralanablr [3, 5]. Bu makalee, paralel br AF nn Matlab/Smulnk paket programı yarımı le benzetm moel oluşturulmuş ve oluşturulan moel kullanılarak harmonk kompanzasyonu gerçekleştrlmştr. AF nn enetm çn gerekl olan referans akım şaretler Fourer sers, anlık reaktf güç (ARGY) ve senkron referans çatı (SRÇY) yöntemler kullanılarak ele elmştr. Bu yöntemler kullanılarak AF nn harmonk kompanzasyon performansı ncelenmş ve ele elen benzetm sonuçları verlmştr. II. PARALEL AKTİF GÜÇ FİLTRESİ AF kavramı ve çalışma lkes lk olarak Sasak ve Machal tarafınan ortaya atılmıştır. AF; yükün çektğ harmonk akıma eşt genlkte, zıt faza akımlar üreterek bağlı oluğu noktaa bu akımları şebekeye enjekte eer. Böylece şebekeen çeklen akımın yaklaşık olarak snüzoal yapıa olması sağlanır [6]. Paralel AF yapısı aktf fltreleme uygulamalarına en yaygın kullanılan yapıır [7]. Şekl 1 e paralel br AF nn genel yapısı gösterlmştr. Şeklen görülüğü gb paralel AF; br evrc, evrcye c-hat gerlm sağlayan br konansatör, evrcy şebekeye bağlamak çn br bağlantı enüktansı ve güç anahtarlarının enetm çn br enetleyc brmnen oluşmaktaır. 461
R. Çötel, F. Uçar, B. Danıl, F. Ata Şebeke Şebeke akımı Is Yük akımı IL Doğrusal olmayan yük kullanılarak ana harmonğn faz () ve genlk blgs (M) bulunur. Fourer yöntemnen ele elen faz blgsne FKD nn çıkışınan ele elen açısal frekans blgs eklenerek ana harmonğn fazı bulunur. Bulunan faz blgs genlk eğer le çarpılarak ana harmonk snüzoal forma ele elr. ana harmonk toplam yük akımınan çıkarılarak harmonk akımlar ve buna bağlı olarak referans akımlar üretlr. Grşler Denetleyc Bağlantı enüktansı C If Gerlm beslemel evrc Şekl 1: Paralel AF nn tek hat yagramı AGF nn akımı Şekl 1 e verlen evree yük akım aşağıak gb yazılablr. L (1) s f N (t) A cos(t) B sn(t) (3) 1 Denk.(3) te; T 2 A (t) cos( t)t T (4) T 2 B (t)sn( t)t T (5) şeklne hesaplanablr. Buraa L ; yük akımı, s ; kaynak akımı ve f se AF nn akımıır. Doğrusal olmayan yükün çektğ akım se hem temel hem e harmonkl bleşen çerğ çn enk.(2) ek gb yazılablr. V s_abc L_abc FKD Fourer Ө M sn Harmonk akımlar L (2) Lf Lh Buraa Lf ; yük akımının temel bleşen, Lh se yük akımının harmonk bleşenn temsl eer. Paralel AF; oğrusal olmayan yüklern çektğ akımın harmonklerne eşt genlkte zıt faza akımlar üreterek şebekeen çeklen akımın snüzoal olmasını sağlamaktaır. Paralel AF bu harmonk akımları, evrc güç anahtarlarının uygun şekle enetlenmes le üretmekter. Güç anahtarlarının enetm çn se referans akımların oğru ve hızlı br şekle tespt olukça önemlr. Lteratüre referans şaretler ele etmek çn farklı yöntemler önerlmştr. Bu makalee paralel AF çn referans akım şaretler, Fourer, anlık reaktf güç (ARGY) ve senkron referans çatı yöntemler (SRÇY) kullanılarak ele elğ çn saece bu yöntemler açıklanacak ve bu yöntemleren ele elen benzetm sonuçları sunulacaktır. III. REFERANS AKIM İŞARETİ ÇIKARMA YÖNTEMLERİ 1. Fourer Yöntem: Bu yönteme; ölçülen yük akımının ana harmonğ, enk.(3) te verlen Fourer sers le hesaplanır. Daha sonra yükün çektğ toplam akıman hesaplanan ana harmonk akımı çıkarılır. Böylece yük tarafınan çeklen akımın harmonk bleşen ele elr. AF nn enetm çn gerekl olan referans akım se yükün çektğ harmonk akıma zıt faza ve eşt genlkte seçlr. Şekl 2 e bu yöntemn prensp şeması gösterlmştr. Şeklen görülüğü gb üç-faz şebeke gerlm Faz Kltleme Devresne (FKD) grlerek şebekenn açısal frekans blgs ele elr. Fourer yöntem Şekl 2: Fourer yöntem le yükün çektğ harmonk akımlarının ele elmesne at blok şema 2. Anlık Reaktf Güç Teors: Anlık reaktf güç teors Akag tarafınan önerlmştr [8]. Bu teorem üç-fazlı akım ve gerlmlern enk.(6) yarımı le urağan çatıya önüştürülmesne ayanır. 2 1 3 1/ 2 3 / 2 1/ 2 3 / 2 Üç-fazan k faza önüştürülen akım ve gerlm eğerler kullanılarak yükün çektğ anlık aktf ve reaktf güç mktarı hesaplanır. Eğer şebekeye bağlı olan yük harmonkl br akım çekyorsa eksenne göre hesaplanan aktf ve reaktf güç enk.(7) ve (8) e gösterlğ gb hem c hem e ac bleşene sahp olacaktır. p V V p p (7) V V (8) Denk.(7) ve (8) e, p ; şebekeen yüke aktarılan anlık aktf gücün ortalama eğern, p ; yük le şebeke arasına eğştrlen anlık aktf gücün alternatf bleşenn, se anlık reaktf gücü gösterr. p ve nun ac bleşenler harmonkleren olayı meyana gelmekter. Bu neenle p ve nun ac a b c (6) 462
Paralel Aktf Güç Fltresnn Denetm İçn Farklı Referans İşaret Çıkarma Yöntemlernn İncelenmes bleşenler yüksek geçren fltre () kullanılarak ele eleblr. Bu teorem saece üç-fazlı gerlmlern smetrk ve snüzoal olması urumuna geçerlr. ARGY kullanılarak referans akımların ele elmesne lşkn blok yagram Şekl 3 te gösterlmştr [8]. Vabc, abc abc/ V, -, p ve nun hesaplanması Varef p p Va p K Pa İref ve ref n hesaplanması /abc abcref sabt tutulması çn br Oransal+İntegral (PI) enetleyc kullanılır. Denetleycnn çıkışınan ele elen şaret en ele elen referans akımlara eklenmekter [3]. sabc abc/, Varef / Va Vsabc PI FKD Vs t / /abc refabc V, Şekl 3: ARGY kullanılarak referans akımların ele elmesne lşkn blok yagram 3. Senkron Referans Çatı Yöntem: Bu yönteme, üç-faza at akımlar Park yarımı le c eğerlere ( eksen bleşenlerne) önüştürülür. Böylece ya a alçak geçren fltre (AGF) kullanılarak temel harmonğn çıkarılması kolaylaşır. Fltre çıkışlarınan ele elen -eksen bleşenler üç-fazlı büyüklüklere önüştürülerek referans akımlar ele elr [3, 9]. SRÇY le referans akımların ele elmesne lşkn blok yagram Şekl 4 te gösterlmştr. Şeklen görüleceğ gb, üç fazlı-şebeke FKD ye grlerek şebekenn açısal frekans blgs ele elr. Ölçülen üç-fazlı yük akımı ( Labc ) enk.(4) yarımı le -eksen bleşenlerne önüştürülür. -eksen bleşenler; enk.(9) a verlen Park önüşüm matrs le şebeke hızına kltlenmş ve hızı le önen -eksen bleşenlerne önüştürülür. Böylece yük akımının temel bleşen c şaretlere önüşürken, harmonk bleşenlern önme hızları (frekansları) senkron hıza ve önme yönüne göre kaymaktaır [3]. -eksen bleşenlerne önüştürülen akımlar ( ve ) enk.(1) a gösterlğ gb temel ve harmonk bleşen olmak üzere k termen oluşur. cos( t) sn( t) sn( t) cos( t) (9) (1) Denk.(9) a, şebekenn açısal frekansı, enk.(1) a verlen ; aktf akımın ac bleşen, ; aktf akımın c bleşen; reaktf akımın ac bleşen ve se reaktf akımın c bleşenr. -eksen akımlarınak ac bleşenler kullanılarak toplam akıman çıkarılır. Sonuç olarak fltrelenmek stenlen akım harmonklernn -eksen bleşenler ele elmekter. Bu vektörlere ters Park ve ters Clarke önüşümler uygulanarak abc üzlemne referans akımlar üretlmekter. Ayrıca, c-hat konansatör gerlmnn Vs Şekl 4: SRÇY le referans akımların ele elmesne lşkn blok yagram SRÇY saece üç-fazlı sstemlere uygulanablr. Ayrıca bu yönteme temel bleşenler c eğerlere önüştürülüğü çn kolaylıkla fltreleneblr. Hesaplamalar anlıktır fakat fltrelemeen olayı geckmeler meyana gelr. IV. BENZETİM SONUÇLARI Bu makalee; paralel AF nn benzetm moel Matlab/Smulnk paket programı yarımı le gerçekleştrlmştr. Evrc olarak k sevyel gerlm beslemel evrc terch elmştr. Evrc çıkış gerlmn akım blgsne önüştürmek çn br bağlantı enüktansı kullanılmıştır. Benzetm moelne at parametreler Tablo I e verlmştr. Tablo I: Benzetm moelnn çalışma şartlarına at parametreler Şebeke gerlm DC-hat konansatörü Bağlantı enüktansı : 38V : 3.3mF : 3mH Örnekleme süres : 1µs Benzetm çalışması, oğrusal olmayan yükün şebekeen lk,4 sanye çn saece temel ve 5. harmonk bleşen, sonrasınaysa temel, 5. harmonk ve 7. harmonk bleşenlern çektğ üşünülerek gerçekleştrlmştr. Ayrıca referans akım çıkarma yöntemlernn tümüne evrcnn enetm hstersz akım enetleyc le gerçekleştrlmştr. Fourer Yöntem Kullanılarak Ele Elen Benzetm Sonuçları: Şekl 5 te yükün şebekeen çektğ akım gösterlmştr. Şekl 6, 7 ve 8 e, Fourer yöntem kullanılarak referans akımların ele elğ AF nn namk performansını gösteren benzetm sonuçları verlmştr. Şekl 6 an görülüğü gb yük akımına meyana gelen eğşmee referans şaretler hızlı br şekle tespt elmştr. AF tarafınan üretlen harmonk 463
I c-fltre I b-fltre I refc I a-fltre I refb I refa I ref-c I ref-b I ref-a I c-yuk I b-yuk I s-c I a-yuk I s-b I s-a R. Çötel, F. Uçar, B. Danıl, F. Ata akımlar Şekl 7 e gösterlmştr. Şebeke akımının eğşmne lşkn benzetm sonucu se Şekl 8 e verlmştr. Şeklen görülüğü gb AF; referans akımları üreterek şebeke akımının yaklaşık snüzoal forma olmasını sağlamıştır. 3-3 3 3-3 -3 3 3 3-3 3-3.3.35.4.45.5 Şekl 8: Şebekeen çeklen akım.3.35.4.45.5 Şekl 5: Doğrusal olmayan yükün şebekeen çektğ üç-faz akımı 1-1 1-1 Anlık Reaktf Güç Yöntem Kullanılarak Ele Elen Benzetm Sonuçları: Şekl 9 ARGY kullanılarak ele elen referans şaretler göstermekter. Şeklen görülüğü gb yük akımının şebekeen çektğ harmonk bleşen eğşmes urumuna ble referans şaretler hızlı br şekle tespt elmştr. Şekl 1 ve 11 e se sırası le AF tarafınan üretlen harmonk akımlar ve şebekeen çeklen üç-faz akımı gösterlmştr. Şeklleren AF nn uygun harmonk akımları üreterek şebeke akımının snüzoal kalmasını sağlaığı görülmekter. 1-1.3.35.4.45.5 1-1 Şekl 6: Fourer yöntem le ele elen referans akımlar 1-1 1-1 1-1.3.35.4.45.5 Şekl 7: AF tarafınan üretlen akımlar 1-1 1-1.3.35.4.45.5 Şekl 9: ARGY le ele elen referans akımlar 464
I s-c I s-b I s-a I sc I c-fltre I sb I b-fltre I sa I a-fltre I cfltre I ref-c I bfltre I ref-b I afltre I ref-a Paralel Aktf Güç Fltresnn Denetm İçn Farklı Referans İşaret Çıkarma Yöntemlernn İncelenmes 1 1-1 -1 1 1-1 -1 1-1 1-1.3.35.4.45.5.3.35.4.45.5 Şekl 1: AF tarafınan üretlen akımlar Şekl 13: SRÇY le ele elen referans akımlar 3 1-3 -1 3-3 1-1 3-3.3.35.4.45.5 1-1.3.35.4.45.5 Şekl 11: Şebekeen çeklen akım Şekl 14: AF tarafınan üretlen akımlar Senkron Referans Çatı Yöntem Kullanılarak Ele Elen Benzetm Sonuçları: Şekl 13 te SRÇY kullanılarak ele elen referans şaretler gösterlmştr. Benzetm sonucunan görülüğü gb yük akımına meyana gelen eğşmeen önce ve sonra referans şaretler hızlı ve oğru br şekle tespt elmştr. Şekl 14 ve 15 te se sırası le AF tarafınan üretlen harmonk akımlar ve şebekeen çeklen üç-faz akımı gösterlmştr. Şeklleren, yükün şebekeen çektğ akımın harmonk çerğnn eğşmes urumuna ah AF nn uygun harmonk akımları üreterek şebeke akımının snüzoal kalmasını sağlaığı görülmekter. 3-3 3-3 3-3.3.35.4.45.5 Şekl 15: Şebekeen çeklen akım 465
R. Çötel, F. Uçar, B. Danıl, F. Ata V. SONUÇ Tüketclern aha kaltel ve aha ucuz enerj kullanma talebne bağlı olarak elektrk güç kaltes problemlernn çözümüne yönelk çalışmalar her geçen gün artmaktaır. Gelşen teknolojye paralel olarak güç elektronğ tabanlı enetleycler elektrk güç kaltesn yleştrmek çn letm ve ağıtım sstemlerne uygulanmaya başlanmıştır. AF ler güç sstemlerne farklı güç kaltes problemlerne çözüm olablecek çok yönlü kompanzatörlerr. Bu makalee, paralel br AF nn benzetm moel oluşturulmuş ve AF nn enetm çn gerekl olan referans şaretler farklı yöntemlerle ele elmştr. Akım enetm se ayanıklı yapısınan olayı hstersz akım enetleycs le gerçekleştrlmştr. Benzetm sonuçlarınan görülüğü gb paralel br AF kullanılarak oğrusal olmayan yüklern neen oluğu harmonkler kompanze eleblr. Buna ek olarak uygun enetm algortması le AF ler farklı amaçlar çn e kullanılablrler. Ayrıca referans şaret çıkarma yöntemlernen ARGY ve SRÇY e kullanılan fltrelere bağlı geckmeler AF nn performansını olumsuz yöne etklemekter. Fourer yöntemne se harmonk bleşenler temel bleşenen ele elğnen saece örnekleme süres kaar br geckme meyana gelmekter. KAYNAKLAR [1] Charles. S, G. Bhuvaneswar, Comparson of Three Phase Shunt Actve Power Flter Algorthms, Internatonal Journal of Computer an Electrcal Engneerng, Vol. 2, No. 1, February, 1793-8163, 21. [2] María Isabel Mlanés Montero, Enrue Romero Caaval an Fermín Barrero González, Comparson of Control Strateges for Shunt Actve Power Flters n Three-Phase Four-Wre Systems, IEEE Transactons on Power Electroncs,Vol.22, No.1, 229-236, 27. [3] Kocabaş, İ., 1KVA Gücüne DSP Tabanlı Gerlm Kaynaklı Aktf Güç Fltres Gerçekleştrlmes, Yüksek Lsans Tez, Hacettepe Ünverstes, Ankara, 29. [4] M.El-Habrouk an M.K.Darwsh, Desgn an mplementaton of a mofe Fourer analyss harmonc current computaton technue for power actve flters usng DSPs, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 148, No. I, 21-28, January 21. [5] K.Varar, E.Akpınar, T.Sürgevl, Evaluaton of Reference Current Etracton Methos for DSP Implementaton n Actve Power Flters,, Electrc Power Systems Research, 79 (29) 1342 1352. [6] E.Latha Mercy, R.Karthck, S.Arumugam, A Comparatve Performance Analyss of Four Control Algorthms for a Three Phase Shunt Actve Power Flter, IJCSNS Internatonal Journal of Computer Scence an Network Securty, VOL.1 No.6, June 21. [7] Z. Salam, T. Perng Cheng an A. Jusoh, Revew of Actve Power Flter Technologes, The Insttuton of Engneers, Malaysa, Vol. 68, No. 2, June 27. [8] H. Akag,E. H. Watanebe, M. Araes, Instantaneous Power Theory an Applcatons to Power Contonng, IEEE Press, New Jersey, 27. [9] I. Kocabaş, O. Uçak, A. Tercyanlı, DSP Tabanlı Gerlm Kaynaklı Şönt Aktf Güç Fltres Uygulaması, ELECO 6, Bursa, 6-1 Aralık 26. 466