SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 2 (1997) 105109 ENERJİ SİSTEMLERİNDE PID DENETLEYİCİLER İLE YÜK FREKANS DENETİMİ i\ Serdar YILMAZ ErtanYANIKOdLU Mustafa TURAN ElektrikElektrnik lvfüh Bölünü Jvfühendislik Fakültesi Sakarya Üniversitesi Esentepe Adapazar, 54040 Ozet Bir enerji ilctin1 sistenlinde aktif ve reaktif güç akş birbirinden bağnsz larak gerçekleşir Bunlar farkl denetleme mekanizmalar ile denetleur Aktif güç denetüni frekans denetini ile yakndan ilişkili iken, reaktif güç denetini ile gerilin1 denetimi arasnda yakn bir ilgi vardr Bir sistemin frekans, üretilen ve tüketilen aktif güç dengesi ne bağldr Sistemdeki aktif güç dengesinin herhangi bir şekilde bzulmas, frekansnda değişnesi denektir Sistemin frekansnn denetleuesi için aktif güç dengesinin sağlannas gerekir Bunun için aktif güç ürctininin denetlennesi gerekir Bu nedenle tnatik üretin1 denetin1i yapln1aldr Bu çalşn1ada, PID denetleyici ile tn1atik üretim denetini incelenmiş ve bilgisayar benzetin1leri sunulmuştur GİRİŞ Yeteri i işletme kşulunun sağlann1as çn şebeke frekansnn sabit yada sabit bir değere yakn alnas gerekir (1) U retim ve tüketim arasndaki aktif güç dengesinin sağlandğnda, frekansn tespit edilen değere yaklaşnas tmatik larak sağlanr Benzer şekilde, reaktif güç dengesinin sağlanmas ile gerilin1 değeri de taunlanan snrlar içerisinde kalr Sürekli çalşma kşullar altnda, sistem içerisindeki üretilen tplam aktif güç ile tüketilen aktif güç ve kayplar tplan birbirine eşit lmaktadr Herhangi bir güç dengesizliği, rtr hz ve şebeke frekansnda değişimler larak kendini gösternektedir Hz regülatörleri ve türbin tarafndan generatör hz ve üretilen güç artna yada azalma şeklinde ayarlanr [23] Bu ayarlama işlemi denetleyiciler vastasyla gerçekleştirilir Bu denetleyicilerden en sk kullanlan integral denetleyicilerdir Bunun yansra zeki denetleyiciler kullanln1aktadr [ 4] de II OTOMATİK ÜRETİM DENETİMİ (OÜD) OÜD aşağda verilen üç tenel özelliğe sahip denetim sistemine verilen isimdir i Şebeke frekansm sabit bir değerde veya bu değere yakn bir nktada tutmak (Örneğin 50 60 Hz gibi) ii Denetim bölgeleri arasndaki güç alşverişinin dğru bir değerde kalmasn sağlanak iii Her bir ünitenin üretininin en eknnik şeklinde lnasu sağlan1ak 111 El{ Denetim Eylemi Yukar da verilen üç tenel niteliği anlamak için, önce, snsuz büyük güçlü bir sisteni besleyen tek üretin birimini ele alalm Generatörün beslediği yükte neydana gelebilecek bir değişiklikte, hz regülatörünün düşü karakteristiğine ve yükün frekans karakteristiğine bağl larak genlikle beraber frekans değişimi de gözlenecektir Bir yük değişimi esnasnda, ek denetleyici nekaniznas, frekans nminal değere taşmak için devreye girnek zrundadr[ 5] Ek denetleme işlemi hz regülatörüne yönelik alnaktadr Şekil l de ek denetilnin bulunduğu üretim biriminin blk diyagram verilnektedir Yük Ref 1/R J + ) Hz Reg Türbin ) Generatör Ek Denetin1 f\_) _, \ p L Şekil 1 Ek Denetinli Üretin1 Ünitesinin Blk Diyagram 105
Enerji Sistemlerinde PID Denetleyiciler ile Yük Frekans Denetimi ll2 Bağlant Hatt Denetimi İki farkl işletmenin, kendi sistemlerini birbirlerine bir bağlant hatt ile bağlamalarmn baz nedenleri vardr Birincisi maliyeti uygun hale getirnek için diğer bölge ile eneji alşverişi sağlamaktr İki bölgenin birinde ani bir yük değişimi meydana geldiğinde tüm enterknnekte sistemde frekans dalgalanmalan yaşanacaktr Bunu daha iyi gösterebilmek için aşağda verilen iki bölgeli sistemi ele alalm Bu sistemin üretim ve yük karakteristikleri birbirine eşit lsun Birinci bölgeden diğerine loomwlk güç alşverişinin nrmal kşullarda söz knusu lduğunu kabul edelim İkinci bölgede 30 MW lk yük artş lduğunda, bu iki özdeş bölge, 15 er MW şeklinde yeni yükü paylaşacaktr Böylece bağlant hattndan ikinci bölgeye 115 MW yük akş lacaktr Böyle bir değişim iyi larak alglansa bile gerçekte uygulanmayabilir Çeşitli sebeplerden dlay uygulanamaynca birinci alan 30 MW mn tamamm karşlamak için üretimini arttrmak zrunda kalacaktr Buda ekstra maliyeti gerektirmektedir Bu aşamada arzu edilen, ikinci bölgedeki ani talebi alglayacak ve frekans neminal değerine geri getirecek, bunu yaparken de ikinci bölgede 30 MW lk üretim artşn gerçekleştirecek bir denetim mekanizmasdr tl w MND Yük Değişimi Snuçlanan Denetim Eylemi J + + + L\P11 + PL2 PL PL2 Ll L\P12 + M L P12 Tabl 1 Bağlant HattFrekans Denetimi 1 Bölgede P GEN in artş I Bölgede P GEN in azalş 2 Bölgede PEN in artş 2 BölgedePm/in azalş İki bölgeli bir sistem için, birinci bölgede meydana gelen ML lik bir yük artş durumunda frekans da ve bağlant hattndan aktanlan güçteki değişim şu şekilde ifade edilmektedir tw == 1 L1PL ++D + D R R 2 (2) PNETDEGİŞ ML = 1 Bö lg ed eki yük değişini @L2=2 Bölgedeki yük değişini Şekil2 İki bölgeli sisten1 için bağlant hatt frekans denetimi Bu denetim mekanizmas şu maddeleri alglayabilmelidir i Eğer frekans düşmüşse, ve sistemden çkan net değişim gücü artmşsa, sistem dşnda bir yük artmas meydana geln1iştir ii Eğer frekans düşmüşse, ve sistemden çkan net değişin1 gücü azalmşsa, sistem içinde bir yük artş n1eydana gelmiştir Yukarda ifadeler şğnda net değişim gücü için aşağdaki tanmlar yaplabilir & ( +D) Ll R dpnd = } 2 + +D+D2 R R2 2 Tabl in birinci satnndaki snuçlardan birinci bölgedeki yük artşn, yine birinci bölgedeki üretim artş şeklinde ifade edebiliriz lmaldr AP GEN1 == L1PL M>GEN2==Ü (3) Bu ifade şu şekilde Üretimdeki değişme, bölge denetim hatas (area cntrl errr, A CE) larak da adlandnl frekans ve net değişim gücünü istenen değere götürmek için bölgenin üretimini değiştirmeyi öngöektedir Buna göre her bir bölgenin ACE si aşağdaki gibi lacaktr (4) (5) PND=tplam gerçek net değişim gücü (+: sistemden çkan güç için),( :Sisteme gelen güç için) PSND=Istenen yada beklenen net değişim gücü (1) ACE =ilpnd B w ACE==APND2B2 w Burada B (6) (7) ve B2 frekans kutuplama çarpan larak adlandnlr Aşağdaki şekilde belirtilir Buna göre bağlant hattfrekans denetimi için özet bir tabl şu şekilde verilebilir (8) 106
ASYILMAZ, EYANIKOGLU, MTURAN (9) Bu eşitliklerin birlikte yazln snucu her iki bölge için ACE değerleri aşağdaki eşitliklerde ki gibi elde edilir \ ACE 1 = + +D +D R R 2 1 2 + &lll R R 2 + D + D 1 2 (lo) ACE 2 = +&Ll + R R 2 + D2 R 2 +D + D 2, R 2 +D + L\PLI +D + D 2 R R 2 =0 (ll) Bu denetim Şekil 3 deki iki bölgeli sisten1 için başanl bir şekilde uygulanabilmektedir Genellikle ek denetleyici larak integral denetleyici kullamlmaktadr Bu çalşmada PID dcnetleyicilerin ek denetimde kullarnn incelenmektedir ve bilgisayarl benzetimler verilmektedir 1 BÖLGE f ;*"" ACE! pnd1 i1pnd2, Ek Dntl * + B Hz RegTürbin I/R + 1, pbh M1s + D1 Tl s _ 11 \V :, + / "" / 1\ 1 + Ek Dnt2 Hz RegTürbin 2, + + ""\ 1 ACE / + M2s+D2 : w, : 1 4 1 Il R B2 : 2 BOLGE : _, Şekil 3 İki Bölgeli sisten1 için bağlant hatt ek denetimi III PID DENETLEYİCİLER Orantsal (Prprtinal) Integral Türevsel (Derivative) denetleyiciler klasik denetim sistemlerinde çk uygulan1a alan bulan denetim elenarudr Bir PID denetleyicinin transfer fnksiynu eşitlik 12 de verilinektedir (12) 107
Enerji Sistemlerinde PID Denetleyiciler ile Yük Frekans Denetimi IV İKİ BÖLGELi SiSTEMDE PID YÜK FREKANS DENETİMİ Bu çalşmada incelenen örnek sisteme ait paranetieler ek 1 de verilmektedir Şekil 3 deki gibi bir mdelin bilgisayarda kurularak, benzetimler gerçekleştirilmiştir Birinci bölgede meydana gelen yük artş karşsnda her iki bölgedeki frekans da değişmeler meydana gelmiştir Bu değişmelerin etkisini ninimuma indirgemek için her iki bölgede üretim denetimi gerçekleştirilmiştir Yaplan ineeienelerin üstjnlüğünü vurgulamak için integral denetleyicili sistemle karşlaştrna yaplmştr pu 0005 0005 r 001 001 002 002 t \ 1 \ 1 PID 0 03 ô 5 10 M1 sn hz 01 005 t\ PID 1 \ Integral Şekil6 PND Değişimi 1 =: ;:;;;;,r \!(" j 005i, 0 1 015 1 1 1 1 J { 01 PlD 025 1 \ 1 10 sn 15 Şekil4 Birinci Bölgedeki Frekans Değişimi 01 ö 5 10 15 M2 hz 1 sn Şekil 7 Birinci Bölgede PMEK Değişinİ 005 PID 005 0 1 \ _:1 r/ \ ; \ Integral 6Pmek2 0 15 11 021 025 integral ö 5,) 10 15 sn c::; "= PID Şeki15 İkinci Bölgedeki Frekans Değişimi 0 1 t 5 10 15 sn Şekil 8 İkinci Bölgede PMEK Değişimi 108
ASYILMAZ, EYANIKOGLU, MTURAN V SONUÇLAR Yukanda verilen benzetim snuçlarndan da görüldüğü gibi PID denetleyiciler, klasik integral denetleyicilere göre daha başant lnuştur Frekans değişiminin genliği ve sönme zaman integral denetleyiciye göre daha az gerçekleşmiştir Şekil 4 ve 5 deki her iki bölge için frekans değişimlerinden bu durum klayca anlaşlnaktadr Yine frekansn kararl hale getirilnesi esnasnda bağlant hattndan ikinci bölgeye iletilen gücün değişiini de azalnştr Bu durnn naliyete lunlu larak etki etnektedir Her iki özdcş bölgede üretilen gücün integral denetlcyiciyc göre daha az artş kaydetnesl / 1 O 1 uk yük artmasnn en az naliyet kayb ile denetlennesi ilkesine de uygundur Görüldüğü gibi PID denetleyiciler, integral denetleyicilere göre ldukça başanl labilnektedir Bunun sebebi ise, herhangi bir yük değişini esnasnda integral denetleyicilerin zanan geciknesinin büyiik ln1asdr PID denetleyici ise hz regülatörünü daha hzl denetleyerek, frekans kararllğn arttrdğ gözlenmiştir Şayet, snsuz şebekede önerilen denetleyicinin yaygn kullanm durumunda tün sisten1i n genel perfrnansnda iyileşme lacağ snucuna varlnuştr Kn==05 M==Ol66 D=00083 T=Ol EK2 HlZ REGÜLATÖRÜ VE TÜRBİN 1\IODELİ Kullanlan hz regülatörü (Gvernr) ve türbin için transfer fnksiynu ve zaman sabitleri aşağda yer alnaktadr G G GOV(S) == } + s TG TUR (s)== T0=04 s TcH==OOl s l + stch (E1) (E2) Hz Regülatörü zaman sabiti :Türbin zaman sabiti VI KAYNAKLAR [ 1] Kundur, P, P,ver Systen Stability and Cntrl, EPR1 P\ver Eng Series 1994 [2] Murty P,S,R, Pwer Systen Operatin and CntrL TataMcGrawHill 1984 Nev Delhi [31 Indulkar, C,S, and Baldev, R Applicatin f Fuzzy Cntrller t Autmatic Generatian CntrL Electric Machines and Pwer Systens, Vl23 pp 209220, 995 [4] de Mell and et al Autmatic Generatian Cntrl Part I and IL IEEE Trans On PA&S, Vl92 pp 7 1 0 724 Marelli ApriV J 974 [5] Wd A,J ve Generatin, Operatin,and Sns, 1984 New Yrk W llenberg B "F, P,ver Cntrl, Jhn Wiley and EK1 ÖRNEK SİSTEM PARAMETRELERİ Her iki bölge özdeştir Tüm paranetreler her iki bölge içinde geçerlidir R=243 8=03 Kp=2 K=2 109