Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite Pasif Filtreler Yrd. Doç. Dr. M. Mustafa ERTAY DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
HARMONIK STANDARTLARı Standartlar ve kılavuzlar IEEE, ANSI, IEC vb teknik organizasyonlar tarafından verilmiştir. Bu kılavuzlar elektrik güç kalitesinin teori ve uygulamasında yardımcı olmaktadır. IEEE 519-1992 standartı IEEE 519-2014 şeklinde güncellenmiştir. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 2
Güç Kalitesi Standartları ve Göstergeleri Tablo 1.10 IEEE 519-1992 ye göre gerilim için harmonik distorsiyon sınırları [15] Tablo 1.11 IEEE 519-1992 ye göre dağıtım sistemlerine ait akım için harmonik bozulum sınırları [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 3
IEEE 519-2014 Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 4
IEEE 519-2014 Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 5
IEEE 519-2014 Standartı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 6
IEC Harmonik Standartları EN 61000-3-2 standardında harmonik akımları için sınır değerler dört farklı sınıf cihaz için tanımlanmış durumda. Taşınabilir cihazlar B sınıfı, Yıldırımdan korunma cihazları C sınıfı, 600 W ve düşük güçlü PC ve TV alıcıları D sınıfı, bunu dışında kalan ve şebekeye bağlanarak çalışan tüm cihazlar A sınıfı olarak tanımlı [5, 15]. Tablo 1.4 Konutlarla ilgili alçak gerilim şebekelerinde IEC 61000 2 2 gerilim harmonik distorsiyon limitleri (k=0,2+12,5/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 7
Tablo 1.5 Endüstriyel santraller için IEC 61000 2 4 gerilim harmonik distorsiyon limitleri (2. sınıf elemanlar için) - (k=0,2+12,5/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 8
Tablo 1.6 Endüstriyel santraller için IEC 61000 2 4 gerilim harmonik distorsiyon limitleri (3. sınıf elemanlar için) - (m=5 11/n) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 9
Tablo 1.7 Konutlarla ilgili alçak gerilim şebekeleri için EN 50160 harmonik distorsiyon limitleri[15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 10
Tablo 1.8 Konutlarla ilgili orta gerilim şebekeleri için EN 50160 harmonik distorsiyon Limitleri [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 11
Tablo 1.9 D sınıfı donanım için IEC 61000 3 2 e göre izin verilen maksimum harmonik Akımları ) [15] Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 12
A.Devre Konfigürasyonları Pasif filtreler R-L-C elemanlarından oluşmaktadır. Pasif filtrelerde amaç yok edilmek istenen harmonik bileşen frekansında rezonansa gelecek L ve C değerlerini belirlemektir [1]. Şekil 1 ve 2 de pasif filtrelere ilişkin devre konfigürasyonları görülmektedir. C 1 C L 1 R 1 L C 3 L 2 R R 3 R 2 (a) (b) Şekil 1: Tek Ayarlı Pasif filtre Çift ayarlı pasif filtre Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 13
B.Tek Ayarlı Filtreler Tasarımı Tek ayarlı filtreler ayarlandığı harmonik akımlarını etkin bir şekilde bastırmak için düşük bir empedans yolu olarak rol oynarlar.filtre empedansı aşağıdaki gibi ifade edilir [2]. 1 (1) Z = R+ j(wl - ) wc X L ve X C kapasitör ve indüktörün temel frekanstaki reaktansları olmak üzere filtre gücü aşağıdaki gibi ifade edilir. S = X C 2 S V X L (2) n. harmonik için ayarlanmış filtrenin endüktif ve kapasitif reaktansları aşağıdaki gibi hesaplanır. X o = n.x L X n C (3) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 14
B.Tek Ayarlı Filtreler Tasarımı Filtrenin kalite faktörü (Q) ayar keskinliğini belirler. Bu açıdan filtreler düşük Q veya yüksek Q filtresi tipinde olabilir. Tek ayarlı filtrenin kalite faktörü denklem 5 teki gibi verilir [1,10]. f 0 Q = X R o 1 = 2 L C (4) (5) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 15
Filtre tasarımı için ilk önce sistemin reaktif güç gereksinimi belirlenmelidir. Çünkü filtreler temel frekansta reaktif güç kompanzasyonunda kullanılmaktadırlar [1,2]. Reaktif güç gereksinimi aşağıdaki gibi hesaplanır [2]. QC = P(tan 1 tan 2 ) (7) Denklem 7 ye gore sistemin reaktif güç gereksinimi hesaplanır. Reaktif güç değerine göre gerekli kapasitörün reaktansı denklem 8 deki gibi hesaplanır [2,11]. X C V Q 2 S C (8) Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 16
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 17
Rezonans olayı harmonik bileşenlerin birinde veya bu harmonik bileşenlere yakın değerlerde meydana gelirse harmonik akım ve gerilim değerleri çok büyük seviyelere ulaşır. Bu nedenle filtrelerin ayarlandıı rezonans frekansları kaydırılır. Doğrusal olmayan yükün ürettiği en düşük harmonik derecesinden daha düşük bir değerde rezonans frekansı meydana getirilerek, harmonik yük akımlarının yükselmesi engellenebilir. Bu işlem, filtredeki kondansatör ile endüktansın ayarlandığı rezonans frekansını, en düşük harmonik derecesinden %3 ile %10 daha küçük seçilmesi ile sağlanabilir. Örneğin en düşük harmonik derecesi 5 olan bir doğrusal olmayan yük için rezonans frekansı 225 ile 242 Hz arasında olacaktır. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 18
Filtrenin kaynak empedansıyla etkileşime girmesiyle rezonans meydana gelebilir. Bu frekans değeri, filtrenin ayarlandığı frekanstan daha düşük bir frekanstır. Ls kaynak özendüktansı ve L filtre endüktansı olmak üzere, rezonans frekansı; olarak bulunur. Filtrelerin sistemde rezonansa girdiği bu frekans değerinin kontrol edilmesi gereklidir. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 19
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 20
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 21
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 22
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 23
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 24
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 25
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 26
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 27
Utility Grid 154 kv 154 kv/10.5 kv Dyn11 Distribution Line PCC (10.5 kv) 1.6 MW M 2000 kw M 2000 kw Şekil : Örnek Güç Sistemi 1350 kva Tablo :Güç sistemine ilişkin harmonik verileri (PCC deki) Harmonikler 5 7 11 13 17 19 TDD% Akım 34.0 24.16 14.99 13.03 9.77 8.49 13.2 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 28
Sistemin kısa devre gücü 100 MVA olarak verilmiştir. PCC kısa devre gücü 60.58 MVA olarak hesaplanmıştır. Kısa devre akımı 3.3 ka olarak hesaplanmıştır. Maksimum talep akımı 324 A dir. I SC /I L değeri as 10.27 A olarak bulunmuştur. IEEE 519-1992 standardına göre müsaade edilen TDD limiti 5% tir.. I sc 1000 MVA = 100% 3kV Table 2. IEEE 519-1992 Current Distortion Limits for distribution systems (<69 kv) I SC / IL <11 11 n<17 17 n<23 23 n<35 35 n TDD < 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Table 3. IEEE 519-1992 Voltage Distortion Limits for distribution systems Bus Voltage at PCC(kV) Individual Voltage Distortion (%) Total Voltage Distortion (%) 69 3.0 5.0 69.001 161 1.5 2.5 161.001 1.0 1.5 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 29
1 x 10 4 0.5 Voltage (V) 0-0.5 Current (A) -1 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) 600 400 200 0-200 -400 Şekil. Filtresiz ve kapasitörsüz olarak PCC gerilimi -600 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) Şekil. Filtresiz ve kapasitörsüz olarak PCC akımı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 30
1 x 104 0.5 400 Impedance Voltage (V) 0-0.5 Impedance (ohms) 300 200 100-1 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) 600 400 Şekil :Kapasitör eklendiğinde PCC gerilimi Phase (deg) 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 50 0-50 Frequency (Hz) Phase Current (A) 200 0-200 -400-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Frequency (Hz) Kapasitörlü sistemin empedans frekans diyagramı -600 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) Şekil :Kapasitör eklendiğinde PCC akımı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 31
TABLO FİLTRE TASARIMI VE HARMONİK ANALİZİ Harmonikler (Akım) Ayar frekansı 5 7 11 13 17 19 THD V TDD PF Filtresiz - 34.00 24.16 14.99 13.03 9.77 8.49 5.49 13.2 0.82 2100-52.12 75.4 22.09 9.68 3.23 2.11 8.63 29.81 0.95 Filtre Gücü 5 th (kvar) 4.8 6.71 15.06 10.74 9.51 7.25 6.33 3.54 7.55 0.95 2100 5 th 1400 4.8 7 th 700 6.8 9.87 4.73 9.31 8.46 6.57 5.77 2.99 5.95 0.95 5 th 7 th 11 th 1200 500 400 4.8 6.8 10.8 11.16 6.42 1.59 5.40 5.15 4.65 2.14 4.96 0.95 5 th 7 th 11 th 1500 700 400 4.8 6.8 10.8 9.56 4.92 1.56 5.11 4.84 4.36 1.97 4.4 0.97 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 32
1 x 104 Voltage (V) 0.5 0-0.5-1 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) Şekil: 5 th -7 th -11 th filtresi sonrası gerilim dalga şekli Current (A) 400 200 0-200 -400 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Time(sec) Şekil: 5 th -7 th -11 th filtresi sonrası akım dalga şekli Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 33
60 Impedance Impedance (ohms) 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Frequency (Hz) 100 Phase Phase (deg) 50 0-50 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Frequency (Hz) Şekil 5 th -7 th -11 th filtresinin empedeans frekans diyagramı Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 34
Magnitudes (A) 35 30 25 20 15 10 without filter 5th 5th-7th 5th-7th-11th 5th-7th-11th 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic Order Harmonik akım genlikleri Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 35
Filtre Tasarımları Tablo. Hesaplanan pasif filtre parametreleri Filtre Parametreleri R (Ω) L (H) C (F) 5 th 0.1094 0.0073 6.0630e-005 5 th 0.1641 0.0109 4.0420e-005 7 th 0.2316 0.0108 2.0210e-005 5 th 0.1914 0.0127 3.4646e-005 7 th 0.3243 0.0152 1.4436e-005 11 th 0.2552 0.0075 1.1549e-005 5 th 0.1531 0.0102 4.3307e-005 7 th 0.2316 0.0108 2.0210e-005 11 th 0.2552 0.0075 1.1549e-005 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 36
Aktif filtreler, harmoniklerin ortadan kaldırılması için geliştirilmiş elemanlardır. Bu filtreler ileri güç elektroniği teknolojilerine dayanırlar ve pasif filtrelerden cok daha pahalıdırlar. Aktif filtreler ise pasif filtrelere oranla daha pahalı olmakla birlikte aynı anda birden fazla harmonik frekansı için adreslenebilir ve enerjinin kalitesini etkileyen problemleri ortadan kaldırabilirler. Yine aktif filtreler mevcut dağıtımda değişiklikler yapıldığı zaman bile etkili harmonik kompanzasyonuna devam ederler ki bu onların en önemli üstünlükleridir. Aktif filtrenin çalışma prensibi doğrusal olmayan yükün çekecegi, temel bileşen dışındaki akımı karşılamaktır. Buna göre aktif filtreler yük tarafından çekilen harmonikleri analiz ederek harmonik bileşenleri uygun bir fazda yüke enjekte ederler. ederler. ederler. Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 37
Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 38
KAYNAKLAR 1. Sevgi L. 2005. EMC, Güç Kalitesi ve Harmonik Analizi, Endüstri & Otomasyon Dergisi. 2. Güç Kalitesi ve Harmonik Filtreleme, http://www.rps.com.tr, Erişim Tarihi: 03.10.2015 3. Yard. Doç. Dr. Oben Dağ, Elektrik Güç Sistemlerinde Mikro Şebeke Uygulamaları ve Harmonik Kaynak Yer Tespiti, Microgrid Applications in Electrical Power Systems and Harmonic Source Location, Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesi`nin Geleceği Sempozyumu, 26-27 Nisan 2013. 4. Düzgün Akmaz, Asım Kaygusuz, Akıllı Şebekeler ve Gerilim Harmonikleri Smart Grid and Voltage Harmonics, Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesi`nin Geleceği Sempozyumu, 26-27 Nisan 2013. 5. Electrical Power Systems Quality, Roger C.Dugan, Mark F. McGranagham, Surya, Second edition, McGraw-Hill, 2002. 6. http://www.voltimum.com.tr, http://www.voltimum.com.tr/haberler/akilli-sebeke-cozumlerini-birbirleriyle-uyumlu-calisacak-sekildegelistiriyoruz, Erişim Tarihi: 03.10.2015 7. Belgin TÜRKAY, Dağıtılmış Enerji Kaynakları içeren şebeke tasarım Önerisi, EMO 8. Eko yapı dergisi, http://www.ekoyapidergisi.org/354-akilli-sebeke-nedir.html, Erişim Tarihi: 03.10.2015 9. Prof. Dr. Muğdeşem Tanrıöven, Rıza İnce, ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİNİN KALİTESİNİ BOZAN FAKTÖRLERİN İNCELENMESİ, http://www.feteknik.com/fileupload/bs322184/file/enerji_kalitesi.pdf, Erişim Tarihi: 03.10.2015 10. Mustafa ŞEKKELİ* ve A. Serdar YILMAZ, Bir Taş Kırma Tesisinde Güç Kalitesi Seviyesinin Ölçümü ve Değerlendirilmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Cilt 15, Sayı 3, 2009, Sayfa 317-323. 11. Dr. Kurt Schipman, Dr. François Delincé, THE IMPORTANCE OF GOOD POWER QUALITY,ABB Power Quality Products, Belgium, https://library.e.abb.com/public/38ceb0497589318fc12577a5003d210c/power%20quality%20improvement%20with%20lv%20capacitors%20 and%20filters.pdf, Erişim Tarihi: 03.10.2015 12. S.Khalid& Bharti Dwivedi, POWER QUALITY ISSUES, PROBLEMS, STANDARDS & THEIR EFFECTS IN INDUSTRY WITH CORRECTIVE MEANS,International Journal of Advances in Engineering & Technology, May 2011, 1 Vol. 1,Issue 2,pp.1-11,2231-1963 13. www.springer.com, Chapter 2 Electric Power Quality, https://www.google.com.tr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0cbsqfjaaahukewijlamst6niahwfwywkhyetcik&url=http% 3A%2F%2Fwww.springer.com%2Fcda%2Fcontent%2Fdocument%2Fcda_downloaddocument%2F9789400706347-c2.pdf%3FSGWID%3D0-0- 45-1099137-p174082626&usg=AFQjCNEsjEhvOq2MQS4z0P_DpP3nLeAf_A&cad=rja, Erişim Tarihi: 03.10.2015 14. KOCATEPE Celal., UZUNOĞLU M., YUMURTACI R., KARAKAŞ A., ARIKAN O., Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Birsen Yayınevi Ltd. Şti., İstanbul, 2003 15. Özer ŞENYURT, Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Yüksek Lisans Semineri Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, MAYIS 2005 Elektrik Güç Sistemlerinde Kalite 39