SERĐ BAĞLI TAM KÖPRÜLÜ ÇOK SEVĐYELĐ STATCOM UYGULAMALARI ĐÇĐN KONDANSATÖR GERĐLĐMLERĐNĐ EŞĐTLEME ALGORĐTMASI Mustafa Deniz, Cem Özgür Gerçek, Tevhid Atalık, Burhan Gültekin TÜBĐTAK-Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsü 06531, ODTÜ/ ANKARA Öz: STATCOM uygulamalarında kullanılan çok seviyeli çevirgeçler içerisinde, seri bağlı tam köprülü topolojinin en avantajlı ve ekonomik seçim olduğu literatürde birden fazla kaynakta bahsedilmiştir. Öte yandan, bu topolojinin, yine literatürde de bahsedildiği üzere en büyük kontrol problemi, DC kondansatörlerin ortalama gerilimlerini sabit tutma zorluğudur. Bu husus, çevirgeç çıkış geriliminde istenilen düşük seviyede THD elde edebilmek ve yarı-iletken anahtarlar üzerinde eşit gerilim streslerine sahip olabilmek açısından çok önemlidir. Bu çalışmada, seri bağlı tam köprülü çok seviyeli STATCOM uygulamalarına özgün gerçekleştirilmiş olan bir DC kondansatör gerilimi eşitleme algoritması (Seçici Yer- Değiştirmeli Ateşleme Algoritması) anlatılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürde verilen diğer eşitleme metotlarının sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: STATCOM, FACTS, Đletim Sistemi Gerilim Regülasyonu, Çok Seviyeli Çevirgeç I. GĐRĐŞ STATCOM sistemleri, ± Q MVAr aralığında, şebeke frekansında (50Hz) sürekli, hem endüktif hem kapasitif reaktif güçleri üretebilmektedir. Bu açıdan rakip sistem olan Statik VAr Kompanzatörüne (SVC) üstünlük sağlamaktadır. STATCOM sisteminin SVC sistemine bir diğer üstünlüğü ise geniş bir çıkış gerilimi aralığı için maksimum reaktif güç üretiminin neredeyse sabit kalmasıdır. Bu açılardan STATCOM sistemi, dağıtım ve iletim sistemlerinin güç kalitesi problemlerinin çözümünde doğrudan kullanılabilecek geleceğin teknolojisi olarak gözükmektedir. STATCOM sistemi 1990 lı yıllarda geliştirilmiş ve öncelikle elektrik iletim sistemlerinde kullanılmıştır [1]. Fakat, Türkiye Elektrik Đletim Sistemi nde şu ana kadar STATCOM bir yana herhangi bir Transmission SVC bile kullanılmamıştır. Şu ana kadar gerçekleştirilmiş olan iletim STATCOM sistemleri büyük oranda çok darbeli yapıdadır. Öte yandan, çok seviyeli yapıların çok darbelilerin yerini almak üzere olduğu literatürdeki çalışmalardan anlaşılmaktadır. [2, 3] Çok seviyeli STATCOM lar Bu makalede sunulan çalışmalar TÜBĐTAK Kamu Araştırma Projeleri Destekleme Programı (Program Kodu:1007) / 105G129 No.lu Güç Kalitesi Milli Projesi kapsamında yürütülmektedir. mustafa.deniz@uzay.tubitak.gov.tr içerisinde, modüler yapısı ve eş anma değerli elemanlar kullanılması sebebiyle, tam köprülü çevirgeç yapısında olanlar, diğerlerine üstünlük sağlamış gibi görünmektedir. [2,4] Harmonik eliminasyon teknikli seri bağlı tam köprülü çok seviyeli çevirgeç veya bir diğer adıyla seri bağlı tam köprülü çok seviyeli merdiven tipi anahtarlamalı çevirgeç (Cascade Multilevel Inverter With Staircase Switching - CMIWSS), son yıllarda sıcak bir araştırma konusu haline gelmiştir. Öte yandan, çok sayıda kondansatör kullanılması sebebi ile, DC gerilim kontrolü diğer çok seviyeli topolojilere göre daha zordur. Bu çalışmada, seri bağlı tam köprülü çok seviyeli STATCOM uygulamalarına özgün gerçekleştirilmiş olan bir DC kondansatör gerilimi eşitleme algoritması (Seçici Yer-Değiştirmeli Ateşleme Algoritması) anlatılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürde verilen diğer eşitleme metotlarının sonuçları ile karşılaştırılmıştır. II. CMIWSS TOPOLOJĐSĐ II.a. Devre Şeması CMIWSS nin her fazı birbirine seri bağlı tam köprülerden oluşmaktadır. Şekil-1 de verilen üç fazlı çevirgeç şemasında görüldüğü üzere, her faz için üç adet DC kondansatöre ve üç adet tam köprüye sahip CMIWSS faz-nötr gerilim seviyesi sayısı L = 2x3+1 = 7 şeklinde bulunmaktadır. Faz-faz gerilimi için seviye sayısı ise 4x3+1 = 13 olmaktadır. Tam köprü sayısı arttıkça, elenebilen harmonik sayısı artmakta, çıkış gerilimi sinüse daha da yaklaşmakta ve gerilim THD si azalmaktadır. STATCOM un esas amacı sadece reaktif güç üretmek olmasına rağmen, sistemdeki kayıplar yüzünden, çevirgeçten sisteme bir miktar aktif güç akmakta ve bu da kondansatörlerin gerilimlerinin değişmesine sebep olmaktadır. Çevirgeç ile sistem arasında akan aktif güç, sistem gerilimi ile çevirgeç gerilimi arasındaki faz farkı (α) miktarının sinüsü ile doğru orantılıdır. Bu α açısı değiştirilerek (α-kontrolü) çevirgecin her fazındaki kondansatörlerin toplam ortalama gerilimlerini sabit tutmak mümkün olmaktadır. Fakat her fazda bulunan toplam ortalama kondansatör gerilimini sabit tutmak, bütün kondansatör gerilimlerini eşitlemek için maalesef yeterli olamamaktadır. gerilimlerini eşitleyebilmek için özgün olarak Seçici Yer- Değiştirmeli Ateşleme Algoritması geliştirilmiştir.
Ca1 Ea Eb Ec Ca3 Cb3 Cc3 Ca2 Cb2 Cc2 Cb1 Cc1 Şekil-1 3 Faz Üç Tam Köprülü CMIWSS Şeması II.b. Literatürde Geçen Eşitleme Metotları Literatürde verilen α& α-kontrolü, α açısı ile faz başına toplam kondansatör gerilimlerinin ortalamasını kontrol etmenin yanı sıra, her kondansatöre de ayrı bir kaydırma açısı α tanımlayıp bununla da ayrı ayrı kontrol yapmayı öngörmüştür. α& α-kontrolü savunulduğunun [5] aksine istenen tepkiyi her operasyon noktasında verememekte ve güvenilirlikten uzak kalmaktadır. (Bkz. Şekil-2.a) Başka bir metot ise, α-kontrolüne ek olarak her tam köprünün ateşleme açılarını devamlı kendi aralarında yer değiştirmeye dayanmaktadır. Şekil-2.b de görüldüğü üzere, bu metot da etkisiz kalmakta ve kondansatör ortalama gerilimleri bazı operasyon durumlarında belli bir aralıkta sabit tutulabilmesine rağmen başka bir operasyon noktasında, kontrol yapısı çalışmamaktadır. Bu durumu çözmek üzere, Yedek Ateşleme Kombinasyonları nı [6] temel alan, ancak bu metodun zayıf kaldığı noktaları tamamlayan Seçici Yer-değiştirmeli Ateşleme Algoritması geliştirilmiştir. III. ALGORĐTMA DC kondansatör gerilimlerinin eşitlenme sorununu çözmek için, tam köprülerin ateşleme açılarını sabit tutmak yerine devamlı kendi aralarında değiştirmek bunu da rasgele değil de DC kondansatör gerilimlerini okuyup göz önünde bulundurarak yapmak gerekmektedir. Şekil-3 te görülen gerilim dalga şeklinde A 1, B 1, C 1, D 1, E 1, F 1, G 1, ve H 1 noktalarında yeni bir tam köprü ateşlenmeye başladığı ya da susturulduğu için aslında hangi tam köprünün devreye alınacağına veya susturulacağına karar vermek, kondansatör gerilimleri üzerinde kontrole sahip olmak anlamına gelmektedir. Üç tam köprülü CMIWSS topolojisi +3V dc, +2 V dc, +V dc, 0, -V dc, -2V dc, ve -3V dc seviyelerine sahip bir merdiven tipi gerilim dalgası üretmektedir. +3V dc, 0 ve -3V dc anlarında, ya bütün tam köprüler devrede ya da hepsi devre dışı olduğu için bir kontrol yapılamayacağından orta seviyelerde, yani +2 V dc, +V dc, -V dc, ve -2V dc seviyelerinde istenilen sıklıkta hangi tam köprünün devreye gireceği ve hangisinin devreden çıkacağını belirlemek eldedir. Amaç, çevirgeç şarj modunda iken yani akım çevirgece doğru ve çevirgeç çıkış gerilimi pozitif iken veya akım çevirgeçten dışarı ve çevirgeç gerilimi ne- (a) (b) Şekil-2 Tek Faz için DC Ortalama Gerilimlerinin Değişimi (a) α& α Kontrolü ile, (b) Yer-Değiştirmeli Ateşleme ile Faz-Nötr Gerilimi +3Vdc +2Vdc +1Vdc 0-1Vdc -2Vdc -3Vdc A1 B1 Bn C1 Cn An D1 Dn E1 En F1 Fn G1 Gn Şekil-3 Çevirgece Ait Tipik Faz-Nötr Gerilimi gatif iken gerilimi diğerlerinden düşük olan kondansatör veya kondansatörleri devreye almaktır. Benzer şekilde çevirgeç deşarj modunda iken yani akım çevirgeçten dışarı ve çevirgeç gerilimi pozitif veya akım çevirgece doğru ve çevirgeç gerilimi negatif iken gerilimi diğerlerinden büyük olan kondansatör veya kondansatörleri devreye alarak kontrol sağlanır. Şekil-3 te görülen A 1, B 1,,H 1 noktalarında mecburen bir devreye alma veya devreden çıkarma işlemi yapılacağı için, bu operasyonu da bu noktalarda yapmak ekstradan ateşleme getirmemesi açısından mantıklı olacaktır. Buna ek olarak, +2 V dc, +V dc, -V dc, ve -2V dc orta H1 Hn time
seviyelerinde herhangi bir anda da bu operasyon tekrarlanabilir. Bütün bu işlemlerin tek faza ait akış diyagramı Şekil-6 da verilmiştir. gerilimlerinde görülen salınım Q anma maksimum reaktif çıkış gücü, V anma anma AC çıkış gerilimi, V dcset kondansatör referans ortalama gerilimi, ve C her kondansatörün sığa değeri olmak üzere Q /( V. V. C) değerine doğrudan bağlıdır. anma anma dcset Bu değerin büyük olduğu durumlarda (düşük bir bara gerilimine sahip olmak gibi) bahsi geçen orta seviyelerde de operasyonu tekrar etmek gerekebilir. Bu algoritma, 3 faz 3 tam köprülü 400V ±100kVAr STATCOM topolojisi için PSCAD yardımı ile çözümlenmiştir. Yapılan PSCAD simülasyonlarında kullanılan kondansatör değerleri (27200µF) ve bara gerilimi (Vdc=140V) ile yeterli bir eşitlik sağlayabilmek için orta seviyelerde her 400µsaniyede (T swap ) bir gerekirse tekrardan yer-değiştirmeli ateşleme yapmak gerektiği görülmüştür. Bu ilk bakışta çok düşük bir rakam olarak gözüktüğü için yüksek bir ateşleme frekansına sebep olacağı zannedilmesine karşın, aslında her tam köprüye karşılık gelen ateşleme frekansı normalde pratik sonuçlara bakıldığı zaman düşük olmaktadır. (Bkz. Şekil-4 ve 5) Şekil- 4 te bir tek tam köprü için, çevirgeç faz-nötr gerilimine karşılık gelen üst iki anahtarın ateşleme sinyalleri görülmektedir. Bu ateşleme sinyallerinin frekansı 5 saniyelik bir simülasyonda Şekil-5 te görüldüğü üzere ortalama 250Hz de kalmaktadır. Bu rakam da kontrol yapılmadığı durumdaki ateşleme frekansına göre (50Hz) çok da fazla artmış olmamaktadır. T swap değeri seçilirken, kondansatör ortalama gerilimlerinde %1 den daha fazla salınım oluşmaması ve anahtarlama kayıplarının kabul edilebilir düzeyde kalması esas alınmıştır. Farklı T swap değerleri için sistem performans kıyaslaması Tablo- 1 de verilmiştir. Kayıplar açısından bakıldığında ise IGBT kullanıldığında 50Hz lik ateşleme ile 250Hz lik ateşleme durumundaki ateşleme kayıpları arasında örnek olarak MITSUBISHI marka PM400DSA060 kodlu IPM ürünü için en fazla 2-3 Watt fark gelmektedir ve bu da iletim kaybı yanında ihmal edilebilecek bir rakam olmaktadır. Yapılan simülasyonların sonucunda T swap =400µsaniye kullanıldığı durum için elde edilen kondansatör ortalama gerilimleri Şekil-7 de görülmektedir. Aynı durum için P ve Q başarım grafiği ise Şekil-8 de verilmiştir. IV. SONUÇ Literatürde bahsi geçen DC kondansatör ortalama gerilimi eşitleme metotları işe yaramadığı için özgün bir algoritma geliştirilmiş ve PSCAD de Fortran da geliştirilerek denenmiştir. Bunun sonucunda seçici yer-değiştirmeli ateşleme metodunun periyodu (T swap ) 400V ± 100kVAr lık laboratuar prototipine yönelik olarak optimize edilmiş ve sonuçlar tatmin edici bulunmuştur. Sonuç olarak kondansatör ortalama gerilimleri istenilen değerde tutulmuş ve doğru operasyon yapılabilmiştir. Bu sayede THD den ödün Şekil-4 Tam Köprü Üst Đki Anahtarı için Ateşleme Sinyalleri Şekil-5 Tek Fazdaki Bütün Tam Köprülerin Üst Anahtarları için Toplam Ateşleme Sayıları verilmemiş ve aynı zamanda çevirgeçte bulunan elemanlar üzerinde birbirinden farklı gerilim stresleri oluşması riskinin de önüne geçilmiştir. Öte yandan gerçek STATCOM prototipine (6.3kV, ±10MVAr) yönelik hesaplamalar da yapılmış ve kondansatör gerilimlerinde oluşacak tahmini salınım gerilimleri bulunmuştur. Buna göre T swap in daha da uzatılması hatta seçici yer-değiştirmeli ateşlemenin yalnızca A 1, B 1,...,H 1 noktalarında yapılmasının bile yeterli olacağına kanaat getirilmiştir. Bu durum ilerleyen çalışmalarda denenecek ve gerçek prototip için de optimum çözüm bulunacaktır. Tahminlere göre de her IGBT başına denk gelen ateşleme frekansı 200Hz in de altında olacaktır.
Döngü başlangıcı (DSP örnekleme sonuçlarına bakılır) Gerilimleri (Vdc1,Vdc2,Vdc3), Çevirgeç Gerilim ve Akımı (Va ve Ia) Va seviyesi +3Vdc,0 veya -3Vdc den birisi mi? En büyük Vdc(VB) ve en küçük Vdc(VK) bulunur Gerilim seviyesi saptanır ve akım yönü belirlenir Ia ve Va çarpımı pozitif mi? 1) Va=+2Vdc veya -2Vdc ise VK ye sahip tam köprüyü devreye al, VB ye sahip tam köprüyü devreden çıkart 2) Va=+Vdc veya -Vdc ise VK ye sahip tam köprüyü devreye al 1) Va=+2Vdc veya -2Vdc ise VB ye sahip tam köprüyü devreye al, VK ye sahip tam köprüyü devreden çıkart 2) Va=+Vdc veya -Vdc ise VB ye sahip tam köprüyü devreye al Seviye değişimi var mı veya Tswap kadar süre geçti mi? Şekil-6 Tek Faza Ait Seçici Yer Değiştirmeli Algoritma için Đşlem Akış Diyagramı Şekil-7 Seçici Yer-değiştirmeli Ateşleme Algoritması Kullanıldığında Ortalama Gerilimlerinin Değişimi Tablo-1 Farklı T swap değerleri için sistem performans kıyaslaması Şekil-8 Seçici Yer-değiştirmeli Ateşleme Algoritması Kullanıldığında P ve Q Başarımı Durum No 1 2 3 Parametreler Tswap=200usec Tswap=400usec Tswap=800usec Q çıkış Q düşüş zamanı zamanı Q çıkış tepesi Q düşüş tepesi 133ms 107ms 103.5kVA 113.2kVA Q salınımı Q salınımı (+100kVA) (-100kVA) DC Gerilim (+100 kva) DC Gerilim (-100 kva) 0.41% 0.72% 0.30% 0.54% 133ms 107ms 103.5kVA 113.2kVA 0.40% 0.66% 0.33% 0.92% AC Gerilim (+100 kva) AC Gerilim (-100 kva) Maksimum Gerilimi 3.39% 10.3% 177.97Volts 3.71% 10.5% 133ms 107ms 103.4kVA 113.0kVA 0.35% 0.71% 1.29% 1.04% 5.40% 11.4% 179.60Volts 180.56Volts
IV. REFERANSLAR [1] C. Schauder et.al., Operation of ±100 MVAR TVA STATCON, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 4, October 1997. [2] Lai J. et al., Multilevel Converters-A New Breed of Power Converters, IEEE Trans. Ind. Apps., Vol.32, No.3, pp.509-517, May/June 1996 [3] Fang Zheng Peng, A Power Line Conditioner Using Cascade Multilevel Inverters for Distribution Systems, IEEE Transcations on Industry Apps., Vol. 34, No. 6, November / December 1998 [4] Cem Özgür Gerçek, Seri Bağlı Tam Köprülü Çok Seviyeli STATCOM Prototipi Tasarımı, EMO Yayın: SK/2006/5/1.c Sayfa 151-156 ELECO, Aralık 2006 [5] Peng F.Z. et al., A Multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources for Static Var Converters, IEEE Trans. Ind. App., vol.32, No.5, pp.1130-1138, Sep/Oct 1996 [6] Sirisukprasert S., Modeling and Control of a Cascaded-Multilevel Converter Based STATCOM, Ph.D Dissertation, February 2004