2 E ST TİPİ UYRTIM SİSTEMİ MODELLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Kadir I Muhammed tay Tugal 2 olkan YMÇLI 3 Elektrik-Elektronik Mühendisliği ölümü,3 Mersin Üniersitesi, Mühendislik Fakültesi, Mersin EnerjiS, dana 2 e-posta kabaci@emersin.edu.tr, atay.tugal@enerjisa.com 2, yamacli@mersin.edu.tr 3 ÖZET Güç sistemlerinin stabilitesi ile ilgili senkron makina simulasyon çalışmaları başladığında, uyartım sistemlerinin de modellenmesinin gerekliliği anlaşılmıştır. Fiziksel parametrelerle model parametrelerinin doğrudan ilişkili olarak gösterildiği detaylı modeller bazı aantajlara sahip olmakla birlikte genel sistem çalışmaları için çok fazla ayrıntıya sahiptir. Çalışma tipine uygun olacak şekilde model basitleştirme teknikleri kullanılarak e sistem kararlılığı üzerinde etkili olan tüm nonlineerlikler de hesaba katılarak küçültülüp pratik hale getirilmelidir.. u çalışmada senkron generatörlerin kararlı çalışmaları için gerekli olan uyartım kontrol sistemleri hakkında bilgi erilmiş e sınıflandırmaları yapılmıştır. rdından IEEE tarafından tasiye edilen uyartım sistemlerine ait modellerden kısaca bahsedilmiştir..u modeller arasında bulunan 2 e ST tip uyartım sistem modelleri incelenmiş e MTL/SIMULINK ortamında modellemesi gerçekleştirilmiştir. ir bozucu etki sonrasında Senkron generatörün kararlılığı incelenmiş simulasyon sonuçları erilmiştir. nahtar sözcükler: Senkron generatörler, 2, ST, Uyartım sistemleri, GİRİŞ Güç sistemlerinde senkron generatörlerin uyartım kontrolü çok önemli bir yer tutar. Genel olarak bir uyarıcı e bir gerilim regülatörünü içeren uyartım sisteminin ana görei senkron generatöre D alan akımı sağlamaktır. una ek olarak generatör uyartım sistemi makinanın gerilimini e reaktif güç akışını kontrol eder, güç sisteminin kararlılığının yükselmesine yardımcı olur e önemli koruma fonksiyonları sağlar. Uyartım sistemi her zaman uygun alan(uyartım) akımını sağlamak zorundadır []. Tarihsel olarak uyartım sistemleri güç sistemlerinin performansının arttırılmasına sürekli olarak artan bir şekilde katkıda bulunmuşlardır. İlk uyartım sistemleri, generatör çıkışındaki istenen gerilim e reaktif güç dengesini sağlamak için manüel olarak kontrol edilmiştir. Küçük sinyal kararlılığını e geçici hal kararlılığı arttırmak için 920 li yıllarda sürekli e hızlı çalışan regülatörler keşfedilmiştir. Uyartım sistemlerinin değiştirilmesine olan ilgi sayesinde, kısa sürede hızlı ceaba sahip uyarıcı e regülatörler endüstriye kazandırılmıştır. 960 lı yıllarda uyartım sistemlerinin rolü artmıştır. 960 ların başlarında alan gerilimi kontrolü e sistemdeki salınımların sönümlenmesi için çıkış gerilimi hata sinyaline ilaeten yardımcı stabilize edici sinyallerin kullanılmasına başlanmıştır. Modern uyartım sistemleri yüksek taan gerilimleri sayesinde ani ceap erme kapasitesine sahiptir. u yüksek alan gücüne sahip uyarıcıların e ilae stabilize edici sinyallerin kullanımı, tüm sistemin dinamik performansının arttırılmasına tam bir katkı sağlamıştır []. u konuda yapılan çalışmalar 70 li yıllarda artarak, mil hızından ya da imelendirme gücünden alınan işaretler sonucu elde edilen ilae kararlayıcı işaretler ile uyarma geriliminin denetlenmesinin, sistemin kararlı kalmasında etkili bir rol oynadığı görülmüştür. IEEE bünyesinde kurulan komiteler tarafından uyartım sistem modelleri üzerindeki standartlaşma çalışmaları 960 ta başlamış e ilk model setleri komite raporunda yayınlanmıştır [2]. u çalışma daha sonra genişletilerek pratik modeller geliştirilmiştir [3]. u raporlar da tekrar güncelleştirilerek yenilenmiştir [4]. 98 yılında oluşturulan model 992 yılında geliştirilmiş e IEEE Std-42.5/992 sayısında yayımlanmıştır. 2005 yılında ise bu model: reaktif diferansiyel kompanzasyon, uyarma sınırlayıcıları, güç faktörü e ar kontrolörleri, orantı kontrolörleri e diferansiyel kontrolörler (PID) eklemek amacıyla tekrar gözden geçirilmiştir [5]. u çalışmada, IEEE tarafından tasiye edilen 2 e ST tipi uyarıcılara ait modellerin MTL/SIMULINK ortamında gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Modellerin doğruluğunu e bir bozucu etki sonrası performanslarını karşılaştırmak amacıyla 3 fazlı bir kısa dere sonunda daranışları gözlemlenmiştir. 266
2. UYRTIM SİSTEMLERİ Uyarma sistemi e gerilim regülatörünün asli görei, senkron makinanın alan sargılarına yeterli uyarmayı sağlamak, gerilim düşmelerinde uyarmayı artırmak e gerilim yükselmelerinde ise uyarmayı azaltmaktadır. öylelikle, senkron generatörün diğer generatörlerle birlikte sürdürdüğü senkronizma olayını korumaktadır. Uyartım sisteminin göreini tam olarak yerine getirilebilmesi için aşağıdaki performans gereksinimlerini sağlaması gerekmektedir [] : Güç sisteminin kararlılığı için yeterli performansa karşılık gelen sistem tepkisine sahip olmalı Sınırlama e koruma fonksiyonları generatörün e diğer cihazların zarar görmelerini engelleyecek özellikte olmalı İşletmede esneklik sağlanması için gerekli özelliklere sahip olmalı İstenen güenilirlik özelliklerine sahip olmalı e gerekli dayanıklılık, dahili hata bulma e yalıtım kapasitesine sahip olmalıdır.[6] Şekil. de büyük bir senkron generatöre ait tipik bir uyartım kontrol sistemi fonksiyonel blok diyagramı görülmektedir. Şekil. Uyartım kontrol sisteminin blok diyagramı [] Uyartım Sistemi Çeşitleri Uyartım sistemleri yıllar boyu çeşitli şekiller almış e son olarak uyartım gücünün primer kaynağına göre üç grupta sınıflandırılmıştır [3,4]. D uyartım sistemleri; uyartım gücü kaynağı olarak komitatörlü bir doğru akım generatörü kullanırlar. uyartım sistemleri; senkron generatör alan sargısı için gerekli olan D akımın üretilmesinde duran eya dönen doğrultuculu alternatör kullanırlar. Statik uyartım sistemleri; uyartım gücü kaynağı olarak transformatörleri eya yardımcı generatör sargıları e doğrultucuları kullanırlar. irinci e ikinci sıradaki e D tip uyarıcılar dönen uyarıcılar olarak isimlendirilebilir. Generatörle aynı şaft üzerindedirler e ana kuet mili (şaft, prime moer) tarafından sürülürler. D tip uyartım sistemlerinin çoğunda primer uyartım gücü, alan sargısı senkron makine rotoruyla aynı mil üzerine yerleştirilmiş bir D generatörden sağlanır. D generatör ana uyarıcı işlei görür e bir pilot uyarıcı ile de ayrıca uyarılır. e statik tip uyartım sistemleri, faz kontrolü ile kontrol edilirler. Tristör içeren kontrollü doğrultuculardan oluşan, hızlı ceaba sahip elektronik regülatörler kullanırlar. Modern uyartım sistemlerinin çoğu dönen eya duran tiptedir [7]. 3. UYRTIM SİSTEMİ MODELLERİ Güç sistemlerinin kararlılığı ile ilgili senkron makina simulasyon çalışmaları başladığında, uyartım sistemlerinin de modellenmesinin gerekliliği anlaşılmıştır. İlk olarak 968 yılında IEEE komite raporunda değişik uyartım sistemi modelleri yer almıştır. Raporda uyartım sistemlerinin matematiksel modelleri e bu modeller için hesaplanmış sistem parametreleri sunulmuştur [4]. 98 yılı raporunda bu çalışmalar geliştirilerek daha yeni uyartım sistemleri için matematiksel modeller yer almıştır. IEEE tarafından şu anda kullanımda olan uyartım sistemi çeşitlerini tanımlayan 2 adet uyarıcı e regülatörden oluşan uyartım sistem modeli blok diyagram şeklinde standartlaştırmıştır (Tablo.). u modeller geçici hal e küçük sinyal kararlılık çalışmalarında kullanılmak üzere geliştirilmiştir [4]. Tablo. Standart hale getirilmiş uyarıcı modelleri [4]. D Tip Komitatörlü D, D2, D3 Modeller Tip lternatör, 2, 3, eslemeli Doğrultuculu 4, 5,6 Modeller ST Tip Statik Uyarıcı ST, ST2, ST3 Modelleri Literatürde uyartım sistemi, uyarıcı, gerilim regülatörü e yükseltici gibi karamlar arasında bir kargaşa olabilmektedir. Gerilim regülatörü, uyartım sisteminin en büyük parçasıdır. Karşılaştırma e yükseltici bloklarını, aynı zamanda geçici kazanç azaltım bloğu (TGR) e/eya uyartım sistem stabilizatörü (ESS) nü de içerir. ESS e/eya TGR, regülasyon e kararlılık sağlayan alt sistemlerdir. Uyartım sisteminin gerilim regülatörü dışında kalan kısmı, regülatörün çıkış işareti R ni işleyen e uyarıcı tipine göre değişen bloklardan oluşur. D, e ST tipi olarak isimlendirilen uyartım sistemleri aynı isme sahip olan uyarıcıları da içermektedirler. Şekil 2. Uyartım kontrol sistemi tipik bir modeli [4]. 267
Şekil 2. deki uyartım kontrol sisteminde ana giriş, gerilim transdüserinin çıkışı olan dir. Toplam noktasında işareti e stabilize edici sinyallerden ESS nin çıkış işareti F çıkarılır, referans gerilim değeri REF e PSS in çıkış işareti S ise toplanır. F e S işaretleri stabilize edici sinyallerdir. Kararlı hal durumunda bu iki stabilize edici sinyal sıfır değerini alır. Yani sadece ERR= REF - çıkış gerilim hata sinyali kalır. Sonuçta elde edilen sinyal regülatör tarafından yükseltilir. Gerilim regülatörü ile ilgili ana zaman sabiti T, kazanç ise K dır. Regülatöre ait yükseltici üzerindeki sınırlayıcı doyma e yükselticinin limitlerini tanımlar. T e T ise regülatör içerisindeki TGR ye ait zaman sabitleridir. Gerilim regülatörü çıkışı R uyarıcıyı kontrol etmek için kullanılır. KE uyarıcının kazancı olduğu gibi bu değere bağlı olarak D uyarıcının kendinden eya bağımsız uyarmalı olduğu anlaşılır. TE ise D uyarıcının zaman sabitidir. Generatör alan gerilimi EFD ile çarpılan X terimi uyartım gerilimindeki nonlineer fonksiyonu tanımlar. Uyartım geriliminden KF kazancı e TF zaman sabiti yoluyla türetilen F sinyali de uyartım sisteminin kararlılığının artırılmasında kullanılır. Sonuç olarak gerilim hata sinyali ile gerekli alan gerilimi EFD oluşturulmuş olur [4]. 3.. Tipi Uyartım Sistem Modelleri u uyartım sistemlerinde bir alternatör e generatör alanı için gerekli doğru akım üretmek için sabit eya döner doğrultucular kullanılır. u gibi uyartım sistemlerinde yüklenme etkileri önemlidir e generatör uyartım akımının bu sistemlere giriş olarak kullanılması bu etkilerin tam olarak görülmesine imkan erir. [8] 2 tipi Uyartım sistemi e Matlab/Simulink ortamında gerçekleştirilen modeli 2 tipi olarak gösterilen bu sistem, hızlı başlangıç ceaplı, alan kontrollü alternatör-doğrultucu uyartım sistemlerini temsil eder. na uyartım elamanı olan alternatörle birlikte kontrolsüz doğrultucular kullanılır. u tıp tipi ile benzerdir. u sistemde ek olarak iki alan akımı geri besleme çerimi, zaman sabiti komponzasyonu e uyartım elemanı alan akım sınırlayıcıları kullanılır. [9] Uyartım elemanı zaman sabiti kompanzasyonunda H işareti, direkt negatif geri beslemede kullanılır. öylece uyartım elemanının alan zaman sabitinin efektif değeri azaltılır, buna karşılık sistemin küçük işaret ceap band genişliği arttırılır. Zaman sabiti, kompanzasyon çerimindeki K e KH kazancı ile orantılı olarak azaltılır. [0] u sistem ile yüksek başlangıç ceabı elde etmek için çok yüksek zorlama gerilimi RMX, uyartım elamanının alan sargısına uygulanır. Sınırlayıcı uyartım alan akımını algılar, yüksek zorlama sağlar fakat akımı da sınırlar. lan akımının sınırlamasıyla çıkış gerilimi E seçilen bir değerde sınırlandırılır. Gerilim regülatörünün çıkış gerilimi e zaman sabiti kompanzasyon işareti H, fonksiyonu uyartımın bir sınır noktasında regülatör kontrolünden sınırlama kontrolüne düzgün geçişi sağlamak olan kontrol lojik deresinde, sınırlayıcıdan alınan çıkış sinyali L ile karşılaştırılır. Düşük değer kapısı olarak adlandırılan bu lojik dere uyartım, bu kapıya gelen iki işaretten daha fazla negatif olanı ile kontrol edilir []. Şekil 3 a e b de sırasıyla 2 tipi uyarıcının tipik modeli ile Matlab/Simulink ortamında gerçekleştirilen modeli gösterilmiştir. s 4 err f s-f +ref -c a Kf.s Tf.s+ ref c H T r.s+ Kh t d q a) a-h f e r Ir Exciter limit ref akimi lr 5 b) Şekil 3. 2 Uyartım tipi a)ieee modeli b) Simulink modeli 3.2. ST Tipi Uyartım Sistem Modelleri urada senkron makina, uyartım için gereken gücü bir uyartım trafosu e tristörlü /D dönüştürücüsü üzerinden alır. Gerilimi (bileşik sistemlerde aynı zamanda akımı), uygun bir değere dönüştürmek için bir transformatör kullanır. Doğrultucular generatör alanı için gerekli doğru akımı sağlamak üzere kontrollü eya kontrolsüz olabilirler. u sistemlerin çoğundan negatif alan gerilimi elde edilebilir, buna karşılık negatif alan akımı elde edilemez. unun için daha detaylı modeller gerekmektedir. Statik sistemlerin çoğunda uyartım gerilimi çok yüksek değerlere çıkabilir. u yüzden uyartım sistemini e generatör rotor sargılarını korumak için ilae alan akım sınırlama dereleri kullanılır. u gibi ek dereler blok diyagramlarında gösterilmemiştir. [7] 3.3. ST tipi uyartım sistem modeli ST tipi, gerilim kaynaklı-kontrollu doğrultuculu uyartım sisteminin modeli Şekil 4 a).da gösterilmiştir. u gösterim, uyartım gücü genaratör terminalinden eya yardımcı baradan beslenen bir transformatörden sağlanan bütün sistemler için geçerlidir. u sistemlerde elde edilebilecek maksimum uyartım gerilimi direkt olarak generatör uç gerilimiyle ilgilidir [2]. Şekil 4b) de Matlab/Simulink ortamında gerçekleştirilen modeli gösterilmiştir. d 2 q 3 e EFD f e Efd 268
a) s_ 4 _UEL -- _UEL UEL_ UEL UEL HGTE EFD Efd_ t ref_ f _ Kf_.s c Tf_.s+ 0 limiter Klr_ If d_ If d 5 u 2 d_ 2 _OEL_ T r_.s+ t_ sqrt Ilr_ u 2 q_ 3 Şekil 3.ST Uyartım tipi a)ieee modeli b) Simulink modeli b) 4.SİMULSYON ÇLIŞMSI Gerçekleştiren modellerin performansını gözlemlemek amacıyla EK. da erilen güç sistemi üzerinde 3 faztoprak kısa deresi sonucunda senkron generatörün bozucu etki sonunda dinamik daranışı izlenmiştir. Şekil 5 e 6 da sırasıyla 5 saniyelik simulasyonun 3 ila 3. saniyede meydana gelen hata sonrasında generatöre ait terminal geriliminin arzu edilen değerlere geldiği hem pu. hem de gerçek değerler cinsinden görülmektedir. Şekil 6. ST e 2 tip terminal gerilimi Gerilimin bu değerde tutulmasını sağlamak için her iki uyartım sisteminin uyartım gerilimi E fd =.89 pu değerinde olmaktadır. Şekil 7 de her iki modele ait uyartım geriliminin zamana göre değişimleri erilmiştir. Şekil 5. ST e 2 tip terminal gerilimi(p.u) Şekil 7. ST e 2 tip uyartım gerilimi 269
5. SONUÇLR u çalışmada senkron generatörlerde uyartım kontrolünü sağlayan lternatif e Statik tip uyartım sistemleri incelenmiştir. u uyartım sistemleri içerisinde yer alan 2 e ST tipi uyartım sistemlerinin MTL/SIMULINK ortamında modellenmesi e simulasyonu gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan her iki model örnek bir güç sisteminde test edilmiştir. ir bozucu etki olarak üç faz toprak hatası sisteme uygulanmıştır. Simulasyon sonucunda senkron generatör bozucu etki sonrasında başarılı bir şekilde kararlı hale gelmiştir. yrıca gerilim istenilen düzeye getirilmiş e bozucu etki sonrasında güç sistemi kararlı halde çalışmasını sürdürebilmiştir. Her iki modelin de uyartım geriliminin aynı değerde olduğu gözlemlenmiştir. KYNKLR [] Kundur, P., (994), Power System Stability and ontrol, EPRI Power System Engineering Series, McGraw-Hill, Inc., New York. [2] IEEE ommittee Report, (968), omputer Representation of Excitation Systems, IEEE Transactions on Power pparatus Systems, ol.ps- 87, No.6, pp.460-464, June 968. [3] IEEE ommittee Report, (98), Excitation System Models for Power System Stability Studies, IEEE Trans., ol. PS-00, pp.494-509, February. [4] IEEE Standart 42.5-992, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. The Institute of Electrical and Electronics Engineering Inc., New York, US, - 9, 992 [5].jjarapu,.Lee, ifurcations theory and its application to nonlinear dynamical phenomena in an electrical power system, IEEE Trans. on Power Systems, ol.7, No., pp.424-43, 992 [6] YU,Y.,N, Electric Power System Dynamics, cademic Pres, New York,983 [7] Padiyar K.R., (999), Power System Dynamics Stability and ontrol John Wiley & Sons; k&disk Ed., pril 5-999 [8] Shubhanga K.N., Transient stability-constrained generation reschedulink and compensation placement using energy margin and trajectory sensitiities, Ph.D.Thesis, Submitted to IIT ombay, (2003). [9] Rhew, H.W., Sul, S.K., new generator static excitation system using boostbuck chopper, Seul National Uniersity, Korea, (996). [0] Kim,.K., Rhew, H.W., Kim, Y.H., Stability performance of new static excitation system with boost-buck conerter, Korea Electric Power Research Institute, Korea, 998. []Schaefer, R.., pplication of static excitation systems for rotary exciter replacement, asler Electric ompany, 997. [2]Filho, E.R., Nunes, L.N., Synchronous machine field current calculation taking into account the magnetic saturation, omputer and Electrical Engineering Schooll, ampinas Uniersity, rasil, (2002). EK. ÖRNEK GÜÇ SİSTEMİ <Stator oltage q <Stator oltage d <Rotor angle deiation d_theta d_theta <Rotor speed wm <Rotor speed wm <Output actie power Peo wm Peo (pu) <Rotor angle deiation d_theta < is_a is_a < is_b is_b <Rotor speed deiation dw < is_c is_c <Field current ifd <Output reactie power Qeo Qar (pu) 0.756 wre dw_5- Pre Tr5- w gat Terminal kimi () + - a -K- olts > pu Terminal Gerilimi() d_thet P gate si_p st_p PSS ON/OFF PSS Stabilizor Steam Turbine and Goernor re sta D Excitation System re Excter tip secici m Pm f_ 59,4 M k 3000 rpm i + - kim olcumu a b c 3 fazli transformator 80 M k / 230 k 50 MW 50,000 M, 230 k sonsuz guclu sebeke 3-Phase hatasi Ef 5 MW If 2 Exitation System ref d q s Efd ST ontinuous powergui ST Exitation System 270