HARMONİK KAYNAĞI TESPİT METOTLARININ/ İNDİSLERİNİN ÇEŞİTLİ KAYNAK VE YÜK DURUMLARI İÇİN DOĞRULUKLARININ İSTATİSTİKSEL ANALİZİ Ahmet KÖKSOY Our ÖZTÜRK Özgür KARACASU Gebze Yüksek Tekoloji Estitüsü Elektroik Mühedisliği Bölümü 44 Gebze KOCAELİ {akoksoy, ourozturk, karacasu, hocaoglu}@gyte.edu.tr M.Erha BALCI M. Haka HOCAOĞLU Balıkesir Üiversitesi Elektrik-Elektroik Mühedisliği Bölümü Çağış Yerleşkesi 45 BALIKESİR mbalci@balikesir.edu.tr ÖZET Güç elektroiği temelli elemaları yaygı kullaımı sebebiyle güümüz güç sistemleride, gerilim ve akım harmoik kirliliği öemli derecede artmıştır. Harmoikleri güç sistemi elemalarıı kayıplarıda artışa ve ömürleride kısalmaya sebep olduğu literatürde iyi bilimektedir. Bu olumsuz etkilerde dolayı harmoik ürete yüklere sahip tüketicileri cezaladırılması veya harcadıkları eerjii ekstra fiyatladırılması düşücesi; harmoik bozulmaı sıırladırılması içi bir ölem olarak ortaya çıkmıştır. Bu amaçla tek oktada eş zamalı olmaya ve çok oktada eş zamalı ölçüm yaklaşımlarıa dayaa harmoik kayağı tespit metotları/ idisleri literatürde taımlamıştır. Bu metotları/ idisleri geçerliliği (doğruluğu) geellikle simülasyo temelli aalizlerle gösterilmiştir. Bu çalışmada, literatürde yaygı olarak bilie tek oktada eş zamalı olmaya ölçüm yaklaşımıa dayalı metotları/ idisleri doğrulukları kurula bir test sistemide yapıla ölçümlerle aaliz edilmiştir. Aalizlerde farklı harmoik bileşelere sahip çok sayıda gerilim dalga şekli ve çeşitli yük tipleri dikkate alımıştır. Çok sayıda kayak ve yük durumu içi elde edile doğruluk aalizi souçları istatistiksel olarak yorumlamıştır. Aahtar Sözcükler: Harmoikler, Görüür Güç Taımları, Harmoik İdisler.. GİRİŞ Harmoik bozulmaya sahip (diğer bir deyişle siüzoidal olmaya dalga şeklide) akım çeke güç elektroiği temelli yükleri, güümüzde büyük güçlerde ve yaygı olarak kullaımı; güç sistemlerideki gerilim ve akım harmoik kirliliğide öemli ölçüde artışa sebep olmaktadır []-[3]. Bu durum güç sistemi elemalarıı kayıplarıda artışa, ömürleride kısalmaya ve seri/ paralel rezoas olaylarıa sebep olması harmoikleri sıırladırılması içi bir motivasyo olmuştur. Böylece harmoik ürete yüklere sahip tüketicileri cezaladırılması veya ürettikleri harmoik bozulma sebebiyle harcadıkları eerjii farklı fiyatladırılması düşücesi; bir yaptırım yaklaşımı olarak ortaya çıkmıştır. Bütü bular eticeside uluslararası mühedislik orgaizasyoları ve estitüler kou üzerie çeşitli kılavuzlar ve stadartlar hazırlamıştır [4]-[]. Bu çalışmalarda biri ola Elektrik ve Elektroik Mühedisleri Estitüsüü (IEEE) düzelediği IEEE std. 59-99 [4] de harmoikleri kotrol edilmesie ilişki uygulamalar, harmoik bozulma miktarıı göstere çeşitli idisleri hesabı ve ortak bağlatı oktasıda ölçüle gerilim ve akıma ait Toplam Harmoik Bozulma (THD) sıırlamaları tavsiye iteliğide belirlemiştir. Ayrıca Uluslararası Elektrotekik Komisyouu (IEC) düzelediği IEC 6-3- [5], 3-4 [6] ve 3-6 [7] stadartlarıda çeşitli tiplerde yükler içi harmoik akımlarıa sıırlamalar getirilmiş, IEC Std. 6-4-7 [8] ve 4-3 [9] stadartlarıda ise harmoik bozulma miktarıı ölçülmesie ilişki metotlar taımlamıştır. Avrupa Normlarıa göre düzelee EN 56 [] stadardıda ise ortak bağlatı oktası gerilimie ait bozulma miktarı ve dalga şekli sıırlama altıa alımıştır. Acak bu stadartlarda harmoik ürete yükleri tespiti ve harmoik sorumluluğu paylaştırılması içi herhagi bir metot/ idis suulmamıştır. Buula birlikte harmoik ürete yükleri tespit edilmesi ve harmoik sorumluluğu paylaştırılması içi literatürde birçok metot/ idis öerilmiş ve öerile metotları/ idisleri aalizleri yapılarak bahsedile stadartlar desteklemiştir []-[5]. Literatürde harmoik kayağı tespiti ve harmoik bozulma sorumluluğuu paylaştırılması içi öerile metotlar/ idisler ölçüm stratejisie göre tek oktada eş zamalı olmaya ve çok oktada eş zamalı olmak üzere iki gruba ayrılabilir [], [4]. Çok oktada eş zamalı ölçümlere dayalı metotlar/ idisler tek oktada eş zamalı olmaya ölçümlere dayalı metotlara/ idislere göre daha güveilir souçlar vermekle birlikte birçok oktaya yerleştirilmiş eş zamalı ölçüm ve haberleşme sistemlerie ihtiyaç duyması sebebiyle maliyetleri daha yüksektir. Bu çalışmada, literatürde yaygı olarak bilie tek oktada eş zamalı olmaya ölçüm yaklaşımıa dayalı metotları/ idisleri doğrulukları kurula bir test sistemide yapıla ölçümlerle aaliz edilmiştir. Bu metotlar/ idisler sırasıyla; Kayak-Yük Kalite (KYK) [7], Harmoik Global (HG) [8], Uygu Akım (UA) [3], Lieer Akım (LA) [4] idisleri ve Kaydırılmış İletkelik Gücü (D SC ) temelli metottur [6]-[8]. Aalizlerde farklı harmoik bileşelere sahip çok sayıda gerilim dalga şekli ve çeşitli yük 59
tipleri içi elde edile metot/ idis souçları istatistiksel olarak yorumlamıştır.. HARMONİK KAYNAĞI TESPİT METOT ve İNDİSLERİ Bu kısımda KYK, HG, LA ve UA idisleri ile Dsc metodu kısaca özetlemiştir.. Kayak-Yük Kalite (KYK) İdisi KYK idisi harmoiklere ait aktif güç yöüü dikkate ala bir yötemdir. KYK idisi aktif ve temel harmoik aktif güçleri ciside Deklem (3) teki gibi ifade edilir. P = V I cos(θ δ ) () P = V I cos(θ δ ) () KYK = P/P (3) Hesaplaa KYK idisii değeri de küçük ise baskı harmoik kayağıı yük tarafı olduğu; değeri de büyük ise baskı harmoik kayağıı kayak tarafı olduğu kabul edilir [7].. Harmoik Global (HG) İdisi Harmoiklere ait aktif güç yöüü dikkate ala bir diğer metot da HG idisidir. Bu idiste harmoik akımlar, iki farklı grup halide ele alıır. İlk grup aktif gücü egatif olduğu harmoik akımlarıyke ikici grup aktif gücü pozitif olduğu harmoik akımlarıdır. I lk = eğer P k k =,.. (4) I k eğer P k < I sk = eğer P k k =,.. (5) I k eğer P k > HGI = N k= I lk N k= I sk (6) HG idisi ilk gruptaki harmoik akımları etki değerlerii toplamıı, ikici gruptaki harmoik akımları etki değerlerii toplamıa oraı ile hesaplaır[5],[8]. Birici ve İkici gruba ait akımları hesaplaışı sırasıyla Deklem (4) ve (5) te verilmiştir. HG idisi hesabı ise Deklem (6) da verilmiştir [8]..3 Uygu Akım (UA) İdisi Bu idis hesaplaırke akım iki bileşee ayrılmıştır. Birici parça gerilimle ayı harmoik bozulmaya sahip ola uygu (Coformity) akım, diğer parça ise uygu olmaya (No-comformity) akımdır [3]. Deklem (7) de hesaplaa. harmoik yük empedası üzeride aka akım, yük akımıı uygu akım parçasıdır. Uygu akım bileşeii zama domeyideki ifadesi Deklem (8) de verilmiştir. Uygu olmaya akım bileşei ise Deklem (9) de verildiği üzere toplam akım ifadeside uygu akım bileşeii çıkartılması ile elde edilir. Z = V I (θ δ ) (7) i co (t) = I V V si (ω t + θ + (δ θ )) (8) i co (t) = i co (t) (9) UA(%) = I co () I Yükü harmoik bozulma sorumluluğuu göstere UA, Deklem () da verildiği gibi uygu olmaya akım bileşeii akımı toplam etki değerie oraı ile hesaplaır..4 Lieer Akım (LA) İdisi LA idiside yük akımı doğrusal eşdeğer empedası çektiği doğrusal (lieer) akım ve geriye kala akım ola lieer olmaya akım olmak üzere iki parçaya ayrılmıştır [4]. Bu eşdeğer empedası direç ve. harmoik idüktif reaktas değeri sırası ile Deklem () ve () deki ifadelerde buluur. R = V I cos(θ δ ) () X = V si (θ I δ ) () Eşdeğer empedası geliği ve açısı ise sırası ile Deklem (3) ve (4) deki ifadeler ile elde edilir. (3) Z = R + X Θ = arcta X R (4) Böylece eşdeğer empedas üzeride geçe yük akımıı lieer parçası, i l (t) = V si(ω Z t + θ Θ ) (5) biçimide ifade edilir. Yük akımıda lieer akım parçası çıkarılırsa, lieer olmaya akım parçası i l (t) = i l (t) (6) elde edilir. LA Lieer olmaya akım parçasıı toplam yük akımıı etki değerlerie oralaması LA(%) = I l (7) I ile hesaplaır [4]..5 Kaydırılmış İletkelik Gücü (Dsc) Temelli Metot Bu metotta [6], [7] de öerile güç ifadeside yer ala Kaydırılmış İletkelik Gücüü (D SC ) ölçümü esas alımıştır. Yük gerilimi ve akımı sırasıyla Deklem (8) ve (9) daki gibi kabul edilirse herbir harmoik umarasıda fazda çekile aktif güç Deklem () deki gibi ifade edilebilir. 6
V = V si(ω t + θ ) I = I si(ω t + δ ) (8) (9) P = V I cos(θ δ ) () Deklem () de verile aktif güç ifadesi kullaılarak. harmoik degeli iletkelik değeri Deklem () deki gibi hesaplaır. Eşdeğer iletkelik ise G = P V () G e = P / V () oraı biçimide hesaplaır. Kaydırılmış iletkelik akımı ise I sc = (G G e ) V (3) şeklide ifade edilebilir. Deklem (4) teki V rms, ölçüm yapıla faz içi hesaplaa etki gerilim değeri olmak üzere Kaydırılmış İletkelik Gücü, D SC Deklem (5) deki ifadede hesaplamaktadır. V rms = V (4) D sc = I sc V rms (5) Bu metodu sorumluluk paylaşımı ile ilgili göstergesi, kaydırılmış iletkelik gücüü görüür güce göre ormalize edilmiş değeridir. Görüür güç, faza ait etki gerilim ve akım değerleri kullaılarak, S = VI (6) biçimide hesaplaır. Diğer tarafta [8] çalışması, D SC gücüü; yük tarafıı baskı harmoik kayağı olduğu durumlarda kayak tarafıı baskı harmoik kayağı olduğu durumlara göre çok büyük değerde olduğuu göstermiştir. 3. YAPILAN ÇALIŞMA Bir öceki bölümde özetlee metot ve idisleri geçerliliklerii (doğruluklarıı) istatistiksel aalizi içi 6 farklı yük tipi dikkate alımıştır. Testlerde kullaıla yük tipleri ve bu yük tiplerii siüzoidal gerilim altıda çektikleri akımlara ait Toplam Harmoik Bozulma (THD I ) değerleri Tablo de verilmiştir. Bu tabloda RL yükü ve kompaze edilmiş RL yüküü siüzoidal gerilim altıda çektikleri akımlara ait çok küçük bozulma değerleri ölçüldüğü görülmektedir. Buula birlikte sabit güç çeke yük, A.A. kıyıcısı ile beslee R yükü, Kompakt Floresa Lamba Yükü ve Moitör Yüküü siüzoidal gerilim altıda harmoikli akım çektiği görülmektedir. Yük gruplarıı saf siüs gerilimi altıda çektikleri akım dalga formları Şekil de görülmektedir. Tablo de belirtile her bir yük grubua, hazırlaa test düzeeği vasıtasıyla, Gerilim Toplam Harmoik Bozulma (TDH V ) miktarıı %, %5 ve %8 olduğu er farklı gerilim dalga formu uygulamıştır. Uygulaa dalga formu soucuda her bir yükü akım gerilim bilgisi kaydedilmiştir. Kaydedile bu veriler kullaılarak KYK, HG, UA, LA ve D SC metotları/ idisleri hesaplamıştır. Her bir metoda/ idise göre gruplamış histogramlar toplu olarak Şekil de verilmiştir. Tablo : Test yüklerii siüzoidal gerilim altıdaki TDH I değerleri. YÜK THD I RL Yükü (RL).6% Kompaze Edilmiş RL Yükü (RLC).9% Sabit Güç Çeke Yük (SGY) (AC-AC Dö. ile Beslee R Yükü).5% A.A. Kıyıcı Devresi ile Beslee R Yükü (KR) (Tetikleme Açısı 9º) 4.8% Kompakt Floresa Lamba Yükü 99.8% (CFL) ( Adet) Moitör (M) (3 Adet) 5.5% Şekil de verile histogramlar üzeride değeri gözle belirlee bir eşik değer çizgisi çizilerek harmoik bozulma kayağıı tespiti bakımıda her bir metodu/ idisi doğruluğu istatistiksel olarak icelemiştir. Bua göre UA, LA, HG idisleri ve D sc temelli metot içi çizgii sağ tarafıda kala bölge ; KYK idisi içi ise çizgii sol tarafıda kala bölge yükü baskı harmoik kayağı olarak yorumladığı bölgedir. YORUMLAR ve SONUÇ KYK idisii, harmoik üretmeye yükler (RL ve RLC yükleri) içi bütü test gerilimleri altıda de büyük değerler aldığı, dolayısıyla bu yükleri tespitide doğru çalıştığı Şekil de görülmektedir. Buula birlikte bazı test gerilimleri altıda harmoik ürete yükler (SGY, KR, CFL ve M yükleri) içi de büyük değerler alarak bu yükleri tespitide hatalı souçlar verdiği alaşılmaktadır. Bu durum KYK ı doğruluğuu kayak gerilimii değeride etkilediğii göstermektedir. HG idisii SGY dışıdaki bütü test yüklerii doğru bir şekilde sııfladırdığı Şekil de görülmektedir. Diğer tarafta, bu idis düşük değerleride SGY yi harmoik ürete yük olarak doğru sııflamış, fakat yüksek değerleride ayı yükü hatalı biçimde doğrusal yük olarak sııflamıştır. Sabit güç çeke yük özel karakterli bir yüktür. Girişide aktif güç faktörü düzeltme devresi bulumaktadır. Bu tip yükler sistem içide UPS, motor kotrol devreleri, tüketici elektroiği yükleri şeklide yaygı olarak kullaılmaktadır. Aktif güç faktörü düzeltme devresie sahip yükleri eerji sistemi içideki ağırlığıı, bu cihazlarla ilgili stadartlarda Elektromayetik Uyumluluk (EMC) zorululuklarıı artmasıa paralel olarak, artması beklemektedir. Dolayısıyla bu tip yükleri harmoik ürete karakterii belirlemesi özel öem arz etmektedir. 6
(a) t(s) (b) t(s) (c) (d) t(s) (e) t(s) (f) Şekil : Siüzoidal Test Gerilimi altıda (a) RL,(b) RLC, (c) SGY, (d) KR, (e) CFL, (f) M yükleri tarafıda çekile akımlar. KYK HG UA LA D SC 6 5 5 5 5.5.5 -..4 6 6 6 6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5.96.97.98.99....3.4.5.6.7.8.9...3.4.5.6.7.8.9...3.4.5.6.7.8.9...3.4.5.6.7.8.9 Şekil : RL, RLC, SGY, KR, CFL ve M yükleri içi, THDV %-5-8 değerlerie sahip er farklı gerilim dalga formuda hesaplaa KYK, HG, UA, LA ve DSC histogramları. M CFL KR SGY RLC RL ve (N).5.5 - ve (N).5.5 -.5.5 -..4..4 t(s)..4 ve (N) ve (N).5.5 - ve (N).5.5 -..4 t(s)..4 ve (N) 6
UA ve LA idislerii tüm yük grupları içi bezer davraış sergilediği görülmektedir. Her iki idis, HG idisi gibi, yüksek THD I değerie sahip yükleri başarılı sııfladırmış, buula birlikte düşük THD I değerie sahip sabit güç çeke yükte sııflama hatası yapmıştır. Buula birlikte, histogram grafikleri UA ve LA idislerii özellikle RLC tipi doğrusal yükler içi değerii artışıda çok fazla etkilediğii göstermiştir. So olarak; Şekil de D SC temelli metodu bütü test yüklerii doğru olarak sııfladığı görülmektedir. Ayrıca D SC gücü, yük tipide bağımsız olarak, değerideki değişimde çok az etkilemiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışma TÜBİTAK tarafıda desteklee Harmoik Ürete Yükleri Tespit Edilmesi İçi Yei Bir Metot Geliştirmek (Proje No:E3) isimli proje kapsamıda gerçekleştirilmiştir. Destekleride dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [] Arrilaga, J., Watso, N. R., Che, S.; Power System Quality Assessmet, Joh Wiley &Sos,. [] Kocatepe, C., Uzuoğlu, M., Yumurtacı, R., Karakaş, A., Arıka, O.; Elektrik Tesisleride Harmoikler, Birse Yayıevi, Kasım 3. [3] Sigh, G. K.; Power System Harmoics Research: a Survey, Eur. Tras. Electr. Power, vol. 9, o., p.p.: 5 7, 9. [4] IEEE Std. 59-99; Recommeded Practices ad Requiremets for Harrmoic Cotrol i Electrical Power Systems, The Istitute of Electrical ad Electroics Egieers, 993. [5] IEC 6 3-; Limitatio of Emissio of Harmoic Currets i Low-Voltage Power Supply Systems for Equipmet with Rated Curret Less Tha 6A, Iteratioal Electrotechical Commissio,. [6] IEC 6 3-4; Limitatio of Emissio of Harmoic Currets i Low-Voltage Power Supply Systems for Equipmet with Rated Curret Greater Tha 6A, Iteratioal Electrotechical Commissio, 998. [7] IEC 6 3-6; Assesmet of Emissio Limits for Distortig Loads i MV ad HV Power Systems, Iteratioal Electrotechical Commissio, 996. [8] IEC Stadard 6-4-7, Testig ad Measuremet Techiques Geeral Guide o Harmoics ad Iterharmoics Measuremets ad Istrumetatio for Power Supply Systems ad Equipmet Coected Thereto, It. Electrotechical Commissio,. [9] IEC Stadard 6-4-3, Testig ad Measuremet Techiques-Power Quality Measuremet Methods, Iteratioal Electrotechical Commissio,. [] EN 56, Voltage characteristics of electricity supplied by public distributio systems, Euro. Norms. [] Xu, W., Liu, X., Liu, Y.; A Ivestigatio o the Validity of Power-Directio Method for Harmoic Source Determiatio, IEEE Tras. o Power Delivery, vol. 8, o., p.p. 4-9, 3. [] Cataliotti, A., Cosetio, V., Ippolito, M. G., Moraa, G., Nuccio, S.; Sigle-poit Strategies for the Detectio of Harmoic Sources i Power Systems, 9 th It. Cof. o Elec. Power Quality ad Utilisatio, Barceloa, Spai, 7. [3] Perera, S., Gosbel, V.J., Seddo, B.; A Study o the idetificatio of Major Harmoic Sources i Power Systems Prof. of the AUPEC, Melboure, Australia,. [4] Davis, E. J., Emauel, A. E., Pileggi, D. J.; Evaluatio of Sigle-Poit Measuremets Method for Harmoic Pollutio Cost Allocatio, IEEE Tras. o Power Del., vol. 5, o., p.p. 4-8,. [5] Cristaldi, L., Ferrero, A.; Harmoic Power Flow Aalysis for the Measuremet of the Electric Power Quality, IEEE Tras. Istrum. ad Meas., vol. 44, o. 3, p.p. 683 685, 995. [6] Aiello, M., Cataliotti, A., Cosetio, V., Nuccio, S.; A Self-Sychroizig Istrumet for Harmoic Source Detectio i Power Systems, IEEE Tras. o Istrum. ad Meas., vol. 54, o., p.p. 5 3, 5. [7] Ferrero, A., Mechetti, A., Sasdelli, R.; Measuremet of the Electric Power Quality ad Related Problems, Europea Trasactio o Electrical Power, vol. 6, o. 6, p.p. 4 46, 996. [8] Muscas, C.; Assessmet of Electric Power Quality: Idices for Idetifyig Disturbig Loads, Europea Tras. o Elect. Power, vol.8, o.4, p.p. 87 9, 998. [9] Xu, W., Liu, Y.; A Method for Determiig Customer ad Utility Harmoic Cotributios at the Poit of Commo Couplig, IEEE Tras. o Power Del., vol. 5, p.p. 84 8,. [] Sergio Ferreira de Paula Silva, Jose Carlos de Oliveira; The Sharig of Resposibility betwee the Supplier ad the Cosumer for Harmoic Voltage Distortio: A Case Study, Electric Power Syst. Res., ( Jue 8). [] Pfajfar, T., Blažič, B., Papič, I.; Harmoic Cotributios Evaluatio with the Harmoic Curret Vector Method, IEEE Tras. o Power Del., vol. 3, o., p.p. 45-433, 8. [] Chaoyig, C., Xiulig, L., Koval, D., Xu, W., Tayjasaat, T.; Critical Impedace Method - a New Detectig Harmoic Sources Method i Distributio Systems, IEEE Tras. o Power Del., vol. 9, o., p.p. 88-97, 4. [3] Sriivasa, K., Jutras, R.; Coformig ad No- Coformig Curret for Attributig Steady State Power Quality Problems, IEEE Tras. o Power Del., vol. 3, o., p.p. -7, 998. [4] Dellapos Aquila, A., Marielli, M., Moopoli, V. G., Zachetta, P.; New Power-Quality Assessmet Criteria for Supply Systems uder Ubalaced ad Nosiusoidal Coditios, IEEE Tras. o Power Del., vol. 9, o. 3, p.p. 84-9, 4. [5] Locci, N., Muscas, C., Sulis, S.; O the Measuremet of Power-Quality Idexes for Harmoic Distortio i the Presece of Capacitors, IEEE Tras. o Istrum. ad Meas., vol. 56, o. 5, p.p. 87-876, 7. [6] Balci M. E. ad Hocaoglu M. H., New Power Decompositio for Siusoidal ad Nosiusoidal Coditios, IEEE ICHQP 6, Portugal, 6. [7] Balci, M. E.,Hocaoglu, M. H. A power resolutio for osiusoidal ad ubalaced systems Part II: Theoretical backgroud, Eleco, p.p. I-73 - I- 78, Bursa, Turkey, Dec.. [8] Balci, M. E.,Hocaoglu, M. H. Addedum to a power resolutio for osiusoidal ad ubalaced systems: Evaluatio examples, Eleco, p.p. I-79 - I-8, Bursa, Turkey, Dec.. 63