reaktif güç kompanzasyonu  Profesyonel Çözüm Ortağınız..

ÖZET
Bu çalışmada; alternatif akım güç sistemlerinde iletilebilir gücü arttırmak ve kayıpları azaltmak için, son yıllarda güç elektroniğindeki gelişmelere bağlı olarak geliştirilen inverter tabanlı Esnek Alternatif Akım İletim Sistemlerinden (FACTS), Statik Senkron Kompanzatör ’ün (STATCOM) Matlab/Simulink benzetimi yapılmıştır. Benzetimde STATCOM için darbe genişlik modülasyonu (DGM) temelli kontrol tekniği kullanılarak, STATCOM ’un kontrolör devresindeki akımın reaktif bileşeninin referans değeri (Iqref) değiştirilerek, güç sisteminin indüktif ve kapasitif yüklü olduğu durumlar için, STATCOM ’un dinamik cevabı gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: İletim Hatlarında Reaktif Güç Kompanzasyonu, FACTS, STATCOM.

1. GİRİŞ
Sabit ve mekanik anahtarlamalı reaktör-kondansatör grupları ve senkron generatörler, iletim hatlarındaki gerilim profilini kontrol ederek kararlı durum güç akışını arttırmak için kompanzasyon amacı ile kullanılmaktadırlar. Ancak, geleneksel kondansatör ve reaktör grupları ile yapılan kompanzasyonun, sistemde meydana gelen değişimlere yeterince hızlı cevap verememesi gibi büyük bir dezavantajı vardır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, iletim hattının reaktif kompanzasyonunun güç elektroniği tabanlı devreler ile yapılması durumunda, güç sisteminin geçici ve dinamik kararlılığının iyileştirilebileceğini göstermek-tedir [1,2]. Güç elektroniği anahtarlamalı dönüştürücü devreler ile endüktans veya kondansatörler olmaksızın doğrudan denetlenebilir bir reaktif güç üretebilme fikri, ilk olarak 1976 ’da Gyugyi tarafından ortaya atılmıştır [3]. 1980’lerin sonunda ise mevcut güç sistemlerinin kapasitesini artırmayı/geliştirmeyi ve işletimsel problemleri çözmeyi amaçlayan FACTS kavramı, Elektrik Gücü Araştırma Enstitüsü (EPRI) tarafından yarı iletken güç teknolojisinin gelişimine paralel olarak, yeni bir teknolojik düşünce olarak ortaya atılmıştır. FACTS kavramının arkasındaki temel düşünce mekanik kontrolörlerin yerini daha güvenli ve daha hızlı olan güç elektroniği elemanlarının alması ve böylece var olan güç sistemi kapasitesinin kullanımını optimize etmek ve denetlenebilirliği artırmaktır. FACTS ’in açılımındaki “esnek” ifadesi bu kontrolörlerin kontrol edilebilir olduğu gerçeğinden ileri gelmektedir.

FACTS kontrolörü güç elektroniği tabanlı bir uygulama olduğu için, geleneksel mekanik kontrolörlere göre daha hızlıdır. Bu kontrolörler uygun bir şekilde ayarlandığı zaman, iletim sistemlerinin kararlı çalışma sınırlarını arttırır. FACTS kontrolörlerinin iki temel amacı vardır. Bunlardan birincisi, iletim sistemlerinin güç transfer kapasitesini arttırmak, ikincisi ise tanımlanan iletim rotaları üzerinde güç akışını kontrol etmektir [4].

Bugüne kadar FACTS adı altında birçok güç akış kontrolörü önerilmiş ve dünya çapında birçok FACTS uygulaması gerçekleştirilmiştir. Güç elektroniği tabanlı kontrolörleri genel olarak; “Tristör Tabanlı Kontrolörler veya geleneksel statik Var kompanzatörler(SVC)” ve Senkron Gerilim Kaynağı prensibine göre çalışan “Konverter Tabanlı Kontrolörler veya gelişmiş statik Var kompanzatörler (ASVC)” olarak ikiye ayırmak mümkündür. Tristör tabanlı FACTS aygıtlarında, anahtarlama elemanı olarak tristör kullanılmaktadır. Tristör tabanlı FACTS aygıtlarından Tristör Kontrollü Statik Var Kompanzatör (TCSVC), ilk uygulanan FACTS aygıtıdır. 1970 ’lerin başında ark fırını kompanzasyonu için geliştirilen TCSVC, daha sonraki yıllarda enerji iletim uygulamaları için kullanılmıştır. En son geliştirilen FACTS kontrolörleri senkron gerilim kaynağı prensibine göre çalışan konverter tabanlı kontrolörlerdir. Bunların en çok kullanılanları ise STATCOM, statik senkron seri kompanzatör (SSSC), hat arası güç akış kontrolü (IPFC) ve birleştirilmiş güç akış kontrolü (UPFC) ‘dür.

2. STATCOM
Gelişmiş Statik Var Kompanzatör (ASVC) olarak bilinen STATCOM, güç sisteminden reaktif akım çekecek şekilde kontrol edilen ve bir dc enerji depolama elemanı ile üç fazlı sistem arasına bir inverter bağlanarak yapılan FACTS kontrolörüdür. STATCOM iletim hattına şönt bağlanmaktadır. STATCOM iletim hattından kontrollü bir reaktif akım çekerek bağlantı noktasında iletim hattının gerilimini düzenlemektir. Bu işlem STATCOM ’un esas fonksiyonudur [5]. Bu FACTS kontrolörü sürekli rejim durumunda, dönen bir senkron kompanzatörün çalışma karakteristiklerini gösterdiği için STATCOM ismi verilmiştir.

Şekil 1 ’de görüldüğü gibi en basit halde, bir STATCOM kontrolörü; bir bağlantı transformatörü, gerilim kaynaklı inverter ve dc enerji depolama elemanından oluşmaktadır. Enerji depolama elemanı oldukça küçük bir kondansatör olduğundan STATCOM iletim sistemi ile sadece reaktif güç alış verişi yapabilir. Eğer dc kondansatör yerine bir akümülatör veya diğer bir dc gerilim kaynağı kullanılırsa, kontrolör çalışma bölgesini iki-bölgeli çalışmadan dört-bölgeli çalışmaya genişleterek iletim sistemi ile aktif ve reaktif güç alışverişi yapabilir. STATCOM ’un çıkış geriliminin genliği ve faz açısı değiştirilebilir. Bunun için STATCOM devresindeki inverterin ac çıkış geriliminin genlik ve frekansının ayarlanması gerekir. Bu ise inverterlerde DGM teknikleri kullanılarak yapılır. Bir inverterin ac çıkış geriliminin temel bileşeninin genliği  şeklinde kontrol edilir. Burada modülasyon indeksidir. Dc gerilim sabit kabul edilirse, inverterin ac çıkış geriliminin temel bileşeninin genliği, kullanılan DGM tekniğine göre ’yı artırıp azaltarak ayarlanabilir.

 

 

 

 

 

Şekil 1. STATCOM devre şeması

İnverterin 3-faz çıkış geriliminin genliği değiştirilerek, STATCOM ’un reaktif güç üretmesi veya çekmesi kontrol edilebilir. Eğer inverterin çıkış gerilimi (V0) ac sistem geriliminden (Vac) büyük olursa, o zaman ac akım (Iac), inverterden reaktif güç üreten ac sisteme transformatör reaktansı üzerinden akar. Bu durumda inverter ac sistem için, geriliminden ileride bir açıyla kapasitif akım üretir. Eğer inverterin çıkış geriliminin genliği ac sistem geriliminden küçük olursa, ac akım, ac sistemden gerilim kaynaklı invertere akar. Bu durumda ise inverter geriliminden geride bir açıyla endüktif bir akım çeker yani endüktif reaktif güç tüketir. Eğer inverterin çıkış gerilimi ve ac sistem gerilimlerinin genlikleri eşit ise, inverterden ac sisteme veya ac sistemden invertere bir ac akım akışı olmayacaktır. Kısaca inverter reaktif güç üretimi veya tüketimi yapmayacaktır [1].

Iac akımının inverterden ac sisteme doğru aktığı varsayılarak, ac akımın genliği denklem (1) ile hesaplanabilir;
                                                          (1)
Burada X bağlantı transformatörünün kaçak reaktansıdır. Karşılıklı alınıp verilen reaktif güç ise denklem (2) ’deki gibi ifade edilebilir.
                                                (2)
İnverter ve ac sitem arasındaki aktif güç alışverişi, inverter çıkış geriliminin ac sistem bara gerilimine göre fazının kaydırılmasıyla kontrol edilebilir. Eğer inverter çıkış gerilimi, ac sistem gerilimine göre ileride ise, inverter dc kondansatörden ac sisteme aktif güç verecektir. Eğer inverter çıkış gerilimi ac sistem geriliminden geride ise, inverter ac sistemden aktif güç çekecektir. Sürekli durumda alınıp verilen aktif güç miktarı genellikle küçüktür. Gerilim kaynaklı inverter ile ac sistem arasındaki aktif güç alışverişi denklem (3) kullanılarak hesaplanabilir.
                                                          (3)

3. STATCOM ’UN KONTROLÜ
Güç sistemlerinde günümüze kadar gerçekleştirilen bütün STATCOM uygulamalarında kontrol için sadece iki metot kullanılmıştır. Bunlar geleneksel faz kontrol tekniği ve darbe genişlik modülasyonu kontrol tekniğidir (DGM-STATCOM). Her iki metotta da STATCOM ’un temel devre yapısı tamamen aynıdır. İki kontrol yaklaşımı arasındaki temel fark kullanılan kontrol metodundan kaynaklanır.

Bu çalışmada, konverter tabanlı FACTS kontrolörlerinden STATCOM ’un DGM kontrollü üç-fazlı inverter kullanılarak, Matlab/Simulink ortamında benzetimi yapılmıştır. Bu nedenle burada sadece DGM-STATCOM tekniğinden bahsedilecektir. Bu kontrol tekniğinde, inverterin çıkış akımının aktif ve reaktif bileşenlerinin kontrolü birbirinden bağımsız yapıldığı için, geleneksel faz kontrol tekniğinden daha avantajlıdır [2]. Ayrıca DGM-STATCOM ’da geleneksel faz kontrol tekniğinden farklı olarak dc gerilimin değişmediği kabul edilir [6].

DGM kontrol tekniği kullanılan temel STATCOM devresi Şekil 2 ’de gösterilmiştir. DGM kontrol tekniğinde DGM kontrollü inverterler kullanılır. DGM kontrollü inverterlerde anahtarların görev periyodunu geniş aralıkta kontrol etmek mümkündür. Bu durum inverter için anahtarlama frekansının arttırılabileceği anlamına gelir. Anahtarlama frekansının artması, inverterden daha az harmonik içerikli çıkış almaya

 

 

 

 

Şekil 2. DGM kontrollü STATCOM devresi

imkân verir.  Şekil 2 ’deki DGM kontrol devresinin içyapısı ise Şekil 3 ’de gösterilmiştir .Şekil 3 ’de görüldüğü gibi DGM kontrol devresinde üç tane alt kontrol döngüsü vardır. Bunlar ac gerilim kontrolünü, dc gerilim kontrolünü ve senkronizasyonu sağlayan döngülerdir. Ac gerilim kontrolör döngüsü güç sistemi ile inverter arasındaki reaktif  güç alış verişini belirler.
DC gerilim kontrolör döngüsü; hem kondansatör geriliminin istenilen referans değerde kalmasını sağlar, hem de ac sistem ile inverter arasındaki aktif güç alışverişini belirler. Senkronizasyon döngüsü ise STATCOM ’un bağlandığı baranın bir fazına ait gerilimin faz açısını, frekansını ve açısal hızını belirler [6].

          Şekil 3. DGM kontrol devresinin içyapısı.

Şekil 5. STATCOM için benzetimde kullanılan kontrolör devresi

Benzer şekilde akımın reaktif bileşeninin referans değeri (Iqref), akımın reaktif bileşeni (Iq) ile karşılaştırılır. Hata bir PI kontrolöründen geçirilerek inverterin üretmesi gereken gerilimin aktif bileşeni (Vd) elde edilir. Elde edilen Vd ve Vq değerleri “2/3 dönüşümü” kullanılarak üç faza dönüştürülür.  Böylece inverterin anahtarlanması için kullanılacak modülasyon sinyalleri elde edilir [7].

Şekil 4 ’de “3-fazlı iki-seviyeli GTO anahtarlı inverter” ile gösterilen alt bloğun içerisinde bulunan değişken gerilim ve frekansta iki-seviyeli sinüzoidal çıkış verebilen SDGM kontrollü inverterin anahtarlı bir faz bacağının modeli ise Şekil 6 ’da gösterilmiştir.

Şekil 6. SDGM kontrollü GTO anahtarlı inverterin bir faz bacağının Matlab/Simulink modeli

Benzetim çalışmasında, kontrolör devresinde akımın reaktif bileşeninin referans değeri Iqref değiştirilerek, güç sisteminin indüktif ve kapasitif yüklü olduğu durumlar için STATCOM ’un dinamik cevabı incelenmiştir. Burada STATCOM ’un bağlı olduğu güç sistemindeki yük durumu varsayılarak, STATCOM ’un bu yükü kompanze etmesi istenmiştir. Bu amaçla akımın reaktif bileşeninin referans değerine dışarıdan zamana bağlı olarak verilen pu değerleri ve bu durumlarda sistemin yük durumu Tablo 1 ’de gösterilmiştir[8].

Tablo 1. Güç sisteminin varsayılan yük durumu ve buna bağlı olarak STATCOM ’un üretmesi gereken reaktif akım değerleri.

 

Benzetimler için Vdc_ref =500V, inverterin anahtarlama frekansı 2 kHz ve C=5000 μF alınarak elde edilen sonuçlar Şekil 7-14 ’de gösterilmiştir.

 

Şekil 7.  modülasyon indeksinin değişimi

Şekil 8. STATCOM ’un  Iqref  ve Iq bileşenlerinin değişimi

 

Şekil 9. STATCOM ’un  Idref  ve Id bileşenlerinin değişimi

 

            Şekil 10. İnverterin dc geriliminin değişimi

    
Şekil 11.  Iqref   0 pu ’dan  -1 pu ’ya değiştiğinde STATCOM
                 akımı ve gerilimi arasındaki faz ilişkisi

Şekil 12.  Iqref  -1 pu ’dan  +1 pu’ya değiştiğinde STATCOM akımı ve gerilimi arasındaki faz ilişkisi.

Şekil 13. Iqref +1 pu ’dan -0.6 pu ’ya değiştiğinde STATCOM akımı ve gerilimi arasındaki faz ilişkisi.

Şekil14. Iqref -0.6 pu ’dan +0.6 pu ’ya değiştiğinde STATCOM akımı ve gerilimi arasındaki faz ilişkisi
5. SONUÇ
Benzetimden elde edilen sonuçlara bakıldığında; Şekil 7 ve Şekil 8 ’den, Iqref değerine zamana bağlı olarak verilen pu değerlerine karşın, STATCOM devresindeki inverterin yükün ihtiyacı olan reaktif akımı çok kısa sürede karşıladığı açıkça görülmektedir. DGM-STATCOM ’larda dc gerilim sabit olduğu için inverterin çıkış geriliminin temel bileşeninin genliği, değiştirilerek ayarlanır. Şekil 7 ’den görüldüğü gibi benzetim devresindeki kontrolör, Iqref değerine zamana bağlı olarak verilen pu değerlerine uyup, STATCOM ’un endüktif çalışması için, (0.2-0.4) s ve (0.6-0.8) s aralıklarında ’yı azaltmıştır. Benzer şekilde STATCOM ’un kapasitif çalışması için (0.4-0.6) s ve (0.8-1) s aralıklarında ’yı artırmıştır. ’daki değişmelere bağlı olarak Şekil 8 ’de görüldüğü gibi, Iq, Iqref ‘i takip edip STATCOM için gerekli kompanzasyon akımını sağlayarak güç sistemini istenilen oranda kompanze edebilmektedir.

DGM-STATCOM ’un en önemli özelliği dc gerilimin sabit tutulmasıdır. Şekil 9 ve 10 ’da görüldüğü gibi, sürekli durumda STATCOM ’un dc gerilim kontrol döngüsü, kondansatör geriliminin verilen referans değerde sabit kalmasını sağlamıştır. Hatta Iqref değerinin değişimi esnasında bile dc gerilim sabit kalmaya devam etmiştir.

STATCOM ’un akımı ile gerilimi arasındaki faz ilişkisi, güç sisteminin çalışma şartlarına (indüktif ya da kapasitif) bağlıdır. Yani, güç sisteminin indüktif olduğu durumda STATCOM kapasitif bir reaktif akım, güç sisteminin kapasitif olduğu durumda ise STATCOM indüktif bir reaktif akım üretir. Bu durum ise Şekil 11-14 ‘den açıkça görülmektedir.

KAYNAKLAR
1. Gyugyi, L., “Power Electronics in Electric Utilities: Static Var Compensators”, Proceedings of  The IEEE, vol. 76, no. 4, pp. 483-493, 1988.
2. Cigre, “Static Synchronous Compensator”, Working Group 14.19, 1998.
3. Gyugyi, L., “Reactive Power Generation and Control by Thyristor Circuits”, IEEE Trans. Ind.  Appl., vol. IA-15, no. 5, pp. 521-532, 1979.
4. Hasanovic, A., “Modeling and Control of The Unified Power Flow Controller (UPFC)”, Yüksek Lisans  Tezi, West Virginia Üniversitesi, 2000.
5. Schauder, C., and Mehta, H., “Vector Analysis and Control of Advanced Static VAR Compensators”, IEE Proceedings-C,Vol. 140, No. 4,pp.299–306, 1993.
6. Uzunovic, E., EMTP, Transient Stability and Power Flow Models and Controls of VSC Based FACTS Controllers, Doktora Tezi, Canada, 2001.
7. Çöteli, R., “STATCOM ile Güç Akış Kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi, F.Ü. Fen Bil. Enst., 2006.
8. Deniz, E., “Esnek AC İletim Sistemleri”, Doktora Semineri, , F.Ü. Fen Bil. Enst., 2007.