Türkiye`deki Demir-Çelik Endüstrisinin Elektrik Güç Kalitesi

Transkript

Türkiye’deki Demir-Çelik Endüstrisinin Elektrik Güç
Kalitesi
Ö.Salor*, B.Gültekin*, S.Buhan*, B.Boyrazoğlu*,
T.İnan*, T.Atalik*, A.Açık*, A.Terciyanlı*
*
TÜBİTAK-UZAY, Güç Elektroniği Grubu
Ankara- Türkiye
{ozgul.salor, burhan.gultekin, alper.terciyanli}
@uzay.tubitak.gov.tr
Özet- Demir-Çelik Endüstrisi, son on yılda Türkiye’de giderek
büyüyen bir sektör haline gelmiştir. Sektörün bugünkü elektrik
talebi, neredeyse ülkedeki 40 GW’lık (2007 yılı sonu) kurulu
üretim kapasitesinin onda biri kadardır. Bu makalede,
uluslararası IEC 61000–4–30 standartlarına uygun olarak
gerçekleştirilen saha ölçümlerine dayalı, demir-çelik tesislerinin
ark ocakları temel alınarak yapılan güç kalitesi incelemeleri
belgelendirilmektedir. Bu tesislerin Ortak Bağlantı Noktalarında
(OBN) ve onların ark fırınlarıyla SVC sistemlerinde görülen ara
harmonik ve gerilim kırpışması (fliker) problemleri, mobil güç
kalitesi ölçüm noktalarına bağlanan GPS alıcı eşleme
(senkronizyon) birimleri kullanılarak belirlenmektedir. Fliker ve
ara harmonik problemlerinin, ark fırınlarının beslendiği ortak
bara (bağlantı) noktalarında yoğun olarak görüldüğü
gözlemlenmiştir. 5 adet ark ocağı tesisinin ortak çalışmalarıyla
gerçekleştirilen saha ölçümleri göz önüne alındığında, modern
SVC sistemlerinin 2.harmonik etrafındaki ara harmonikleri
yükselttiği ve bu problemi çözmek için yeni yöntemlere ihtiyaç
duyulduğu söylenebilir.
Anahtar Kelimeler- güç kalitesi, demir-çelik endüstrisi, ark ocağı,
pota ocağı, ara harmonikler, kırpışma (fliker), tek fazlı
harmonikler, grup harmoniği, ara harmonik- fliker ilişkisi.
I. GİRİŞ
Demir-Çelik Endüstrisi, son on yılda Türkiye’de giderek
büyüyen bir sektör haline gelmiştir. Sektörün bugünkü elektrik
talebi, neredeyse ülkedeki ( 2007 yılı sonu) 40 GW’lık kurulu
üretim kapasitesinin (gücünün) onda biri kadardır.
Türkiye’deki çelik üretimi yapan çoğu tesiste ark ve pota
ocakları yaygın olarak kullanmakta olup, Türkiye Elektrik
İletim Sistemi’nin bu bölgelerinde güç kalitesi problemleri
gözlenmektedir.
Elektrikli ark ocaklarından (EAO) kaynaklı güç kalitesi
problemleri daha önce bazı araştırmacılar tarafından
incelenmiştir [1–5]. Bir tesisteki ark ocağının davranışı, [1]’de
IEC 61000–4–30 standardında verilen güç kalitesi bileşenlerine
göre belirlenmiştir. [2]’de, 13,5 kV’luk baraya bağlı bir elektrik
ark ocağının farklı evreleri göz önüne alınarak söz konusu
EAO için bir eşdeğer tek faz devresi elde edilmiştir.
Bu araştırma ve teknoloji geliştirme çalışması, Türkiye Güç Kalitesi Milli
Projesi’nin bir alt projesi olarak gerçekleştirilmektedir. Yazarlar, Türkiye
Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu’nun (TÜBİTAK) Kamu
Araştırmaları Grubu’na (KAMAG), projeye sağladıkları maddi destek için
teşekkür ederler.
Ö.Ünsar†, E.Altıntaş†, Y.Akkaya†, E.Özdemirci†,
I.Çadırcı*,◊, M.Ermiş•
†
Türkiye Elektrik İletim A.Ş.,
Ankara- Türkiye
•
Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Ankara- Turkey
◊
Hacettepe Üniversitesi, Ankara- Türkiye
{ermis, cadirci}@uzay.tubitak.gov.tr
Şekil 1. Türkiye Elektrik İletim Sistemi’ndeki demir-çelik tesislerinin dağılımı
[3]’te, Arjantin için, güç kalitesindeki sınır değerler ile
EAO faaliyetleri konusunda getirilen yönetmelikler arasındaki
uyumluluk göz önüne alınmıştır. [4]’te, EAO tesislerinin güç
kalitesine ilişkin ölçüm sistemi doğruluğu incelenmiştir. [5]’te
şebekedeki fliker yayılımı ark ocaklarındaki ara harmonik
incelemeleri doğrultusunda ortaya konmuştur.
Bu makalede, Türkiye’deki ark ocağı tesislerinde yapılan
güç kalitesi ile ilgili çok kapsamlı ve detaylı incelemeler ve
bunların sonuçları anlatılmaktadır. Çalışmanın odak noktası,
Türkiye Elektrik İletim Sistemi’ne doğrudan bağlı olan demirçelik tesislerinin neden olduğu güç kalitesi problemlerinin
incelenmesidir. İletim sisteminin kritik noktaları, Güç Kalitesi
Milli Projesi kapsamında geliştirilen güç kalitesi izleme
sistemleri
tarafından
takip
edilmektedir[7].
IEC 61000–4–30’da [6] belirlenen güç kalitesi bileşenlerine
dayalı bir haftalık ölçüm sonuçları dikkate alınarak, demirçelik tesislerinin güç kalitesi değerlendirmesi yapılmıştır. Bu
değerlendirmeye bağlı olarak, aynı baradan beslenen 5 ayrı
tesisle ilgili detaylı bir inceleme yapılmıştır. Önceden
planlanan ölçüm programına bağlı olarak, her bir tesiste
yaklaşık 2 saat süreyle gerilim ve akım dalga şekillerine ilişkin
ham veri toplanmıştır. Ölçüm yapılan tesis dışındaki diğer
tesislerdeki ark ocaklarının 15 dakika süreyle durdurulması
zorunluluğu, programa katılan tüm tesisler için ortak bir
çalışmayı gerektirmektedir. Her tesisin fliker ve harmonik
katkısı bu ölçümler sayesinde gözlemlenebilmiştir. Diğer
yandan, bu ölçümler sayesinde tesislerde kullanılan SVC tipi
fliker kompanzasyon sistemlerinin güçlü ve zayıf yönlerini
değerlendirmek de mümkün olmuştur. Çalışmalar sonucunda,
birden fazla ark ocağının beslendiği OBN’deki fliker
probleminin yaygın olarak kullanılan kompanzasyon
sistemleri ile çözümlenemeyeceği ortaya çıkarılmıştır.
II. bölüm, Türkiye’deki demir-çelik tesislerinin güç
kalitesinin genel durumunu sunmaktadır. III. bölümde, detaylı
bir inceleme yapmak üzere, seçilen tesisler tanımlanmaktadır.
Bu tesislerdeki ölçüm senaryoları IV. bölümde verilmektedir.
V. bölümde, elektrik şebekesindeki EAO’ların harmonik
içeriklerine ilişkin gözlemler yer almaktadır. VI. ve VII.
bölümler IEC 61000–4–30 standartlarına uygun olarak
kullanılan harmonik hesaplama yöntemlerini özetlemekte ve
fliker-ara harmonik ilişkisine dair gözlemler sırasıyla teorik ve
deneysel açılardan sunulmaktadır. VIII. bölümde, EAO’larda
kurulu olan SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinin
performans değerlendirmesi; reaktif güç kompanzasyonu,
harmonik filtreleme ve fliker kompanzasyon performansları
açısından detaylı bir şekilde açıklanmaktadır. IX. bölüm,
birden fazla ocağın bir arada çalıştığı durumlarda EAO’ların
güç kalitesi etkileşimini sunmaktadır.
zamanının yüzdesini göstermektedir. Çalışmanın bu
bölümünde yapılan tüm harmonik analizleri, tek hat
harmonik (single-line ara harmonik) bileşenleri
kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tek hat harmonik
frekans
kavramı
IEC
61000–4-7’de
[11]
sunulmaktadır:
(a)
II. DEMİR-ÇELİK TESİSLERİ İÇİN ÜLKE ÇAPINDA
GERÇEKLEŞTİRİLEN GÜÇ KALİTESİ ÖLÇÜMLERİ
Ülkemizdeki başlıca demir-çelik tesisleri, Şekil 1.de yer
alan Türkiye Elektrik İletim Sistemi haritasında
işaretlenmiştir. Bu tesislerden sadece dört tanesinde çelik
üretimi maden ergitme ocağına dayanmaktadır. Türkiye
Elektrik Sistemi’nin üç noktasında/bölgesinde, birden fazla
ark ocağının bir arada çalıştığı durum (Çoklu-ark ocağı
çalışma durumu) ortaya çıkmıştır. Bütün bu tesislerin güç
kalitesi parametreleri, IEC 61000–4–30 standardının Class B
performansına uygun olarak mobil izleme sistemleri
kullanılarak incelenmiştir [6]. 2007 yılı sonunda kurulacak
olan Güç Kalitesi İzleme Merkezi; Güç Kalitesi Milli Projesi
kapsamında tasarlanan Kalıcı Monitörler aracılığıyla Türkiye
Elektrik İletim Sistemi’ni ve müşterilerini uzaktan
izleyebilecek şekilde faaliyete girecektir [8]. Bu sistem, demirçelik tesislerini de kapsayacak şekilde ağır sanayideki tüm
fiderleri sürekli olarak izleyebilecektir.
Güç kalitesi ölçümleri, demir-çelik tesisleri için 400 kV ve
154 kV OBN’lerde gerçekleştirilmiştir. Ark ocaklarının
bağlandığı trafo merkezlerinde kesintisiz olarak 7 gün süreyle
gerçekleştirilen güç kalitesi ölçümlerinin sonuçlarına
bakılarak, aşağıdaki problemler belirlenmiştir:
• Neredeyse bütün tesisler modern SVC sistemleriyle
donatılmış olmasına rağmen, ölçülen fliker ve
akımlardaki toplam talep bozulum (TDD) değerleri,
Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenirliği ve Kalitesi
Yönetmeliği’nde [9] belirlenen ve IEEE 519–1992
standartlarına [10] uyan sınırları aşmaktadır. Bu
problem, Şekil 2.-14.’de de görüleceği üzere, çoklu
ark ocaklarını besleyen trafo merkezleri ve baralarda
daha ciddi boyuttadır. Şekillerdeki kümülatif olasılık
fonksiyonu, CPF(x); ölçülen bileşeni, yatay
eksendeki bir x değerinin altında olan toplam ölçüm
(b)
Şekil 2. 400 kV’lik farklı OBN’lere bağlanan bazı tesisler için uzun ve kısa
süreli kümülatif olasılık fonksiyonu
(a)
(b)
Şekil 3. 154 kV’lik OBN’lere bağlanan bazı tesisler için uzun ve kısa süreli
kümülatif olasılık fonksiyonu
Şekil 7. 154 kV’lik farklı OBN’lere bağlanan bazı tesisler için 5. harmoniğin
Şekil 8. 154 kV’lik OBN’lere bağlanan bazı tesisler için primer akımdaki
toplam talep bozunumu kümülatif olasılık fonksiyonu
Şekil 9. 154 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için primer akımdaki toplam
talep bozunumu kümülatif olasılık fonksiyonu
Şekil 10. 400 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için 2. harmonik kümülatif
olasılık fonksiyonu
önerilmiş olan 10-çevirimlik “Discrete Fourier Transform”
(DFT) hesaplama yöntemi kullanılmaktadır.
• Bütün ark ocağı tesislerinde, OBN’deki 2. harmonik
akım bileşeni, harmonik filtreler kullanılmasına
rağmen sınır değerlerini aşmaktadır. Ark ocaklarının
akım dalga şekilleri düşük frekanslarda, özellikle de
ergitme fazında, ara harmonikler açısından oldukça
zengindir. Örneğin, 8.8 Hz’lik baskın fliker
modülasyon frekansı, f=50k±8.8 Hz, k=1,2,3,...
frekanslı akım dalga şekillerinde ara harmoniklere
neden olmaktadır. Bu durum, başka araştırmacılar
tarafından da vurgulanmıştır [14, 15]. Hat
akımlarındaki bu düşük frekanslı yüksek ara
harmonik bileşenlerinden bazılarının genlikleri, Ctipi 2.harmonik ve 2.dereceden 3.harmonik filtreleri
tarafından sönümlendirilmeye çalışıldığı zaman
artmaktadır. Bu durumda, OBN’deki istenmeyen
yüksek gerilim flikerlerinin, akım harmoniklerinin ve
ara harmoniklerin nedenleri, hem birden fazla ark
ocağının bir arada çalıştığı hem de tek ark ocağının
çalıştığı durumlar için araştırılmıştır. Konuya ilişkin
bulgular ve ilgili değerlendirmeler, ilerleyen
bölümlerde açıklanmaktadır. Çözüm yöntemleri diğer
bir makalenin kapsamında ele alınacaktır.
III. SEÇİLEN TESİSLERİN DETAYLI ARAŞTIRMA İÇİN
TANIMLANMASI
Yukarıda bahsedilen gözlemlerin sonuncunda, iletim
sisteminde tek bir baradan beslenen ve ark ocağı kullanan beş
tesis, güç kalitesi bileşenleri açısından daha fazla incelenmek
üzere seçilmiştir. Bu 5 tesis, Şekil 1.deki haritada gösterildiği
üzere, Türkiye’nin batısında (İzmir/Aliağa bölgesi) yer
almaktadır. Tesislerin tek hat şeması Şekil 15.’te
gösterilmektedir.
IV. SEÇİLEN TESİSLERDEKİ ÖLÇÜM SENARYOLARI
Şekil 14. 400 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için primer akımdaki toplam
talep bozunumu kümülatif olasılık fonksiyonu
VI. bölümde, [11]’de gösterilen farklı harmonik analiz
teknikleri özetlenmektedir. Türkiye’deki şebeke frekansı 50
Hz olduğu için, IEC 61000–4–30 [6] standardında da
Seçilen beş tesisteki ölçümler, bütün tesislerin ortak çabasıyla
gerçekleştirilmiştir. Her bir tesiste, yaklaşık 2 saat süreyle
akım ve gerilime ilişkin ham veriler kaydedilmiştir. Bu 2
saatlik süre boyunca, diğer 4 tesis aynı anda ocak işlemlerini
ve SVC sistemlerini 15 dakika süreyle durduracak şekilde
ayarlanmıştır. 3-faz akım ve gerilim ölçümleri hem şebeke
hem de tesis tarafında kaydedilmiştir. Ark ocakları, pota
ocakları –eğer uygulanabilirse-, SVC sistemi akım ve
gerilimleri ayrı ayrı elde edilmiştir. Bütün ölçümler GPS alıcı
birimi tarafından senkronize edilmiştir. Ölçüm noktaları Şekil
16.’da gösterildiği şekildedir.
Aynı baraya bağlı diğer tesislerin çalışmadan durduğu 15
dakikalık süre; eğer SVC biriminde (3. ölçüm noktası-MP3)
ya da tesisin şebeke tarafında (1. ölçüm noktası-MP1)
gözlemlenen herhangi bir akım harmoniği ya da ara harmonik
varsa, bu harmonik ve ara harmoniklerin yalnızca ölçülen
tesisteki EAO işleminin bir sonucu olduğunu ve şebeke
tarafından gelen hiçbir harmonik ya da ara harmoniğin bu
sonuca bir katkısı olmadığını garanti eder.
TABLO I. ÖLÇÜM PLANI (EAO’NUN FAZLARI: C-ŞARJ, B-SONDAJ (DELME), MERGİTME, R-ARITMA)
Other Plants
ON
OFF
OFF
ON
ON
ON
SVC
ON
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON
PLANT-1
45 min
10 min
5 min
___
28 min
5 min
10 min
M+R
C+B+M
C+R
___
25 min
___
___
___
___
___
___
___
___
PLANT-2 a
PLANT-3
PLANT-4 a
PLANT-5 a
___
C+M
B+M
13 min
10 min
5 min
4 min
23 min
M
C+B
M
C
C+M
34 min
15 min
___
___
47 min
C+M
B+M
C+B
C+M
32 min
15 min
C+M
C+B+M
___
___
___
EAF
Transformer
MV Bus
MP1
MP2
MP3
SVC
EAF
MP:Measurement Point
Active Power (MW) and
Reactive Power (MVAr)
Şekil 16. Tipik bir EAO tesisindeki eşzamanlı ölçüm noktaları
Active Power
Reactive Power
21:45
22:35
Time
Şekil 17. Çok yüksek güce sahip (UHV) olan bir EAO’nun bir döküm (tap-totap) periyodundaki fliker kompanzasyon sistemiyle birlikteki aktif ve reaktif
güç kompanzasyonları (1-saniyelik ortalamalarla)
Total Demand Distortion
(TDD,%IL-3 Seconds Averages)
Elektrikli ark ocağı (EAO), elektrik şebekesindeki en
problemli yüktür. Çok yüksek güçlü (UHP) bir EAO’nun
fliker kompanzasyon sistemiyle birlikte aktif ve reaktif güç
tüketimi Şekil 17.’de bir döküm (tap-to-tap) periyodu için
gösterilmektedir. Bu kayıtlara bakarak; ocağın şarj, sondaj
(delme), ergitme ve arıtım fazları açıkça görülebilir. Aynı
EAO+SVC tesisinin (36 kV) 7 günlük fliker ve akım toplam
talep bozunum (TTB) grafiği Şekil 18’de verilmektedir.
IEC 61000–4–30 standardı, IEC 61000–4-7’de Class A
performansı için temel ölçümler olarak ifade edilen 10çevrimlik (50Hz sistemler için) aralıksız harmonik ve ara
harmonik alt grup ölçüm sonuçlarını vermektedir.
M
15 min
Standart Limit: % 5
Day-1
Day-2
Day-3
Day-4
(a)
Day-5
Day-6
Day-7
Total Demand Distortion,TDD
(A-rms-3 Seconds Averages)
V. ŞEBEKEDE HARMONİK KAYNAĞI OLARAK ARK
OCAKLARI
C+B
23 min
a.
Onların fabrikasındaki SVC sistemleri devrede değil.Çünkü bu durumda EAO’nın MVA
tüketimi
ortak
kullanılan
güç
trafosunun
MVA
güç
değerini
aşabilir.
Şekil 15. Seçilen 5 tesisin tek hat şeması
Bu tarz bir ölçüm, çalışan bütün tesisler ve 15 dakikalık
süre için durdurulan 4 tesis için kaydedilen akımların frekans
analiz sonuçları karşılaştırıldığında, söz konusu tesisin elektrik
iletim şebekesinde bir harmonik kaynağı mı (interharmonicsource) yoksa bir harmonik alıcısı mı (interharmonic sink)
olduğunu anlamak için de kullanılabilir. Ayrıca, ölçüm yapılan
tesisteki SVC sisteminin zayıf yönlerini de aynı kıyaslamayı
yaparak saptamak mümkündür.
Ölçümün yapıldığı tesisteki mevcut SVC sisteminin
etkinliğini gözlemlemek için, diğer tesislerin durdurulduğu 15
dakikalık süre içinde ilgili SVC sistemi devreden çıkarılmış ve
tekrar devreye alınmıştır. Bu işlem, bütün tesislerin çalıştığı
durum için de tekrar edilmiştir. Bu, her bir tesiste 4 ayrı ölçüm
durumunu ortaya çıkarır: diğer tesisler çalışıyor, SVC
devrede; diğer tesisler çalışıyor SVC devre dışı; diğer tesisler
durdurulmuş, SVC devrede; diğer tesisler durdurulmuş, SVC
devre dışı.
Bu ölçüm senaryosu çok pahalı bir uygulama olmuştur,
çünkü diğer dört tesisin her birinde veri toplanırken, bu tesis 4
kez 15dk süreyle –toplamda 1 saat- durdurulmuştur. Ayrıca,
ölçülen tesisin SVC sistemini, ilk önce diğer tesisler
çalışırken, daha sonra da tesisler durdurulduğunda toplamda
iki kez devre dışı bırakmak gerekmiştir. Bunun dışında, SVC
sistemlerinin devre dışı bırakılması EAO operasyonu için
verimsizliğe yol açar ve bu da ekstra harcama gerektirir.
C+B+M
ON
Short Term Flicker
(Pst -10 Minutes Averages)
Standart Limit: 1,15
Day-1
Day-2
Day-3
Day-4
Day-5
Day-6
Day-7
(b)
Şekil 21. EAO’daki hat akımının arıtma fazındaki 10-çevrimlik dalga şekli ve
onun 5 Hz çözünürlüğündeki DFT’si
(c)
Şekil 18. Çok yüksek güce sahip olan bir EAO’nun 7-günlük akım TTB’si; (b)
kısa süreli fliker (Pst) ve (c) uzun süreli fliker (Plt) değişimleri
Fakat IEC–61000–4-7’de, üç farklı harmonik ve ara
harmonik hesaplama yöntemi verilmiştir. Dalgalanan
harmonik ve ara harmonik durumunda, bu üç yöntem yakın
ama farklı sonuçlar vermektedir ve bu da sinyaldeki harmonik
ve ara harmonik içeriğinin farklı durumları için analiz tahmin
performansını büyük ölçüde etkileyebilir. Bu üç hesaplama
yöntemi şu şekilde özetlenebilir:
• Harmonik ve ara harmonik grupları:
Gg,n şeklinde ifade edilen harmonik grubu; bir harmoniğin
kendisine bitişik olan spektral bileşenlerinin karelerinin
toplamının kare köküne eşittir (Çözünürlüğü 5Hz ve sistem
frekansı 50Hz olduğu için, her 10. DFT örneği bir harmoniğe
denk gelmektedir, yani 10. DFT örneği temel bileşeni (1), 20.
DFT örneği ise 2.harmoniği gösterir). Aşağıdaki eşitlikte (1);
Ck, 5Hz aralıkla değişen DFT bileşenini göstermektedir:
Gg2, n =
4
Ck2− 5
C2
+ ∑ Ck2+ i + k + 5
2
2
i = −4
(1)
Benzer şekilde, ara harmonik grubu da, (n). ve (n+1).
harmonikler arasındaki DFT örneklerinden şu şekilde elde
edilir:
9
Cig2 , n = ∑ Ck2+ i
Şekil 19. EAO’daki hat akımının sondaj (delme) fazındaki 10-çevrimlik dalga
şekli ve onun 5 Hz çözünürlüğündeki DFT’si
(2)
i =1
Yukarıdaki eşitlikte (2), Ck+i , (k+i). DFT örneğidir.
• Harmonik ve ara harmonik alt grupları:
Harmonik alt gruplama, harmonik gruplamadan farklı olarak,
harmonik bileşeninin çevresindeki DFT bileşenlerinden
yalnızca bir önceki ve bir sonrakini kapsar:
1
Gsg2 , n = ∑ Ck2+ i .
(3)
i = −1
Ara harmonik alt grubunda ise, harmonik genlikleri ve
fazlarındaki dalgalanmaların etkileri, harmonik frekanslarına
bitişik olan bileşenlerin ortadan kaldırılmasıyla kısmi olarak
azaltılabilir:
8
2
2
.
Cisg
, n = ∑ Ck + i
•
Şekil 20. EAO’daki hat akımının ergitme fazındaki 10-çevrimlik dalga şekli
ve onun 5 Hz çözünürlüğündeki DFT’si
(4)
i=2
Tek hat harmonik frekansı:
Bu frekans, IEC 61000–4–7 standardına göre 5Hz
çözünürlüğündeki DFT örneklerinden doğrudan elde edilen
akım ve gerilim frekans genlikleri harmonik bileşeninin
ölçümüdür. Yani DFT örneklerinin 50, 100, 150, ... Hz’e denk
gelen bileşenleridir.
Şekil 19,20 ve 21’deki analizler; sondaj (delme), ergitme ve
arıtım devrelerindeki ölçümlerden elde edilen mevcut veriler
kullanılarak hesaplanır. Şekil 22, harmonik/ara harmonik grup
ve alt grupları kavramlarının açıklamalarını grafiksel olarak
vermektedir. Şekildeki analiz, Şekil 19’da verilen mevcut
sondaj (delme)
analizinden alınmıştır. Akım dalga
şekillerinden (Şekil 19) elde edilen harmonik ve ara harmonik
grup ve alt grupları Tablo II.’de verilmektedir.
Tablo II.’de görüldüğü üzere; özellikle 2.harmonik için, tek
hat ve grup harmonik akım bileşenlerinin yanı sıra, tek hat ve
alt grup harmonik bileşenleri arasında da gözle görülür bir fark
bulunmaktadır. Fakat IEEE 519–1992 ve Türkiye–2004 [9]
standartlarında verilen ceza sınırlarının, grup harmoniğe göre
mi, alt grup harmoniğe göre mi, yoksa tek hat harmoniğe göre
mi hesaplandığı belirtilmemiştir. Bu durum, literatürdeki pek
çok araştırma makalesi için de geçerlidir. Bu yüzden; yukarıda
bahsedilen standartlar, sınır değerlerini IEC 61000–4-7’ye
uygun olarak alt grup harmoniği olarak tanımlayabilmek için
tekrar gözden geçirilip düzenlenmelidir.
Şekil 22. Ara harmonik, ara harmonik grubu ve alt grubu hesaplamalarının
gösterimi
TABLE II. ŞEKİL-21’DE VERILEN SONDAJ FAZINDAKI EAO HAT AKIMI IÇIN
HARMONIK VE ARA HARMONIK HESAPLAMALARI
Harmonikler ve Ara
harmonikler
Line Current, A rms
Tek Hat
Alt grup
Grup
Ara harmonik 1
(Temel Bileşen)
568.27
590.05
603.06
Ara harmonik 2
17.16
32.21
59.40
Ara harmonik 3
37.27
53.19
70.10
Ara harmonik 4
9.34
11.98
18.38
Ara harmonik 5
10.97
19.55
24.80
104.92
147.10
Ara harmonik 1
___
Ara harmonik 2
___
47.86
56.65
Ara harmonik 3
___
15.89
33.51
Ara harmonik 4
___
16.40
19.67
Ara harmonik 5
___
11.96
18.48
Diğer yandan, EAO’larına uygulanan SVC tipi fliker
kompanzasyon sistemlerinin tasarım ve performans
değerlendirme aşamalarında, ara harmoniklerin ve şebeke
tarafına basılan harmonik bileşenlerinin tek hat mı yoksa alt
grup olarak mı hesaplandığı göz önüne alınmalıdır.
VIII. bölümde de değerlendirileceği gibi, temel bileşen ve 2.
harmonik arasında zengin bir ara harmonik içeriği bulunması
ve harmonik sınırlarının tanımındaki belirsizlik, SVC tipi fliker
kompanzasyon sistemlerinde 2. ve 3. pasif şönt harmonik
filtrelerinin tasarım ve performans değerlendirmelerinde ciddi
sorunlara yol açmaktadır.
Şekil 16’da verilen 2.ölçüm noktasından (MP2) elde edilen
ölçüm sonuçları, EAO’ların harmonik açısından zengin bir
içeriğe sahip olduğunu göstermektedir. Özellikle 2. ve 3.
harmonikler gibi düşük dereceli akım harmoniklerinde bu
içeriğin çok daha zengin olduğu gözlenmiştir. Yüksek güçlü
(HP) bir EAO için, sondaj (delme), ergitme ve arıtma
fazlarındaki ölçüm sonuçları Şekil 23’te gösterilmektedir. En
zengin harmonik içeriği ve en yüksek TTB değeri sondaj
(delme) fazında elde edilmiştir. Elektrik ark ocağı arıtma
fazında oldukça kararlı bir yapı gösterdiğinden, en iyi
harmonik içerik ve en düşük TTB değerleri arıtma fazında elde
edilmiştir.
VI. IEC 61000–4–7’E BAĞLI OLARAK HARMONIK
İÇERİĞİN HESAPLANMASI
Gerilim ve akım dalga şekillerini kaydeden mobil veri
toplama sistemleri, verileri 3200 Hz frekansında
örneklemektedir. Bu örnekleme oranı, 64 örnek/çevirim’e denk
gelmektedir; fakat şebeke frekansı 50 Hz’den saptığı zaman,
dalga şeklinin tek bir çevrimi için 64’ten daha az ya da daha
çok örnek gözlenir. Bu eşleme kaybı, “picket fence” etkisiyle
[17] DFT örneklerinde akışa yol açar. IEC 61000–4–30
standardına göre harmonik ve ara harmonikler, 5 Hz frekans
çözünürlüğüne denk gelen 10-çevirimlik pencerelerde analiz
edilmelidir. 3200Hz’lik sabit örnekleme oranındaki 10. DFT
örneği, 50Hz bileşenini temsil etmektedir. Örneğin; sistem
frekansı 49.5 Hz olduğunda, 10. DFT örneğinden 9. DFT
örneğine doğru bir akış oluşur. Bu da, aslında şebeke
frekansında olmayan bir ara harmoniğin oluşmasına neden
olur. Bu yüzden, bu çalışmada söz konusu akışı önlemek
amacıyla her 10-çevrim’de bir enterpolasyon (ara değerini
bulma) yoluyla tekrar örnekleme işlemi yapılmıştır.
Şekil 24’te algoritma özetlenmektedir. Güç çevrimleri, sıfır
geçiş saptama bloğundan sonra gelen 75Hz’lik kesim
frekansındaki bir alçak geçitli filtre kullanılarak saptanmıştır.
Sıfır geçiş noktaları kullanılarak, veriler dikdörtgen pencereli
10-çevrimlik bloklara bölünmüştür. Bu blokların cubic spline
enterpolasyon tekniği ile tekrar örneklenmesiyle her bir
10-çevirimlik veri bloğunun 64 örnek/çevirim frekansında
örneklenmesi sağlanır. Her 640-örnekleme bloğundan 640örnekli DFT çıktısı elde edilir. Bu durumda; DFT örneklerinin
frekans çözünürlüğü, 5Hz ile fs şebeke frekansı olmak üzere
64 × f s / 640 = f s / 10 arasında değişmektedir. 10. DFT örneği,
yine 1.harmonik frekansına, yani fs ‘e denk gelmektedir. 20.
DFT örneği ise 2.harmoniğe denk gelmektedir. Bu durumda,
harmonik frekanslarından komşu ara harmonik frekanslarına
doğru hiçbir akış oluşmamaktadır. Bu yaklaşım, 8.bölümde
bahsedilecek olan gerilim ve akım dalga şekillerinin harmonik
ve ara harmonik analizlerini elde etmede kullanılmaktadır.
16:50:50
Time
16:51:20
BORING
16:57:02
Time
MELTING
16:59:02
17:33:25
Time
REFINING
Şekil 23. Yüksek güçlü (HP) EAO’nun sondaj (delme), ergitme ve arıtma periyotlarına ilişkin örnek sonuçları
(5-çevrimlik örtüşen pencerelerle 10-çevirim ortalamalı harmonik alt grupları)
17:34:55
5th Harmonic
(A-rms)
5th
Harmonic
(A-rms)
Total Demand Distortion
TDD(A-rms)
Total
Demand
Distortion,TDD(A-rms)
3rd Harmonic
3rd(A-rms)
Harmonic
(A-rms)
4th Harmonic
4th (A-rms)
Harmonic
(A-rms)
2nd Harmonic
2nd (A-rms)
Harmonic
(A-rms)
Fundamental
Fundamental
Component
Component(A-rms)
(A-rms)
Akım/Gerilim Dalga Formu
LPF
(75 Hz)
Zero-cross
detection
Resample
(spline interpolation)
Split
10-cycles
640-sample
10-cycle DFT
(5)’te verilen gerilim genliğindeki dalgalanma, (6)’da
gösterilen v(t) frekans analizinde (wc+wm) ve (wc-wm) ara
harmonik frekanslarının oluşmasına neden olmaktadır. Güç
sisteminde herhangi bir harmoniğin oluşması durumunda, (7)
ve (8)’de verilen ikinci bir harmoniğin olması örneğindeki
gibi, bu harmoniklerin etrafında ara harmonikler
oluşmaktadır. Basitlik sağlamak amacıyla, şebeke harmoniği
ve 2.harmonik (7) ve (8)’de aynı fazdadır. AM2, ikinci
harmonik bileşeninin genliği olduğu durumda;
y (t ) = ( A + M cos(wmt + φ ))[sin(wct ) + M 2 sin(2 wct )] (7)
640-sample DFT
Şekil 24. 10 çevrimi 640 eşit aralıkta örneklemek için yeniden örnekleme
işleminin blok şeması
y(t) aynı zamanda şu şekilde de ifade edilebilir:
y (t ) =
+
M
[sin(( wc + wm )t + ϕ ) + sin(( wc − wm )t + φ )]
2
MM 2
AM 2 sin( 2wc t )
[sin(( 2wc + wm )t + ϕ ) + sin((2wc − wm )t + φ )]
2
A sin( wc t ) +
…(8)
Bu durum, genlik modülasyonu (AM) olarak düşünülen
herhangi bir gerilim dalgalanmasının, ana bileşen etrafında
ve oluşan diğer harmoniklerinin etrafında ara harmoniklerin
oluşmasına neden olabileceğini göstermektedir. Tersi bir
durum da geçerlidir: eğer ara harmonikler temel bileşen ya
da diğer harmonikler etrafında oluşuyorsa, sinyal genliğinde
dalgalanmalar meydana gelmektedir.
Şekil 25. (9). eşitlikte 45 ve 55 Hz ara harmonikli 50 Hz ara harmonik
sinyalinin A=1 ve M= 0.1 iken dalga şekli
VII. FLİKER-ARA HARMONİK İLİŞKİSİ
Fliker ve ara harmonikler arasındaki ilişki daha önce de
araştırılmıştır ve flikerle ara harmoniklerin birbirinin sebebi
olduğu ortaya çıkmıştır [14, 15, 16]. Işık flikeri, gerilim
genliğinin zaman içinde dalgalanmasından oluşur. Bu
yüzden fliker, taşıyıcı frekansı IEC 61000–4–15 [18]
standardında belirtildiği gibi 50 Hz kaynak frekansı olan
genliği modülasyonlu (amplitude modulated) sinyal olarak
örneklenebilir:
y (t ) =
( A + m(t ))c(t )
= ( A + M cos(wm t + φ )) sin(wc t )
(5)
m(t) mesaj sinyali olduğunda; M flikerin genliği; wm fliker
frekansı, wc güç sisteminin frekansı ve A onun genliğidir.
y(t) aynı zamanda aşağıdaki gibi de ifade edilebilir:
y(t ) = Asin(wct ) +
M
[sin((wc + wm )t + ϕ) + sin((wc − wm )t + φ )]
2
(6)
Ana bileşenin ya da diğer harmoniklerin sadece bir
tarafında ara harmoniklerin oluşması durumunda da, yine
dalgalanma meydana gelmektedir. (9)’da gösterildiği gibi;
55Hz’deki verilen tek bir ara harmonik, genliği
modülasyonlu sinyal ile düşük genlikli 45 Hz frekansındaki
bir toplayıcı sinyalin toplamı olarak gösterilebilir:
y (t ) =
A sin( 2π 50t ) + M sin( 2π 55t )
= ( A + M cos( 2π 5t )) sin( 2π 50t ) − M sin( 2π 55t )
(9)
Genliği 1 olan 50Hz’lik bir sinyalin, %10 genlikli
55 Hz’lik ve 45 Hz’lik toplayıcı ara harmonik sinyalleri ile
toplamından elde edilen dalga şekillerinin zamana göre
değişimi şekil 25’te gösterilmektedir. Her iki ara harmonik
de benzer gerilim genliği dalgalanmalarına neden olmaktadır.
IEC 61000–4-15’e göre insan gözünün en hassas olduğu
gerilim dalgalanmaları 8.8Hz etrafındaki dalgalanmalardır.
Bu duyarlılık, fliker frekansı 8.8Hz’in altına ve üstüne doğru
sapma gösterdikçe azalmaktadır. Bu yüzden, şebeke
harmoniği ve diğer harmoniklerin etrafındaki yaklaşık 10
Hz’lik ara harmonikler, ışık flikeri probleminin oluşumuna
en büyük katkıyı sağlamaktadır.
SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinin doğru bir
şekilde tasarlanabilmesi için; bu ara harmoniklerin oluşumu,
özellikle de VIII. bölümde bahsedilecek olan mevcut 2. ve 3.
dereceden pasif şönt harmonik filtrelerinin performans
değerlendirmeleri yapılırken göz önüne alınmalıdır.
Çoklu ark ocakları işleminde her bir tesisin fliker katkısı
değerlendirilirken; her bir tesis için -diğer bütün tesisler
durdurularak- 10’ar dakikalık (kısa süreli fliker hesaplaması
Pst için) harmonik ve ara harmonik analizleri yapılacaktır.
Voltage Interharmonic
Subgroup1(60-90 Hz),V-rms
700
600
500
400
300
200
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Time(Minute)
(a)
12
Short Term Flicker (Pst)
Çoklu EAO’lardan oluşan sistemler üzerine yapılan
denemeler çok pahalı olduğu ve fliker hesaplamaları uzun
süreli ölçüm ( Pst için 1 nokta 10 dakika, Plt 2 saat)
gerektirdiği için, flikerin başlıca sebebi olan 60–90 Hz
arasında değişen akım ve gerilim ara harmonikleri arasındaki
yakın korelasyon (alt grup ara harmoniği – 1) fliker
problemini anlamakta çok yararlı olacaktır. Bu korelasyon,
kısa bir süreliğine toplanan akım ara harmoniği verilerini
kullanarak gerilim flikerini dolaylı olarak tahmin etmeyi
mümkün kılmıştır. Kısa süreli akım ara harmoniği verilerine
bakarak, flikerin oluşumu ve değişimi hakkında yorum
yapılabilir. Şekil 19 ve 20’de de görüldüğü üzere, şebeke
harmoniği çevresinde görülen ara harmonikler en baskın
olanlarıdır. 2. ve 3. harmoniklerin çevresindeki ara
harmonikler de oldukça etkilidir. Bu yüzden, 1. ve 2.
bileşenler (60–90 Hz) arasındaki gerilim ara harmoniklerinin
akım ara harmoniklerine göre değişimleri bahsedilen
korelasyon ve dolayısıyla da flikerin durumu hakkında bir
fikir verebilir. Çeşitli EOA’lar için, ocak trafosunun OG
tarafında aynı anda gerilim ve akım verileri toplanarak (Şekil
16’da gösterilen ölçüm noktası (MP) 1’de) Şekil 27’de
Tesis–5 için örnek bir ara harmonik dağılım grafiği
verilmiştir. Tesis-5 için, akım ara harmonikleri, gerilim ara
harmonikleri ve fliker değişiminin bar grafikleri zamana göre
Şekil 28’de gösterildiği gibidir. Bu grafikler, gerilim ve akım
ara harmonikleri arasında iyi bir korelasyon olduğunu
göstermektedir. Bu sebeple, mevcut olan ara harmonik
içeriğindeki değişimler, flikerin durumunu tespit etmede iyi
bir gösterge olarak kullanılabilir.
Şekil 27. Gerilim alt harmoniği alt grubu-1’e karşın akım ara harmoniği alt
grubu-1 (Şekil 27 ve 28’de sunulan verilerin aynısı)
10
8
6
4
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Time (Minute)
(b)
Current Interharmonic
Subgroup1 (60-90 Hz),A-rms
Şekil 26. Fliker frekansının bir fonksiyonu olarak göz-beyin ikilisinin
duyarlılık eğrisi
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Time (Minute)
(c)
.
Şekil 28. (a) Akım ara harmoniği alt grubu-1 (10-dakikalık ortalamalar), (b)
gerilim ara harmonik alt grubu-1 (10-dakikalık ortalamalar), (c) 5. tesis için
tüm ölçüm sürei boyunca görülen kısa süreli fliker (10-dakikalık
ortalamalar)
VIII.
SVC
TİPİ
FLİKER
KOMPANZASYON
SİSTEMLERİNİN PERFORMANS DEĞERLENDİRMESİ
Çok uluslu SVC üreticilerinin uygulamaları Şekil 29’da
(a, b, c) gösterilen 3 temel topoloji’de özetlenebilir. Şekil 29
(a) ve (b)’deki SVC’ler arasındaki temel fark, 2. harmonik
filtresinin çeşididir. Ancak, Şekil 29(c)’de gösterilen SVC
sisteminde 2.harmonik filtresi kullanılmamıştır. Bu bölümde,
SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinin kullanılagelen
üç ortak uygulaması; reaktif güç performansı, harmonik
filtreleme performansı ve fliker kompanzasyon performansı
açılarından,
V.
bölümde
tanımlanan
senaryolar
doğrultusunda 2. 3. ve 5. tesislerde toplanan eşzamanlı
veriler kullanılarak incelenecektir.
A. Reaktif Güç Kompanzasyonu Performansı
SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinin EAO’ların
hızlı değişen reaktif güç talebini tam olarak karşıladığı
gözlenmiştir. Bir EAO için ortalama güç faktörü, iyi
tasarlanmış bir SVC ile yaklaşık olarak 1 seviyesinde
tutulabilir.
(a) SVC Type-1
(b) SVC Type-2
B. Harmonik Filtreleme Performansı
Öncelikle, Şekil 29’daki pasif şönt harmonik filtrelerinin
frekans tepkimeleri, 2. 3. ve 5. tesisler için SVC üreticilerinin
tasarım dokümanlarında belirtilen parametreler kullanılarak
elde edilir. Bu amaçla, 1 A’lık harmonik frekansı EAO
tarafından basılır ve şebeke tarafında bu akıma karşılık gelen
harmonik akım bileşeni hesaplanır (Bakınız 30(a), 36(a), ve
43(a)). EAO tarafından basılan akım harmoniği, 63x10-4
Hz’lik aralıklarla, 50 Hz’den 400 Hz’e kadar uygulanmıştır.
Ortaya çıkan frekans tepkime grafikleri (Şekil 30(b)’de bir
örneği
verilmiştir),
aşağıda
belirtilen
şekilde
yorumlanmalıdır:
•
fn harmonik frekansı için, şebeke tarafındaki 1
A’dan daha yüksek büyüklükler yükseltme, 1 A’dan
daha düşük büyüklükler ise filtreleme (attenuation)
olduğu anlamına gelir. Bu filtre özellikleri, zaman
içinde kondansatör değerlerinde meydana gelen
düşüş sebebiyle küçük değişimlere maruz kalabilir.
Her SVC tipi için, EAO tarafındaki (MP2) ve şebeke
tarafındaki (MP1) hat akımlarının örnek harmonik içeriği,
eşzamanlı toplanan veriler kullanılarak 10-çevirimlik pencere
için hesaplanır. Siyah renkle belirtilen harmonik ve ara
harmonik (5 Hz çözünürlüğünde) çubukları EAO tarafını, gri
(veya kırmızı) renkli çubuklar şebeke tarafını göstermektedir.
Bu yüzden, herhangi bir harmonik frekansı için, eğer gri
renkli çubuk siyah renkli çubuktan daha büyükse sözü geçen
harmoniğin SCV tarafından yükseltildiği söylenebilir. Diğer
EAO’lar durdurulduğu zaman, IV. bölümde belirtildiği gibi
kısa bir süre için ham veri toplanır. Bütün SVC tipleri için en
problemli harmonik 2. harmonik bileşeni olduğundan, 2.
harmonik hesaplamaları tek hat harmoniği, harmonik alt
grubu ve harmonik grup olmak üzere üç farklı şekilde
verilmektedir. Birinci grup grafiklerde, harmoniklerin zaman
içindeki değişimleri 1 dakikalık ortalama veriler şeklinde
verilmektedir. Burada yine siyah renkli eğriler, EAO
tarafındaki (MP2) akımı, gri renkli eğriler ise şebeke
tarafındaki (MP1) akımı temsil etmektedir. İkinci grup
grafiklerde, 2.harmonik bileşeni için tek hat, harmonik alt
grubu ve harmonik grup hesaplama sonuçları dağılım
şemaları şeklinde verilmiştir. Şema üzerindeki her bir nokta,
10-çevirimlik pencereye denk gelmektedir. 2’den daha
büyük harmonik bileşenleri için (3. 4. ve 5. gibi), SVC’lerin
filtreleme performansı, her bir harmonik alt grubunun zaman
içindeki değişimlerini gösteren eğrilerle ifade edilmiştir.
Burada da yine siyah renkli eğriler EAO tarafını, gri (ya da
kırmızı) renkli eğriler ise şebeke tarafını göstermektedir.
1- 1. TİP SVC
(c) SVC Type-3
Şekil 29. SVC tipi fliker kompanzasyon sistemleri için yaygın olarak
uygulanan harmonik filtreleme topolojileri
Şekil 30 (b)’de de görüldüğü üzere, SVC 50–120 Hz
arasındaki bütün harmonik ve ara harmonikleri
yükseltmektedir. Bu beklentiler Şekil 30(c)’de ve Şekil 3135’te gösterilen saha verileriyle doğrulanmaktadır. Dağılım
şemalarında, kesikli çapraz çizgi, EAO harmoniğinin hem
yükseltilmediği
hem
de
filtrelenmediği
durumu
göstermektedir. Çizginin yukarısında yoğunlaşan dağılmış
noktalar, incelenen harmoniğin filtrelenmediği anlamına
gelmektedir. Yani bu harmonik, EAO harmoniğini sözü
geçen dağılım şemasında gözlemlenebilecek derecede
yükseltmiştir. Grafik 34-35’te de görüldüğü gibi, 1.tip SVC
3. ve 4.harmonikleri, özellikle de 3. harmoniği filtrelemiştir.
2- 2.TİP SVC
Şekil 36 (b)’de görüldüğü üzere, büyüklüğü 50–95 Hz,
105–125 Hz ve 160–175 Hz arasında değişen bütün ara
harmonikler SVC tarafından yükseltilmektedir. Bu durum,
Şekil 36 (c), 37–39’da gösterilen saha verileriyle
doğrulanmaktadır. 100 Hz’lik tek hat harmonik noktalarının,
bahsedilen çapraz çizginin çevresine eşit bir şekilde dağıldığı
gözlenmiştir. Bu da, bu bileşenin genelde yükseltilmediğini
göstermektedir. Diğer yandan, alt grup ve grup harmoniği
hesaplamaları, 100 Hz’lik bileşenin yükseltildiğini
göstermektedir. Bu durum, alt grup ve grup
hesaplamalarında
yaklaşık
100Hz
etrafındaki
ara
harmoniklerin de dikkate alınmasından kaynaklanmaktadır.
Şekil 40–42’den de anlaşıldığı gibi, 2.tip SVC 3. 4.ve 5.
harmonik bileşenlerini başarıyla filtrelemiştir.
(a)
(a)
(b)
(b)
Şekil 31. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken
2.harmonik tek hat bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları
(c)
Şekil 30. Yaygın olarak uygulanan 1.tip SVC (a), SVC’nin frekans tepkisi
(b), EAO’nun saha verileri frekans analizleri ve EAO’nun sondaj (delme)
fazındaki 10-çevrimlik şebeke akımları (c)
(a)
(a)
(b)
2.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları
(b)
(a)
(a)
(b)
2.harmonik grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları
(b)
(a)
(a)
(b)
(b)
(a)
(c)
Şekil 36. Yaygın olarak kullanılan 2.tip SVC (a), SVC’nin frekans tepkisi
(b)
(a)
(a)
(b)
Şekil 39. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.
harmonik grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları
(a)
(b)
(b)
(a)
(b)
3–3. TİP SVC
Şekil 43(b)’de görüldüğü üzere, bu tipteki bir SVC,
büyüklüğü 50-130Hz arasında değişen bütün harmonik ve
ara harmonikleri yükseltmektedir. Özellikle 2. harmonik
bileşeninde büyük bir yükseltme görülmüştür. Bu durum,
2.dereceden sönümlendirilmemiş 3. harmonik filtresinden
kaynaklanmaktadır. Bütün harmonik hesaplamaları (tek hat,
harmonik alt grup ve harmonik grup) için saha verilerinden
elde edilen Şekil 44-46’da bu olay doğrulanmıştır. Şekil 4749’da görüldüğü üzere, 3. 4. ve 5. harmonik bileşenleri
filtrelenmiştir.
(a)
(b)
(a)
(a)
(b)
(c)
(b)
Şekil 43. Yaygın olarak kullanılan 3.tip SVC (a), SVC’nin frekans tepkisi
(a)
(b)
2.harmonik grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları
(a)
(b)
(a)
(b)
(a)
(b)
Type-1
Type-2
Type-3
Ara harmonik
Computation
Method
Line
Subgroup
Group
Line
Subgroup
Group
Line
Subgroup
Group
100
Hz
150
Hz
200
Hz
250
Hz
A
A
A
F
A
A
A
A
A
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
Tablo III, SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinin
harmonik filtreleme performansını sahadan elde edilen
veriler doğrultusunda özetlemektedir. Yaygın olarak
kullanılan SVC uygulamaları, 2.harmonik alt grubunu
filtreleyemediği gibi, aksine yükseltmektedir. Fakat 2’den
daha yüksek olan harmonik alt grupları, doğru tasarlanan bir
SVC tarafından başarılı bir şekilde filtrelenmektedir.
TCR’nin (thyristor controlled reactor) sözü edilen harmonik
eğrileri üzerindeki etkileri asla unutulmamalıdır. Kararlı
durumda çalışan bir SVC (sabit bir ateşleme açısı ile, α),
yalnızca 3. harmonik ve kuvvetleri dışındaki tek
harmonikleri oluşturur ve bu harmoniklerin büyüklükleri
normalde çok düşüktür. Fakat geçici rejimlerde, yani sondaj
(delme) ve ergitme fazlarında, önemli düşük harmonik
bileşenleri de oluşacaktır. Bunun sebebi, asimetrik ardışık
yarım akım çevrimleri ve dengesiz 3.harmonik bileşenleridir.
Özetle, TCR harmonikleriyle EAO harmonikleri aynı fazda
olmak zorunda değillerdir. Bunlar eklendiğinde, bütün
harmonik ve ara harmonik frekanslarında EAO’nunkinden
daha yüksek ya da daha düşük bir harmonik içerik elde
edilebilir. Bir önceki harmonik özellikleri ve dalga
şekillerinde, TCR harmonikleri dikkate alınmamıştır.
Dağılım şemalarındaki noktaların beklenenden daha çok
dağılmış olması, TCR harmoniklerine bağlanabilir. Saha
ölçümleri boyunca, SVC’nin sadece TCR bölümünü
şebekeden ayırmak mümkün olmamıştır.
C. Fliker Kompanzasyon Performansı
VII. bölümde, akım ve gerilim ara harmoniklerinin birbiriyle
ilişkili olduğu gösterilmiştir. Yani, eğer akım ara
harmonikleri varsa, o halde gerilim ara harmonikleri de
vardır ve bu durum flikere neden olur. SVC tipi fliker
kompanzasyon sistemlerinin her 3 uygulaması da Şekil
30(b), 36(b), ve 43(b)’de gösterildiği gibi 2.harmonik
çevresindeki frekansları yükseltmektedir ve ark ocağını
besleyen bütün baralarda fliker problemi gözlenmektedir.
Ara harmoniklerin SVC sistemi tarafından yükseltildiği,
Şekil 50-51’de gösterilmiştir. Bu özel deneyde, 2.tesisin
SVC sistemi, diğer tesisler çalışmaz durumdayken devre dışı
bırakılmıştır. Bu süre boyunca, hem gerilim hem de akım
10-çevirim’lik 1.ara harmonikleri (MP1’de), SVC’nin ara
harmonikler ve dolayısıyla fliker üzerindeki etkisini
gözlemlemek için hesaplanmıştır. SVC tipi fliker
Voltage Interharmonic
Subgroup1(60-90 Hz),V-rms
Common
Practice
kompanzasyon sistemi fliker seviyesini azaltmak amacıyla
kurulmasına rağmen, harmonik filtrelerinin (özellikle 2.
harmonik filtresinin) doğru şekilde tasarlanmaması sebebiyle
SVC sistemi 2. harmonik çevresindeki ara harmonikleri
yükseltmiştir, bu da ışık flikeri etkisine neden olmuştur. Bu
olay, her üç ortak uygulamada da gözlenmiştir. Bu durum, 2.
harmonik bileşeninin filtrelenmesi için yeni bir tasarım
yaklaşımına ihtiyaç duyulduğunu açıkça ortaya koymaktadır.
Şekil 50. 2.tesisin ergitme fazında ortaya çıkan dalga şeklinin ara harmonik
alt grubu-1 (5-çevrimlik örtüşmelerle 10-çevrimlik ortalamalar)
Current Interharmonic
Subgroup1(60-90 Hz),A-rms
TABLE III .3 TIP SVC IÇIN ARA HARMONIK FILTRE PERFORMANSI
(F: FILTRELEDI, A: YÜKSELTTI)
Şekil 51. 2.tesisin ergitme fazında ortaya çıkan akım dalga şekillerinin ara
harmonik alt grubu-1 (5-çevrimlik örtüşmelerle 10-çevrimlik ortalamalar)
IX. ÇOK OCAKLI İŞLEMLERDE EAO’LARIN GÜÇ
KALİTESİ ETKİLEŞİMİ
Büyük bir güç kalitesi problemiyle karşılaşmamak için,
EAO ve çoklu-EAO işlemlerinde EAO’nun bağlanacağı
şebekenin
uygunluğu
ve
yeterliliği,
EAO
tesisinin/tesislerinin planlama ve tasarım aşamalarındaki alan
seçme kriterlerinin en önemlilerinden biridir. Şebekeye
bağlanılacak olan noktanın seçiminde kullanılan belli başlı
kriterler aşağıda verilmiştir:
A. Kısa Devre Gerilim Düşümü (SCVD) Yöntemi
SCVD; ark ocağı elektrotlarının açık olduğu durumdan 3
faz kısa devre durumuna geçtiğinde, OBN’ deki gerilim
düşme oranı olarak ifade edilir. Bir fliker problemi
oluşturmamak için, SCVD değeri, 132 KV ve daha düşük
gerilimlerde ≤ 2% ve 132 KV’den daha büyük gerilimlerde
SVCD≤1.6% [20] olmalıdır. SCVD oranı; şebeke
empedansı, güç trafosunun ve EAO trafosunun empedansları,
fider empedansı, varsa seri reaktör empedansı ve EAO’nun
sekonder devre empedansının toplamıyla doğru orantılıdır.
Planlama aşamasında, SCVD değerinin azalması için
yapılabilecek en önemli katkı, EAO’yu olabilecek en yüksek
gerilim değerindeki elektrik şebekesinin en güçlü
noktalardan birine bağlamaktır.
SCMVAmin / MVAEAO Oranı
Literatürde, fliker problemine sebep olmamak ya da bu
problemi ekonomik bir şekilde çözümlenebilir hale getirmek
için, bazı araştırmacılar EAO’nun bağlanacağı noktanın
minimum kısa devre gücünün (SCMVAmin) ark ocağının
görünür gücüne (MVAEAO ) oranının 80’den daha az
olmaması gerektiğini savunurken; diğerleri de 50’den daha
az olmaması gerektiğini iddia etmektedirler [12, 13]. Şekil
15’te verilen çok ocaklı sistem için bu hesaplamalar
yapılmış ve aşağıda verilen tahmini SCVD değerleri elde
edilmiştir:
i)
En büyük EAO kısa devre edilirse 1.74%
SCVD
ii)
İki EAO aynı anda kısa devre edilirse 3.4%
SCVD
iii)
Üç EAO aynı anda kısa devre edilirse 6.6%
SCVD
iv)
Bütün EAO’lar aynı anda kısa devre edilirse
8.4% SCVD
Bu değerlendirmelere bakıldığında, önerilen SCVD
değerlerinin, birden fazla EAO aynı noktadan beslendiği
durumlarda sınır değerlerini aştığı görülmektedir.
Açıkça görülüyor ki, (Pst) ve (Plt) değerleri, ilgili
standartlarda belirtilen sınır değerlerinden çok daha
yüksektir [9]. Ayrıca, ölçüm süresi boyunca çok uluslu
şirketler tarafından tasarlanan SVC tipi fliker kompanzasyon
sistemlerinin çalışır durumda olduğu da göz ardı
edilmemelidir. Bütün bu gerçeklere rağmen, bu EAO’lar
çalışmakta ve her yıl milyonlarca ton çelik üretmektedirler.
Bu
problem
mevcut
teknoloji
kullanılarak
çözülememektedir, fakat bu bölgedeki EAO’ların güç
sistemleri tekrar düzenlenerek, sorun daha az ciddi hale
getirilebilir. Yani, beş demir-çelik tesisindeki 9 adet EAO,
şebekenin üç farklı noktasına bağlanılarak üç alt gruba
ayrılabilir. Aynı zamanda, OBN’lerdeki iletim gerilim
seviyesi 154kV’tan 400kV’a yükseltilmelidir. Flikerin
azaltılması için, bu bölgede bulunan 2 termik ve bir
doğalgaz santralinin yanı sıra, 1000 MW kurulu güce sahip
yeni bir elektrik santralinin kurulması kaçınılmaz gibi
görünmektedir.
X. SONUÇLAR
Hem tek ocaklı hem de çok ocaklı tesislerde
gerçekleştirilen yoğun saha çalışmalarının neticesinde
aşağıdaki sonuçlara varılmıştır:
i)
(a)
(b)
Şekil 52. Çoklu EAO’nun (a) Pst ve (b) Plt’sini besleyen OBN’deki 7 günlük
fliker değişimi
Bu tesislerden elde edilen deneysel sonuçlar sunulan
önerileri kanıtlamaktadır. 7 günlük süreyle çok ocaklı
işlemler için toplanan kısa süreli (Pst) ve uzun süreli (Plt)
örnek fliker değerleri, Şekil 52’de verilmektedir.
Fliker problemini ortadan kaldırmak için en
önemli aşama, EAO tesislerinin planlanma
aşamasıdır.
Öncelikle,
EAO’nun/ların
şebekeye bağlanacağı muhtemel noktaların
belirlenmesinde
SCVD
ve
SCMVAmin/MVAEAF oran hesaplamaları
yapılmalıdır.
Bu
değerler,
önerilen
değerlerden daha düşük olmalıdır, çünkü
SVC tipi fliker kompanzasyon sistemleri
kurulumundan sonra, doğal olarak fliker
yükselecektir.
ii) SVC tipi fliker kompanzasyon sistemi
EAO’ların hızlı değişen reaktif güç
taleplerini yeterince karşılayabilmekte ve
power factor ( pf ) değerini neredeyse 1
seviyesinde tutabilmektedir.
iii) Özenle tasarlanmış SVC sistemlerinin pasif
şönt filtreleri, EAO tarafından üretilen 2.
harmonik bileşeni dışındaki harmonik akım
bileşenlerini
başarılı
bir
şekilde
filtreleyebilmektedir.
Yaygın
olarak
uygulanan pasif şönt filtresi topolojilerinin,
2. harmonik alt grupları, hatta çoğu
durumda tek hat 2. harmonik bileşenini de
yükselttiği deneysel olarak kanıtlanmıştır.
SVC tipi fliker kompanzasyon sistemlerinde
kullanılan
2.harmonik
filtresinin,
2.harmonik
bileşenini
filtrelemek
(attenuation) için değil, 3.harmonik
filtresinin 2.harmonik bileşenini yükseltme
oranını sınırlandırmak için sisteme dahil
edildiği görülmüştür.
iv)
EAO tesislerinde, ışık flikerinin başlıca
sebebi, harmoniklerin çevresinde oluşan ara
harmoniklerdir. Bu yüzden, öncelikle
şebeke harmoniği ve 2. harmonik bileşeni
arasındaki ara harmonikler, ikincil olarak da
2. ve 3. harmonik bileşenleri arasındaki ara
harmonikler fliker probleminin sebebidir.
Şebeke harmoniği ve 2. harmonik bileşeni
arasındaki ara harmonikler yaygın olarak
kullanılan pasif filtreler tarafından büyük
ölçüde yükseltildiği için, SVC tipi fliker
kompanzasyon sisteminin devrede olması,
OBN’deki fliker seviyesini yükseltmektedir.
Bu yüzden, bilinen SVC tipi kompanzasyon
sistemlerinin, tekli ve çoklu EAO
tesislerindeki mevcut fliker problemine
çözüm olamayacağı sonucuna varılabilir.
v)
Çok ocaklı işlemlerde, SVC sistemleri ve
EAO’lar arasındaki etkileşim sebebiyle; ışık
flikeri, ara harmonikler ve 2. harmonik alt
grubu tekli EAO işlemlerine oranla daha
karmaşıktır. Bu problemleri çözmek için en
iyi yol, EAO tesisleri için şebekedeki en
uygun bağlantı noktasını seçerek bu
risklerden kaçınmak ya da onları en aza
indirmektir. EAO tesislerindeki mevcut
fliker, ara harmonik ve 2. harmonik
problemlerini çözmek için, aktif güç
filtreleri ve D-STATCOM sistemleri gibi
yeni sistemler kullanılmalıdır.
TEŞEKKÜR
Yazarlar, saha ölçümlerine olanak sağladıkları ve tesislerin
çeşitli çalışma koşullarında gerçekleştirilen OBN
ölçümlerine
katkıları
için
Türkiye-İzmir/Aliağa
bölgesindeki ark ocağı tesislerinin yetkililerine teşekkür
eder.
REFERANSLAR
[1]
J.G.Mayordomo, E.Prieto, A.Hernandez, et.al., “Arc Furnace
Characterization from an Off-line Analysis of Measurements”,
[2] P.E.Issouribehere, F.Issouribehere, G.A.Barbera, “Power Quality and
Operating Characteristics of Electric Arc Furnaces”, PES 2005.
[3] P.E.Issouribehere, J.C.Barbero, G.A. Barbera, et.al., “Compatibility
between Disturbance Emission and Argentinian Power Quality
Regulations in Iron and Steel Industries”
[4] B.Boulet, J.Wikston, L.Kadar, “The Effect of Measuring System
Accuracy on Power Quality Measurements in Electric Arc Furnaces”,
IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1997.
[5] A. Hernandez, J.G.Mayordomo, R.Asensi, et.al., “A Method Based on
InterAra harmoniks for Flicker Propagation Applied to Arc
Furnaces”, IEEE Trans. Power Delivery, vol.29, no.3, July 2005.
[6] IEC 61000-4-30, Testing and Measurement Techniques-Power
Quality Measurement Methods.
[7] E.Özdemirci, Y. Akkaya, B. Boyrazoglu, et.al. “Mobile Monitoring
System to Take PQ Snapshots of Turkish Electricity Transmission
System”, IEEE Instrumentation and Measurement Technology
Conference, IMTC-2007, Poland.
[8] T.Demirci, A.Kalaycıoğlu, Ö.Salor, et.al., “National PQ Monitoring
Network for Turkish Electricity Transmission System”, IEEE
Instrumentation and Measurement Technology Conference, IMTC2007, Poland.
[9] Turkish Electricity Transmission System Supply Reliability and
Quality Regulation, 2004.
[10] IEEE Std. 519-1992, IEEE Recommended Practices and
Requirements for Ara harmonik Control in Electrical Power Systems.
[11] IEC 61000-4-7, Testing and Measurement Techniques- General
Guide on Ara harmoniks and interAra harmoniks measurements and
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
instrumentation, for power supply systems and equipment connected
thereto.
B.Bharat, “Arc Furnace Flicker Measurement and Control”, IEEE
Trans.on Power Delivery, Vol.8, No.1, January 1993, pp.400-410.
S.R.Mendis, M.T.Bishop, J.F.Witte, “ Investigations of Voltage
Flicker in Electric Arc Furnace Power Systems”, IEEE Industry
Applications Magazine, January/February 1996, pp.28-38.
T.Keppler, N.R.Watson, J.Arrillaga, et.al., “Theoretical Assessment
of Light Flicker Caused by Sub- and InterAra harmonik Frequencies”,
IEEE Trans. Power Delivery, vol.18, no.1, January 2003.
T.Tayjasanant, W.Wang, C.Li, “InterAra harmonik-Flicker Curves”,
IEEE Trans. Power Delivery, vol.20, no.2, April 2005.
J.A.Pomilio, S.M.Deckman, “Flicker Produced by Ara harmoniks
Modulation”, IEEE Trans. Power Delivery, vol.18, no.2, April 2003.
A.Testa, D.Gallo, R.Langella, “On the Processing of Ara harmoniks
and InterAra harmoniks: Using Hanning Window in Standard
Framework”, IEEE Trans. Power Delivery, vol.19, no.1, January,
2004.
IEC 61000-4-15, Testing and Measurement Techniques-FlickermeterFunctional and Design Specifications.
IEEE Std-1159, Recommended Practice for Monitoring Electric
Power Quality.
T.J.E. Miller “ Reactive Power Control in Electric Systems” ,WileyInterscience Publication

Türkiye`deki Demir-Çelik Endüstrisinin Elektrik Güç Kalitesi

Transkript

Benzer belgeler

Prof. Dr. Bilge Günsel Arş. Gör. Korhan Tanç 23 Kasım

ASDA-B SERVO`DA PULSE GİRİŞİ İÇİN PNP BAĞLANTI ASDA