Geri Dön

Reaktif güç kontrol rölesinde optimal anahtarlama için yeni bir yöntem

A new method for optimal switching in reactive power control relay

  1. Tez No: 152274
  2. Yazar: MUSTAFA ŞEKKELİ
  3. Danışmanlar: PROF.DR. NESRİN TARKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2004
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 130

Özet

REAKTIF GUÇ KONTROL RÖLESİNDE OPTIMAL ANAHTARLAMA İÇİN YENİ BİR YÖNTEM ÖZET îdeal bir elektrik enerji sisteminde, tüm besleme noktalarında, gerilim ve frekans sabit olmalı, harmoniksiz olmalı ve güç faktörü 1 'e yakın olmalıdır. Endüstriyel yüklerin çoğu güç faktörü ile ilgilidirler. Çünkü reaktif güç çekerler. Bu yüzden yükün çekmesi gereken aktif akımdan daha fazla bir akım çekerler. Bu akım görünür akım olarak tarif edilir. Aktif ve reaktif bileşenleri vardır. Aktif bileşen enerjiye dönüşen kısımdır. Akımın geri kalan kısmı, yani reaktif bileşen tüketicinin istemediği kısımdır. Reaktif akım iletkenlerin akım taşıma kapasitelerini düşüreceği gibi aktif enerji kayıpları da meydana getirir. Bir enerji dağıtım sistemi iki farklı güç bileşeninden meydana gelmiştir. Aktif güç (kW) ve reaktif güç (kVAr). Aktif güç işe dönüşen fakat reaktif güç işe dönüşmeyen güçtür. Reaktif gücün asıl görevi indüktif yüklerde magnetik alam meydana getirmektir. Aktif ve reaktif güçler birlikte görünür gücü oluştururlar. Sırasıyla görünür güç (S - kVA), aktif güç (P - kW) ve reaktif güç (Q - kVAr) olarak ifade edilir. Şekil l'de güç üçgeni olarak, bu üç güç arasındaki bağıntı gösterilmiştir. Ayrıca güç üçgeninden aşağıdaki ifadeler yazılabilir. S2 = P2 + Q2 (1) (kVA)2 = (kW)2 + (kVAr)2 (2) (P)kW Şekil 1 Görünür, aktif ve reaktif güç arasındaki bağıntıyı gösteren güç üçgeni Aktif gücün, görünür güce oram“güç faktörü”olarak tanımlanır.P kW... coscp = - =(3) S kVA Temel olarak, güç faktörü, elektrik enerjisinin ne kadar verimli kullanıldığının bir ölçüsüdür. Güç faktörü ne kadar büyükse elektrik enerjisi o kadar verimli kullanılıyor demektir. Enerji üretim ve dağıtım sistemlerinde, güç faktörünün düşük olması, daha fazla görünür gücün üretilmesi, bu da hat kesitinin büyümesi anlamına gelir. Diğer bir deyişle, üretim ve dağıtım sistemlerinde maliyetin artması demektir. Ayrıca düşük güç faktörü nedeniyle I2R (4) olarak tanımlanan şebeke ve hat kayıpları artar. Burada I görünen akımı R de omik direnci göstermektedir. Düşük güç faktörü nedeniyle gerilim regülasyonu da zorlaşacaktır. Eğer güç faktörü iyileştirilemezse, işe dönüşen aktif güçle beraber, işe dönüşmeyen reaktif güç de şebekeden akacaktır. Bu da generator, transformatör, baralar, iletkenler ve dağıtım şebekelerindeki diğer kesme ve koruma cihazlarının daha büyük seçilmelerine neden olacaktır. Böylece yatırım ve işletme maliyetleri artacaktır. Güç faktörünü düzeltmenin en basit yolu şebekeye kondansatörler bağlamaktır. Kondansatörler, şebekede reaktif akım generatörü gibi davranırlar ve şebekenin ihtiyacı olan kapasitif reaktif akımı sağlarlar. Kapasitif reaktif akımın şebekeden bağımsız ayrı bir yerde üretiliyor olması, generatörlerde üretilen görünür güç değerini düşürecektir. Güç faktörünü düzeltmek için kullanılan kondansatörler dağıtım sistemindeki toplam akımı düşürerek, sistem güç kapasitesini artırırlar. Güç faktörünü, düzeltmek, sadece paradan tasarruf etmeyi sağlamaz, aynı zamanda aşağıdaki faydaları da getirir - Transformatör ve dağıtım donanımlarının daha az ısınmasını sağlar. (Kayıpların azalması nedeniyle) - Dağıtım donanımlarının ömürlerini uzatır. - Gerilim regülasyonunu iyileştirir. - Sistem güç kapasitesini artırır. Güç faktörünün düzeltilmesi genellikle tüketiciye yakın yerde yapılır. Kompanzasyon, şebekeye bağlanan paralel kondansatörlerle gerçekleştirilir. Bu işlem tek tek kompanzasyon, grup kompanzasyonu, merkezi kompanzasyon şekillerinde yapılır. Başlangıçta güç faktörü coscpı olan bir sistemin kompanzasyon yapılarak güç faktörünün coscp2'ye çıkarılması için gerekli kondansatör gücü hesabı aşağıdaki ifadeye göre gerçekleştirilir; Qc = P(tan cpı - tan cp2 ) (5) xıGüç faktörü 0,90 ile 0,98 değerleri arasında olmalıdır. Eğer Qc değeri gereğinden fazla seçilirse sistem aşırı kompanze edilmiş olur ve gerilim yükselmeleri meydana gelir. Çoğu durumlarda, reaktif güç kompanzasyonu, kondansatörlerin ana veya yardımcı baralara bağlanmasıyla merkezi olarak yapılır. Çok çeşitli güçlerdeki tüketicilerin olduğu ve değişik zamanlarda devreye girip çıktıkları bir sistemde merkezi kompanzasyon çok uygundur. Hızlı değişen olaylarda statik VAr sistemleri kullanılır. Statik VAr kompanzatörleri elektrik şebekelerinin çoğunda kullanılmaktadır. Genellikle kullanımında tristör kontrollü reaktör (TCR) vardır. İyi bir kompanzasyon elde etmek için, sabit kapasitör (FC) veya tristör anahtarlamalı kapasitör (TSC) bir reaktörle birlikte kullanılır. Bu yapıda birbirine ters ve paralel bağlanmış iki tristör indüktörü beslemektedir. Tristörlerin ateşleme açılan değiştirilerek, indüktörün akımı ayarlanır. Böylece reaktif güç kompanzasyonu gerçekleştirilir. Merkezi otomatik kompanzasyonda reaktif güç kontrol rölesi kullanılır. Güç kontrol rölesi ile şebekenin indüktif akımı ölçülerek, gerekli kondansatörler devreye alınıp çıkarılarak merkezi otomatik kompanzasyon gerçekleştirilir. Sabit kompanzasyonda yük değişimleri çok azdır ve devreye paralel kondansatör bağlanarak kompanzasyon yapılır. Değişken yüklerin değişik zamanlarda devreye girip çıktığı sistemlerde, merkezi kompanzasyon yapmak daha avantajlıdır. Kondansatörün devreden çıkıp, yeniden devreye alınması için deşarj zamanı kadar bir sürenin beklenmesi gerekir. Reaktif güç kontrol rölesinde bu süre istenildiği gibi ayarlanabilir. Genelde bu süre 20-300 saniye arasındadır. Bu süre kondansatörü yeniden devreye alma sırasında gerilim yükselmesini önlemek ve geçici olaylara sebep olmamak için gereklidir. Bu çalışmada anahtarlamada optimizasyonu sağlamak için yeni bir röle ve yöntem önerilmiştir. Çalışmanın ana temasım oluşturan bu yeni yöntem aşağıda özetlenmiştir. Yeni gerçekleştirilen röleye ilişkin blok diyagramı şekil 2'de gösterilmiştir. C/k U 2 n Röle Çıkışları Şekil 2 Tasarlanan röle için blok diyagramı xııBu yeni röle ile, mevcut reaktif güç kontrol rölelerinde kondansatörleri, devreye alma ve çıkarma sırasındaki deşarj süresi kadar gecikme ortadan kaldırılmıştır. Bu amaçla, her kondansatör grubuna ait bir zaman sayıcı oluşturulmuştur. Röle devreye girer girmez sayıcı, tüm kondansatörlerin deşarj süresi kadar zamanı sayar. Böylece kondansatörler devreye alınacakları anda, gecikmesiz olarak devreye girerler. Devreden çıkan kondansatör için de sayıcı bu süreyi sayarak, kondansatörü, gecikmesiz olarak devreye alınmak üzere hazırlar. Devreye alınacak kondansatör için önce bu süreye bakılır. Süre tamamlanmışsa kondansatör hemen, tamamlanmamışsa kalan süre kadar beklenerek devreye alınır. Normalde röleye ayarlanan deşarj için gecikme süresi yaklaşık 40 sn. kadardır. Bu yöntemin bir sonucu olarak, deşarj süresi nedeniyle gecikme süresi önlenerek işletmenin daha az indüktif akımla yüklenmesi sağlanmıştır. Böylece güç kayıpları da minimum değere çekilmiş olmaktadır. Mevcut reaktif güç kontrol rölelerinde kondansatörlerin devreye alınıp çıkarılmaları teker teker ve sadece belirlenen ayar dizisine göre olmaktadır. Tasarlanan yeni yöntemde ise kademe, ayar dizisi gibi kavramlar kaldırılarak işletme için çok geniş aralıklı bir anahtarlama programı oluşturulması sağlanmıştır. Ayrıca devreye alınacak kondansatörlerin sayısı sadece 1 yerine, geliştirilen bir algoritmayla 1, 2 veya 3 adet kondansatör aynı anda devreye alınıp çıkarılabilir duruma getirilmiştir. Burada devreye alınması gereken kondansatör gücüne en yakın değer bu kombinasyonlar arasından optimal olarak seçilmektedir. Böylece kompanzasyon için gerekli kondansatör gücü en yakın değer olarak devreye alınmış olmaktadır. Optimal olarak devreye kondansatör alma ve çıkarma sonucu, 1. Sistemdeki kontaktör ve kondansatörlerin anahtarlama sayısı minimum olacak şekilde, optimal seçim gerçekleştirilmiştir. 2. Tüm kondansatörler, minimum zamanda ve en yakın değerde devreye alınarak, sistemin daha az indüktif reaktif akımla yüklenmesi sağlanmış, bunun sonucu olarak da aktif güç kayıpları azaltılmıştır. 3. Devreden çıkarılacak kondansatörler için de, minimum zaman ve en yakın değer belirlenerek, aşırı kompanzasyon ve bunun meydana getireceği sakıncalar önlenmiştir. Klasik ve yeni geliştirilen röle, hesapla, deneysel olarak ve sisteme sağlayacağı ekonomik fayda bakımından karşılaştmlmıştır. Aşağıda tablo 1 ve tablo 2'de sırasıyla hesapla ve deneysel olarak yapılan karşılaştırma sonuçları verilmiştir. Tablo 1 Klasik röle ve tasarlanan rölelerin hesapla karşılaştırılması X111Tablo 2 Yeni röle ve klasik rölenin deneysel karşılaştırma sonuçlan Bu sonuçlardan görüldüğü gibi yeni geliştirilen röle klasik röleye göre, anahtarlama sayısının ve aktif güç kayıplannın azaltılmasında bir üstünlük sağlamıştır. Bu da sisteme ekonomik bir iyileştirme getirmiştir. Önerilen rölenin tesise sağlayacağı ekonomik katkı için, mühendislikte en sık kullanılan, şimdiki değer yöntemi, yıllık değer yöntemi ve geri ödeme süresi yöntemi kullanılmıştır. Bu amaçla kontaktör ömrünü uzatıp, maliyetleri düşürmek ve aktif kayıplan azaltıp enerji tasarrufu sağlamak için, regresyon analizleri yapılarak fonksiyonlar elde edilmiştir. y = 278,85 + 0,84x, +22,44x2 (6) y = 2991 + 0,lx1-58,6x2 (7) Bu regresyon fonksiyonlan yukandaki üç yöntemde kullanılarak, bulunan ekonomik analiz sonuçlan aşağıda verilmiştir. Buna göre pöç önerilen. pAn klasik (8) ŞD(kt0)>0 (9) YD(k) > 0 (10) >. önerilen ŞD(Mkont.)"

Özet (Çeviri)

A NEW METHOD FOR OPTIMAL SWITCHING IN REACTIVE POWER CONTROL RELAY SUMMARY In an ideal ac power system, the voltage and frequency at every supply point would be constant and free from harmonics, and the power factor would be unity. Most industrial loads have lagging power factor; that is, they absorb reactive power. The load current therefore tends to be larger than is required to supply the real power alone, only the real power is ultimately useful in energy conversion and the excess load current represents a waste to the consumer, who has to pay not only for the excess cable capacity to carry it but also for the excess joule loss produced in the supply cables. A distribution system's operating power is composed of two parts: Active (working) power (kW) and reactive (non-working only magnetizing) power (kVAr). The active power performs the useful work, the reactive power does not. The main function of the reactive power is to develop magnetic fields required by inductive devices. Working power and reactive power together make up the apparent power. Apparent (S), active (P) and reactive power (Q) is measured in kilovolt - amperes (kVA), kilowatts (kW) and kilovolt - amperes reactive (kVAr) respectively. Power triangle shown in Firgure 1 illustrates the relationship between the three types of power. The power triangle relationship can olsa be summarized by S2 = P2 + Q2 (1) (kVA)2 = (kW)2 + (kVAr)2 (2) (P)kW Figure 1: Power triangle showing the relationships between apparent, active and reactive power. The ratio of active power (kW) to the apparent power (kVAr) is termed the power factor: xv( \ kw cos((p) =(3) yV) kVA v } Essentially, power factor is a measurement of how effectively electrical power is being used. The higher the power factor, the more effectively electrical power is being used. For the generating and transmission stations, lower the power factor the larger must be the size of the source to generate that power, and greater must be the cross-sectional area of the conductor to transmit it. In other words, the greater is the cost of generation and transmission of the power. Moreover, lower power factor will also increase the, I2R (4) (I denotes apparent current, R is resistance) losses in lines, equipment as well as result in poor voltage regulation. When low power factor is not corrected, the utility must provide the nonworking reactive power in addition to the working active power. This results in the use of larger generators, transformers, bus bars, wires, and other distribution system devices that otherwise would not be necessary. As the utility's capital expenditures and operating costs are going to be higher. The simplest way to solve low power factor problems is by adding power factor correction capacitors to the electrical network. Power factor correction capacitors work, as reactive current generators“providing”needed reactive power to the power supply. By self - generation of reactive power, the industrial user frees the utility from having to supply it; therefore, the total amount o apparent power (kVA) supplied by the utility will be less. Power factor correction capacitors reduce the total current drawn from the distribution system and subsequently increase system capacity. Not only will power factor correction capacitors save you money, they will:. reduce heat loss of transformers and distribution equipment. prolong the life of distribution equipment. stabilizes voltage levels. increase system capacity and many more. Power - factor correction usually means the practice of generating reactive power as close as passible to the load which requires it. In most cases, compensation for the reactive power is provided by shunt capacitors. They can be associated with individual loads or group of loads, or they may be installed centrally to correct a complete systm. To correct a given power factor coscpj to an improved power factor coscp2 requires a capacitor rating Qc of Qc = P(tan 9-1 - tan 92 ) (5) xviFor a corrected system, a lagging power factor of from 0.9 to 0.98 should be aimed at. Overcorrection (Qc)Q) should on the whole be avoided, in order to avoid the transmission of capacitive reactive power, which can result in an incresa in the supply system voltage. In most cases, power-factor correction units are used for central correction, directly associated with a main or sub-distribution board. This is particularly suitable when a large number of small loads with different power consumptions switched on for varying periods are connected to the system. Static VAr compensators have been used in electric power systems for a number of application purposes. Especially fast changing systems. The static VAr compensators currently - used in utilities are mainly thyristor - controlled reactor (TCR) based. To achieve both leading and lagging reactive power regulation, fixed capasitors (FC) or thyristor switched capasitors (TSC) are used together with the reactors. In this structure, two anti paralel thyristors are connected with the inductor. By adjusting the firing angles of thise thyristors, the fundamental component of the inductor current, thus the reactive power, can be regulated Power factor controllers are used for measuring and controlling the power factor, for central reactive power compansation. Inductive current are measured by means of the controller which will switch the capasitors on and off to provide the necessary power compansation In fixed compensation, the loads operate with almost constant power factor for a long period of time, thus fixed capasitors can be connected to the loads in parallell. However, in Networks with many loads of different power raitings and operating times, it is more advantages to utilize fully automatic and centrally arranged power boards. The period between switching out a certain capacitor step and the earliest possible re-switching in of the same step is defined as re-switching blocking delay. Power Factor Controller, this blocking delay for re-switching can be either 20 - 300 second. This period is necessary in order to allow the voltage existing at the capacitor after the switching-out to reduce to an accepteble level. The blocking delay for re-switching shall be selected in accordance with the existing discharging device. In this theses, a new relay and method are developed, for reactive power controller to provide optimal switching. The developing new method are summerized as follows. Blocking diagram of optimal power factor controller is shown figure 2. 1 2 Relay Output Figure 2: Blocking diagram for optimal power factor controller. xvuWith this designed relay, delay time which is necessary in order to allow the voltage existing at the capasitor after the switching in and out, have minimized. For this purpose, a time counter has connected each capasitor bank. When the relay switch on, setting delay time of all capasitors are counted. Thus, all capasitors switch on without delay time. Same method is performed during switching off the capasitors, all capasitors are prepared for reswitching without delay time. When it is needed to switch on any capasitor, firstly checked the delay time. If it is zero, it is switcihed on the capasitor immidiately. If not zero, it is switched on after waiting until delay time is zero. Normally, delay time is set 40 second. As a result of this methot, delay time for reswitching of capasitors have been minimized. Sequently, systems have loaded less inductive current, it means that less active power losses in the line. In classic relay, capasitors are switched on and off one by one and occording to the certain switching programs. But in designing new relay, there is no switching program and it can be chosen wide range of switching program for the capasitors according to the plant condition. Additionally, capasitos are switched on and off togather 1, 2 or 3 instead of only one. These capasitor banks are optimally selected as a nearest value for desired inductive reactive power. As a result of choise optimally, 1- The switching number of contactors and capasitors have performed as a minimum value by means of optimal choise. 2- All capasitors are switched on minimum time and nearest value; Thus systems have loaded less inductive reactive power and less active power losses. 3- With the same method as all capasitors are switched off minimum time and nearest value, it is prevented overcompansation and its hazard on the systems. These two classic and new designed relays have been compared with calculations, experimental and economical, in the Table of 1 and 2, it is shown the result of comparison. Table 1 The calculative comparison of classic and designed relays xvuiTable 2 Experimantal comparison of classic and designed relays As it will be seen from these tables, new designed relays are superier, as the number of switching and reduction of active power according to the classic relay. Thus, systems have been economically improved. Three methods are used for the economical benefit of new relay. These are present value, annual value and the payment time of return which are frequently used in engineering. For this purpose, the multiple linear regression analyses are performed to reduce the costs of contactors increasing the life time and to save energy reducing the active losses. Functions which are found from regressions are shown in the equations 6 and 7. y = 278,85 + 0,84x, + 22,44x2 (6) y = 2991 + 0,lx1-58,6x2 (7) These functions are used in three economic method and the following results are optained. PTRnew0 classic (8) (9) AV(k) > 0 (10) PV(Ccon,)new

Benzer Tezler

  1. Tez No

    856574

    Aktif dağıtım şebekelerini asimetrik arızalara karşı korumak için yeni bir tümleşik koruma sistemi tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of a novel integrated protection system to protect active distribution networks against asymmetrical faults

    FATİH ÖZVEREN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER USTA

  2. Tez No

    352605

    Dinamik reaktif güç denetleyicisi tasarımı

    Design of dynamic reactive power controller

    ABDULLAH ÖZSAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM SEFA

  3. Tez No

    90868

    Reaktif güçlerin mikroişlemlerle kontrol edilmesi

    Controlling reactive powers with using microprocessors

    ÜNAL SEVİM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMarmara Üniversitesi

    Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜL VAYVAY

  4. Tez No

    100820

    Generatörler için yeni bir dijital koruma algoritması tasarımı

    A new digital protection algorithm design for generators

    MEHMET BAYRAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2000

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. ÖMER USTA

  5. Tez No

    820207

    Design of a hybrid PV-fuel cell system with active reactive power control capabilities

    Aktif reaktif güç kontrol özelliklerine sahip hibrit FV-yakıt hücreleri sisteminin tasarımı

    RAMAZAN MACİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Elektrik Makineleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET TEKE

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR ÇELİK

Geri Dön