STATİK VAR KOMPANZASYONU VE ÇOK YÜKSEK GERİLİM ŞEBEKELERİNDE YÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM İÇİN SİSTEM PLANLAMA ETÜDLERİ

STATİK Var KOMPANZASY ONU VE ÇOK Y ÜKSEK GERİLİM (ÇY G) ŞEBEKELERİNDE Y ÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM (Y GDA) İÇİN SİSTEM PLANLAMA ETÜDLERİ (*)

Y azan : A. Hammad, BADEN Çeviren : Sevgi E N S E N (*) BBC, Mart 1982, Sayı 3 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 294 I29S

Bu makale, VA r kompanzasyonu ve y.g.d.a. yi bir leştirerek büyük şebekelerin planlanması için basit bir yöntem ortaya koymaktadır. Durağan hal ve dinamik koşullarda sistemin yeterli simulasyonu için çok yön lü bir sayısal bilgisayar programından yararlanılmıştır. Bütün statik VA r kompanzatör tiplerini temsil edebi lecek evrensel bir matematik modeli kullanılabilir.

Statik VAr kompanzatolünün yer, büyüklük ve tip planlaması adım adım bir yol izler, Böyle bir metedo lojinin büyük bir 7 5 0 ve 4 0 0 kV luk bir şebekede uy gulama sonuçları anlatılmıştır.

GİRİŞ

Güç sistemlerinde yeni araçların uygulanması için teknik uygunluğun belirlenmesinde sistem planlaması çalışmaları, işin zor kısmı olarak kabul edilir. Bekle nen değerleri belirlemek ve diğer yan etkileri önceden görebilmek için tüm sistem çalışması bu araçlar ol maksızın ve bunlarla birlikte iken, incelenmelidir.

Elektronik denetimli y.gd.a ve statik VAr kompan zatör sistemlerini uygulamanın temel amacı a.a şebe kelerde etkin ve tepkin güç (gerçek ve reaktif güç) ile timi ve regülasyonudur. Bu durumda çalışmanın asıl önemli kısmı bu araçların yeteneklerinin anlaşılması, daha önemlisi bu işin en ekonomik şekilde yapılabil mesi için sistemin kabul edilebilirliğidir. Bundan son ra sistemde yeni araçların birleşimine bağlı olarak or taya çıkabilecek ikincil problemleri denetlemek için diğer özel çalışmalar gereklidir. Bu tip problemlerde üçüncü adım. olabilecek sonuçları ya da çelişkileri araştırmak ve incelemektir. (1,2) Bu durumda sistem planlaması çalışmaları iki ana sınıfta toplanabilir : Temel,zorunlu çalışmalar

Y ük akış çalışmaları; Durağan hal koşullarında şe bekedeki etkin ve tepkin güç akışlarını, kayıpları ve gerilim dağılımını hesaplamak.

Kararlılık Çalışmaları; Sistemin Eigenvalue değer lerini hesaplayarak küçük bozulmalarda (Dinamik ve durağan hal kararlılığı) ve büyük sarsıntılarda (geçici kararlılık) ana sistem bozulmaları sırasında ve sonra sında sistem tepkisi simulasyonu ile sistem kararlılığı nı incelemek.

Dinamik aşırı geriNm ve gerilim kararsızlığı çalış maları; Bir dizi arıza ve bozulmaları takibeden siste min ana bileşenleri üzerindeki geçici aşırı gerilimleri hesaplamak.

Kısa devre çalışmaları; Kısa devre akımlarını ve her tipteki hatalar (faults) için gerilimleri hesaplamak.

Diğer özel çalışmalar:

Geçici aşırı gerilimler ve yalıtım düzenlemesi Harmonik analizi Düşük sıkhk (frekans) salınım! arı ve şebeke burul ma içetkileşimleri (network torsional interactions)

Y ukarıdakilerin herhangi biri ya da diğeri zorunlu ola bilir. Duruma göre bunların içinden önemli olabilecek olanı incelenen olayın tipi ile belirlenir.

Bu nedenle temel sistem planlaması çalışmaları ile il gilidir Büyük ç.y.g. şebekelerinde statik VArkompan satörleri ve y.g d.a planlaması için geliştirilmiş elve rişli bir sayısal bilgisayar program paketinden yararla narak basit sistematik bir yol gösterilmiştir.

DURAĞAN VE GEÇİCİ DURUMLARDA BÜYÜK ŞEBEKELERİ SİMULASYON METODU

Durağan hal, yarı durağan hal ve geçici koşullarda büyük şebekelerin simulasyonu için çok yönlü bir bil gisayar programından yararlanılmıştır. Programın yük akış kısmı optimum adım boyu denetimli (3) bir New ton metodu kullanmaktadır. Halbuki dinamik si mu lasyon (4) yeni bir seri çözüm algoritması benimsen mistir. Dağınık şebeke yapısı tümüyle işletilmiştir ve program y.g d.a şemaları ve statik VAr kompansatör lerini taşıyan çok büyük sistemleri (1500 çubuk, 600 generatör, 3000 hat ve transformatörler) çalıştırılabi lecek özelliktedir.

Bazı dikkati çeken özellikler:

Senkron generatörler için uyarıcılar, AVR'ler, tür binler ve hız regülatörleri ile birlikte statik (U Q ve P F) ve dinamik (klasik,geçici ve ön geçici (sub transi ent) modeller

Bütün statik VAr kompanzasyonu sistemlerinin si mulasyonu : Tiristör anahtarlamalı kapasitörler, tiris tör faz ayarlamalı reaktörler, yüksek empedans trans formatörleri, transdüktörler, kendinden denetimli do yumlu reaktörler ve hava aralıklı reaktörler.

İki ve çok uçlu çalışmada YGDA sistemleri ve ba ğımsız terminal denetimli diyod redresörleri, redre sörlerin ateşleme ve söndürme açılarını artırma yoluy la d a. gerilimi geçici olarak değiştirerek a.a. gerilim denetimi ve d.a. güç modülasyonu yolu ile sıklık sindi rimi gibi yollarla a.a. sistem performansını artırmak için çeşitli kutup deneteçleri simule edilebilir.

Sıklık gerilimin bir fonksiyonu olarak yüklerin ge nel tanımlanması.

Yardımcı sistem bileşenleri ve parçaları çeşitli de recelerdeki deneticileri için ilkel işlevler kullanarak sistemin dinamik modellenmesi.

ı

f

Mua

fa.M H M Stıar.

I

a r? 11 u

!

Şekil 1. Genel y.R.d.a. ana kumanda ve kutup denet leyicisi modeli. (Sembollerin açıklaması metinde veril miştir).

STATİK VAr KOMPANSATÖRLERİN (S VC) MODELLENMESİ

Statik veyarı durağan çalışma simulasyonu

Şekil 2 de bir SVC nin bilinen durağan hal karakteris tiği gösterilmiştir. Statik ve yarı durağan simulasyon için bir SVC, yük akışında denetimli gerilim UR ve VAr sınırları O|jmjt (= O m a x v e O m j n ) ile PU çubuk olarak gösterilmiştir SVC denetecine bağlı olan U R Q eğimi Olimit arasında doğrusaldır ve sıfıra ayarlanabi l'i". Plimit ötesinde SVC şönt reaktör ( Q m a x için) ve ya şönt kapasitör ( 0 m j n için) olarak modellenmiştir. Plimit değerlerinden herhangi birinin sıfır olduğu du rumda böyle bir sınıra aykırılık basitçe çubuktaki ge rilimin denetlenemez olduğu anlamına gelir ve çubuk tipi şöntsüz PO tipine dönüşür.

*mın

Şekil 2 Bir statik VAr kompansatörünün durağan hal karakteristikleri (Sembollerin açıklaması metindedir.) Dinamik çalışma simulasyonu

Normal güç dalgalanmaları sırasında, SVC ana bileşe ninin sıklık davranışı ile gerektiği gibi ifade edilebilir, yani diğer harmonik üretimi ihmal edilir. SVC gösteri mi için birçok model anlatılmıştır. (5). Fakat bu bilgi sayar programında bütün statik VAr kompansatörlen için evrensel bir model geliştirilmiştir. Şekil 3 te gös

Gerilim Ölçümü

Tu

1 U'İ

A

Denet eç

Akım geri besleme.

,LT|

Sistem denklrştirici

p, f,..

Şekil 3. Statik VAr kompansatörleri için birleştirilmiş model (Sembollerin açıklaması metindedir)

ELEKTRÎK MÜHENDİSLİĞİ 294/295

terildiği gibi model sabit bir reaktans X s in gerisinde denetimli gerilim büyüklüğü E$ in durgun olmayan bir kaynağıdır. Es daima terminal gerilimi U ile aynı faz dadır. Modelin değişik parametreleri kullanılan SVC nin özgül tipine olduğu gibi gereksinilen modelleme nin düzgünlüğüne de bağlıdır. Bütün durumlarda ana bileşen (Fundamental) akım davranışı dikkate alınır ve harmonik akım püskürmelerinin uygun filtrelerle emildiği varsayılır.

Sabit şönt kapasitörler ve/veya reaktörler sabit empe danslı ayrı şönt elemanlar olarak modellenir. Böyle bir evrensel model ile tüm sistem admitans matrisi sa bit kalabilir ve değiştirilmesi gerekmez. Bu düşünce program için benimsenen doğrudan çözüm algoritma sı ile uygunluk gösterir.

Tiristör denetimli bir reaktör için (6):

X s = Tamamen " O N " reaktörün toplam reaktansı. f (h) = U.h A=1 B= 0

Bir süseptans doğrusallayıcı kullanıldığında aşağıdaki verilerle aynı model kullanılabilir.

h = tiristörün ateşleme açısı U( l + (2h.sin2h)/7r)

A = rr B = w/2

Tiristör anahtarlamalı kapasitör grubu için :

X = Bütün kapasitör grubunun toplam reaktansı h = Toplam grup sayısı M'nin bir kesri olarak bağlan mış kapasitör grupları A=1 B=0 f ( h ) = U ( 1 + N/M) ve

N = " O N " banks sayısı = h.M

Y GDA SİSTEMLERİ VE STATİK VArKOMPANSATÖRLERİ PLANLAMASI İÇİN İZLENECEK Y OL

Büyük ç,y.g. şebekelerinde tiristör denetimli VAr kompansatörleri ve y.g.d a. sistemlerini planlama me todolojisi şu soruları yanıtlamayı amaçlar : Neden?, Ne büyüklükte? ve Nerede? Bu üç soru bu tür araçları planlama stratejisinin belkemiğini oluşturur.

İlk soru olan "Neden?" sorusunu yanıtlamak için : Durağan ve normal çalışmada şebekedeki etkin ve tepkin (VA r ) güç akışının denetimi bütün sistem ka yıplarını etkili derecede.azaltabilir ki bu doğrudan yakıt ve işletme maliyetlerinde bir tasarruf demektir. Y ük merkezlerindeki gerilim dağılımıda önemlidir. Dahası böyle denetim araçları ana bozulmalar sırasın da sistem performansını artırır ve bütünlüğünü korur. Böylece oldukça pahalıya gelen kesintiler (black out) önlenmiş olur. Aynı zamanda bunlar sistemin ana bi leşenleri üzerindeki geçici aşırı gerilimlere bağlı zorla

maları azaltabilecek durumdadırlar. Diğer yararlar her münferit güç şebekesinin özel koşullarına bağlı olarak kazanı labi lir.

Gücün yeri ve anma değerini ve VAr denetim araçları nı planlamak için bütünlükle bir işlem öngörülmüştür. Bir y.g.d.a. projesi için daima alternatif ç.y.g. a.a. hat tı (hatları) ile doğrudan bir kıyaslama yapılabilir. Hat tın konumu genellikle önceden bilinir ya da bazı eko nomik, çevresel ya da yetkili makamlara bağlı neden lerle önceden belirlenmiştir, y.g.d.a. projesinin anma değeri az üretim durumundaki iletilecek maksimum güç ile ya da sistem yayılması ve yük büyümesi ile kar şılaşacak şekilde yokuşa sürüp ayni zamanda bütün sistem kayıplarını en aza indirip sistemin güvenilirlik seviyesini yükselterek kolaylıkla belirlenebilir. Proje alternatif a.a. hattı (hatları) ile de ekonomik açıdan uygun olmalıdır.

Kritik sistem bozulmaları sırasında yapılan dinamik si mulasyon ile, sistemi kararlı hale getirmek ve d a . güç modülasyonu ile sıklık salınımlarrnı sindirme ve eğer uygulanabilirse, ateşleme söndürme açılarını artırıp d.a. gerilim seviyesini geçici olarak değiştirerek kom şu a.a. gerilimi denetlemek y.g.d.a. denetim projesi nin yapabileceklerini anlamak açısından yararlı olabi lir.

Statik VAr kompansatörünün yer ve anma çalışması planlaması için aşağıdaki yol kullanılabilir.

a) Normal ve aşın yükleme koşullan ile büyük bek lenmedik arızalar sistemin bütün kısıtlamalarını kar şılayacak tüm tepkin güç gereksiniminin değerlendiril mesi, (durağan halde) bu tür işler için birçok optimi zasyon teknikleri işe yarayabilir. Fakat bunların ço ğunluğu büyük karmaşık sistemlere uygulanabilme si için uygun değildir ve hâlâ genel mühendislik araş tırmalarının sorunudur.

b) Halen kurulmuş olan ve gelecekte sisteme eklen mesi mümkün araçları ve yük genişlemesini de dikkate alarak değişken VAr kaynakları için potansiyel alan larının (potential sites) seçimi.

c) Dinamik koşullarda olduğu gibi durağan hal (nor mal ve beklenmedik arıza) durumlarında sistem çalış masını en uygun hale getirmek için statik VAr kom pansatörlerinin anma değerlerinin belirlenmesi. Buna iki adımda ulaşılabilir : ilk olarak en kötü durum ko şullarında, hangi ölçüye kadar sistem gereksinmelerini karşılayabileceğinin iyi bir tahminini yapabilmek için ideal ya da çok büyük bir statik VAr kompansatörü düşünmek ve ikinci olarak da ayni gereksinimleri kar şılayabilmek için optimum bir anma çalışması ile bir SVC yi denemek.

d) b ve c adımları optimum SVC yer ve anma çalış ması için diğer alternatif tekrarlanır. Bu, ekonomiklik ve tüm sistem performansı arasında en uygun ortala mada yapılmasını sağlar.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 294/2Ö5

e) Yukarıdaki yol sadece yükün belirli bir süresi ve üretim büyümesi için geçerli olabilir. Sistem genişle mesinin diğer safrraları incelenmeli ve başka ilavelerin gerekip gerekmediğinin kontrolü için seçilen SVC ye niden değerlendirilmelidir.

İNCELENEN DURUM

800 km. uzunlukta iki kısımlı 750 kV luk bir hat ve 400 kV luk bir şebekeyi bulunduran büyük bir a.a. sistemi incelenmiştir. Şebekenin bir kısmı şekil 4 te gösterilmiştir. Önceki bölümlerdeki yol izlenerek VAr kompanzasyonu için beş yıllık bir plan uygulanmıştır.

©

Şekil 4. İncelenen şebekeden bir kısım. (Sembollerin açıklaması metindedir).

VAr kompanzasyonu için var olan kullanışlı ve tercih edilen alanları dikkate alarak tüm VAr tahsisleme çö zümü 750 kV ve 400 kV çubuklarda + % 1 içerisinde bir gerilim dağılımını korumak ve başka hat aşırı yük lemesi olmaksızın durağan hal çalışması sırasında sis tem kayıplarını en aza indirmek için gerekli tepkin güç sınırlarını sağlamıştır. Sonuçlar göstermiştir ki 400 kV ve 750 kV luk hat terminallerinde sabit hat şönt kompanzasyonu ile birlikte A,C, D ve E çubuk ları ile G çubuğu çevresindeki yük merkezlerinde tep kin güçlere gereksinim duyulmaktadır. Bu daha ileri adımların temelini oluşturmuştur. VAr sahası gereksi nimlerinin tasfiyesi için tek ve katlı beklenmedik arı za koşulları taklidedilmiştir. Değişken VAr kaynakla rı için potansiyel alanlar A . Q D. ve G çubuklarını ya kı nsamıştır. VAr. kondansatörünün ölçüleri 750 kV ve 400 kV çu buklarda geçici aşırı gerilim % 5 ve düşük gerilim % 10 ile sınırlaması kıstasını sağlayacak şekilde ve sistem kararlılığını iyileştirmek için en uygun hale getirilme lidir. Bicçok yük atma durumları ve/veya hata (kısa devre) taklit

Şekil 5 750 kV luk (D G) hattı D noktasında açık ve sadece sabit VAr kompanzasyonu ile A, D ve G çubuk larındaki r.m s. gerilimleri göstermektedir. Diğer du rumlar benzer sonuçlan doğurmuştur. Fakat G'deki aşırı gerilini % 16 ve D'ık' düşük gerilim % 15 olmuş tur.

p.u,

1,2

U

..

t

•sü. . — ~

,

•M "ot!

*>>

N ATo)

,/'

O .2

*

8 10 * 12

Şekil 5. 750 kV hattın bir yük atmasını takibeden ter minal gerilimi (a) Sadece sabit V A T kompanzasyonu (b) En uygun statik VAr kompansatörleri ile

Optimize VAr kompanzasyonu göstermiştir ki :

D çubuğunda 400 Mvar (kap) 160 Mvar (end) ve G çubuğunda 350 Mvar (kap) 200 Mvar (end)

Bu SVC ler 750/400 kV transformatörlerin üçüncüsü ne bağlanmıştır. Şekil 5 teki durum için en uygun (optimum) VAr kompansatörleri ile sistem tepkisi (b) eğrileri ile gösterilmiştir.

YARARLANILAN ESERLER (1) "Entegre AC DC sistemlerinde aşırı voltajlar ve kom panzasyon" IEEE Uluslararası konferans, VVinnipcg, Temmuz 1980 (2) "Incorparating HVDC povver trans'mission into system planning" Sempozyum, Phoncix, Mart 1980 (3) K. Rcichert, A. Hammad:"Quası stationary and dynamic load flovv for po\vcr system simulation" 7. ci PSCC, Lo zan, Temmuz 1981,936 943 (4) CIGRE çalışma grubu 31 01 : "Modelling of static shunt VAr systems for system analysis" Electra dergisi Sayı 51 1977,45 74.

(5) A. Hammad : "A fast ştability program for power sys tems vvith multiterminal HVDC and static VAr com pensators" IEEE, PICA 79 Cleveland Mayıs, 1979 (6) H. Schvveickardt, W Pfyl, G. Romegialli : "Laurantides the fırst 735 kV static VAr system, deseription and fırst opcrational rcsults". Denetimli Tepkin kompanzasyonu üzerine uluslararası sempozyum, IREQ, Eylül 1979, 119 141 (7) A. Hammad, R. Mathur : "A new gcneralizcd concept for thc dcsignofthristor phasc controlled VArcompensa tors." IEEE Trans.Güç aletleri ve sistemleri Bölüm I II, Sayı 98 Ocak/Şubat 1979,219 231

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 294/295 42