Türkiye`deki Demir-Çelik Endüstrisinin Elektrik Güç Kalitesi
Transkript
Türkiye`deki Demir-Çelik Endüstrisinin Elektrik Güç Kalitesi
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 kümülatif olasılık fonksiyonu Şekil 4. 154 kV’lik farklı OBN’lere bağlanan bazı tesisler için 2. harmoniğin kümülatif olasılık fonksiyonu Şekil 8. 154 kV’lik OBN’lere bağlanan bazı tesisler için primer akımdaki toplam talep bozunumu kümülatif olasılık fonksiyonu Şekil 5. 154 kV’lik farklı OBN’lere bağlanan bazı tesisler için 3. harmoniğin kümülatif olasılık fonksiyonu Şekil 6. 154 kV’lik farklı OBN’lere bağlanan bazı tesisler için 4. harmoniğin 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 Şekil 11. 400 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için 3. harmonik kümülatif olasılık fonksiyonu Şekil 12. 400 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için 4. 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 13. 400 kV’lik OBN’ye bağlanan bir tesis için 5. harmonik kümülatif olasılık fonksiyonu 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) Şekil 32. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (b) Şekil 34. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 3.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (a) (b) Şekil 33. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (b) Şekil 35. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 4.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (a) (b) Şekil 37. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik tek hat bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (b) (a) (c) Şekil 36. Yaygın olarak kullanılan 2.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) (b) Şekil 38. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (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) Şekil 40. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 3.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (b) Şekil 41. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 4.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) Şekil 42. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 5.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları 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) Şekil 44. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik tek hat bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) (c) (b) Şekil 43. Yaygın olarak kullanılan 3.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) Şekil 45. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) Şekil 46. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 2.harmonik grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) Şekil 47. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 3.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) Şekil 48. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 4.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları (a) (b) Şekil 49. Diğer tesisler durdurulduğunda ve tesisin SVC’si devredeyken 5.harmonik alt grup bileşenleri EAO (IEAF) ve şebeke (IS) akımları 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