Enerji sistemlerinde harmonik analizi ve harmonik azaltma teknikleri

Abstract

Elektrik kullanan tesislerde veya enerji sistemlerinde üretimin sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için tesise kaliteli enerji sağlanması oldukça önem arz etmektedir. Elektrik enerjisinin kalitesini belirleyen ana faktörlerden biri olan akım ve gerilimin sinüs eğrisine çok benzer bir biçimde ve 50 Hz frekansında olmasıdır. Fakat doğrusal olmayan yük kullanımının yaygınlaşması sonucunda bu yüklerin ürettiği harmoniklerden dolayı, akım ve gerilimin dalga şekli sinüs halden uzaklaşır ve sonuç olarak işletmede istenmeyen elektrik sorunları meydana gelir. Yarı iletken elemanların kullanıldığı cihazlar, kesintisiz güç kaynakları, transformatörler, jeneratörler, redresörler, motor hız kontrol sistemleri şebekede harmoniklerin meydana gelmesine sebep olmaktadır. Güç faktörünün şebekede 1'e yakın olmasının ekonomiye olan katkısından dolayı kanunlarla yapılması zorunlu hale getirilen reaktif güç kompzanzasyonu, harmonikler nedeniyle rezonans halinde kompanzasyonda kullanılan kondansatörleri tahribata uğramakta ve hatta patlatabilmektedir. Ayrıca harmonikler yalıtkan kablolarda delinme oluşmasına sebep olabilmekte ve bu durum büyük bir sorun oluşturmaktadır. Elektrik enerji sistemlerinde harmoniklerden kaynaklı olarak işletmelere kaliteli bir elektrik enerjisi sunulamadığı için sistemde kullanılan cihazları olumsuz etkilemesinden dolayı ek kayıplara yani endüstriyel işletmelerde önemli ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Harmoniklerin şebekelerde azaltılması, EPDK (Enerji Piyasası Denetleme Kurulu) tarafından belirtilen değerlerin altında tutulması tesislerde hem teknik hem de ekonomik açıdan fayda sağlar. Harmoniklerin azaltılması için farklı yöntemler kullanılabilir. Bunlardan ilki harmoniklerin giderilmesi için işletmelerde harmoniklere sebebiyet veren cihazlar tasarlanırken harmonikleri düşük seviyede ya da hiç oluşturmayacak filtre ile birlikte tasarlanması, diğeri ise filtreler vasıtasıyla sistemde bulunan harmoniklerin süzülerek azaltılmasıdır. Elektrik tesislerinde reaktif güç kompanzasyonu yapılırken harmoniklerin de göz önünde bulundurulması, tesislerde ve dağıtım sistemlerindeki harmoniklerin incelenmesi, harmonik sınırlara uyumluluğu sağlamak üzere atılacak adımlara rehberlik etmesi açısından oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasının asıl amacı harmoniklerin güç sistemindeki etkilerini ve harmoniklerin azaltılmasının sanayinin istifadesine nasıl sunulacağını göstermektir. Yapılan bu çalışmada, harmonik bozulmanın, güç kalitesiyle ilgili en önemli sorunlardan biri olduğu ve güç sistemine çeşitli bozulmalar oluşturduğu açıklanmaktadır. Bu doktora tezinde birçok tesisin akım, gerilim ve güç gibi parametreleri ölçülmüştür. Ölçümler sonucunda veriler bilgisayara aktarılarak harmonik analizi yapılmıştır. En son ölçüm yapılan tesis 1250 kVA ve 1600 kVA'lik trafolardan beslenmekte olup, bu tesiste önce filtresiz olarak, daha sonra reaktif güç kompanzasyon kondansatörleri önüne harmonik filtre reaktörü bağlayarak ve en son pasif harmonik filtre bağlayarak ölçümler gerçekleştirilmiştir. Ölçümler sonucunda harmonik güç oranı filtresizde %31.92, harmonik filtre reaktörlü bağlantıda %13.82 ve pasif harmonik filtreli bağlantıda %8.81 olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar doğrultusunda uygulamaya yönelik öneriler geliştirilmiştir.

In order to achieve an efficient production in plants using electricity, it is vital to use quality energy. One of the main factors determining the quality of electric energy is that the current and voltage are very similar to the sinusoidal curve and at the frequency of 50 Hz. However, due to the expanded usage of nonlinear load and harmonics produced by these loads, the current and voltage lose their sinusoidal characteristics and result in electric problems in the plant. Devices using semiconductor elements, uninterruptible power supplies, transformers, generators, rectifiers, motor speed control systems cause harmonics in the mains. Because of its contribution to the economy when the power factor is close to 1, reactive power compensation which was made obligatory may cause deterioration in capacitors used in reactive compensation system even to explode them. In addition, harmonics can cause perforation in insulated cables, which is a major problem. Because of the harmonics in the electric energy systems, it is not possible to present a quality electric energy to the enterprises and it causes significant losses in the industrial loss due to the negative effects on the devices used in the system. Reduction of harmonics in networks, below the values specified by EPDK (Energy Market Regulatory Board), is beneficial both in terms of technical and economic aspects. Different methods can be used to reduce harmonics. One of these methods to remove harmonics is to design the devices to be used in plants with low harmonics or with a filter removing totally and another one is to minimize the harmonics in the system through filters. Consideration of harmonics in reactive power compensation in electrical installations, examination of harmonics in installations and distribution systems is very important in terms of guiding the steps to be taken to ensure compliance with harmonic boundaries. The main purpose of this thesis is to explore the effects of harmonics in power systems and provide the industry with the results of reduced effect of harmonics. In this study, it is explained that harmonic distortion is one of the most important problems related to power quality and that it causes various deterioration in the power system. In this thesis, the parameters such as current, voltage and power of several installations were measured. As a result of the measurements, harmonics analyses were performed by transferring the data to the computer. The most recent measured plant was fed from 1250 kVA and 1600 kVA transformers. The measures sequenced as following: at first without filter, later with harmonic filter reactors before reactive power compensation and last with passive harmonic filter. The result figures were 31.92% in the filterless measurement, 13.82% in the measurement with harmonic filter reactor and 8.81% in the measurement with passive harmonic filter. Certain suggestions were made in the light of those results.