Her şey kayıplar ve değişkenlerle ilgili… Bir güç sisteminin verimli ve güvenli bir şekilde çalışması için reaktif gücün doğru ve koordineli olarak sağlanmasının ve kontrolünün önemi ne kadar anlatılsa yetmez.
Hem kararlı durum hem de dinamik koşullar altında reaktif güç gereksinimlerinin incelenmesi oldukça gereklidir. Geçmişte bu gereksinimlerin ayrı ayrı ele alınması normal olsa da şimdilerde bunların iyi koordine edilmiş bir şekilde ele alınması tercih edilir.
Elektrik güç sistemlerinde elektrik enerjisi, jeneratörler tarafından üretilip transformatörler vasıtasıyla bir iletim sistemine aktarılarak dağıtım sistemlerine iletilerek ve yine transformatörler vasıtasıyla enerji kullanıcılarına sunulmaktadır.
(!) Aşağıdaki yazı, ana sistem bileşenlerinin özelliklerini ve parametrelerini özetlemektedir: jeneratörler, transformatörler, iletim hatları ve kablolar ve değişkenlerin yönetimi ve beslemesi, şebeke voltaj kontrolü ve reaktif kompanzasyon ile ilgili yükler.
Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC), reaktif güç birimini "var" (volt-amper reaktifi) olarak tanımlamıştır ve reaktif güç için "vars" adını kullanır. Kısaca, bu makalede genellikle IEC terminolojisi kullanılacaktır.
Sistem bileşenlerinin özellikleri:
1. Jeneratörler
2. Transformatörler
3. İletim hatları ve kabloları
4. Yükler
Sistem bileşenlerinin özellikleri
1. Jeneratörler
Jeneratör, güç sisteminin kalbidir. Bir sistemdeki var dengesiyle ilgili ana jeneratör parametreleri, geçici reaktans ve yaklaşık olarak senkronreaktansın tersi olan kısa devre oranıdır (SCR). Geçici rejim kararlılığının inceleneceği veya sistem salınımlarının sönümlenmesi için var kontrolünün kullanılması gerektiği durumlarda, türbin-jeneratör kombinasyonunun ataletinin de bilinmesi gerekir.
Standardizasyondan ekonomi elde etmek için, birçok turbo jeneratör üreticisi standart bir çerçeve boyutu aralığından bir makine sunacaktır. Serinin her tasarımında farklı megavat, nominal güç faktörü ve kısa devre oranı kombinasyonları mümkündür.
(!)Belirli bir sistem için genel değişken dengesi göz önünde bulundurulurken her bir jeneratörün özellikleri ve yetenekleri göz önünde bulundurulmalıdır. Bir jeneratörün çerçeve boyutu, megavolt amper (MVA) değerine bağlıdır. Bu nedenle, belirli bir megavat çıkış için en ucuz tasarım, birlik güç faktöründe (PF) çalışacak şekilde derecelendirilmiş olacaktır.
Ancak, birlik PF işlemi, ağın kararlılığı ve optimum çalışması için kabul edilebilir olmayabilir. Bir jeneratörün gecikmeli bir güç faktöründe çalışması, yani değişkenler üretmesi, birlik PF'den daha yüksek bir alan uyarımı gerektirir. Bu, verilen güç çıkışı için jeneratör yük açısını azaltır.
Bir sistem bozulmasını takiben açısal salınımlar sırasında bir jeneratörün senkronizasyonunu kaybetmesini önlemek için, sistemin kararlılık sınırından yeterli bir yük açısı marjı ile sabit bir durumda çalıştırılması arzu edilir.
Tipik bir silindirik rotorlu turbo jeneratör, 0,45−0,6 aralığında bir kısa devre oranına sahip olacaktır. Bu, jeneratör oldukça güçlü bir sistemi besliyorsa, Şekil 2'deki yetenek tablosunda gösterildiği gibi, yaklaşık 0,9-0,95 gecikmeli PF'de çalışmayı gerektirir.
Bu koşullar altında, jeneratör sisteme 0,48-0,33 Mvar/MW çıktı miktarında önemli miktarda değişken tedarik edecektir.
Şekil 2 – Jeneratör kapasite tablosu
Uzun yüksek voltajlı hatlar aracılığıyla uzak yük merkezlerini besleyen üretim istasyonları için hafif yük koşulları sırasında meydana geldiği gibi, bir jeneratörün değişkenleri emmesi (yani önde gelen bir PF'de çalışması) gerektiğinde, alan uyarımı PF birliğinden daha düşük olmalıdır.Jeneratör daha sonra, her koşulda pozitif uyarmanın gerekli olmasını gerektiren kararlılığı korumak için tasarlanmalıdır.
Bu, örneğin 1,0−1,5'lik bir kısa devre oranına (SCR) sahip bir tasarım verir. Bu tür yüksek değerler, bu tür uygulamaların çoğunu hesaba katan hidroelektrik istasyonlarındaki çıkıntılı kutuplu düşük hızlı jeneratörlerde yaygındır. Böyle yüksek bir değer, yuvarlak rotorlu turbo jeneratörlerde olağandışıdır ve MW çıkışı için alışılmadık derecede büyük bir makine gerektirir.
Bu durumlarda iletim şebekesi içinde çeşitli absorpsiyonekipmanı sağlamak daha uygun olabilir. Jeneratörler tarafından sağlanan sistem değişken gereksinimlerinin oranı sistemden sisteme değişir.
(!)Birçok sistemde, yüksek voltajlı iletim şebekesinde değişken fazlalığı vardır, yani şöntkapasitansı, maksimum talep koşullarında bile seri reaktansında I2X kayıpları tarafından absorbe edilenden daha fazla değişken üretir. Bu, sistem yüklerinin kendileri düşük güç faktörlerine sahip olsa bile jeneratörlerin yüksek güç faktörlerinde çalışmasına izin verir.
Çalışan PF, pratikte, yük gereksinimlerinden daha fazla stabilite tarafından belirlenebilir ve jeneratörlerin, nominal değerlerinden daha yüksek bir gecikme PF'sinde çalıştırılması oldukça olağandır.
2. Transformatörler
145 kV ve daha yüksek sistem gerilimlerine doğrudan bağlantı için uygun olan jeneratörler artık mevcut olmasına rağmen, çoğu durumda jeneratörü bir transformatör vasıtasıyla iletim sistemine bağlamak gerekir. Benzer şekilde dağıtım şirketlerinin bağlantı noktalarındaki gerilim seviyesinin düşürülmesi ve yine bireysel müşterilerin veya müşteri gruplarının ikmalinde transformatörler kullanılmaktadır.
Transformatörler, iletim şirketi veya şirketleri tarafından kullanılan farklı voltaj seviyeleri için de kullanılırlar.
Transformatör kaçak reaktansları, iletim sisteminin çalışması için büyük öneme sahiptir. Bir transformatörün güç kaybı ve mıknatıslama akımı, değişken akışlar göz önüne alındığında ihmal edilebilmesine rağmen, kaçak reaktansındaki (I2X tarafından verilen) var absorpsiyonu önemlidir.
(!)Geçici ağ aşırı gerilimleri sırasında trafo çekirdekleri doygun hale gelebilir ve bu da anormal derecede yüksek mıknatıslama akımlarına neden olabilir. Artan var tüketimi aşırı gerilimlerin azaltılmasına yardımcı olacak olsa da harmonik akımlar üretilecektir. Şebeke içinden akarken, bu akımlar, aşırı gerilimlere neden olabilecek istenmeyen rezonansları uyarabilir.
Transformatörlerin yük altında kademe değiştirmesi, bir sistem içindeki çeşitli voltaj seviyeleri arasındaki var kontrolünün koordinasyonunda ve tek bir voltaj seviyesindeki değişken akışların dengelenmesinde faydalı bir fonksiyondur.
Tek bir sistemde farklı iletim voltajı seviyelerini birbirine bağlamak için kullanılan transformatörlerde iki farklı uygulama ortaya çıkar: bazı otoriteler, en yüksek güvenilirliğe sahip transformatörleri kullanmak amacıyla, sabit oranlı transformatörler kurarken, diğerleri, tipik toplam %20-30 aralığına sahip yük altında kademe değiştiriciler kullanır.
İletim şebekelerinin alt iletim veya dağıtım şebekelerine bağlanması için kademe değiştiren transformatörlerin kullanımı neredeyse evrenseldir.
3. İletim hatları ve kabloları
İletim hatları ve kabloları, seri endüktanslarındaki değişiklikleri emer. Ayrıca, şöntkapasitanslarıyla değişkenler üretme konusunda doğal bir yeteneğe sahiptirler, bu da reaktif bir "şarj akımının" hatta akmasına neden olur. Hem seri endüktans hem de şöntkapasitans, hattın uzunluğu boyunca dağıtılır.
Analitik bakış açısından, şöntkapasitans ve seri reaktans arasındaki oranın oldukça yüksek olması dışında, kablolar havai hatlardan ayırt edilemez. Yüksek voltajlı şebekelerde kabloların kullanımı, kentsel alanlara elektrik enerjisi iletimi için yeni havai hatların inşa edilmesindeki zorluklar ve daha sınırlı bir ölçüde alternatif akım sualtı bağlantıları.
(!)Maliyet dezavantajları nedeniyle kabloların kullanımı havai hatlara kıyasla hala çok azdır. Kabloların herhangi bir miktarda kullanıldığı durumlarda, yüksek şöntkapasitansları, en yüksek talep dönemlerinde ek var üretimi ihtiyacını azaltır ancak düşük yükleme koşullarında değişken absorpsiyon ihtiyacını artırır.
Bir hattan veya kablodan yük akımı geçmediğinde, hattın alıcı ucundaki voltajın, gönderici ucundaki voltajdan daha yüksek olduğu bulunur. Buna seri endüktans yoluyla kapasitif şarj akımının akışı neden olur ve Ferranti Etkisi olarak bilinir.
Gerilim artışının büyüklüğü, hattın artan uzunluğu ile çok hızlı bir şekilde artar, 200 km için sadece yaklaşık %3'ten 800 km için yaklaşık %50'ye çıkar. Bir iletim sistemi içindeki bu tür bir voltaj artışının büyüklüğü, hattın veya kablonun kendisinin yalıtımı için güvenli çalışma sınırlarının yanı sıra iletim sistemine bağlı çeşitli ekipman için güvenli sınırların aşılmasını önlemek için sınırlandırılmalıdır(genellikle nominal voltajın %5’i veya %10’u üzerinde).
Çok uzun hatlar normalde 200 ila 300 km uzunluğunda bölümlere ayrılır. Gerekirse, araya giren trafo merkezlerinde voltaj veya var kontrol önlemleri uygulanabilir.
Hattan geçen güç arttıkça seri reaktanstaki var absorpsiyon da artar. Hatta emilen 'seri değişkenlerin' büyüklüğünün, hattın şöntkapasitansı tarafından üretilen 'şönt değişkenlerini' dengelemek için yeterli olduğu kritik bir akım vardır. Bu güç akışı seviyesinde, hat voltajı tüm hat boyunca aynı değere sahip olacaktır (direnç kayıpları ihmal edilerek).
Hattan geçen güçte daha fazla artış olduğunda, emilen değişkenler üretilen değişkenlerden daha ağır basacak ve hattın alıcı ucundaki voltaj artan yük ile çok hızlı bir şekilde düşmeye başlayacak ve tamamen çökme noktasına ulaşabilecektir.
Dalgalanma-Empedans Yükü (SIL)
Seri endüktans L ve şöntkapasitansı C olan bir iletim hattının dalgalanma empedansı √(L/C)'ye eşit bir dirençtir. Hattın ucuna bu direnç değerine sahip bir yük bağlanırsa, yüke akan güce Dalgalanma-Empedans Yükü veya SIL denir.
Bu, yukarıda bahsedilen, seri reaktanstaki değişken absorpsiyonununşöntkapasitansındaki var oluşumuna eşit olduğu ve hat boyunca voltajın sabit olduğu yüktür.
Belirli bir dalgalanma empedansı için SIL, hat voltajının karesiyle orantılı olarak artar. 132 kV'luk bir hat için aşırı gerilim empedansının değeri yaklaşık 400Ω'dur.
Daha yüksek voltajlı sistemler için, kısmen korona etkilerini azaltmak için normalde çoklu iletkenler kullanılır ve seri endüktans da biraz daha düşüktür, 400 kV hat için yaklaşık 250Ω ila 300Ω arasında bir dalgalanma empedansı verir. Arttırılmış bir iletim voltajı seçmenin bir etkisi, belirli bir güç akışında iletim kayıplarını azaltmaktır. Ancak başka bir etki, her geçiş hakkı için geliştirilmiş bir güç iletim kapasitesi sağlamaktır.
Bu nedenle, bir iletim voltajı seçerken, ekipman maliyetleri, işletme maliyetleri ve gelecekteki kapasite arasında bir denge kurulmalıdır. Tipik kabloların SIL'si genellikle derecelendirmelerini aşar, bu nedenle kablolar emdiklerinden daha fazla değişken üretir ve genellikle kompanzasyon gerekir. Bu, kullanılabilecek kesintisiz kablo uzunluğuna bir sınır getirir.
Örneğin, denizaltı kabloları için, sınır tipik olarak kapasitif şarj akımı kablonun akım değerine ulaşmadan önce 50−75 km'dir.
Daha uzun mesafelerin gerekli olduğu durumlarda, örneğin Yüksek Gerilim Doğru Akım (HVDC) sistemleri veya gaz yalıtımlı iletim hattı (GIL) gibi başka bir çözüm gerekli hale gelir.
Çoğu ülkenin sistemlerinde iki veya üç iletim voltajı seviyesi vardır, en yüksek normalde 400−500 kV aralığındadır, Kuzey ve Güney Amerika'daki birkaç ülke ve SSCB 750 kV aralığında ağlar işletmekte veya kurmaktadır.
UHV'nin 1000−1500 kV'da kullanılması teknik olarak mümkün olsa da, maliyeti yüksektir ve ticari uygulamasının öngörülebilir gelecekte sınırlı olması muhtemel görünmektedir.
4. Yükler
Genel olarak yükler endüktiftir ve güç faktörü, endüstriyel yüklerden ticari yüklere ve evsel yüklere ve yere (örneğin, sıcak iklimlerdeki ticari ve evsel yükler, iklimlendirme için artan oranda motora sahiptir) göre türüne bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir.
Çoğu çalışmada, sabit empedanslar (veya sabit P ve Q) olarak yük temsili yeterlidir, ancak voltajda geniş varyasyonlar içeren dinamik koşullar incelenirken, değişen güç faktörlerine izin veren daha ayrıntılı bir gösterim gerekli olacaktır.
(!)Herhangi bir çalışmada yük ve dağıtım şebekelerinde bulunan güç faktörü düzeltme (PFC) kapasitör bankları da dikkate alınmalıdır.
Klima ve birçok endüstriyel yük, asenkron motorları kullanır. Bunlar, bir ağdaki toplam yükün önemli bir bölümünü oluşturduğunda, tipik bir voltaj kararlılığı sorunu sergilerler. Bir arızadan kaynaklanan kısa bir kesinti, her motorun yavaşlamasına neden olur. Arıza giderildiğinde ve voltaj yeniden kurulduğunda, motor tam hızı geri kazanmaya çalışır, ancak artan kayma nedeniyle artan bir var talebi vardır.
(!)Bu tür pek çok yükün etkisi, sistem voltajını o kadar çok düşürmektir ki, bir arızadan kurtarma yavaş olur ve aşırı durumlarda voltaj çökme kararlılığı tehdit edilebilir ve tüm yük motorları durabilir.
Ağ kesintilerine veya bozulmalara neden olabilecek yükler özel dikkat gerektirir. Bunlar esas olarak metal ve madencilik endüstrilerinde ve AC çekiş sistemlerinde bulunur. Ark ocaklarının ve büyük tristör sürücülerinin yük akımlarındaki büyük ve hızlı dalgalanmalar, özellikle de değişken talepler, diğer müşterilerin canını sıkabilir.
Bu yükler genellikle harmonik oluşumundan dolayı da sorunlara neden olur.