Yüksek Gerilim Güç Sistemlerinin MATLAB/Simulink ile Modellenmesi

Hızlı bir sanayileşme ve şehirleşme ortamının olması, nüfusun hızla artması, enerji tüketiminin vazgeçilmez bir şekilde büyümesi, teknolojinin yaygınlaşmasını ve mevcut enerji kaynaklarının ekonomik ve güvenli bir şekilde kullanılmasını gerekli kılar. Bu durum, enerjinin güvenli ve kontrollü olarak kullanılması ve güç sistemlerinin sağlıklı işletilebilmesine bağlıdır. Enerji sistemlerinin bilgisayar ortamında modellenerek simule edilmesi yaygınlaşmakta, gelişmekte olan akıllı şebekeler sürecinin alt yapısını oluşturmaktadır. Bu amaçla son zamanlarda ileri teknoloji yazılımı olan Matlab bu amaçla kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada, Türkiye’nin en önemli hidroelektrik santrallerinden olan Keban Barajından başlayıp enterkonnekte sisteme dahil olan hatların modellenmesi ve analizi Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır.

A- A+

30.09.2016 tarihli yazı 25354 kez okunmuştur.

Modelleme Simülasyon Matlab Yüksek Gerilim Güç Sistemleri Keban

Enterkonnekte Güç Sistemlerinin Analizi ve Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Bir ülkenin tamamının veya belli bölgelerinin elektrik enerji ihtiyacını karşılayacak, üretim ve tüketim merkezleri arasındaki enerji alışverişini temine yarayan, enerji nakil hatlarının teşkil ettiği sisteme enterkonnekte (bağlaşımlı) sistem denir. Enterkonnekte sistemi besleyen santraller, muhtelif tip ve kapasitede termik, taşkömürü, doğalgaz, petrol, rüzgâr, jeotermal ve hidroelektrik santraller olabilirler.

Keban Şalt Trafo Merkezi ile Enterkonnekte Sistemin Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Enterkonnekte sistemin üretim ve tüketim yönünden emniyetli, kaliteli ve ekonomik olarak işletilmesine devamlı olarak nezaret eden, işletme manevralarının koordinasyon ve kumandasını yapan işletme merkezine, yük tevzi merkezi adı verilir. Bu çalışmada iki adet yük tevzi üniteleri oluşturulmuştur. Burada program sadece gerilim ve akım değerlerini göstermek amacıyla kullanılmıştır. Enterkonnekte sistem sayesinde yük atma ya da yükü devreye alma gibi işlemlerde yapılmaktadır. Türkiye’nin enterkonnekte sisteminin yönetimi Ankara Gölbaşı’nda bulunan Milli Yük Tevzi Genel Müdürlüğü’ dür.

Şebekedeki Yük Tevzi Data İstasyonlarının Matlab/Simulink ile Oluşturulan Modeli

Enerji İletim Hatlarının Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Enerji iletim hatlarında π-eşdeğer devre kullanılmaktadır. Çalışmada Keban TM-Elazığ-2 arasında 24.97 km uzunluğunda 477 MCM (Hawk) iletkenli hat kullanılmıştır. π-eşdeğer devresine ilişkin blok diyagramında frekans, direnç, endüktans ve kapasitans bileşenleri ile hattın uzunluğu gibi parametreler bulunmaktadır. Enerji iletim hattına ait parametre değerleri, ilgili alanda birimleriyle birlikte girilmiştir. Enerji iletim hattının uzunluğu, iletken kesiti değerleri TEİAŞ ve güç sistem literatüründen alınmıştır.

Şebekedeki Enerji Nakil Hatlarının (π eşdeğer devresinin blok diyagramı) Matlab/Simulink ile Oluşturulan Modeli

Transformatörlerin (Trafo) ve Jeneratörlerin Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Enerji iletim sistemlerinde güç transformatörlerinin primer ve sekonder bölümleri Y-Y, Y-Δ, Δ-Y, Δ- Δ olmak üzere bağlanabilirler. Çalışmada bağlantı şekilleri TEİAŞ verilerinden alınmıştır.

Şebekede Bulunan Oto trafolardan Birinin Simulink Modeli

Keban hidroelektrik santralinde (HES) 8 adet senkron motordan oluşan jeneratörler ve cebrî borularla bunları besleyen 8 adet tribün dikkate alınarak; Keban HES, Simulink programında HES ünitesi olarak modellenmiştir.

Şebekenin Ana Slack Barasından Sisteme Aktif Güç Veren Keban HES Ünitesinin Modeli ve Jeneratörlerden Birinin İç Yapısı

Yük (Aktif, Reaktif) Bileşenlerinin Matlab/Simulink ile Modellenmesi

İletim sistemleri üç fazlı sistemler olduğu için, üç fazlı paralel RLC yükü kullanılarak modelleme yapılmıştır. Matlab/Simulink de kullanılan üç fazlı paralel RLC yükü şekildeki gibi tanımlanmıştır. Blok diyagramı içerisindeki parametreler yükün gerilim, aktif, endüktif reaktif ve kapasitif reaktif yük bileşenleri ile ilgili değerlerbulunmaktadır. Cosφ değeri ise 0.95-0.99 arasında değerler alınarak, reaktif güçler bulunmuştur.

Sistemde Bulunan Yüklerden Elazığ-1 Yük Bileşeninin Simulink Modeli

Kesicilerin ve Ayırıcıların Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Enerji iletim hatlarında ve trafolarda zaman zaman çeşitli arızalar meydana gelmektedir. Arızalanan elektrik teçhizatının en kısa zamanda gerilimsiz hale getirilmesi gerekir. Elektrik şebekesindeki arızalar röleler vasıtasıyla tespit edilerek, kesicilere açma kumandası verilir. Bunun için sistemde kesicilerin önemi büyüktür. Simulink programındaki kesiciler belirli bölgelerde aktif koordinasyon görevi yapmaktadır. Aktif olan kesicilerin 0.08-0.1 arasında açılması istenmiştir. Ayrıca hataların oluştuğu sürelerde 0.08-0.1 arasında olması istenmiştir. Bu nedenle röle koordinasyonu önemli bir paradokstur.

Sistemde Bulunan Kesicilerin ve 4089 Ayırıcı Bileşeninin Simulink Modeli

Ölçü (Akım ve Gerilim) TrafolarınınMatlab/Simulink ile Modellenmesi

Enerji İletim Sistemlerinde kullanılan ve hatlardaki gerilim ve akım değerlerini hesaplayan ölçüm trafoları önemli elemanlardır. İki önemli ölçü trafosu bulunur. Bunlardan birincisi Gerilim Trafosu, ikincisi Akım Trafosudur. Simulink programında ise 3 fazlı ölçü sistemi bulunur. Bu blok içerisinde akımlar ve gerilimler beraber hesaplanır. Ayrıca pu (per-unit) olarak da hesaplayabilir. Bu çalışmada ise hesaplanan değerler, Yük Tevzi Data İstasyonuna veya HES ünitesi data istasyonu bloklarının içerisine gönderilmektedir.

Sistemde Bulunan ÖlçümTrafosunun İç Yapısı ve Simulink Modeli

Arızanın (Hata) Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Trafolar ve enerji nakil hatlarında çeşitli arızalar oluşmaktadır. Bu arızalar sonucunda şebekede kısa devre, açma ve enerji kayıpları meydana gelmektedir. Mevcut enerji şebekelerinde oluşan arızalar hata olarak adlandırılmaktadır. Hata (arıza) bloğunun program ara yüzü Simulink’de üç faz hata bloğu olarak bulunmaktadır. Bu bloğun özelliği hata oluşturma süreleri açılma ve kapanma zamanları dış Simulink sinyali ya da iç kontrol zamanlayıcısı olan üç faz devre anahtarı ile yürütülür. Üç faz hata bloğunun oluşturduğu kısa devre tipleri 3 faz, faz-faz, 2 faz-toprak, faz-toprak hatalarının oluşmasına imkân sağlamaktadır.

Sistemde Kısa Devre Oluşturan Matlab/Simulink'de Dâhili Bulunan Hata Bloğu ve Hata Bloğunun Ara Yüzü

Çalışmada hatanın başlangıç zamanı yine 0.08sn-0.1sn arasında oluşması istenmiştir. Hata bloğunun kullanılması ile oluşacak kısa devre akımlarına göre uygun röle seçimi, uygun kesici seçimi ve uygun röle koordinasyonunu oluşturmamıza imkân sağlamaktadır.

Transformatör Merkezlerinin (TM) Matlab/Simulink ile Modellenmesi

Trafo merkezlerinin modellenmesinde kullanılan Simulink yapısı “Subsystem” kullanılarak karmaşık yapıda olan büyük sistemlerin çok basit bir hale dönüştürebiliriz. Trafo merkezlerinin tekhat şemalarına bakıldığında karmaşık yapıda oldukları görülür. Çalışmada çok fazla trafo merkezleri modellenmesi yapıldığı için bu yapıların bir çalışma sayfası üzerinde yapılması karmaşık ve zordur. Bu nedenle bu blok yapıları kullanılmıştır.

Sistemde Oluşturulan Elazığ-2 OG Bölümüne ait Modellemesi yapılan Trafo Merkezinin İç Yapısı

Modellemede Kullanılan Elazığ-2 TM Şebekesinin TEİAŞ Tek Hat Diyagramı

Optimum (Normal), Kısa Devre ve Hata Durumlarındaki Şebeke Analizleri

Optimum DurumlardaHat 3 ve Hat 2 Şebekelerinde 380 kV’lık AltıAdet Fiderden Çıkan Güç Akışı Grafiği

Keban Hes’den çıkan altı adet yüksek gerilim fiderinden normal çalışması durumunda 380 kV’lık gerilim ve güç kademesinin sağlandığı ve sisteme sağlıklı bir şekilde enerji arzının sağlandığı görülmektedir.

Optimum Durumda, Hat 3 ve Hat 2 Şebekelerinden Altı Adet Fiderden 0.2sn’de Geçen Akım Değerleri

Keban TM’de154 kV’lık Baranın Olduğu Kısım ile Elazığ-2 TM’ye Giden Hat Üzerinde Oluşan 3 Faz Kısa Devre Analizi (Kısa Devre Durumu)

KebanTM’de bulunan 154 kV’lık ana baradan çıkan fiderlerden Elazığ-2 TM’sine giden enerji nakil hattının Elazığ-2 TM'ye bağlandığı noktada üç fazın kopması sonucu oluşan üç faz (simetrik) kısa devre hatası oluşmuştur. Bunun sonucunda oluşan akım yüksekliği görülmektedir. Bu da üç faz kısa devre hatasının maksimum seviyede kısa devre akımı oluşturduğu ispatlanmıştır. Kısa devrenin oluştuğu anda sistemdeki kesiciler tarafından kısa devre oluşan kısım şebekeden ayrılmıştır.

Üç Faz Hata Akımının Röleler Tarafından Algılanmadığı Durumda ise Keban Şalt Merkezinden Kısa Devrenin Görüntüsü

Güç sistemlerinin tasarımı sırasında röle seçimi ve koordinasyonu çok önemlidir. Burada görülüyor ki uygun röle seçimi yapılmazsa şekilde görüldüğü gibi enterkonnekte sisteminin bu gerilim salınımı sonucunda bir çok TM’nin etkileneceği görülmektedir. Bunun sonucunda sistem zarar görür. Bunu engellemek için yük tevzi merkezlerinde anlık kontroller yapılmaktadır. Böyle durumlarda sistemin etkilenmemesi için yük atma ve yük alma manevralarını yapmak gerekir. Ancak önemli olan uygun röle seçiminin sağlanması ve röle koordinasyonunun iyi olması sistem için hayatidir.

Bunları Biliyor muydunuz?

► Enterkonnekte Sistemin bir insan vücudu gibi canlı olduğunu,
► Enterkonnekte Sistemin yurdumuzu enerji nakil hatları ile bir insan vücudunun sinir sistemi gibi kuşattığını,
► Enterkonnekte sistemin yönetim merkezinin Ankara Gölbaşında bulunan Milli Yük Tevzi Merkezi olduğunu,
► Güç sistemlerinin modellenmesinde hayati önem taşıyan kesici seçiminin, üç faz kısa devre hatasına göre seçildiğini,
► Rölelerin ve uygun topraklama sisteminin seçiminde ise tek-faz kısa devre hatasına göre seçildiğini,
► Simülasyon sayesindeen kötü senaryolara karşı sistemlerin nasıl davranış göstereceği hakkında fikir sahibi olarak istenmeyen senaryolar için tedbir almamıza yardımcı olacağına,
► Simülasyon sonucunda şebekede bulunan, yenilenmesi gereken ve ilave edilecek kesicilerin açma gücünü tespit edilebileceğine,
► İletim şebekesinin bilgisayar ortamında modellenmesinin enönemli faydası, gerçek sistemdeki manevra ve kumanda ayarlarını, bilgisayar ortamındaki veriler ile hesaplatabilme, sorunları grafik ve analiz sonuçlarına göre yorumlayarak, gerçek sistemdeki problemlere önceden müdahale edilebilme imkânı sunmasını,

Kaynak:

►Power System Analysis D. Glover SI Edition,Schneider Electric Documents,TEİAŞ,IEEE, EMO

Yazar: Turan Çakıl