Kompanzasyon

Gerilim kontrolü ve reaktif güç yönetimi, elektrik iletim şebekelerinin güvenilirliğini sağlayan ve bu şebekelerde elektrik piyasasını kolaylaştıran yardımcı hizmetin iki yüzüdür. Bu faaliyetin her iki yönü iç içe olduğundan (alternatif akım (AC) şebekesindeki voltaj değişimi reaktif gücün üretilmesi veya emilimiyle yapılır) bu maddede Kirby & Hirst (1997) tarafından önerildiği gibi "gerilim kontrolü" terimi bu faaliyeti belirtmek için kullanılır. Gerilim kontrolü AC çevrimindeki reaktif güç enjeksiyonlarını içermez, bunlar sistem kararlılık hizmeti denilen ayrı bir yardımcı hizmetin parçasıdır. Reaktif güç iletimi doğası gereği sınırlıdır bu nedenle voltaj kontrolü sistemde genel aktif güç dengesini korumaya dayanan frekans kontrolünün aksine güç şebekesindeki ekipman parçaları aracılığıyla sağlanır.
Direnç esaslı devrelerde olan faz farkı, kapasitif devrelerde akım voltajdan fazı ileride olacak şekilde, endüktif devrelerdeyse akım geride olacak şekilde değişir. Faz farkının oluşması reaktif güç oluşması demektir. Bir sistemin görünür gücü değişmez, ancak faz farkına bağlı olarak görünür gücün bileşenleri olan aktif ve reaktif güç değişir. Aktif güç görünür güce eşitse yani reaktif güç yoksa maksimum iş verimi alınır.
Gerilim kontrolünün ihtiyacı
Kirby & Hirst, gerilim kontrolü ihtiyacının ardındaki üç nedeni belirtir:
güç şebeke ekipmanı ve müşteri tarafındaki güç tüketen ekipman dar bir gerilim aralığı için tasarlanmıştır. Bu aralığın dışında çalıştırma ekipmanın arızalanmasına neden olur;
reaktif güç, jeneratörlerde ve iletim hatlarında ısınmaya neden olur, ısıl sınırlar gerçek (aktif) güç üretimini ve akışını kısıtlar;
reaktif gücün iletim hatlarına verilmesi güç kaynağınca sağlanan güçte artışa neden olarak gücü boşa harcayan kayıplara neden olur.
Şebekede özel gerilim kontrol cihazlarının kullanılması, senkron jeneratörün rotor açısı dalgalanmalarını (jeneratörlerin reaktif güç kaynağı sağlaması veya harcaması nedeniyle oluşan) azaltarak güç sistem kararlılığını da iyileştirir.
Reaktif güç koşulları değiştiğinde voltajda büyük değişiklikler gösteren güç baraları ve sistemlerine "zayıf sistemler" denirken, nispeten daha küçük değişikliği olanlar "güçlü" (mukavemetli ve daha güçlü sistemlerin daha yüksek kısa devre oranı vardır) denir.
Reaktif güç emilimi ve üretimi
Cihazlar, gecikmeli güç faktörü varsa (indüktör benzeri) reaktif enerjiyi emer, öncü güç faktörlüyse (kondansatör gibi) enerji üretir.
Elektrik şebekesi ekipmanları genelde reaktif güç verir veya tüketir:
Senkron jeneratör, jeneratörün yetenek eğrisi sınırlarına bağlı olarak, aşırı uyarılmışsa reaktif güç sağlar ve az uyarılmışsa gücü emer.
Transformatör'ler her zaman reaktif gücü emer.
Güç hatları reaktif güç çeker veya verir: havai güç hatları düşük yükte reaktif güç verir ama yük hattın dalgalanma empedans değerini geçtiğinde hatlar artan miktarda reaktif güç tüketmeye başlar. Yeraltı güç hatları kapasitiftir bu yüzden aşırı gerilim empedansının altında yüklenir ve reaktif güç sağlarlar.
Elektrik yükleri genellikle reaktif gücü emer, güç faktörü çamaşır makinesi gibi elektrik motorlu ev aletlerine benzer cihazlarda 0,65'den akkor lamba gibi tam dirençli yüklerde 1,0 olacak şekilde değişir.
Tipik bir elektrik şebekesinde gerilim kontrolü temelde senkron jeneratörlerince sağlanır. Bu jeneratörler, jeneratörün terminallerindeki voltajı hedef aralık içinde tutarak uyarma alanını ayarlayan otomatik voltaj regülatörleri ile donatılmıştır.
Ek reaktif güç kompanzasyonu (voltaj kompanzasyonu olarak da bilinir) görevi dengeleme cihazlarına atanmıştır:
pasif (kalıcı olarak bağlı veya anahtarlanmış) reaktif güç yutakları (örn. tek bobin ve demir çekirdek ile tasarımlı transformatörlere benzer şönt reaktörler). Bir şönt reaktör, hafif yük altında aşırı gerilimi önlemek için genelde uzun bir iletim hattının ucuna veya zayıf bir sisteme bağlanır (Ferranti etkisi);
pasif reaktif güç kaynakları (örneğin şönt veya seri kondansatörler).
şönt kondansatörler 1910'lardan beri güç sistemlerinde kullanılır ve az maliyeti ve göreli dağıtım kolaylığı nedeniyle popülerdir. Şönt kondansatör tarafından sağlanan reaktif güç miktarı, hat voltajının karesi ile orantılıdır, bu nedenle kondansatör düşük voltaj koşullarında daha az katkı yapar (genellikle reaktif güç eksikliğinden kaynaklanır). Bu ciddi bir dezavantajdır çünkü bir kondansatörce verilen reaktif güç en çok ihtiyaç duyulduğunda düşer;
Yüklü havai enerji hatlarının endüktif reaktansını telafi etmek için seri kondansatörler kullanılır. Kendi kendini düzenleyen reaktif güç beslemesi ile (tedarik, daha yüksek yük ile tesadüfen artar) ikincil hususuyla güç iletkenlerine seri bağlı bu cihazlar reaktif güç kayıplarını azaltmak ve hat üzerinden iletilebilecek aktif güç miktarını artırmak için kullanılır; Seri bir kondansatördeki gerilim azdır (şebekenin düzenleme aralığında, nominal voltajın yüzde birkaçıdır), bu nedenle yapımı nispeten az maliyetlidir ancak yük tarafında kısa devre olduğunda kondansatör kısaca hat gerilimine maruz kalır bu yüzden kıvılcım aralıkları, ZnO varistörler ve anahtarlı koruma devreleri kullanılır;
aktif kompansatörler (örn., senkron kondenserler, statik var kompansatörler, reaktif güç kaynakları veya havuzları olabilen statik senkron kompansatör olabilir;
düzenleyici transformatörler (örn., kademe değiştirme transformatörleri).
Pasif kompanzasyon cihazları kalıcı bağlanabilir veya bir zamanlayıcı kullanılarak elle veya sensör verilerine dayalı olarak otomatik anahtarlanabilir ve bağlanabilir. Aktif cihazlar doğası gereği kendiliğinden ayarlanır. Az yükte kademe değiştirme özellikli kademe değiştiren transformatörler, gerilimi doğrudan kontrol etmek için kullanılabilir. Sistemdeki tüm kademe değiştiren trafoların çalışması trafolar ve şönt kapasitör uygulaması ile eş zamanlı yapılmalıdır.
Reaktif güç dengesinin yerelleştirilmiş doğası nedeniyle, standart yaklaşım reaktif gücü yerel olarak yönetmektir. Mikro şebekelerin yaygınlaşması, esnek merkezi yaklaşımı daha ekonomik hale getirebilir.
Reaktif güç rezervleri
Bir jeneratörün veya iletim hattının tek bir arızası, kalan bazı iletim hatları üzerindeki yükü hemen artırma potansiyeline sahip olduğundan, sistem çok hızlı şekilde (dinamik gereksinim) ek miktarlarda reaktif güç sağlayabilmelidir. Havai enerji hatlarının doğası, yük arttıkça hatların değiştirilmesi gereken artan miktarda reaktif güç tüketmeye başlamasıdır. Bu nedenle büyük bir iletim sistemi, tıpkı gerçek güç için rezervleri gibi reaktif güç rezervlerine ihtiyaç duyar. Reaktif güç, gerçek güç kadar tellerin üzerinden geçmediğinden, üretimini yüke yakın yoğunlaştırmaya yönelik teşvik vardır. Elektrik güç sistemlerinin yeniden yapılandırılması, elektrik şebekesinin bu alanını entegre enerji kuruluşu'nun elinden alır. Bu nedenle eğilim sorununu müşteriye yüklemek ve yükün birliğe yakın güç faktörü ile çalışmasını gerektirir.
Devrede işi aktif bileşen yapar, reaktif bileşen her döngüde şebekeden çekilir ve döngü bitmeden geri şebekeye verilir. Saf dirençli devrede faz farkı olmaz ve aktif güç maksimum değerini alır, reaktif güç yoktur. Ancak endüktif ve kapasitif devrelerde faz farkına göre reaktif güç oluşur. Bu da işe çevrilebilen aktif gücün azalmasına dolayısıyla verimin düşmesine ve kullanılamayan bir reaktif güç oluşumuna neden olur. İşte aktif gücün maksimum hale getirilip, güç faktörünün düzeltilmesi ve verimin en büyük halini alması işlemine kompanzasyon denir.
Uygulamada fabrikalar, elektrik makineleri, iş makineleri ve motorlar endüktif çalıştıklarından bağlandıkları şebekeye reaktif güç verirler. Verilen reaktif güç aktif gücün dolayısıyla verimin oldukça düşmesine neden olur. Fabrikaların bolca bulunduğu bir bölge göz önüne alındığında o bölgede bulunan konutların bu durumdan nasıl olumsuz etkileneceği açıktır. Aynı sistemin öncelikle kompanze edilmemiş ve sonra kompanze edilmiş hali karşılaştırıldığında ise çekilen akımın değişmediği, ancak aktif gücün arttığı görülür. İşte verimin artması ve şebekenin reaktif güçten kötü etkilenmemesi için endüktif sistemin girişine bir kompanzasyon kondansatörü bağlanır ve devrede üretilen reaktif güç şebekeye verilmeden kondansatörlerde depolanır. Motor devreye girerken de bu kondansatörler depoladıkları reaktif gücü motorlara geri verirler. Dolayısıyla şebeke sistemi saf resistif bir sisteme yakın olarak görür ve şebekeyle sistem arasında reaktif güç alışverişi olmaz.
Şebekeden reaktif güç tüketimine elektrik kurumları tarafından sınır getirilmiştir. Aylık aktif tüketimin %20'si kadar harcama ücretsizken, bu sınır geçildiği takdirde tüm reaktif harcama ücretlendirilir ve faturaya yansıtılır. Evlerimizde kullandığımız aletler içerisinde mekanik balastlı floresan lambalar, çamaşır makinaları, buzdolabı ve Inverter harici klimalar endüktif devreye sahiptir ve reaktif güç çekerler ancak eğer kompanze edilmişlerse bu harcama şebekeden olmaz. Ayrıca konutlarda kullanılan sayaçlar kilovat cinsinden yazdığı için, konutlarda reaktif güç harcaması için bir önlem alınmasına gerek duyulmamaktadır. Bazı uzmanlar göre yukarıda açıklanan nedenlerden ötürü evlerde herhangi bir cihaz yardımıyla parasal açıdan elektrik tasarrufu sağlamak mümkün değildir.
Günümüzde güç elektroniği elemanlarının mikroişlemciler ile birlikte en uygun şekilde kullanılarak uygulandığı kompanzasyon sistemleri gelişmektedir.
Türkiye'de şebeke taşıma kapasitesini arttırmasından ve enerjinin israfını önlemesinden dolayı ülke ekonomisi için vazgeçilmezdir. Enerji Piyasası Düzenleme Kurumunun 284/2 nolu ve 8/1/2004 tarihli kurul kararına göre Türkiye'de kompanzasyon panosu yapma ve işletme zorunluluğundaki proje gücü 9KVA ve üzeri işletmelerin harcadıkları endüktif enerji aktif enerjinin en fazla %20'i; kapasitif enerji de aktif enerjinin en fazla %15'i kadar olabilir. Aksi halde işletme ceza faturası ödemekle yükümlüdür.
Her ülkenin bu sınırları değişiklik gösterir.
Genel olarak bilinmesi gereken terimler ve parantez içinde birimleri şu şekildedir;
Akım (Amper),
Gerilim (Volt),
Görünen (Sanal) Güç (VA),
Aktif Güç(Watt),
Reaktif Güç (VAR),
φ (Fi açısı),
Cosφ (Aktif Güç Çarpanı),
Sinφ (Reaktif Güç Çarpanı),
Tanφ (Reaktif / Aktif Güç oranı),
Sistemden çekilen elektrik akımının, belli bir voltaj değerindeki gücüne "Görünen (sanal) Güç" denir. Birimi VA (VoltAmper) dir. "S" harfi ile gösterilir.
S=I V
Görünen (sanal) güç, fazın akımı ile voltajının çarpımına eşittir. Omik direnç üzerinden geçen elektrik akımının, belli bir voltaj değerindeki gücüne "Aktif Güç" denir. Birimi Watt'tır. "P" harfi ile gösterilir. Aktif Güç (Watt),
P=S Cosφ
Aktif güç, fazın görünen gücü ile Cosφ (Aktif Güç Çarpanı) çarpımına eşittir. Görünen güç yerine akım ile gerilim çarpımını alırsak aktif güç,
P=I V Cosφ
Aktif güç, fazın akım, gerilim ve CosÆ (Aktif Güç Çarpanı) çarpımına eşittir. Bobin(Xl) ya da kapasitans(Xc) direnci üzerinden geçen elektrik akımının, belli bir voltaj değerindeki gücüne "Reaktif Güç" denir. Birimi VAr'dir. "Q" harfi ile gösterilir.
Bobin etkisi ile oluşan reaktif güce "İndüktif Güç" yani "+Q", kapasitans etkisi ile oluşan reaktif güce "Kapasitif Güç" yani "-Q" denir Reaktif Güç (VAr)
Q=S Sinφ
Reaktif Güç fazın görünen gücü ile Sinφ (Reaktif Güç Çarpanı) çarpımına eşittir.
Görünen güç yerine akım ile gerilim çarpımını alırsak aktif güç,
Q=I V Sinφ
Reaktif güç, fazın akım, gerilim ve Sinφ (Reaktif Güç Çarpanı) çarpımına eşittir.
Q=I V Cosφ Tanφ
Reaktif güç, fazın akım, gerilim, Cosφ (Aktif Güç Çarpanı) ve Tanφ (Reaktif Gücün Aktif güce oranı)'nın çarpımına eşittir. Çekilen görünen güç ile aktif güç arasındaki faz açısına "φ" denir.
En ideal φ açısı 0'dir. φ Açısı Cosφ (Aktif Güç Çarpanı) Aktif Gücün, Görünen Güce Oranına "Cosφ" denir.
Cosφ ile görünen gücün çarpımı aktif gücü verir. Bu nedenle Cosφ değerine "Aktif Güç Çarpanı" da denir.
Cosφ=P/S
Kaynaklar