Günümüzde birçok sanayi tesisi, enerji ihtiyacını karşılamak için hem elektrik şebekesine bağlıdır hem de kendi bünyesinde kurulu güneş enerjisi santrallerinden (GES) faydalanmaktadır. Bu hibrit yenilenebilir enerji besleme modeli, enerji maliyetlerinin azaltılması ve sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sağlasa da, güç kalitesi ve reaktif enerji kompanzasyonu yönetimi açısından yeni teknik gereksinimleri beraberinde getirir.
Şebekeden enerji alımı ve aynı zamanda şebekeye aktif enerji geri beslemesi yapıldığında, güç akışları hem tüketim hem de üretim yönünde karmaşık bir hâl alır. Bu nedenle, hibrit enerji beslemeli tesislerde dört bölgeli (four-quadrant) kompanzasyon sistemlerinin kullanılması zorunlu hâle gelir.
Reaktif enerji kompanzasyonu açısından konuyu detaylı incelediğimizde:
Ülkemizde yönetmenlikler gereği izin verilen,
“Reaktif Endüktif Enerji / Aktif Enerji” oranı %20 iken,
“Reaktif Kapasitif enerji / Aktif Enerji” oranı” %15 ‘dir.
Denklemden de görüldüğü üzre aktif enerji denklemin paydasındadır, GES üretimi ile birlikte şebekeden tüketilen enerjinin azalması demek denklemdeki paydanın azalması anlamına gelmektedir. Bu durumda da oran yükseleceği için reaktif bedel ödeme durumuna yol açabilir.
Bu şartları yönetebilmek için, sanayi tesislerinde dört bölgeli kompanzasyon (four-quadrant) sistemlerinin kullanılması hem reaktif güç yönetimi hem de enerji verimliliği açısından kritik bir çözüm sunar.
Tek vardiyalı çalışan bir sanayi tesisi için dört bölge çalışmasını irdeleyelim:
Birinci Bölge Çalışması (P > 0, Q > 0):
Sanayi tesisinin yükte olduğu, motorlarının ve aydınlatmalarının ağırlıklı olarak çalıştığı, endüktif karakterli yüklerin şebekeden hem aktif enerji hem de reaktif enerji çektiği durumdur.
Aktif güç ve reaktif güç birbirine diktir. Görünür güç, aktif güç ile φ açısı oluşturur.
Endüktif reaktif akım, fazörü gerilimin fazörünün 90° gerisindedir.
Genelde sanayi tesislerinde kompanzasyon panosuz durumda cos φ = 0,80 mertebelerinde, yani tan φ = 0,75 mertebelerindedir.
Sanayi tesisleri reaktif endüktif karakterdedir, tesise kapasitif kompanzasyon panosu gibi reaktif kapasitif yük tesis edilir ve aşağıdaki güç üçgeni ile kompanzasyon hesap edilir.
Birinci Bölge Çalışması (P > 0, Q > 0), sanayi tesisinin tam yükte çalıştığı ve şebekeden hem aktif hem de endüktif reaktif enerji çektiği durumu ifade eder. Bu senaryoda fabrikanın motorları, fanları, pompaları, aydınlatmaları ve üretim hattındaki diğer ekipmanları devrededir ve bu yüklerin beslenmesi için şebekeden aktif güç çekilir. Endüktif karakterli bu yükler, örneğin asenkron motorlar ve transformatörler, mıknatıslanma için şebekeden sürekli reaktif güç çeker ve bu durum şebekeden endüktif reaktif enerji talebine yol açar.
Bu durumda görünür güç, aktif ve reaktif fazörlerin toplamı olup güç üçgeni ile temsil edilir. Akım fazörü gerilim fazörünün gerisindedir; yani sistem lagging karakterdedir ve faz farkı pozitiftir. Sanayi tesislerinde bu koşullarda cos φ genellikle 0,75 ile 0,85 arasında olur. Ancak merkezi kompanzasyon sistemi devredeyken, reaktif güç kontrol rölesi kondansatör kademelerini sırayla devreye alır ve cos φ değeri 0,98–0,99 seviyelerine kadar yükseltilir.
Örneğin bulutlu bir günde çatı GES üretimi fabrikanın yükünü tam olarak karşılamıyorsa ve şebekeden hâlâ aktif güç çekiliyorsa, kompanzasyon kademeleri devredeyken fabrika I. Bölgede çalışır. Bu durumda aktif güç pozitiftir ve şebekeden çekilir; reaktif güç de pozitiftir ve şebekeden endüktif karakterde alınır. Cos φ değeri, reaktif güç kontrol rölesi üzerindeki ekranda pozitif olarak okunur.
İkinci Bölge Çalışması (P > 0, Q < 0) :
Gündüz tek vardiya çalışan bir fabrikada, üretim hatları çalıştığı için aktif güç (P > 0) pozitiftir. Fabrika şebekeden aktif enerji çeker; motorlar, aydınlatmalar ve diğer yükler devrededir. Güneş enerjisi santrali (GES) üretimi fabrikanın yükünün önemli bir kısmını karşılasa da, şebekeden hâlâ aktif enerji çekilmektedir. Bu durumda aktif güç pozitiftir (P > 0).
Kompanzasyon kademeleri tam kapasite anahtarlanırsa, fabrikanın reaktif enerji ihtiyacından fazla kapasitif güç ana baradan akmaya başlar. Fazla reaktif enerji şebekeye verilir ve reaktif güç (Q < 0) negatif olur. Sistem bu koşullarda II. Bölgede durumunda çalışır.
Bu durum genellikle aşırı kompanzasyon sonucunda ortaya çıkar. Motor yükleri veya üretim talebi anlık olarak düştüğünde, kompanzasyon kademeleri hâlâ devrede kalabilir ve fabrikanın ihtiyacından fazla kapasitif enerji üretebilir. Fazla reaktif enerji, kompanzasyon kademelerinin devrede olması sebebiyle şebekeye kapasitif akım akar. Bu durumda yük karakteri kapasitif hâle gelir; akım gerilimden ileridedir (leading) ve faz farkı negatiftir, yani akım fazörü gerilim fazörünün önündedir. Aktif güç hâlâ pozitiftir ve şebekeden çekilir; reaktif güç negatiftir ve cos φ değeri, reaktif güç kontrol rölesi üzerindeki ekranda negatif olarak okunur.
Faturalandırma tan φ üzerinden yapıldığı için, uzun süre şebekeden aktif enerji çekilmediği hâlde şebekeye kapasitif reaktif enerji verilirse, denklemde aktif enerjinin paydası azalır, oran bozulur ve reaktif bedel ödeme riski oluşabilir.
Üçüncü Bölge Çalışması (P < 0, Q < 0)
Tek vardiya ve yalnızca gündüz çalışan bir sanayi tesisinde, çatı tipi güneş enerjisi santralinin (GES) üretimi fabrikanın anlık tüketimini aştığında, enerji akışı tersine döner ve fabrika şebekeye aktif enerji satmaya başlar. Bu durumda aktif güç (P < 0) negatiftir; yani enerji akışı şebekeye doğrudur.
Örneğin, güneş enerjisi üretiminin çok yüksek olduğu öğle saatlerinde, fabrikanın yükünün görece düşük kaldığı ve kompanzasyon kademelerinin hâlâ devrede olduğu durumlarda, reaktif güç (Q < 0) negatiftir ve fabrika şebekeye kapasitif reaktif enerji gönderir. Böyle bir koşulda sanayi tesisi III. Bölgede çalışır. Yük karakteri, kompanzasyon ve GES etkisiyle kapasitif hâle gelir. Sanayi tesisi tam yükte çalışıyor olsa bile, GES üretimi fazla olduğunda şebekeden enerji çekmesine gerek kalmaz ve hatta fazla enerji şebekeye geri verilir. Bu durumda akım, gerilimden ileridedir (leading) ve faz farkı negatiftir; yani akım fazörü gerilim fazörünün önündedir.
Sanayi tesisi şebekeye aktif enerji satarken ve aynı anda kapasitif reaktif enerji gönderirken, aktif tüketim sayacı ya sıfıra yakın olur ya da enerji satışı ayrı bir sayaç üzerinden ölçülüyorsa tüketim sayacı artmaz. Buna karşılık, reaktif kapasitif sayaç artmaya devam eder.
Aktif enerji tüketimi çok az olduğunda, tan φ = Q / P denkleminde payda çok küçük olacağı için, şebekeye verilen kapasitif enerjinin aktif enerjiye oranı hızla yükselir. Bu durumda tan φ, izin verilen sınırları aşar ve kapasitif reaktif bedel ödenmesine sebep olabilir.
Dördüncü Bölge Çalışması (P < 0, Q > 0)
Tek vardiya ve yalnızca gündüz çalışan bir fabrikada, çatı tipi güneş enerjisi santralinin (GES) üretimi fabrikanın anlık yükünü aştığında, fabrika şebekeye aktif enerji satmaya başlar ve aktif güç (P>0) negatiftir. Yani enerji akışı şebekeye doğrudur.
Ancak fabrikanın yük karakteri ağırlıklı olarak endüktif ise, reaktif güç (Q>0) pozitiftir; yani fabrika şebekeden endüktif reaktif güç çekmeye devam eder. Üretim hattında çalışan asenkron motorlar, pompalar ve transformatörler gibi endüktif ekipmanlar manyetizasyon için sürekli reaktif güç talep eder. GES üretimi yüksek olsa bile bu reaktif güç ihtiyacı ortadan kalkmaz.
Bu koşullar altında fabrika IV. Bölgede çalışır. Aktif enerji şebekeye verilirken, reaktif enerji şebekeden çekilir. Yük karakteri endüktiftir; akım gerilimden geride seyreder (lagging) ve faz farkı pozitiftir. Akım fazörü gerilim fazörünün gerisindedir. Bu durum genellikle öğle saatlerinde, GES üretiminin yüksek olduğu ve fabrika motorlarının hâlâ çalıştığı durumlarda ortaya çıkar.
Faturalandırma açısından da dikkat gerektirir. Fabrika şebekeye aktif enerji satar, ancak şebekeden endüktif reaktif güç çektiği için reaktif endüktif sayaç artar. Eğer çekilen reaktif enerji, aktif enerji tüketimi olmadığı için tan φ limitlerini aşarsa, aktif enerji paydası çok küçük olduğundan, şebekeden çekilen endüktif enerjinin aktif enerjiye oranı hızla yükselir. Bu durumda tan φ izin verilen sınırları aşar ve endüktif reaktif bedel ödenmesine sebep olabilir.
Tabii ki, tek vardiya çalışan bir GES sanayi tesisinde günlük sayaç endekslerinin takip edilmesi gereklidir. Elektrik odasında, tesisin o an hangi bölgede çalıştığı mikroişlemcili rölenin üzerindeki ekrandan görülebilir. Aşağıdaki tablo ise anlattığımız dört bölgeli çalışmayı özetleyerek, anlık röle ekranı üzerinden konuyu daha kolay anlamanızı sağlamaktadır.
Mikroişlemcili bir reaktif güç kontrol rölesi, şebekeye reaktif enerji verildiği durumlarda ekranında genellikle eksi (–) işaretiyle bir değer gösterir. Bu durum özellikle II. ve III. Bölgelerde ortaya çıkar. II. Bölgede fabrika şebekeden aktif enerji çekerken reaktif enerjiyi şebekeye verir; yük karakteri kapasitiftir ve röle ekranda eksi değer gösterir. III. Bölgede ise hem aktif hem de reaktif enerji şebekeye verilir; yine kapasitif karakter söz konusudur ve rölede eksi işaret görülür. Yönetmenlik gereği kapasitif reaktif bedel ödeme durumu söz konusu olabilir. Reaktif güç kontrol rölesi mikroişlemcili olmalı ve algoritması dört bölge çalışmayı destekliyor olmalıdır.
Didem Ergun Sezer
Elektrik Mühendisi
Ergun Elektrik A.Ş.
