Dağıtık üretim sistemleri içeren dağıtım şebekelerinde akıllı gerilim kontrol yöntemi geliştirilmesi
Development of an intelligent voltage control method in distribution networks including distributed generation systems
Yazar: MERVE GÜLERYÜZ HALAÇLI
Danışman: PROF. DR. AYŞEN DEMİRÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Nüfus artışı, sanayileşme ve ekonomik büyüme nedeniyle dünya genelinde elektrik enerjisine olan gereksinim her geçen gün giderek artmaktadır. Fosil yakıtların arzının sınırlı olması ve bu yakıtların kullanımından doğan küresel iklim değişikliği problemi, yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretiminin yaygınlaşmasının önünü açmıştır. Artan teşvik politikaları ve giderek düşen fotovoltaik panel maliyetleri ile birlikte; fotovoltaik güneş sistemleri, son yıllarda ülkemiz de dahil pek çok ülkede hızla yaygınlaşan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olmuştur. 
Sayıları hızla artan fotovoltaik güneş sistemlerinin de diğer dağıtık üretim sistemleri gibi dağıtım şebekelerine katılımının; gerilim regülasyonu, güç kayıpları, kısa devre akımları, güvenilirlik ve kararlılık gibi başlıklara etkisini anlamak en önemli konulardan biri olmuştur. Fotovoltaik güneş sistemlerinin şebekeye entegrasyonunun gerilim profilleri üzerindeki etkileri; fotovoltaik güneş sisteminin gücü, konumu,  yerleştirildikleri alanlardaki ışınım ve sıcaklık durumları, şebekedeki iletkenlerin ve yüklerin karakteristikleri gibi pek çok faktöre bağlı olarak değişir. Enerjiyi temiz ve çevre dostu teknolojilerle üretmek önemli olduğu kadar, üretilen enerjinin verimli kullanılması ve şebeke ile uyumlu çalışması da önemlidir. Bu hedefe ulaşmak, ancak elektrik şebekelerinin daha akıllı hale getirilmesi ile mümkündür. Enerji sürekliliği ve kalitesinin sağlanması ve işletime girecek olan yeni üretim birimlerinin şebeke üzerindeki olası etkilerinin incelenmesi dağıtım sistem işletmecilerinin temel sorumlulukları arasındadır. Dağıtım sistem işletmecilerinin tüketiciye sunacağı elektrik enerjisinin gerilim genliğinin belirli sınırlar içerisinde olması gerekmektedir. Yüksek güçlü veya çok sayıda fotovoltaik güneş çiftliklerinin dağıtım şebekesine bağlanmasıyla ortaya çıkan gerilim yükselmesi problemi, şebeke yüklerini güvenli sınırlar içerisinde besleyebilmek için, yeni gerilim kontrol yöntemlerinin geliştirilmesini önemli bir gereksinim haline getirmiştir. Bu nedenle, bu tez kapsamında, dağıtım şebekelerine yerleştirilen büyük ölçekteki fotovoltaik güneş sistemlerinin, nihai tüketicilere teslim noktasındaki gerilime olası etkilerinin yönetilmesi gerektiğinden; dağıtım sistem işletmecilerinin karşılaması gereken şebeke işletme yükümlülüklerini yerine getirebilecekleri şekilde akıllı bir gerilim/reaktif güç kontrol yöntemi geliştirme düşüncesi doğmuştur.  
Dağıtım şebekelerindeki statik senkron kompanzatör (STATCOM) uygulamalarının gerilim ve reaktif güç kontrolunda önemli bir yere sahip olduğu bilinen bir gerçektir. Hem sistemin sürekli durum işletme koşullarını iyileştirdiğinden hem de geçici durum sistem arızalarının giderilmesine yönelik hızlı cevap verme kabiliyetinden dolayı STATCOM uygulamaları giderek yaygınlaşmaktadır. Rajiv K. Varma tarafından, fotovoltaik güneş sistemlerinin bulunduğu şebekelerde; geleneksel STATCOM'ların fiziksel olarak tesis edilmesi yerine, fotovoltaik sistem eviricilerinin STATCOM olarak işletilmesine olanak tanıyan ve PV-STATCOM olarak adlandırılan akıllı bir evirici kontrolör tasarımı önerilmiştir. Bu öneri, dağıtım sistem işletmecileri için ekonomik olarak büyük bir tasarruf imkanını beraberinde getirmektedir. Dağıtım şebekelerindeki yük altında kademe değiştirici transformatör ve şönt kapasitör gibi geleneksel gerilim kontrol ekipmanlarının nipeten yavaş tepkilerinin aksine; fotovoltaik güneş sistemlerindeki doğadan kaynaklı ani üretim değişimlerine ve şebekede oluşabilecek geçici arıza durumlarında gerilimdeki ani dalgalanmalara da hızlı cevap verme kabiliyetinden dolayı yenilikçi PV-STATCOM fikrinin uygulamasının ele alınan bu gerilim/reaktif güç kontrol problemine uygun olacağı düşünülmüştür. 
Bu tez çalışmasında, dağınık olarak ve çok sayıda fotovoltaik güneş sistemi barındıran dağıtım şebekelerinde, tüketicilere güvenli ve kesintisiz enerji tedariğini garanti ederken aynı zamanda  ertesi gün için enerji maliyetini (ki burada literatürdeki yaygın eğilimden farklı olarak tüketilen reaktif enerji bedeli de fiyatlandırılmıştır ) ve dağıtım kayıplarını azaltmaya odaklanan akıllı bir gerilim/reaktif güç kontrol yöntemi önerilmiştir. Çalışma kapsamında şebekedeki tüm fotovoltaik güneş sistemlerinin PV-STATCOM olarak işletildiği düşünülmüştür. Bu çoklu amacı sağlamak için şebekeye bağlı tüm PV-STATCOM'ların 24 saat boyunca optimal olarak işletilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında değişen hava koşulları ve yüklenme şartları için tüm PV-STATCOM'ların optimal reaktif güç çizelgelemesinin belirlenmesi; doğadan esinlenilen algoritmalardan biri olan Ateş Böceği Algoritmasında yapılan düzenlemelerle geliştirilen Modifiye Lévy-uçuşlu Ateş Böceği Algoritmasının, ilk defa gerilim/reaktif güç kontrol problemine uygulanmasıyla elde edilmiştir. Önerilen yöntemin geçerliliği ve uygulanabilirliği, Sarıyer ilçesine ait 10,5 kV'luk bir dağıtım şebekesinde test edilmiştir. 
Simulasyon sonuçları, Modifiye Lévy Ateş Böceği Algoritmasının karşılaştırılan diğer algoritma olan Parçacık Sürü Optimizasyonuna üstünlüğünü ortaya koymuştur. Farklı ışınım düzeyleri, çeşitli yüklenme koşulları ve bulutlanma durumları için gerçekleştirilen uygulamalarda tatmin edici sonuçlar elde edilerek; şebekedeki tüm baraların gerilimleri izin verilen aralıkta tutulurken, dağıtım kayıpları ve enerji maliyetinin büyük ölçüde azaltıldığı işletim durumlarına ulaşılmıştır. Tez çalışmasında önerilen yeni gerilim/reaktif güç kontrol yaklaşımının dağıtım şebekesi işletmecilerine örnek olacağı ve karşılaştıkları sorunlarda yol gösterici nitelikte olacağı düşünülmektedir. Önerilen yöntem dağıtım şirketlerine büyük ekonomik yarar sağlarken, farklı koşullar altında teknik olarak şebekeyi işletme kolaylığı sunacaktır. Ayrıca, bu tez çalışmasında önerilen şekliyle işletilen 5 MW ve altında kurulu güçlerdeki lisanssız fotovoltaik güneş sistemlerinin dağıtım sistem işletmecilerine reaktif güç kontroluna ilişkin yan hizmetler sağlama noktasındaki katkısının da dikkate değer olduğu düşünülmektedir. Orta gerilim dağıtım şebekelerinin modernizasyonunda –akıllandırılmasında lisanssız olsalar da fotovoltaik güneş sistemlerinin (5 MW a kadar) gerekli tesis yatırımını yaptıkları takdirde gerilim kontroluna bu çalışmadaki öneriler doğrultusunda katkı sunacakları gösterilmiştir.

Abstract:
Due to the rising population, industrialization and economic growth, the demand for electrical energy continues to increase day by day. The limited supply of fossil fuels and the global climate change problem arising from the use of these fuels have paved the way for the widespread production of electrical energy from renewable energy sources. With the increasing incentive policies and decreasing capital cost of  photovoltaic panels; photovoltaic solar systems have become one of the rapidly spreading renewable energy sources in many countries, including our country. 
With the rapidly increasing number of photovoltaic solar systems penetrating in the distribution networks; understanding the effects of them on voltage regulation, power losses, short circuit currents, reliability and stability has been one of the most important issues. Effect of photovoltaic solar system integration on voltage profiles varies depending on many factors such as its location and installed capacity, the characteristics of the branches and loads in the grid. It is important to use energy efficiently as well as to produce clean energy. To meet these expectations, electricity networks need to be made smarter. The main responsibilities of distribution system operators are to ensure energy continuity and quality and to examine the possible effects of new generation units to be put into operation on the network. The voltage level of the electrical energy to be presented to the consumer by the distribution system operators must be within certain limits. The problem of voltage rise caused by the connection of high power or many photovoltaic solar farms to the distribution network has made it an important requirement to develop new voltage control methods in order to feed the grid loads within safe limits. The possible effects of large-scale photovoltaic solar systems integrated into distribution networks on the voltage at receiving end must be managed. Hence, within the scope of this thesis, the idea of developing an intelligent voltage/reactive power control method has arisen in a way that the distribution system operators can fulfill their network operation obligations.
Distribution networks of radial structure are widely and voltage is controlled by utility using on-load tap changing transformers (OLTC) and reactive power support devices (i.e. switched capacitor banks). Although switched capacitor banks are commonly utilized to control voltage in distribution networks, they are not a continuous variable real-time source of reactive power because they are switched on or off. Furthermore, reactive power supplied by switched capacitors reduces as the system voltage decreases (by voltage squared) when reactive power is most needed. Solar PV generation depends on environmental conditions and can change rapidly as clouds pass over, creating voltage fluctuations. If on-load tap changing transformers which are one of the most expensive devices in system and reactive power support devices attempt to control the rapid fluactions in voltage, the devices will require much more maintenance and have a shorter life-time. However, these devices are not fast enough to regulate rapid voltage variations resulting from solar PV generation transients.
It is a known fact that static synchronous compensator (STATCOM) applications in distribution networks have an important role in voltage and reactive power control. STATCOM applications are becoming increasingly common, both because improves the steady- state operating conditions of the network and because of its ability to respond quickly to eliminate transient network faults. Instead of physically connection of traditional STATCOMs, a smart inverter controller design called PV-STATCOM that allows photovoltaic system inverters to be operated as STATCOM has been proposed by Rajiv K. Varma. This proposal brings along a great economic savings opportunity for distribution system operators. Unlike the slow response of conventional voltage control equipments such as on-load tap-changer transformers and shunt capacitors in distribution networks; it is thought that the application of the innovative PV-STATCOM idea will be suitable for this voltage/reactive power control problem, due to its ability to respond quickly to sudden fluctuations in voltage in case of sudden production changes caused by nature in photovoltaic solar systems and to sudden fluctuations in voltage in case of temporary faults that may occur in the grid.
In this thesis, a smart voltage / reactive power control method is proposed that focuses on reducing energy cost (unlike the common trend in the literature, the cost of reactive energy consumed is also priced) and distribution losses for the next day while ensuring safe and uninterrupted energy supply to consumers in distribution grids with dispersed and multiple photovoltaic solar systems. Within the scope of the study, it is considered that all photovoltaic solar systems in the grid are operated as PV-STATCOM. In order to achieve this multiple objectives, all PV-STATCOMs connected to the grid must be operated optimally for 24 hours. In this thesis, determining the optimal reactive power scheduling of all PV-STATCOMs for changing weather conditions and loading conditions has been achieved by applying the Modified Lévy flight-based Firefly Algorithm, which was developed with the modifications made in the Firefly Algorithm, one of the algorithms inspired by nature, to the voltage/reactive power control problem for the first time. 
Structure of proposed method is briefly summarized as follows: Firstly, based on the temperature and radiation values, the active power amount that the PV-STATCOMs can produce throughout the day is calculated. Accordingly, the reactive power capability ranges of PV-STATCOMs are calculated. Furthermore, cost data of solar PV system, day-ahead market prices per hour, load flow data and voltage allowable limits are used as input values by the optimization algorithm. The optimization algorithm decides the amount of reactive power exchange between the grid and PV-STATCOMs, which minimizes distribution losses and energy cost. Available maximum active power that PV-STATCOMs can produce depending on the solar radiation and temperature are injected into the network without any curtailments during the day-time. 
The validity and applicability of the proposed method has been tested in a 10.5 kV distribution network in İstanbul/Sarıyer. The simulation results confirm the superiority of Modified Lévy Firefly Algorithm over other compared algorithm. Simulation results also show that for cloudy weather condition, different loading conditions and solar radiation levels, satisfactory operating conditions have been achieved where distribution losses and energy cost are greatly reduced while the voltages of all buses in the network are kept within the permissible range. It is considered that the new voltage/reactive power control approach proposed in the thesis will serve as an example for distribution network operators. While the proposed method will provide great economic benefits to the distribution companies, it will provide technical operation convenience under different conditions. In addition, the contribution of unlicensed photovoltaic solar systems with installed power of 5 MW and below, operated as suggested in this thesis, in providing ancillary services related to reactive power control to distribution system operators is considered to be remarkable. It has been shown that photovoltaic solar systems (up to 5 MW), even if they are unlicensed, will contribute to voltage control in the modernization of medium voltage distribution networks, in line with the recommendations in this study, if they make the necessary facility investment.