Dağıtık üretim tesislerinin şebeke entegrasyon etkileri ve şebeke uyumluluğunun güç sistem analizleriyle uygulamalı değerlendirilmesi
Impact of distributed generation grid integration and evaluation of grid code compliance with respect to power system simulations
Yazar: SERHAT UZUN
Danışman: YRD. DOÇ. LEVENT OVACIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Geleceğin enerji yapısının günümüzdekinden çok farklı bir noktada olacağı açıktır. Elektrik enerjisine olan ihtiyacın artması ve büyük bir bağımlılığa dönüşmesiyle geçmişten günümüze kadar sürekli olarak farklı kaynak arayışlarına gidilmiştir. Teknolojinin günün ihtiyaçlarına göre hızla şekillenmesi sayesinde elektrik enerjisine olan ihtiyacımız farklı yapı ve formdaki enerji kaynaklarından temin edilebilmektedir. Dünyadaki ve Türkiye'deki güç sistemi yapısı değerlendirildiğinde,  enerji talebinin artması neticesinde, doğrudan iletim sistemine bağlanan santrallerin yanı sıra dağıtım sistemine bağlanan üretim santrallerinin sayısı da hızla artmaktadır. Küçük ve orta ölçekli üretim santrallerinin teknik ve ekonomik açıdan kurulabiliyor ve işletilebiliyor olması, mevcut coğrafya üzerinde dağınık bir şekilde yer alan fosil yakıt bazlı ve yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretiminde kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Dağıtım sistemine bağlanan özellikle hidrolik ve rüzgar enerjisine dayalı dağıtık üretim tesislerinin sayısı, geniş coğrafyamız ve yüksek kaynağımız sayesinde hızla artmaktadır. 
Çevresel ve ekonomik açıdan gerek üreticiye gerekse tüketiciye fayda sağlayan dağıtık üretim tesislerinin mevcut güç şebekesine entegre olması sonucunda güvenirlilik ve sürdürülebilirlik kavramları dikkat çekmiştir. Dağıtık üretim santrallerinin entegrasyonlarının getireceği olası problemler ve işletme zorlukları sistem dizaynı aşamasında incelenmeli, gerekli düzenlemeler yapılmalı ve yeni yapının güvenilebilir olarak işletilmesine yönelik planlar oluşturulmalıdır.
Türkiye 2023 enerji stratejisine göre, 2023 yılına kadar rüzgar santralleri için hedeflenen kurulu güç artış yüzdesi, diğer enerji kaynaklarıyla kıyaslandığında çok yüksektir. Bu çerçevede, teknoloji ve sisteme entegrasyon açısından yeni olan "dağıtım sistemine bağlanan RES yapılarının" gelecekteki güç sistemine olan etkileri önem arz etmektedir.  Şebeke güvenilirliği ve sürdürülebilirliği açısından etkisi büyük olacak ilgili santrallerin detaylı ve doğru analiz edilmesi gerekmektedir.
Dağıtık üretim entegrasyonlarında gerilim regülasyonu, gerilim flikeri, harmonik bozunum, adalaşma riski, işletme topraklama yapısının değişimi, kısa devre akımı seviyesinin artması, aşırı akım koruma koordinasyonu, reaktif güç kapasite sınırları, arıza esnasındaki/sonrasındaki davranışları, şebeke gerilim/frekans değişimlerine verdikleri tepkiler ve güvenirlilik çok iyi değerlendirilmelidir. Bu etkiler sadece DÜ ünitesinin yapısına, kapasitesine bağlı olarak değil, bağlantı noktasına, generatörlerin dinamik karakteristiği, dağıtım sistemi değişkenleri/karakteristiği ve dağıtım şebekesine bağlı bulunan tüketiciler açısından da değerlendirilerek sistem bütününde incelenmelidir. 
Günümüz koşullarında dağıtık üretim santrallerinde kullanılan konvertör yapılarının uygun seçimi, filtre kullanımı ile enerji kalitesi başlığındaki problemler çözülebiliyor ve ölçüme dayalı olarak incelenebiliyor. Ekipman boyutlandırılması için gerekli olan yük akışı ve kısa devre analizleri kolayca gerçekleştirebiliyor ve bu konu başlığındaki temel etkiler analiz edilebiliyor. Ancak dağıtık üretim tesislerinin gerilim regülasyonuna etkileri, RES'lerin reaktif güç kapasiteleri ve dinamik davranışları gibi bir çok etkenin var olduğu ve tüm değişkenlerin bir arada değerlendirilmesi gerektiğinden, ileri seviyedeki bu analizlerin gerçekleştirilmesi ve sonuçların incelenerek düzeltici aksiyonların alınması konusu daha önemli bir hal almıştır.
Yapılan bu çalışmada dağıtık üretim tesislerinin şebeke entegrasyon etkileri değerlendirilerek entegrasyon sonucu oluşabilecek olası problemlere değinilmiştir. Enerji kalitesi ve sürdürülebilirliği sağlamak için olası problemlerinin önüne geçilmesine ışık tutan ilgili standartlar, yönetmelikler ve teknik kriterler ışığında gerçekleştirilmesi gereken analizlerden bahsedilmiştir. Farklı yapıdaki tesisler için ileri seviyedeki güç sistem analizleri özelinde çalışmalar gerçekleştirilmiş, şebeke uyumluluğu yorumlanmış, elde edilen sonuçlar irdelenerek gerekli öneriler ifade edilmiştir.
Dağıtık üretim santrallerinden yüksek verim alınması ve olası bozucu etkilerinin giderilmesi için, dağıtım şebekesinin gelişimi, mevcut ve gelecekteki yapısının uygunluğu, koruma ve işletim planlamasının dağıtık üretim birimleriyle bir bütün olarak değerlendirilmesi ve planlanması gerekmektedir. Değişen güç sistemi yapısı parelelinde ilgili yönetmelikler ve teknik gereksinimler de değişmekte ve gelişmektedir. Bu nedenle ilgili yönetmeliklerdeki değişiklikler ve ek talepler sürekli olarak izlenmelidir. Olası entegrasyon problemlerinin önüne geçilebilmesi için ön inceleme ve analizlerin yapılması önemlidir ancak ilgili analizlerin nasıl yapılacağı, hangi noktalara dikkat edileceği ile ilgili belirsizlikler mevcuttur. Belirli metodolojiler oluşturularak standart yaklaşımlarla bozucu etkileri aza indirmek mümkün olabilecektir. Güç sisteminin yalnızca bir parçasının değil, her zaman bütünsel bir yaklaşım ile ilgili dağıtım bölgesi özelinde; sistem yapısı, bölgedeki üretim tüketim dengesi, gerilim düşümü/yükselmesi, reaktif güç kapasiteleri/kontrolü, koruma koordinasyon sisteminin uygunluğu konularının değerlendirildiği ve gerekli düzeltici önlemlerin alındığı taktirde olası problemler en aza indirgenmiş, kaliteli, güvenli ve çevreye duyarlı geleceğin yeni enerji yapısı ortaya çıkmış olacaktır.

Abstract:
It is obvious that future's energy structure will stand at a very different point from today. As the need for electric energy has grown and turned into a huge dependency, the quest for different sources has always continued throughout the past until today. As technology has been shaped rapidly according to contemporary requirements, our requirement for electric energy can be obtained from energy sources that have different structures and forms. When the power system structure in the world and Turkey is assessed, it is seen that in parallel with the increase in energy demand, the number of generation units that are connected to the distribution system also increase in addition to the stations that are directly connected to the transmission system. The fact that small and medium sized production stations can be erected and operated in the technical & economic sense, allows that the fossil fuel based and renewable sources of energy, which are located on the existing geography in a sporadic manner, can be used during the production of electric energy. The number of distributed production plants, which are connected to the distribution system and which are especially based on hydraulic and wind energy, is increasing rapidly due to our large geography and high availability of resources. 
The concepts of reliability and sustainability have drawn attention as the distributed generation plants, which provide benefits to both the producer and the consumer in the environmental and economic sense, have been integrated within the existing power network. Potential problems and operating difficulties that may be introduced by the integration of distributed generation stations should be examined during the designing phase of the system, necessary corrections should be made and plans should be created for a safe operation of the new structure.
According Turkey's energy strategy for 2023, the percentage of installed power that is targeted for wind stations until 2023, is considerably high when compared with other sources of energy. In this sense, the effects on the future power system of "RES structures connected to the distribution system", which is new in terms of technology and integration to the system, bears importance.  It is necessary that the pertinent stations should be examined in detail and correctly, as they will have great impacts in terms of network reliability and sustainability.
As far as the integrations of the distributed generations are concerned, one should make a thorough evaluation of the voltage regulation, voltage flicker, harmonic distortion, isolation (island mode operation) risk, changes in the grounding structure of the enterprise, increase in the level of short-circuit current, overcurrent protection coordination, reactive power capacity limits, their behaviors during/after breakdowns, their reliability and their reactions against the changes in network voltage/frequency. Such effects should not be considered solely in terms of structure & capacity of the DG Unit, but also in terms of the connection point, the dynamic characteristics of generators, the variables/characteristics of the distribution system and the consumers connected to the distribution system; and an evaluation should thus be made into the system's entirety. 
Under today's conditions, problems covering the category of energy quality can be solved by using filters and a correct selection of convertor structures, and these can be examined on a measurement basis. Analyses on load flow and short-circuit, which are necessary for dimensioning equipment, can be performed easily and basic impacts under this subject can be analyzed. As there exists many impacts like the effects of distributed production plants on the voltage regulation, the reactive power capacities and dynamic behaviors of the wind power plants, where all variables should be assessed collectively, it has become even more important to perform these advanced-level analyses and to take corrective actions upon examining their results.
This study has evaluated the effects of the distributed generation plants on the network integration and touched upon potential problems that can owe to integration. It has touched upon the analyses needed with consideration of the pertinent standards, regulations and technical criteria that can enable the prevention of potential problems facing energy quality and sustainability. Specific studies have been performed for the analyses of advanced-level power systems at plants with different structures, network compatibility has been interpreted, the results obtained have been examined thoroughly and necessary recommendations have been given.
For obtaining high productivity from distributed generation stations and mitigate distorting effects, such distributed generation units should be assessed and planned as a whole with the development of the distribution network, the compatibility of its existent and future structure, and the planning for protection and operation.  In parallel with the changes in the power system structure, the pertinent regulations and technical requirements also change and improve. For this reason, the changes in the pertinent regulations and additional demands should be followed-up closely. It is important to perform preliminary examination and analyses for circumventing integration problems however, there are uncertainties covering the manner of such analyses and the points that require attention. It will be possible to minimize distorting effects through standard approaches and by using certain methodologies. Potential problems will be minimized and future's new energy structure that is of quality, secure & environmental friendly will emerge when the subjects of system structure, the generation-consumption balance in the region, voltage increase/decrease, capacities/controlling of the reactive power and the compatibility of the protection coordination system are assessed in terms of the pertinent distribution system with a wholistic approach instead of concentrating on a particular part of the power system and when due measures are also taken.