Enerji sistemlerinin planlama ve işletmesinde esnekliğin enerji depolama kullanılarak artırılmasına yönelik yeni bir yaklaşımın geliştirilmesi
Developing a new approach to enhance planning and operational flexibility in energy systems using energy storage
Yazar: SAİD MİRZA TERCAN
Danışman: DOÇ. DR. ERDİN GÖKALP
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Dağıtık enerji = Decentralized energy ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Yenileme = Renovation ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Üreten tüketici = Prosumer

Özet:
Artan enerji talebi ve yüksek miktarlarda dağıtık yenilenebilir enerji biriminin penetrasyonu gibi elektrik şebekelerindeki son gelişmeler, dağıtım şebeke operatörleri için şebeke entegrasyonunu daha da zorlaştırdı. Ayrıca, ek yüklenmeye sebep olan elektrikli araçların artan payının tetiklediği derin elektrifikasyon etkileri, dağıtık enerji sistemi operatörlerinin, dağıtım sistemi hatları ve ilgili altyapı yatırımları açısından yenileme planlarını yeniden incelemelerini zorunlu hale getirdi. Tezin ilk bölümünde enerji depolama sisteminin, enerjiyi esnek bir şekilde kullanma fırsatı sunarak dağıtım şebekesi elemanlarının kaçınılmaz yenileme maliyetlerini güç kalitesini de iyileştirerek ertelemede ve azaltmadaki etkileri incelenmiştir. Enerji depolama sistemi ile dağıtık enerji sistemlerinin ömrünü uzatmak ve hat yenileme maliyetlerini azaltmak ya da ötelemek için bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem, IEEE-33 test sistemi kullanılarak değişik vakalar ile test edilmiştir. Bu çalışmanın bulguları, enerji depolamanın dağıtık enerji sistemi bileşenleri üzerinde, ömürlerini uzatma ve artan yükler nedeniyle büyüyen pik taleplerini azaltmaya yardımcı olabileceğini göstermiştir. Sonuçta enerji depolama kullanılarak toplam maliyet %66'ya kadar azaltılmıştır. Ayrıca güç kayıpları ortalama %35 oranında azaltılıp gerilim profilleri de iyileştirilmiştir. Enerji depolama sistemlerinin bir diğer faydası da işletmede esneklik sağlamasıdır. Güneş panelleri gibi kesintili ve dalgalı yenilenebilir enerji kaynaklarının yüksek penetrasyonları şebekede aşırı kapasite oluşması gibi bazı işletme problemleri doğurabilir. Bu nedenle, enerji piyasası aktörleri şebekeye güç göndermeye sınır getirmekle birlikte ilave kapasite kurulumunu kısıtlamaktadır. Benzer şekilde, teşviklerin azalması, enerji depolamayı öz tüketimi artırmanın en önemli aktörü haline getiriyor. Ancak ekonomik belirsizlikler, enerji depolama yatırımlarının finansal fizibilitesi konusunda endişeler doğurmaktadır. Tez çalışmasında çeşitli penetrasyon oranları altında bir üreten-tüketici (prosumer) topluluğu için paylaşılan enerji depolama kullanılarak PV öz tüketimini artırmanın teknik ve ekonomik faydaları incelenmiştir. İlk aşamada önerilen Yeni En İyi Algoritma ve genetik algoritma kullanılarak optimal enerji depolama tahsisleri MATLAB ile yapılmıştır. Daha sonra önerilen yöntemin teknik performansı PSS® Sincal yazılımı ile bir yıl süreli benzetimler ile test edilmiştir. İkinci aşamada, çeşitli penetrasyonlar altında ortak enerji depolama kullanımı ile öz tüketimi artırmanın ekonomik fizibilitesi, artık enerji de dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bulgular, teşviklerin etkileri, geri ödeme süresi, net şimdiki değer ve iç verim oranı gibi ekonomik göstergeler açısından incelenmiştir. Teşvikler, öz tüketimi artırmak için enerji depolama olsun ya da olmasın üreten-tüketicileri destekler. Ortak enerji depolama, üreten-tüketici topluluğunun öz tüketimini %11'e kadar artırmıştır. Enerji depolamanın öz-tüketimi artırmada ekonomik ve teknik faydalar sağladığı görülmüştür.

Abstract:
The recent advances in the modern power grids, such as growing energy demand and penetration of higher amounts of distributed energy generators like renewable energy resources, caused additional grid integration challenges for the distributed energy system operators. Besides, deep electrification impacts triggered by a growing share of electric vehicles as additional loads made it essential for the distributed energy system operators to re-investigate their upgrade plans in terms of distributed energy system lines and corresponding infrastructure investments. An energy storage system offers the opportunity to use energy flexibly, deferring the inevitable upgrade costs of the distribution grid elements and increasing the power quality. This thesis proposes a new method to extend the lifespan of distributed energy systems with an energy storage system and reduce line upgrade costs. The proposed method is tested on the IEEE-33 with different case studies. The findings of this study indicated that the investigated energy storage option positively impacts the distributed energy system components and assets in terms of extending their lifespan and helping to mitigate growing demand peaks because of the load increase. According to the results, the proposed method reduces the total cost by up to 66%. Furthermore, the power losses are reduced by an average of 35%, and the voltage profiles are improved with the energy storage system. Another benefit of the energy storage system is flexibility in operation. Substantial penetration levels of intermittent and fluctuated renewable energy resources like PV can cause overcapacity and other operational challenges in the grid. Therefore, energy market actors are directed to the feed-in limitations and restrict the installed capacity. Likewise, the declining incentives make energy storage central to increasing self-consumption. However, economic uncertainties arise concerns about the financial feasibility of energy storage investments. This study presents the techno-economic benefits of increasing PV self-consumption using shared energy storage for a prosumer community under various penetration rates. In the first stage, the optimal energy storage allocations were done using the proposed New Best Algorithm and genetic algorithm with MATLAB. Then, the proposed method's technical performance was simulated year-long using PSS® Sincal. In the second stage, the economic feasibility of increasing PV self-consumption using shared energy storage under various penetration rates is evaluated by considering residual energy. The effects of incentives are examined in terms of economic indicators such as payback period, net present value, and internal rate of return. The incentives promote prosumers, either with or without energy storage, to increase self-consumption. As a result, shared energy storage increased self-consumption up to 11% within the prosumer community. Results and sensitivity analysis are given in detail. The proposed method provides significant economic benefits and improved power quality.