Mikroşebekelerde talep tarafının esnekliğini dikkate alan optimum işletim yaklaşımının geliştirilmesi
Development of an optimal operation approach considering demand side flexibility in microgrids
Yazar: AYŞE KÜBRA ERENOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. OZAN ERDİNÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikro şebeke konsepti; daha güvenilir, ekonomik ve sürdürülebilir bir güç sistemi işletimine yardımcı olması açısından son zamanlarda popülerlik kazanmış ve sistem operatörlerinin ilgisini çeken bir konu başlığı haline gelmiştir. Mikro şebekeler, yenilenebilir enerji sistemlerinden ve konvansiyonel üretim birimlerinden (mikro türbin, kombine güç-ısı birimleri, yakıt hücresi, vb.) enerji üretimi yapabilmekte, kendine ait tüketim ve depolama birimleriyle güç dengesini öncelikle kendi içinde ve sonrasında diğer mikro şebekelerle etkileşimli bir şekilde sağlayabilen bir yapıyı oluşturmaktadır. Şebekeyle bağlantılı çalışıp çift yönlü enerji alışverişi gerçekleştirebildiği gibi, herhangi bir arıza durumunda şebekeden bağımsız ada modunda da çalışabilmekte ve sistemi olumsuz etkilerden korumaktadır. 
Özellikle yenilenebilir enerji sistemlerinin yaygın olarak kullanıldığı mikro şebekelerde, zamanla değişkenlik gösteren üretim ve tüketimin dinamik yapısı dikkate alındığında enerji dengesinin sağlanması zorlaşmakta ve şebeke işletimi açısından büyük problemlere neden olmaktadır. Bu durumdan olabildiğince kaçınmak için enerji depolama sistemlerinin yanında akıllı şebeke konseptinin getirdiği en önemli yardımcı servislerden biri olan talep tarafının yönetimi de dikkat çekici bir uygulama alanına dönüşmüştür. Enerji depolama sistemi olarak statik bataryalar kullanıldığı gibi teknolojinin getirdiği en önemli yeniliklerden biri olan ve şebekeden araca (grid-to-vehicle, G2V) ve araçtan şebekeye (vehicle-to-grid, V2G) enerji akışı gerçekleştirebilen elektrikli araçlar da tercih edilmektedir. Tüketim birimlerindeki kontrol edilebilir yüklerin sistem operatörü müdahalesiyle yük profilinin değiştirilmesini sağlayan doğrudan yük kontrolü de talep cevabı çeşidi olarak sisteme entegre edilebilmektedir.
Mikro şebeke işletimiyle ilgili gerçekleştirilmiş hali hazırda birçok çalışma literatüre katkıda bulunmuştur. Ana başlıklar değişkenlik göstermekle birlikte konular gerilim ve frekans kararlılığının sağlanması, şebeke bağlantı koşullarının iyileştirilmesi, enerji kalitesi etrafında yoğunlaşmaktadır.
Son zamanlarda ise mikro şebekenin ekonomik koşullarda işletimi daha fazla ön plana çıkmakta ve enerji yönetimi, talep cevabı programlarının uygulanması tercih edilmektedir. Bunu dikkate alarak gerçekleştirilen bu çalışmada, rüzgâr ve fotovoltaik sistem gibi alternatif kaynakların değişken enerji üretimleri senaryoya bağlı olarak ifade edilmiş ve stokastik programlama ile modellenmiştir. Sistemde enerji depolama ünitesi olarak statik bataryalar ve yeni nesil elektriksel yükler olarak elektrikli araçlar bulunmaktadır. Yine bu yapıların neden oldukları belirsizlikler göz önünde bulundurulup daha gerçekçi yaklaşımın geliştirilmesi sağlanmıştır. Çalışmayı daha ileri aşamalara götürecek termostatı kontrol edilebilir ekipmanların talep cevabı kaynağı olarak kullanılması ve mikro şebeke işletimine etkisi araştırılmıştır. Matematiksel formülasyon karmaşık tamsayılı lineer programlama kullanılarak elde edilmiş olup, GAMS programında ticari CPLEX çözücüsü kullanılarak benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In recent years, the concept of microgrid has gained popularity due to providing more reliable, sustainable and economical power system, and this idea has also become interesting topic for system operators. Microgrids are capable of generating electricity from renewable energy sources and conventional production units such as micro turbines, combined heat and power units, fuel cells etc. and are able to provide their own supply-demand power balance with energy storage units internally and the other microgrids. They can be operated in grid-connected mode and providing bi-directional power flow with the main grid. Moreover, in case of a fault (malfunction), microgrids can be switched off and turned to operate in islanded mode to protect system from any negative effects.  
When considering dynamic nature of production and consumption profile especially in microgrids where renewable energy systems are widely used, providing of power balance becomes difficult and causes major problems in terms of system operation. In addition to energy storage unit, the demand side management, one of the most crucial ancillary services of smart grid concept, has become a remarkable application field. Besides the stationary batteries, electric vehicles (EVs) can also be preferred as an energy storage which provide grid-to-vehicle (G2V) and vehicle-to-grid (V2G) power flow. Additionally, the direct load control applications which allow the system operator to shape consumer's controllable load profile, can also be integrated into the system as a different type of demand response.  
There are many studies that have contributed to the literature related to the microgrids. It should be stated that, although main topics are in various field, studies are focused on ensuring voltage/frequency stability, improving the grid connection conditions, and energy quality. 
Energy management strategies and demand response programs are preferred to provide economic operation of microgrid which has become more prominent recently. In this study, a scenario-based stochastic algorithm is presented for the volatile renewable energy sources such as wind and photovoltaic farms considering the mentioned programs. Stationary batteries and EVs are used as an energy storage units in the system. Furthermore, the uncertainties caused by these structures are taken into account and a more realistic approach is developed. Thermostatically controlled equipments are also used as a demand response source and their effects on microgrid operation are investigated. The proposed structure is modeled by using mixed integer linear programming (MILP) and solved in general algebraic modeling system (GAMS) simulation program with commercial CPLEX solver.