Enerji iletim sistemlerinin facts elemanları kullanılarak şebeke gerilim ve frekans regülasyonu üzerine fizibilite analizi
Feasibility analysis of energy transmission systems on grid voltage and frequency regulation using facts elements
Yazar: ERGİN KAYAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAMZA FEZA CARLAK
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisinin arzında süreklilik çok önemli olup enterkonnekte güç sistemlerinde enerjinin devamlılığını sağlamak için, üretim ve tüketim miktarları her zaman dengede olmalıdır. Bu da ancak güç sisteminin gerilim ve frekansını dengede tutarak mümkün olabilir. Başka bir ifade ile arz ve talebin dengesi süreklilik göstermelidir. Aksi takdirde istenmeyen büyük dinamik salınımlar, gerilim çökmeleri meydana gelebilir. Enterkonnekte güç sistemlerinde elektrik enerjisinin kalitesi bozulur ve enterkonnekte güç sisteminin bölgesel veya ulusal çökmesine kadar varabilen problemlere yol açabilir. Çalışma kapsamında güç elektroniğine dayalı mikro elektronik, haberleşme ve ileri kontrolör uygulamaları içeren FACTS (Esnek Alternatif Akım İletim Sistemleri) kontrolörleri ile güç sistemleri kontrol altında tutularak, güç transferlerinin düzenlenip, taşıma kapasitelerinin de belirli sınırlar dâhilinde artırılabileceği gösterilmiştir. FACTS cihazları ile baralardaki gerilimin büyüklüğü ve faz açısı kontrol edilirken, iletim hatlarının işletme limitleri dâhilinde güvenli bir şekilde yüklenmesi ile sistem kayıpları en aza indirgenebilecektir. Güç sisteminde kullanılacak olan FACTS cihazlarının yerlerinin belirlenmesinde sezgisel algoritmalar kullanılarak, kayıpların minimize edilmesi doğrultusunda FACTS cihazlarının konumlanacağı bölgeler belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmalarında sezgisel yöntemler ile elde edilen GA ve PSO algoritmaları kullanılmıştır. Sezgisel yöntemler ile güç sisteminin Kuzey barası optimum bara, ve FACTS cihazlarının çıkış gücü değeri 255 MVAr olarak bulunmuştur. Farklı sezgisel yöntemlerin optimizasyon teknikleri kullanarak, FACTS cihazların gerilim kararlılığına ve sistem kayıplarının azaltılmasına olan etkileri gösterilmiştir. Optimizasyon çalışması sonucunda enerji iletim sisteminin gerilim değerleri regüle edilmiş ve kayıpların azaltılmasına bağlı olarak sistem yüklenebilirliği artırılmıştır. Tez çalışmasında, Batı Akdeniz Bölgesi'nde bulunan güç sistemi, gerçekçi ulusal veriler kullanılarak yük akışı analizleri Dig-SILENT Power Factory yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Güç sisteminde arıza oluşması durumunda, bara gerilimleri, aktif ve reaktif yük akışları incelenmiştir. FACTS cihazlarının dinamik bir sistem olan güç sistemlerinde, anlık ihtiyaçlara bağlı olarak reaktif güç üretip tüketebilen, reaksiyon süresi oldukça hızlı olan, güvenli ve işletme esnekliğine sahip sistemler olduğu görülmüştür. Enerji iletim sistemlerinde maksimum yüklenme sınırlarının bu sayede artırılabileceği ve güç sisteminin kontrolünü de kolaylaştırabileceği gerçekçi parametrelerle belirlenmiştir. SVC ve STATCOM kontrolörlerinin güç sisteminde oluşan gerilim çökmelerine karşı, sistemin kararlılık sınırlarına olan etkileri incelenmiştir. Optimize edilmiş FACTS cihazlarının güç sistemine entegre edilmesiyle, kritik baraların yüklenme kapasiteleri artmıştır. Şebeke modelinde meydana gelen sistem arızalarından ötürü kritik bara gerilimlerinde aşırı osilasyonlar oluşmaktadır. Alt limit aralığı 0.95-1.0p.u. olan gerilim düşümlerinde ve üst limit aralığı 1.0-1.05p.u. olan gerilim yükselmelerinde, FACTS cihazları bara gerilimlerini işletme limitlerinde tutmaktadır. Ayrıca, generatör gerilim kararlılığı da yükseltilerek buna göre güç sisteminin kapasitesi artırılmıştır. Enerji iletim sistemindeki 55.87 MWh olan toplam teknik kayıplar, SVC kontrolörleri ile 52.88 MWh'e ve STATCOM kontrolörleri ile 48.48 MWh değerine düşürülmüştür. Teknik kayıpların azaltılmasında en yüksek performansı, %13.22 kayıpları azaltan STATCOM kontrolörünün göstermiş olduğu, SVC denetleyicileri ile ise teknik kayıpların % 5.33 azaltıldığı tespit edilmiştir. STATCOM kontrolörleri, SVC kontrolörlerine göre iletim kayıplarını daha etkin bir şekilde minimize ederek, mevcut iletim sisteminin çalışma sınırlarını genişletmektedir. STATCOM kontrolörleri modellenen pilot güç sisteminde, SVC kontrolörlerine göre %10 daha fazla reaktif güç sağlayabilmektedir. STATCOM kontrolörlerinin bulunduğu baralarda, ani reaktif güç değişimlerine ve gerilim düşümlerine karşı simülasyon süresinin %1 inden daha düşük bir sürede anahtarlama yaparak cevap verdiği ve simülasyon süresinin %5 'inden daha düşük bir sürede sistemin kararlı hale getirdiği görülmektedir. 
Pilot bölge olarak seçilen ulusal bir elektrik enerji iletim sistemini, FACTS teknolojisi kullanılarak gerçekçi değerlerle modelleyip fizibilite çalışmasının gerçekleştirilmesi ile elde edilen sonuçlar ışığında Türkiye enterkonnekte sistemi için gerilim ve reaktif güç kontrolünün hassasiyetini artırarak, üretim ve tüketim dengesini daha kararlı hale getirmek suretiyle, teknik olarak enerji iletim maliyetinin düşürülmesine katkıda bulunulabileceği ön görülmektedir.

Abstract:
In interconnected power systems, continuity is an essential requirement for the supply of electrical energy and in order to provide this, production and consumption amounts must always be in balance. This can only be possible by means of balancing the voltage and frequency of the power system. i.e., there must always be the supply and demand equilibrium. Failing that, undesired large dynamic oscillations and voltage collapse may occur, and the quality of electrical energy in interconnected power systems deteriorates and this may cause regional or national crashes. Within the scope of the study, it has been shown that by arranging the power transfers their carrying capacity can be increased within certain limits by keeping power systems under control with micro-electronics, communication, and advanced controller applications. While the voltage size and phase angle of the bus are controlled with FACTS devices, system losses can be minimized by safely loading the transmission lines within the operating limits. By using neural network algorithms, the optimum locations and dimensions of the FACTS devices were determined in order to minimize the technical losses. The optimization study was implemented by GA and PSO algorithms. The optimum bus was obtained as the north bus and the output power of the FACTS devices was acquired as 255 MVAr. Using optimization techniques of different neural network methods, the effects of FACTS on the voltage stability, and the reduction of system losses have been demonstrated. As a result of the optimizations study, the bus voltages of the energy transmission system were regulated and the system loadability was increased due to the reduction of losses. In this work, the power system of the Western Mediterranean grid was modeled using Dig-SILENT Power Factory software for load flow analyses using realistic national data. In case of failure in the power system, bus voltages, active and reactive load flows were analyzed. FACTS devices are dynamic power systems that can produce and consume reactive power based on instantaneous needs, have a fast reaction time, are safe, and have operational flexibility. It is determined by realistic parameters that maximum load limits in energy transmission systems can be increased in this way and facilitate the control of the power system. The effects of SVC and STATCOM controllers on the stability limits of the system against voltage crashes in the power system were studied. The loading capacity of critical busses has increased with the integration of optimized FACTS devices. Due to system failures occurring in the network model, excessive oscillations occur in critical bus voltages. FACTS devices keep bus voltages at operating limits in the case of voltage drops (0.95-1.0 p.u.), and voltage increases (1.0-1.05 p.u.). In addition, by improving the voltage stability of the generator, the capacity of the power system has been increased accordingly. Total technical losses of 55.87 MWh in the power transmission system were reduced to 52.88 MWh with SVC controllers and 48.48 MWh with STATCOM controllers. The highest performance in reducing technical losses was performed by the STATCOM controller, which reduced losses by 13.22%, while the technical losses were reduced by 5.33% with the SVC controllers. STATCOM controllers have been extended the operating limits of the existing transmission system by minimizing transmission losses more effectively than SVC controllers. STATCOM controllers can provide 10% more reactive power than SVC controllers in the modeled pilot power system. It is considered STATCOM controllers respond to sudden reactive power changes and voltage drops by switching in less than 1% of the simulation time and stabilizing the system in less than 5% of the simulation duration. 
The feasibility study was carried out for the pilot grid which is a national electric power transmission system using FACTS technology with the realistic network data. The results obtained. In the light of the feasibility analysis, by increasing the sensitivity of the voltage and reactive power control for the Turkey's interconnected system, the balance of production and consumption may be achieved, and that can contribute to reduce the cost of energy transmission by lowering the technical losses.