Ulusal enerji şebekesine bağlanabilecek optimum rüzgar enerji potansiyelinin belirlenmesi
Determination of optimum wind energy integration potential in national energy grid
Yazar: ALİ ERDUMAN
Danışman: PROF. DR. MUĞDEŞEM TANRIÖVEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Fosil enerji kaynaklarının hızla tükenmelerine ek olarak çevreye vermiş oldukları zararlı etkilerin gün geçtikçe artması insanları alternatif enerji kaynağı arayışına yönlendirmektedir. Alternatif enerji kaynakları içinde yenilenebilir ve hızlı kurulum özelliği ile rüzgar enerjisi ön plana çıkmaktadır. Yapılan alansal çalışmalar sonucunda Türkiye'nin rüzgar gücü potansiyelinin 88000 MW olduğu hesaplanmıştır [1]. Ülkemizdeki rüzgar potansiyelinin elektrik enerji şebekesi tarafından kullanılabilir en yüksek değeri ise 13260 MW olarak hesaplanmıştır [2]. Rüzgar gücü potansiyelinin Avrupa ülkelerine kıyasla çok daha büyük oranları yansıttığı yapılan analizler sonucunda tespit edilmiştir.
Rüzgar enerjisine ait bu potansiyelin enerji sistemi içerisinde kullanıma geçirilmesi ise yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanımına ilişkin kanunların yürürlüğe girmesi ile ivme kazanmıştır. Rüzgar santrallerin ulusal güç sistemi içereside kullanım oranlarının artması sonucunda şebeke üzerinde rüzgar enerji santrallerine bağlı olumsuz etkilerin de artabileceği yapılan bilimsel çalışmalarla tespit edilmiştir.
Oluşabilecek muhtemel olumsuzlukların önüne geçilebilmesi amacıyla rüzgar santrallerin enerji üretimine etkisi olan parametrelerin teknik ve ekonomik açıdan sistematik olarak incelenmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu zorunluluk aynı zamanda ülkemizin enerji stratejisi içerisinde rüzgâr enerjisinin toplam üretim içerisindeki payının azami ölçüde yükseltilmesi hedefini de doğrudan etkilemektedir.
Rüzgâr enerji santralleri ulusal şebeke üzerinde güvenilir üretim düzeylerinin hem bölgesel hem de ulusal bazda tespit edilmesi gerekmektedir. Teknik kullanılabilir rüzgar enerjisi kapasitenin doğru tespit edilebilmesi ancak tüm güç sistem kısıtlarının ve ilgili bölgelerin rüzgâr verilerinin birlikte değerlendirilmesiyle mümkün olabilmektedir. Böylece rüzgar enerji santralleri ile ilgili stratejileri ve yatırım planları şekillendirilebilecektir.
Gerçekleştirilen tez kapsamında öncelikle rüzgar santrallerinin şebeke bağlantısına ait teknik ve ekonomik parametreler tespit edilmiştir. Teknik parametrelerin seçiminde bölgesel meteorolojik verileri, farklı rüzgar santrali teknolojileri, türbin teknolojilerinin kurulacağı kule yükseklik seviyeleri ve şebeke kısıtları dikkate alınmıştır. Ekonomik veriler ise farklı rüzgar santrali teknolojilerin imalat parametrelerine bağlı üretim modelleri, bir santral sahasının kurulumu için gerekli alt yapı maliyetleri, santralin kurulacağı araziye ait maliyetleri ve rüzgar santrallerinin şebeke entegrasyon maliyetleri dikkate alınmıştır. 
Tespit edilen teknik ve ekonomik parametrelerin birbirleri ile olan ilişkileri sistematik olarak tanıtılmış ve optimizasyon algoritması hazırlanmıştır. Optimizasyon algoritmasının koşturulması sonucunda öncellikle sisteme bağlanabilecek maksimum rüzgar santral sayısı tespit edilmiştir. Bölge içeresindeki baralara bağlanabilecek santral sayıları, birim üretim maliyetleri baz alınarak tanımlanmış ve bölgenin bara bağlantı konfigürasyonlarına bağlı haritalar oluşturulmuştur. Oluşturulan bağlantı konfigürasyonları her bir teknoloji için yeniden hesaplanmıştır. Bağlanabilir rüzgar santralleri, mevcut güç sistemine eklenerek tam sayılı doğrusal programlama ve doğrusal programlama yöntemleri kullanılarak Bender ayrıştırma yöntemine göre optimizasyona tabi tutulmuştur. Optimizasyon sonucunda seçilen çalışma bölgesi için yatırım ve üretim maliyetlerini birlikte değerlendirerek, en uygun bağlantı konfigürasyonu ortaya çıkartılmıştır. Sistemin mevcut durumu göz önünde bulundurularak toplamda bağlanabilecek en ekonomik santral sayısı ve her bir baraya bağlanacak santral sayısı tespit edilmiştir.
Tez çalışması kapsamında bir bölgenin rüzgar verisi ve bölgenin enerji iletim sistemlerine ait veriler ışığında belirlenen teknoloji tipine göre her hangi bir bölge için en uygun bağlantı ve yatırım maliyetini belirleyen bir algoritma geliştirilmiş ve sunulmuştur.

Abstract:
Continual rise in harmful effects of fossil energy sources on the environment and their rapid depletion leads people to the search for alternative energy sources. Wind energy rise to the prominence between alternative energy sources with its features of being renewable and having quick setup. Turkey's wind power potential is estimated to be 88 000 MW based on the results of territorial studies [1]. The highest value of the wind power potential in our country that can be used by the electric power grid is calculated as 13260 MW [2]. It has been determined in the conducted analysis that the wind power potential of Turkey is reflecting much greater rates than in European countries. 
The usage of the wind energy potential in the power system has gained momentum with the enactment of the law on the use of renewable energy sources for electricity production. It has been determined by scientific studies that the negative effects of wind power plants on power network can increase as a result of higher utilization rate of wind power in the national power system.
In order to prevent the potential negative effects it has become a necessity to systematically examine the factors which affect the energy production of the wind power plants with technical and economic point of view. This will also impact Turkey's energy strategy targets of increasing the share of wind energy in total energy production.
The reliable production level of wind power in the national network should be identified both regional and national basis. Technically available wind power capacity can be determined correctly only with the evaluation of all power system constraints together with regional wind data. Thus, strategies and investment plans related to wind power plants can be formed.
In this thesis, technical and economic parameters related to grid connection of wind power plants have been identified. As the selection of technical parameters, regional meteorological data, different wind power plant technologies, hub levels to install the turbine and network constraints are taken into account. As the economic data, the production models depending on the manufacturing parameters of different wind power plant technology, infrastructure costs necessary for the installation of a power plant site, costs of land, the unit costs of energy production of the power plants and integration costs of wind power plants to the network are taken into account.
The relation between the determined technical and economic parameters have been introduced in a systematic way and an optimization algorithm have been prepared. As a result of implementing the optimization algorithm, the maximum number of wind power plant that can be connected to the system has been identified. The number of stations that can be connected to the bus in the region has been defined based on the unit cost of production and a bus connection configuration map of the area has been prepared. The bus connection configuration has been recalculated for each technology. After adding candidate power plants into the power system, power plant positioning is optimized according to Bender decomposition method using integer linear programming and linear programming methods. As a result of optimization, the most suitable connection configuration for the selected region has been revealed by evaluating the investment and production costs together. The number of power plant to be connected to each bus and the most economic number of power plants that can be connected in total has been defined by considering the current state of the system.
In this thesis, an algorithm that determines the most appropriate number of power plant to be connected for any area together with optimum investment costs according to the type of technology determined in the light of the region's wind data and the data of the energy transmission system.
Keywords: Determination of the wind energy potential, grid connection, optimal site matching, The use of renewable energy sources