Yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı üretim tesislerini içeren güç sistemlerinde optimum yedek rezerv miktarının belirlenmesi
Determination of the optimum spinning reserve requirements in power systems including renewable energy sources
Yazar: ALİ AJDER
Danışman: PROF. DR. SELİM AY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç sistemleri = Power systems ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Elektrik güç sistemlerinin işletilmesinde elektrik enerji arzının güvenliği için ihtiyaç duyulan yedek rezerv miktarının belirlenmesi, ekonomik ve teknik açıdan çok önemlidir. Son yıllarda güç sistemlerine daha fazla yenilenebilir enerji kaynaklarının dâhil olmasıyla, bu kaynakların çıkış güçlerindeki belirsizlik ve değişkenlik sistemde bir takım riskleri arttırmıştır. Belirsizlik, güneş ışınımı, sıcaklık, rüzgâr hızı gibi meteorolojik parametrelerin tahminindeki hataları; değişkenlik ise rüzgâr enerji sistemi (RES) ve güneş enerji sistemlerinin (GES) çıkışlarının fosil yakıtlı kaynaklar gibi kararlı olmamasını ifade eder. Bu iki problemden dolayı enerji arz ve talebini dengelemede kullanılan yedek rezerv kapasitesini belirlemede yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulmuştur. Sonuç olarak analizi zaten son derece karmaşık olan güç sistemlerinde rezerv belirleme problemi, yüksek kapasiteli RES ve GES barındıran sistemlerde çok daha karmaşık bir hal almaktadır.
Bu çalışmada öncelikle enerji piyasalarından bahsedilmiş, yenilenebilir enerji kaynaklarının rezerv ihtiyacının belirlenmesine etkisi tartışılmış, rezerv hesaplarında kullanılan yöntemler ve yaklaşımlar açıklanmıştır. Daha sonra, yedek rezervin Amerika, Avrupa ve ülkemizdeki farklı tanımlarına yer verilmiştir. Dünyada ve ülkemizde elektrik piyasası gelişimi özetlenerek, Gün Öncesi Piyasası, Gün İçi Piyasası ve Dengeleme Güç Piyasası işleyişleri açıklanmıştır.
Çalışmanın uygulama kısmında The Institute of Electrical and Electronics Engineers Güvenirlilik Test Sisteminin (IEEE RTS) 24 baralı güncelleştirilmiş versiyonunda farklı rezerv belirleme metotları kullanılarak optimum rezerv miktarı hesaplamaları yapılmıştır. RES ve GES'ler için mevcut verilerin istatistiki analizi ile mevsimlere göre 24 saatlik senaryolar oluşturulmuştur. IEEE RTS için verilen örnek mevsimsel yük profilleri ile deterministik ve stokastik yöntem çözümleri karşılaştırılmıştır. Çalışmanın sonuçları RES ve GES'lere ait senaryolar ve sistemdeki beklenmedik durumların olasılıklarının dâhil edilebildiği stokastik yöntem kullanmanın önemini göstermiştir. Son olarak toplam işletme maliyetini minimumda tutacak optimum rezerv miktarını dikkate alan rüzgar ve güneş kapasitesi hesaplanmıştır.

Abstract:
In operation of electric power systems, it is essential to determine the optimum amount of reserve requirements for the security of electricity supply both economic and technical view. The increasing penetration of renewable energy sources to power systems over the last decades creates some risks due to the variability and uncertainty of output power of these sources. Uncertainty defines the errors in estimating meteorological measurements such as solar radiation, temperature and wind speed; variability defines the fluctuating of the output of wind and solar energy systems unlike fossil fueled power plants. The balancing of energy supply and demand have been need to novel approaches because of these two problems. As a result, the determination of reserve requirements, which is ever difficult, has become more complicated with penetration of large-scale renewables to power systems.
In this study, first of all energy markets are mentioned, the effect of renewable energy sources on determining of reserve requirement is discussed, the methodologies used in reserve calculations and approaches are explained. Secondly, the different definitions of operation reserves in USA, Europe and our country are given. The development of energy market around the world and in our country is summarized and the operations of Day Ahead Market, Intra-Day Market and Balancing Market are explained. 
In case study, the optimum reserve requirements are calculated in a 24 bus updated version of The Institute of Electrical and Electronics Engineers Reliability Test System (IEEE RTS) using different methods. The power of wind and solar scenarios are defined using statistical analysis of given data. Deterministic and stochastic solutions are compared for different load profiles which are given based on seasons for IEEE RTS. The results of the study show that it is essential to use stochastic methods which can be added scenarios for renewables and contingencies in power systems including large scale wind and solar energy systems. Finally maximum capacity of wind and solar power are calculated considering optimum reserve capacity for minimum operating cost.