Mobil batarya enerji depolama sistemleri kullanılarak dağıtım sistemi işletiminin iyileştirilmesi ve sistem üzerindeki etkilerinin analizi
Improvement of distribution system operating using mobile battery energy storage systems and analysis of its effects on the system
Yazar: OĞUZHAN KARAHAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Dağıtım sistemleri = Distribution systems ; Depolama sistemleri = Storage systems ; En iyileme modeli = Optimization model

Özet:
Gün geçtikçe nüfus artışı ile birlikte teknolojinin de ilerlemesi, elektrik enerjisine olan ihtiyacı artırmıştır. Güncellenen dünyada, elektrik enerjisinin optimum kullanımı için çok çeşitli planlamalar yapılmaktadır. Önceki yıllara ait veriler kullanılarak ileriye dönük kısa veya uzun vadeli enerji tahminleri yapılmaktadır. Elektrik enerjisinin üretiminden tüketimine kadar her kademesinin optimum bir şekilde çalışmasını sağlayan birçok Enerji Yönetim Sistemi (EYS) vardır. Elektrik enerjisinin üretiminde birçok farklı kaynak kullanılmaktadır. Günden güne artan elektrik enerji ihtiyacı, sınırı olmayan enerji üretim kaynaklarının kullanımını arttırmaktadır. Güneş ve rüzgar gibi kaynaklardan elektrik enerjisinin üretildiği Yenilenebilir Enerji Sistemi (YES) birimleri yaygınlaşmaktadır. Elektrik enerjisi yüksek gerilim kademelerinde iletilerek son tüketiciye dağıtım sistemleri aracılığıyla ulaştırılmaktadır. Elektrik dağıtım sistemleri, birçok şebeke yapısıyla işletilebilmektedir. Sistemdeki tüketicinin sayısına ve profiline uygun olarak farklı şebeke yapıları kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi üretildiği an tüketilmesi gereken bir enerji türüdür. Ancak, planlamalara uymayan sonradan eklenen yükler ve arıza durumlarında sisteme yardımcı bir güç kaynağı destek vermelidir. Bu noktada, Enerji Depolama Sistemi (EDS) birimleri önemli rol oynamaktadır. Enerjinin depolanma teknolojisine göre birçok çeşidi bulunan EDS'lerden bu çalışmada, Batarya Enerji Depolama Sistemi (BEDS) incelenmiştir. Elektrikli araçların artması ile birlikte batarya teknolojisine ilgi artmıştır. Yenilenen batarya teknolojisi, farklı kapasitelerde enerji depolanması fırsatı sunmaktadır. Kullanılan batarya türüne ve hareket etme özelliğine göre farklı türleri bulunan BEDS'ler, EYS'ler için önemli bir araç haline gelmiştir. Hareket etme özelliğine göre sabit ve mobil olmak üzere iki çeşidi bulunan BEDS'lerin birçok avantajı bulunmaktadır. Çoğu uygulama alanı ortak olsa da hareketli olma özelliğinden dolayı Mobil Batarya Enerji Depolama Sistemi (MBEDS)'nin kullanım alanı daha fazladır. Elektrik enerjisi üretim-dağıtım ağındaki çoğu birim için çeşitli faydaları bulunmaktadır. Gelişimi devam eden güncel teknoloji olan MBEDS'ler için literatürde birçok çalışma vardır. YES birimlerinin kesintili enerji üretimi nedeniyle bulundukları güç şebekesine MBEDS'ler ile entegre edilmektedir. Hareketli olma özellikleri sayesinde güç şebekesinde herhangi bir kısa devre arızası anında şebekeye ada işletimi sağlayabilmektedirler. Dağıtım sistemlerine entegre edildiklerinde gerilim düşümü ve güç kaybı gibi sistem parametrelerine etki etmektedirler. Günün herhangi bir anında meydana gelen puant yükü azaltmak için MBEDS'ler kullanılabilmektedir. Böylece tampon görevi üstlenerek güç şebekesi rahatlatılmaktadır. Elektrikli araçların şarj istasyonları olma görevi de edinebilmektedirler. Çalışmadaki analizlerde kullanılan yöntemler tanıtılmıştır. Dağıtım sistemi üzerine yapılacak analizlerde sistem parametrelerini belirleyebilmek için güç akışı analizi yapılması gerekmektedir. Güç akış analizinin akış diyagramı verilerek analizde kullanılan parametrelerin matematiksel modellemeleri verilmiştir. Kısa devre analizi de aynı şekilde anlatılmış ve matematiksel modellemesi verilmiştir. Son olarak eniyileme çalışmasında kullanılan algoritmanın yapısı ve işleyişi anlatılmıştır. Genel olarak algoritmaya ait akış diyagramı verilmiştir. Çalışmada, MBEDS'lerin dağıtım sistemindeki parametreler üzerine etkileri incelenmiştir. Ayrıca, çeşitli uygulama alanlarına ait örnekler verilmiştir. Analizlerde MBEDS'ler, IEEE 13 baralı test sistemine ve IEEE Avrupa alçak gerilim test sistemine entegre edilmiştir. Şebekede beklenmedik bir durumda devreye girerek tampon görevi üstlenebilen MBEDS'ler, kullanılan bu test sistemlerinde de böyle bir durumda devreye alınmıştır. Çeşitli senaryolar üretilerek MBEDS'lerin dağıtım sistemindeki gerilim düşümü, güç kaybı ve kısa devre akımına etkileri incelenmiştir. Farklı gerilim kademelerindeki MBEDS davranışı incelenerek puant yük azaltmaya uygun bir örnek sunulmuştur. Ayrıca çalışmada, MBEDS'lerin dağıtım sistemi işletimini iyileştirmesi incelenmiştir. Farklı senaryolar için eniyileme çalışması yapılmıştır. MBEDS'lerin en uygun konumlandırmaları ve minimum güçleri belirlenmiştir. Analizlerde, güç akışı analizi için OpenDSS programı kullanılmıştır. Açık kaynak olan bu programın kütüphanesinde bulunan IEEE test sistemleri kullanılmıştır. Statik ve dinamik gibi birçok çözüm modu sunan programda senaryolara ve yük durumlarına göre mod değiştirilmiştir. Ayrıca test sistemine entegre edilen MBEDS'ler için uygulama alanına göre uygun modlar çalıştırılabilmektedir. Çalışmada, zaman modu ve puant yük azaltma modu kullanılmıştır. Eniyileme çalışmalarında Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. Eniyileme yapabilmek için MATLAB R2020b programından faydalanılmıştır. COM arayüzü sayesinde OpenDSS uygun kodlamalar yapılarak MATLAB ile çalıştırılmıştır. Değişkenler, kısıtlar ve amaç fonksiyonu gibi bilgiler yazıldıktan sonra eniyileme çalışması için MATLAB'te yer alan Optimization Toolbox arayüzü kullanılmıştır. Popülasyon sayısı, nesil sayısı ve seçim kriteri gibi bilgiler bu arayüzden ayarlanabilmektedir. Eniyileme sonucunun gösterildiği grafiğin elde edilmesi de bu arayüzden talep edilmektedir. Çalışmanın sonunda, analizlerde elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. MBEDS'lerin birçok uygulama alanındaki önemi vurgulanmıştır. MBEDS'lerin sistem parametrelerine etkileri birçok yönden yorumlanmıştır. Çalışmada ulaşılmak istenen ve sonuçlanan değerler karşılaştırılmıştır. Çalışmanın geliştirilmesi gereken yönler belirtilerek önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
With the increase in population day by day, the advancement of technology has increased the need for electrical energy. In the updated world, various plans are made for the optimum use of electrical energy. Using data from previous years, prospective short or long-term energy forecasts are made. There are many Energy Management Systems (EMS) that ensure the optimum operation of every stage of electrical energy from production to consumption. Many different sources are used in the production of electrical energy. The need for electrical energy, which is increasing day by day, increases the use of unlimited energy production resources. Renewable Energy System (RES) units, in which electrical energy is produced from sources such as sun and wind, are becoming widespread. Electrical energy is transmitted at high voltage levels and delivered to the end consumer through distribution systems. Electricity distribution systems can be operated with many network structures. Different network types are used in accordance with the number and profile of the consumer in the system. Electrical energy is a type of energy that must be consumed as soon as it is produced. However, an auxiliary power supply should support the system in case of additional loads and failures that do not comply with the plans. At this point, Energy Storage System (ESS) units play an important role. In this study, the Battery Energy Storage System (BESS), which is one of the ESSs that has many types according to the energy storage technology, has been examined. With the increase in electric vehicles, interest in battery technology has increased. The renewed battery technology offers the opportunity to store energy in different capacities. BESSs, which have different types according to the type of battery used and their mobility, have become an important tool for EMSs. There are many advantages of BESSs, which have two types as static and mobile according to their ability to move. Once the Static Battery Energy Storage System (SBESS) is placed in a designated location, it is not moved. After it is connected to the network, its operation is carried out only from that location. Although most of the application areas are common, the Mobile Battery Energy Storage System (MBESS) has a wider application area due to its mobility. There are various benefits for most units in the electrical power generation-distribution network. Although the mobility feature has negative effects such as cost and traffic, it provides flexibility in terms of mobility. There are many studies in the literature for MBESS, which is an actual technology that continues to develop. Due to the intermittent power generation of RES units, MBESS are integrated into the power grid where they are located. Thanks to their mobility feature, they can provide island operation to the grid in case of any short-circuit fault in the power grid. When integrated into distribution systems, they affect system parameters such as voltage drop and power loss. MBESSs can be used for peak shaving. Thus, the power grid is relieved by acting as a buffer. They can act as charging stations for electric vehicles. The methods used in the analyzes in the study are introduced. In the analyzes to be made on the distribution system, power flow analysis is required to determine the system parameters. The flow chart of the power flow analysis is given and the mathematical models of the parameters used in the analysis are given. In order to determine the system parameters such as voltage drop and power loss, the line impedance between the nodes must be found first. Then, the node voltages should be calculated by considering the values at the nodes named differently according to the known values. Considering the source voltage, the voltage drop at each node should be found and compared with the value allowed in the regulation. In power loss calculations, it is necessary to know the power produced from the node and the power demanded from the node. Short circuit analysis is also explained in the same way and its mathematical modeling is given. A simple short-circuit current equation is given based on the source voltage and line impedance. Finally, the structure and operation of the algorithm used in optimization are explained. The steps of the algorithm are explained. It is stated that different methods can be used at these stages. In general, the flow chart of the algorithm is given. In the study, the effects of MBESSs on the parameters in the distribution system were investigated. In addition, examples of various application areas are given. In the analyses, MBESSs are integrated into the IEEE 13 buses test system and the IEEE European low voltage test system. MBESSs, which can act as a buffer by activating in an unexpected situation in the network, were also activated in such a situation in these test systems. In the case studies, it is assumed that there is a power outage during a specified time of the day and an overload occurs when the energy is restored. Various scenarios have been produced according to the positioning of MBESS on different buses and overloading. The effects of MBESSs on voltage drop, power loss and short circuit current in the distribution system are investigated. Although the voltage level in the buses does not remain within the limits due to overload, the voltage profile conforming to the regulation has been obtained with the addition of MBESS to the system. It has been clearly seen that the total power loss value in the system is also reduced with MBESS integration. It has been observed that the addition of MBESSs to the test system feeds the short-circuit current in the system. In addition, optimization studies were carried out for different scenarios in the study. In the test system, the positions and powers of elements such as capacitor and MBESS, which affect the voltage profile, are determined as variable. Optimization is carried out for the objective function produced due to voltage drop and power loss. Optimum positioning and minimum capacities of MBESSs have been determined. An example suitable for peak shaving is presented by examining the behavior of MBESS at different voltage levels. OpenDSS program was used for power flow analysis. IEEE test systems in the library of this open source program were used. In the program, which offers many solution modes such as static and dynamic, the mode has been changed according to scenarios and load situations. Since the IEEE 13 buses test system has loads that do not change with time, results were obtained in static mode. However, since there are daily minute-dependent loads in the IEEE low voltage test system, the daily mode was used. In short-circuit analysis, on the other hand, dynamic mode was used to see the instant result clearly. In addition, there are suitable operating modes for MBESS integrated into the test system according to the application area. In the voltage profile analysis, analyzes were carried out using the time mode. Peak shaving mode, in which the desired power value can be defined, is used for the peak shaving process. Genetic Algorithm (GA) was used in the optimization studies. MATLAB R2020b program was used for optimization. Thanks to the COM interface, OpenDSS was run with MATLAB by making appropriate coding. After writing the information such as variables, constraints and objective function, the Optimization Toolbox interface in MATLAB was used for the optimization study. Information such as population number, generation number and selection criteria can be adjusted from this interface. Obtaining the graph showing the optimum result is also requested from this interface. At the end of the study, the results obtained in the analyzes were evaluated. The importance of MBESS in many application areas has been emphasized. The effects of MBESSs on system parameters have been interpreted in many ways. In the study, the desired and resulting values were compared. Suggestions were made by specifying the aspects that need to be developed in the study.