Elektrik dağıtım sistemlerinde gerilim profilinin, güç kayıpları ve maliyet minimizasyonunun dağıtık üretim kaynakları ve kademe değiştiriciler ile iyileştirilmesi
Minimization of voltage deviation, power losses and cost by using tap changers and distributed generators in electrical distribution systems
Yazar: FUNDA DAYLAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CANAN KARATEKİN ; YRD. DOÇ. DR. OĞUZHAN CEYLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte artan enerji tüketimi elektrik şebekelerinin yenilenmesi ihtiyacını da beraberinde getirmiştir. Artan ihtiyacı karşılamak için akıllı şebekeler konusu gündeme gelmiştir. Bu tezde akıllı şebekeler konusunun bir parçası olan dağıtım sistemlerinin geliştirilmesi üzerinde durulmuştur. Dağıtım şebekelerinde yapılan değişiklikler neticesinde karşılaşılabilecek problemlerden bahsedilmiş bu konuda yapılan çalışmalar aktarılmıştır.

Bu çalışmada kullanılan çok amaçlı eniyileme probleminde amaç fonksiyonları: 1) Gerilim profilinin düzeltilmesi, 2) Güç kayıplarının azaltılması, 3) Maliyetin azaltılmasıdır. Bu amaçları gerçekleştirmek için sistem üzerinde değişiklik yapmadan önce şebekedeki baraların gerilim profilleri ve kayıp değerleri incelenmiştir. Baraların gerilim profillerini ve kayıp değerlerini elde edebilmek için otuzüç baralı bir radyal dağıtım sisteminin saatlik yük akış analizi yapılmıştır. Gerilimin 1 pu değerinden uzaklaştığı baralarda gerilimi yükseltmek için, uygun bulunan baralara dağıtık üretim kaynağı ve kademe değiştirici eklenerek gerilim profili düzeltilmiştir, kayıplar ve maliyet azaltılmıştır.

İlk olarak hem dağıtık üretim kaynağının hem de kademe değiştiricinin olmadığı durumda yük akış analizi yapılmış, her saat için her baradaki gerilim değeri, gerilim profili, toplam güç kaybı, ve güç profili bulunmuştur. Elde edilen gerilim profili incelenerek, hangi saatte hangi barada en fazla gerilim dalgalanması olduğu bulunmuştur.

Sonuçlar göz önünde bulundurularak, 3 farklı durum için benzetim yapılmıştır. Uygun bulunan baralara gerilim profilini düzeltmek ve güç kaybını azaltmak için ilk olarak sadece kademe değiştirici ikinci olarak sadece dağıtık üretim kaynağı ve üçüncü olarak hem dağıtık üretim kaynağı hem de kademe değiştirici eklenmiştir. Eklenen kademe değiştirinin değeri ve dağıtık üretim kaynağının aktif ve reaktif güç çıkışları eniyileştirilmiştir. İkinci durumda eklenen dağıtık üretim kaynağının aktif gücü 200kW olduğu durumlarda en uygun olan reaktif güç değerleri MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Benzer şekilde, birinci durumda sadece kademe değiştirici eklenmiş, en uygun kademe değiştirici değeri MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Üçüncü olarak hem dağıtık üretim kaynağı hem de kademe değiştirici eklenmiş, dağıtık üretim kaynağının maliyeti minimize eden aktif güç değeri, dağıtık üretim kaynağının reaktif güç değeri aynı zamanda en uygun kademe değiştirici değeri yine MATLAB'da NSGA II yazılımı kullanılarak bulunmuştur. Üçüncü durumda sisteme eklenen dağıtık üretim kaynaklarının belirlenen aktif ve reaktif güç değerleri ile sisteme eklenen kademe değiştiricilerin kademe değerleri kullanılarak yük akış analizi yapılmış, sonuçta gerilim profilinin düzeldiği ve güç kaybının azaldığı görülmüştür.

Bütün durumlar için, eniyileme sonucunda bulunan değerler kullanılarak yük akış analizi yapılmıştır. Sistem değiştirildikten sonra gerilim profilinin düzenlendiği, güç kayıplarının ve maliyetin azaldığı görülmüştür.

Benzetim sonuçları karşılaştırıldığında, daha iyi gerilim profilinin, daha az güç kaybının sadece gerilim regülatörü eklendiği durumda olduğu görülmüştür.

Uzun vadede durum incelendiğinde, yenilenebilir enerji kaynağının daha ekonomik ve çevreyi korumak için daha iyi olduğu bilinmektedir. Ayrıca yenilenebilir enerji kaynakları limitsizdir. Gerilim regülatörü ise mekanik bir ekipmandır ve uzun zaman kullanıldığında bozulabilir. Ayrıca gerilim regülatörü pahalıdır. Bu nedenlerden dolayı sisteme dağıtık üretim kaynağı eklemek daha avantajlıdır.

Dağıtık üretim kaynağının sisteme eklenmesi, verimli olarak kullanılması, dağıtık üretim kaynağının aktif ve reaktif çıkışlarının optimize edilmesi, sistemde değişiklik yapılmasından sonra ortaya çıkabilecek problemler bu çalışmada açıklanmıştır.

Ayrıca, kademe değiştiricilerin sisteme eklenmesi, verimli olarak kullanılması, sistemde değişiklik yapılmasından sonra ortaya çıkabilecek problemler de bu çalışmada açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler : Dağıtım sistemlerinde gerilim profilinin düzeltilmesi, dağıtım sistemlerinde güç kayıplarının azaltılması, dağıtım sistemlerinde maliyetin azaltılması, çok amaçlı fonksiyonların eniyilemesi

Abstract:
With the development of technology energy consumption and power demand are increased. The need for innovation of the electricity network has occurred. Power distribution system is becoming a more complex task in power system engineering. Because of the increased necessity, title of smart grid came to the fore.

In this thesis, distribution systems which is a part of smart grid, have been emphasized. The changes in the distribution systems and the problems which may occur has been mentioned. Studies on this subject have been transferred. One of the most important task in this manner is voltage regulation. Especially in residential areas loads in power distribution system is directly dependent on daily consumption of electrical power. Besides that the integration of distributed generation effects the voltage profile. It may cause several problems such as high voltage fluctuations, power losses need to be solved. To overcome this problems tap changers of voltage regulators are preffered. However, due to the mechanical constraints, the number of operations of tap changers is limited. The active and reactive power outputs of the distributed generators are used to reduce the voltage fluctuations and decrease the active power losses.

A multiobjective optimization problem and pareto front are explained. Optimization solution methods are mentioned. In this study genetic algorithm technique and NSGA (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) II toolbox are used.

To get voltage profile and power loss values, load flow simulation is runned. Forward and backward iteration methods are used to do load flow analysis. Objective function code is formed to solve multiobjective optimization problem. Objective function code includes load flow analysis code. Objective function contains the power flow code for IEEE 33 bus test system.

In this study daily simulation is performed. Voltage values and power losses for each bus are found. After that buses which will include tap changer or distributed generator are determined.

The boundary values for tap changer and distributed generator are writed manually. The boundary value for distributed generator is determined by using the voltage profile of IEEE 33 bus test system.

All simulations are performed in Matlab. Daily load profiles of the buses are created by using hourly load data and the test system is modified to include several voltage regulators and DGs. The multiobjective optimization model is solved with hourly intervals. The numerical simulations are performed by using the NSGA II toolbox.


This study solves a daily multiobjective optimization model. The objective functions which are used in this study: 1) Regulation of the voltage profile, 2) Minimization of the active power losses, 3) Minimization of the cost. To realize these objectives first of all, voltage profiles and active power losses are obtained for 33 bus test system. To get voltage profile and power loss profile of buses load flow simulation is runned for 33 bus radial distribution system. To close the voltage value to 1 pu, tap changers and distributed generators are added to the system. Thus voltage is regulated, power loss and cost is minimized.

Firstly, load flow simulation has been done for distribution systems to determine the buses which have maximum voltage drop. For each hour, voltage profile for each bus, total power loss, and power profile have been found. By using the voltage profile, maximum voltage drop for which hour in which bus, has been investigated.

Three different cases were simulated: initially taps of voltage regulators were taken into consideration, then reactive power outputs of DGs were adjusted, and finally, both tap positions of the voltage regulators and active and reactive power outputs of DGs were optimized.

In order to regulate voltage profile for buses, and decrease lost power firstly only tap changers, secondly only distributed generators and thirdly, both distributed generators and tap changers are added.

In case 2, for the added distributed generators which has 200kW active power, suitable reactive power value has been found by using MATLAB-NSGA II.

In a similar way, in case 1 only tap changers are added and suitable values has been found by using MATLAB-NSGA II.

In case 3 both distributed generators and tap changers have been added and active power value which minimize cost of distributed generators , reactive power value for distributed generators, an also appropriate values for tap changers have been found by using MATLAB-NSGA II. In case 3 by using the found values for distributed generators and tap changers, load flow simulation is runned. It is seen that voltage profile is regulated and power losses is minimized.

For all cases, values which are found after the optimization is used for load flow simulation. And it is seen that after the modificication of the system voltage profile is regulated, power loss is minimized and cost is minimized.

When the simulation results are compared, results show that better voltage profiles with less power losses and costs might be obtained by adding the voltage regulators.

In long term adding renewable energy source is economical and it is better for environment. Additionally, renewable source is limitless. Voltage regulator is mechanical device and in long term it may break down. Moreover, voltage regulator is expensive. Because of these reasons adding distributed generator to the electrical distribution systems is desired.

Adding the distributed generator to the electrical power system, using distributed generator efficiently, optimizing the distributed generator active and reactive power output, the problems which may occure after the modification are explained in this study.


Additionally, adding the tap changer to the electrical power system, using tap changer efficiently, optimizing the tap changer, the problems which may occure after the modification are explained.

Key words : voltage regulation for distribution systems, minimizing the power loss for distribution systems, minimizing the cost for distribution systems, multiobjective optimization