Afet sonrası durumlarda yenilenebilir enerji kaynakları ve elektrikli taşıtların kullanıldığı tüketim merkezleri için enerji yönetim sistemi geliştirilmesi
Development of energy management system for load centers with renewable energy resources and electric vehicles in post-disaster situations
Yazar: ALPER KAĞAN CANDAN
Danışman: PROF. DR. NEVZAT ONAT ; DOÇ. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde, doğal afetlerin sıklığı ve şiddetindeki artış, enerji altyapılarında ciddi aksamalara neden olmakta, bu da bireylerin yaşam konforunu ve güvenliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Literatürde şebeke dayanıklılığını artırmaya yönelik çeşitli yöntemler, özellikle talep yanıtı ve yük atma gibi araçlarla ele alınsa da bireysel hane halkı seviyesinde enerji yönetimi üzerine yapılan çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu eksikliği gidermek amacıyla bu tezde, yenilenebilir enerji kaynakları (YEK), elektrikli araçlar (EA) ve çok seviyeli yük sınıflandırması gibi bileşenleri içeren yenilikçi enerji yönetim sistemleri tasarlanmış ve uygulanabilirlikleri değerlendirilmiştir.
Tez kapsamında ilk olarak, bir ev enerji yönetim sistemi (EEYS) tasarlanmıştır. Bu sistem, konutlarda bulunan cihazları kullanım önceliği seviyelerine göre sınıflandırarak ve EA bataryasının muhtemel kalan enerji değerlerini dikkate alarak dinamik bir yük kontrolü sağlamaktadır. EEYS, afet sonrası koşullarda beklenmedik enerji kesintilerine karşı yüklerin kesintisiz beslenmesini mümkün kılmakta ve kullanıcı konforunu en üst düzeye çıkarmaktadır. Sistem, gerçek zamanlı olarak yenilenebilir enerji üretimindeki değişikliklere ve beklenmedik tüketim artışlarına adapte olabilme yeteneğiyle ön plana çıkmaktadır. Sistem, en kötü senaryolarda dahi 24 saatlik süreler boyunca mevcut kaynakları etkili bir şekilde yöneterek, hanehalkının konforunu arttırmayı ve beklenmeyen kesintileri önlemeyi temel hedef olarak almaktadır. Önerilen sistem, geleneksel yöntemlere kıyasla kritik yükler için enerji tedarikinde 19,5 saatlik bir uzatma elde edebilmektedir. Dahası, önerilen EEYS, EA bataryasındaki tüm enerji rezervini tüketen geleneksel sistemlerin en az 14,35 km'lik bir afet sonrası hareketliliğe olanak tanıyan en az 2,67 kWh'lik bir enerji rezervi sağlamaktadır. Önerilen EEYS, ortalama olarak, kesintisiz enerji tedarikinin süresini %241 oranında iyileştirmekte ve belirli senaryolarda maksimum 4,71 kat iyileştirme sağlamaktadır.
Ayrıca, binalarda enerji kaynaklarının adil paylaşımını sağlamak için bir bina enerji yönetim sistemi (BEYS) geliştirilmiştir. Önerilen BEYS, afet sonrası senaryolarda farklı hane tiplerinden oluşan bir binada yaşayan bireyler arasında enerji kaynaklarının adil bir şekilde paylaşılmasını sağlamakta ve kullanıcı refahını en üst düzeye çıkarmayı hedeflemektedir. Bu bağlamda, hanelerin enerji ihtiyaçları ve yük profilleri ayrıntılı bir şekilde modellenmiş, sistemin optimizasyonu bir karmaşık tamsayılı doğrusal programlama (MILP) problemi çerçevesinde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sistemin enerji dayanıklılığını artırıcı etkileri adil paylaşım ve kullanıcı konforu açısından değerlendirilmiştir. Sistem, sakinler arasında fayda göstergesinin standart sapmasında %26,44'lük bir azalma sağlamaktadır. Bu iyileştirme, afet sonrası senaryolarda kesintisiz güç kaynağı süresini uzatırken adil enerji dağıtımını garanti etmektedir. Önerilen BEYS'nin enerji sürekliliğini %91,2 oranında uzattığı ve geleneksel yaklaşımlara kıyasla 11 saat 26 dakika daha kesintisiz tedarik sağladığı hesaplanmıştır. Ayrıca, EA bataryalarında 2 kWh'lik minimum rezervi koruyarak afet sonrası hareketliliği 10,75 km'ye kadar mesafelerde desteklemektedir.
Tezde ayrıca, adalar şeklindeki mikroşebekelerde dinamik sınırlar ve değişken güç kısıtlamalarına uyum sağlayan adaptif EEYS (A-EEYS) önerilmiştir. A-EEYS, mikroşebeke operatörleri tarafından uygulanan değişken güç kısıtlamalarını etkili bir şekilde yöneterek, afet sonrası durumlarda kullanıcıların yaşam kalitesini artırmayı hedeflemektedir. Dinamik yük kontrol algoritması sayesinde sistem, farklı senaryolara anında tepki verebilmekte ve kritik yüklerin enerji tedarik sürelerini önemli ölçüde uzatmaktadır. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, A-EEYS'in uygulanabilirliğini doğrulamış ve sistemin dayanıklılık artırıcı etkisini net bir şekilde ortaya koymuştur. Gerçek dünya koşullarında, A-EEYS enerji tedarik süresini geleneksel yöntemlere kıyasla 18 saat 26 dakika uzatabilmektedir. Deneysel doğrulama, EA batarya enerji tahminlerindeki sapmaların sadece %0,01 ile %1,03 arasında değişmesiyle olağanüstü bir doğruluk göstermektedir. Bu bulgular, A-EEYS'in sürekli güç tedarikini sağlama ve öngörülemeyen olaylara uyum sağlama konusundaki sağlamlığını ve güvenilirliğini vurgulamaktadır.
Bu tez, enerji yönetim sistemlerinin dayanıklılığı artırmadaki potansiyelini ortaya koyarak literatüre önemli katkılar sağlamaktadır. Yenilikçi tasarımlar ve optimizasyon algoritmaları sayesinde kritik yüklerin enerji arz süreleri uzatılmış, yenilenebilir enerji kaynaklarının etkili kullanımı sağlanmış ve enerji kaynaklarının adil paylaşımı gerçekleştirilmiştir. Sunulan sistemler, konutlarda afet sonrası enerji yönetimi için hem teorik hem de pratik anlamda uygulanabilir çözümler sunarak, bireysel ve toplumsal düzeyde enerji dayanıklılığının artırılmasına yönelik önemli bir adım teşkil etmektedir.

Abstract:
With the increasing frequency and intensity of natural disasters, energy infrastructure faces significant challenges, leading to disruptions that adversely affect the well-being and safety of individuals. Although numerous studies in literature address grid resilience through tools such as demand response and load curtailment, few have investigated energy management at the household level. To address this gap, this study proposes novel energy management system (EMS) frameworks that integrate renewable energy systems (RES), electric vehicle batteries (EVB), and multi-level load classifications to optimize energy utilization and ensure continuity under adverse conditions.
First, a home energy management system (HEMS) is introduced to dynamically control household loads based on their criticality and the predicted remaining energy (PRE) of EVBs. The proposed HEMS ensures uninterrupted power supply to critical loads during post-disaster conditions by periodically updating PRE values and adapting to real-time changes in energy generation and consumption. This system enhances occupant comfort and prevents unexpected interruptions by effectively managing available resources for 24-hour periods under the worst-case scenarios. The proposed system achieves a 19.5-hour extension in the energy supply for critical loads compared to conventional methods. Furthermore, the proposed HEMS ensures a minimum EVB energy reserve of 2.67 kWh, enabling post-disaster mobility of at least 14.35 km, which is unattainable with conventional systems that deplete the entire energy reserve. On average, the proposed HEMS improves the duration of uninterrupted energy supply by 241%, with a maximum improvement of 4.71 times in specific scenarios.
Furthermore, a building energy management system (BEMS) is developed to enhance resilience in multi-unit residential buildings during post-disaster events. The proposed BEMS ensures a fair share of benefits among occupants by leveraging a hierarchical structure and optimizing energy distribution based on the unique characteristics of each household. The system integrates rooftop photovoltaic (PV) systems as shared energy sources and EVBs as individual energy reserves. Using a mixed-integer linear programming (MILP) framework, the study models household load profiles and schedules energy distribution to maximize occupant well-being while maintaining fairness. The system achieves a 26.44% reduction in the standard deviation of benefit index among occupants. This improvement ensures equitable energy distribution while extending uninterrupted power supply during post-disaster scenarios. On average, the proposed BEMS extends energy availability by 91.2%, equating to an additional 11 hours and 26 minutes of uninterrupted supply compared to conventional approaches. Moreover, EVBs maintain a minimum reserve of 2 kWh, supporting post-disaster mobility for distances of up to 10.75 km.
Additionally, an adaptive HEMS (A-HEMS) is designed to address the challenges posed by variable power limitations and dynamic microgrid boundaries in islanded microgrids resulting from natural disasters. By employing a dynamic load control algorithm, A-HEMS improves the utilization of limited power resources while improving occupant well-being. Experimental validations confirm the system's ability to significantly extend the duration of energy supply and adapt to variable conditions, thereby ensuring continuity for critical loads and minimizing disruptions. In real-world conditions, the A-HEMS extends the duration of energy supply by 18 hours and 26 minutes compared to conventional methods. Experimental validation demonstrates exceptional accuracy, with deviations in EVB energy predictions ranging from just 0.01% to 1.03%. These findings underscore the robustness and reliability of the A-HEMS in ensuring continuous power supply and adapting to unforeseen events.
This dissertation makes significant contributions to the field of energy management by introducing dynamic and adaptive systems that address key challenges in post-disaster scenarios. The proposed frameworks effectively extend the duration of energy supply, optimize the utilization of renewable energy resources, and ensure equitable energy distribution. By demonstrating both theoretical advancements and practical applicability, this study provides robust solutions for enhancing energy resilience at the household and building levels, offering a substantial step forward in mitigating the impact of disasters on residential energy systems.