Rüzgar santrallerinin güç sistemine entegrasyonu ve şebeke yönetmeliğine göre analizi
Power system integration of wind farms and analysis of grid code requirements
Yazar: BERK RONA
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Rüzgar enerjisinin güç sistemlerinde kullanımının küresel çapta artmasına paralel olarak Türkiye'de de son yıllarda rüzgardan elde edilen elektrik enerjisi oldukça artmıştır. 2005 yılında sadece 20 MW olan rüzgar gücü günümüzde 2689 MW ile tüm ihtiyacın %4,3'ünü karşılar hale gelmiştir. Büyük çoğunluğunu konvansiyonel santrallerin oluşturduğu güç sisteminde, kaynağı değişken olan rüzgar santrallerinin ilk zamanların aksine artık iletim sistemine bağlanmasıyla beraber gerilim dengesi konusu önemli hale gelmiştir. Teknolojideki gelişmeler rüzgar türbinlerinde frekans çeviricilerinin kullanımını arttırdığından modern rüzgar türbinlerinde değişken hız ile güç kontrolü vazgeçilmez bir özellik olmuştur. İlk zamanlarda dağıtım sistemine bağlanan rüzgar santralleri için sadece gerilim kalitesi bir önkoşul iken değişen yönetmelikler ile beraber rüzgar santrallerinin güç sisteminin dengesi konusunda katkı yapması beklenmektedir.
Rüzgar santrallerinin şebeke ile entegrasyonunda santralin bağlanacağı baranın kısa devre gücü ve şebeke empedans açısının yanında rüzgar türbini karakteristikleri de belirleyici bir unsurdur. IEC 61400-21 standardına göre rüzgar türbinlerinin güç kalitesi karakteristikleri ve güç sistemi ile olan etkileşimi incelenmektedir. Gerilim kalitesi bakımından yavaş gerilim değişimleri, fliker, gerilim düşümü ve harmonikler standartta belirtilen koşullara göre ölçülür ve değerlendirilir. Rüzgar santrallerinde aktif/reaktif güç kontrolü ve arıza anında sisteme katkı güç sisteminin dengesinin sağlanmasında önem teşkil etmektedir. Yeni şebeke yönetmeliklerine göre bir rüzgar santrali güç sistemine bağlanmadan önce gerekli analizler yapılarak istenilen şartlara ne ölçüde uyum sağladığı araştırılır.
Bu çalışmada bilgisayar ortamında Trakya bölgesinin iletim sistemi modellenerek sisteme entegre olacak bir rüzgar santralinin şebeke yönetmeliğine göre uygunluğu araştırılmıştır. Yük akışı analizi, arıza sonrası sisteme katkı, reaktif güç kapasitesi, reaktif güç desteği, aktif güç kontrolü ve frekans tepkisi incelenip rüzgar santralinin şebeke yönetmeliğindeki koşulları sağladığı görülmüştür. Ayrıca farklı rüzgar türbini tiplerinde ve farklı santral güçlerinde sonuçların nasıl değiştiği analiz edilip yönetmeliğin sağlanmadığı durumlarda çözüm önerileri sunulmuştur.

Abstract:
The percentage of the common used electrical energy, produced by the wind turbines, has been increased globally and also in Turkey in the last years. It was only 20 MW in the year 2005 but nowadays wind energy is going to provide 4,3% of the whole demand with 2689 MW. The power system is consisting of mostly with the conventional power plants. The wind energy could not be connected initially together with national transmission system. To make possible a national connection with this variable sourced wind energy, now is the time to talk about the stability of voltage. The innovation of technology for the frequency converters has essential supported the power control with variable speed drives on the wind turbines. The only expectation was at the beginning the quality of the voltage. However, by changing the rules and standards the wind turbines are forced now to improve the stability of the power systems.
In the integration of wind farms with the power grid, wind turbine power quality characteristics is an important factor as well as short circuit power and phase angle of the grid. According to IEC 61400-21 standard, power quality characteristics of wind farms and the interaction with the power system were investigated. In respect to voltage quality, small voltage variations, flicker, voltage dips and voltage harmonics measurements and assessments were studied with regard to stated circumstances in the standard. In addition, active/reactive power control and low voltage ride through capability are very critical to ensure the power system stability. The existing grid codes demand that wind farms should contribute to power system control with frequency and voltage control to behave much as conventional power plants. Technical requirements about grid codes regarding the connection of wind farms to the power system have a crucial impact on designing the wind farm.
In this research, grid code compliance of under construction grid connected wind farm was studied by modeling the transmission system of Trakya region. Firstly, load flow analysis has been done and it was seen that voltage variations at the point of common coupling were within in the acceptable limits. However, if rated power of the plant has been increased, the usage factor of the transmission lines were changed substantially which are located near the PCC. Secondly, low voltage ride through capability analysis of present permanent magnet synchronous generators with full convertor showed that the wind farm consisted of PMSG is capable of grid code about LVRT. On the other hand, fixed speed SCIG can be suitable in case of using with a STATCOM or any other FACTS equipments. In steady-state analysis, reactive power capacity of wind farm was investigated with regard to grid code conditions. According to amount of active power generation, wind farm should be capable of absorbing or producing minimum reactive power amount that defined in the grid code. In the analyses it was seen that wind farm rated power, short circuit power and phase angle limited the reactive power capacity. The required active power control and frequency response were explained in respect to grid code. For operation during grid voltage faults it becomes clear that grid codes prescribe that wind turbines must stay connected to the grid and should support the grid by generating reactive power to support and restore quickly the grid voltage after the fault. It is resulted that the analyzed wind farm is suitable with grid code. Furthermore, it was also analyzed how the results are affected in the event of different wind turbines and different wind farm capacity. Resolution advices were presented according to simulation results.