Güç sistemlerinde yenilenebilir enerjiye dayalı rezerv optimizasyonu
Reserve optimization based on renewable energy in power systems
Yazar: SERDAL ATİÇ
Danışman: DOÇ. DR. ERCAN İZGİ ; DOÇ. DR. MEHMET RIDA TÜR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Rezerv hesaplama modeli = Reserve calculation model ; Rezerv yönetimi = Reserve management ; Sistem güvenilirliği = System reliability ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Elektrik güç sistemlerinin işletilmesinde tüketilen enerji, üretilen enerji ile karşılanarak, frekans dengede tutulmakta ve arz güvenilirliği sağlanmaktadır. Bu dengenin sürekli olarak sağlanabilmesi için güç sistemine bağlı üretim birimlerinin üretim kapasitelerine ek olarak her an devreye alabilecekleri belirli bir miktarda rezerv tutmaları gerekmektedir. Bu rezervler ile oluşabilecek beklenmedik durumlar nedeniyle tüketiciye aktarılamayan enerji miktarının azalması sağlanmaktadır. Rezerv miktarının yüksek tutulması ile rezerv sağlama maliyeti artmakta; düşük tutulması ile de tüketiciye sağlanamayan enerji miktarı artmaktadır. Bu nedenle elektrik güç sistemlerinin ekonomik ve güvenilir bir şekilde işletilebilmesi için optimum rezerv miktarının belirlenmesi oldukça önemlidir. Ayrıca güç sistemlerindeki kullanımları hızlı bir şekilde artmaya devam eden rüzgâr ve güneş gibi kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen güçteki belirsizlik ve değişkenlik de rezerv miktarının belirlenmesinde dikkate alınmalıdır. Bu kaynakların kurulu güçteki payı arttıkça, güç sistemlerinin işletilmesinin karmaşıklığı da artmaktadır. Bu durum, güç sistemlerinde üretim ve tüketim dengesinin sağlanması amacıyla gereken rezerv kapasitesinin belirlenmesine yönelik yeni yöntemlerin geliştirilmesini zorunlu hale getirmektedir. Rüzgâr ve güneş gibi kesintili yenilenebilir üretim kaynaklarından elde edilen gücün doğru tahmini, bu kaynakların elektrik güç sistemlerine dâhil edilebilmesi için oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında, elektrik güç sistemleri için bir güvenilirlik kriteri olan sağlanamayan güç beklentisi bağıntısı, kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen güç ve güç sisteminde tüketilen güç tahmin hatalarını dikkate alan yeni bir yaklaşımla geliştirilmiştir. Önerilen yaklaşımda ileri seviye makine öğrenmesi yöntemleriyle yapılan üretilen rüzgâr ve güneş gücü ile güç sisteminde tüketilen güç tahminleri sağlanamayan güç beklentisi bağıntısına dâhil edilmiştir. Bu amaçla, tahmin doğruluğunu ölçen hata parametrelerinden biri olan, ortalama mutlak yüzde hata değeri kullanılmıştır. Geliştirilen sağlanamayan güç beklentisi bağıntısı, çalışmada önerilen akıllı rezerv planlaması yaklaşımında kullanılmıştır. Tahmin için kullanılan çok katmanlı algılayıcı, uzun-kısa süreli bellek ve evrişimsel sinir ağı yöntemleri ile başarılı tahmin sonuçları elde edilmiş ve bu sonuçlar karşılaştırılmıştır. Farklı yöntemler ile yapılan tahminler için akıllı rezerv planlaması yaklaşımı kullanılarak; tahmin doğruluğunun, rezerv gerekliliği ve toplam maliyetle ilişkisi ortaya konulmuştur. Tahmin yöntemleri arasında en doğru sonucu sağlayan evrişimsel sinir ağı yöntemi ile akıllı rezerv planlaması yaklaşımı kullanılarak; kesintili yenilenebilir enerji kaynağı penetrasyon miktarının, rezerv gerekliliği ve toplam maliyete etkisi incelenmiştir. Güç sistemi yöneticisi tarafından belirlenen, sistem güvenilirliği için izin verilen en yüksek sağlanamayan güç beklentisi değerinin arttırılmasının, yani sistem güvenilirliğinin azaltılmasının, rezerv gerekliliği ve toplam maliyet üzerindeki etkisi açıklanmıştır. Bu çalışmada, güneş ve rüzgâr gibi kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarının güç sistemlerine dâhil olması için faydalı bir öneri sunulmuştur. Bu tez çalışmasında öncelikle elektrik enerji piyasalarının yapısı ve işleyişi hakkında bilgilere yer verilmiş, frekans kontrolü için sağlanan hizmetlerden bahsedilmiş ve güvenilirlik kavramı açıklanmıştır. Sonrasında rüzgâr ve güneş enerji sistemlerine ilişkin temel kavramlara yer verilmiştir. Sonraki bölümde kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen güç ve tüketilen güç tahminleri içi kullanılan yöntemler açıklanmış ve bu yöntemlerle elde edilen tahminlere ilişkin sonuçlar değerlendirilmiştir. Son olarak tez çalışmasında önerilen akıllı rezerv planlaması yaklaşımı açıklanmış ve önerilen yaklaşım kullanılarak örnek güç sistemi için elde edilen sonuçlar tartışılmıştır.

Abstract:
The energy consumed in the operation of electrical power systems is met by the energy produced, keeping the frequency balanced and ensuring supply reliability. In order to ensure this balance continuously, the production units connected to the power system must keep a certain amount of reserves that they can put into operation at any time, in addition to their production capacity. These reserves reduce the amount of energy that cannot be transferred to the consumer due to unexpected situations that may occur. By keeping the reserve amount high, the cost of providing reserves increases, and by keeping it low, the amount of energy that cannot be provided to the consumer increases. Therefore, it is very important to determine the optimum reserve amount in order to operate electrical power systems economically and reliably. In addition, the uncertainty and variability in the power obtained from intermittent renewable energy sources such as wind and solar, whose use in power systems continues to increase rapidly, should also be taken into account when determining the reserve amount. As the share of these resources in installed power increases, the operational complexity of power systems also increases. This situation makes it necessary to develop new methods to determine the required reserve capacity in order to ensure the balance of production and consumption in power systems. Accurate estimation of the power obtained from intermittent renewable generation sources such as wind and solar is very important to include these sources in electrical power systems. In this thesis study, the expected power not served formula, which is a reliability criterion for electrical power systems, has been developed with a new approach that takes into account the power produced from intermittent renewable energy sources and the consumed power estimation errors. In the proposed approach, estimates of the wind and solar power produced and the consumed power, made with advanced machine learning methods, are included in the expected power not served formula. For this purpose, the mean absolute percentage error value, which is one of the error parameters measuring the prediction accuracy, was used. The developed expected power not served formula was used in the smart reserve planning approach proposed in the study. Successful prediction results were obtained with the multilayer perceptron, long-short term memory and convolutional neural network methods used for prediction and these results were compared. Using forecasts made with different methods in the smart reserve planning approach, the relationship between forecast accuracy, reserve requirement and total cost has been revealed. The effect of the intermittent renewable energy source penetration amount on the reserve requirement and total cost was examined by using the convolutional neural network method, which provides the most accurate result among the estimation methods, in the smart reserve planning approach. The effect of increasing the highest expected power not served value determined by the power system manager for system reliability, that is, reducing system reliability, on the reserve requirement and total cost is explained. In this study, a useful suggestion is presented for the inclusion of intermittent renewable energy sources such as solar and wind in power systems. In this thesis study, first of all, information about the structure and functioning of electrical energy markets is given, the services provided for frequency control are mentioned and the concept of reliability is explained. Afterwards, basic concepts regarding wind and solar energy systems are included. In the next section, the methods used to estimate the power produced from intermittent renewable energy sources and consumed power are explained and the results of the predictions obtained by these methods are evaluated. Finally, the smart reserve planning approach proposed in the thesis study is explained and the results obtained for the sample power system using the proposed approach are discussed.