Çok kaynaklı mikroşebekelerde aşırı akım koruma rölesi performans analizi
Performance analysis of overcurrent protection relay in multi source microgrids
Yazar: HABİP YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ÖMER USTA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikroşebekeler, elektrik üretiminin, dağıtımının ve tüketiminin bir arada yapıldığı ve gelecekteki enerji sistemlerinin önemli bir parçasını oluşturacak akıllı şebekelerdir. Çevreyi koruma bilincinin gelişmesi, yenilenebilir enerji kaynaklarına ulaşmanın kolaylaşması ve ucuzlaması, enerji verimliliğini yükseltme hedefi ve güç elektroniği/ otomasyon sistemlerinin gelişmesi mikroşebeke konseptinin yaygınlaşmasında etkili olmaktadır. 
Mikroşebekeler klasik dağıtım şebekelerine kıyasla bazı önemli avantajlara sahiptir. Klasik dağıtım şebekelerinde enerjinin farklı gerilim seviyelerine dönüştürülmesi ve iletimi sırasında meydana gelen kayıpların olmaması, çevreye verilen zararın çok düşük seviyelerde olması, erişimin çok zor olduğu bölgelerde klasik dağıtım şebekesine göre daha düşük yatırım maliyetiyle kurulabilmeleri ve enerji güvenilirligini yüksek oranda sağlayabilmeleri bu avantajlardan bazılarıdır.
Büyük avantajlarına rağmen mikroşebekeler üstesinden gelinmesi gereken bazı dezavantajlara da sahiptir. Klasik dağıtım şebekelerinde yüklere doğru tek yönde gerçekleşen enerji akışı, mikroşebekelerde yer alan dağıtık üretim kaynaklarının entegrasyonuyla artık şebekeye doğru da gerçekleşerek iki yönlü olacaktır. Bu durum koruma sistemlerinin ve koordinasyonunun yeniden yapılandırılmasını gerektirmektedir. Dağıtık üretim kaynaklarının arıza akımlarına farklı seviyede verdikleri tepki de mikroşebekelerin korunması noktasında göz önünde bulundurulması gereken diğer bir husustur. Bunlara ek olarak mikroşebekenin ana şebekeden plansız şekilde ayrılarak ada modunda çalışma durumu koruma sistemleri tasarlanırken değerlendirilmesi gereken bir senaryodur. Bu şekildeki bir plansız adalanmada mikroşebekedeki dağıtık üretim kaynakları, gerilim ve frekans kararlılığını kaybederek hem yüklerin hem de personel ve ekipmanların zarar görmesine neden olabilir.
Mikroşebekelerde koruma sistemleri tasarlanırken yukarıda bahsedilen unsurlar da göz önünde bulundurularak kapsamlı bir koruma sistemi uygulanmalıdır. Uygulanabilecek koruma yontemleri ile ilgili literatürde farklı yaklaşımlar mevcuttur. Bu yaklaşımlardan biri ve en yaygın olanı aşırı akım korumasıdır. Aşırı akım koruması klasik dağıtım şebekelerinde etkili ve yeterli olabilirken mikroşebekelerdeki performansını çok yönlü ortaya koyabilmek için bu çalışma yapılmıştır.
Aşırı akım koruması, anlık akım değerinin önceden belirlenen bir sınır değeri ile karşılaştırılması prensibine dayanır. Aşırı akım koruması, aşırı akım röleleri ile sağlanır. Aşırı akım röleleri açma karakteristiklerine göre 3'e ayrılmaktadır. Bunlar ani zamanlı, sabit zamanlı ve ters zamanlı aşırı akım röleleridir. Ani zamanlı aşırı akım röleleri, anlık akım değerinin önceden belirlenen sınır değeri aşması halinde herhangi bir zaman gecikmesi olmadan ani olarak açma yaparlar. Sabit zamanlı aşırı akım röleleri ise anlık akım değerinin önceden belirlenen değeri aşması halinde yine önceden belirlenen süre sonunda açma yaparlar. Bu röleler genellikle yedek koruma kapsamında uygulanırlar. Ters zamanlı aşırı akım rölelerinde ise rölenin açma zamanı aşırı akımın büyüklüğü ile ters orantılıdır. Aşırı akımın büyüklüğü arttıkça rölenin açma süresi azalmaktadır. Bu röleler genellikle belli bir koruma koordinasyonunun uygulandığı sistemlerde kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında kullanılan aşırı akım röleleri ters zamanlı karakteristiğe sahiptir. Bu röleler için belirlenmesi gereken iki önemli parametre vardır. Bunlardan biri aşırı akım set değeri ve zaman ayar çarpanı (TMS)'dir.
Aşırı akım korumasının performans analizini gerçekleştirmek amacıyla; ana şebekenin yanında güneş enerjisi santrali, akü depolama sistemi ve dizel jeneratörün bulunduğu bir mikroşebeke tasarlanmıştır. Tasarım Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır. Ana şebeke mikroşebekeye 34.5/0.4 kV dönüştürme oranına sahip 1.6 MVA gücündeki transformatör ile bağlanmıştır. Güneş enerjisi santrali 100 kW gücünde olup Gerilim Kaynaklı Dönüştürücü (GKD) ve 0.26/ 0.4 kV dönüştürme oranına sahip transformatör ile mikroşebekeye bağlanmıştır. Akü depolama sistemi 100 kW gücünde olup Nötr Nokta Kenetlemeli Dönüştürücü (NNKD) ve 0.26/ 0.4 kV dönüştürme oranına sahip transformatör ile mikroşebekeye bağlanmıştır. Dizel jeneratör ise 1 MVA gücünde olup direkt 400V çıkışlıdır.
Tasarlanan mikroşebekede koruma performansını analiz edebilmek için belirli senaryolar altında bütün baralarda ve bütün hatlarda faz- toprak ve üç faz arızaları gerçekleştirilerek rölelerin tepkileri kaydedilmiştir. 
Ana şebekeye paralel çalışma için oluşan koruma performansına göre faz- toprak arızalarında çoğunlukla başarılı bir koruma sağlandığı söylenebilir. Faz- toprak arızaları için bu senaryoda toplam 27 başarılı açma yapılması beklenirken 24 başarılı açma gerçekleşmiştir. Ana şebeke ile ilişkilendirilen iki röle 3 durumda sağlıklı çalışamamıştır. Bu durumda ana şebekenin arıza noktasına olan uzaklığı etkili olmuştur. 24 durumda; birincil koruma görevi olan röleler 1 saniyenin altında, yedek koruma görevi olan röleler de birincil rölelerden sonra açma yaparak sağlıklı bir koruma koordinasyonu gerçekleşmiştir. Bu senaryoda üç faz arızaları için ise güvenilir bir korumadan bahsedilemez. Güneş enerjisi santrali ve akü depolama sistemi ile ilişkilendirilen röleler çoğunlukla arızalara karşı tepkisiz kalırken bazı arızalarda ise bu rölelerin 1.8 saniyeyi bulan açma süreleri etkili bir koruma performansı olarak değerlendirilmemiştir. Ana şebeke ile ilişkilendirilen röleler ise sadece 1 durumda başarısız olurken, kalan tüm durumlarda sağlıklı çalışmıştır. Üç faz arızaları için bu senaryoda toplam 27 açma yapılması beklenirken 14 açma gerçekleşmiştir. 
Güneş ışımasındaki düşüşün etkisini görebilmek amacıyla 1000 W/m2 olarak hesaplanan normal ışıma degeri 500 W/m2 alınarak yine ana şebekeye paralel durumda koruma performansı incelenmiştir. Bu senaryoda faz- toprak arızalarındaki sonuçlar, bir önceki senaryo ile benzer olmuştur. Ana şebeke ile ilişkilendirilen bazı röleler, arızanın ana şebekeye uzak noktada gerçekleştiği durumlarda sağlıklı çalışamamıştır. Bunun dışındaki bütün röleler sağlıklı çalışmıştır. Faz- toprak arızaları için bu senaryoda toplam 27 başarılı açma yapılması beklenirken 23 başarılı açma gerçekleşmiştir. Üç faz arızalarında da sonuç bir önceki senaryo ile benzer olmuştur. Güneş enerjisi santrali ve akü depolama sistemi ile ilişkilendirilen röleler çoğunlukla hatalı çalışmıştır. Üç faz arızaları için bu senaryoda toplam 27 açma yapılması beklenirken 11 açma gerçekleşmiştir.
Güneş enerjisi santralinin devre dışı olduğu durumda şebekeye paralel çalışma için koruma performansına göre faz- toprak arızalarında tam olarak başarılı bir koruma sağlandığı söylenemez. Ana şebeke ile ilişkilendirilen röleler bazı durumlarda hatalı çalışmıştır. Diğer bütün röleler ise sağlıklı şekilde çalışmıştır. Faz- toprak arızaları için bu senaryoda toplam 22 başarılı açma yapılması beklenirken 15 başarılı açma gerçekleşmiştir. Bu senaryoda da üç faz arızaları için güvenilir bir korumadan bahsedilemez. Akü depolama sistemi ile ilişkilendirilen röleler yalnızca bir arızada açma yapabilmiştir ancak yaklaşık 2.8 saniye civarında oluşan operasyon süresi güvenilir bir koruma performansı olarak değerlendirilmemiştir. Ana şebeke ile ilişkilendirilen röleler ise ana şebekeye uzak arızalarda başarısız olmuştur. Üç faz arızaları için bu senaryoda toplam 22 açma yapılması beklenirken 7 açma gerçekleşmiştir.
Son olarak ada modunda çalışma için faz- toprak arızalarında güvenli bir koruma sağlanamamıştır. Faz- toprak arızaları için bu senaryoda toplam 45 başarılı açma yapılması beklenirken 36 başarılı açma gerçekleşmiştir. Bu senaryoda da üç faz arızaları için güvenilir bir korumadan bahsedilemez. Güneş enerjisi santrali ve akü depolama sistemi ile ilişkilendirilen röleler üç faz arızalarının çoğunda hatalı çalışmıştır. Dizel jeneratör ile ilişkilendirilen röleler ise bir durum dışında başarılı çalışabilmiştir. Üç faz arızaları için bu senaryoda toplam 45 açma yapılması beklenirken 21 açma gerçekleşmiştir.
Tez kapsamında elde edilen bütün simülasyon sonuçlarına göre; aşırı akım korumasının faz- toprak arızalarında, üç faz arızalarına göre etkili ve güvenilir sonuçlar verdiği ortaya konmuştur. Ancak faz- toprak arızalarında çoğunlukla başarılı koruma sağlanırken %100 koruma sağlanamamıştır. Özellikle ana şebekeye uzak arızalarda, ana şebeke ile ilişkilendirilen röleler sağlıklı çalışamamıştır. Dizel jeneratör ile ilişkilendirilen röleler de çoğunlukla sağlıklı çalışırken az sayıda durumda başarısız olmuştur. Bu durumun gerçekleşmesinde, güneş enerjisi santrali ve akü depolama sistemlerinin, arıza empedansını yükselterek arıza akımlarını düşürmelerinin etkili olabileceği değerlendirilmiştir. 
Üç faz arızalarında ise büyük çoğunlukla başarısız sonuçlar alınmıştır. Bu durumda, güneş enerjisi santrali ve akü depolama sisteminin değişken arıza davranışları etkili olmuştur.  Bu değişken davranışlara kaynakların içerdiği güç elektroniği tabanlı DC/AC dönüştürücülerin tepkileri neden olmuştur.  Bazı üç faz arızalarında nominal akımın 1-2 katı seviyesinde gerçekleşen aşırı akımlar bu kaynaklar ile ilişkilendirilen rölelerin açma yapabilmesini sağlamıştır ancak açma süreleri açısından güvenilir olarak değerlendirilmemiştir. Bazı üç faz arızalarında ise nominal akımın çok altında gerçekleşen arıza akımlarından dolayı açma yapması gereken röleler arızalara karşı tepkisiz kalmıştır. Güç elektroniği tabanlı DC/AC dönüştürücü içeren mikroşebekelerde korumanın bu hususlar dikkate alınarak tasarlanması gerekmektedir. Korumanın DC tarafta yapıldığı sistemler veya haberleşme teknolojilerini kullanan adaptif yöntemlerle DC/AC dönüştürücülerin bu etkilerinin üstesinden gelinebilir.

Abstract:
Microgrids are smart grids where electricity production, distribution and consumption are carried out together and will form an important part of future energy systems. The development of environmental protection awareness, the easier and cheaper access to renewable energy sources, the goal of increasing energy efficiency and the development of power electronics/ automation systems are effective in the spread of the microgrid concept.
Microgrids have some important advantages compared to classical distribution grids. Some of these advantages are that there are no losses during the transformation to different voltage levels and transmission, the damage to the environment is at very low levels, they can be installed with lower investment costs than the classical distribution network in regions where access is very difficult and they can provide high energy reliability.
Despite their great advantages, microgrids also have some disadvantages that must be overcome. The power flow, which occurs in one direction towards the loads in classical distribution networks, will now be bidirectional, towards the grid as well,  with the integration of distributed generation generators in microgrids. This situation requires restructuring of protection systems and coordination. The different response of distributed generators to fault currents is another issue that should be taken into consideration for the protection of microgrids. In addition, unplanned disconnection of the microgrid from the main grid and operation in island mode is a scenario that should be evaluated when designing protection systems. In such an unplanned islanding, distributed generators in the microgrid may lose voltage and frequency stability and causing damage to loads, personnel and equipment.
When designing protection systems in microgrids, a comprehensive protection system should be implemented by taking the above-mentioned factors into consideration. There are different approaches in the literature regarding the protection methods that can be applied. One of these approaches, and the most common, is overcurrent protection. While overcurrent protection may be effective and sufficient in classical distribution grids, this study was conducted to demonstrate its performance in microgrids versatile.
Overcurrent protection is based on the principle of comparing the instantaneous current value with a predetermined value. Overcurrent protection is provided by overcurrent relays. Overcurrent relays are divided into 3 according to their operation characteristics. These are instantaneous, definite time and inverse time overcurrent relays. Instantaneous overcurrent relays trip instantly without any time delay if the instantaneous current value exceeds the predetermined value. Definite time overcurrent relays trip at the end of a predetermined time if the instantaneous current value exceeds the predetermined value. These relays are generally applied within the scope of backup protection. In inverse time overcurrent relays, the tripping time of the relay is inversely proportional to the magnitude of the overcurrent. As the magnitude of the overcurrent increases, the tripping time of the relay decreases. These relays are generally used in systems where a certain protection coordination is applied. Overcurrent relays used within the scope of this thesis have inverse time characteristics. There are two important parameters that need to be determined for these relays. One of these is the overcurrent set value and time multiplier setting (TMS).
In order to carry out performance analysis of overcurrent protection; a microgrid has been designed that includes a solar power plant, battery storage system and diesel generator alongside the main grid. The design was made in Matlab/Simulink. The main grid is connected to the microgrid with a 1.6 MVA transformer with a conversion ratio of 34.5/0.4 kV. The solar power plant has a power of 100 kW and is connected to the microgrid with a Voltage Source Converter and a transformer with a conversion ratio of 0.26 / 0.4 kV. The battery storage system has a power of 100 kW and is connected to the microgrid with a Neutral Point Coupling Converter and a transformer with a conversion ratio of 0.26 / 0.4 kV. The diesel generator has a power of 1 MVA and a direct output of 400V.
In order to analyze the protection performance in the designed microgrid, line- ground and three line faults were performed on all busbars and all lines under certain scenarios and the reactions of the relays were recorded.
According to the protection performance for parallel operation with the main grid, it can be expressed that successful protection is mostly provided in case of line-ground faults. While a total of 27 successful trips were expected to be realized in this scenario for line-ground faults, 24 successful trips were realized. Two relays associated with the main grid failed to function properly in 3 cases. In these 3 cases, the distance of the main grid to the fault point was effective. In 24 cases; a solid protection coordination has been achieved by relays with primary protection duty tripping in less than 1 second, and relays with backup protection duty tripping after the primary relays. In this scenario, there is no reliable protection for three-line faults. While the relays associated with the solar power plant and battery storage system were mostly unresponsive to faults, tripping times of these relays up to 1.8 seconds in some faults were not considered an effective protection performance. While the relays associated with the main grid failed in only one case, they worked properly in all the remaining cases. While a total of 27 trips were expected to be realized in this scenario for three-line faults, 14 trips were realized.
In order to see the effect of the decrease in solar radiation, the normal radiation value calculated as 1000 W/m2 was taken as 500 W/m2 and the protection performance was examined in parallel with the main grid. In this scenario, the results in phase-ground faults were similar to the previous scenario. Some relays associated with the main grid could not function properly when the fault occurred at a point far from the main grid. Other than this, all relays worked properly. While a total of 27 successful trips were expected to be realized in this scenario for line-ground faults, 23 successful trips were realized. In case of three line faults, the result was similar to the previous scenario. Relays associated with the solar power plant and battery storage system often malfunctioned. While a total of 27 trips were expected to be realized in this scenario for three line faults, 11 trips were realized.

When the solar power plant is disabled, it cannot be expressed that fully successful protection is provided against line-ground faults according to the protection performance for parallel operation with the grid. Relays associated with the main grid have malfunctioned in some cases. All other relays worked properly. While a total of 22 successful trips were expected in this scenario for line-ground faults, 15 successful trips were realized. In this scenario, there is no reliable protection for three line faults. Relays associated with the battery storage system were only able to trip in case of one fault, but the tripping time of approximately 2.8 seconds of this relay was not considered a reliable protection performance. Relays associated with the main grid failed in case of faults far from the main grid. While a total of 22 trips were expected in this scenario for three-phase faults, 7 trips were realized.
Finally, successful protection against line-ground faults could not be provided for operation in island mode. While a total of 45 successful trips were expected to be realized in this scenario for line-ground faults, 36 successful trips were realized. In this scenario, there is no reliable protection for three line faults. Relays associated with the solar power plant and battery storage system failed in most three line faults. The relays associated with the diesel generator operated successfully except for one situation. While a total of 45 trips were expected to be realized in this scenario for three line faults, 21 trips were realized.
According to all simulation results obtained within the scope of the thesis; it has been shown that overcurrent protection provides effective and reliable results in line-ground faults compared to three line faults. However, while successful protection was mostly provided for line-ground faults, 100% protection was not achieved. Especially in faults where the main grid is far away, the relays associated with the main grid could not function properly. Relays associated with the diesel generator have also failed in a few number of cases, while mostly working properly. It has been evaluated that the solar power plant and battery storage systems can be effective in this situation by increasing the fault impedance and reducing the fault currents.
In case of three line faults, mostly unsuccessful results were obtained. In this case, the variable fault behavior of the solar power plant and battery storage system was effective. These variable behaviors were caused by the reactions of the power electronics-based DC/AC converters contained in the sources. In some three line faults, overcurrent of 1-2 times of the nominal current enabled the relays associated with these sources to trip, but they were not considered reliable in terms of tripping times. In some three line faults, relays that were supposed to trip remained unresponsive to faults due to fault currents were below the nominal current. In microgrids containing power electronics-based DC/AC converters, protection must be designed taking these issues into consideration. These effects of DC/AC converters can be overcome with systems where protection is provided on the DC side or with adaptive methods using communication technologies.