Dağıtılmış üretim'e sahip elektrik dağıtım sistemlerinde, arıza akımı sınırlayıcılarının ve yerleşim yerlerinin etkilerinin incelenmesi
A study of the effects of fault current limiters and their location on power distribution system with distributed generation
Yazar: GÖKHAN ÇAKAL
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Arıza = Fault ; Arıza = Fault ; Arıza giderme = Fault removing

Özet:
Günümüzde elektrik enerjisi birçok alanda dolaylı ve dolaylı olmayan yolardan kullanılan en önemli enerji türüdür. Elektrik enerjisindeki tüketimin gün geçtikçe artması, yeni enerji kaynaklarının mevcut sisteme dahil edilmesi beraberinde bir çok problemi de getirmektedir. Artan arıza akımı seviyeleri ve gerilim kalitesindeki bozunumlar bunların en başlıcalarıdır. Bu gibi etkiler kesici, transformatör, röle vb şebeke elemanlarında kalıcı hasarlara yol açabilmektedir. Bu tip sistem elemanlarının maliyetleri yüksek olduğu ve enerjinin kesintisiz ve güvenilir bir şekilde sağlanması için zarar görmeden önlem alınması gerekmektedir. Bu yüzden arıza akımının sınırlandırılması bu olumsuz etkilere karşı bir çözüm olacaktır. Araştırmacılar da bunun için bir arayış içine girmişlerdir. Bu arayış arıza akımı sınırlayıcıların incelenmesini sağlamıştır.Bu çalışmada arıza akımı sınırlayıcıların elektrik şebekesi üzerindeki etkileri üzerine yoğunlaşılmıştır. Arıza akımı sınırlayıcıların tanımları, özellikleri ve çeşitleri gibi temel kavramlar aktarılmaktadır.Arıza akımı sınırlayıcının sisteme dahil edilmesinin etkileri incelenmiş ve bununla ilgili PSCAD ® bilgisayar programı ile örnek güç sistemleri üzerinde denenmiştir. Örnek test sistemi olarak Fethiye bölgesi'ne ait bir radyal şebeke modeli seçilerek geçici hal analizleri ile akım ve gerilimin değişimi üzerinde incelemeler de bulunulmuştur.Simülasyonda simülasyona dahil edilecek 2 farklı tipte arıza akımı sınırlayıcısı PSCAD® modellenmiştir. Pasif arıza akımı sınırlayıcısı olarak endüktif tip süper iletken bir model kullanılmıştır. Normal çalışma koşullarında sıfıra yakın bir değerde empedansa sahip olan bobin,arıza meydana geldiğinde programda belirlenen süre ve şekilde yüksek değerli bir empedansa sahip olarak akımı sınırlandırmaktadır. Katı-durum arıza akımı sınırlayıcı modelinde ise güç elektroniği tabanlı bir arıza algılama sistemi oluşturularak arıza meydana geldiğinde sisteme dahil olan bir empedans modeli kullanılmıştır.Tezde ulaşılmak istenen amaçlardan bir tanesi de dağıtılmış üretim sisteminin etkilerinin AAS ile azaltılmasıdır. Günümüzde elektrik enerjisi üretimi kaynaklarının azalması, maliyetlerin artması ve çevreye gösterilen duyarlılık nedeniyle alternatif kaynakların araştırılmasını sağlamıştır. Üretilen enerjinin uzun mesafelerce taşınması gerek altyapı maliyeti anlamında gerekse işletim maliyeti anlamında külfet getirmektedir. Bu nedenle ekolojik yapı da düşünüldüğünde dağıtılmış üretime olan ilgi artmaktadır. Tüm bunların yanında dağıtılmış üretimin mevcut elektrik şebekesine dahil edilmesi beraberinde bir çok problemi de getirmektedir. Arıza akımlarının seviyesinin yükselmesi, gerilim düzensizlikleri ve kararsızlıkları gibi etkilerden dolayı dağıtılmış üretimin faydalı bir şekilde uygulanabilir hale gelmesi için bir takım önlemlerin alınması gerekmektedir.Bu bilgiler ışığında AAS Fethiye bölgesine ait bir açık halka elektrik şebeke modeli PSCAD ® ile modellenerek geçici hal analizleri yapılmıştır. Sonuçlar gösteriyor ki , dağıtılmış üretim nedeniyle artan arıza akımı seviyesi AAS ile sınırlandırılarak normal değerin dahi altına indiği görülmektedir. Ayrıca, arıza sonrası gerilim seviyesindeki iyileşmelerin daha hızlı ve verimli olduğu alınan sonuçlardandır.Tezin asıl amacını oluşturan konu ise, AAS'nin şebeke üzerinde nereye yerleştirileceğidir. Arıza akımı sınırlayıcıların elektrik şebekesine dahil edilirken en uygun yerinin belirlenmesi ekonomik ve etkili bir akım sınırlandırma işlemi için gereklidir. Yanlış bir yere yerleştirilen AAS, arıza akımını azaltmadığı gibi hat kayıplarına ve gerilim değişimlerine neden olmaktadır.Fethiye bölgesine ait bir açık halka elektrik şebeke modeli ele alınarak, AAS için en uygun yerin seçilmesinde duyarlılık analizi ve karar verme metotlarından en çok kullanılanlardan biri olan ağırlık toplam modeli tercih edilmiştir. PowerWorld Simulator ile akım,gerilim ve güç değerleri bulunmuştur. Bu değerler kullanılarak duyarlılık analizi yapılmıştır. En uygun aday yerlerin belirlenmesinde kolaylık sağlayan duyarlılık matrisi oluşturularak daha kısa sürede çözüme ulaşılmıştır.Ağırlıklı toplam modelinin kriterlerini oluşturan arıza akımındaki azalma, aktif ve reaktif güç kayıpları ile gerilim düşümleri belirlenen ağırlıkları ile en uygun yerin seçiminde karar verici mekanizmayı oluşturmaktadırlar. Aday yerler olarak belirlenen alternatifler içerisinden ağırlığı en yüksek olan aranan çözüm olmaktadır.Açık halka şebeke tipiyle birlikte, birden fazla noktadan beslenen halka tipi şebeke ile daha karmaşık ve iç içe girmiş şebekelerde en uygun AAS yerinin belirlenmesinin incelenmesi için de 6 baralı test sistemi kullanılmıştır.

Abstract:
Electrical energy is the most important type of energy which is used both in direct and indirect ways. The increasing consumption of electrical energy caused new energy sources to be included in the current system which brought many problems together with solutions. The major reasons of the aberrations are increasing levels of fault current and the decreasing quality of voltage. These problems could cause permanent damage of the network equipments such as breaker, transformers, relay, etc. It is important to take precautions and to ensure conditions because these types of system elements are mostly expensive and cost a lot and the energy should be supplied without any cut. As high capacity network equipments that are capable with high level fault currents are not economic, new solutions for the these problems are searched. Limiting the current is a suitable option.There are several techniques of dealing with the fault current such as using high capacity circuit breaker, transformers with high impedance, air-core reactors and fuses. But all these cause different problems such as high power losses ,voltage drop. Furthermore, these solutions are expensive and short term. Fault current limiter (FCL) does not have these disdvantages. In this study, advantages of integration of FCL to the existing and new power grid are mentioned.FCL is a device that is used to limit over current and destructive current occurring in the power systems. FCL that normally shows low impedance values produces high impedance values when short-circuit current occurs. The need of FCL is increased mostly because of the increase in usage of clean energy resources like wind or sun. Today, fault current limiter has started to gain importance in order to limit fault current. The task of the FCL is to limit the level of the destructive current without affecting the distribution system. Therefore, to limit the fault current will reverse these effects. Because of this fact, researches have entered a quest for it. This search led to examination of fault current limiters. . This research mainly focused on the effects of fault current limiters on the power grid. The descriptions of fault current limiters and specifications and variations of these limiters are conveyed in a basic concept. The effects of fault current limiters are examined over case network and real local network which is belong to Turkish interconnected network.Fault current limiter suppresses the damaging high level fault current. On the other hand, it minimizes the cost of infrastructure of network , capacity of electricity which is carried through transmission lines increases. It provides more reliable, secure and stable network conditions.The effects of the integration of fault current limiters in to the system and the effects were tested on sample power systems with the assistance of PSCAD ®. As a sample system a radial network in Fethiye was selected. There have been studies on this network. 154 kV high voltage level is decreases to 34,5 kV distribution voltage level by two 100 MVA step-down transformers in the substation. By the underground distribution lines electricity reaches to consumers.The aim was to analyze transient analysis of the fault current and the voltage variation. The effectiveness of FCL is verified with the several case studies by time-domain simulation. Obtained information such as fault current , voltage variation are given by lots of graphics.Two different types of fault current limiters that are included in the simulation were modeled by PSCAD®. An inductive superconductive model type is used as passive fault current limiters in the study. Superconducting materials and power electronics are in progress day after day and these play key role about modeling fault current limiters The coil, which under normal operating conditions works at a value close to zero, limits the current by having a high quality of impedance with time and manner that is specified by the program. In the model of solid-state fault current limiter, there is created a model based on power electronics based fault detection system. The aim of the system is to include impedance model when a fault occurs. In normal system operation, considered SSFCL has no effect on voltage and current, since they are based on power electronics devices.The researches show that distributed generation systems especially renewable energy generaton are becoming increasingly important and they are included in the network. Today, wind power has become one of the fastest growing renewable energy solutions, and it is widely used to produce electricity in many countries such as Germany, Spain, United States, India, and Denmark. Turkey has important wind energy potential especially in the Marmara region, coasts of western and southern Anatolia.In next few years, there will be more and more wind power plants connected to the electrical grid, and the utilities will have problems. The integration of wind turbine generators increases fault current level beyond the capacity of existing protection devices. The system stability and voltage quality may be corrupted. So the power system switchgear and power system protection should be carefully designed to obtain a secure operation of the system. Higher fault currents can create major problems because the overcurrent protection relays trip the circuit breakers and the flow of power between electric utilities and customers is interrupted. They can damage or degrade transmission and distribution equipment, requiring expensive and time-consuming repairs. Fault Current Limiters (FCLs) regulate the amount of current moving through the transmission and distribution systems under abnormal conditions. In this study the effect of fault current limiters on distribution systems with wind turbine generators is studied.One of the objectives of this thesis is to reduce effects of distributed generation system with the help of FCL. Today, the reduction of production of electrical energy resources, increasing costs, and environmental awareness led to exploration of alternative sources in the country. The transportation of produced energy to long distances causes troubles both in terms of infrastructure and operating costs. Therefore, the interest in distributed production increases considering the ecological structure. In addition to all of these problems, the inclusion of distributed production into existing electrical network brings many problems with. The increase in the level of fault currents, voltage irregularities and instabilities causes many problems as it is stated. In order to eliminate the effects of these problems and to apply distributed production without any harm some precautions should be taken.In the light of this information, an open-ring network model that belongs to Fethiye was modeled and transient analyses were conducted. The results has shown that the level of fault current that is increased because of distributed generation is limited with the help of FCL and even it is seen that the value is decreasing under the normal value. Besides, it is one of the results that the improvements of post-fault voltage level are faster and more efficient.The location of FCL is simple as it?s suitable to locate beetween source and load. However, it gets more complicated in ring systems. The choice of where in a distribution system to place FCLs to obtain best operating conditions is an important issue, because the placement of these devices must be carefully considered in order to keep them cost effective and to prevent the limiters themselves from disrupting existing protective measures. Some studies show that the most effective way to decrease the fault current level is to locate FCL before each transformer in a ring distribution system. But this method is a very expensive solution. In literature, there are also several methods to determine the optimum locations for FCL in terms of installing smallest FCLs circuit parameters to restrain short-circuit currents under circuit breakers? interrupting ratings.The major topic that constitutes the aim of the thesis is where to place FCL in the network. It is substantial to indicate the most appropriate location while including the fault current limiters into the electrical network in terms of economic reasons and to succeed in the process of efficient current limitation. FCL placed in the wrong place both does not decrease the fault current and causes the loss of line and changes of voltages.In Fethiye region a model of open ring network has been taken and in order to choose the most suitable place for FCL the sensitivity analysis was chosen and one of the most used decision-making models, the weighted sum model is preferred.The progress of solution starts with sensitivity analysis. Thanks to sensitivity analysis the best candidates location are obtained. With the PowerWorld Simulator, current, voltage, and power values were determined. The values were used for sensitivity analysis. Generating the sensitivity matrix has made determining the most suitable candidate places convenient and the results were obtained in a short time.The optimum location of the candidates location which are obtained by the sensitivity analysis is found by the decision making progress. The decrease in the level of fault current that generates the weighted sum model, the loss of active and reactive power and voltage drops, together with their weight, constitute a decision-making mechanism in the process of selecting the most appropriate place. The highest weight within the alternative places determined as candidate.In this study , only the decrease of level of fault current is not considered. Power losses and the voltage drop caused by fault current limiter were calculated. All these criterions are used to make decision of alternative locations. The most important case with the weighted sum model is the method is applicable only when all the data are expressed in exactly the same unit. Because of that, all the values of power losses , voltage drop and current reduction are normalized to per-cent.Together with the type of open-ring network, six bus bars test system was used in order to determine the most appropriate FCL place in the ring-type networks and in the more complex and the intertwined networks.