Akıllı şebekelerde güç kalitesinin optimizasyonu ve yenilenebilir enerji kaynakları ile entegrasyonu
Optimization of power quality in smart grids and integration with renewable energy sources
Yazar: MUSTAFA YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKBABA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı şebekeler = Intelligence networks ; Endüksiyon jeneratörü = Induction generator ; Güneş paneli = Solar panel ; Güç kalitesi = Power quality ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Değişen ihtiyaçlar ve buna paralel olarak enerji talebinin artması sonucunda, tükenebilir nitelikteki kaynaklara bağımlı olarak çalışan geleneksel elektrik dağıtım sistemlerinin de değişimi kaçınılmaz hale gelmiştir. Mevcut sistemin geliştirilerek değişen ihtiyaçları karşılaması amacıyla akıllı şebeke fikri ortaya çıkmıştır. Gelecekteki elektrik şebekelerinde sistemi oluşturan bütün ekipmanların sürekli aktif, oluşacak değişikliklere doğru tepki verebilen, ücretlendirme açısından uygun, çevreye karşı duyarlı ve değişik her bir sistemle bağlanabilecek bir yapıda olması beklenmektedir. Akıllı bir şebeke sisteminin beklentileri karşılaması için mevcut şebekelere eklenmesi gereken özellikler sadece bunlarla da sınırlı değildir. Ayrıca akıllı şebekeler artan enerji talebine cevap verebilmeli, verimliliği arttırmalı, dinamik güç akışını ve güç kalitesini uygun yöntemlerle şebeke üzerinde kontrol edebilmelidir. Yeni sistemin bunlara ilave olarak, özellikle dağıtılmış durumdaki yenilenebilir enerji kaynaklarını yönetebilmesi ve şebekelere entegre edilmiş olan enerji depolama sistemlerinin de kontrolünü sağlaması beklenmektedir. 

Doğal kaynakların zengin olduğu bölgelerde enerji üreterek ihtiyacın fazla olduğu tüketim noktalarına uzun hatlarla iletim yapmak yerine tüketim noktalarına yakın noktalarda dağıtılmış üretim yaparak enerji ihtiyacının karşılanması yöntemi tercih edilmektedir. Birçok açıdan avantajlı olan bu sistemde, üretilen elektrik enerjisinin şebekedeki güç kalitesini bozmadan şebekeye entegrasyonunun yapılması çözülmesi gereken önemli bir problemdir. 

Günümüzde mevcut şebekelerin gücüne oranla entegre edilen kaynakların gücünün düşük olmasından dolayı şebeke dengesinin sağlanmasında büyük problemler yaşanmamaktadır. Ancak yenilenebilir kaynakların üretim miktarlarının ve şebekedeki paylarının her geçen gün arttığı görülmektedir. Bu artışla birlikte entegre edilen gücün, şebekenin dengesini bozacağı gerçeği araştırmacıları düşündürmektedir.

Bu tez çalışmasında, yenilenebilir kaynak olarak en çok kullanılan rüzgar ve güneş enerjisi santralleri üzerinde benzetim çalışması yaparak entegrasyon problemlerinin çözümüne katkı yapılması amaçlanmıştır. Birinci benzetim çalışmasında rüzgar türbinlerinde kullanılan asenkron generatörün geçici ve sürekli durum analizi yapılmış ve entegrasyon sonrası oluşacak durumun önceden kestiriminin yapılması amaçlanmıştır. Diğer benzetim çalışmasında ise Burdur ilindeki 8 MW'lık kurulu gücü bulunan bir üretim tesisinde, fotovoltaik (PV) panellerin çalışma koşullarının inverterin çıkış gücü ve şebekedeki güç kalitesi üzerindeki etkisi, Ocak ve Temmuz aylarındaki veriler kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Buna ilave olarak, farklı çalışma koşulları altında sürücünün çıkışındaki gücün çevresel koşulların etkisi ile değişimini tahmin etmek için yapay sinir ağı (YSA) kullanılmış ve optimal çalışma koşulları belirlenmeye çalışılmıştır. Güneş enerjisi santralinden elde edilen enerjinin, bağlı bulunduğu şebekeye sorunsuz bir şekilde entegrasyonunu sağlamak için inverter çıkış gücünü etkileyen çevresel faktörlerin seviyelerini, uygun çalışma koşullarının belirlenmesini ve sistem kayıplarını göz önüne alarak verimi tahmin etmek için çalışma yapılmıştır. YSA sonuçlarının başarı düzeyinin, deney sonuçları ile %99'un üzerinde bir doğruluk oranında olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
As a result of the increasing needs and increasing demand for energy, development of the traditional electricity distribution systems, which are dependent on consumable resources, have become inevitable. Idea of the smart grids have emerged to develop the existing system and meet the changing needs. For the grid circuits in the future, all the equipment that make up the system are expected to be constantly active, able react to the changes that will occur, suitable for compensation, environmentally sensitive, and in a structure that it can be connected to each different system. Features, which must be added to the existing system to fulfill the expectations of the smart system, are not limited only to these aspects. Likewise, smart grids are expected to respond to the increasing energy demand, increase efficiency, and control dynamic power flow and power quality with appropriate methods on the grid. Moreover, smart grids should manage the distributed renewable energy resources and control the energy storage systems integrated into the grids.

Instead of producing energy in the districts where the natural resources are rich and thereby conducting energy using long lines to the consumption points, it is preferred to meet the energy needs by making production close to the consumption points. In this system, which is advantageous in many respects, the integration of electrical energy produced to the grid without disturbing the power quality in the grid is a problem to be solved.

Due to the low power of the integrated resources compared to the power of the existing grids, no major problems are experienced in the provision of the network balance. However, with the increase in the amount of production of renewable resources and their share in the network, the fact that the integrated power disrupts the balance of the network preoccupies researchers.

Aim of this study is to contribute to the solution of the integration problems by utilizing simulation works on the wind power plants and solar panels which are the most used renewable resources. In the first simulation study, the temporal and continuous state analysis of the asynchronous generator used in wind turbines was carried out and the prediction of the situation after the integration has been aimed. In the other simulation study, the effect of the working conditions of photovoltaic (PV) panels on the output power of the inverter and the power quality in the grid was investigated experimentally by using the data in January and July of a production facility with 8 MW installed power in Burdur province. In addition, artificial neural networks (ANN) was used to estimate the change in power at the exit of the driver with the effect of environmental conditions under different operating conditions and optimal working conditions were determined. In order to ensure the smooth integration of the energy obtained from the solar power plant to the grid it is connected to, the level of environmental factors affecting the inverter output power, determining the appropriate working conditions and estimating the efficiency by taking into account the system losses have been studied. It was observed that the level of success of the ANN results was higher than 99% with the test results.