Rüzgar enerji santralleri entegre edilmiş elektrik şebekelerinde iletim hattı planlaması
Transmission expansion planning in power systems with wind power plants
Yazar: FARUK UGRANLI
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN KARATEPE
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik güç şebekelerine entegrasyonu her 
geçen yıl hızla artmaktadır. Bu artıştaki en büyük pay ise rüzgar enerji santrallerine 
(RES) aittir. RES'ler her ne kadar ekonomik, çevresel ve teknik avantajlara sahip 
olsalar da şebeke planlamacılarına çözülmesi gereken yeni problemler 
oluşturmaktadırlar. Diğer yandan şebeke altyapısındaki yetersizliklerden dolayı 
RES'lerin var olan potansiyelleri yeterince kullanılamamaktadır. Bu potansiyeli en 
iyi şekilde kullanmak adına iletim hattı planlaması büyük önem arz etmektedir. Bu 
tezde, RES entegre edilmiş güç sistemlerinde  iki seviyeli iletim hattı planlama 
metotları geliştirilmiştir. Böylece  hat yatırım maliyetlerinin yanı sıra planlama 
periyodunca şebekedeki kısıtlardan dolayı oluşan kullanılamayan rüzgar enerjisi 
yerine devreye alınan konvansiyonel jeneratörlerin toplam üretim maliyetlerini ve 
beslenemeyen enerjiyi azaltmak amaçlanmıştır.
İki seviyeli planlama problemi farklı çalışma koşullarında beslenemeyen 
talep yük ile kullanılamayan rüzgar gücünü hesaplayabilmek için geliştirilmiştir. 
Problemin üst seviyesinde yatırım maliyetleri,  kullanılamayan rüzgar enerjisi 
yerine devreye alınan konvansiyonel jeneratörlerin toplam üretim maliyetleri ve 
beslenemeyen enerji talebi minimize edilirken, alt seviyede ise farklı senaryolar 
için jeneratörlerin üretim maliyetleri ile birlikte beslenemeyen talep yükü minimize 
edecek olan optimal güç akış problemleri ele alınmıştır. Kümeleme yöntemleri 
kullanılarak RES'lerin çıkış güçleri ve yüklerdeki değişimleri dikkate alan 
senaryolar oluşturulmuştur. 
Bu kapsamda üç farklı metot önerilmiştir. İlk olarak, alt seviyede DC-model 
kullanılarak oluşturulan çok-amaçlı bir iletim hattı planlama problemi genetik 
algoritma ile çözdürülmüştür.  Elde edilen pareto-optimal yatırım sonuçlarından en 
uygununu belirlemek amacıyla  planlayıcıların isteklerini dikkate alan  bulanık 
mantık tabanlı  bir karar verme modeli oluşturulmuştur. Bir sonraki adımda, N-1 
kısıtlılık durumları önerilen iletim hattı planlama problemi içinde ele alınarak 
şebeke yeterliliğinin hem normal hem de kısıtlılık durumlarında sağlanması 
hedeflenmiştir. Son olarak, hat ve  reaktif güç kaynağı yatırım maliyetleri ile 
kullanılamayan rüzgar enerjisi arasında bir denge sağlayabilmek için iletim hattı 
planlama problemi ile reaktif güç planlama problemi lineerleştirilmiş AC-model 
kullanılarak birleştirilmiş ve iki seviyeli planlama problemi oluşturulmuştur. Lineer 
olan alt seviye problemleri güçlü ikililik teoreminden faydalanılarak üst probleme 
kısıt olarak eklenmiştir. Böylelikle iki seviyeli problem tek seviyeye indirgenmiş 
ve planlama problemi karma tamsayılı lineer programlama  olarak formüle 
edilmiştir. Önerilen metotlar farklı test sistemlerinde farklı senaryolar altında 
uygulanmıştır. Sonuçlar, kullanılamayan rüzgar enerjisi düşünülerek oluşturulan 
iletim hattı planlama  yaklaşımının  hem toplam maliyetlerin azaltılması hem de 
RES kullanım oranının artırılması açısından klasik planlama yöntemlerine göre 
daha iyi olduğunu göstermiştir. Diğer yandan, reaktif güç planlama probleminin de 
kullanılamayan rüzgar enerjisi ve hat yatırımları  ile  koordineli bir şekilde ele 
alınması, hatlara yapılacak olan yatırımların daha da ertelenebileceğini 
göstermiştir.  Tez kapsamında önerilen metotların  etkinliğini göstermek amacıyla 
elde edilen sonuçlar, literatürdeki diğer metotlarla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Integration of renewable energy resources into power systems has been 
growing rapidly year by year. The biggest share in this growth belongs to wind 
power plants.  Although they have economical, environmental, and technical 
advantages, the integration of them introduce new challenges in terms of power 
system planners.  On the other hand,  the wind power may be curtailed  due to the 
insufficient infrastructure.  In order  to  utilize the potential of wind power, 
transmission expansion planning is of great importance.  In this thesis,  bilevel 
transmission expansion planning methods are proposed for wind power plants 
integrated power systems.  By this way, it is aimed to minimize the total 
generation cost of conventional generators which replace the curtailed wind 
energy in the planning period and  energy not supplied as well as investment cost 
of transmission lines.
Bilevel planning problem is developed in order to calculate load curtailment 
and curtailed wind power for several load-wind scenarios.  The upper level 
problem is to minimize investment costs, the total generation cost of conventional 
generators which replace the curtailed wind energy in the planning period, and 
energy not supplied  while the lower level problems deal with the optimal power 
flow  problems under several scenarios, which minimize  the  generation costs  and 
load curtailment. Scenarios are obtained by using clustering techniques by 
considering the output of wind power plants and demand power.
In this context, three different methods are proposed. First of all,  a multi-objective transmission expansion planning problem, whose lower level is 
constructed by using DC-model, is solved by genetic algorithm.  In order to obtain 
the best investment out of the pareto-optimal solutions considering the planners' 
priorities, decision making process is formed based on fuzzy logic. In the next 
step, N-1 contingencies are incorporated into the proposed transmission expansion 
planning problem in order to maintain the system adequacy for both normal and 
contingency cases. Finally,  transmission expansion planning and reactive power 
planning are combined in a bilevel manner by using the linearized AC-model in 
order to make a balance between investment costs of transmission lines and 
reactive power sources, and curtailed wind energy.  Lower level problems which 
are linear are incorporated into upper level problem as constraints using the strong 
duality theorem.  Hereby, the bilevel optimization problem is converted to single 
level problem which is formulated  as mixed integer linear programming. The 
proposed methods are applied to different test systems under different case 
studies. The results show that  the transmission expansion planning methods, 
which consider the curtailed wind energy, are superior to the  classical methods in 
respect of minimizing investment and operation costs and maximizing the usage 
of wind power plants.  On the other hand, it is inferred from the results that the 
transmission expansion planning, which is coordinated with reactive power 
planning,  is able to postpone the line investments. Moreover, the proposed 
methods are compared with the existing methods in the literature.