Geri Dön

Optimal integration of dg units into unbalanced distribution networks

Dengesiz elektrik dağıtım şebekelerinde dağıtık üretim birimlerinin optimal entgrasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 863484
  2. Yazar: MOHAMMED BAMATRAF
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR, PROF. DR. OĞUZHAN CEYLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Elektrik enerji teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte, elektrik enerjisi talebi hiç olmadığı kadar artmaktadır. Sonuç olarak, elektrik enerjisinin, tüketici için hem erişilebilir hem de ekonomik olması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bu durum, enerji dağıtıcılarını daha erişilebilir ve daha ucuz enerji kaynaklarını aramaya yönlendirmiştir. Çünkü bu tür teknolojiler ortalama günlük tüketimde ciddi bir artışa neden oluyor. Sadece bu değil, aynı zamanda kırsal alanlar gibi erişilemeyen yerlerde de elektrik enerjisine olan talebi artırıyor. İletim ve üretim maliyeti ile üretilen elektriğin bu bölgelere dağıtılması çok pahalı olacaktır. Temiz enerji üretmek için başka alternatifler aramanın bir diğer nedeni ise fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmaktır. Fosil yakıtlar çok kıttır ve geleceğin en büyük endişelerinden biri olan iklim değişikliğinin başlıca nedenidirler. Son yıllarda rüzgâr ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları, dağıtık enerji üretiminde giderek daha fazla tercih edilen seçenekler olmuştur. Şebekedeki yenilenebilir enerji üretim oranı, ekonomik ve çevresel faydalarının da etkisiyle giderek artmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının dağıtım şebekelerine sunduğu teknik avantajlardan biri de yüksek tüketim zamanlarında aktif enerji üretimi desteğidir. Yükün yüksek olduğu zamanlarda alternatif bir kaynağa sahip olmak, o zamanlardaki toplam üretilen gücü ve üretim maliyetini düşürecek ve dolayısıyla büyük ekonomik faydalar sağlayacaktır. Çevresel faydalara gelince, temel amaç her zaman fosil yakıtların kullanımını azaltmak ve çevreye zarar vermeyen yenilenebilir kaynaklara daha fazla güvenmektir. Ancak, yenilenebilir enerji kaynaklarını (RERs) dağıtım şebekelerine bağlamak, bu şebekelerde bazı olumsuz etkilerle karşılaşmasına da neden olmuştur. Bu dezavantajlardan bazıları da voltaj dalgalanmalarıdır. Bunun nedeni yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintili doğasından kaynaklanmaktadır. Çıkış gücünün öngörülemeyen doğası, sistem voltajının dalgalanmasına ve dağıtım ağının dengesiz ve verimsiz hale gelmesine neden olur. Diğer bir dezavantaj ise aşırı gerilim sorunlarıdır. Bu, yüksek aktif güç üretiminin olduğu zamanlarda meydana gelir. Örneğin öğle saatlerinde güneşten gelen güneş ışınımı maksimumdadır ve sonuç olarak fotovoltaik sistemler çok daha yüksek aktif güç üreterek aşırı gerilim sorunlarına neden olur. Benzer şekilde rüzgar türbini kuvvetli rüzgarların olduğu zamanlarda da aynı sorun ortaya çıkıyor. Tüm bu sorunlar aynı zamanda sistemin frekansının tasarlanandan farklı olmasına da katkıda bulunur, bu da sonuçta kararsız frekansa neden olur ve dağıtım ağının istikrarsız ve güvenilmez olmasına yol açabilir. Son olarak sistemdeki gerilimin izin verilen sınır değerlerden sapması, iletim hatlarından daha fazla hat akımının geçmesine ve dolayısıyla aktif ve reaktif kayıpların artmasına neden olur. Artan güç kayıpları, özellikle aktif tip, sistemi verimsiz hale getirir ve sonuçta üretim ve işletme maliyetlerini artırır. Son birkaç on yılda bu sakıncaların etkilerini azaltmaya yönelik birçok araştırma yapılmıştır. Bu bağlamda dağıtık enerji kaynakları ve kontrol edilebilir yüklerin yer aldığı ve aktif dağıtım şebekeleri (ADNs) olarak tanımlanan yeni bir olgu ortaya çıkmıştır. Bu şebekelerde güç akışını otomatikleştirmek ve kontrol etmek için çeşitli teknikler kullanılmaya başlanmıştır. Dağıtık enerji kaynaklarının bağlanmasını takiben, aktif dağıtım şebekelerinde ortaya çıkan en önemli sorunlardan biri, yenilenebilir kaynakların aralıklı ve değişken üretim yapan yapısı ve buna bağlı gelişen problemlerdir. Güneş ışığının bulut vb. etkilerle azalması veya rüzgâr enerjisinin doğru tahmin edilememesi nedenleriyle, bu kaynaklar tarafından üretilen enerjide dalgalanmalara neden olur. Bu tür dalgalanmalar, bazı baralarda tutarsız gerilim değerlerine, sistemin tasarlandığı frekanstan sapmasına ve sistem kayıplarının artmasına yol açar. Bu durum da nihayetinde, gerilim dengesizliği ve kararsızlığı sorunlarına yol açar. RER'lerin uygun olmayan entegrasyonunun başka bir etkisi de, güçlü rüzgarlar veya yüksek güneş ışığına sahip zamanlarda aşırı güç üretimi nedeniyle oluşan risk oluşturacak düzeylerdeki gerilim artışlarıdır. Bu, sistemin bazı noktalarında aşırı gerilim sorunlarına neden olur ve bazen aşırı üretilen gücün etkisiyle ters yönde güç akışına yol açabilir. DG ünitelerinin dağıtım şebekelerine bağlanması ve bağlanan ünite sayı ve kapasitesinin giderek artması sonrasında, ortaya çıkan sorunlarla başa çıkmak için birçok çalışma yapılmıştır. Bunların birçoğu, RER'leri dağıtım şebekesine entegre etmeden önce göz önünde bulundurulması gereken planlama ve tasarım aşamaları ile ilgili hususlardır. Bu çalışmalardan bazıları, örneğin dağıtılmış üretim birimlerinin dağıtım sistemlerine yerleştirilmesi ve boyutlandırılmasıdır. Çalışmanın planlama aşamasında en iyi tasarım hususlarını bulması gerekiyor. Bu tür çalışmaların amacı, en güvenli ve güvenilir dağıtım sistemi tasarımını sağlamak için dağıtılmış üretim birimlerinin en iyi boyutunu ve konumunu bulmaktır. Bu, gerilim profili iyileştirme, aktif ve reaktif güç kayıpları, faz dengeleme ve güvenilirlik endeksleri gibi bazı amaç fonksiyonları dikkate alınarak yapılır. Bu çalışmada, dengesiz yüklü aktif dağıtım şebekelerinde, DG ünitelerinin varlığının yol açtığı gerilim profili sorunlarıyla ilgilenilmektedir. Geçici aşırı gerilim veya düşük gerilim gibi diğer güç kalitesi sorunlar çalışmanın kapsamı dışındadır. Bu çalışmada ele alınan sorunlardan bazıları gerilim profilinin iyileştirilmesidir. Ana amaç, üç fazın tümü için tüm gerilimleri trafo merkezinin referans gerilimine mümkün olduğunca yakın hale getirmektir. Operasyonel aşamalar dikkate alındığında aktif dağıtım ağlarının operasyonel aşamada karşılaştığı temel sorunlardan biri açılış ve kapanış işlemlerinin sayısının artmasıdır. Örneğin voltaj regülatörlerinin kademe konumlarının değiştirilmesi ve yüksek yüklerin yakınında bulunan şönt kapasitörlerin açılıp kapatılması gibi. Bu davranış, anahtarlama cihazlarının zamanla bozulmasına ve ömrünün kısalmasına neden olur. Bu çalışma, gerilim profillerini iyileştirdikten sonra anahtarlama eylemlerinin sayısını azaltmayı ikincil bir amaç olarak ele almaktadır. RER'lere yapılan yatırımların artmasıyla birlikte, mevcut gerilim kontrol donanımları yetersiz kalmış olup, daha sağlıklı kontrol için akıllı invertörler gibi yeni geliştirilen teknolojilerden yararlanılmaktadır. Akıllı invertörler, dağıtım şebekesi ve yenilenebilir kaynak arasında çift yönlü reaktif güç akışına izin verir ve bu akışı kontrol eder. Birçok makale, akıllı invertörlerle donatılmış PV üniteleri veya rüzgar üreteçlerinin olduğu aktif dağıtım şebekelerinde reaktif gücü optimize etmek için yeni geliştirilen optimizasyon yöntemlerini kullanarak optimal çözümler bulmak için kapsamlı araştırmalar yapmıştır. Akıllı invertörlerle birlikte, geleneksel gerilim kontrol cihazları da halen daha gerilim kontrol amaçlı kullanılmaktadırlar. Bu cihazların bazıları şönt kapasitörler ve kademe değiştirici transformatörlerdir. Bu donanımlar, anahtarlama tabanlı gerilim kontrol cihazları olup, uzun yıllardır dağıtım şebekelerinde gerilimlerle ilgili sorunları çözmek için kullanılmaktadırlar. Şönt kapasitörler, izin verilen aralıkta olmayan problemli noktaların gerilim seviyelerini iyileştirmek için kesikli miktarda reaktif güç enjekte etmek için kullanılır. Kademe değiştirici transformatörler ise, izin verilen gerilim genlik sınırları aşıldığında, gerilim düzeyini artırma/azaltma amacıyla kullanılır. Fotovoltaik sistemlerin akıllı invertörlerinden gelen reaktif güç desteği sürekli değişkenlerdir. Reaktif gücün miktarı, fotovoltaik sistemin güç değeri ve akıllı invertör için belirlenen minimum güç faktörü ile sınırlıdır. Öte yandan voltaj regülatörlerinin kademe konumları ayrık değişkenlerdir. Bu, optimizasyon problemini karışık tamsayılı bir optimizasyon problemi haline getirir. Bu çalışmada, dağıtım şebekelerinde ortaya çıkan gerilim genlik problemleri, kısıtlı optimizasyon problemi şeklinde formüle edilerek, çözüm için, sezgisel veya meta-sezgisel yöntemler yerine analitik yöntemler kullanılmıştır. Ardışık karesel programlama (SQP) ve ardışık lineer programlama (SLP) yöntemi, PV ünitelerine reaktif güç akışını ve kademe değiştirici transformatörlerin kademe ayarlarını optimize ederek, gerilim profillerini düzletmesi ve dağıtım şebekesinin daha iyi performans elde edilmesi amaçlanmaktadır. Bu iki çözüm algoritması, 34-bara test sistemi ve123-bara test sistemi gibi iki dengesiz aktif dağıtım şebekesi için uygulanmıştır. Bu popüler IEEE test beslemelerine ek olarak, söz konusu algoritmalar, Türkiye'de gerçek bir dağıtım şebekesine de uygulanmıştır. Şebeke verileri DEDAŞ A.Ş. tarafından sağlanmıştır. Öncelikle, SQP yöntemi ile, IEEE-34 bara test sisteminde sadece bir PV biri olması durumunda oluşacak gerilim sorunlarının çözülmesine odaklanılmıştır. Böylece bir akıllı invertörden sağlanacak reaktif güç ve iki adet kademe değiştirici transformatörün kademe ayarları sayesinde yaklaşık global optimum noktaya erişilmiştir. Bu yöntem, gün boyu ortaya çıkan düşük gerilim sorunlarını, PV sisteminin akıllı invertöründen gelen reaktif güç desteğini kullanarak çözmeye çalışır. PV sistemi, düşük gerilim sorunlarının en yüksek olduğu düğüm noktasına kurulur. Ayrıca IEEE-34 sistemindeki iki voltaj regülatörü için en iyi kademe konumu kombinasyonları bulmaya çalışır. Daha sonra, SLP algoritması, IEEE-34, IEEE-123 test sistemleri ve yerel dağıtım şirketi DEDAŞ tarafından sağlanan gerçek bir dağıtım fiderinde, çok sayıda PV birimi olması durumunda uygulanmıştır. Bu yöntemle, yüksek güneş ışığı olan öğlen saatlerinde ortaya çıkan aşırı gerilim sorunları çözülmüştür. Son olarak, SLP yöntemi, akıllı açık nokta (SOP) donanımı olan IEEE-34 bara test sistemi için uygulanmıştır. SOP cihazları, hem aktif hem de reaktif gücün PV sisteminin akıllı invertöründen akmasına ve bunun tersinin yapılmasına izin veren güç elektroniği cihazlarıdır. Bu tür bir cihazın dağıtım şebekesine kurulması, reaktif güç desteğine en çok ihtiyaç duyan düğüm ile reaktif güç desteğine daha az ihtiyaç duyan düğüm arasındaki reaktif güç akışının esnekliğini artırır. Sonunda SOP cihazını dağıtım ağına entegre ettikten sonra, daha fazla reaktif güç desteğinin daha kritik düğüme akmasına ve daha az reaktif güç desteğinin daha az kritik düğüme akmasına izin verir. SOP donanımlarının, bağlandığı düğümler arasında reaktif güç akışına izin vererek, optimizasyon sürecinin performansını arttırdığı görülmüştür.

Özet (Çeviri)

With the increasing achievements in today's technology, the demand for electrical power is increasing more than ever. Subsequently, it became essential for electric power to be both accessible and affordable for the consumer. This led power distributors to seek other alternative energy resources that are more accessible and less expensive. Renewable energy resources such as wind and solar were among the most promising alternatives. Harvesting renewable energy resulted in significant technical developments, not to forget the economic and environmental benefits such resources offered. However, integrating renewable energy resources (RERs) into distribution networks (DNs) has caused the distribution network to face adverse drawbacks. Many research studies have focused on mitigating the effects of those drawbacks in the last few decades. This is where the active distribution networks (ADNs) were introduced. ADNs are designed to automate and control the power flow of the distributed energy resources (DERs) implemented in the DNs. One of the main problems ADNs usually face after integrating distributed generation (DG) units into the distribution networks is the intermittent nature of renewable resources. The interrupted solar irradiance from the sun or the unpredictability of wind power causes fluctuations in the power generated by these resources. Such fluctuations may cause the system to experience inconsistent voltage levels, the frequency of the system deviating from the one designed for, and increased system losses, eventually leading to an unstable distribution system. Another impact of inappropriate integration of the RERs is the excessive power generation during times of strong winds or high solar irradiation. This causes overvoltage problems in some system nodes and, sometimes, the overgenerated power to flow in the reverse direction, which is critical as the distribution networks are designed to operate under a unidirectional power flow. Several studies have dealt with the issues arising after the integration of DG units into DNs. Many of them were dedicated to addressing such problems before integrating the RERs into the distribution network. Those studies tackle the planning and design challenges that must be considered before the installation process of DG units. Other problems, such as temporary undervoltage or overvoltage, can be dealt with while operating the distribution system. This study deals with the operational problems that arise while operating DG units in unbalanced distribution networks. With the increasing investment in RERs, one of the newly developed technologies is the smart inverters of DG units. Smart inverters allow bidirectional reactive power flow between the DN and the DG unit. Many papers have conducted thorough research to find optimal solutions using newly developed optimization methods. The optimization methods try to solve the operational problems of the DNs by optimizing the reactive power flow injected or consumed by the smart inverters equipped with PV units or WTs. This type of optimization problem is referred to as a volt-var optimization problem. Along with the smart inverters, some classical devices are involved in the optimization process. The most popular of these devices are shunt capacitors and tap changers. They are utilized as switched-based devices and have been used to solve operational problems of DNs for a long time. Shunt capacitors provide discrete reactive power to improve the voltage levels of problematic nodes that are not within the permissible range. Tap changers are used to level up/ down the voltage level when it violates the permissible limits. This study approaches the solution of operational problems in distribution networks by using analytical methods instead of heuristic or metaheuristic methods. Sequential quadratic programming (SQP) and sequential linear programming methods are introduced to optimize the reactive power flow into/ from the PV units and the tap changer position to achieve better voltage profiles and improved operational performance by the DN. These two algorithms are applied to the unbalanced DNs, such as the IEEE 34-bus test system and IEEE 123-bus test system. In addition to the popular IEEE test systems, the algorithms were also applied to a real distribution network in Turkey. First, SQP is applied to solve overvoltage and undervoltage problems on the IEEE-34 node test feeder with one PV source in the network. This is done by finding the near global optimal reactive power support from the smart inverter and positions of the two installed tap changers on the IEEE-34 node test system. Second, the SLP algorithm is applied to hold high PV penetration cases of IEEE-34, IEEE-123, and local DN networks. The data of the latter one were provided by the local distributor company DEDAŞ. The method solves the operational problems that arise during the high solar irradiance at noon and solves the overvoltage problems. The SLP method works by finding the near-optimal reactive power to be consumed by the smart inverter with the PV units installed in the test systems. Finally, SLP is applied to the IEEE-34 test system equipped with a soft open point (SOP) device. The results show that integrating SOP devices improves the performance of the optimization problem as it allows for reactive power flow between the nodes to which the SOP is connected.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    831986

    Dengesiz dağıtım sisteminde dağıtık üretimin optimal yerleşimi ve boyutlandırılması

    Optimal allocation and sizing of distributed generation in the unbalanced distribution system

    SALMAN AHMED NUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK EMİROĞLU

  2. Tez No

    478548

    Integration of distributed generation in Iraq electrical distribution system: Pre-results and suggestions

    Dağıtık üretimin Irak elektrik dağıtım sistemine entegrasyonu: Ön sonuçlar ve öneriler

    AHMED ISAM ABDULSAHIB ABDULSAHIB

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OZAN ERDİNÇ

  3. Tez No

    845325

    Development of a home energy management system to increase renewable self-consumption in households considering demand-side flexibility

    Talep tarafı esnekliği dikkate alınarak konutlarda yenilenebilir öz tüketimi artırmaya yönelik bir ev enerji yönetim sistemi geliştirilmesi

    ANIL CAN DUMAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖNDER GÜLER

  4. Tez No

    809293

    Timal placement of multiple distributed generation units in a radial distribution network in Amman-Jordan

    Amman-Ürdün radyal dağıtım şebekesinde dağıtık üretim birimlerinin optimal yerleştirilmesi

    MOHAMMAD ISAM MOHAMMAD AL-ZABEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ASSOC. DR. MUSTAFA TURAN

  5. Tez No

    467328

    Optimal distributed generation allocation and sizing in radial distribution networks by Cuckoo search algorithm

    Cuckoo arama algoritması ile radyal dağıtım şebekelerinde optimum dağıtık üretim yerleşimi ve boyutlandırılması

    MARYAM MAJIDI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. AYDOĞAN ÖZDEMİR

Geri Dön