Akıllı şebekelerde ev enerji yönetim sistemi tasarımı

Abstract

100 yıl öncesine dayanan mevcut elektrik şebekeleri artık günümüz ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Günümüzün artan elektrik enerjisi ihtiyacını karşılayabilecek yeni bir şebeke ihtiyacı vardır. Bu sebeple akıllı şebekeler tüm dünyada yoğun araştırma ve geliştirme konusu olmuştur. Akıllı şebekeler enerji interneti olarak tarif edilmektedir. Enerji teknolojisinin bilişim teknolojisiyle birleşmesiyle birlikte şebekede iki yönlü enerji ve bilgi akışı sağlanacaktır. Bu tezde akıllı şebeke modeli açıklanırken Amerikan Uluslararası Standartlar ve Teknolojiler Enstitüsü tarafından yayınlananakıllı şebeke modeli baz alınmıştır.Haberleşme altyapısı gelişmekte olan akıllı şebekelerin vazgeçilmez bir parçasıdır. Yaygın ve ölçeklenebilir haberleşme altyapısı oluşacak olan akıllı şebekenin inşası, hem de işletilmesi için oldukça önemlidir. Akıllı şebekelerin altyapısında birçok farklı haberleşme teknolojisinden yararlanılacaktır ve birbirleriyle haberleşmesi sağlanabilecektir.Geleceğin enerji sistemi yalnızca tüketicilerin elektrik beslemesini sağlayan elektrik sistemleri olmayacak, aynı zamanda tüketicilerin ürettiği temiz enerjinin şebekeyedahil edimesine izinveren sistemlerden oluşacaktır. Yüksek hızlı, güvenilir, güvenli veri iletimini sağlayan haberleşme ağı, güç sistemlerini etkin ve akıllıca yönetecektir.Bu çalışmada akıllı şebeke uygulamalarının altyapıları ve en yaygın kullanılan akıllı şebeke teknolojileri ele alınmış, akıllı şebekelerin amaçları, gereklilikleri ve yararları analiz edilmiştir. Bunlara ilave olarak, akıllı şebekelerin haberleşme altyapısında kullanılabilecek olan teknolojiler detaylandırılmştır. Ev alan ağı (HAN), mahalle alan ağı (NAN) ve geniş alan ağı (WAN) gibi farklı ağ bileşenlerini içeren akıllı şebekelerin haberleşme alt yapıları incelenmiş ve kablolu ve kablosuz ağ teknolojileri detaylı olarak ele alınmıştır.Bu tez çalışmasında yenilenebilir enerjilerden faydalanan ve evdeki bazı cihazların kullanımını şebekeyle haberleşerek izleyen bir akıllı ev simülasyon modeli oluşturulması amaçlanmıştır. Bu simulasyon modelinde yenilenebilir enerjilerden üretilen enerjinin kullanılması ve tüketicinin yüklerinin yönetiminin sağlanması ile enerji verimliliği analizleri yapılarak tüketicinin faturasına yansıması gösterilmiştir. Güneş ve rüzgar türbini modellerini içeren modelde üretilen enerjinin tüketicinin elektrik ihtiyacını karşılaması, fazlasının batarya sistemlerinde depo edilmesi ve fazlasının şebekeye satılması işlemiiki aşamalı simülasyon üzerinde gerçekleştirilmiştir.Tez çalışması aşağıda belirtilen yaklaşım ve yöntemler ile gerçekleştirilmiştir:•Simülasyon ortamında rüzgartürbini modeli ve güneş paneli modeli ve tüketici verileri tanımlanarak akıllı ev modeli oluşturulmuştur. •Matlab /Simulink ortamında tüketici yenilenebilir enerji kaynaklarından elde ettiği güçle ihtiyacı olan elektrik enerjisini karşılayıp, ürettiğinin fazlasıyla batarya sistemlerini şarj ederek şebekeye satan model oluşturulmuştur. Tüketici verileri de modellenmiş, her ay için simülasyon sonuçları alınarak bir yıllık sonuç verisi oluşturulmuştur.•Tüketim faturası hesaplanmış, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı ve kullanılmadığı durumlara göre analiz sonuçları grafik üzerinde gösterilmiştir.Simülasyonun ikinci kısmında Matlab/Simulink ortamında hazırlanan enerji yönetim algoritmasıyla, tüketicinin yüklerinin kontrol edilip şebekeden gelen talep durumuna göre, tüketiminin daha sonraki zaman dilimlerine kaydırılması hedeflenmiştir. Bir aylık elde edilen sonuçlarda enerji verimliliği ve tüketicinin faturasında olan değişim detaylı olarak grafik üzerinde gösterilmiştir.

Our current electric power grid was built over 100 years ago based on simple demand and supply requirement. Today, we are stretching its current capacity and we need better grid for aging infrustructure. Thus, Smart Grids has become intensive research and development topic, across the world for last few years.Smart grid is described as the Energy Internet: Where Energy Technology meets Information Technology and characterized by two-way flows of power in electrical networks and information in communication networks. Depending on this definition, in this thesis, Firstly, we focused on smart grid infustructure. We described smart grid infrastructure which based on NIST Smart Grid model. And also, Smart Grid purposes, requirements and benefits are described, most common Smart Grid Technologies are mentioned.Communication infrastructure is one of the most important part of Smart Grid. Common and scalable communication infrastructure is essential to success of the emerging smart grid. A scalable and pervasive communication infrastructure is crucial in both construction and operation of a smart grid.The function of next-generation electric power systems is no longer a system that only supplies energy to end users, but also allows consumers to contribute their clean energy back to the grid in future. One of the important features of the smart grid is the integration of high-speed, reliable and secure data communication network to manage the complex power systems effectively and intelligently. In this paper, we focus on the SG communications infrastructure which consists of different network components, such as Home Area Networks (HANs), Neighborhood Area Networks (NANs) and Wide Area Networks (WANs). We also summarize major wired communication technologies. At the last part of our thesis, we created a smart home simulinkmodel, which produces own clean energy by using wind turbines and solar pannels. We assumed, the model communicates with Smart Grid via smart devices in thehome. We demonstrated the changes in consumer's bill by analizing energy efficency. According to simulation model, generated electrical energy is stored in battery groups and surplus production of electric energy is sold back to grid. The thesis study is realized with the help of following methods:•We defined a smart home simulation model which includes renewable energy sources that are wind turbine and solar, panels. Smart home produces its own generated energy to reduce the dependence on the grid. Consumer fulfills the requiremet energy for own loads and surplus production electricity is used to charge batteries and is sold to grid. We repetated simulation outcomes every month for one year.•We calculated consumer bill for both renewable energy used and not used situations. Simulation results are demonstrated on a grafic.•At the second part of simulation, we devoped an algorithm to create sample to demand response that is an important part of smart grid model. Algoritm separates loads into two groups which are shiftable and unshiftable loads. We chosed some big loads that will be contolled by smart grid and will be shifted in case of receving smart grid shifting message.