Elektrik dağıtım sisteminde çok etmenli sisteme dayalı gerilim regülasyonu

Abstract

Teknolojik gelişmeler ve insan nüfusundaki artış enerji ihtiyacını her geçen gün artırmaktadır. Sürekli olarak artış gösteren enerji ihtiyacı nedeniyle enerji üretim tesisleri üzerine yapılan çalışmalar da yoğunlaşmıştır. Enerji ihtiyacını farklı kaynaklardan karşılamaya yönelik yapılan çalışmaların neticesinde elektrik şebekelerinin yapısı da değişme uğramaktadır. Önceleri sadece iletim sisteminden bağlı büyük kurulu güçlere sahip merkezi üretim tesislerinden faydalanılır iken son yıllarda küçük ölçekli dağıtık üretimlerin de enerji ihtiyacını karşılamaya yönelik hatırı sayılır derecede katkıları söz konusu olmaktadır. Yenilenebilir enerji veya fosil yakıt bazlı dağıtık üretimler dağıtım şebekesinin hemen her yerinden şebekeye dahil olabilmektedirler.Ülkemizde de dünya genelinde olduğu gibi dağıtık üretimler yaygınlaşmaktadır. Kurulum safhasında çok yönlü enerji akışlarına ve dağıtım seviyesinden yapılan üretim entegrasyonlarına uygun olarak tasarlanmamış elektrik şebekeleri, dağıtık üretim entegrasyonları sonucunda bazı sorunlar ile karşılaşabilmektedir. Dağıtık üretim entegrasyonu kısa devre akımlarında artış, adalaşma riski, kararlı hal gerilimlerinde düzensizlikler gibi üzerine düşünülmesi gereken konuları ortaya çıkarmıştır. Dağıtık üretimlerin şebekeye entegrasyonları uluslararası standartlar ve yerel yönetmeliklerde belirtilen kriterler dahilinde detaylıca incelenmesi gereken bir alan halini almıştır. Bu tezin özelinde dağıtım sisteminde meydana gelen gerilim düzensizliklerini önlemeye yönelik kullanılan geleneksel ve modern ekipmanlar tanıtılmıştır. Dağıtık üretimler ve yük değişimlerinden kaynaklanan gerilim düzensizliklerini ortadan kaldırmak adına çok etmenli sistem ile gerilim regülasyonu yöntemi üzerinde detaylıca durulmuştur.Dağıtım sisteminde gerilim seviyesini izin verilen limitler içerisinde tutmak için gerilim kontrol ekipmanlardan faydalanılmaktadır. Buna ilave olarak modern dağıtık üretimler yapıları gereği şebekeye bağlandıkları noktadan kontrollü bir şekilde sisteme reaktif güç enjekte etme veya absorbe etme kabiliyetlerine sahiptirler. Bu yöntemle gerilim seviyesine etki edebilen dağıtık üretimlerin sisteme dahil olması, dağıtım sistemlerinde gerilim regülasyonunu birçok etmenin koordineli bir şekilde çalışması ile gerçekleştirilebilecek bir olgu haline getirmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda çok etmenli sistem mimarisine dayanan bir algoritma ile gerilim regülasyonu yapmayı amaçlayan kontrol mekanizması Matlab yazılımının Simülink arayüzü üzerinde modellenmiştir. Test sistemi yine Simulink üzerinde radyal bir orta gerilim şebekesi şeklinde modellenmiştir. Modellenen sistemde 4 adet rüzgar santrali, yükler, transformatörler havai hatlar ve yer altı kabloları yer almaktadır. Kararlı hal gerilimini bozmak adına sistemde değişimler meydana getirerek çok etmenli sistem ile gerilim regülasyonunun sonuçları gözlenmiştir. Dağıtık üretimlerin üretim miktarının farklı rüzgar hızları ile değişmesi, santrallerin arıza sebebiyle veya aşırı rüzgar hızı sebebiyle devre dışı kalması, talep yük miktarının değişmesi gibi olası durumların etkileriyle 3 farklı durum için simülasyon çalışması yapılmıştır. Yapılan simülasyon çalışması da göstermiştir ki, şebekede yer alan rüzgar santrali üretim değerlerinde ve talep yük miktarlarında yapılan değişiklikler bara gerilimlerini yükseltebilmekte ve düşürebilmektedir. Gerilimin limit değerlerin dışına çıktığı durumlarda çok etmenli sistem düzensizliği yük etmenleri ile algılayabilmiş, ilgili etmenlerle iletişim kurarak gerilimi yeniden izin verilen değer aralığına başarılı bir şekilde çekebilmiştir. Bu sayede sistem gerilimleri yönetmeliklerde belirtilen aralıkta tutulmuş, sistemde yer alan ekipmanların gerilim düzensizliği sebebiyle zarar görmesi ve devre dışı kalması engellenmiştir. Gerilimi düzenlerken test sisteminde yer alan şönt kondansatör, yük altında kademe değiştirici ve rüzgar santrallerinin reaktif güç kapasitelerinden faydalanılmıştır. Gerilim kontrol ekipmanları koordineli bir şekilde çalıştırılarak manevra sayısı en aza indirilmiştir.

Technological developments and the increase in the human population are increasing the need for energy day by day. Due to the ever-increasing need for energy, work on energy power plants has also become more frequent. As a result of the efforts to meet energy needs from different sources, the structure of the electricity networks is undergoing change. While the energy need only available from centralized generation facilities with large-scale installed capacities connected to the transmission system, in recent years small scale distributed generations have contributed considerably to meet the energy need. Renewable energy or fossil fuel-based distributed productions can be connected almost anywhere in the distribution network.Distributed productions become more popular in Turkey as it is in the world. Electrical networks that are not designed for generation integrations made from distribution levels and bidirectional energy flows at the installation stage may cause some problems with distributed generation integrations. Distributed generation integration reveals the issues that need to be addressed, such as the increase in short-circuit currents in the network, the risk of islanding, and irregularities in steady-state voltages. The integration of distributed production into the network has become an area that needs to be examined in detail within the criteria specified in international standards and local regulations. This thesis has been specifically introduced to the traditional and modern equipment used to prevent voltage violations in the distribution system such as on load tap changer (OLTC), shunt capacitor, shunt reactor, step voltage regulator, static VAR compensators, synchronous compensator, static synchronous compensator. In order to remove the voltage violations originating from distributed generation, multi-agent system (MAS) based voltage regulation method studied in detail. MAS based technology found a place at power engineering in recent years. MAS is used in power engineering four different area such as distributed control, modelling and simulation, monitoring and diagnostics, protection. Researches show that MAS technology can be an effective way to make dynamic operations in future distribution network. Voltage control equipment is used to keep the voltage level within the permissible limits in the distribution system. In addition, modern distributed generations have the ability to inject or absorb reactive power into the system in a controlled way from the point where they are connected to the network due to the nature. Most of the distributed generation connected to the grid trough power electronic converters. Distributed generation can provide reactive power to the grid by means of converter structure. For wind turbines with this structure can provide maximum reactive power even under the lowest wind speed condition or maximum generation. The connection of distributed generation can affect the voltage level. For this reason, making the voltage regulation in the distribution systems a phenomenon that can be realized by the coordinated operation of many factors.As a result of the literature studies, the autonomous control technique that aiming voltage regulation with an algorithm based on multi-agent system architecture is modelled on the Simulink interface of Matlab software. In addition, the test system modelled as a radial medium voltage network on Simulink. In the modelled system, there are four wind power plants, loads, step-up/down transformers, OLTC, shunt capacitor, overhead lines and underground cables. Wind turbine which was modeled in wind power plant was chosen doubly fed induction generator based (DFIG) one. DFIG type of wind turbine has wound rotor induction generator and AC/DC/AC converter installed between rotor windings and grid. Active and reactive power generation of DFIG wind turbines can be controlled. In order to disturb the steady-state voltage some changes made in the system the effects of the voltage regulation with the multi-agent system were observed. Simulation studies have been carried out for three different cases with the effect of changing the generation amount of the distributed generation with different wind speeds, the failure of the power plants due to faults or trip due to excessive wind speed. In the first case, due to the change of the wind speed from 8 m/s to 25 m/s, causes trip at all wind farms to protect mechanical equipment. Under this circumstances undervoltage issue observed. Load agent of related bus detects this violation and regulates voltage by switching on shunt capacitor. In the same case also the demand load rise effects simulated. In this situation voltage regulation made by OLTC operation.Second case simulated to observe voltage regulation by distributed generation reactive power support capabilities. In this case one of the wind farm trips and load demands of the system increase. Load agent of MAS detects undervoltage problem and sends message the related reactive power control agent to regulate voltage. System voltages are brought to permissible range by wind turbines reactive power support.At the last case, voltage rise reaction of the MAS simulated. The wind speed changes from 8 m/s to 12 m/s. As expected, this is also increases active power generation of wind farms. At the same time demand load of the system decreases. As seen in the case 2 distributed generation can regulate voltage with reactive power support capability. In case 3, after the violation detection load agent sends message to the related agent to reduce voltage, unlike the case 2. Voltage regulate by absorbing reactive power from the network at the connection point of wind farm.Simulation studies show that changes in the wind power plant generation values and demand load quantities in the network can increase or decrease bus voltages. In cases where the voltage exceeded the limit values, the multi-agent system could perceive the violation due to the load agents and successfully regulate the voltage to the permissible value range by communicating with the related agents. In this respect, the system voltages kept within the limits specified in the regulations, and the equipment in the system was prevent from being damaged or disabled due to voltage violations. Shunt capacitors, on load tap changers and reactive power capabilities of wind power plants, which are included in the test system during the regulation of the voltage, have been utilized. Voltage control equipment is operated in a coordinated manner and minimizing these equipment switching operations.