Dağıtık üretimli elektrik enerji sistemlerinde gerilim azaltım yöntemi ile enerji optimizasyonu

Abstract

Dağıtım sistemlerinde akıllı şebeke teknolojilerinin kurulmasıyla, dağıtım şirketleri (operatörler ve planlayıcılar) için birçok olanak sağlanmaktadır. Böylelikle, dağıtım şirketleri, şebekenin verimini, güvenilirliğini artırmak, bazı teknik ve ekonomik sorunları çözmek için haberleşme ve ileri ölçüm altyapısı gibi akıllı şebeke teknolojilerine önem vermektedir. Dağıtık üretimin (DÜ) olumsuz etkilerini yok etmek gibi zorlukların üstesinden gelmek için geleneksel kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu yüzden problemlerin üstesinden gelmek, tüketiciye kaliteli elektrik enerjisi sağlamak ve şebekenin verimini artırmak gibi akıllı şebeke işlemleri için yeni kontrol yöntemleri geliştirilmelidir. Bu tez Volt/VAr Optimizasyonu (VVO) olarak adlandırılan dağıtım şebeke gerilim ve reaktif güç optimizasyonu için yeni yaklaşımlar önermeyi amaçlamıştır. Önerilen yaklaşımlar VVO'nun önemli bir özelliği olan kullanıcıların cihazlarına zarar vermeden ve performansını etkilemeden limitler içinde gerilimi azaltarak talep gücü azaltmaya ve enerji tasarrufuna olanak sağlayan Tasarruflu Gerilim Azaltımı (CVR - gerilim azaltımı ile enerji optimizasyonu) için uygulanmıştır. İlk olarak, gerilim ve reaktif güç kontrolü ayrı ayrı ele alınarak dağıtık reaktif güç kontrol algoritması VVO için uygulanmıştır. Önerilen bu VVO/CVR'nin amacı dağıtık reaktif güç kontrol algoritması ile kayıplar minimize edilirken dağıtım trafo merkezinde bulunan gerilim regülatörü (VR) ile gerilimi olabildiğince alt limite yaklaştırmaktır. Tezde ikinci olarak gerilim ile reaktif güç birlikte ele alınarak merkezi ve merkezi olmayan birleşik VVO/CVR uygulanmıştır. Ele alınan problem karışık tam sayılı doğrusal olmayan programlama (KTDOP) problemi olarak modellenmiştir. KTDOP olarak modellenen VVO/CVR problemi genetik algoritma (GA) kullanılarak çözülmüştür. İki farklı VVO/CVR yaklaşımının uygulanmasıyla sadece gerilim profili iyileştirilmemiş ayrıca çekilen güç ile kayıplar azalarak günlük enerji tüketimi de azaltılmış ve enerji tasarrufu elde edilmiştir. VVO/CVR'a Model Öngörülü Kontrolün (MÖK) uygulanmasıyla sistemin gelecek durumları dikkate alınmış ve gereksiz kontrolden kaçınılarak kullanılan aygıtların işlem/anahtarlama sayısının azaldığı görülmüştür. Önerilen yöntemler sürekli durumda kontrol merkezi ve kullanıcılar arasında iki yönlü haberleşme yapısına sahip olduğu varsayılan DÜ ve DSTATCOM içeren dengesiz yüklenme ve hat yapısına sahip olan IEEE 13-34 baralı test sistemine uygulanmıştır. Benzetimler günlük değişken yük talebi, farklı tip tüketici, üç fazlı güç akışı ile üç fazlı dengesiz hat modeli ve gerilime bağlı yük modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Deployment of smart grid technologies in distribution systems provides many opportunities for utilities. Thus, a large number of utilities intend to explore the capabilites of smart grid technologies to imrove the efficiency, reliability of grid and overcome technical-economical issues of the grid. Conventional control methods need to be improved to address the challenges associated with negative influence of distributed generation (DG). Hence, new control techniques need to be developed for smart grid operations to overcome the problems, provide high quality power for the customers and increase the grid efficiency. This thesis aims to introduce novel approaches for one of the useful techniques employed for distribution network voltage and reactive power optimization called as Volt-VAR Optimization (VVO). The proposed approaches are applied for Conservation Voltage Reduction (CVR) as a part of VVO which provides energy saving by decreasing the voltage magnitudes to the minimum allowable limits without affecting the performance of the end user's devices. The first part of the study introduces distributed reactive power control based VVO/CVR approach in a decoupled way. The objective of the novel VVO/CVR approach is to minimize system power losses by distributed reactive power control while reducing the voltage down to the lower acceptable limits. The second part of the study introduces centralized and decentralized integrated VVO/CVR approach. The control problem is formulated as a mixed integer non-linear programming (MINLP) problem. The foregoing problem is solved through Genetic Algorithm (GA). Applying two different VVO/CVR approaches not only improves the voltage profile along the feeder but also reduces the daily energy demand. Model Predictive Control (MPC) technique is applied to second VVO/CVR problem and it has been seen that the operation/switching times of equipment are reduced by avoiding unnecessary control. The proposed approaches in this thesis are validated on IEEE 13-34 test feeder system with DG and DSTATCOMs assuming steady-state operating conditions and two-way communication network. The formulation is based on a three-phase power flow with variable load demand, different customer types, voltage dependent loads, unbalanced line configurations.