Elektrik Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
  • Öge
    Rüzgâr enerjisi kaynakları içeren güç sistemleri için güvenlik kısıtlı optimal güç akışı çözümü
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Ayvaz, Alişan ; Genç, Veysel Murat İstemihan ; 693929 ; Elektrik Mühendisliği
    Rüzgâr enerjisi, ülkemizde ve dünya genelinde gün geçtikçe şebekede etkinliğini arttırmakta ve ihtiyaç duyulan enerji gereksinimini karşılamada önemli bir rol almaktadır. Konvansiyonel enerji kaynaklarının küresel ısınmayı tetiklemesi, temiz ve çevre dostu olan yenilenebilir enerji kaynaklarının ve bu enerji kaynakları içerisinde önemli bir yere sahip olan rüzgâr enerjisinin, ilerisi için kullanımının daha da hızlı bir şekilde artacağının göstergesi olmaktadır. Öyle ki bazı ülkeler, yakın gelecek planları dahilinde fosil yakıt kullanımını tamamıyla sıfırlamak ve bu kapsamda enerji ihtiyacının önemli bir kısmını rüzgâr enerjisinden karşılamayı amaçlamaktadır. Rüzgâr enerjisinin kullanımı sadece çevresel olarak değil, aynı zamanda ekonomik açıdan da avantajlar yaratmaktadır. Rüzgâr enerjisi kaynakları ile elden edilen gücün üretim maliyeti, yapılan doğru hesaplama ve planlamalar ile konvansiyonel enerji kaynaklarından elde edilene göre daha düşük olabilmektedir. Fakat, rüzgâr enerjisi, çevresel ve ekonomik olarak sunduğu avantajların yanında birtakım dezavantajlara da sahip bulunmaktadır. Bu dezavantajların temelinde ise rüzgâr enerjisi kaynağının, yani rüzgâr hızının, değişken ve belirsiz olması yatmaktadır. Bu değişken ve belirsiz olan rüzgâr hızına bağlı olarak rüzgâr enerjisi kaynakları ile üretilen güç de belirsiz olmakta ve bu kaynakları içeren güç sistemlerinde; ani yük akışı değişimleri meydana gelebilmekte, güç dengesi bozulabilmekte, güç sistemi bölgesel veya genel olarak aşırı yüklenmelere maruz kalabilmekte ve güç sistemi olası kritik arızalara karşı dayanıksız hale gelebilmektedir. Fakat, yine doğru hesaplama ve planlamalar ile rüzgâr enerjisi ile üretilen gücün belirsiz oluşuna bağlı bu dezavantajları telafi edebilir ve rüzgâr enerjisi kaynaklarının güç sistemine entegrasyonunu arttırarak, güç sistemini hem çevresel ve ekonomik açıdan avantajlı hem de teknik açıdan problemsiz bir şekilde işletebiliriz. Optimal güç akışı (OPF, optimal power flow), güç sistemindeki generatörler arasındaki güç dağıtımının güç akışı eşitlik kısıtları ve güç sistemi fiziksel ve işletimine dair sınırları tanımlayan eşitsizlik kısıtları altında ekonomik olarak yapılmasıdır. OPF problemi, literatürde tek veya çok amaçlı yapıda birçok farklı amaç fonksiyonu ile formüle edilse de genel olarak kullanılan amaç fonksiyonu, konvansiyonel generatörler tarafından üretilen gücün toplam maliyetidir. Geleneksel OPF yaklaşımı, her ne kadar iletim hatlarındaki maksimum güç taşınım sınırı ve generatör güç üretim limitleri gibi işletimsel kısıtları koruyarak güç sisteminin güvenliğinin sağlanması noktasında uygun çözümler sunsa da güç sisteminde meydana gelebilecek beklenmedik arızalara karşı güç sisteminin kararlılığını garanti etmemektedir. Bu kapsamda, güç sisteminin beklenmedik arızalara karşı kararlılığını hem arıza esnasında hem de arıza sonrasında dikkate alarak güç sisteminin güvenliğini sağlayan çalışmalar, geçici hal kararlılığı kısıtlı optimal güç akışı (TSCOPF, transient stability constrained optimal power flow) başlığı altında ele alınmaktadır. TSCOPF problem formülasyonunda, geleneksel OPF yaklaşımına ek olarak, güç sistemi dinamik davranışını belirleyen diferansiyel-cebirsel denklemler (DAEs, differential algebraic equations) de birer kısıt olarak yer almaktadır. Literatürde, son yıllarda yapılan çalışmalardan çok azı TSCOPF probleminin çözümünü yenilenebilir enerji kaynaklarının sebep olduğu güç üretim belirsizliklerini de dikkate alarak yapmaktadır. Bu çalışmalarda, genellikle, rüzgâr enerjisi kaynaklarının neden olduğu belirsizlik, rüzgâr hızı geçmiş verilerine bağlı olan veya varsayıma dayanan bir olasılıksal yoğunluk fonksiyonu ile ele alınmakta ve bu fonksiyon bilgisi kullanılarak rüzgâr enerjisi güç üretim belirsizliği farklı yöntemler ile modellenerek problem çözümü gerçekleştirilmektedir. Fakat belirsizlik modellemesi, bu yöntemler ile örneklemeye bağlı olarak gerçekleştirildiği için optimizasyon çözümünde hesaplama yükü meydana getirmektedir. TSCOPF probleminin çözümünde, geçici hal kararlılığı kısıtlarının kontrolü için gerçekleştirilen zaman bölgesi simülasyonlar hali hazırda bir hesaplama gücü gerektirirken, buna ek olarak, belirsizlik modellemesinin de dahil edilmesiyle problem çözümü daha da zorlu bir hal almaktadır. Diğer yandan, belirsizliklerin olasılıksal olarak ele alınması ile problem çözümü ile elde edilen sonuç da olasılıksal olmakta ve bu sonucun güvenirliği için Monte Carlo yöntemiyle yüksek örneklemeye bağlı test yapılması gerekebilmektedir. Bu durum, bu yöntemler için, pratikte uygulanabilirlik açısından bir dezavantaj teşkil etmektedir. Bu tez çalışmasında, literatürdeki eksikler göz önünde tutularak, rüzgâr enerjisi kaynaklarının neden olduğu güç üretim belirsizliği altında TSCOPF probleminin çözümüne yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Bu çalışma dahilinde, rüzgâr enerjisinden kaynaklı belirsizliklerin ele alınması, olasılıksal olmayan ve örneklemeye dayanmadığı için hesaplama yüküne neden olmayan bilgi boşluğu karar teorisi (IGDT, information gap decision theory) yönteminin kullanımı ile gerçekleştirilmiştir. Önerilen metodoloji, uluslararası literatürde sıkça kullanılan küçük ve büyük ölçekli güç sistemleri üzerinde uygulanmış ve elde edilen sonuçlar literatürdeki diğer yöntemlerle karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Tez çalışmasının bir diğer aşamasında ise, rüzgâr enerjisi kaynaklarının yatırım planlamalarına yönelik literatürde yapılan çalışmaların güç sisteminin güvenliğini yalnızca statik kısıtlar altında ele aldığı tespit edilmiş ve bu kapsamda, statik kısıtların yanında güç sistemi dinamik kısıtlarının da dikkate alındığı ve bu şekilde muhtemel kritik arızaların meydana gelmesi durumunda güç sistemi kararlılığının korunduğu yeni bir rüzgâr gücü yatırımı (RGY) optimizasyon modeli geliştirilerek literatürdeki eksiklik giderilmeye çalışılmıştır. Bu yeni optimizasyon probleminin çözümü ile hedeflenen, güç sitemine yapılacak olan yatırımdan kaynaklanan ve güç sistemi işletim ve bakım masraflarını da kapsayan toplam maliyeti minimize edecek, aynı zamanda ise güç sistemi güvenliğini de statik ve dinamik açıdan geliştirecek en uygun rüzgâr tarlası konum ve kapasitelerinin bulunmasıdır. Rüzgâr gücü üretimine bağlı belirsizlik, bu çalışma kapsamında da dikkate alınarak pratikte uygulanabilir bir yatırım stratejisi hem yatırımcılar hem de güç sistemi operatörlerine yönelik olarak sunulmuştur. Ayrıca, parçacık sürü optimizasyon (PSO, particle swarm optimization) algoritmasının keşif, gri kurt optimizasyon (GWO, grey wolf optimization) algoritmasının ise sömürü aşaması kabiliyetlerinden yararlanılarak yeni bir hibrit optimizasyon algoritması (EHPSGWO, enhanced hybrid PSO-GWO) önerilen RGY probleminin çözümünde kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma, RGY probleminin yanı sıra OPF probleminin çözümü için de uygulanmış ve literatürdeki benzer optimizasyon algoritmaları ile elde edilen sonuçlar da dikkate alınarak karşılaştırmalı şekilde performansı analiz edilmiştir. Bu kapsamda, bu tez çalışması, günümüz güç sistemlerinin artan enerji talebinin, temiz ve çevre dostu olan rüzgâr enerjisi kaynaklarının güç sistemlerine entegrasyonu ile karşılanmasına ve bu entegrasyonun, rüzgâr enerjisi kaynakları ile elde edilen güç üretimi belirsizliğinin de dikkate alınarak hem ekonomik anlamda fayda sağlayacak hem de güç sisteminin güvenliği noktasında herhangi bir zafiyete neden olmayacak şekilde gerçekleştirilmesine yönelik pratiğe uygun çözümler sunmaktadır. Nitekim, farklı büyüklükteki güç sistemleri üzerinde çeşitli durum çalışmaları ile elde edilen sonuçlar, yapılan çalışmanın yenilenebilir enerji kaynakları ile büyüyen ve aynı zamanda daha karmaşık hale gelen modern güç sistemleri için önemini göstermektedir.