Yenilenebilir enerji sistemleri ile entegre iki alanlı güç sisteminde yük frekans kontrolü için optimizasyon yöntemleri kıyaslaması

Abstract

Günümüzde kaynakların kısıtlılığına dair artan farkındalık ve sürdürebilirlik endişelerinin yükselmesi, kaynakların verimli kullanılmasını öncelik haline getirmiştir. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı izole şebekelerde ve enterkonnekte güç sistemlerinde artış göstermektedir. Ancak bu artış güç sistemleri üzerine ek karmaşıklık getirmekte ve modern güç sistemlerinin kararlılığını ve güvenilirliğini sağlamada önemli zorluklar ortaya koymaktadır. Bu karmaşıklığın başlıca nedenlerinden biri, yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekli olmayan yapısıdır. Bu durum güç üretiminde ani güç değişimlerine yol açabilmektedir. Bu dalgalanmalar, yük ve üretim arasında uyumsuzluklara ve ardından frekans sapmalarına neden olabilir. Bu dengesizliklerin üstesinden gelmede, yük frekans kontrolü önemli bir rol oynar. Yük frekans kontrolü için öncelikle matematiksel modellerden faydalanılır. Frekans kontrolü temel olarak, hızlı cevap veren birincil kontrol ve birincil kontrol kaynaklı oluşan kararlı durum hatasını ortadan kaldırmayı hedefleyen ikincil kontrolden oluşmaktadır. Ayrıca sistem modellenirken, hız regülatörü ölü bandı ve üretim oranı kısıtlaması gibi sistemin doğrusal olmayan dinamiklerini dahil etmek, fiziksel kısıtlamaları hesaba katarak, gerçek sistem koşullarını daha doğru bir şekilde yansıtabilir. Meta sezgisel yöntemler, karmaşık sistemler için çözüm üretmede oldukça yararlı oldukları için çok alanlı güç sistemlerinde oransal-integral-türev kontrolörlerin kazanç katsayılarını bulmada yaygın olarak kullanılır. Ayrıca bu katsayılar, sistemin değişen girdilerine karşı daha verimli sonuç elde edebilmek için adaptif olarak değişebilmektedir. Yani sistem değişken durumlara maruz kaldığında kontrolörün katsayıları bu duruma uyarlanabilmektedir. Bu çalışmada, nominal gücün yarısında çalışan iki adet termik enerji santrali alanı yük frekans kontrolü için modellenmiş ve enterkonnekte olarak birbirine bağlanmıştır. Her iki alan oransal-integral-türev kontrolörü ile kontrol edilmektedir. Ardından hız regülatörü ölü bandı ve üretim oranı kısıtlaması gibi lineer olmayan dinamikler modele eklenmiştir. Bir sonraki aşamada ise güç sisteminin birinci alanına rüzgâr enerji sistemi, ikinci alanına güneş enerji sistemi entegre edilmiştir. Rüzgâr enerji sistemi kanat açısı kontrolüne sahiptir. Yük talebinde değişim gibi sistem girdisinde değişikliklere karşı, en iyi frekans cevabını meydana getirecek kontrolör katsayılarını tespit edebilmek için, üç ayrı model için benzetim çalışmaları üzerinde optimizasyon algoritmaları uygulanmıştır. Birinci modelde parçacık sürü optimizasyonu, genetik algoritma ve diferansiyel evrim algoritmaları uygulanmıştır. Uygunluk fonksiyonu olarak hatanın karesinin integrali tercih edilmiştir. Her üç algoritma için popülasyon sayısı 100 alınmış, yineleme sayısı ise 50 alınmıştır. Parçacık sürü optimizasyonu ve diferansiyel evrim algoritmalarının oldukça hızlı bir şekilde minimumlarına yakınsadığı görülmüşken, genetik algoritma, çok işlemli ve yavaş çalışan yapısı nedeniyle geride kalmıştır. Parçacık sürü optimizasyonu ve diferansiyel evrim algoritmasının belirlediği katsayıların birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Sistem çıktıları olarak her iki alanın frekans sapmaları ve bağlantı hattı gücünün değişimi incelenmiştir. Frekans değerlerinde ve bağlantı hattı güç değişiminde her üç algoritma birbirine oldukça yakın sonuçlar vermiştir. En iyi sonuçları parçacık sürü optimizasyonu ve diferansiyel evrim vermiştir. Birinci alanın frekans cevabının yerleşme süresi parçacık sürü optimizasyonu ve diferansiyel evrim için 6.3650 saniye iken genetik algoritma için 6.6740 saniyedir. Kararlı durum hatalarında, parçacık sürü optimizasyonu ve diferansiyel evrim 3.7810-6 Hertz sonucunu verirken genetik algoritma 3.8310-6 Hertz sonucunu sağlamıştır. İkinci modelde, sisteme üretim oranı kısıtlaması ve hız regülatörü ölü bandı dinamikleri eklenmiştir. Hız regülatörü ölü bandı ±%0.06 bir aralıkla uygulanmış, üretim oranı kısıtlaması ise türbini, dakikada %10 oranında güç çıkışını değiştirebilecek şekilde ayarlanmıştır. Bu bölümde, birinci bölümde uygulanan üç optimizasyon algoritması ile beraber üç farklı uygunluk fonksiyonu ile kombinasyonlar yapılmıştır. Parçacık sürü optimizasyonu en hızlı şekilde minimum değerine yakınsamıştır. Yerleşme zamanında en düşük değerler, parçacık sürü optimizasyonu ve zaman ağırlıklı hatanın mutlak değerinin integrali uygunluk fonksiyonu ikilisi ile 20.278 saniye olarak elde etmiştir. Tüm kararlı durum hatalarında en düşük değerler genetik algoritma ve zaman ağırlıklı hatanın mutlak değerinin integrali uygulaması sonucu edinilmiştir. Birinci alanın frekansının kararlı durum hatası için bu değer 9.082610-5 Hertz olarak elde edilmiştir. Lineer olmayan dinamiklerin, frekans cevabı üzerindeki etkisi açıkça görülmektedir. Üçüncü benzetim çalışmasında birinci alana rüzgâr enerji sistemi, ikinci alana güneş enerji sistemi modeli eklenmiştir. Rüzgâr enerji sistemi şebekeye bağlı sabit hızlı bir asenkron generatör ve kanat açısı kontrolörüne sahip türbinden oluşmaktadır. Bu model üzerinde yapılan optimizasyon çalışmalarında, daha önceki çalışmalara ilaveten rüzgâr enerji sisteminin kontrolör katsayıları için de arama yapılmıştır. Uygunluk fonksiyonu için zaman ağırlıklı hatanın mutlak değerinin integrali tercih edilmiştir. Uygulama sonucunda en hızlı şekilde minimuma yakınsayan algoritma parçacık sürü optimizasyonu olmuştur. Sistem cevabında rüzgâr enerji sisteminin çıkış gücünün şebeke frekansına oldukça duyarlı olduğu görülmüştür. Genetik algoritma sonuçlarında birinci alanın frekansının yerleşme zamanı 22.7140 saniye ile öne çıkmıştır. Kararlı durum hataları incelendiğinde diferansiyel evrim algoritması diğerlerinden daha iyi sonuç vermektedir. Birinci alanın frekansı için bu değer (-3.6310-5) Hertz olarak elde edilmiştir. Yenilenebilir enerji sisteminin güç sistemi entegre edilmesi ile sistem cevaplarının tepe değerlerinde artma görülmüştür. Dördüncü çalışmada, yenilenebilir enerji sistemi ile entegre iki alanlı güç sisteminin rastgele sistem girdilerine karşı sistem cevaplarında iyileştirme sağlamak amacıyla adaptif bir kontrolör tasarlanmıştır. Bu amaçla gradyan iniş algoritmasından faydalanılmıştır. Bu çalışmada, üçüncü uygulamada en iyi kararlı durum hatası veren diferansiyel evrim sonucu elde edilen katsayılar referans kontrolör katsayıları olarak alınmıştır. Bu katsayıların bir vektörü temsil ettiği varsayılmıştır. Bu çalışmada hata sapma fonksiyonun bu vektöre türevinin bulunması amaçlanmıştır. Bu türevi elde etmek için zincir kuralından faydalanılmıştır. Zincir kuralı ile erişilen türevler, sistem modelinden faydalanılarak ve yapay sinir ağı modeli üretilerek çıkarılmıştır. Yapay sinir ağı modeli olarak Doğrusal Olmayan Otoregresif Dışsal Girdili Model tercih edilmiştir. Sinir ağı modeli, birinci alan ve ikinci alan için ayrı ayrı üretilmiştir. Erişilen asıl türev sonucunun işaretinin tersi, bir öğrenme oranı ile çarpılarak kontrolör katsayılarını güncellemiştir. Sistem cevabı, adaptif kontrolör ve adaptif olmayan diferansiyel evrim kontrolörü arasında kıyaslanmıştır. Buna göre kontrolör katsayılarının 80. saniyeden itibaren dikkate değer değişim kaydettiği ve sistem cevabında 100. saniyeden itibaren gözle görülür iyileşme sağladığı görülmüştür. Birinci alanın frekansının kararlı durum hatası için diferansiyel evrim algoritması (-6.843810-4) Hertz sonucunu verirken, adaptif kontrolör 7.155110-6 Hertz değerini sağlamıştır. Benzer iyileştirmeler diğer parametreler içinde geçerlidir. Bu tez ile iki alanlı bir güç sisteminde frekans kontrolü için çeşitli optimizasyon yöntemleri ve uygunluk fonksiyonları kıyaslanmış. Lineer olmayan dinamiklerin model üzerine etkileri tartışılmıştır. Yenilenebilir enerji sistemlerinin, güç sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Son olarak, değişken durumlara karşı daha iyi sistem cevabı üretebilmek için yapay sinir ağı temelli gradyan iniş yöntemi ile oluşturulan adaptif bir kontrolör tasarlanmış ve sonuçları adaptif olmayan kontrolör ile kıyaslanmıştır.