Extending Current Techniques For Electrical Layout Optimization Of Onshore Wind Farms Considering 3d Model Of The Terrain

Abstract

The optimization problem of the internal electrical layout of onshore wind farms are very complex due to its NP-Hard nature and constitutes the second biggest expense in onshore wind farm projects. This study aims to solve the electrical layout problem using predefined paths. It is shown that the determination of optimum cable thicknesses in terms of net present value (NPV) and investment costs over a layout can be done a priori, and it does not have to be included in the optimization analysis as design parameters. Second, a new problem for predefined paths which considers parallel cables and their optimum order of connection is defined and solved by using well known metaheuristics Particle Swarm Optimizer (PSO) and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm 2 (NSGA-II). Third, a strategy for radial clustering of wind turbines over a substation is given in order to automize the clustering procedure. In this strategy, substation is taken as the origin and imaginary lines starting from the origin pass between wind turbines and create radial clusters. The angles of each imaginary line in the clockwise direction are selected as variables and the objective function is chosen as the standard deviation of the distribution of wind turbines in each cluster. A node based optimization strategy for electrical layout problem is introduced for the first time which takes the effects of altitude change into account using 1 arc-second high resolution satellite images. Using this strategy, it is possible to predict objective function values more accurately and it gives a route for electrical cables on digital elevation model (DEM). The last but not the least, trenching constraints are also considered for 3D analysis. It has been shown that the proposed strategy can handle trenching constraints for wind farms. The proposed strategies are applied on a real onshore wind farm in Hatay/Samandağ (Ziyaret RES) using radial and string configurations.

Rüzgar enerjisi santrallarında tek hat optimizasyonu çalışması, türbin sayısı arttıkça karmaşıklığı artan bir problemdir. Cayley'in ağaç formülünü kullanarak, NN-2 tane özgün tek hat bağlantısı kurmanın mümkün olduğu bilinmektedir (burada N rüzgar türbinleri ve şalt sayısının toplamıdır). Tipik bir kara tipi rüzgar enerjisi santralında elektriksel bağlantılar toplam proje bütçesinin yaklaşık %8'ini oluşturmaktadır. Bu pay, kara tipi rüzgar enerjisi santrallerinde rüzgar türbinlerinden sonraki en yüksek giderli ikinci kalemdir. Bu sebeple araştırmacılar, mikrokonuşlandırma çalışmalarından sonra en çok bu alana yönelmişlerdir. Literatürde rüzgar enerjisi santralları için birçok çalışma mevcuttur. Bunlar tek hat optimizasyonu için 2 boyutlu yaklaşımlarla gerçekleştirilmiştir. Deniz tipi rüzgar enerjisi santrallarında zemin nispeten daha düz olsa da, kara tipi rüzgar enerjisi santrallarında arazinin topoğrafik yapısında sert değişiklikler olabilmektedir. Bu çalışma göstermiştir ki 3. boyut ihmal edilirse türbinler arasındaki en yakın mesafeler belli oranlarda hatalı bulunmaktadır. Bu hatanın telafi edilebilmesi için belli oranlarda proje gider kaleminde pay bırakılması gerekmektedir. Ayrıca, bazı durumlarda 2 boyutlu yaklaşımla belirlenen askeri tarama ağacı bağlantılarının, 3 boyutlu yaklaşım kullanıldığı zaman değiştiği de görülmüştür. Bunun sebebi arazinin karmaşık yapısıdır. Önerdiğimiz optimizasyon yöntemi arazinin engebeli yapısını dikkate alarak en kısa yollarla rüzgar türbinlerini bağlamaktadır. Bu çalışma iki adımda tamamlanmıştır. İlk adımda rüzgar türbini santrallarında altyükleniciler tarafından belirlenen yollar N tane noktadan geçen en kısa mesafe olarak hesaplandığı varsayımı üzerinden belirlenmiş olup, daha sonra belirlenen en uygun kablolar ile 25 yıllık elektriksel kayıpların net bugünkü değerleri ile yatırım değerleri toplanarak analiz edilmiştir. Literatürdeki çalışmaların çoğunda kablo verisi elektrik tek hat optimizasyonu çalışmalarında değişken olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada optimizasyon aracına kabloların değişken olarak tanımlanması gerekmediği; bir hattan geçen yıllık enerji üretimi hesaplanarak en uygun kablonun önceden belirlenebileceği açıklanmıştır. Böylece optimizasyon algoritmasının değerlendirmesi gereken değişken sayısı azaltılmış; onun yerine probleme yeni değişkenler getirerek döşeneceği hat yolu önceden belirlenmiş birden fazla paralel kablonun hangi türbinlerden akım çekerse sistemin optimizasyonunun sağlanacağı araştırılmıştır. Önceden belirlenen yolların kullanımı tek hat optimizasyonu çalışması için uygulamada sıkça rastlanan bir durumdur. Yatırımcılar altyüklenici inşaat firmasının santral içinde hazırladığı araç yoluna paralel olarak elektrik kablolarını döşemektedir. Böylece herhangi bir arıza olması durumunda gerekli müdahale araçlar ile hızlıca yapılabilmektedir. Aynı zamanda iş makinaları araç yolu yaparken ona paralel kablo hattını da kolayca çekebilmektedir. Çalışmada elektrik tek hat optimizasyonu radyal gruplandırma ve dizi gruplandırma ile modifiye edilmiş kümeleme yaklaşımı ile değerlendirilmiştir. Bu bağlantı yöntemleri içinden radyal gruplandırma en iyi sonuçları vermiştir. Rüzgar türbinlerinin ve şalt koordinatlarının önceden belirlendiği ve orta gerilim trafo kullanıldığı kabulu yapılmıştır. Çalışmada yapılan yatırım hesaplarına kablo masrafları ile birlikte transe işleri dahil edilmiştir. Bunun dışındaki nakliye giderleri, bakım, bağlantı ekipmanları giderleri, kompanzasyon maliyeti vb. değerler çalışmaya dahil edilmemiştir. Modifiye edilmiş kümeleme yöntemi, geliştiricilerinin sunduğu kümeleme yöntemi değiştirilerek çalışmaya uyarlanmıştır. Modifiye edilen yöntemde grupların temsilci noktaları birbirine en yakın rüzgar türbinleri olarak seçmek yerine imajiner noktalar olduğu kabul edilmiş ve optimizasyon algoritması ile koordinatları bulunmuştur. Kümeleme yönteminin geliştiricileri yöntemin avantajı olarak tek hat üzerinde yaşanabilecek herhangi bir arıza durumunda daha az sayıda rüzgar türbininde enerji üretiminin duracağını belirtmişlerdir. Bu sebeple modifiye edilmiş kümeleme yöntemi ile radyal ve dizi yöntemlerinin sonuçlarını sağlıklı bir şekilde kıyaslayabilmek için, kablo arızasını simule edebilecek bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemin ilgili parametreleri için uzman görüşlerine başvurulmuştur. Sunulan yöntem ile tek hat optimizasyonu arazinin 3 boyutlu yapısını değerlendirerek gerçekleştirilmektedir. Sadece en kısa mesafeler bulunmamakta; ayrıca arazi üzerinde kablonun izleyeceği güzergah da belirtilmektedir. Sunulan yöntemin pratikliği sayesinde kazılamayacak herhangi bir alan varsa, en kısa mesafeler hesaplanırken 3 boyutlu arazi modelinde kazılamayacak alanın yükseklik değerlerinin sonsuz yapılması yeterlidir. Algoritma, izlediği yolu uzatmamak için alternatif güzergahlara yönelmektedir. Literatürde rüzgar türbinlerinin radyal gruplandırması için herhangi bir yöntem kullanılmamakta; muhtemelen radyal gruplandırma elle yapılmaktadır. Bu çalışmada radyal gruplandırma işleminin bilgisayar ortamında en iyileştirilerek yapılması için genetik algoritma ile bir yöntem sunulmuştur. Bu yöntemde sanal çizgiler ile radyal grupların ayrıştırıldığı varsayılmış olup, çizgilerin orijin ile yaptığı açılar de problemin değişkenleri olarak kabul edilmiştir. Amaç fonksiyonu her yadyal kümede bulunan rüzgar türbini sayısının standart sapması olarak alınmıştır. Böylece rüzgar türbinleri mümkün olduğunca eşit dağıtılacak olup hat üzerinde yaşanabilecek herhangi bir teknik arıza kaynaklı üretim kesintisi minimize edilmek istenmiştir. Çalışmada kesin ve metasezgisel algoritmalar kullanılmıştır. Metasezgisel algoritmaların dezavantajı global optimum çözüme ulaşma garantisi sunmamalarıdır. Öte yandan, kesin algoritmalara göre kabul edilebilir bir başarı oranını tutturarak çok daha hızlı çözüm üretebilmektedirler. Çalışmada 2 boyutlu yaklaşımla askeri tarama ağacı (MST) bulunabilmesi için parçacık sürü algoritması kullanılmıştır. 2 boyutlu yaklaşım için maliyet matrisi öklidyen mesafe yöntemiyle hesaplanmıştır. 3 boyutlu yaklaşımla askeri yol ağacı (MPT) bulunabilmesi için yine parçacık sürü algoritması kullanılmış olup; maliyet matrisinin hesaplanması sırasında Dijkstra'nın algoritması kullanılmıştır. 3 boyutlu yaklaşımda maliyet matrisinin oluşturulması için topografyanın enlem boylam ve yükseklik değerleri düğümler kullanılarak sanal ortama aktarılmıştır. Oluşturulan sanal topografya modeli üzerinde sadece komşu düğümlerin birbiri ile bağlantısına izin verilmiş olup, her iki düğüm arasındaki mesafe Öklidyen yaklaşımla hesaplanarak bulunmuştur. Bu çalışma Hatay Samandağ'da bulunan Ziyaret RES üzerinde uygulanmıştır. Santralın arazi modeli, 1 ark-saniye çözünürlüğe sahip uydu görüntülerinin bilineer interpolasyon teknikleri ile zenginleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Google Earth kullanılarak Samandağ'daki rüzgar türbinlerinin yüksekliği, bilineer interpolasyon yöntemi ile bulunan yükseklik değerleri ile kıyaslanmış olup ortalama hata %0,6 olarak elde edilmiştir. Ziyaret RES için en uygun bağlantı yöntemi radyal yöntem olarak bulunsa da, radyal kümeleme yöntemlerinin de dezavantajları vardır. Radyal kümeleme yöntemlerinde her bir radyal küme içinde bulunabilecek maksimum rüzgar türbini sayısı belirlenmesi gerekmektedir ve bu değer kümeleme işlemi esnasında bir kısıt olarak uygulanmaktadır. Bu kısıtın uygulanma nedeni, kabloların maksimum akım taşıma kapasitesidir. Kümelenen rüzgar türbinleri, komşu kümeden herhangi bir rüzgar türbini ile bağlantı kuramamaktadır. Bu sebeple, olası bir global optimum çözüm kaybedilebilmektedir. Çalışmada önerilen paralel kablolar yaklaşımı ile bu kısıt ortadan kaldırılabilir veya esnetilebilirdir. Gelecek çalışmalarda global optimum çözümün bulunabilmesi için yeni bir algoritma geliştirilecek olup açık kaynak olarak araştırmacılara sunulacaktır. Ayrıca uygulanan 3 boyutlu yöntem, deniz tipi rüzgar enerjisi santrallarında da kullanılabileceği gibi, güç iletim hatlarını içeren bütün uygulamalar için uyarlanabilirdir.