Çok kaynaklı mikroşebekelerde aşırı akım koruma rölesi performans analizi

Abstract

Mikroşebekeler, elektrik üretiminin, dağıtımının ve tüketiminin bir arada yapıldığı ve gelecekteki enerji sistemlerinin önemli bir parçasını oluşturacak akıllı şebekelerdir. Çevreyi koruma bilincinin gelişmesi, yenilenebilir enerji kaynaklarına ulaşmanın kolaylaşması ve ucuzlaması, enerji verimliliğini yükseltme hedefi ve güç elektroniği/ otomasyon sistemlerinin gelişmesi mikroşebeke konseptinin yaygınlaşmasında etkili olmaktadır. Mikroşebekeler klasik dağıtım şebekelerine kıyasla bazı önemli avantajlara sahiptir. Klasik dağıtım şebekelerinde enerjinin farklı gerilim seviyelerine dönüştürülmesi ve iletimi sırasında meydana gelen kayıpların olmaması, çevreye verilen zararın çok düşük seviyelerde olması, erişimin çok zor olduğu bölgelerde klasik dağıtım şebekesine göre daha düşük yatırım maliyetiyle kurulabilmeleri ve enerji güvenilirligini yüksek oranda sağlayabilmeleri bu avantajlardan bazılarıdır. Büyük avantajlarına rağmen mikroşebekeler üstesinden gelinmesi gereken bazı dezavantajlara da sahiptir. Klasik dağıtım şebekelerinde yüklere doğru tek yönde gerçekleşen enerji akışı, mikroşebekelerde yer alan dağıtık üretim kaynaklarının entegrasyonuyla artık şebekeye doğru da gerçekleşerek iki yönlü olacaktır. Bu durum koruma sistemlerinin ve koordinasyonunun yeniden yapılandırılmasını gerektirmektedir. Dağıtık üretim kaynaklarının arıza akımlarına farklı seviyede verdikleri tepki de mikroşebekelerin korunması noktasında göz önünde bulundurulması gereken diğer bir husustur. Bunlara ek olarak mikroşebekenin ana şebekeden plansız şekilde ayrılarak ada modunda çalışma durumu koruma sistemleri tasarlanırken değerlendirilmesi gereken bir senaryodur. Bu şekildeki bir plansız adalanmada mikroşebekedeki dağıtık üretim kaynakları, gerilim ve frekans kararlılığını kaybederek hem yüklerin hem de personel ve ekipmanların zarar görmesine neden olabilir. Mikroşebekelerde koruma sistemleri tasarlanırken yukarıda bahsedilen unsurlar da göz önünde bulundurularak kapsamlı bir koruma sistemi uygulanmalıdır. Uygulanabilecek koruma yontemleri ile ilgili literatürde farklı yaklaşımlar mevcuttur. Bu yaklaşımlardan biri ve en yaygın olanı aşırı akım korumasıdır. Aşırı akım koruması klasik dağıtım şebekelerinde etkili ve yeterli olabilirken mikroşebekelerdeki performansını çok yönlü ortaya koyabilmek için bu çalışma yapılmıştır. Aşırı akım koruması, anlık akım değerinin önceden belirlenen bir sınır değeri ile karşılaştırılması prensibine dayanır. Aşırı akım koruması, aşırı akım röleleri ile sağlanır. Aşırı akım röleleri açma karakteristiklerine göre 3'e ayrılmaktadır. Bunlar ani zamanlı, sabit zamanlı ve ters zamanlı aşırı akım röleleridir. Ani zamanlı aşırı akım röleleri, anlık akım değerinin önceden belirlenen sınır değeri aşması halinde herhangi bir zaman gecikmesi olmadan ani olarak açma yaparlar. Sabit zamanlı aşırı akım röleleri ise anlık akım değerinin önceden belirlenen değeri aşması halinde yine önceden belirlenen süre sonunda açma yaparlar. Bu röleler genellikle yedek koruma kapsamında uygulanırlar. Ters zamanlı aşırı akım rölelerinde ise rölenin açma zamanı aşırı akımın büyüklüğü ile ters orantılıdır. Aşırı akımın büyüklüğü arttıkça rölenin açma süresi azalmaktadır. Bu röleler genellikle belli bir koruma koordinasyonunun uygulandığı sistemlerde kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında kullanılan aşırı akım röleleri ters zamanlı karakteristiğe sahiptir. Bu röleler için belirlenmesi gereken iki önemli parametre vardır. Bunlardan biri aşırı akım set değeri ve zaman ayar çarpanı (TMS)'dir. Aşırı akım korumasının performans analizini gerçekleştirmek amacıyla; ana şebekenin yanında güneş enerjisi santrali, akü depolama sistemi ve dizel jeneratörün bulunduğu bir mikroşebeke tasarlanmıştır. Tasarım Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır. Ana şebeke mikroşebekeye 34.5/0.4 kV dönüştürme oranına sahip 1.6 MVA gücündeki transformatör ile bağlanmıştır. Güneş enerjisi santrali 100 kW gücünde olup Gerilim Kaynaklı Dönüştürücü (GKD) ve 0.26/ 0.4 kV dönüştürme oranına sahip transformatör ile mikroşebekeye bağlanmıştır. Akü depolama sistemi 100 kW gücünde olup Nötr Nokta Kenetlemeli Dönüştürücü (NNKD) ve 0.26/ 0.4 kV dönüştürme oranına sahip transformatör ile mikroşebekeye bağlanmıştır. Dizel jeneratör ise 1 MVA gücünde olup direkt 400V çıkışlıdır. Tasarlanan mikroşebekede koruma performansını analiz edebilmek için belirli senaryolar altında bütün baralarda ve bütün hatlarda faz- toprak ve üç faz arızaları gerçekleştirilerek rölelerin tepkileri kaydedilmiştir. Ana şebekeye paralel çalışma için oluşan koruma performansına göre faz- toprak arızalarında çoğunlukla başarılı bir koruma sağlandığı söylenebilir. Faz- toprak arızaları için bu senaryoda toplam 27 başarılı açma yapılması beklenirken 24 başarılı açma gerçekleşmiştir.