Enerji Depolama Birimleri

Daha önceki bölümlerde açıklandığı gibi, paralel dönüştürücüler yeterli enerji depolama birimine sahip ise dışarıdan bir gerilim kaynağı olarak çalışabilirler. Seri dönüştürücüler de gerilim düşmelerini kompanze etmek için enerji depolama birimlerine ihtiyaç duyarlar. Ayrıca enerji depolama birimi olan değişken hız kontrol

devreleri, büyük gerilim düşmelerinde de çalışmaları devam ederler. Dolayısıyla enerji depolama birimlerinin geliştirilmesi, gerilim düşmesi ve kesintiler gibi güç kalitesi problemlerinin hem sistem hem de ekipman düzeyinde ele alınan çözümlerinde büyük önem taşımaktadır.

Bu bölümde çeşitli enerji depolama birimleri boyut, kapasite ve korunacak yükün tipi gibi ölçütlere göre incelenecektir.

Enerji depolama birimi, kullanılan dönüştürücünün tipine (seri-paralel) göre sisteme ya doğrudan ya da bir kondansatör ile bağlanır. Bununla ilgili bir örnek Şekil 4.13’de gösterilmiştir. Kontrolörün anahtarlama açısının ayarlanması ile DC gerilim seviyesi şebekede ihtiyaç duyulan miktara ayarlanır. Burada güç elektroniği sisteminin maliyeti önemlidir. Şekil 4.13’deki sistemde MJ düzeyinde gerekli enerjiyi magnetik depolama biriminde saklamak için büyük magnetik akım gereklidir. Dolayısıyla kontrolörün anahtarlama elemanları bu akımlarda çalışabilecek şekilde boyutlandırılacaktır.

Şekil 4.13: V.S.C’nin DC tarafında kullanılan enerji depolama birimi ile ilgili bir örnek

4.7.1 Kondansatör

Dinamik Gerilim Düzenleyicilerde enerji depolama birimi olarak genellikle kondansatörler kullanılırlar. Bunun temel sebebi gerilim düşmesi sırasında gerekli enerjinin saklanabilmesi ve PWM anahtarlama sisteminin çalışmasını etkileyebilecek

dönüştürme oranı mümkün olan minimum DC gerilimde, maksimum bara gerilimini sağlayacak şekilde seçilir. Örneğin D.G.D’nin 4 MW gücündeki bir yükteki %50 genlikli 300 ms süreli simetrik gerilim düşmesine karşı koruduğunu varsayalım. Denklem (4.8)’e göre seri dönüştürücünün vermesi gereken enerji miktarı 600 kJ’dür. DC bara gerilimi 5 kV ise, şebekeye gerilim verildikten sonra bu gerilim PWM anahtarlamasını etkilemeden 2,5 kV’a düşebilir. Bu durumda gerekli kapasite değeri:

(

) (

)

Olup buna karşı gelen kapasite değeri C = 6400 µF olarak bulunur. Bu kapasite değeri, 32 adet 2000 µF’lık kondansatör kullanılarak elde edilebilir.

Paralel dönüştürücü uygulamalarındaki gibi, ihtiyaç duyulan enerji miktarı arttıkça kapasite değerinin de arttırılması gereklidir. Örneğin 3 saniyelik bir enerji kesintisinde aynı sitemi kompanze etmek için 640 adet kondansatör kullanılması gerekli olacaktır. Dolayısıyla kullanışlı bir yöntem değildir.

4.7.2 Bataryalar

En çok bilinen enerji depolama birimi kurşun-asit bataryalardır. Yüksek enerji depolama kapasiteleri vardır. Buradaki temel problem bataryaların yüksek güçlü olmamasıdır. Yüksek güçlü bataryaların boyutları çok büyük olduğundan kurulumu için geniş alanlara ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca ömürlerinin uzun olmaması ve yüksek maliyetleri dezavantajlarıdır. Dolayısıyla bataryalar daha çok düşük güç gerektiren; örneğin elektrikli araç uygulamalarında kullanılmak için daha uygundur.

4.7.3 Süper kapasitörler

Süper kapasitörler literatürde ultra veya çift katmanlı kapasitör olarak da bilinen elektrokimyasal yüksek güçlü depolama birimleridir. Özellikleri açısından elektrolit

kapasitör ve bataryalar arasında yer alırlar. Daha az bakım gerektirmektedirler ve ömürleri bataryalara göre daha uzundur.

Süper kapasitörler elektrikli ve hibrit araba uygulamalarında yüksek verimli çalışırlar. Bu teknolojinin geliştirilmesinin temel amacı düşük gerilimlerde ve yüksek kapasite değerlerinde enerji depolanmasıdır. Bu yüzden orta gerilim sistemlerindeki V.S.C devrelerinde kullanılmaya elverişli değildir.

4.7.4 Süperiletken magnetik enerji depolama birimi (SMES)

Süperiletken teknolojisi yüksek sıcaklıkta çalışılabilen malzemelerdeki gelişme ile ortaya çıkmıştır. Örneğin yeraltı kablolarında, hata akım sınırlayıcılarda, transformatörlerde ve süperiletken enerji depolama birimlerinde uygulamaları vardır [88].

Süperiletken magnetik enerji depolama sistemlerinde, teorik olarak direnci sıfır olan büyük değerli bobinler kullanılır. MJ düzeyinde büyük güçler depolanabilir.

Gerilim düşme ve kesintileri gibi güç kalitesi problemlerinin çözümünde kullanılan az sayıda SMES uygulaması pratikte mevcuttur [121]. Bu uygulamalarda büyük endüstriyel tesislerde düşük sıcaklıkta çalışan süperiletken kullanılmıştır [122]. Altı SMES ünitesinin gerilim kararlılığı sağlamak için kullanıldığı dağıtım sistemleri de vardır [123]. Bu altı SMES biriminin yaklaşık maliyeti ise 4 milyon dolardır. Bu üniteler normal işletmede sadece reaktif güç kontrolü yapmaktadır. Hata sonucu sistemin kararlılığında bir bozulma olduğunda SMES hızlı bir şekilde aktif güç kontrolü yaparak hatanın temizlenmesine yardımcı olmaktadır. Bu işlem bazı kaynaklarda Dağıtılmış Üretim (Distributed Generation-DG) alternatifi olarak gösterilmektedir.

Süperiletken malzemenin maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle günümüzde kullanımı oldukça enderdir. Verimli bir süperiletken malzemenin maliyeti 10$/kA’i geçememesi gerekirken bugün için maliyetler bunun çok üzerinde olmaktadır. Fakat

Bataryalara göre sisteme cevap süreleri çok daha kısadır. Özellikle yüksek sıcaklıklı süperiletken teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak SMES, enerji depolama sistemleri arasında önemli bir yer edinecektir [165].

4.7.5 Redüktörlü sistemler

Redüktörlü enerji depolama sistemlerinde kolaylıkla elektrik enerjisine çevrilebilen kinetik enerjiden yararlanılır. Saklanan enerjinin yoğunluğu genellikle düşüktür. Ayrıca sabit ve hareketli parçalarındaki kayıplar büyüktür.

Redüktörlerin genel uygulamalarında, sabit-düşük hızda dönen bir metal bölümü vardır. Depolanan enerji redüktörün ağırlığı ile doğru orantılı fakat dönüş hızının karesi ile ters orantılıdır. Dolayısıyla hızın arttırılmasının enerji yoğunluğuna büyük etkisi olacaktır [124].

Enerji depolama birimleri ile ilgili bir karşılaştırma Tablo 4.2’de verilmiştir. Burada tüm yöntemlerin üstünlükleri ve zayıf yanları görülmektedir. Tablodaki bilgiler bugünün teknolojisine göre verilmiştir [166].

Tablo 4.2: Enerji depolama birimlerinin birbirine göre avantaj ve dezavantajları Enerji

Depolama Birimi

Enerji Saklama

Yöntemi Üstünlükleri Zayıf Yanları Bataryalar Kimyasal Düşük maliyet, geniş uygulama alanı, yüksek enerji yoğunluğu (10-100 W.h/kg) Bakım gerektirir, ömürleri kısa, cevap süreleri uzun, çevreye

zararlı maddeler kullanıyor Elektrolit

Kapasitör Elektriksel Geniş uygulaması, kısa cevap süreleri Sınırlı enerji yoğunluğu (<0,1 W.h/kg) Süper Kapasitör Elektrokimyasal

Orta enerji yoğunluğu (1-10

W.h/kg)

Elektrolit kapasitörlere göre uzun cevap süreleri,

düşük gerilimde çalışmaları

Redüktör Mekanik Yüksek güç _yoğunluğu Yüksek güç kaybı, bakım _gerektirir SMES Magnetik süresi,yüksek Kısa cevap

verim