KOCAELĠ ÜNĠVERSĠTESĠ * FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
DAĞITILMIġ ÜRETĠM ĠÇEREN DAĞITIM ġEBEKELERĠNDE
MERKEZĠ KOORDĠNASYON RÖLESĠ TASARIMI
DOKTORA TEZĠ
Yük. Müh. Fatih M. NUROĞLU
Anabilim Dalı: Elektrik Mühendisliği
DanıĢman: Yrd.Doç.Dr. AyĢen B. ARSOY
i
ÖNSÖZ
“DağıtılmıĢ Üretim Ġçeren Dağıtım ġebekelerinde Merkezi Koordinasyon Rölesi Tasarımı” baĢlıklı doktora çalıĢması bu tezde sunulmuĢtur. Hızla geliĢmekte ve yaygınlaĢmakta olan dağıtılmıĢ üretimin etkileri ele alınarak koruma koordinasyonuna yeni bir yaklaĢım geliĢtirilmiĢtir.
ÇalıĢmanın her aĢamasında yardım ve yönlendirmelerini esirgemeyen tez danıĢmanım sayın Yrd.Doç.Dr. AyĢen B. ARSOY baĢta olmak üzere tez izleme komitesinin üyeleri sayın Prof.Dr. Ġrfan GÜNEY‟e ve sayın Prof.Dr. Semra ÖZTÜRK‟e teĢekkürlerimi sunarım.
Bu çalıĢma 105E105 nolu Tübitak projesi tarafından desteklenmiĢtir. Ayrıca Ġzmit-Köseköy transformatör merkezine ait veriler TEĠAġ 5. Ġletim Tesis ve ĠĢletme Grup Müdürlüğü‟nden alınmıĢtır. Desteklerinden dolayı teĢekkür ederim.
Gösterdiği sabır ve verdiği destek için sevgili eĢime ve aileme minnet duygularımı ifade ederim.
ii ĠÇĠNDEKĠLER ÖNSÖZ ... i ĠÇĠNDEKĠLER ... ii ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... iv TABLOLAR DĠZĠNĠ ... v SĠMGELER VE KISALTMALAR DĠZĠNĠ ... vi ÖZET... vii
ĠNGĠLĠZCE ÖZET ... viii
BÖLÜM 1.GĠRĠġ ... 1
BÖLÜM 2.DAĞITILMIġ ÜRETĠM ... 4
2.1. DağıtılmıĢ Üretim Tanımı ... 4
2.2. DağıtılmıĢ Üretim Sistemlerinin Gerekliliği ve Yararları ... 5
2.3. DağıtılmıĢ Üretim Kaynaklarının Sınıflandırılması ... 8
2.4. DağıtılmıĢ Üretim Teknolojilerinin KarĢılaĢtırılması ... 10
2.5. DağıtılmıĢ Üretimin Dağıtım Sistemlerine Etkileri ... 11
2.5.1. ġebeke planlamasına etkisi ... 14
2.5.2. Güç kalitesine etkisi ... 16
2.5.3. Güvenilirliğe etkisi ... 18
2.5.4. Korumaya etkisi ... 19
BÖLÜM 3.DAĞITILMIġ ÜRETĠM SĠSTEMLERĠNDE KORUMA PROBLEMLERĠ ... 27
3.1. DÜ‟ nün Koruma Koordinasyonuna Etkisi ... 28
3.1.1. Kısa devre gücü ve kısa devre akımı... 29
3.1.2. Tekrar kapama ... 30
3.1.3. Ada çalıĢma ... 31
3.2. IEEE 1547 Standardına Göre DÜK‟ların ġebekeye Bağlantı ġartları ... 32
3.3. Yönetmeliklere Göre DÜK‟ların Düzenlenmesi ... 34
3.4. Endüstriyel Uygulamalarda DÜK‟lar ... 36
3.5. Değerlendirme ... 37
BÖLÜM 4.SÜREKLĠ DURUM VE KISA DEVRE ARIZA ANALĠZLERĠ ... 38
4.1. Model Sistemler ... 38
4.1.1. Radyal ġebeke ... 39
4.1.2. Gözlü ġebeke ... 39
4.1.3. Ağ ġebeke ... 40
4.2. Sürekli Durum Analizi ... 41
4.2.1. Radyal Ģebeke üzerinde sürekli durum analizi ... 42
4.2.2. Gözlü Ģebeke üzerinde sürekli durum analizi ... 43
4.2.3. Ağ ġebeke üzerinde sürekli durum analizi... 45
4.3. Kısa Devre Arıza Analizi ... 46
4.3.1. Radyal Ģebeke... 47
4.3.2. Gözlü Ģebeke ... 47
4.3.3. Ağ Ģebeke ... 48
4.4. Değerlendirme ... 49
iii
5.1. ÇalıĢma Bölgelerine Ayırma ... 51
5.1.1. Gerilim ve frekans kontrolü ... 52
5.1.2. Ada modundan normal çalıĢma moduna geçilmesi ... 53
5.2. Genel Yapı ... 53
5.3. ġebeke Bağlantısı ... 54
5.4. Arıza Bölgeleri ve Kesici Açma Durumları ... 55
5.5. Tasarım ve ÇalıĢma Algoritmaları ... 57
5.6. Örnek Sistem ve ÇalıĢma Bölgeleri ... 60
5.6.1. MKR Ģebeke bağlantısı ... 61
5.6.2. Arıza bölgeleri ve arıza yerinin belirlenmesi ... 63
5.6.3. Örnek sistemin simülasyon programında modellenmesi ... 65
5.7. Değerlendirme ... 68
BÖLÜM 6.MKR‟NĠN ĠZMĠT DAĞITIM ġEBEKESĠNE UYGULANMASI ... 69
6.1. ġebeke Tanıtımı ... 70
6.2. ÇalıĢma ve Arıza Bölgelerinin Tanımlanması ... 73
6.3. MKR Tablolarının OluĢturulması ... 73
6.4. Digsilent Modellemesi ve Analizi ... 76
6.5. MKR‟nin Kapasite Kullanımına ve Enerji Sürekliliğine Etkisi ... 78
6.6. Değerlendirme ... 82
BÖLÜM 7.SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 83
KAYNAKLAR ... 86
EKLER ... 89
iv
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
ġekil 2.1: Merkezi Üretim ve DağıtılmıĢ Üretim Yapılarının ġematik Gösterimi ... 7
ġekil 2.2: DağıtılmıĢ Üretim Kaynağı Bağlantı Konfigürasyonları. ... 12
ġekil 2.3: Gerilim Profili ve Gradyanın DeğiĢimi ... 15
ġekil 2.4: a Noktasındaki Kısa Devre Durumundaki Akımlar ... 22
ġekil 2.5: Toprak Arızasında DÜK Katkısı ... 23
ġekil 2.6: Tekrar Kapama Süreci ... 25
ġekil 3.1: 7 Baralı Radyal Sistemde DÜ ile Kısa Devre Arızası ... 29
ġekil 3.2: DağıtılmıĢ üretim kaynaklarının Ģebekeye bağlantısı ... 33
ġekil 4.1: 33 kV‟luk Model Radyal ġebeke ... 39
ġekil 4.2: 33 kV‟luk Gözlü dağıtım Ģebekesi... 40
ġekil 4.3: 34,5 kV‟luk Model Ağ ġebeke ... 41
ġekil 4.4: DIgSILENT Powerfactory simülasyon programında radyal Ģebekenin modellenmesi. ... 42
ġekil 4.5: Farklı ÇalıĢma Durumları Ġçin Bara Gerilim Değerleri ... 43
ġekil 4.6: DIgSILENT Powerfactory simülasyon programında gözlü Ģebekenin modellenmesi. ... 44
ġekil 4.7: Gözlü Ģebeke için bara gerilim profili ... 45
ġekil 4.8: Güç katsayısı Kontrollü Gerilim Profili ... 46
ġekil 5.1: MKR‟nin Genel Yapısı ... 53
ġekil 5.2: ġebeke Bağlantısı ... 54
ġekil 5.3 MKR Tasarım Algoritması ... 58
ġekil 5.4: MKR ÇalıĢma Algoritması ... 59
ġekil 5.5: Örnek Sistem ... 61
ġekil 5.6: Örnek Sistemin ÇalıĢma Bölgelerine AyrılmıĢ Hali ... 61
ġekil 5.7: MKR‟nin ġebekeye Bağlantısı ... 62
ġekil 5.8: Arıza akım yönleri ... 63
ġekil 5.9: Powerfactory Programında Örnek Sistem Modellemesi ... 66
ġekil 5.10: Simulasyon Ġçin OluĢturulan MKR Modeli ... 67
ġekil 6.1: Köseköy Transformatör Merkezi Tek Hat ġeması ... 71
ġekil 6.2: Fider 6 ve Fider 16 ... 72
ġekil 6.3: Fiderlere ait arıza bölgeleri ... 73
ġekil 6.4: Arıza akım yönleri ... 74
v
TABLOLAR DĠZĠNĠ
Tablo 2.1: DağıtılmıĢ Üretim Kaynaklarının Sınıflandırılması ... 9
Tablo 2.2: Küçük Ölçekli DÜK Teknolojilerinin Genel Karakteristikleri ... 10
Tablo 2.3: DağıtılmıĢ Üretim Teknolojileri Maliyeti ve Faydaları ... 11
Tablo 2.4: DağıtılmıĢ Üretimin Etkilerini Ölçen Performans Ġndisleri ... 13
Tablo 2.5: EN50160‟ e göre Güç Kalitesi Sınır Değerleri ... 17
Tablo 2.6: Güvenilirlik Ġndisleri ... 19
Tablo 3.1: Gerilime bağlı olarak arıza giderme süreleri ... 33
Tablo 3.2: Frekansa bağlı olarak arıza giderme süreleri ... 34
Tablo 4.1: 33 kV‟luk Radyal ġebekenin Hat Empedans Bilgileri ... 39
Tablo 4.2: 33 kV‟luk Gözlü ġebekenin Hat Empedans Bilgileri ... 40
Tablo 4.3: 34,5 kV‟luk Model Ağ ġebekenin Yük Değerleri ... 41
Tablo 4.4: Radyal Sistemde Kısa Devre Akımları ... 47
Tablo 4.5: 3-faz kısa devre arıza akımları. ... 48
Tablo 4.6: Ana ġebeke Scc=10.000 MVA Ġçin Kısa Devre Akımları ... 48
Tablo 4.7: Ana ġebeke Scc=1000 MVA Ġçin Kısa Devre Akımları ... 49
Tablo 5.1: Örnek Arıza Yeri Belirleme Tablosu ... 56
Tablo 5.2: Örnek Kesici Açma Tablosu ... 56
Tablo 5.3: Örnek Sistem Kesici Açma Tablosu ... 64
Tablo 5.4: Akım Genlik ve Yön Bilgileri ile Açma Sinyali Gönderilen Kesici Tablosu ... 68
Tablo 6.1: Köseköy Transformatör Merkezi için Arıza Yeri Belirleme Tablosu ... 75
Tablo 6.2: Kesici Açma Tablosu ... 76
Tablo 6.3: Köseköy Transformatör Merkezine Ait Bir Yıllık Fider Açma Bilgileri . 80 Tablo 6.4: Fider 6 ve 16 için 2007-2008 yıllarına ait kesinti sıklığı ve süresi ... 81
vi
SĠMGELER VE KISALTMALAR DĠZĠNĠ
DÜ : DağıtılmıĢ Üretim
DÜK : DağıtılmıĢ Üretim Kaynakları
MKR : Merkezi Koordinasyon Rölesi
OKSIKG : Ortalama Kesinti Sıklığı Göstergesi
OKSÜREG : Ortalama Kesinti Süresi Göstergesi
OBN : Ortak Bağlantı Noktası
IEEE : The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
TEĠAġ : Türkiye Elektik Ġletim A.ġ.
SEDAġ : Sakarya Elektrik Dağıtım A.ġ.
CIRED : Congrès International des Réseaux Electriques de Distribution (International Conference on Electricity Distribution)
IEA : International Energy Agency
EPDK : Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu
ng : Generatör Sayısı
nk : Kumanda Edilecek Kesici Sayısı
Ni : Her bir kesinti için kesintiye uğrayan müĢteri sayısı;
NT : Toplam hizmet verilen müĢteri sayısı;
Ri : Her bir kesinti için kesinti süresi;
Na : Bölge içerisinde arıza olduğunda devre dıĢı kalan yük sayısını,
Ty : Bölge içindeki yük sayısını
Ta : Açma sayısını,
vii
DAĞITILMIġ ÜRETĠM ĠÇEREN DAĞITIM ġEBEKELERĠNDE MERKEZĠ KOORDĠNASYON RÖLESĠ TASARIMI
ÖZET
Fatih M. NUROĞLU
Anahtar Kelimeler: Merkezi Koordinasyon Rölesi, DağıtılmıĢ Üretim, DağıtılmıĢ
Üretim Kaynakları, Koruma Koordinasyonu, Dağıtım ġebekeleri, Yenilenebilir Enerji Kaynakları, Kısa Devre Arızası, Gerilim Profili, Digsilent Powerfactory.
Özet: Günümüzde dağıtılmıĢ üretim (DÜ) gittikçe önemini arttırmaktadır. DağıtılmıĢ
üretim kaynaklarının (DÜK) dağıtım sistemine bağlanması bazı teknik, ekonomik ve yönetmelikler konularını da beraberinde getirmektedir. Koruma ve ada çalıĢma önemlilerinden bazılarıdır. Bu sebeplerden dolayı gerek generatörler için ve gerekse de Ģebeke açısından yeni bir koruma yaklaĢımına ihtiyaç oluĢmuĢtur.
Bu tezde DÜK‟ların dağıtım Ģebekesine bağlantılarının etkileri incelenmiĢtir. Özellikle arıza akımı, koruma ve gerilim profili irdelenmiĢtir. Bunun için üç farklı temel dağıtım Ģebekesi kullanılarak DÜK bağlantısının etkileri gösterilmek üzere sürekli durum ve kısa devre arıza analizleri gerçekleĢtirilmiĢtir. Bütün benzetimlerde Digsilent Powerfactory programı kullanılmıĢtır.
Literatür çalıĢmaları, analiz sonuçları, standart ve yönetmeliklerin incelenmesi dağıtım Ģebekelerinin DÜ bakımından açıklarını ortaya koymuĢtur. Koruma koordinasyonuna yeni bir yaklaĢım getirilerek Merkezi koordinasyon Rölesi (MKR) tasarlanması bu tezin ana çalıĢma noktasını oluĢturmuĢtur. Ada ve arıza bölgeleri belirlendikten sonra MKR‟nin çalıĢma algoritması oluĢturulmuĢtur. Röle hem örnek sistemde ve hem de Köseköy Transformatör merkezinde uygulanmıĢtır. Bu uygulamalarda tasarlanan MKR‟nin kısa devre arızası karĢısında hem arızayı izole ettiği, hem de kapasite kullanımı ve enerji sürekliliğine olumlu katkı yaptığı simülasyonlar neticesinde ortaya koyulmuĢtur.
viii
DESIGNING CENTRAL COORDINATION RELAY FOR DISTRIBUTION SYSTEM WITH DISTRIBUTED GENERATION
ĠNGĠLĠZCE ÖZET
Keywords: Central Coordination Relay, Distributed Generation, Distributed
Generation Resources, Protection Coordination, Renewable Energy Resources, Short Circuit, Voltage Profile, Digsilent Powerfactory.
Abstract: Distributed generation (DG) has been receiving more attention nowadays.
The interconnection of distributed generation resources into existing distribution systems brings up several technical, economical and regulatory questions. Protection and islanding are a few of the major issues. Therefore, a new protection approach for both generators and utility distribution systems is essential.
In this thesis , the impact of integration of distributed generation resources into distribution system is evaluated. Especially, fault current, protection and voltage profile are investigated. Steady state and short circuit analyses are performed to show the effects of DG integration using three different distribution system model. All the simulations are performed on Digsilent Powerfactory software.
The results of the literature and simulation studies, the review of IEEE 1547 standard and the state regulations show some defiencies in distribution systems with DG. A Central Coordination Relay (CCR) located at a substation is proposed and designed in the thesis. The operating procedures of the relay are identified after defining islanded areas and fault areas. The relay is modeled and its response in a real based small-scale system is tested. It is shown that the CCR can maximize the DG capacity usage and improve service continuity in any fault conditions.
1
BÖLÜM 1. GĠRĠġ
DağıtılmıĢ Üretim (DÜ) yeni bir üretim Ģekli gibi algılansa da, elektrik üretiminin tarihsel süreci incelendiğinde, üretim biriminin tüketicinin hemen yanı baĢında
kurulduğu görülmektedir. Alternatif akımın üretimde kullanılması ve
transformatörlerin gerilimi yükselterek uzak mesafelere taĢıması üretim merkezlerini, tüketimin olduğu bölgelerden uzaklaĢtırmakta, hammaddeye daha yakın noktalara taĢımakta, bunun sonucunda üretim, iletim ve dağıtım Ģebekelerinden meydana gelen bugünkü yapı ortaya çıkmaktadır. DÜ‟lerin dağıtım Ģebekesine bağlanmaya baĢlamasıyla, merkezi, planlı ve büyük miktarlarda üretimin yanında daha küçük çaplı ve tüketime yakın bir noktada üretim de oluĢmaya baĢlamıĢtır.
Üretim teknolojilerinde yaĢanan yenilikler ve küçük miktarlarda gerçekleĢtirilen üretimdeki verim artıĢları dağıtılmıĢ üretim kaynaklarının dünya çapında yaygınlaĢmasını hızlandırmıĢtır[1]. Ayrıca yenilenebilir enerji kaynakları ve üretim teknolojilerindeki geliĢmeler de bu süreci desteklemiĢtir.
DÜ‟ ler genel olarak aĢağıdaki karakteristik özelliklere sahiptirler; Üretim kapasiteleri genellikle küçük değerlerdedir.
Merkezi olarak planlanmamıĢtır.
Orta ve alçak gerilim seviyesinde bağlanmıĢtır. Genellikle özel sektör tarafından iĢletilmektedirler. Gerilim ve frekans desteği vermek zorunda değildirler.
Dağıtım Ģebekesi planlanılırken göz önüne alınılmamıĢtırlar[2].
Mevcut dağıtım Ģebekeleri pasif olarak planlanmıĢtır. Enerji, merkezi üretimden tüketiciye doğru akmaktadır. Üretim biriminin doğrudan dağıtım Ģebekesine bağlanması bir çok etkiyi de beraberinde getirmektedir. Bunlardan birisi de röle koordinasyonu problemidir. Var olan yapılarda yük akıĢı ve kısa devre arıza akımı akıĢı iletim Ģebekesinden tüketiciye doğrudur. DÜ‟nün varlığı arıza akımının
2
büyüklüğünü ve yönünü değiĢtirmektedir. Bu da mevcut röle koordinasyonunun düzgün çalıĢmasını etkilemektedir.
Gerek standart ve yönetmeliklerde ve gerekse uygulamada, sistemdeki herhangi bir arıza durumunda öncelikle DÜK‟lerin devre dıĢı kalması istenmektedir. Sistem üzerindeki arızayı izole etmek böylelikle sağlanmakta ve olası bir ada çalıĢma durumu engellenmektedir. Sistemdeki küçük bir dengesizlikte dahi DÜK‟lar devre dıĢı bırakılarak çözüm üretilmekte, adeta etki yok sayılarak giderilmeye çalıĢılmaktadır. DÜK sayısı ve toplam üretim kapasitesi artması bu yaklaĢımla çözülemeyeceğini ve problemi yok sayarak değil de farklı bir yaklaĢımla çözümlenmesini zorunlu kılacaktır.
Tasarlanacak Merkezi Kontrol Rölesi (MKR) yardımıyla fider koruma koordinasyonuna farklı bir yaklaĢım getirilmektedir. MKR bütün DÜK‟ları devre dıĢı bırakarak değil arıza yerine bağlı olarak sadece gerekli olanları devre dıĢı bırakarak sistemin korumasını sağlayacaktır. Sistemi kontrol ederek koruma gerçekleĢmiĢ olacaktır. MKR tasarımında ayrıca ada çalıĢma durumu öngörülerek DÜK‟ların ve yüklerin devre dıĢı kalmaları da minimize edilmiĢ olacaktır.
Bu çalıĢmada DÜ‟nün tanımı, DÜK‟lerin çeĢitleri ve teknolojik geliĢmeler bilimsel kaynaklar taranarak aktarılmıĢtır. Tez çalıĢması boyunca DIgSILENT Powerfactory analiz programı kullanılarak kısa devre arıza, sürekli durum analizleri ve MKR‟nin çalıĢma analizi yapılmıĢtır. Analizler öncelikle test sistemleri üzerinde, daha sonra Ġzmit Köseköy Transformatör Merkezine ait iki fider üzerinde gerçekleĢtirilmiĢtir. DÜK‟ların kısa devre arıza durumuna etkileri test sistemleri üzerinde incelenmiĢtir. Bunun için; radyal Ģebeke, gözlü Ģebeke ve ağ Ģebeke olmak üzere üç temel dağıtım Ģebekesi modellenmiĢtir. Bu kısımda DÜK‟ların kısa devre akımlarının genlik ve büyüklüğüne etkileri farklı senaryolarla ortaya koyulmuĢtur. Bu etkiler göz önünde bulundurularak yeni bir kontrol rölesi, Merkezi Kontrol Rölesi, tasarlanmıĢtır. MKR tasarlanırken dağıtım Ģebekesi çalıĢma bölgelerine ayrılmaktadır. ÇalıĢma bölgelerine ayırma kriterleri ve nasıl yapılacağı belirlenmektedir. Kısa devre arıza durumunda arızanın oluĢtuğu yere bağlı olarak mümkün olan en az elemanın devre
3
dıĢı kalması MKR tarafından sağlanmaktadır. Tasarlanan MKR test sistemlerine uygulanarak kısa devre ve yük akıĢ analizleri yapılmakta, rölenin arıza durumunda verdiği cevap incelenmektedir. Son olarak, MKR‟nin Ġzmit yerelinde Köseköy dağıtım merkezinde uygulaması yapılarak sonuçlar değerlendirilmektedir.
Bu çalıĢmada ikinci bölümde dağıtılmıĢ üretim ve dağıtılmıĢ üretim kaynakları hakkında bilgi verilecektir. Literatürde geçen tanımlamalar belirtilecektir. DÜ sistemlerinin gerekliliği ve yararlılığından bahsedilerek dağıtım sistemlerine etkileri genel olarak incelenecektir.
Üçüncü bölümde DÜK‟larda koruma problemleri ele alınacaktır. Kısa devre akımları, tekrar kapama ve ada çalıĢma durumlarına etkileri incelendikten sonra standartlarda DÜK‟ların Ģebekeye bağlantıları verilecektir. Ayrıca yönetmeliklerdeki düzenlemeler ve endüstriyel uygulamalarda DÜK‟lar nasıl yer aldıkları bu bölümde incelenecektir.
Dördüncü bölümde model sistem olarak radyal, gözlü ve ağ Ģebekeler tanımlanarak Digsilent Powerfactory programında modellemeleri yapılacaktır. Programın kullanım kılavuzundan yararlanılmıĢtır [3]. Modellenen sistemler üzerinde sürekli durum ve kısa devre arıza analizleri yapılarak DÜK‟ların etkisi ortaya konulacaktır.
BeĢinci bölümde Merkezi Koordinasyon Rölesi (MKR) tasarlanarak çalıĢma algoritması oluĢturulacaktır. Algoritma oluĢturulmadan önce sistem üzerinde gerekli düzenlemeler bu bölümde anlatılacaktır. Tasarım ve çalıĢma algoritmaları oluĢturulan MKR örnek sistem üzerinde uygulanarak öngörülen sonuçlar elde edilecektir.
Altıncı bölümde ise Ġzmit Köseköy transformatör merkezine ait iki fider modellenerek MKR çalıĢması gerçek sistem verilerine uygulanacaktır. Koruma koordinasyonunun yanında MKR‟nin kapasite kullanımına ve enerji sürekliliğine etkisi gerçek veriler kullanılarak ortaya konulacaktır.
4
BÖLÜM 2. DAĞITILMIġ ÜRETĠM
DağıtılmıĢ üretim yapısal olarak eski olsa da, elektrik piyasası için yeni bir olgudur. Bu durum DÜ‟ nün tanımlanmasında farklılığa yol açmaktadır[4]. DÜ için uluslararası literatürde kabul edilmiĢ tek bir tanım olmamasına rağmen bazı ülkelerde yasal tanımlamalar yapılmıĢtır. Kısa bir tanım vermek gerekirse, “DÜ kaynağının doğrudan dağıtım Ģebekesine bağlanması veya sayacın müĢteri tarafına bağlanmasıyla oluĢturulan üretim Ģeklidir [4]” kullanılabilinir.
DÜ için kısa bir tanım yapılsa da bazı özelliklerinden bahsedilmesi anlaĢılmasını kolaylaĢtıracaktır. BaĢlıklar halinde bu özellikler Ģunlardır;
Dağıtım Ģebekesi seviyesinden bağlantı Orta ve alçak gerilim seviyesinde bağlantı Küçük değerlerde üretim (<50 MW) Merkezi üretim planlaması dıĢında olması Genellikle tüketime yakın yerlerde
Enerji kaynaklarının çeĢitliliği Modüler yapı da olması
2.1. DağıtılmıĢ Üretim Tanımı
DağıtılmıĢ üretim için kesin ve net bir tanım belirlenmemiĢ olmakla beraber, genel olarak küçük güçlü elektrik enerji üretim birimlerini ifade etmek amacıyla kullanılmaktadır. Ancak bu tanım dağıtılmıĢ üretimin sınırlarını tam olarak belirlememektedir. Bazı ülkeler dağıtılmıĢ üretimi gerilim seviyesi ile tanımlarken, bazıları da tanımlarında tüketici tarafına bağlı olma Ģartına yer vermektedirler. DağıtılmıĢ üretimin tanımı konusunda 1990‟lı yılların sonlarına kadar CIRED tarafından üye ülkeler arasında yapılan bir ankette ortak bir görüĢe ulaĢılamamıĢtır[5].
5
Literatürde kullanılan ifadelerdeki değiĢiklikler nedeniyle dağıtılmıĢ üretimin tanımını kesinleĢtirmek için amacı, yerleĢimi, kapasite oranı, güç dağıtım alanı, teknolojisi, çevresel etkisi, çalıĢma Ģekli, mülkiyeti ve dağılımı konuları irdelenerek bir tanım oluĢturulmuĢtur. Buna göre; dağıtılmıĢ üretim, tüketici merkezlerine yakın dağıtım Ģebekesine bağlı ya da bağımsız çalıĢan üretim kaynaklarını içermektedir [6]. DağıtılmıĢ üretimin tanımında, üretim kapasitesinden bahsedilmemektedir. Bunun nedeni bir dağıtım Ģebekesine bağlanabilecek dağıtılmıĢ üretim kapasitesinin Ģebeke kapasitesinin bir fonksiyonu olmasıdır. Farklı güç değerlerindeki dağıtılmıĢ üretim birimleri, mikro ölçek:1–5 kW, küçük ölçek: 5kW-5MW, orta ölçek: 5–50 MW, ve büyük ölçek: >50 MW olmak üzere kategorilere ayrılabilir [7].
Bunun yanında IEEE 1547 Standardı, dağıtım Ģebekesine bağlı, ortak bağlantı noktasındaki toplam gücü 10MVA ve altı değerdeki üretim kaynaklarını DÜK olarak kabul eder. ġebeke bağlantı koĢulları bu durum için belirlenmiĢtir. Ayrıca, farklı karakteristikteki çok küçük güçlü üretim kaynaklarının düĢük gerilim Ģebekesinde olma durumu da mikro Ģebeke olarak adlandırılmıĢtır.
Ġngilizce literatürde „Distributed generation‟, „Dispersed generation‟, „Embedded Generation‟ ve son günlerde „micro grid‟ olarak geçen bu kavram ülkemizde dağıtılmıĢ üretim, dağıtık üretim, yerel enerji santrali üretimi olarak adlandırılmaktadır. DağıtılmıĢ üretim, yenilenebilir enerji kaynaklarını içermesi nedeniyle, bu üretim yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme entegre edilme durumu olarak da literatürde yer almaktadır.
2.2. DağıtılmıĢ Üretim Sistemlerinin Gerekliliği ve Yararları
Büyük güçlü üretim santrallerinin, uzun iletim hatlardan oluĢan yüksek gerilim iletim Ģebekesi ve orta gerilim dağıtım Ģebekesi üzerinden tüketicileri beslemesi durumu merkezi üretimli güç sistemi olarak tanımlanabilir. Bu durum ġekil 2.1 (a)‟da gösterilmektedir. Bu yapı zamanla bir takım değiĢim ve zorunluluklardan dolayı yerini dağıtılmıĢ üretimli güç sistemlerine bırakmaktadır. Geleneksel elektrik güç sistemlerinin sağlamıĢ olduğu avantajlara rağmen, aĢağıda belirtilen teknik,
6
ekonomik ve çevresel yararların göz önünde bulundurulması sonucu dağıtılmıĢ üretim sistemlerine olan eğilim artmaktadır.
Sürekli artan elektrik enerji ihtiyacına mevcut sistemin istenilen güvenilirlikte cevap verememesi, yeniden yapılandırmanın ekonomik olmaması ve alternatif arayıĢlara neden olması
Mevcut sistemde yaĢanan kararlılık ve güvenilirlik problemlerinin olması
Elektrik güç sistemlerinde yeniden yapılanma ihtiyacının olması (elektrik tüketicisinin kendi elektrik servisini belirlemesi)
Büyük güçlü santrallerin coğrafi yerleĢimi her geçen gün zorlaĢmakta, Kyoto Protokolü‟ne göre birçok ülke iklim değiĢikliğini engellemek ve küresel ısınmaya karĢı sera gazları emisyonunu düĢürme çabası içerisinde olması nedeniyle, çevresel kirliliğin ve küresel ısınmanın göz önünde bulundurulması,
Küçük güçlü üretim birimlerindeki teknolojik geliĢmeler
Isı gereksiniminin önemsenecek derecede olduğu yerlerde dağıtılmıĢ üretim kaynağı kapsamında değerlendirilen, enerji tasarrufu sağlayan birleĢik ısı-güç santrallerinin kullanımının artması
Yukarıda belirtilen nedenlerden ötürü, küçük güçlü, farklı karakteristikli üretim kaynaklarının tüketim merkezlerine yakın yerleĢtirilmesi tercih edilmeye baĢlamıĢtır. Ġçerdiği yenilenebilir enerji kaynakları ile temiz enerji sağlanması, küçük boyutları, modüler olması ve kurulumunun kolaylığı bu tip üretimin diğer tercih nedenlerindendir. DağıtılmıĢ üretim içeren güç sistemi yapısı ġekil 2.1 (b)‟ de verilmektedir.
Merkezi üretim birimlerinin verimlilik oranları % 28 ile % 35 arasında değiĢmektedir. Buna karĢılık % 40–55 oranları küçük yakıt pillerinde ve çeĢitli yüksek teknolojili gaz türbinleri ile kombine çevrim birimlerde elde edilebilen değerlerdir. Gaz türbinlerindeki son geliĢmeler daha ekonomik yeni generatörlerin oluĢmasına neden olmuĢtur. Küçük gaz türbinlerinin verimi % 30‟lar seviyesinde olmasına rağmen boyutları dağıtılmıĢ üretim üniteleri olarak kullanılmalarına imkan sağlamaktadır. Ġzolasyon alanındaki geliĢmeler daha küçük gaz üretim birimlerinin yapılmasına olanak sağlamaktadır. Modern dağıtılmıĢ üretim birimleri merkezi enerji
7
üretim birimlerine göre daha fazla verim sağlayabilmektedir. Merkezi üretim birimlerinin yakıt maliyeti avantajı yakıt maliyetlerinin düĢmesi ile önemini kaybetmiĢtir. Otomasyon ve kontrol teknolojilerindeki geliĢmeler enerji üretimindeki maliyetleri düĢüĢe geçirmiĢtir ( Personel, bakım-denetleme ihtiyaçları gibi). International Energy Agency (IEA)‟ ye göre iletim ve dağıtım maliyetlerinde %30‟a varan düĢmeler dağıtılmıĢ üretim ile mümkün olmaktadır [6].
ġekil 2.1: Merkezi Üretim ve DağıtılmıĢ Üretim Yapılarının ġematik Gösterimi
DağıtılmıĢ üretim birimlerinin sisteme entegrasyonu birçok faydayı da beraberinde getirmektedir. Bu faydalar maliyet, elektrik enerji sisteminin çalıĢması ve çevresel açıdan olmak üzere üç farklı baĢlık altında incelenir. AĢağıda dağıtılmıĢ üretim ile elde edilebilecek tüm faydalar sıralanmıĢtır:
Planlama aĢamasında olan bir elektrik enerji sisteminde iletilecek gücü azaltır, yeni iletim hatlarına gereksinimi ortadan kaldırır.
Kolaylıkla modüller halinde istenilen yere kurulabilirler. Kurulum süresi kısadır ve modüller birbirinden bağımsız çalıĢabilirler. Kapasite yeni modüller eklenerek istenildiği zaman arttırılabilir.
8
YerleĢim yerinin uygun seçilmesi ile enerji fiyatları düĢürülebilir. Ancak yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan dağıtılmıĢ üretim birimlerinin yerleĢimi belirli coğrafi koĢullara bağlıdır.
Tüketicinin yük talebini tam olarak karĢılayabilecek Ģekilde
boyutlandırılabilirler.
Kojenerasyon teknolojisini kullanan dağıtılmıĢ üretim birimlerinde verim arttırılarak ekonomiklik sağlanır.
ġebekeye güç sağlayarak enerji maliyetlerinin düĢmesini sağlar.
DağıtılmıĢ üretim teknolojilerine bağlı olarak kullanılacak enerji kaynağı veya yakıt tipi çeĢitlendirilebilir. Böylelikle tek bir enerji kaynağı veya yakıta bağımlılık azalır.
Yük kayıplarını azaltarak sistemde gerilim profilinin iyileĢmesini sağlar. Azami yük durumlarında yük paylaĢımı için kullanılabilir.
Sistemin sürekliliği ve güvenilirliği konularında yardımcı olur.
Acil durumlarda ve kesinti anında yük ihtiyacını karĢılamak için kullanılır.
Yenilenebilir enerji kaynakları teknolojisine sahip dağıtılmıĢ üretim birimleri ile çevreye olan emisyon azaltılabilir.
2.3. DağıtılmıĢ Üretim Kaynaklarının Sınıflandırılması
DağıtılmıĢ üretim birimlerinin sınıflandırılması genel olarak farklı tiplerdeki kaynakların çalıĢma prensibine göre yapılmaktadır. Elektriksel uygulamalar, kaynak süresi, üretilen gücün tipi ve yenilenebilir teknolojiler açısından birçok sınıflandırma söz konusudur. Ayrıca, kullanılan yakıt türüne bağlı olarak da bir gruplandırma yapmak mümkündür.
GeniĢ bir uygulama alanında gereksinimleri karĢılayabilmek için çeĢitli dağıtılmıĢ üretim teknolojilerinden yararlanılmaktadır. Uygulamalar yük gereksinimlerine göre farklılık göstermektedir. Sonuç olarak kullanılacak dağıtılmıĢ üretim birimleri de farklılaĢmaktadır. Tablo 2.1‟de dağıtılmıĢ üretim kaynakları sınıflandırılmıĢtır. Bu sınıflandırma yapılırken altı kategori dikkate alınmıĢtır. 1- Kullanım amacı, 2. Döner makine ya da sabit olma durumu, 3. Kullanımda olma süresi, 4. ġebeke bağlantısı, 5. Kapasitesi, 6. Yakıt türü.
9
Yapısal ve kullanılan teknoloji açısından farklı birçok dağıtılmıĢ üretim birimi mevcuttur. DağıtılmıĢ üretim teknolojileri için aĢağıdaki gibi bir gruplandırma yapılabilir.
Ġçten Yanmalı Motor Mikro Türbin
Gaz Türbini Yakıt Pilleri
Yenilenebilir Enerji Kaynakları - Rüzgar Enerjisi
- Mikro Hidrolik Enerji - GüneĢ Enerjisi - Biyokütle Enerjisi - Jeotermal Enerji
Enerji Depolama Elemanları
Tablo 2.1: DağıtılmıĢ Üretim Kaynaklarının Sınıflandırılması DÜK Sınıflandırma
Kullanım amacına göre
Yedek ÇalıĢma Azami Yük PaylaĢımı Kırsal ve Uzak uygulamalar Temel Yük
BirleĢik ısı güç üretimi Döner makine ya da sabit olması
Döner Makine Tabanlı(Senkron ve asenkron makine)
DönüĢtürücü (Çevirgeç) Tabanlı
Kullanımda olma süresine göre Sürekli Süreksiz, kesinitili
Bağlantısına göre ġebekeye entegre çalıĢma
ġebekeden bağımsız, ada modunda çalıĢma Kapasitesine göre
Mikro ölçek:1–5 kW, Küçük ölçek: 5kW-5MW, Orta ölçek: 5–50 MW, Büyük ölçek: >50 MW
10
2.4. DağıtılmıĢ Üretim Teknolojilerinin KarĢılaĢtırılması
Tablo 2.2‟de küçük ölçekli dağıtılmıĢ üretim kaynaklarının kapasiteleri, uygulama alanları, verimleri ve kullandıkları yakıtlar belirtilmektedir. Döner makina kaynaklı dağıtılmıĢ üretim kaynaklarından (içten yanmalı motor, gaz türbini ve mikro türbin) elde edilebilecek toplam verim birleĢik ısı-güç santrallerinde kullanıldığında artmaktadır. Yakıt pilleri teknolojisi verimi diğerlerine oranla yüksek görünse de yakıt maliyetleri bu teknolojinin öne çıkmasını engellemektedir. Yakıt maliyetleri ve atık gaz emisyonları açısından bakıldığında Tablo 2.2‟de görüldüğü gibi yenilenebilir enerji kaynaklı rüzgar ve güneĢ enerjisi teknolojileri avantaj sağlamaktadır [6,8]. Ancak, azami yük talebinin olduğu anlarda yenilenebilir enerji kaynakları yerine bu talebi daha hızlı karĢılayabilecek ve kararlı döner makinalı teknolojiler tercih edilmektedir. Ayrıca, Tablo 2.3‟ te, mikro türbin, yakıt pili, rüzgar ve güneĢ enerjisi teknolojilerinin güç elektroniği tabanlı dönüĢtürücülere gereksinimi olduğu ve diğer teknolojilere göre daha maliyetli olduğu görülmektedir.
Tablo 2.2: Küçük Ölçekli DÜK Teknolojilerinin Genel Karakteristikleri [6]
Teknoloji Kapasite Verim (%) Uygulama Alanı Yakıt
Ġçten yanmalı motor Dizel 20kW-10MW (IEA) Gaz 5kW-5MW (IEA) Genel < 1MW 36-43 (IEA) 28-42 (IEA) Acil ve yedek servis Kojenerasyon
Dizel, fuel oil, biyodizel, doğal gaz, biyo gaz
Gaz türbini 1-20MW (IEA) 21-40 (IEA) Kojenerasyon Gaz, kerosen
Mikro türbin 30kW-200kW (IEA) 35kW-1MW Küçük ölç uyg. <1kW 25-30 (IEA) Kojenerasyon Doğal gaz, yanıcı atık gazlar veya biyo gaz
Yakıt Pili 50kW-1MW (IEA) 35-60 (IEA) Kojenerasyon
Kesintisiz güç kay. Metanol, hidrojen veya doğal gaz Fotovoltaik >1kW (IEA) >20kW Evsel ve küçük ticari uyg. ġebeke harici uyg. GüneĢ Rüzgar 200kW-3MW Rüzgar
11
Tablo 2.3: DağıtılmıĢ Üretim Teknolojileri Maliyeti ve Faydaları
Teknoloji Yedek servis
Max Talep paylaĢımı DönüĢtürücü gereksinimi Temiz Enerji Kurulum ve iĢletme maliyeti (€/kWe) Ġçten yanmalı motor √ - √ 250-1500, 0,005-0,015 Gaz türbini √ - √ ~ 1800, 0,018 Mikro türbin √ √ √ 1000-1800, 0,008-0,015 Yakıt Pili - √ √ 1000-2000, 0,005-0,01 Fotovoltaik - - √ √ 6000-10000, ~0 Rüzgar - - √ √ 950-1650, 0,008
2.5. DağıtılmıĢ Üretimin Dağıtım Sistemlerine Etkileri
DağıtılmıĢ üretim kaynakları bağlı bulundukları dağıtım sistemleri ile birlikte; ada Ģeklinde çalıĢma,
Ģebeke ile senkron Ģekilde çalıĢma
olarak iki tip çalıĢma sergilerler. Her iki çalıĢma tipinde de DÜK Ģebekeye ve tüketicilere önemli faydalar sağlamaktadırlar. ġekil 2.2‟de dağıtılmıĢ üretim kaynağının Ģebekeye bağlantı konfigürasyonları gösterilmektedir.
Buna göre, birinci konfigürasyonda yük sadece DÜK tarafından beslenmektedir. Konfigürasyon 2‟ de DÜK, yük 2 için yedek besleme veya talebin fazla olduğu anlarda yük paylaĢımı amacıyla kullanılmaktadır. ġebeke ise yük 1 ve yük 2‟ye enerji sağlamaktadır. Konfigürasyon 3‟ te, DÜK Ģebeke ile senkron çalıĢmaktadır ancak Ģebekeye enerji vermemektedir. Konfigürasyon 4‟ te DÜK tüketici tarafına bağlanmıĢtır ve üretilen fazla enerji Ģebekeye geri verilebilmektedir. Konfigürasyon 5‟te ise Ģebeke tarafına bağlanan DÜK, Ģebeke ile senkron çalıĢmaktadır [9].
Elektrik dağıtım sistemleri planlanırken, merkezi üretim biriminden orta ve alçak gerilim seviyesindeki yüklere doğru ve tek yönde yük akıĢının olacağı düĢünülmüĢtür. DağıtılmıĢ üretim kaynaklarının varlığı ile aktif hale geçen dağıtım sisteminde artık yük akıĢında ve yönünde değiĢimler görülmektedir. Aktif elektrik dağıtım sistemlerinde gerilim profili, güç kayıpları, kısa devre akımları, güç kalitesi
12
ve güvenilirlik konularında olumlu ya da olumsuz etkiler görülmektedir. DağıtılmıĢ üretim kaynağının sayısı ve tipi, bağlantı noktası ve sisteme bağlantısında kullanılacak arayüzler etkinin boyutunu belirlemektedir.
Çok geniĢ aralıkta değiĢen Ģebeke iĢletmesi ve durumlar için teknik etkileri belirlemek oldukça karmaĢıktır. [10]‟ da teknik etkileri ölçen yedi indis tanımlanmıĢ ve hepsini içine alan çok amaçlı performans indisi önerilmiĢtir. Bu indislerin tanımları ve formülasyonu Tablo 2.4‟de verilmiĢ olup, gerekli açıklamalar özetlenmiĢtir. Bu indisler maximum üretim durumu ve dengesiz yükleme durumlarında geçerlidir.
13
DağıtılmıĢ üretim kaynaklarının dağıtım sisteminin kapasitesini arttırması, gerilim yükselmesi, güvenilirlik artırımı ve temiz enerji sağlaması gibi üstünlüklerinin yanında sayılarının sistem içerisinde artması, Ģebekede beklenmeyen teknik problemlere neden olabilir. Olumlu ve olumsuz etkileri gerilim değiĢimi, kayıplar, güç kalitesi, güvenilirlik, ve koruma baĢlıkları halinde incelenebilir. Bu kavramlar birbirleri ile iliĢkilendirilebilir. Örneğin; yeterli korumanın sağlanmadığı bir sistemde düĢük güvenilirlik ve kalite problemleri ortaya çıkar.
Tablo 2.4: DağıtılmıĢ Üretimin Etkilerini Ölçen Performans Ġndisleri
Ġndis Tanımlar Açıklama
Aktif güç kaybı indisi
) Re( ) Re( 1 0 kay k kay k p S S IL
Skayk : k Ģebeke konfigürasyonu için toplam
karmaĢık güç
Skayk : DÜK yokken toplam karmaĢık güç
1‟e yakın olması aktif güç kaybının az olduğunu gösterir.
Reaktif güç kaybı indisi
) Im( ) Im( 1 0 kay k kay k q S S IL
1‟e yakın olması aktif güç kaybının az olduğunu gösterir.
Maximum gerilim düĢümü indisi
1 0 0 ) max( 1 n k i k V V V IVD n: Düğüm sayısı
VФik: k Ģebeke konfigürasyonunda i. düğümün
her bir faz gerilimi
VФ0:Kök düğümdeki her bir faz gerilimi
1‟e yakın olması gerilim düĢümünün az olduğunu gösterir. Tek fider analizinde kullanılır
Maximum gerilim düĢümü indisi
1 max( 1 1 1 min min n V V V IVR n i ik k i k i k
VФik: k Ģebeke konfigürasyonunda minimum
talepte i. düğümün her bir faz gerilimi
1‟e yakın olması gerilim düĢümünün az olduğunu gösterir.Çoklu fider analizinde kullanılır
Ġletkenin akım taĢıma indisi
nl nm k nm m k m k ATK I ATK I IC 1 max( , ) nl: hat sayısı
IФmk Inmk: : k Ģebeke konfigürasyonu için m
hattında akan akımlar
ATKФm ATKnm: iletken akım taĢıma kapasitesi
1‟e yakın olması reserv kapasite olduğunu belirler
3 faz kısa devre akımı değiĢimi indisi
0 3 3 0 3 3 ) max( 1 3 I I I I ISC k k i k
I3Фik: k Ģebeke konfigürasyonu için i. noddaki
3 faz arıza akım değeri
I3Ф0: DÜK yokken i. noddaki 3 faz arıza akım
değeri
I3Ф+k: k Ģebeke konfigürasyonu için Ģebekededi
en yüksek 3 faz arıza akım değeri
I3Ф+0: DÜK yokken Ģebekedeki en yüksek 3
faz arıza akım değeri
3 faz için kısa devre akımı değiĢimi indisi
Bu indis 1‟ yakın oldukça, eklenecek DÜK‟lerin koruma elemanlarına etkisinin az olduğunu gösterir.
1 faz kısa devre akımı değiĢimi indisi
0 * 3 * 3 0 1 1 ) max( 1 1 I I I I ISC k k i k
I1Фik: k Ģebeke konfigürasyonu için i. noddaki
1 faz arıza akım değeri
I1Ф0: DÜK yokken i. noddaki 1 faz arıza akım
değeri
I1Ф*k: k Ģebeke konfigürasyonu için Ģebekedeki
en yüksek 3 faz arıza akım değeri
I1Ф*0: DÜK yokken Ģebekedeki en yüksek 1
faz arıza akım değeri
Bu indis 1‟ yakın oldukça, eklenecek DÜK‟lerin koruma elemanlarına etkisinin az olduğunu gösterir.
Çok amaçlı performans indisi
1 ) 1 3 { 7 1 7 6 5 4 3 2 1 i i k k k k k k q k p k w ISC w ISC w IC w IVR w IVD w IL w IL w IMO
wi: katkı faktörü, Dağıtım
sistemindeki önem verilen duruma göre esnek bir Ģekilde değer verilebilir.
14
2.5.1. ġebeke planlamasına etkisi 2.5.1.1. Gerilim değiĢimi
Transformatör ve hat empedansı üzerinden akan yük akımı baralarda gerilim düĢümüne neden olur. Bara gerilimlerinin belirli aralıklarda bulundurulması zorunludur. Bu, dağıtım sistemlerinde kademe değiĢtirici transformatör, anahtarlı kapasitör ya da statik VAR kompanzatörlerle sağlanabilir. Gerilim kontrolünü sağlayan bu cihazların yanında DÜK‟lerin varlığı, sistem bara gerilimlerini önemli ölçüde değiĢtirebilir ve bu, cihaz ve DÜK‟ler arasında etkileĢime neden olabilir. IEEE 1547 standardına göre DÜK‟lerin gerilim kontrolüne aktif olarak katılması beklenmez. Katılması durumunda sistemde gerilim regülasyonu sağlayan diğer cihazlarla çalıĢması sorun yaratabilir. Bu durum[11]‟da detaylı incelenmiĢtir. DÜK gerilim kontrolü sağlamasa bile, sisteme verdiği güç, DÜK tipi ve yüklenmesine bağlı olarak bara gerilimlerini arttırabilir ya da azaltabilir.
DağıtılmıĢ üretim kaynaklarından senkron generatör ve çeviriciler kontrol mekanizması ile DÜK‟ün bağlandığı noktada çıkıĢ reaktif gücünü ayarlanarak gerilim kontrolü sağlanabilir. Ortak bağlantı noktasındaki gerilimi kontrol etmek için generatörler sabit gerilim modunda çalıĢırlar. Bu durumdaki regülasyonun etkinliği o noktadaki DÜK ve sistemin kısa devre gücü oranına bağlıdır. Bu oran küçükse gerilim değiĢimi az olur, ki bu da düĢük güç faktörü ve aktif güç üretiminin sınırlanmasına neden olur. Pratikte, gerilim kontrolü, düĢük güç faktöründe iĢletilmez. Sabit gerilim modunda, iĢletme sınırlarına ulaĢılmıĢsa sabit güç faktörü moduna geçilir.
Genel olarak, elektrik dağıtım sistemlerine entegre edilen dağıtılmıĢ üretim kaynaklarının gerilim profili üzerinde olumlu bir etki yarattığı görülmektedir. Ancak büyük miktarda dağıtılmıĢ üretim biriminin sisteme entegrasyonu gerilimde, çift yönlü güç akıĢından kaynaklanan kararsızlıkla sonuçlanmaktadır. Buna ek olarak, çift yönlü güç akıĢı koruma sisteminde de ayarlamaları zorlaĢtırmaktadır
15
Güç akıĢı yönü, gerilim gradyanına bağlıdır. ġekil 2.3‟de dağıtılmıĢ üretim kaynağının bir dağıtım fiderindeki etkisi gösterilmektedir. Sürekli çizgi Idg = 0 ve
kesikli çizgi ise Idg > Il2 + Il3 durumlarını ifade etmektedir. Buna göre, gerilim
profilindeki iyileĢmenin yanında b2 ve b3 baraları arasında değiĢen güç akıĢı yönü görülmektedir.
ġekil 2.3: Gerilim Profili ve Gradyanın DeğiĢimi [2] 2.5.1.2. Kayıplar
DÜK‟ün dağıtım Ģebekesinde varlığı, sadece sistem gerilim profilini değiĢtirmez, aynı zamanda hem hat uzunluğuna hem de sistem içerisinde nereden ne kadar güç üretilip/tüketildiğine bağlı olarak kayıpları da etkiler. Üretim ne kadar tüketimle eĢ tutulur ve tüketime yakın bölgeye yerleĢtirilirse o kadar hat ve transformatör kayıpları azalacaktır. Bu kayıpların hesaplanması ve azaltılması için analitik yöntemler geliĢtirilmiĢ, kayıpları minimum yapacak Ģekilde optimal güç akıĢı stratejisi geliĢtirilmiĢtir [12-16]. [12] [13] [14,15,16]
DÜK‟nın varlığı, üzerinde bulunduğu fider ya da bölge için güç kaybını arttırsa bile tüm sistem bazında güç kaybını azalttığı görülmüĢtür. Kayıp azaltılması için
16
DÜK‟lerin o bölge içinde optimum yerleĢimi önemlidir. Bu yapılırken genel prensip, dağıtım sistemi içerisinde en uygun kapasitör yerleĢimi prensibi ile aynıdır. Güç kaybının yüksek oluğu bir fidere güç talebinin %10-20‟si arası güçte bulunan bir DÜK yerleĢtirilirse, büyük oranda güç kaybında azalma görülebilir.
2.5.2. Güç kalitesine etkisi
Güç elektroniği alanındaki teknolojik geliĢmeler, serbest elektrik piyasası, müĢteri öncelikleri ve enerji talebi konularının ortak sonucu olarak elektrik enerji endüstrisinin tercihi mevcut yapıdan dağıtılmıĢ üretime doğru kayma eğilimi göstermektedir. Bu noktada, dağıtılmıĢ üretimin etkileri konusunda iki soru belirmektedir;
DağıtılmıĢ üretimin güç kalitesine etkilerinin nasıl olacağı, Güç kalitesi sınırlarını aĢmadan karĢılanabilecek yük miktarı.
Standartlara göre, elektrik üreticisi sağladığı gerilimin kalitesinden sorumlu iken tüketici de sistem kapasitesine bağlı olarak neden olduğu harmonik seviyesinden sorumludur. Dolayısıyla, sisteme bağlantıda güç elektroniği tabanlı arayüzlere ihtiyaç duyan mikro türbinler, yakıt pilleri ve fotovoltaikler gibi dağıtılmıĢ üretim kaynakları da harmonik kaynakları olarak düĢünüldüklerinden sınırlı kapasite ile kullanılmaları gerekmektedir. Ancak, küçük güçlü dağıtılmıĢ üretim birimlerinin harmonik enjeksiyonunun ekonomik nedenlerden dolayı daha fazla olacağı unutulmamalıdır [17].
Güç kalitesi konusu güvenilirliği de kapsamaktadır. DüĢük güç kalitesi; gerilim azalması, kesinti veya geçici olayların oluĢmasına neden olan arızalar ve anahtarlamalardan, yüklerden kaynaklanan hızlı gerilim değiĢimlerinden, harmonikler ve faz dengesizliğinden dolayı oluĢabilir. Bu problemler sistemin kısa devre kapasitesi ile ilgilidir ve güç kalitesindeki bozulmadan korunmak için sistemin belirlenmiĢ minimum kısa devre kapasitesi garanti altına alınmalıdır.
Güç kalitesinde, geçici gerilim değiĢimleri (azalma, artma) ve gerilim harmonikleri önemle dikkate alınması gerekir. DÜK, dağıtım Ģebekesindeki kullanıcıların gerilim
17
kalitesini koĢullara bağlı olarak arttırtır ya da azaltır. Eklenen kaynaklar Ģebekenin kısa devre gücünü arttıracağından, güç kalitesini de iyileĢtirici yönde rol oynarlar. Bunun yanında zayıf bir Ģebekeye bağlanacak büyük güçlü bir kaynak güç kalitesi problemlerine yol açabilir. [18].
DÜK içeren AG dağıtım Ģebekesinde güç kalitesi yönetimi DISPOWER [19] projesi kapsamında geliĢtirilmiĢ, detayları [20]‟de verilmiĢtir. Güç kalitesi yönetimi ile generatör kontrolü, depolama birimleri ve kontrol edilebilir yüklerin optimizasyonu ile güç kalitesini standartlarda verilen sınırlar dahilinde tutmayı amaçlar. Avrupa standartlarına göre güç kalitesi sınırları Tablo 2.5‟ de verilmektedir.
Tablo 2.5: EN50160‟ e göre Güç Kalitesi Sınır Değerleri
Karakteristik Ölçüm Sınır Değerler
Frekans 10 saniye ort. değer
50Hz±%1, (49,5 – 50,5 Hz)
50Hz+%4/ 6% (47-52Hz) YavaĢ Gerilim
dalgalanması 10 dak. ort. Rms değer
230V±%10 230V+%10/-%15 Uzun dönem kırpıĢma
Ģiddeti
12 kez 10 dak aralıklarla alınan kısa dönem kırpıĢmanın ort. değeri
<=1
Gerilim asimetri 10 dak. ort RMS değer
Negatif dizi bileĢen büyüklüğü, pozitif dizi bileĢeninin %2 sine eĢit ya da az olmalıdır.
Tek harmonik 10 dak. Ort RMS değer
Toplam Harmonik Bozulma
1.den 40. ya olan
harmoniklerin 10 dak ort. RMS değeri
<=%8
Güç kalitesi problemlerini azaltmak (Örn. Gerilimi regüle etmek ve akım harmoniklerini bastırmak) amacı ile dönüĢtürücü tabanlı DÜK‟lerde dönüĢtürücü kontrol düzeneklerinde yeni yöntemler geliĢtirilmiĢtir. Bu bakımdan bakıldığında DÜK‟ler güç kalitesini iyileĢtirici üretim birimleridir.
18
2.5.3. Güvenilirliğe etkisi
Bir elektrik enerji sisteminin sağlamlık göstergesi güvenilirliktir. Elektrik enerjisinin tüketiciye ulaĢtırılmasındaki baĢarı oranı güvenilirlik olarak tanımlanabilir. Bu basit tanımı geniĢleterek güvenilirliğin iki önemli özelliğinin olduğu söylenebilir:
Yeterlilik: Yeterli bir memnuniyette enerji talebini karĢılayabilme,
Güvenlik: Ansızın gerçekleĢen arıza veya sistem elemanlarındaki beklenilmeyen durumlara karĢı varlığını sürdürebilme.
Güvenilirlik problemlerine yol açan iki temel neden olarak, kapasite eksikliği ve aksaklık/kısa devrelerden kaynaklanan arızalar olarak gösterilebilir.
Kapasite eksikliği, talebi karĢılayamayan enerji kaynağından oluĢabileceği gibi, beklenmeyen bir olay karĢısında yedek enerji kaynağının yetersiz kalmasından da oluĢabilir. Her iki durumun ciddiyetine göre kesintiler meydana gelebilir.
Enerji sisteminde, kısa devre ve aksaklıklar sonucu oluĢan arızalar sonucu meydana gelen kesintiler, kapasite eksikliğinden kaynaklanan kesintilere göre daha sık karĢılaĢılan durumlardır. Arızalar sonucu meydana gelen kesintilerin % 94‟ü dağıtım sistemleri kaynaklı iken, geri kalan kısmı ise iletim sistemleri ve üretim birimlerindeki kesintiler oluĢturmaktadır [9].
Elektrik enerji sistemlerinde güvenilirliği analiz edebilmek amacıyla, gerçekleĢen kesintilere bağlı olarak bazı indisler belirlenmiĢtir. Bu indisler sistemdeki kesinti sıklığı, kesinti süresi ve kesintiden etkilenen müĢteri (tüketici) sayısı gibi değiĢkenlere bağlıdır[21-23]. Bu indislerden en sık kullanılanları ve ilgili tanımlamalar Tablo 2.6‟da verilmektedir. [21,22,23]
Belirtilen güvenilirlik indisleri kullanılarak yapılan analizlerde, dağıtılmıĢ üretim kaynağının bulunduğu noktaya ve beslediği tüketici sayısına bağlı olarak sistemin güvenirliliğini arttırdığı görülmektedir.
19
Tablo 2.6: Güvenilirlik Ġndisleri
Ġndis Formül Tanımlama
Sistem Ortalama Kesinti Sıklığı Ġndisi
SAIFI T
i
N N
SAIFI Nsayısı i: Sistemdeki kullanıcı
NT: Sürekli kesintiden
etkilenen kullanıcı sayısı Sistem Ortalama Kesinti
Süresi Ġndisi SAIDI T i i N ) r . N (
SAIDI r(dak) i: Sürekli kesinti süresi
MüĢteri Ortalama Kesinti Süresi indisi CAIDI SAIFI SAIDI N ) r. N ( CAIDI T i i
DağıtılmıĢ üretim, merkezi bir üretim yerine farklı noktalarda üretim yapmakla enerji akıĢındaki sürekliliği temin ederek güvenilirliği artırmaktadır. Dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta, istenilen güvenilirlik seviyesini sağlamak için baĢvurulacak dağıtılmıĢ üretimin güç akıĢı ve arıza durumlarına etkilerinin göz önünde bulundurularak gerekli koruma ayarlarının yapılmasıdır. Ayrıca, sistemdeki bir arıza anında otonom enerji adası Ģeklinde çalıĢma gerçekleĢtirildiğinde yerel güvenilirlik sağlanarak sistemin güvenirliliğine katkıda bulunulmuĢ olunmaktadır. ġebekede oluĢacak arıza durumunda DÜK Ģebeke ile olan bağlantısı kesilir, ada moduna geçer. Arıza sonrası DÜK tarafından beslenecek yüklerin oluĢturduğu ada belirlenirken, bu adalarda en yüksek sayıda kullanıcın enerji tedarikinin devamlılığı gözetilmelidir.
2.5.4. Korumaya etkisi
Güç sistemlerinin korunmasında hedeflenen güç sisteminin emniyetli bir Ģekilde çalıĢmasının sağlanmasıdır. Ayrıca, koruma koordinasyonu ile arıza durumlarının sisteme etkilerinin minimum seviyede tutulması sağlanmaktadır.
20
Elektriksel açıdan bakıldığında tehlikeli durumlar aĢırı akım ve aĢırı gerilim olarak belirtilebilir. Güç sistemlerinin güvenli bir Ģekilde iĢletilebilmesi için akım ve/veya gerilim gerekli sınırlar içinde tutulmalıdır. Kısa devre arızalarında aĢırı akım oluĢabileceği gibi yüksek toprak empedansının var olması ile de aĢırı gerilim oluĢabilir.
Koruma sistemleri tasarlanırken ve koordinasyonu sağlanırken aĢağıdaki durumların sağlanması gerekir:
Bir koruma sistemi sadece arızayı kapsayan en küçük bölgeyi devre dıĢı bırakılmalı.
Bir koruma sisteminde yedek korumalar, ana korumayı destekleyecek ikincil korumalar olmalıdır
Bir koruma sisteminde röle karakteristikleri seçicilik yanında yedek koruma sağlayacak Ģekilde derecelendirilmelidir.
Bir koruma sistemi sağlıklı iĢleyen bölgenin gereksiz yere devre dıĢı kalmasını önlemelidir.
Bir koruma sistemi kendi koruma bölgesindeki tüm arızaları saptayıp, o bölgeyi devre dıĢı bırakmalıdır.
Radyal yapıdaki dağıtım Ģebekelerinde güç akıĢı iletim Ģebekesinden tüketiciye doğru tek yönlü olduğu için yukarıda belirtilen prensipler kolaylıkla uygulanabilir. Bu yapıda arızanın ortadan kaldırılması için tek koruma cihazının açması yeterlidir. Ring yapılı bir sistemde ise arızalı bölgenin her iki tarafındaki koruma elemanlarının açması gerekmektedir. DağıtılmıĢ üretim kaynakları içeren bir dağıtım Ģebekesi artık aktif bir Ģebeke haline gelir ve bir kesicinin açması arızanın temizlendiğini garanti etmez, geleneksel koruma yeterli olmayabilir. Böyle Ģebekelerde koruma bakımından irdelenmesi gereken farklı durumlar oluĢmaktadır:
DÜK‟dan kaynaklı arıza akımının neden olduğu arızalı dağıtım Ģebekesinin korunması
Ġç arızalara karĢı üretim ekipmanının korunması
Ġç arızalara ve anormal koĢullar karĢısında generatörler aĢağıdaki koruma sistemleri ile korunurlar
21 Diferansiyel Koruma
Nötr zaman gecikmeli aĢırı akım koruma Gerilim tutucu aĢırı akım koruma
AĢırı/düĢük gerilim koruma AĢırı/düĢük frekans koruma Yönlü güç koruma
Uyarma kaybı koruma
ġebeke kaybına karĢı koruma
Mevcut dağıtım sistemi korumasında DÜ‟nün etkisi Arıza akımının artması
Yüksek empedanslı arızaların algılanmaması KomĢu fiderlerde oluĢan arızalarda açma Topraklama Sorunu
Ferrorezonans
ġebeke ile bağlantının kesildiği durumdaki DÜK koruması
ġebekedeki yeniden kapanan kesicilerle arızanın beslenme durumu Ada ÇalıĢma
2.5.4.1. Arıza akımının artması
Arıza akımı, genel olarak, arıza oluĢan noktadan görülen thevenin empedansı ile ters ve arıza öncesi gerilim ile doğru orantılı olarak değiĢir. Üretim kaynaklarının empedansı sistemde paralel bir empedans gibi görülür. Bu, thevenin empedansını küçültür, daha büyük arıza akımı akmasına neden olur.
ġekil 2.4‟ te a noktasındaki bir arıza durumunda oluĢacak arıza akımı, G generatörünün katkısıyla If Idg Inw olacaktır. Dolayısıyla R rölesi arıza akımının
22
ġekil 2.4: a Noktasındaki Kısa Devre Durumundaki Akımlar [2]
DağıtılmıĢ üretim kaynağının olumsuz etkisini görebileceğimiz bir diğer durum ise b2 barasında bir kısa devre arızasıdır. R rölesinin yönlü korumaya sahip olduğu düĢünüldüğünde, G generatörünün sağladığı arıza akımı R rölesinden ters yönde geçeceğinden, bu durum problem yaratacaktır.
DağıtılmıĢ üretim bir kısa devre arızası durumunda arıza akımının genliği ve yönünü değiĢtirebilir. Bu yüzden koruma elemanlarının yeniden boyutlandırılması ve koordinasyonun yeniden yapılandırılması gerekir.
2.5.4.2. Yüksek empedanslı arızaların algılanmaması
Bir fider üzerindeki DÜK sayısı arttıkça, bu kaynakların arızalara olan katkısı rölelerin yüksek empedanslı arızaları saptamasında zorluk oluĢturur. Bu nedenle kesicilerin kesme süresi uzayabilir, ve kaynağın devrede olmasından dolayı arızanın sürekli beslenmesi durumu ortaya çıkar. Bu durum sistem güvenilirliğini azaltır. Çözüm olarak koruma alanını geniĢletmek için devreye ek bir kesici koyulur.
DağıtılmıĢ üretim kaynağı Ģebekede bir arıza olduğunda gerilim bilgisi yardımı ile açma yapar. KomĢu fiderde oluĢan arızalardaki gerilim, üzerinde olduğu fiderde oluĢabilecek arıza gerilimine benzediğinden arızayı üzerinde olduğu fider olarak görüp açma yapabilir. Bu durum kaynak transformatör merkezine yakınsa daha sık oluĢur.
23
KomĢu fiderde oluĢan arızalarla ilgili diğer bir problem ise arızanın farklı fider üzerindeki DÜK tarafından beslenmesi durumudur. Bu durum komĢu fiderin aĢırı akım korumasının yönlü yapılarak önlenebilir.
2.5.4.3. Topraklama
Transformatör merkezlerindeki transformatörlerin kaynak tarafının yıldız topraklı olması ve ġekil 2.5‟de gösterilen bir durumda arızanın olması durumunda, arıza hem Ģebeke hem de DÜK tarafından beslenecektir. [24] Bu durumda da yönlü röleler kullanarak arıza akımının DÜK tarafından beslenmesi önlenebilir.
ġekil 2.5: Toprak Arızasında DÜK Katkısı
2.5.4.4. Ferrorezonans
Ferrorezonans kablo fiderine bağlı yüksüz ya da az yüklü transformatörlerde ya da yükün otomatik olarak Ģebekeden ayrılıp generatörlerden beslendiği durumlarda oluĢur. Kablo kapasitansı ile transformatör endüktansı seri rezonans devresi oluĢturarak, yüksek akım ve gerilimlere neden olur. Tipik aĢırı akım koruma cihazları bu durumu algılamayabilir. Herhangi bir arıza durumunda DÜK‟ün devre dıĢı kalması, kaynak ile Ģebeke bağlantısını sağlayan transformatörün yüksüz Ģekilde izole olmasına neden olur. Kablo arızasından kaynaklı transformatörü koruyan sigortanın bir faz ya da iki fazının devre dıĢı kalması sağlam faza bağlı yük tarafında
24
tahrip edici sonuçlara yol açabilir. Ġzole edilen transformatörün Ģebeke tarafındaki korumasının sigorta ile değil, 3 fazlı kesici ile yapılması bu durumu önler. Ayrıca DÜK‟ün tek fazı açık Ģekilde sistemde kalması dengesiz yüklenme nedeni ile makinenin zarar görmesine neden olabilir.
2.5.4.5. ġebekedeki yeniden kapanan kesicilerle arızanın beslenme durumu
Dağıtım Ģebekesinde arızaların çoğu geçici olduğundan kesiciler yeniden kapama özelliği ile donatılmıĢlardır. Yeniden kapamanın baĢarılı olabilmesi için arıza akımının temizlenebileceği süre kadar beklemek gerekir. Arızalı bölgede faaliyet gösteren bir DÜK arıza ve açmayı fark edip, sistemden ayrılmazsa arıza arkının temizlenmesi mümkün olmaz ve yeniden kapama sonrası arıza beslenmeye devam eder. Bu da kapama sırasında döner makinelerde mekanik hasara neden olur. DönüĢtürücü tabanlı olanlar bu durumdan daha az etkilenirler. Yeniden kapama gerçekleĢmese bile bu durum bölge kullanıcılarının daha uzun süreli kesintiye uğramasına neden olur. Güvenilirliği azaltan bir durumdur.
ġekil 2.6‟da, tekrar kapamanın gerçekleĢtirilmediği bir anahtarlama süreci gösterilmektedir. Ada çalıĢmada aktif güç eksikliği olduğundan ( P dg Pl ) frekansın ( f ) düĢtüğü görülmektedir. i
ġekil 2.6‟da, oluĢan arıza akımı baĢlangıç zamanı tf, anahtarın açılma zamanı td,
tekrar kapama zaman aralığı ti, tekrar kapama anı tr, senkron Ģebeke frekansı fs, ada
bölgesinin frekansı fi ve frekans değiĢimi ∆f değerleri gösterilmektedir.
Dağıtım sistemindeki DÜK miktarı arttıkça yeniden kapama süresi ve DÜK devre dıĢı kalma süreleri arasında bir uyuĢmazlık olacaktır. Yeniden kapama süresinin uzatılması bir çözüm olarak görünse de, yeniden kapamanın getirmiĢ olduğu üstünlük kaybolacak ve güç kalitesi problemlerini oluĢturacaktır. Bu durumda dağıtım fiderlerinde yeniden kapamanın yapılmaması daha uygundur.
25
ġekil 2.6: Tekrar Kapama Süreci [2]
2.5.4.6. Ġstenmeyen ada modunda çalıĢma
ġebeke kaynaklı arızalarda DÜK‟ün sistemden ayrılıp, bulunduğu bölgeyi Ģebekeden bağımsız enerjilendirmeye devam etmesi istenmeyen ada modunda çalıĢmadır. Devam eden enerjilendirmeden dolayı DÜK kaynakları farklı derecelerde risk alırlar: Senkron generatörler kendi uyartımları vardır. Küçük güçlü olanlarda gerilim kontrolü sağlanmayabilir, bu durum belirsiz büyüklükteki gerilimlere neden olabilir. Ayrıca, ada bölgesinde DÜK üretim-yük dengesizliği olacağından frekansta karasızlığa yol açılır.
Asenkron generatörler uyartım için Ģebeke desteğine ihtiyaç duyarlar. Sabit ya da değiĢken kondansatörle donatılmıĢ asenkron generatörler, Ģebeke kaybı durumunda kendi kendine uyartılır, ve aĢırı gerilimlere neden olabilir.
DönüĢtürücü tabanlı DÜK birimleri dönüĢtürücünün akım ya da gerilim kaynaklı olmasına ve kontrol metoduna bağlı olarak enerjilendirmeyi devam ettirebilir ya da kesebilir. Akım ya da gerilim kaynaklı dönüĢtürcü içeren üretim birimleri ada modunda genellikle enerjilendirmeyi devam ettirmezler.
26
Standart ve pratik uygulama gereği Ģebeke kaybı sonrası kaynağın devre dıĢı kalması beklenir. Kaynakların devre dıĢı kalmayıp kontrolsüz enerjilendirmeyi devam ettirmesi istenmeyen ada modu çalıĢmadır. Standartlarda henüz detayları verilmeyen bir durum vardır ki; Ģebeke kaybı sonrası kaynakların ve yükün kontrollü bir Ģekilde bölgelere ayrılarak, uygun anahtarlamalarla, kaynakların tamamı ya da bir kısmının devrede kalmasının sağlanmasıdır. Bunun için bir yaklaĢım bu proje kapsamında geliĢtirilmiĢ olup, 5. Bölümde ayrıntıları verilecektir.
27
BÖLÜM 3. DAĞITILMIġ ÜRETĠM SĠSTEMLERĠNDE KORUMA PROBLEMLERĠ
Dağıtım sistemlerinde koruma, standartlar ve yönetmeliklerle belirlenmiĢtir. Güç sistemlerinde korumanın temel gayesi güç sisteminin emniyetli bir Ģekilde çalıĢmasının sağlanmasıdır. Bu da insanların, çalıĢanların ve ekipmanın korunmasıdır. Ayrıca, koruma koordinasyonu ile de arıza durumlarının sisteme etkilerinin minimum seviyede tutulması sağlanır.
Güç sistemlerinin güvenli bir Ģekilde iĢletilebilmesi için akım ve/veya gerilim gerekli sınırlar içinde tutulmalıdır. Kısa devre arızalarında aĢırı akım oluĢabileceği gibi yüksek toprak empedansının var olması ile de aĢırı gerilim oluĢabilir. Koruma sistemi yukarıda belirttiğimiz Ģartları sağlamaya çalıĢmalıdır.
Dağıtım Ģebekelerinde koruma, Ģebekede sadece yüklerin var olması durumuna göre
gerçekleĢtirilmektedir. Bunun anlamı Ģebekede herhangi bir üretim
öngörülmemesidir. DÜK‟ların Ģebekeye montajı bu durumu değiĢtirmiĢtir. Sistemde enerji akıĢı sadece iletim Ģebekesinden dağıtım Ģebekesine doğru değil, aynı zamanda dağıtım Ģebekesi içerisindeki DÜK‟lardan da sağlanmaktadır. Bu durum bazı koruma problemlerini de beraberinde getirmiĢtir.
Bu bölümün ilk kısmında, DÜK‟ların koruma koordinasyonuna etkileri incelenmiĢtir. Öncelikle genel hatları ile kısa devre arıza akımları DÜK bağlantısı sebebiyle nasıl etkilendiği ele alınmıĢtır. Dağıtım Ģebekelerinde arıza giderilmesinde sıklıkla kullanılan bir yöntem olan tekrar kapama DÜK varlığı ile nasıl etkilendiği ve olası ada çalıĢma durumu incelenmiĢtir.
Ġkinci kısımda standart olarak dünyada yapılan uygulamalarda belirleyici olan IEEE 1547 standardı göz önüne alınmıĢtır. Ortak bağlantı noktası tanımı gibi standartta yapılmıĢ bazı tanımlar bu kısımda incelenecektir. Bu tanımların dıĢında bağlantı
28
esnasında getirilen kıstaslar, gerilim ve frekansa bağlı arıza giderme süreleri gibi kısıtlayıcı tanımlar ve istenen ve istenmeyen ada modu çalıĢma durumları incelenecektir.
Üçüncü kısımda ise Türkiye özelindeki uygulamalarda geçerli olan Elektrik piyasası ġebeke, Dağıtım, Dengeleme ve UzlaĢtırma ve Yan Hizmetler yönetmelikleri ele alınmıĢtır. Bu yönetmeliklerde yenilenebilir enerji kaynakları da dahil olmak üzere dağıtım Ģebekesi boyutunda bağlanan her türlü üretim kaynağının Ģebekeye bağlantılarının nasıl tanımlandığı ve ne tür düzenlemeler getirildiği bu kısımda incelenmiĢtir.
Son kısımda ise üretim endüstrisinin yönetmeliklerde yer almayan durumlar için kendi öngördükleri bazı uygulamalar ve kriterler ifade edilmiĢtir.
3.1. DÜ’ nün Koruma Koordinasyonuna Etkisi
DÜ‟ nün sisteme dahil edilmesinin getirdiği genel problem, dağıtım sistemlerinin planlanmasında yük akıĢının merkezi üretimden orta ve alçak gerilim seviyesinde yüklere doğru olmasıdır. Koruma sistemi tasarlanırken orta ve alçak gerilim seviyesinde hiçbir üretim olasılığı göz önüne alınmamaktadır. DÜ‟nün sisteme dahil olması koruma sisteminin çalıĢmasını negatif yönde etkilemektedir. Bu durum ise aĢağıdaki koruma konularını gündeme getirmektedir.
DÜ ile ilgili koruma konuları;
Kısa Devre Gücü ve Kısa Devre Akımı o Genlik
o Yön
Tekrar Kapama Ada ÇalıĢma
29
3.1.1. Kısa devre gücü ve kısa devre akımı
Akım ve güç açısından arızaların etkisi arıza akımı seviyesiyle anlaĢılır. Arıza akımı seviyesini ise arıza türüne bağlı olarak thevenin eĢdeğerindeki sistemin iç empedansı belirler. Dağıtım Ģebekesindeki DÜ bu empedansı azaltıcı etki gösterir. Empedansın azalması arıza akımı seviyesini artıracaktır. Yani arıza akımının genliği değiĢecektir. Dağıtım Ģebekesi pasif olarak tasarlanmıĢtır. DÜ‟ nün varlığı arıza ve yük akımlarının akıĢ yönünü de değiĢtirebilecektir. Bu durum arızanın olduğu yere DÜK‟nın büyüklüğüne ve bağlandığı yere göre değiĢmektedir.
ġekil 3.1‟de 7 baralı ve terminal 6‟da bir adet DÜK olan bir sistem görülmektedir. ġekildeki sistem üzerinde terminal 3‟te oluĢturulan üç-faz kısa devre arızası hem Ģebeke tarafından ve hem de generatör tarafından beslenmektedir. DÜK‟nın sisteme bağlanmasıyla arıza akımının genliğinin 1,78 kA arttığı ve yönünün de değiĢtiği görülmektedir.
30
Bütün bu durumlar DÜK‟ nın varlığıyla ortaya çıkmakta ve röle koordinasyonunu biraz daha karmaĢık hale getirmektedir.
3.1.2. Tekrar kapama
Dağıtım Ģebekesinin yapısı gereği kısa devre arızalarının büyük çoğunluğu geçicidir. Bunda ise atmosferik ve doğal olayların etkisi fazladır. Örneğin bir kuĢ konması yada yıldırım anındaki izolatörler arası atlamalar faz arası kısa devrelere yol açmaktadır[25]. Bu tür geçici arızaların giderilmesinde tekrar kapama çok etkili bir arıza giderme yöntemi olarak karĢımıza çıkmaktadır.
Tekrar kapama iĢleminde, öncelikle kısa devre arızası durumunda rölenin yönlendirmesi ile kesiciler açmaktadır. Arıza esnasında oluĢmuĢ olan ark, enerji kesilmesi neticesinde beslenemeyeceği için sönecektir. Arkın sönmesinden sonra tekrar kesici kapatılarak arıza temizlemesi gerçekleĢtirilmektedir.
Tekrar kapama, geçici arızaların giderilmesi amacıyla kullanıldığından yalnızca hat koruyucu rölelerin açtırmalarında yararlıdır. Genellikle de bir hızlı ve iki gecikmeliden oluĢan ardıĢık tekrar kapamalar, tüm geçici arızaların temizlenmesinde yeterlidir.
ġebekede çalıĢan bir DÜK olması tekrar kapama sistemlerinin çalıĢmasını etkileyecektir. Sistemde oluĢacak bir kısadevre arızası durumunda kesiciler açsa da DÜK devrede olduğu için kısadevre arızası beslenmeye devam edecektir. Bu da oluĢan arkın sönmeden devam etmesine sebep olacaktır. Tekrar kapama arızanın giderilmesini sağlamayacaktır.
Kısa devre arızası durumunda tekrar kapamanın baĢarılı olması için hızlı açma süresinden önce DÜK devre dıĢı bırakılmalı ki açma durumunda arızayı beslemeyerek arkın sönmesi sağlanmıĢ olsun. Burada iki çeliĢkili durum olasılığı mevcuttur.
Çoğu Ģebekede 12-18 döngüde açma yapan “ani” diye adlandırılan tekrar kapama sistemleri kullanılmaktadır. Bu türler müĢterilerin enerji kalitesi
