Mikroşebekeler ve Uygulamaları

(1)

Mikroşebekeler ve Uygulamaları

Ders 7

Bahar 2015

(2)

Mikroşebekelerde Koruma

(3)

Mikroşebekelerde Koruma

Mikroşebekenin çalışma modlarına göre öncelik ve stratejiler farklıdır.

Şebeke ile birlikte çalışma durumunda ekonomik açıdan optimum işletme önemli iken, ada modunda sürekli ve

güvenilir kaynak sağlamak veya gerektiğinde sadece hassas yükleri beslemek.

(4)

Mikroşebekelerde Koruma

Dağıtık üretim (DÜ) ünitelerin doğrudan şebekeye bağlanmasından farklı olarak mikroşebeke iki koruma kriterini sağlamak zorundadır;

• Şebekeye bağlanma söz konusu olduğunda şebekenin bağlantı gereksinimleri, uygun IEEE standartları

(senkronizasyon)

• Mikroşebekenin güç kalitesini korumak adına şebekedeki bozulmalar karşısında ada moduna geçiş gereksinimleri (ada tespiti)

(5)

Mikroşebekelerde Koruma

Mikroşebekenin herhangi bir arıza durumunda kararlı

çalışmasını sürdürebilmesi için halledilmesi gereken başlıca iki konu;

• Belli arızalarda mikroşebekenin hangi anlarda ada moduna geçeceğini belirlemek

• Ada modundaki mikroşebekeyi bölgelere ayırmak ve bunlar arasında başarılı arıza koruma koordinasyonu sağlamak

(6)

Mikroşebekelerde Koruma

Özellikle inverterlerden dolayı mikroşebekelerde koruma klasik dağıtım sisteminkilerden biraz farklıdır:

• İnverterlerin karakteristikleri mevcut koruma

ekipmanlarının karakteristiklerinden farklı olabilir

• İnverterler farklı tasarlandığından tek bir karakteristiğe sahip değiller

• Sistem tarafından görülen inverterin temel

karakteristikleri tasarım ve uygulamaya bağlı olarak

(7)

Mikroşebekelerde Koruma

İnverterler düşük arıza akımına sahip olduğundan koruma sistemindeki aşırı akım rölelerin çalışmasını etkilemektedir.

Yavaş çalışma veya hiç çalışmama söz konusu olabilir.

(8)

Mikroşebekelerde Koruma

Şebekeden bağımsız çalışan mikroşebekenin güvenlikli ve güvenilir biçimde çalışabilmesi için koruma sisteminin

sağlaması gereken koşullar;

• Uygun topraklama yapılmalıdır

• Arıza tespit cihazları şebekeye bağlı çalışmadaki arıza tespit sistemi ile uyumlu olmalıdır

• Düşük arıza akımını tespit edecek bir sistem kullanılmalı

• Kararsızlığı veya DÜ ünite kaybını önlemek üzere ada çalışma tespiti metotları incelenip gerekirse modifiye edilmeli

(9)

DÜ lerin Şebeke Bağlantı Standartı (IEEE 1547)

Dağıtık üretimin güç sistemlerine entegrasyonu ile ilgili kriter ve gereksinimleri belirleyen IEEE 1547 standardı, şebeke bağlantılı çalışma için gerilim, frekans ve harmoniğin nominal değerleri düzenlemektedir.

(10)

DÜ lerin Şebeke Bağlantı Standartı (IEEE 1547)

IEEE-1547 standardı uyarınca şebeke gerilimi

kesildiğinde DÜ birimleri de enerji üretimlerini kesmek zorundadırlar.

Özellikle güvenlik ve koruma ile ilgili çekincelerden dolayı gerçekleştirilen bu uygulama ada çalışma

biçimine izin vermemektedir.

(11)

Ada Çalışma

Ada çalışma (islanding) en az bir DÜ biriminin şebekeye bağlı

olmaksızın lokal yükleri beslemeye devam ettiği bir işletme durumudur.

(12)

Ada Çalışma

Planlı ada çalışmaya geçiş (intentional islanding)

• Şebeke gerilimindeki kötü kalite

• Talep tarafı yönetimi kapsamındaki talepler

• ...

Plansız ada çalışmaya geçiş (unintentional islanding)

• Şebekedeki açmalar

• Standartların dışındaki gerilim ve frekans değişimleri

(13)

Ada Çalışma Tespiti

Ada çalışmanın tespitine yönelik birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem ve teknikler DÜ birimi seviyesinde gerçekleşmiştir.

İlk olarak PV inverter endüstrisinde bu konuda çalışmalar yapılmıştır.

(14)

Ada Çalışma Tespiti

(15)

Ada Çalışma Tespiti

Uzak teknikler

Şebeke ile DÜ birimleri arasındaki haberleşmeye dayalıdırlar.

Ada çalışmayı en üst düzeyde doğrulukla tespit etmekle birlikte pahalı ve haberleşmeye dayalı olduklarından

güvenilirlik açısından dezavantajlı çözümlerdir.

(16)

Ada Çalışma Tespiti

Yerel Teknikler Pasif yöntemler;

Gerilim ve frekansta meydana gelen değişim seviyeleri dikkate alınır.

Oldukça basit ve ucuz olmasına karşın, bazı işletme şartlarında doğru tespit yapamamaktadır.

(17)

Ada Çalışma Tespiti

Yerel Teknikler Aktif yöntemler;

Sisteme enjekte edilen bozucu unsurların gerilim ve akım gibi büyüklükler üzerinde meydana getirdiği etkiler

dikkate alınır.

Doğruluk oranları çok daha yüksek olmakla birlikte daha karmaşık yapıdadırlar.

(18)

Ada Çalışma Tespiti

Ada durumunun doğru, zamanında ve etkili biçimde tespit edilmesi büyük oranda ada çalışma tespit metotlarının

(IDM) performansı tarafından belirlenir.

Bu performanslar ;

Tespit edilemeyen bölge (NDZ), Tespit zamanı,

Hatalı tespit,

(19)

Tespit Edilemeyen Bölge

IDM lerin ada çalışmayı tespit edememesinin başlıca nedeni tespit edilemeyen bölgelerdir.

Pasif IDM lerde NDZ ler güç farklılığı ile tanımlanır.

Aktif metotlarda ise genellikle yük parametreleri ile tanımlanırlar.

(20)

Tespit Edilemeyen Bölge

Güç Farklılığı (Power mismatch)

Ada çalışmada durumunda ortak bağlantı noktasındaki (PCC) gerilim ve frekans değişimi DÜ çıkışı ve yük

arasındaki güç farklılığı ile bağlantılıdır.

(21)

Tespit Edilemeyen Bölge

Ada çalışmayı tespit etmek için gerilim ve frekansda

normal sınırların aşılmasına neden olamayan ΔP and ΔQ güç farklılıkları aralığı NDZ alarak adlandırılır.

V ile V ve f ile f sırasıyla gerilim ve frekansdaki Q_f: Kalite faktörü (Q/P)

(22)

Tespit Edilemeyen Bölge

Seri ve paralel rezeonans devrelerinde kalite faktörü Q_f=

Q_f=

(23)

Tespit Edilemeyen Bölge

(24)

Tespit Zamanı

Mikroşebekenin ada çalışmaya geçtikten sonra tespit edilinceye kadar geçen süredir.

ΔT = T_IDM –T_trip

(25)

Hatalı Tespit

Mikroşebeke şebekeye bağlı iken ada IDM tarafından çalışma olarak tespit edilmesi hatalı tespit olarak

adlandırılır. Yük değişimleri ve diğer etkiler gerilim veya frekans gibi ölçülen parametrelerin limitleri aşmasına ve hatalı tespite neden olurlar.

Hatalı tespit oranı

E = N_hatalı / ( N_hatalı+N_doğru)

(26)

Güç Kalitesi

Sisteme bozucu etki ilave edilmesine dayalı IDM

metotları NDZ leri düşürmesine karşılık çıkış gücünü bozması ve dolayısıyla güç kalitesini olumsuz etkilemesi kaçınılmazdır.

(27)

Kritik Konular

IDM lerin performanslarının geliştirilmesi birbirlerini

etkileyen sorunlara neden olabilir. Örneğin ada tespiti için eşik değerlerin düşük seçilmesi tespit zamanını kısaltabilir, ancak sistem transientleri esnasında yanlış tespitlere neden olabilir. Ya da eşik değerlerin büyük seçilmesi yanlış tespit oranını düşürmesine karşın NDZ yi büyütür ve tespit

zamanını yavaşlatabilir.

Aktif metotlarda ise NDZ nin küçültülmesi ve güç

(28)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

1.Üst/alt gerilim ve üst/alt frekans (OUV/OUF)

Gerilim ve frekans için izin verilebilir aralıkların belirlenmesi esasına dayalıdır. Gerilim ve frekanstaki değişim büyük

oranda mikroşebekenin şebekeden ayrılmasından sonraki güç farklılığından kaynaklanır.

Maliyeti az ve güç kalitesine etkisi olmamakla birlikte NDZ büyük ve tespit zamanını tahmin etmek zordur.

(29)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

2.Gerilim ve Akım Harmonik Tespiti (HD)

PCC noktasındaki toplam harmonik bozulmanın (THD) ölçülmesi esasına dayalıdır.

45 ms nin altında tespit hızına sahiptir ve çoklu DÜ birimlerinin olması durumunda da etkilidir.

Ancak eşik değerinin belirlenmesi oldukça zordur.

(30)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

3.Frekans Değişim Oranı (ROCOF)

Frekansdaki df/dt değişimi birkaç döngü boyunca ölçülür ve belirlenen eşik değeri aşması durumunda ada çalışma tespit edilir.

OUV/OUF metodundan daha duyarlı ve hızlıdır. Ancak yük değişimlerine aşırı duyarlı olduklarından değişimi fazla

olmayan yükler için uygundur.

(31)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

4.Güç Frekans Değişim Oranı (ROCOFOP)

∂f/∂P_L değerinin ölçümüne dayalıdır. P_Lyük değeridir.

Yüksek güvenilirliğe, düşük hata oranına ve ROCOF metoduna göre daha küçük NDZ ye sahiptir.

Yaklaşık 100 ms tespit hızı olan bu yöntem küçük güç dengesizliği olan mikroşebekelerde etkili biçimde

kullanılabilir.

(32)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

5.Güç Çıkışı Değişim Oranı (ROCOP)

DÜ çıkış gücündeki değişimin (dP/dt) tespit edilmesine dayalıdır. Aynı yük değişimi karşısında ada modundaki mikroşebekede ölçülen dP/dt değeri şebekeye bağlı durumdaki dP/dt değişiminden daha büyüktür.

(33)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

6.Faz Atlama Tespiti (PJD) Bu yöntem inverterin

gerilim ve akımı arasındaki faz atlamasının ölçülmesi esasına dayalıdır.

Motor gibi yük anahtarlaması olaylarından etkilendiğinden eşik değer belirlemek zordur.

(34)

Pasif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

7.Gerilim Dengesizliği (VU)

Şebekeden ayrılma sonrası topoloji değiştiğinden DÜ çıkışı gerilimindeki dengesizlik değişir. Gerilim dengesizliği

aşağıdaki gibi tanımlanmıştır VU_t=NS_t/PS_t

burada NS_t ve PS_t sırasıyla gerilimin t anındaki pozitif ve negatif bileşenlerinin genliklerini ifade eder.

Bu metot motor çalışması ve kapasitör banklarının sık sık devreye girip çıkması gibi durumlarda etkilidir.

(35)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

1.Aktif Frekans Sapması (AFD) Bu yöntem inverter tarafından PCC noktasında enjekte edilen akımı kısmen bozulması esasına dayalıdır. Uygulaması kolay ve rezistif yük için NDZ küçüktür.

Çoklu inverterde yanlış tespit olabilir.

Chopping fraction:

(36)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

2.Frekans Atlaması (FJ)

AFD yönteminin akım dalga şekline ölü bölgeler eklenerek modifiye edilmiş halidir. Ancak bu bölgeler her döngüye değil örneğin 3 döngü gibi belli aralıklarla eklenir.

(37)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

3.Pozitif Geribeslemeli Aktif Frekans Sapması (AFDPF) AFD nin zayıflıklarını gidermek amacıyla geliştirilmiştir.

Frekansdaki sapmayı arttırmak için pozitif geribesleme kullanılır.

cf_k , k. döngüdeki chopping fraction

Güç kalitesini bir miktar olumsuz etkiler.

(38)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

4.Sandia Frekans Yer Değiştirmesi (SFS)

Pozitif geribesleme inverter gerilim frekansı için uygulanır.

Chopping fraction değeri

burada K hızlandırma kazancıdır

Diğer aktif metotlarla kıyaslandığında en küçük NDZ ye sahiptir.

(39)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

5.Sandia Gerilim Yer Değiştirmesi (SVS)

SFS metoduna benzemektedir. PCC noktasındaki gerilime pozitif geribesleme uygulanarak inverterin çıkış akımı ve gücü değiştirilir. Şebeke olmadığında güç değişikliği

gerilimin değişmesine neden olur.

İnverterin MPPT algoritmasını etkileyerek verimini düşürür.

(40)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

6.Kayan Mod Frekans Yer Değiştirmesi (SMS) SMS PCC noktasındaki gerilim

fazını değiştirmek için pozitif geribesleme uygular. İnverterin akım-gerilim faz açısı aşağıdaki gibi set edilir.

burada f nominal frekansdır.

(41)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

6.Kayan Mod Frekans Yer Değiştirmesi (SMS)

Uygulaması kolay ve genel olarak NDZ küçüktür. Çoklu

inverter sistemlerinde etkilidir. Kalite üzerinde ve sistemin geçiş kararsızlığı üzerinde olumsuz etkisi vardır

(42)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

7.Aktif ve Reaktif Güç Değişimi

Bu metotta İnverter tarafından verilen gücün değiştirilerek gerilim ve frekansdaki değişim izlenir. Ada modunda iken

DG ve yük arasında aşağıdaki güç dengesi vardır.

Ada modu gerilimin eşik değeri geçmesi ile tespit edilir.

NDZ küçük olmasına karşın çoklu inverter durumunda yanlış tespit yapılabilir.

(43)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

8.Negatif Bileşen Akım İlavesi

İnvertere negatif akım bileşeni enjekte edilerek PCC noktasındaki gerilimin negatif bileşeni üzerindeki etkisi ölçülür.

(44)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

9.Empedans Ölçümü

İnverterin çıkış akımı değiştirilerek, gerilimde meydana getirdiği değişim ölçülür. dv/di ölçümü inverter tarafından görülen empedans değerini vermektedir. NDZ çok küçük olmasına karşın empedans değeri için eşik değer belirlemek oldukça zordur. Ayrıca çoklu inverter durumunda, şayet

hepsi senkron değilse yanlış karar verilmesi ile sonuçlanabilir.

(45)

Aktif Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

10.Belirli Frekanstaki Empedans Tespiti

Harmonik tespiti yönteminin özel bir durumudur. Belirli bir frekansta harmonik enjekte edilerek PCC noktasındaki

gerilim değişimi ölçülür. Transformatör gibi bazı ekipmanların yanlış çalışmasına neden olabilir.

(46)

Uzaktan Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

1.Enerji Hattı Üzerinden Haberleşme (PLCC)

Şebeke tarafındaki iletici (T) tarafından üretilen sinyal hat üzerinden mikroşebeke tarafındaki alıcıya (R) iletilir. Ada modunda bu sinyal kesilir. Az sayıda DG içeren sistemler için pahalı bir çözüm.

(47)

Uzaktan Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

2.Ayrılma Sinyali (SPD)

PLCC metoduna benzer, ancak sinyal iletimi mikrodalga, telefon hattı veya diğer biçimlerde olabilir.

(48)

Uzaktan Ada Çalışma Tespit Yöntemleri

3.Denetsel Kontrol ve Veri Toplama (SCADA)

Şebekedeki kesicilerin kontak bilgilerini ve ana şebekenin durumunu izleyerek, ilgili DG ünitelerine bilgi gönderir.

Tespit hızı nispeten yavaştır, özellikle yoğun sistemlerde.