Akıllı Şebeke Sisteminin Anadolu Üniversitesi Mühendislik Fakültesi için Matlab/Simulink Ortamında Modellenmesi

Transkript

1 Akıllı Şebeke Sisteminin Anadolu Üniversitesi Mühendislik Fakültesi için Matlab/Simulink Ortamında Modellenmesi Modeling of Smart Grid System for Engineering Faculty of Anadolu University in Matlab/Simulink Özge Ayvazoğluyüksel Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Anadolu Üniversitesi Eskişehir, Türkiye Ümmühan Başaran Filik Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Anadolu Üniversitesi Eskişehir, Türkiye Özetçe Günümüzde elektrik üretimi, kaynakları fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğalgaz) olan büyük merkezi güç üretim istasyonları aracılığıyla sağlanmakta ve bu kaynakların kullanımı çevre kirliliği ve küresel ısınma gibi önemli problemlerin ortaya çıkmasına sebep olmaktadır. Elektrik üretiminde hidrokarbon bağımlılığını azaltmak için, alternatif enerji kaynakları dünyada büyük önem kazanmaktadır. Özellikle, güneş ve rüzgâr enerjisi kaynakları, çevresel etkilerinin en az olması ve hava kirliliğine neden olmaması nedeniyle oldukça dikkat çekmektedir. Bu kaynakların şebekeye entegrasyonu ile elde edilen akıllı şebeke sistemlerinde, kurulan çift yönlü haberleşme mekanizması sayesinde tüketiciler aynı zamanda üretici konumuna geçmektedir, böylece hem üretici hem de tüketici güç tüketimini kontrol yetkisine sahip olmaktadır. Bu çalışmada, Anadolu Üniversitesi (A.Ü.) Mühendislik Fakültesi için Matlab/Simulink ortamında örnek bir akıllı şebeke modeli oluşturulmuştur. Bu sistem ile şebeke ve binalar arasında çift yönlü yük akışı sağlanmış, böylece enerji verimliliği arttırılarak temiz enerji ve yeşil bina olanaklarının genişletilmesi hedeflenmiştir. Elde edilen sonuçlar grafikler hâlinde sunulmuştur. Anahtar Kelimeler Akıllı Şebekeler; Güneş Enerjisi; Modelleme Abstract Nowadays, electricity production is provided by large-scaled central power production stations that have sources of fossil fuels (coal, oil, natural gas) and using these sources cause some important problems to occur such as environmental pollution and global warming. To reduce hydrocarbon dependency in electricity production, alternative energy sources are becoming more important in the world. Especially, wind and solar energy sources call much attention due to having the least environmental effects and not causing weather pollution. In smart grids which are obtained by integration of these sources to grid, consumers are also producers with the help of setting up two way communication mechanism, so both consumer and producer have authority to control power consumption. In this study, an example of smart grid model is obtained in Matlab/Simulink for Engineering Faculty of Anadolu University (A.U.). With this system, two-way power flow is provided between grid and buildings, so clean energy and green building opportunities increase is aimed by improving energy efficiency. The achieved results are presented with graphs. Keywords Smart Grids; Solar Energy; Modelling I. GIRIŞ Güç sistemleri konusunda başarılı sonuçların ortaya çıkması, bu sistemlerin gittikçe karmaşıklaşan şartlar altında etkili bir şekilde uygulanabilirlik kazanması için yenilikçi sistemlerin geliştirilmesi ile sağlanacaktır. Haberleşme, bilgi teknolojileri, kontrol sistemleri gibi alanlarda yapılan çalışmalar ile elektrik şebekelerinin daha verimli, güvenli ve yönetilebilir olması yönündeki düşünceler akıllı şebeke kavramını doğurmuştur. Teknolojik ve sosyal gelişmeler sonucunda bireyin gündelik yaşamında enerjiye olan bağımlılığının artması, dünya nüfusunun artışı ile birlikte fosil yakıta dayalı enerji

2 rezervlerinin azalması, yoğun sanayileşmenin ve verimsiz enerji tüketiminin çevresel etkilerinin görülmeye başlaması gibi etmenler akıllı enerji yönetimini zorunlu kılmaktadır [1]. Akıllı şebekeler, haberleşme ve bilgi teknolojilerinin elektrik güç sistemlerine entegrasyonunu sağlayarak performansı arttırmaktadır. Bu sistemler, üretici ve tüketici arasında gerçek zamanlı haberleşme ve kontrol platformu sağlayarak enerji kullanımının çevresel, mali ve teknik konular açısından optimize edilmesine olanak vermektedir [2]. Akıllı şebeke tasarımları, birbiriyle bağlantılı düğüm noktalarının veri entegrasyonu ve analizi ile birlikte gözlemlenebilirlik özelliğine sahip olması açısından sistem uygulaması ve kontrolüne büyük katkı sağlamaktadır. Bu bakımdan kendi kendini yönetebilen, güvenilir akıllı şebekeler, güç sistemlerinin geleceğini oluşturmaktadır [3]. Bu çalışmada, Eskişehir A.Ü. Mühendislik Fakültesi için Matlab/Simulink ortamında SimPowerSystems blokları kullanılarak; trafolar, akıllı ölçerler, elektrik iletim hatları gibi bileşenler ile örnek bir akıllı şebeke sistemi oluşturulmuştur. Bu sayede üretici ve tüketici arasında kurulan çift yönlü yük akışı ile enerjinin kullanımı ve iletimi konusunda gelişmeler sağlanmış, enerji verimliliği arttırılmıştır. Çalışmada, binaların ihtiyaç duyduğu enerji hem şebekeden hem de güneş panellerinden elde edilmiştir. Binalardaki tüketimin az olduğu durumda fazla olan enerji şebekeye geri verilmiştir. Benzer şekilde güneş panelleriyle üretilen elektriğin yetersiz kaldığı durumda ihtiyaç duyulan enerji şebekeden karşılanmıştır. Böylece arz ve talep enerji ilişkisine ve tüketicilerin kişisel enerji ihtiyaçlarına, güneş enerjisinin kullanımı ile yanıt verme imkanı sağlanarak sistem daha akıllı bir hâle getirilmiştir. Benzer bir çalışma Texas Austin Üniversitesi nde Pecan Street projesi kapsamında gerçekleştirilmektedir [4]. II. METHOD Çalışmada kullanılacak yazılımın, kayıt edilmiş verinin entegrasyonuna ve etkin biçimde kullanılmasına uygun olması büyük önem taşımaktadır. Çalışmanın amacı ve tasarlanacak model göz önünde bulundurulduğunda yazılım aracı olarak Matlab/Simulink kullanılmasına karar verilmiştir. Oluşturulmak istenen modelde her noktadaki gerilimin ve her trafoya giren yük akışının görüntülenmesi hedeflenmiştir. Bu sebeple en uygun simülasyon tipi zaman alanında yük akışı olarak belirlenmiştir. Bu simülasyon tipi, kullanıcı tanımlı zaman aralıkları içerisinde seri yük akışı probleminin çözümünü üretmektedir [5]. Bu çalışmada, 1 dakika zaman aralıklarında elde edilen veri kullanılarak bir gün içerisinde toplam 1440 tane yük akış çözümü sağlanmıştır [6]. Elde edilen yük akışı simülasyonu ile seri yük çözümleri üretmekle birlikte istenilen zaman aralıklarında sistemin durum değişikliklerinin görüntülenmesi sağlanmaktadır. Çalışmada, binaların tüketimi için gerekli olan enerji hem şebekeden hem de güneş panellerinden sağlanmıştır. A.Ü. Mühendislik Fakültesi nin bir dakika aralıklarla kayıt altına alınmış günlük enerji tüketimi A.Ü. Yapı İşleri ve Teknik Daire Başkanlığı ndan elde edilmiştir. İleride kurulması planlanan güneş paneli sisteminden elde edilecek veriler ise daha önce kurulu olan panel sisteminin kayıtlı verileri ve bölgenin güneşlenme süresi göz önünde bulundurularak tahmin yoluyla akıllı şebeke sistemine entegre edilmiştir. Şebeke güç talebi elde edilirken herhangi bir kontrol mekanizması kullanılmamıştır. Binaların tükettiği toplam enerji miktarından, güneş panelleri ile üretilecek güneş enerjisi miktarı çıkarılarak şebekeden talep edilen ya da şebekeye verilen toplam güç değeri (1) ve (2) eşitlikleri kullanılarak belirlenmiştir. P tüketim = P şebeke + P güneş (1) P şebeke = P tüketim P güneş (2) Sadece aktif güç üretimi sağlayabilen, reaktif güç üretimi sağlayamayan fotovoltaiklerin sisteme entegre edilmesiyle birlikte aktif güç talebini düşürmesi beklenmektedir. Bu durum, elde edilen tasarım sayesinde sistemin kurulumu ve simülasyonların yapılması ile doğrulanmıştır. III. TASARIM Çalışmanın ilk kısmında, A.Ü. Mühendislik Fakültesi ne ait güç istasyonu, trafo, yük ve iletim hatları ile ilgili bilgiler Osmangazi Elektrik Dağıtım A.Ş. (OEDAŞ) tarafından sağlanmıştır. Bölgenin uydu görüntüsü Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1. A.Ü. Mühendislik Fakültesi Uydu Görüntüsü

3 Tablo 1. A.Ü. İki Eylül Kampüsü Trafo Bilgileri Tablo 2. A.Ü. İki Eylül Kampüsü İletim Hatları Bilgileri A.Ü. İki Eylül Kampüsü nde bulunan trafolara ve iletim hatlarına ait özellikler Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmiştir. Elde edilen alt yapı bilgilerine göre A.Ü. İki Eylül Kampüsü nde 12 adet dağıtım trafosu bulunmaktadır. Bölgede mevcut bulunan trafolardan güç değerleri 630 kva ve 1000 kva olan iki adet trafo Mühendislik Fakültesi ne dağıtım yapmaktadır. Model tasarımında kullanılacak bilgilerin elde edilmesi ile birlikte A.Ü. Mühendislik Fakültesi için tasarlanan örnek akıllı şebeke Matlab/Simulink modeli Şekil 2 de verilmiştir. Modelde, güç istasyonlarından elde edilen enerji, modelin en solundaki blok ile sisteme sağlanmaktadır. Benzer şekilde bölgede mevcut bulunan yük değeri en sağda bulunan blokla tasarıma eklenmiştir. Ele aldığımız tüketim ve fotovoltaik üretim kapasiteleri sisteme entegre edilmiştir. Böylece modelde yer alan iki trafo kendilerine bağlı iki ayrı bölgenin yerleşimsel üretim ve tüketim profilleri kullanılarak yüklenmiştir. Bu trafoların çıkışlarına osiloskoplar bağlanarak çıkış güç değerleri gözlemlenmiştir. Osiloskop blokları modelde görüntülenmek istenen herhangi bir yere yerleştirilebilir. Tasarımda bulunan osiloskoplar sistemin durumunu görüntüleyerek akım ve gerilim tahmini yapabilmek adına önem taşımaktadır. Kayıt edilmiş verinin tasarlanan model ile simülasyonu, şebekenin herhangi bir noktasındaki durum tahmininin oldukça doğru bir şekilde yapılmasını sağlamaktadır. Fotovoltaiklerin dağıtım trafoları üzerindeki etkisi, bölgeden elde edilen veri ile gözlemlenebilir. Bu veri hem yerleşimsel tüketim hem de üretim (fotovoltaik) yük profillerinin modele entegrasyonu ile sağlanmaktadır. Tasarlanan model, bu yük profillerini şebekenin her noktasındaki gerilim, akım, aktif güç, reaktif güç ve güç faktörünü tahmin etmek için kullanabilmektedir [6]. Toplanan bu bilgi, model ile birlikte sistem durumunun düşük maliyetle hızlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlayabilmektedir [7]. Şekil 2. A.Ü. Mühendislik Fakültesi Örnek Akıllı Şebeke Modeli [6]

4 IV. SIMULASYON Şekil Bölgenin Üretim ve Tüketim Profili Şekil Bölgenin Üretim ve Tüketim Profili Tasarımın tamamlanması ile birlikte simülasyon sonuçları grafikler ile elde edilmiştir. 630 kva ve 1000 kva güç değerlerine sahip trafolar için elde edilen yerleşimsel üretim- tüketim yük profilleri Şekil 3 ve Şekil 4 te gösterilmektedir. Bu profiller 1 dakika zaman aralıklarında kayıt altına alınan veriler ile elde edilmiştir. Bu grafiklere göre 24 saatlik zaman süresinde maksimum tüketim ve üretim değeri yaklaşık olarak 150 kw dir. Güneş paneli sisteminden sadece gündüz vakitlerinde enerji elde edileceği ve bu enerjinin öğle saatlerinde maksimum değerde olacağı güneş enerjisi veri tahmini yaparken dikkate alınmıştır. Panellerle elde edilen enerjinin binalarda tüketilen enerjiden fazla olması durumunda şebeke güç talebinin negatif olduğu görülmektedir. Bu durum şebekeden enerji almak yerine şebekeye enerji verildiğini, böylece tüketiciden üreticiye doğru bir yük akışının olduğunu göstermektedir. Fotovoltaik entegrasyonu öncesi ve sonrası trafolardaki toplam yük akışı Şekil 5 ve Şekil 6 da gösterilmiştir. Güneş enerjisi üretiminin olmadığı saatlerde binaların ihtiyaç duyduğu enerjinin tamamı şebekeden karşılanmaktadır. Bu saatlerde fotovoltaiklerin şebekeye bir etkisi olmadığı için Şekil 5 ve Şekil 6 da trafolardaki toplam yük akışının aynı olduğu görülmektedir. Fotovoltaik üretiminin enerji ihtiyacından daha fazla olduğu saatlerde ters yönde bir yük akışının gerçekleştiği ve maksimum yaklaşık olarak 50 kw lık enerjinin binalardan şebekeye geldiği gözlemlenmektedir. Bu şekilde oluşan çift yönlü yük akışı sayesinde gün içerisinde enerji kullanımının en yoğun olduğu saatlerde enerjinin etkin bir şekilde kullanımı sağlanmaktadır. Şekil 5. Fotovoltaik Entegrasyonu Öncesi Trafoların Toplam Yük Akışı Şekil 6. Fotovoltaik Entegrasyonu Sonrası Trafoların Toplam Yük Akışı

5 V. SONUÇ Şebekelerde çift yönlü yük akışının sağlanması tek yönlü akışa göre (kaynaktan yüke) dağıtım verimliliğini arttırmakla birlikte gerilim desteği sağlamakta ve üretim istasyonu tarafındaki talebi azaltmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları ve akıllı şebeke sistemleri konusunda gerekli alt yapı araştırmalarının yapılmasıyla birlikte sistem modeli Matlab/Simulink ortamında elde edilmiştir. A.Ü. Mühendislik Fakültesi ne ait verilerin modele entegre edilmesi ve simülasyonların tamamlanması sonucunda çift yönlü yük akışının sağlanması ile birlikte enerji verimliliğinin arttırıldığı gözlemlenmiştir. Daha ileriki çalışmalarda, A.Ü. Mühendislik Fakültesi ne güneş paneli sisteminin kurulumu ile birlikte Matlab/Simulink ortamında oluşturulan tasarımın hayata geçirilmesi amaçlanmaktadır. Sonuç olarak, örnek bir akıllı şebeke simülasyon uygulamasının elde edilmesi, bu çalışmanın ileride gerçek zamanlı uygulama olanağı bulabilmesi adına önem taşımakla birlikte ülkemizde de bu konuda yapılan çalışmalara katkı sağlaması hedeflenmektedir. KAYNAKÇA [1] Akçin, M., Kaygusuz, A., Akıllı Şebekelerde Kontrol ve Haberleşme: Günümüzden Geleceğe Fırsatlar, Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, Malatya [2] Salehi, V., Laboratory-Based Smart Power System, Part I: Design and System Development, Smart Grid IEEE Transactions, September, 2012 [3] Farhangi, H., The Path of the Smart Grid, Power and Energy Magazine, IEEE, January-February, 2010 [4] Edgar, T. F., Utility of the Future Vision, Pecan Street Project [5] Kang, C. and Yuan, L., A Power Flow Solution by Newton- Raphson and Time Domain Simulation, School of Mathematical and Computer Sciences, China [6] Uriarte, M. and Hebner, R. E., Impact of Residential Photovoltaic Generation and Electric Vehicles on Distribution Transformers, Center for Electromechanics, April 08, 2013 [7] Mclean, A. J., Smart Grids in the City:Splintering Urbanism in a Smart Urban Future, Durham Unversity, 2013