T. C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ MÜHENDİSLİK E FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DAĞITIM SİSTEMLERİ İÇİN YENİ BİR GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASININ GELİŞTİRİLMESİ Ulaş EMİNOĞLU DOKTORA TEZİ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GEBZE 7
T. C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ MÜHENDİSLİK E FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DAĞITIM SİSTEMLERİ İÇİN YENİ BİR GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASININ GELİŞTİRİLMESİ Ulaş EMİNOĞLU DOKTORA TEZİ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI TEZ DANIŞMANI Yrd. Doç. Dr. M. Hakan HOCAOĞLU GEBZE 7
DOKTORA JÜRİ ONAY FORMU GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ G.Y.T.E. Mühendilik ve Fen Bilimleri Entitüü Yönetim Kurulu nun 11/6/7 tarih ve 7/ ayılı kararıyla oluşturulan jüri tarafından 11/7/7 tarihinde tez avunma ınavı yapılan Ulaş EMİNOĞLU nun tez çalışmaı Elektronik Mühendiliği Anabilim Dalında DOKTORA tezi olarak kabul edilmiştir. JÜRİ ÜYE (TEZ DANIŞMANI : Yrd. Doç. Dr. M. Hakan HOCAOĞLU ÜYE : Prof. Dr. Mehmet TÜMAY ÜYE : Doç. Dr. Oman KILIÇ ÜYE : Doç. Dr. Mutafa BAĞRIYANIK ÜYE : Yrd. Doç. Dr. Abdulkadir BALIKÇI ONAY G.Y.T.E. Mühendilik ve Fen Bilimleri Entitüü Yönetim Kurulu nun. tarih ve /.. ayılı kararı. İMZA/MÜHÜR FR//KP 7.1/Rev.1
iv ÖZET Tezin Başlığı :Dağıtım Sitemleri İçin Yeni Bir Güç Akışı Algoritmaının Geliştirilmei Yazar Adı :Ulaş EMİNOĞLU Dağıtım itemlerinin iletim itemlerinden farklı yapıya ahip olmaı ebebiyle iletim itemleri için kullanılan gelenekel Newton-Raphon, Gau-Seidel gibi güç akışı algoritmaları dağıtım itemlerinin güç akışı heabında yeteriz kalabilmektedir. Bu problem dağıtım itemleri için yeni güç akışı algoritmalarının geliştirilmei ihtiyacını doğurmuştur. Bu çalışmada dengeli ve dengeiz dağıtım itemleri için yeni bir güç akışı algoritmaı geliştirilmiştir. Ayrıca Yerel Enerji Üretim (YEÜ birimleri, üç-fazlı tranformatörler, ve gerilim regülatörleri gibi dağıtım itemleri elemanları için yeni modeller geliştirilerek güç akışı analizlerine dahil edilmiştir. Algoritma, geniş olarak kullanılan diğer güç akışı algoritmaları ile birlikte farklı dağıtım itemlerine uygulanarak performanı ve güvenirliği ınanmıştır. Sonuçlar, geliştirilen algoritmanın hızlı yakınama özelliğine ahip olduğunu, performanının farklı yüklenme durumu, hatların farklı R/X oranı ve farklı yük modelleri gibi item parametrelerinden çok az etkilendiğini götermektedir. Tezde on olarak, geliştirilen güç akışı algoritmaında gerilim heabı için kullanılan ifadeden yararlanarak dağıtım itemlerinde gerilim kararlılığı açıından kritik baranın belirlenmei amacıyla yeni bir kararlılık indeki geliştirilmiştir. Geliştirilen kararlılık indeki farklı itemler üzerinde tet edilerek elde edilen onuçlar diğer indeklerle elde edilen onuçlar ile karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler onucunda geliştirilen kararlılık indekinin güvenilir, dağıtım itemlerine kolaylıkla uygulanabilir olduğu ve güç akışı analizi dışında ektra uygulamalara ihtiyaç duymadığı görülmüştür. Bunun dışında itemin yüklenme durumundan, farklı yük modellerinden, farklı güç faktörü ve farklı gerilim eviyeinden etkilenmediği görülmüştür.
v SUMMARY Thei Title :Developing of a new power flow algorithm for radial ditribution ytem Writer Name :Ulaş EMİNOĞLU Due to different characteritic feature of the ditribution ytem from the tranmiion ytem, the conventional power flow algorithm uch a; Newton Raphon and Gau Seidel may become inefficient in the load flow olution of ditribution ytem. Thi problem required to develop new power flow algorithm for ditribution ytem. In thi paper, a new power flow algorithm ha been developed for balanced and unbalanced ditribution ytem. In addition, new modeling method for ditribution ytem component namely; Local Energy Generation Unit, three-phae ditribution tranformer and oltage Redulator have been developed and included to the load flow analyi. The performance and reliability of the developed load flow algorithm are evaluated on different ditribution ytem by comparing with other load flow algorithm which are widely ued for load flow analyi. Reult how that the developed algorithm ha fat convergence ability and it performance i le affected by ytem parameter uch a; different loading condition, line R/X ratio and load model. In the thei, finally, to obtain the critical bu of the ytem to the voltage collape a new voltage tability index i developed for radial ditribution ytem by making ue of the formulation which i ued for the voltage calculation in the developed load flow algorithm. Developed tability index i teted on the different tet ytem and the obtained reult are compared with the reult of other tability indice. It i een from the analye that the developed tability index i robut and it can eaily be implemented to the radial ditribution ytem, and doe not require an extra work on the ytem except load flow analyi, and can eaily be applied to the radial network. It i alo een that the propoed index i not affected from the different loading condition, load model, load power factor and voltage level of the ytem
vi TEŞEKKÜR Bu çalışmada danışmanlığı yürüten ve benden hiç bir zaman yardımını eirgemeyen değerli hocam Yrd. Doç. Dr. M. Hakan HOCAOĞLU na, Çalışma üreince bana detek olan değerli hocalarım Doç. Dr. Oman KILIÇ ve Yrd. Doç. Dr. Abdulkadir BALIKÇI ya, Her zaman yanımda olan değerli Araştırma Görevlii arkadaşlarıma, Bana her zaman detek olan ve güvenen değerli Aileme, Doktora eğitimi için beni tevik eden ve bana güvenen Niğde Üniveritei Elektrik-Elektronik Mühendiliği Bölümü nün değerli Öğretim Elemanlarına, Gebze Yükek Teknoloji Entitüü ne, değerli Peroneline ve diğer yardımcı olan tüm arkadaşlarıma onuz teşekkür ederim.
vii İÇİNDEKİLER DİZİNİ Sayfa ÖZET iv SUMMARY v TEŞEKKÜR vi İÇİNDEKİLER DİZİNİ vii SİMGELER E KISALTMALAR DİZİNİ x ŞEKİLLER DİZİNİ xi TABLOLAR DİZİNİ xiv 1. GİRİŞ 1 1.1. Konu Hakkında 1.. Tezin Amacı ve Sınırları 6 1.3. Tezin Bölümleri 7. DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ AKIŞI ANALİZİ 1.1. Giriş 1.. Gelenekel Güç Akışı Algoritmaları 11..1. Gau-Seidell Metodu 11... Newton-Raphon Metodu 1..3. Fat-Decoupled Power Flow Metodu 13.3. Sweep-Temelli Güç Akışı Algoritmaları 14.3.1. Kirchoff Gerilim Kanunu Kullanılarak Geliştirilen Sweep-Temelli Algoritmalar 17.3.. Kuadratik Denklem Kullanılarak Geliştirilen Sweep-Temelli Algoritmalar 4.4. Sonuç 3 3. DAĞITIM SİSTEMLERİ ELEMANLARININ MODELLENMESİ 34 3.1. Giriş 34 3.. Dağıtım Sitemlerinde Yerel Enerji Üretim (YEÜ Birimleri 35 3.3. FACTS Kompanzatörleri 37 3.3.1. Statik Ar Kompanzatör (SC 38 3.3.. Statik Kompanzatör (Statcom 38
viii 3.4. YEÜ Birimleri ve Paralel Kompanzatörlerin Dağıtım Sitemlerinde Güç Akışına Dahil Edilmei 4 3.5. Üç-Fazlı Tranformatörler 43 3.6. Üç-Fazlı Gerilim Regülatörleri 51 3.7. Dağıtım Hatları 54 3.8. Reaktif Güç Kompanzatörleri 54 3.9. Yük Modelleri 55 3.9.1. Ekponaniyel (Üel Statik Yük Modeli 56 3.9.. Polinom (Polynomial Statik Yük Modeli 57 3.1. Sonuç 58 4. GERİLİM KARARLILIGI E KARARLILIK İNDEKSLERİ 59 4.1. Giriş 59 4.. Sürekli Durum Gerilim Kararlılığı ve Gerilim Çökmei 59 4.3. Gerilim Kararlılık İndekleri 6 4.4. Yük Modellerinin Gerilim Kararlılığına Etkiinin İncelenmei 66 4.5. Sonuç 67 5. DAĞITIM SİSTEMLERİ İÇİN YENİ BİR GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASININ GELİŞTİRİLMESİ 69 5.1. Giriş 69 5.. Dengeli Dağıtım Sitemleri İçin Yeni Bir Güç Akışı Algoritmaı 69 5..1. Geliştirilen Algoritmanın Dağıtım Sitemlerine Uygulanmaı 76 5... Geliştirilen Algoritmanın Performanının Değerlendirilmei 79 5.3. Algoritmada YEÜ Birimlerinin ve Kompanzatörlerin P-Bara (Gerilim Kontrollü Bara Olarak Modellenmei 87 5.3.1. Geliştirilen P-Bara Modelleme Yönteminin Dağıtım Sitemlerine Uygulanmaı 9 5.3.. Gerilim Bağımlı Yüklerin Güç Akıına Dahil Edilmei 96 5.4. Sonuç 98 6. DENGESİZ DAĞITIM SİSTEMLERİ İÇİN YENİ BİR GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASININ GELİŞTİRİLMESİ 99 6.1. Giriş 99
ix 6.. Dengeiz Dağıtım Sitemleri İçin Geniş Olarak Kullanılan Algoritmalar 99 6.3. Dengeiz Dağıtım Sitemleri İçin Yeni Bir Güç Akışı Algoritmaının Geliştirilmei 1 6.4. Dağıtım Sitemleri Elemanlarının Algoritma İçeriinde Modellenmei 14 6.4.1. Elektrikel Yüklerin Modellenmei 14 6.4.. Kompanzayon Elemanlarının Modellenmei 15 6.4.3. Gerilim Regülatörlerinin Modellenmei 15 6.4.4. Üç-Fazlı Tranformatörlerin Modellenmei 17 6.5. Geliştirilen Trafo Modelleme Metodunun Geçerliliğinin Sınanmaı 111 6.6. Geliştirilen Yeni Güç Akışı Algoritmaının Güç Sitemlerine Uygulanmaı 115 6.7. YEÜ Birimleri ve Kompanzatörlerin Dengeiz Sitemlerde Güç Akışı Algoritmalarına Dahil Edilmei 1 6.7.1. Sweep-temelli Algoritmalarda P-Bara nın Gerilim Kontrolü ve Reaktif Gücünün Belirlenmei 11 6.7.. Geliştirilen P-Bara Modelleme Metodunun Sweep-temelli Algoritmalarda Sınanmaı 1 6.8. Sonuç 15 7. DAĞITIM SİSTEMLERİ İÇİN YENİ BİR KARARLILIK İNDEKSİNİN GELİŞTİRİLMESİ 17 7.1. Giriş 17 7.. Dağıtım Sitemleri İçin Yeni Bir Kararlılık İndeki 17 7.3. Geliştirilen Kararlılık İndekinin Dağıtım Sitemlerine Uygulanmaı 18 7.4. Geliştirilen Kararlılık İndekinin Dağıtım Sitemlerinde Sınanmaı 13 7.5. Sonuç 14 8. SONUÇ E ÖNERİLER 141 8.1. Sonuç 141 8.. Çalışma Konuu Önerileri 143 KAYNAKLAR 145 EK-I EK-II ÖZGEÇMİŞ
x SİMGELER E KISALTMALAR DİZİNİ Simge Açıklama Birimi Gerilim olt I Akım Amper S Görünür Güç olt Amper P Aktif Güç Watt Q Reaktif Güç olt Amper reaktif Z Empedan Ohm R Rezitan Ohm X Reaktan Ohm δ Faz Açıı Derece Kıaltma Açıklama p. u Birim Değer (per-unit SI YEÜ Kararlılık İndeki (Stability Index Yerel Enerji Üretimi P - Bara Gerilim Kontrollü bara PQ - Bara Yük baraı KL KCL Kirchoff Gerilim Kanunu Kirchoff Akım Kanunu
xi ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa.1 İki baralı bait dağıtım itemi devre şemaı 16 3.1 Yerel Enerji Üretim Teknolojileri 36 3. SC temel devre şemaı 38 3.3 Statcom un temel devre şemaı 39 3.4 Yg- bağlı tranformatör devre şemaı 46 3.5 Yg- tranformatörlü bait bir dengeiz dağıtım itemi devre şemaı 47 3.6 Yg-Yg bağlı tranformatör devre şemaı 48 3.7 -Yg bağlı tranformatör devre şemaı 49 3.8 Y- bağlı tranformatör devre şemaı 5 3.9 Gerilim regülatörü tek-faz devre şemaı 51 3.1 Gerilim regülatörlerinin kademe ayarına ilişkin akış diyagramı 53 3.11 Tek-fazlı ve üç-fazlı dağıtım hatlarına ait π-eşdeğer devre şemaı 54 3.1 Tek-fazlı paralel kapaitör devre şemaı 55 4.1 İki baralı bir radyal itemi devre şemaı 6 4. Radyal bir iletim hattı için P- eğrii 61 4.3 Radyal bir iletim hattı için Q- eğrii 61 4.4 İki baralı dağıtım itemi devre şemaı 66 4.5 İki baralı dağıtım iteminin kararlı çalışma bölgeinde hat onu geriliminin yük artışına göre değişimi 67 5.1 N Baralı bir dağıtım iteminin tek faz devre şemaı 7 5. Dağıtım hattı devre şemaı 7 5.3 Geliştirilen algoritmaya ait akış diyagramı 74 5.4 69-baralı itemde azami gerilim, akım ve güç farkının adım ayıının artışı ile değişimi 74
xii 5.5 69-baralı itemin farklı yüklenme durumu için weep-temelli algoritmaların iterayon ayılarının değişimi (λ=1, 1.5,,.5 81 5.6 69-baralı itemde hatlarının farklı R/X oranları için weep-temelli algoritmaların iterayon ayılarının değişimi (k=1, 1.5,, 3 81 5.7 69-baralı itemde farklı yük modelleri için weep-temelli algoritmaların iterayon ayılarının değişimi (CP:abit güç, CI:abit akim, CZ:abit empedan 84 5.8 69-baralı itemde farklı toleran değerleri için weep-temelli algoritmaların iterayon ayılarının değişimi (ep=1-5, 1-6,, 1-1 84 5.9 69-baralı itemde azami bara gerilimi (a, yük akımı (b ve yük gücü (c farkının iterayon ayıı ile KL temelli algoritmalar (- - - ve kuadratik denklem temelli algoritmalar için değişimi 87 5.1 Dağıtım iteminin iki-baralı eşdeğer devre şemaı 89 5.11 Farklı aktif güçteki YEÜ biriminin itemde farklı baraya yerleştirilerek geriliminin 1. pu. değerinde kontrol edilmei durumunda farklı weep temelli algoritmaların ve geliştirilen yeni algoritmanın iterayon ayıının değişimi (P YEÜ =%5-1-15- x Sitemin Toplam Aktif Yükü 95 6.1 Dengeiz dağıtım hattı devre şemaı 11 6. Geliştirilen yeni algoritma için akış diyagramı 14 6.3 İki baralı tet iteminin devre şemaı 111 6.4 Farklı algoritmalar kullanılarak dengeiz yüklü trafonun çıkış gerilimi mutlak hata değerinin adım ayıı ile değişimi 115 6.5 Azami gerilim farkının (hatanın iterayon ayıı ile değişimi 119 6.6 Algoritmaların iterayon ayıının yüklenme katayıı (λ ile değişimi 119 6.7 Dağıtım iteminin iki-baralı eşdeğer devre şemaı 1 7.1 Örnek dağıtım iteminin devre şemaı 13 7. Geliştirilen kararlılık indekinin akış diyagramı 131
xiii 7.3 Farklı itemler için kritik baranın kararlılık indekinin ve geriliminin yük artışı ile değişimi 136 7.4 Farklı güç faktörü ile yük artışı durumunda kritik baraya ait indek değerinin farklı yük modelleri ve beleme gerilimi için değişimi 138
xiv TABLOLAR DİZİNİ Tablo Sayfa.1 Geliştirilen weep-temelli algoritmaların genel olarak yapıı 3 3.1 YEÜ Birimlerinin Karşılaştırılmaı 36 3. Tranformatörün farklı bağlantı durumları için düğüm admitan matrileri 45 3.3 Farklı üel tatik yük modelleri ve parametrelerinin değerleri 56 4.1 Geliştirilen kararlılık indeklerinin genel özellikleri 65 5.1 1-baralı dağıtım itemi için elde edilen güç akışı onuçları 77 5. 33-baralı dağıtım itemi için elde edilen güç akışı onuçları 77 5.3 69-baralı dağıtım itemi için elde edilen güç akışı onuçları 78 5.4 Farklı itemler için algoritmaların iterayon ayıları 8 5.5 YEÜ birimlerinin P-bara olarak modellenmei durumunda güç akışı onuçları 9 5.6 YEÜ birimlerinin P ve PQ-bara olarak modellenmei durumunda farklı itemler için weep temelli algoritmaların iterayon ayıları 93 5.7 Farklı yük modelleri için 1-baralı itemin gerilim büyüklükleri 97 6.1 Yg- bağlantı için hat onu faz gerilimleri (pu. 11 6. Yg- bağlantı için hat onu faz gerilimlerinin faz açıları (derece 11 6.3 -Yg bağlantı için hat onu faz gerilimleri (pu. 11 6.4 -Yg bağlantı için hat onu faz gerilimlerinin faz açıları (derece 113 6.5 Kullanılan tet itemleri için algoritmalara ait iterayon ayıları 116 6.6 34-baralı item için elde edilen bara gerilimleri (pu. 117 6.7 34-baralı item için elde edilen faz açıları (Derece 118 6.8 1-baralı feederin eleman değerleri ve güç akışı onuçları 1 6.9 Geliştirilen güç akışı algoritmaı ile elde edilen güç akışı onuçları 13
xv 6.1 F./B. Subtitution [9] güç akışı algoritmaı ile elde edilen güç akışı onuçları 14 6.11 Ladder Net. Theory [3] algoritmaı ile elde edilen güç akışı onuçları 15 7.1 Geliştirilen indek ile heaplanan kararlılık indek değerleri 133 7. Sabit güçlü yük için normal yüklenme durumuna ilişkin onuçlar 134 7.3 Sabit akımlı yük için normal yüklenme durumuna ilişkin onuçlar 134 7.4 Sabit empedan yük modeli için normal yüklenme durumuna ilişkin onuçlar 134 7.5 69-baralı itemde makimum aktif güç ve temel reaktif güç yüklenme durumu için kritik bara ve kararlılık indek değeri 139 7.6 69-baralı itemde temel aktif güç ve makimum reaktif güç yüklenme durumu için kritik bara ve kararlılık indek değeri 139
1 1. GİRİŞ Geçtiğimiz yüzyılda elektrikli güç itemlerinde güç akışı için birden fazla etkili ve güvenilir güç akışı metotları (Newton-Raphon, Gau-Saidel, Fat Decoupled Load Flow geliştirilmiş [1-3] olup bunlar güç itemlerinde planlama, işletim ve kontrolde geniş olarak kullanılmış ve kullanılmaktadır. 198 lerin onlarına kadar dağıtım itemlerinde kıa devre heaplamaları ve gerilim düşümü heabı yapılmakta, güç akışına ihtiyaç duyulmamakta idi. Fakat dağıtım itemlerinde bazı teknolojik gelişmeler ve uygulamalar bu itemlerde de güç akışı heabının yapılmaı ihtiyacını doğurmuştur. Bunlar; SCADA itemlerinin kullanılmaı Kompanzayon yapılmaı ve bunların en uygun yerinin belirlenme ihtiyacı FACTS cihazlarının geliştirilmei ve dağıtım itemlerinde de kullanılmaı YEÜ Birimlerinin dağıtım eviyeine yerleştirilmei Sitem kayıplarını en aza indirmek için yeniden konfigüre edilmei gibi uygulamalardır. Dağıtım itemleri genellikle radyal bir yapıya ahiptir ve yeraltı kablolarının kullanılmaı nedeniyle hatların R/X oranları birden büyük değerli olabilmektedir. İletim itemlerinde bu oran birden çok küçüktür. Bunun yanı ıra dağıtım itemleri tek faz, iki faz ve üç fazlı dallara ahip olabildiğinden dengeiz yapıda olabilirler. Ayrıca item matrileri genellikle ill conditioned matritir [4-5]. Yani matriteki çok az bir değişim, item çözümünde çok büyük değişikliklere neden olabilmektedir. Dağıtım itemlerinin bu özelliklerinden dolayı iletim itemleri için kullanılan gelenekel güç akışı algoritmaları dağıtım itemlerinin güç akışı heabında yeteriz kalabilmektedir. Bu nedenle dengeli ve dengeiz dağıtım itemlerinde güç akışı için bir çok algoritma geliştirilmiştir [6-5]. Bu algoritmaları iki gruba ayırmak mümkündür. Bunlar;
Radyal itemlere uygun şekilde gelenekel algoritmaların geliştirilmiş şekilleri [6-]. Kirchhoff Akım ve Gerilim kanununun veya hat parametreleri ve hattan tranfer edilen aktif ve reaktif güçlerden oluşan gerilim denklemi (kuadratik denklem kullanılarak radyal itemde ileri ve/veya geri yönde heaplamalara dayanan weep-temelli algoritmalardır [3-5]. Bu çalışmada ikinci grup olarak verilen dağıtım itemleri güç akışı algoritmaları incelenmekte olup dengeli ve dengeiz dağıtım itemleri için yeni bir güç akışı algoritmaının geliştirilmei konuu incelenmiştir. Bunun yanı ıra Yerel Enerji Üretim Birimleri, üç-fazlı tranformatörler ve gerilim regülatörleri gibi dağıtım itemleri elemanlarının weep-temelli algoritmalarda modellenerek güç akışına dahil edilmei çalışmada incelenen bir diğer konudur. Çalışmada on olarak ürekli durum gerilim kararlılığı açıından dağıtım itemlerinde en kritik baranın belirlenmei için yeni bir kararlılık indekinin geliştirilmei konuu incelenmiştir. 1.1. Konu Hakkında Dağıtım itemleri için geliştirilen algoritmalardan itemde ileri ve/veya geri yönde gerilim heabına dayalı (weep-temelli ikinci grup algoritmalar yükek yakınama özelliği, kıa urede heaplama kabiliyeti ve item parametrelerinin değişiminden az etkilenen, güvenilir algoritmalar olup radyal dağıtım itemlerinin analizinde geniş olarak kullanılmaktadır. Bu tur algoritmalar tek yönlü güç akışı ea alınarak geliştirilmiştir. Dolayııyla radyal dağıtım iteminde kaynaktan ona doğru ileri yönde gerilim heabı, ondan başa doğru ie geri yönde hatlardan akan akım ve/veya güç heabı yapılmaktadır. Geri yönde yapılan heaplamalarda akım ve/veya güç heabının yanı ıra gerilimin heaplandığı algoritmalar da mevcuttur [3-31, 39, 45]. Geliştirilen bu weep-temelli güç akışı algoritmalarının büyük bir çoğunluğunda bara gerilimleri hattan akan akım ve hat başı gerilimi kullanılarak Kirchoff Gerilim Kanunu ile [3-34] veya hattan tranfer edilen aktif ve reaktif güç, hat başı gerilimi kullanılarak oluşturulan kuadratik denklem ile [35-5] hat onu bara gerilimleri heaplanmaktadır. Mevcut algoritmaların heaplama ureinin düşürülmei, yakınama özelliğinin iyileştirilmei veya bu özelliklere ahip yeni güç akışı
3 algoritmalarının geliştirilmeine ilişkin çalışmalar her geçen gün artarak devam etmektedir. Günümüzde dağıtım itemlerinin güç ihtiyacını belli oranda karşılamak amacıyla YEÜ birimleri iteme dahil edilmektedir. YEÜ birimlerinin yanı ıra on yıllarda FACTS elemanları olarak adlandırılan güç elektroniği elemanları ile geliştirilen Static ar Companator (SC, Static Compenator (Statcom gibi aktif kompanzatörler kullanılarak reaktif güç kompanzayonu ile itemde gerilim kontrolü yapılmaktadır [53]. Dolayııyla bu tür dağıtım itemleri radyallıktan uzaklaşmakta ve itemdeki güç tranferi kaynağa doğru da akabilmektedir. Yani her iki yönde güç akışı olabilmektedir. Bu durumda güç akışı analizine YEÜ birimlerinin ve/veya aktif kompanzatörlerin dahil edilmei gerekmektedir. Bu tür elektrikel birimlerin aktif güçleri ve iteme bağlantı noktaı gerilimleri bilindiğinden güç akışı analizinde Gerilim Kontrollü bara (P-bara olarak eçilmektedir. Daha önce genel olarak ınıflandırılan güç akışı algoritmalarından Birinci grup güç akışı algoritmalarda (gelenekel güç akışı algoritmaları ve onların dağıtım itemleri için geliştirilmiş şekilleri bu birimler P-bara olarak modellenerek dağıtım iteminde güç akışı yapılabilmektedir. Yani P-bara kolaylıkla algoritmalarda modellenmekte ve bilinmeyen büyüklükleri (Reaktif güç ve faz açıı analiz enaında heaplanabilmektedir. Fakat bu tip algoritmalarda dağıtım itemlerinin yapıı nedeniyle yakınama problemi oluşabilmekte ve güç akışı analizi tamamlanamamaktadır. İkinci grup olarak verilen weep-temelli güç akışı algoritmaları dağıtım itemleri için geliştirilmiştir. Algoritmalar tek yönlü güç akışını ea alarak geliştirildiğinden bunlara YEÜ birimleri veya aktif kompanzatörler P-bara olarak doğrudan güç akışına dahil edilememekte genellikle abit güçlü bara (PQ-bara olarak modellenmektedir. Sabit PQ-bara olarak modellenmei durumunda bu birimlerin bağlı olduğu bara gerilimleri kontrol edilememekte ve normal yük baraların da olduğu gibi güç değerlerine göre akımı heaplanarak her bir iterayonda gerilim ve akım değerleri heaplanmaktadır. Dolayııyla yük baraı gibi güç akışına dahil edilmektedir. Bu birimlerin P-bara olarak modellendiği bazı algoritmalar da mevcut olup ayıları ınırlıdır [3-5, 46-47, 51-5].
4 Dağıtım itemlerinin dengeiz yapıya ahip olabilmei nedeniyle üç fazlı tranformatörlerin modellenmei on derece önemlidir. Dengeiz itemlerde tranformatörlerin modellenmei üzerine bazı çalışmalar [55-57] de yapılmıştır. Yapılan bu modellemeler referan [54] de verilen ve geniş olarak kullanılan klaik tranformatör admitan matrii modelinin farklı tranformatör bağlantıları için geliştirilmiş modellemelerdir. Fakat dağıtım itemlerinde ileri ve geri yönde gerilim ve akım heabına dayalı algoritmaların geniş olarak kullanılmaı ebebiyle [54-57] da verilen tranformatör modelinin kullanılmaı bu tür algoritmaların performanının düşmeine, yakınama probleminin oluşmaına ve uygulamalarda tekillik durumu gibi çeşitli zorluklara neden olmaktadır [6]. Bu nedenle weep-temelli algoritmalarda doğrudan kullanılabilecek bazı modeller farklı tranformatör bağlantıları için [59, 59] da geliştirilmiştir. Dağıtım itemlerinde geniş olarak kullanılan Yg-Yg, Yg- ve -Yg uç bağlantılı tranformatörler için giriş ve çıkış uçlarındaki (primer ve ekonder uçları akım ve gerilim denklemleri eşdeğer devreden yararlanarak kaynaktan ona doğru ileri yönde gerilim heabının yapıldığı algoritmalar için [59] de geliştirilmiştir. Benzer şekilde eşdeğer devreden yararlanılarak Yg- bağlantılı tranformatör için giriş ve çıkış uçlarındaki akım ve gerilim araındaki bağıntı [59] da dağıtım itemlerinde adece geri yönde gerilim heabının yapıldığı algoritmalar için türetilmiştir. Referan [6] da ie admitan matri modeli geliştirilerek dağıtım itemleri için geliştirilen güç akışı algoritmalarına dahil edilmiştir. Dağıtım itemlerinde gerilim eviyeini belli ınırlar dahilinde tutmak amacı ile kullanılan gerilim regülatörler eri empedan ve buna bağlı kademe ayarlı ideal tranformatör olarak modellenmektedir. Regülatörlerin kademe ayarı manuel veya otomatik olarak ayarlanabilmektedir. Manuel olarak çalıştırılırken eçilen abit kademe ayarına göre primer ve ekonder gerilimi araındaki oran belirlenmekte ve gerilim dönüşümü yapılmaktadır. Otomatik ayarlamada ie kademe poziyonu bilinmediğinden güç akışı analizi enaında heaplanan gerilimler göz önünde bulundurularak uygun kademe poziyonu belirlenmektedir. İkinci grup olarak verilen weep-temelli güç akışı algoritmalarında üç-fazlı gerilim regülatörleri genellikle abit kademeli olarak modellenmiş olup otomatik olarak kademe ayarı yalnızca [4] de dengeiz itemler için kaynaktan ona doğru ileri yönde gerilim heabının yapıldığı güç akışı algoritmaları için yapılmıştır.
5 Gerilim kararlılığı tatik analizler (yük akış analizleri için bir ürekli durum problemi olarak tanımlanmaktadır. Sabit çalışma şartları enaında üretim yerinden tüketim yerine güç tranfer kabiliyeti gerilim kararlılığının konuudur. Gerilim kararlılığı yük kararlılığı olarak da adlandırılır [6]. Güç itemlerinde yükteki değişimlere bağlı olarak değişen gerilim büyüklüğü ve itemin güvenli çalışma durumu gerilim kararlılığı çalışmaları adı altında incelenmekte olup bu kararlılık analizi için literatürde birçok çalışmalar ve metotlar mevcuttur [63-73]. Bu çalışmalarda gerilim kararızlığının oluştuğu ve itemin analitik çözümünün olmadığı yüklenme durumunun oluştuğu baranın veya hattın belirlenmei için bir çok farklı formülayonlar geliştirilmiş olup bunlar kararlılık indeki olarak tanımlanmaktadır. Referan [64-66] de verilen kararlılık indekleri itemin Jacobian matrii ea alınarak geliştirilmiştir. Kritik bara bu matriin elemanları kullanılarak belirlenmektedir. Chebbo [67], yeni bir kararlılık indeki geliştirerek indekinin eleman değerleri, itemde bara empedan matriinin yük empedanları da dahil edilerek heaplanmaıyla belirlenmektedir. Geliştirilen diğer kararlılık indeklerinin büyük bir çoğunluğu [69-7], itemin her bir baraına ait iki-baralı eşdeğer devreini oluşturarak hattan tranfer edilen aktif ve reaktif güç ifadelerinin kullanılmaı onucunda türetilmiştir. Dağıtım itemlerinde kararlılık analizi için yeni bir kararlılık indeki [73] de Da tarafından geliştirilmiştir. Baraların kararlılık indek değerleri için güç itemlerinde güç akışı analizlerinde kullanılan kuadratik denklemin köklerinin ifadeinden yararlanılmıştır. Geliştirilen indeklerin büyük bir çoğunluğu güç akışı analizi dışında ektra işler gerektirmektedir. Örneğin [64-66] da geliştirilen metotlar item Jacobian matriinin, [67] de item bara empedan matriinin oluşturulmaı gerekmekte ve bunlar kullanılarak bazı heaplamalar yapılmaktadır. Bilindiği gibi dağıtım itemleri radyal yapıda olduğundan Jacobian matrite ve bara empedan matriinde tekillik durumu oluşabileceğinden uygulamalarında problemler oluşmaktadır. Metotlardan bir kımı ie [69-7] itemde her bir bara için iki baralı eşdeğer devreye indirgenmeini gerektirmektedir. Bunun yanı ıra indirgenmiş devreler adece heaplandıkları item durumu veya itemdeki küçük değişiklikler için geçerli olup itemde büyük değerli güç değişimlerinde tekrar her bir bara için iki baralı eşdeğerinin oluşturularak kritik baranın belirlenmeini gerektirmektedir. Dolayııyla bu heaplama ürei ve işlem
6 ayıı açıından çok elverişiz bir durum oluşturmaktadır. Ayrıca [7-7] de verilen kararlılık indekleri yalnızca aktif güç veya reaktif güç kullanılarak tanımlandığından itemin yükek yada düşük güç faktörlü yüklenme durumlarında hatalı onuçlar vermekte, yeteriz kalabilmektedirler. 1.. Tezin Amacı ve Sınırları Bu çalışmada dengeli ve dengeiz dağıtım itemlerinde güç akışı analizi için weep-temelli yeni bir güç akışı algoritmaının geliştirilmei amaçlanmaktadır. Bunun için dağıtım itemlerini yapı olarak iletim itemlerinden ayıran en belirgin özelliği olan kaynaktan ona doğru tek yönlü güç akışından yararlanılmaı düşünülmektedir. Güç akışı analizlerinde kullanılan algoritmalarının hızlı yakınama özelliğine ahip olmaı itemlerin işletimi ve kontrolü açıından büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle geliştirilmei amaçlanan güç akışı algoritmaının performanı farklı dağıtım itemleri üzerinde farklı parametrik analizler yapılarak değerlendirilecektir. Parametrik analizler için literatürde geniş olarak kullanılan itemin farklı yüklenme durumu, hat empedanlarının farklı R/X oranları, abit güç yük modelinin yanı ıra farklı gerilim bağımlı tatik yük modellerinin kullanılmaı gibi durumlar göz önünde bulundurulacaktır. Dağıtım itemleri için geliştirilen weep-temelli güç akışı algoritmaları itemde kaynaktan ona doğru tek yönlü güç akışı göz önünde bulundurularak geliştirildiğinden bu tur algoritmalarda YEÜ birimleri veya gerilim kontrolörlerinin güç akışında ikinci bir kaynak yani P-bara olarak doğrudan modellenememektedir. Bunun yanı ıra dağıtım itemlerinin dengeiz yapıya ahip olmaı nedeniyle üçfazlı tranformatörlerin primer ve ekonder uçlarındaki akım gerilim ilişkileri doğrudan elde edilememektedir. Çalışmada YEÜ birimleri ve/veya gerilim kontrolörlerinin yanı ıra üç-fazlı tranformatörler ve gerilim regülatörleri gibi dağıtım itemleri elemanları modellenerek bütün weep-temelli algoritmalara dahil edilmei amaçlanmaktadır. Bunun için P-baranın reaktif gücünün belirlenmei, dağıtım itemlerinde geniş olarak kullanılan Yg-Yg, Yg- ve -Yg bağlı tranformatörlerin primer ve ekonder uçlarındaki akım ve gerilimlerinin belirlenmei, gerilim regülatörlerinin çıkış geriliminin itenilen ınırlarda tutulmaı
7 için kademe ayarının otomatik olarak algoritma içinde yapılmaına ilişkin yeni metotlar geliştirilecektir. Geliştirilen metotlar farklı dağıtım itemleri üzerinde denenerek elde edilen onuçlar mevcut diğer metotlar ile karılaştırılacak ve geçerlilikleri tet edilecektir. Dağıtım itemleri için radyal yapılı itemler göz önünde bulundurulacak meh yapılı itemler kullanılmayacaktır. Trafoların güç akışında modellenmeinde ie dengeiz itemlerde imetrili bileşenler modelinin kullanılabileceği, ıfır bileşen akımının olduğu tranformatör bağlantıları göz önünde bulundurulacaktır. Çalışmada on olarak dağıtım itemlerinin ürekli durum gerilim kararlılığı incelenecektir. Gerilim kararlılığı analizi itemin ürekli çalışma durumunda yük değişimi ile gerilim çökmeinin meydana geleceği baranın ve/veya hattın belirlenmei açıından incelenecektir. Bunun için gerilim kararlılığı analizi için kritik barayı yani gerilim çökmeine en yakın barayı tayin etmek amacıyla yeni bir kararlılık indeki nin geliştirilmei amaçlanmaktadır. Geliştirilen bu yeni kararlılık indeki farklı dağıtım itemleri üzerinde ınanarak elde edilen onuçlar diğer kararlılık indekleri ile elde edilen onuçlar la karşılaştırılacaktır. Tet için dağıtım itemlerine kolaylıkla uygulanabilirliği, itemin yüklenme durumundan, farklı yük modellerinden, farklı güç faktörü durumundan ve farklı gerilim eviyeinden etkilenip etkilenmediği gibi kriterler göz önünde bulundurulacaktır. 1.3. Tezin Bölümleri Dağıtım itemleri için geliştirilen ileri ve/veya geri yönde gerilim heabının yapıldığı weep-temelli güç akışı algoritmaları ve bunlarda gerilim heabında kullanılan formülayonlar, onlandırma kriterleri, dengeiz itemlere uygulanabilirliği gibi özellikleri detaylı olarak ikinci bölümde incelenmiştir. Ayrıca algoritmalarda YEÜ birimleri ve/veya gerilim kontrolörlerinin, üç-fazlı tranformatörlerin modellenip modellenmediği eğer bu birimler güç akışına dahil edildiye naıl modellendiği hakkında bilgi verilmektedir. Üçüncü bölümde dağıtım itemlerinde kullanılan Kompanzatörler, YEÜ birimleri, tranformatörler, yük modelleri, gerilim regülatörleri gibi elemanların
8 kullanım amacı ve bunların güç akışı analizinde weep temelli algoritmalarda naıl modellendiği incelenmektedir. Ayrıca mevcut modellerin güç akışı analizine dahil edilmeinde karşılaşılan problemler ve/veya modellemelerdeki ekiklikler verilmektedir. Çalışmada dördüncü bölümde, güç itemlerinin ürekli durum kararlılığı ve gerilim çökmei hakkında bilgi verilmektedir. Ayrıca gerilim çökmeinin oluştuğu bara veya bunu beleyen hatları belirlemek üzere tanımlanan kararlılık indekleri ve formülayonları detaylı olarak verilmekte ve geliştirilen indeklerin dağıtım itemlerine uygulanmaında karşılaşılabilecek problemler ve yeterizlikleri hakkında bilgi verilmektedir. Beşinci bölümde çalışmanın eaını teşkil eden dengeli dağıtım itemleri için yeni bir güç akışı algoritmaı geliştirilmiş ve algoritma farklı dağıtım itemlerine uygulanarak geçerliliği ınanmıştır. Ayrıca algoritmanın performanı itemlerin farklı yüklenme durumu, hatların farklı R/X oranı, ve farklı tatik yük modelleri için değerlendirilerek diğer algoritmalar ile karşılaştırılmıştır. Bunun yanı ıra YEÜ birimleri ve/veya gerilim kontrolörleri güç akışı analizinde P-bara olarak modellenerek bara geriliminin itenilen değerde tutmak için gerekli reaktif güçlerinin naıl heaplanacağına dair yeni bir metot verilmiş ve onuçlar diğer metotlar ile elde edilen onuçlar ile karşılaştırılmıştır. Geliştirilen bu yeni algoritma ve P-bara modelleme metodu altıncı bölümde genişletilerek üç-fazlı itemlerde güç akışı analizi için uygulanmıştır. Bunun yanı ıra dağıtım itemlerinde geniş olarak kullanılan Yg-Yg, Yg- ve -Yg bağlı tranformatörler için imetrili bileşenler metodu kullanılarak weep-temelli algoritmalarda kullanılabilecek yeni bir model geliştirilerek farklı itemler üzerinde geçerliliği ınanmıştır. Benzer şekilde dağıtım itemlerinde gerilim ayarı için kullanılan gerilim regülatörleri bütün weep-temelli algoritmalara dahil edilebilecek şekilde otomatik olarak kademe ayarının yapıldığı yeni bir algoritma bu bölümde verilen bir diğer çalışmadır. Çalışmada on olarak yedinci bölümde dağıtım itemleri için itemde gerilim çökmeine en yakın barayı yani kritik barayı tayin edebilen yeni bir kararlılık indeki geliştirilmiştir. Geliştirilen indek birçok dağıtım itemine uygulanarak ınanmıştır. Ayrıca itemlerin farklı yüklenme durumları, farklı gerilim eviyeleri ve farklı tatik
9 yük modelleri için indekin geçerliliği ınanarak onuçlar diğer kararlılık indekleri ile elde edilen onuçlar ile karşılaştırılmaktadır. Son bölüm onuçlar ve gelecek çalışmalar için önerilerden oluşmaktadır.
1. DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ AKIŞI ANALİZİ.1. Giriş Mevcut güç itemlerinin en iyi şekilde işletilmei kadar, gelecekte itemlerde meydana gelebilecek gelişmelerin planlanmaı yönünden de yük akış analizi çalışmaları çok önemlidir. Yük akışı analizinin çözümünde karşılaşılan zorluklar, değişik baralar için tarif edilen bilgilerin farklılığından ileri gelir. Yük akış problemlerinin ayıal çözümleri, bilinmeyen bara gerilimlerine tahmini değerler verip tarif edilen aktif ve reaktif güçler ve baralardaki tahmini değerlerden her bara için yeni bir gerilim değeri heaplamak ureti ile yapılır. Sitemin tek hat diyagramından hareketle ve iletim hatlarının eri empedanları ve paralel admitanları dikkate alınarak elde edilen bara admitan matrii (Y BARA kullanılmaktadır. Her analiz için daima çalışma şartları belirlenerek, bir bara hariç diğer bütün baralarda şebekeye giren aktif güç tarif edilmelidir. Diğer giriş güçleri ie jeneratörlerden ve item üzerinden gelen pozitif ve negatif güçlerdir. Ayrıca bu baraların her birinde iteme akan reaktif güç veya gerilimin genliği de tarif edilmelidir. Yani, her barada reaktif güç akışı veya gerilimin genliğinden hangiinin abit tutulacağına karar verilir. Genel olarak güç akış analizlerinde jeneratör baralarında gerilimin genliği, yük baralarında ie aktif ve reaktif güçler tarif edilir. Hatlardaki kayıp güç nedeniyle şebekedeki bütün antrallerin aktif güç üretimleri itemdeki baralardan birinde aktif güç bilinmeyen eçilerek, çözümün onunda elde edilebilmektedir. Bu nedenle jeneratör baralarından birinde aktif güç bilinmeyen eçilir ki, bu baraya alınım baraı denir. Güç akışı analizlerinde alınım baraı geriliminin genliği ve faz açıı girilir. Salınım baraının aktif gücü değişkendir ve değeri diğer jeneratör baralarının aktif güçleri ile yüklerin aktif gücü ile kayıpların toplamı araındaki farka eşitlenerek belirlenir. Bahedilen bu güç akışı analizi iletim itemleri için gelenekel güç akışı algoritmaları ile gerçekleştirilmekte, dağıtım itemlerinde ie bu algoritmaların yanı ıra dağıtım itemleri için geliştirilmiş güç akışı algoritmaları da kullanılmaktadır. Geliştirilen bu
11 algoritmaların büyük bir çoğunluğu weep-temelli olup hızlı yakınama özelliği, itemlere kolay uygulanabilir olmaları nedeniyle dağıtım itemlerinde güç akışı analizinde geniş olarak kullanılmaktadır... Gelenekel Güç Akışı Algoritmaları Daha önce 1. Bölümde bahedildiği gibi geçtiğimiz yüzyılda elektrikli güç itemlerinde güç akışı için birden fazla etkili ve güvenilir güç akışı metotları geliştirilmiştir. Bunlar; Newton-Raphon, Gau-Saidel, Fat Decoupled Load Flow olarak adlandırılarak, güç itemlerinde planlama, işletim ve kontrolünde güç akışı analizi için geniş olarak kullanılmaktadır. Yakın geçmişe kadar dağıtım itemleri için güç akışı analizine ihtiyaç duyulmamakta adece iletim itemlerinde güç akışı analizi yapılmakta idi. Bu nedenle geliştirilen bu gelenekel güç akışı algoritmaları iletim itemlerinin yapıı ea alınarak oluşturulmuştur. Geliştirilen bu algoritmaların yapıı kıaca aşağıdaki şekilde özetlenebilir...1. Gau-Seidell Metodu N baralı bir itemde Denklem (.1 de verilen ifade ile belirlenen yeni bara gerilimleri ile bir önceki adımda elde edilen bara gerilimleri araındaki farkın kullanıcı tarafından aptanan bir hata değerinden küçük oluncaya kadar heaplamanın ürdürülmei eaına dayanır. 1 P ( N k jqk k = Y * knn (.1 Y n= 1 kk k
1 Burada n k ve denklemin ağ tarafındaki gerilim değerleri bara için heaplanan en on değerlerdir. Y itemin bara admitan matrii olup yüklerin ve jeneratörlerin empedanları dahil edilmeden itemin hat empedanları kullanılarak heaplanmaktadır [74].... Newton-Raphon Metodu İki veya daha fazla değişkenli fonkiyonların Taylor eriine açılımı, Newton- Raphon metodu ile yük akışı problemi çözümünün temelini teşkil eder. Taylor eriine açarken 1. dereceden büyük olan kımi türevler ihmal edilmektedir [74]. Bu metot ile N baralı bir itemde yük baralarına ait aktif ve reaktif güçler başlangıç gerilim değerleri ve faz açıları kullanılarak = = N n kn n k n kn k k i i i Y i i P 1 ( ( co( ( ( ( θ δ δ (..a = = N n kn n k n kn k k i i i Y i i Q 1 ( ( in( ( ( ( θ δ δ k=1,, N (..b ifadeleri ile belirlenir. Bu baralara ait yeni gerilim ve faz açıları ie; + = + + ( ( ( ( 1 ( 1 ( i i i i i i k k k k k k δ δ δ (.3 ifadei ile belirlenir. Burada [ ] = ( ( ( ( 1 i Q Q i P P J i i k k k k k δ k (.4 olup J, Jacobian matrii olarak adlandırılır. N baralı bir item için Jacobian matrii;
13 J dp dp dp dp...... dδ dδ N d dn.. dp N dpn dpn dpn...... = dδ dδ N d dδ N dq dq dq dq...... dδ dδ N d dn.. dq N dqn dqn dqn...... dδ dδ N d dδ N (.5.a J1 J J = (.5.b J 3 J 4 ifadei ile oluşturulur. Yük baralarına ait gerilim ve faz açıı heabı bir önceki adımda heaplanan değerler ile aralarındaki fark belirlenen hatadan küçük oluncaya kadar heaplama devam ettirilir...3. Fat-Decoupled Power Flow Metodu Diğer bir metot olan Fat-Decoupled Power Flow metodu, Newton-Raphon yük akış metodunda oluşturulan Jacobian matrii üzerinde bazı ihmallerin yapılarak işlemin hızlandırılmaı eaına dayanır. Elektrik güç itemlerinde yükün aktif gücü faz açııyla, reaktif gücünün de gerilim ile daha çok değişmei nedeniyle, Jacobian matrite, Denklem (.5.b de, aktif gücün gerilime (J ve reaktif gücün faz açıına bağlılığı (J 3 ihmal edilerek güç akışı heabı yapılmaktadır. Bu durumda denklem itemi J ( i δ ( i = P( (.6.a 1 i J ( i ( i = Q( (.6.b 4 i
14 şeklinde kullanılarak bilinmeyen büyüklükler heaplanmaktadır. Algoritmanın hızını arttırmak ve heaplama ureini düşürmek amacı ile bazı heaplamalarda Jacobian matrii başlangıç koşullarına göre, ( k =1pu, oluşturulduktan onra heaplama ureince abit tutulmaktadır. Bu ie abit Jacobian lı Fat-Decoupled Power Flow metodu olarak adlandırılmaktadır [74]. Son zamanlarda dağıtım itemlerinde 1. Bölümde bahedilen bazı teknolojik gelişmeler ve uygulamalar bu itemlerde de güç akışı heabının yapılmaına ihtiyaç doğurmuştur. Fakat dağıtım itemleri; Hatlarda yeraltı kablolarının kullanılmaından dolayı R/X oranının yükek olmaı nedeniyle admitan ve Jacobian matrilerinin ill-conditioned matri olabilmei Hatlarda fazlar araında çaprazlama yapılmamaı nedeniyle dengeiz hat empedanı Fazların farklı yükleri belemei ve tek veya iki fazlı hatlarla elektrik enerjiinin dağıtılmaı nedenleriyle dengeiz yüklenme gibi özelliklere ahiptir. Dağıtım itemlerinin bu özelliklerinden dolayı iletim itemleri için kullanılan gelenekel güç akışı metotları dağıtım itemlerinin güç akışı heabında yakınama problemi nedeniyle yeteriz kalabilmektedirler [5]. Bu nedenle dengeli ve dengeiz dağıtım itemlerinde güç akışı için ileri ve/veya geri yönde gerilim heabına dayalı (weep-temelli bir çok güç akışı algoritmaı geliştirilmiştir [3-5]..3. Sweep-Temelli Güç Akışı Algoritmaları Sweep temelli güç akışı algoritmaları, dağıtım itemlerinin radyal yapıı ea alınarak geliştirildiğinden radyal itemlerin güç akışı analizinde gelenekel metotlar ve onların dağıtım itemleri için geliştirilmiş şeklindeki metotlara nazaran daha güvenilir olup performanları daha yükektir [75]. Algoritmaların temelini oluşturan gerilim denklemlerinin Şekil.1 de verilen bait bir item için yazılarak yapılarının
15 anlatılmaı anlaşılmaları açıından kolaylık ağlayacaktır. erilen devrede hattan tranfer edilen aktif ve reaktif güç; r r P = co( θ Z δ co( θ Z (.7.a Z Z r r Q = in( θ Z δ in( θ Z (.7.b Z Z şeklinde yazılabilir. Burada ve r ıraıyla hat-başı ve hat-onu gerilimlerinin büyüklüğü, δ = δ δ gerilimler araındaki faz farkını, Z hat empedanı büyüklüğü r ve θ Z ie hat empedanının faz açıını götermektedir. Aktif ve reaktif güç ifadelerinden yararlanarak; PZ r co( θ Z δ = + co( θ Z (.8.a r QZ r in( θ Z δ = + co( θ Z (.8.b r eşitlikleri yazılabilir. co ( θ Z δ + in ( θ Z δ = 1 (.9 Denklem (.8 de verilen eşitlikler Denklem (.9 da yerine yazılarak gerilim denklemi (kuadratik denklem aşağıdaki şekilde elde edilir. 4 r + r ( PR + QX r + ( P + Q Z = (.1.a Elde edilen bu polinomun, Denklem (.1.a, pozitif köklerinden en büyüğü bize hat onu geriliminin ( r genliğini vermektedir. Benzer şekilde hat başı aktif ve reaktif gücü kullanılarak elde edilen gerilim polinomunun kökü, Denklem (.1.b, kullanılarak da hat onu gerilimi heaplanabilmektedir. r = ( P R + Q X + ( P + Q Z / (.1.b
16 Bu gerilim denklemleri weep-temelli algoritmalarda ileri veya geri yönde iteme uygulanarak bara gerilimlerinin heaplanmaına olanak ağlamaktadır. Şekil.1 de verilen dengeli item için hat onu ve hat başı gerilimlerinin ifadei Kirchoff Gerilim Yaaı (KL kullanılarak; r + = I Z (.11.a _ r _ = I Z (.11.b şeklinde yazılabilir. Burada I _ hattan akan toplam akımı, _ Z ie hattın eri empedanını götermektedir. Şekil.1. İki baralı bait dağıtım itemi devre şemaı Denklem (.1 ve (.11 de iki baralı item için yazılan gerilim ifadeleri dağıtım itemleri için geliştirilen ve geniş olarak kullanılan weep-temelli güç akışı algoritmalarının [3-5] temelini oluşturmaktadır. Genellikle bu algoritmalarda ileri yönde yani kaynaktan ona doğru gidilerek bara gerilimleri, ondan kaynağa doğru ie geri yönde hat akımları veya hatlardan tranfer edilen güç heaplanmaktadır. Bu nedenle weep-temelli güç akışı algoritmalarını iki ana grupta incelemek mümkündür. Bunlar; Kirchoff Gerilim Kanunu kullanılarak geliştirilen weep-temelli algoritmalar Gerilim polinomu (Kuadratik denklem kullanılarak geliştirilen weep-temelli algoritmalar şeklinde gruplanabilir.
17.3.1. Kirchoff Gerilim Kanunu Kullanılarak Geliştirilen Sweep- Temelli Algoritmalar Dağıtım itemlerinin radyal yapıda olmaı Kirchoff Gerilim Yaaı kullanılarak bara gerilimlerinin heaplanmaına imkan ağlamaktadır. Bu nedenle literatürde KL kullanılarak bara gerilimlerinin heaplandığı bir çok güç akışı algoritmaı geliştirilmiştir [3-34]. Shirmohammadi ve arkadaşları [3], dengeli dağıtım itemleri için yeni bir güç akışı algoritmaı geliştirmiştir. Geliştirilen algoritmada ondan kaynağa doğru geri yönde hat akımları heaplanmakta ve bu akımlar kullanılarak ileri yönde bara gerilimleri Kirchoff Gerilim Yaaı ile heaplanmaktadır. Algoritma dağıtım itemlerinde güç akışı analizi için geniş olarak kullanılmakta olup aşağıdaki adımlardan oluşmaktadır. Adım 1. Adım. Sitemin bara gerilimlerinin başlangıç değerlerini belirle. Bara akımlarını heapla. * S k I = k (.1 k Adım 3. Bara akımlarını kullanarak itemde ondan kaynağa doğru hat akımlarını heapla. _ ( k L n 1 _ i= k + 1 _ ( k+ 1 y ( i I = I L + I, k = 1,..., n 1 (.13 Burada n itemin bara ayıı, I L hat akımı I y ie yük akımını götermektedir. Adım 4. Adım 5. Heaplanan hat akımlarını kullanarak itemde kaynaktan ona doğru ileri yönde Kirchoff Gerilim Yaaı, Denklem (.11.b ile bara gerilimlerini heapla. Heaplanan yeni bara gerilimi ve akımını kullanarak yüklerin yeni güçlerini heapla ve gerçek değerleri ile karşılaştır. Eğer aktif ve reaktif güçlerdeki azami hata belirlenen hata değerinden küçük ie algoritmayı onlandır, değil ie Adım den heaplamaya devam et.
18 Ayrıca algoritmada 3. Bölümde detayı verilecek olan bir metot ile YEÜ birimleri gerilim kontrollü bara (P-bara olarak modellenerek bara geriliminin itenilen değerde tutmak için gerekli reaktif gücün naıl heaplanacağına dair yeni bir metot geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma [4] de dengeiz itemlerde güç akışı analizi için kullanılmıştır. Aynı çözüm tekniği [5] de YEÜ birimleri ve dengeiz tranformatörler gibi elemanlar göz önünde bulundurularak dengeiz dağıtım itemlerinin güç akışı analizinde kullanılmıştır. Yapılan güç akışı analizinde [5] YEÜ birimleri P-bara olarak modellenmiş, gerilimi kontrol edilmiştir. Gerilim kontrolü P baranın akımı ayarlanarak gerçekleştirilmektedir. Bunun yanı ıra dağıtım itemlerinde geniş olarak kullanılan tranformatör bağlantı şekillerinden Yg-Yg, Delta-Yg ve Y-Delta bağlantılı tranformatörler [59] de geliştirilen ve detayı 3. Bölümde verilecek olan tranformatör modelleri kullanılarak güç akışı analizine dahil edilmiştir. Kirchoff Gerilim Yaaı, Denklem (.11.b kullanılarak ileri yönde gerilim, geri yönde hat akımı heabı ile güç akışı [6-8] de verilen güç akışı algoritmalarında da kullanılmıştır. Dengeiz dağıtım itemleri için [6] da geliştirilen algoritmada hat akımları diğerlerinden farklı olarak yük akımları yerine her bir hattın onundaki bara gerilimi ve tranfer edilen toplam güç kullanılarak heaplanmakta olup algoritmaya ait adımlar aşağıda verilmiştir. Adım 1. Adım. Sitemin bara gerilimlerinin başlangıç değerlerini belirle. Her bir faz için hatlardan akan aktif ve reaktif gücü Denklem (.14 ü kullanarak heapla. Plo jqlo I I * * ij + ij = i ( ij j ( ji, (.14.a n n 1 ( k ( k ( k ( k ( k ( k P + jq = P + jq + Plo + jqlo, k = 1,..., n 1 (.14.b ij ij y i= k+ 1 y i= k+ 1 ij ij Adım 3. Heaplanan güçleri kullanarak hatlardan akan faz akımlarını itemde ondan kaynağa doğru Denklem (.15 i ile heapla. * ( f ( f _ ( f Pij + jqij I ij =, f = a, b, c (.15 j
19 Adım 4. Heaplanan hat akımlarını ve hat empedanını kullanarak Kirchoff Gerilim Yaaı ile bara gerilimlerini itemde kaynaktan ona doğru ileri yönde heapla. a j b j c j i = i i a b c Z Z Z aa ij ba ij ca ij Z Z Z ab ij bb ij cb ij Z Z Z ac ij bc ij cc ij I I I a ij b ij c ij (.16 Adım 5. Bir önceki gerilim değerleri ile heaplanan gerilimleri kullanarak gerilim hatalarını belirle. Eğer gerilimlere ait hata değerlerinden en büyüğü tanımlanan hata değerinden küçük ie işlemi onlandır. Değile. Adıma geri dön. Aynı gerilim ve akım heaplama teknikleri [7-8] de kullanılarak dengeli itemler için güç akışı algoritmaları geliştirilmiştir. Ayrıca [7] de verilen çalışmada hatlardan akan akımı ve dolayııyla bu akımlar kullanılarak bara gerilimlerinin otomatik olarak heaplanabileceği, bara ve hat bağlantılarının numaralandırılmaının otomatik olarak yapıldığı kodlama tekniği geliştirilmiştir. [8] de ie geliştirilen algoritmada gerilim heabında fider için uygulanan temel iterayonun dışında altfiderler için de gerilim heabı iteratif olarak heaplanmaktadır. Forward-Backward Subtitution Metod u [9], Kirchoff Gerilim ve Akım Kanunu nun bara gerilimlerine ve hat akımlarına uygulanmaı eaına dayanmaktadır. Algoritma yapıı nedeniyle dengeli ve dengeiz dağıtım itemlerinin güç akışı heabında geniş olarak kullanılmakta olup aşağıdaki adımlardan oluşmaktadır. Adım 1. Adım. Bara gerilimlerinin başlangıç değerlerini atayarak her bir yükün akımını heapla. En on yük baraından başlayarak yük ve hatların paralel kapaitör akımlarını kullanarak her bir hattan akan akımı Kirchoff Akım Kanunu ile heapla.
Adım 3. Kaynak gerilimi ve heaplanan kaynaktan çekilen akımı kullanarak Kirchoff Gerilim Kanunu, Denklem (.16 ile onraki bara gerilimini ve heaplanan gerilim ile ilgili hattan çekilen akımı kullanarak diğer bara gerilimlerini heapla. Adım 4. Bir önceki gerilim değerleri ile heaplanan gerilimleri kullanarak gerilim hatalarını belirle. Eğer gerilimlere ait hata değerlerinden en büyüğü tanımlanan hata değerinden küçük ie işlemi onlandır. Değile heaplanan gerilimleri kullanarak yük akımlarını belirle ve. Adıma geri dön. Bir diğer metot olan Ladder Network Theory [3] metodu Forward-Backward Subtitution Metot [9] ile çok benzerdir. Bu metoda ilişkin adımlar; Adım 1. Adım. Adım 3. Bara gerilimlerinin başlangıç değerlerini atayarak her bir yükün akımını heapla. En on yük baraından başlayarak yük ve hatların paralel kapaitör akımlarını kullanarak her bir hattan akan akımı Kirchoff Akım Kanunu nu kullanarak heapla. Hattaki akımları belirlerken aynı zamanda Kirchoff Gerilim Kanununa göre, Denklem (.17 ile bara gerilimlerini heapla. i i i a b c = a j b j c j Z + Z Z aa ij ba ij ca ij Z Z Z ab ij bb ij cb ij Z Z Z ac ij bc ij cc ij I I I a ij b ij c ij (.17 Adım 4. Adım 5. Kaynak geriliminin heaplanan yeni gerilimi ile gerçek değeri araındaki fark hata değerinden küçük ie işlemi onlandır. Değil ie 5. Adıma git. Kirchoff Gerilim Kanununa göre, Denklem (.16 ile kaynaktan ona doğru ileri yönde bara gerilimlerini heaplayarak. Adıma git. Mok ve Salama [31], dengeli dağıtım itemleri için bir metot geliştirmiştir. Bu metot, Forward-Backward Subtitution ve Ladder Network Theory metotları geliştirilerek oluşturulmuştur. Metoda ilişkin adımlar aşağıda verilmiştir.
1 Adım 1. Adım. İterayon ayıcıyı başlat (i=1, itemdeki bara gerilimlerinin başlangıç değerlerini belirle. Yük akımlarını heapla, eğer yükün gücü gerilime göre değişiyora gerilimi kullanarak yeni gücü bul. Adım 3. En on baradan başlayarak ondan kaynağa doğru hat akımlarını ve yeni bara gerilimlerini geri yönde Kirchoff Gerilim Yaaı nı, Denklem (.11.a yı kullanarak heapla. Adım 4. Heaplanan yeni bara gerilimlerini ve kaynak gerilimini kullanarak gerilim oranını belirle; yeni _ r (.18 = Adım 5. Kaynak için belirlenen gerilim oranını kullanarak yük gerilimlerini heapla; ayar k yeni k = (.19 _ r Adım 6. Adım 7. Adım 8. Yük akımlarını heapla, eğer yükün gücü gerilime göre değişiyora gerilimi kullanarak yeni gücü bul. Kaynaktan başlayarak yeni bara gerilimlerini Kirchoff Gerilim Yaaı nı, Denklem (.11.b yi ileri yönde kullanarak heapla. Heaplanan gerilimler ve bir önceki gerilimleri kullanarak hatayı belirle, eğer en büyük hata değeri eçilen hata değerinden küçük ie işlemi onlandır değil ie iterayon ayıını bir arttır ve. adımdan devam et. Sitemde alt fiderlerin bulunmaı durumunda her bir fider iterayonunda verilen adımlar alt-fiderler için de tekrarlanır. Bu durumda algoritmada verilen kaynak gerilimi yerine alt fiderlerin fidere bağlı olduğu baranın gerilimi kullanılır. Altfiderler için heaplamalar tamamlandıktan onra alt-fiderlerin toplam gücü ve akımı fidere bağlı oldukları baralara dahil edilerek algoritma fider için de uygulanmakta ve güç akışı tamamlanmaktadır. Ayrıca algoritmanın dengeiz itemlere uygulanabilmei mümkündür. Bu durumda 4. Adımda kaynak geriliminin faz bileşenleri kullanılarak her bir faz için gerilim oranı heaplanarak gerilim ayarı her yapılmaktadır.