ELEKTRK GÜÇ SSTEMNE ALI RÜZGÂR ENERJS DÖNÜÜM SSTEMLERNN ÜTÜNLEK MODELLENMES Özgür Salih Mutlu Eyüp Akpnar Dokuz Eylül Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendislii ölümü Kaynaklar Yerlekesi, 35160 uca / ZMR eyup.akpnar@deu.edu.tr, ozgurmutlu@yahoo.com ÖZET u çalmada rüzgâr enerjisi dönüüm sistemlerinden oluan ebeke balantl rüzgâr enerjisi santrallerinin bütünleik modellenmesi ile ilgili bilgiler verilmi ve örnek olarak seçilen rüzgâr enerjisi santrali için bütünleik model gelitirilmitir. ütünleik model ile elde edilen sonuçlar detayl model ile karlatrlmtr. Anahtar Kelimeler: Rüzgâr Enerjisi Santrali, Rüzgâr Enerjisi Dönüüm Sistemi, ütünleik Modelleme 1. GR Elektrik güç sistemi içerisinde elektrik enerjisi üretimi için rüzgâr enerjisi dönüüm sistemleri(reds) giderek daha fazla pay almaktadr. u durum rüzgâr enerjisi dönüüm sistemlerinin elektrik güç sistemi ile balantsnda karlkl etkileimleri aratrmay gerekli klmaktadr. Konu ile ilgili planlama ve iletme safhalarnda doru sonuçlar veren analizlerin yaplabilmesi için yeterli teknik bilgi içeren, doru varsaymlarla sadeletirilmi ve incelenecek konu bal ile ilgili doru girdilere sahip modellerin gelitirilmesi arttr. Önceki yllarda rüzgâr enerjisi santralleri; güç sisteminde herhangi bir aktif rolü bulunmayan, büyük konvansiyonel/nükleer santrallerin yannda sadece deneysel/bölgesel santraller olarak kabul edilen, sistem açsndan sadece problem kayna olarak gösterilen, sisteme faydasnn snrl olabilecei deerlendirilen ve sistemdeki her olaan d durumda sadece kendi sistemlerini korumak için sistem ile irtibatn koparan santraller olarak görülmekteydiler. Ancak rüzgâr enerjisinin üretimdeki paynn elde edilen deneyimlere bal olarak gelien teknoloji ile artmas bu öngörünün deimesini gerekli klmaktadr. Ulusal ve uluslar aras yaplan çalmalar sonucu gelitirilen ebeke balant kriterleri-grid codes ile uyumlu rüzgâr enerjisi dönüüm sistemleri; iletim sistemine balanan, düük gerilimde sistem ile irtibatn kurallara uygun biçimde salayan, sistemin gerilim ve frekans kontrolüne katkda bulunan büyük güçlü birer üretim santraline dönümektedirler. ebeke iletme sorumlular; rüzgâr santralinin balanaca ebeke noktasnda yapaca etkinin daima pozitif yönde olmas ve kontrollü olmasn art komaktadr. unun nedeni rüzgâr enerjisinin ebekedeki paynn artmas ile konvansiyonel sistemlerin paynn göreceli biçimde dümesi ve sistem kontrolü ile ilgili görevlerin bir ksmnn yeni rüzgâr santralleri tarafndan yüklenilmek zorunda olmasdr. u durumda planlama ve iletme aamasnda rüzgâr santrali ile ebekenin birlikte doru biçimde modellendii bilgisayar simülasyonlar ile çalmalar yaplmas, rüzgâr santralinin ebeke ile karlkl etkileimini incelemek için zorunludur. Yaplacak bilimsel çalmalar ile birbirinden farkl koullarda; her iki taraf için kritik konular analiz edilir ve oluabilecek problem sahalar için çözüm yollar aratrlr. ilgisayar simülasyonlarnn sahada ya da üretim tesislerinde yaplacak ölçümler ile karlatrlmas; sonuçlarn dorulanmasn ve daha sonra yaplacak yeni analizler için yeni yöntemler gelitirilmesini salar. Elektrik güç sistemi ile rüzgar santralinin ayn simülasyon program içinde modellenme zorunluluu bir takm problemleri de beraberinde getirir. irbirine bal binlerce elektriksel noktay içeren ve belli bölümleri sonsuz bara olarak kabul edilebilen elektrik güç sisteminin modellenmesinde birçok basitletirme-bütünletirme yaplmak zorundadr. u durum rüzgâr santrali tarafnda da detayl modellerin elektrik güç sistemi çalmasna uygun biçimde sadeletirilmesini gerektirir. u sadeletirme yaplrken dikkat edilmesi gereken nokta, incelenen konu balklarn etkileyen parametreleri doru belirleyebilmektir. Rüzgâr enerjisi sistemlerinin elektrik güç sistemleri 90
simülasyonlar için bütünleik modellenmesi bu ihtiyac karlayan bir seçenektir. Geçerli bir bütünleik rüzgar santrali modeli, yüzlerce REDS den oluan rüzgar santrallerinin elektrik güç sistemi simülasyon platformlarnda doru ve hzl bir biçimde modellenmesini salayabilir. 2. ÜTÜNLEK MODELLEME Konu ile ilgili farkl çalmalar yaplarak yaynlanmtr. ilezikli asenkron jeneratör ile kurulmu rüzgâr santralleri için, türbinler farkl rüzgârlara maruz kalsa da, detayl rüzgâr santrali modeli yerine hem kararl hal analizlerinde hem de dinamik analizlerde kullanlabilecek, balant noktasnda sadece bir rüzgâr türbini ile oluturulan bütünleik rüzgâr santral modeli gelitirmitir [1]. Tek makineden oluan bütünleik model yannda birden fazla makine ile oluturulan bütünleik makine modellerinin farkl sonuçlar detayl rüzgâr santrali modeli ile karlatrlarak sunulmu ve birden fazla makineden oluan bütünleik modelin gerilim kararll ile ilgili yaplan çalmada doru sonuçlar verdii belirtilmitir [2]. Türbinleri tamamen ayr olarak modellenmi detayl rüzgar santrali modelleri ile bütünleik rüzgar santrali modellerinin ksa süreli ebeke hatas ile ilgili simülasyon sonuçlar verilerek, analizler sonucu belirlenen farkllklara dikkat çekilmitir[3]. u çalmada örnek olarak seçilen rüzgâr enerjisi santrali için bütünleik model gelitirilmi ve sonuçlar detayl model ile karlatrlmtr. ekil 2.1 Rüzgar Enerjisi Santrali nin (a) Tam Modellenmesi (b) ütünleik Modellenmesi ebeke balantl rüzgâr enerjisi santralleri güç sistemi çalmalarna yönelik farkl seviyelerde modellenebilirler. Az sayda (1-10 Adet) REDS içeren rüzgâr enerjisi santralleri detayl modellenebildii gibi, göreceli fazla sayda rüzgâr enerjisi dönüüm sisteminden kurulu bulunan rüzgâr enerjisi santrallerinin detayl modelleri yerine güç sistem analizlerine uygun olarak üretilmi bütünletirilmi modelleri tercih edilebilmektedir. N sayda rüzgar enerjisi dönüüm sisteminden oluan örnek rüzgar enerjisi santralinin tek hat emas ekil 2.1(a) da verilmitir. Jeneratörler, kompanzasyon kapasitörleri ve transformatörler ayn etiket deerlerine sahiptir. u örnek sistemin bütünleik modeli; N saydaki jeneratör, kompanzasyon kapasitörü ve transformatörü, her bir elemandan sadece bir adet içeren tek bir dönüüm sisteminde bütünletirerek elde edilir. Örnek sistemin bu ekilde oluturulan bütünleik modeli ekil 2.1(b) de verilmitir. ütünleik modelde, her bir elemann per-unit empedanslar orijinal deerlerinde tutulurken, güç baz deeri N ile çarplmtr. u kapsamdaki bütünletirme ileminde tüm türbinler ayn yönden 91
ve ayn iddette rüzgâr aldnda sonuçlarn matematiksel olarak karlatrlmas yaplabilir. 3. RÜZGÂR ENERJS SANTRAL Alaçat transformatör merkezine bal bulunan rüzgâr enerjisi santrali üzerinde yaplan çalmalar sonucunda, rüzgâr çiftlii ile ilgili detayl tam model oluturulmu ve elde edilen sonuçlar deerlendirilmitir. Yaplan çalmada kullanlan sistem elemanlar ile ilgili detayl bilgiler ve tam model bilgileri [4-5] ile verilmitir. 12 adet bilezikli asenkron jeneratör ile donatlm REDS bulunduran santral, 34,5 kv. gerilim seviyesinden enterkonnekte ebekeye Alaçat transformatör merkezi üzerinden balanmtr. ekil 3.1 REDS Kontrol Sistemi Rüzgar enerjisi santrali izleme noktasna irtibat bulunan her bir REDS kontrol ünitesinin balant emas ekil 3.1 de verilmitir. Kontrol ünitesi rüzgâr enerjisinden maksimum ekilde elektrik enerjisi üretebilmek için, REDS çknda ölçtüü akm ve gerilim bilgisine göre en uygun kanat açs ve rotor direnç deerini belirlemektedir. Alaçat transformatör merkezine bal bulunan rüzgar enerjisi santralinin bütünleik modelinin elde edebilmesi için ekil 3.2 de verilen devre kullanlm ve sonuçta ekil 3.3 de verilen edeer devre kullanlmtr[6]. ekil 3.2 Edeer devre elde edilmesi için kullanlan devre ekil 3.3 Edeer Devre 4. ÜTÜNLEK MODEL PSCAD SMÜLASYON SONUÇLARI u bölümde, sistemin kararllk snrlarna ana parametrelerin etkisi bütünleik model sonuçlar yardm ile incelenmitir. Sonuçlar ayn zamanda bilezikli asenkron jeneratör kullanan rüzgâr enerjisi santrallerinde kararllk konusu hakknda deneysel bilgiler içerir. Üzerinde çallan parametreler; güç sistemi elemanlar, rotor direnci kontrolü ve transformatör merkezi gerilim seviyesidir. PSCAD/EMTDC ile gerçekletirilen simülasyonlarda rüzgâr enerjisi santralinin bütünleik modeli kullanlmtr. ilezikli asenkron jeneratöre uygulanan bütünleik mekanik tork adm adm arttrlarak jeneratöre uygulanabilecek maksimum mekanik tork (T emax ) belirlenmitir. Jeneratöre uygulanan mekanik torkun maksimum deeri geçmesi durumunda asenkron jeneratör kararlln kaybeder. N adet REDS den oluan santralde salnm eitliinin saysal toplamnn alnmas eklindeki bütünletirme yöntemi per-unit olarak (4.1) ile verilmitir[7]. H eylemsizlik sabiti, P in ve P out ise REDS in giri ve çk güçleridir. H N i1 N H, P P, P P. d dt i in ini i1 out N outi i1 2 H Pin Pout (4.1) 4.1 Güç Sistemi Elemanlarnn Etkisi ekil 4.1 bütünleik model ile iki farkl durum için gerçekletirilen PSCAD/EMTDC simülasyon sonuçlarn tork-hz erileri ile göstermektedir. Sürekli çizgi ile verilen eride yuvarlak rotorlu asenkron jeneratör ebekeye arada iletim hatt, transformatör ve yer alt kablolar olmadan (kuvvetli ebeke) direk olarak balanm ve T EMAX1, EMAX1 deerleri elde edilene kadar simülasyon yinelenmitir. kinci olarak ayn jeneratör ebekeye arada saylan sistemler eklenerek balanm (T EMAX2, EMAX2 ) noktalar elde edilmitir. Her iki 92
simülasyonda rotor hz kontrol sistemi sabit deerde çaltrlmtr. ütünleik model ile yaplan bu simülasyon sonucunda beklendii gibi; jeneratörde maksimum torkun rotor direnci deeri ile deimedii, ancak maksimum torkun olutuu kayma deerinin direnç deerine bal olduu görülmütür. REDS kontrol ünitesi tarafndan sistemden alnan bilgilere göre yaplan rotor direnç deeri kontrolünün etkisi tork-hz grafiklerinden görülmektedir. 4.3 Transformatör Gerilim Seviyesi Etkisi ekil 4.1 ki farkl durum için tork-hz erisi ütünleik model ile gerçekletirilen simülasyon sonuçlarndan; ebeke ile REDS nin balantsn salayan güç sistemi elemanlarnn empedansnn artmas sonucu jeneratöre uygulanabilecek maksimum mekanik torkta azalmaya neden olduu gözlenmitir. ebeke ile REDS arasnda uygun balant noktasnn belirlenmesinde daima en düük empedans deeri ve en yüksek gerilim seviyesi tercih edilir. ekil 4.3 bütünleik model ile iki farkl durum için gerçekletirilen PSCAD/EMTDC simülasyon sonuçlarn tork-hz erileri ile göstermektedir: Sürekli çizgi ile gösterilen eride REDS nin bal bulunduu ortak balant noktasnda gerilim seviyesi nominal deerinde tutulmu; T EMAX1 ve EMAX1 deerleri alnmtr. kinci olarak ortak balant noktasnda gerilim seviyesi nominal deerinin %80 nine indirilmi ve T EMAX2 ve EMAX2 deerleri alnmtr. 4.2 Rotor Direnç Kontrolü Etkisi ekil 4.2 bütünleik model ile üç farkl durum için yaplan simülasyon sonuçlarn tork-hz erileri ile göstermektedir. Simülasyonda rotor direnç kontrol sistemi parametresi deitirilerek rotor direnci deitirilmi ve sonuçlar kaydedilmitir. 1 > 2 > 3 olup azaldkça rotora bal direnç deeri artmaktadr. ekil 4.3 ki farkl durum için tork-hz erisi. ütünleik model ile yaplan bu simülasyon sonucunda ortak balant noktasnda gerilim seviyesinin dümesinin jeneratöre uygulanabilecek maksimum mekanik torkta azalmaya neden olduu gözlemlenmitir. u durum yüksek rüzgâr hz görüldüü (rüzgâr enerjisi santralinin aktif güç çknn artt) durumlarda ortak balant noktasnda görülecek gerilim dümelerinde REDS lerinin koruma amaçl devre d kalabileceini göstermektedir. ekil 4.2 Üç farkl durum için tork-hz erisi 5. ÜTÜNLEK VE TAM MODEL PSCAD SMÜLASYON SONUÇLARININ KARILATIRILMASI Rüzgar çiftlii için gelitirilen modelin PSCAD/EMTDC simülasyon programndaki 93
sonuçlar, tam modele ait sonuçlar ile dorulama amaçl karlatrlmtr. ütünleik modelin, rüzgar çiftliinin ortak balant noktasnda ebeke ile etkileimlerini modelleyebilmedeki yeterlilii, tam model sonuçlar ile bütünleik model simülasyon sonuçlarnn farkl koullar için karlatrlmas vastasyla irdelenmitir. ekil 5.1 ve ekil 5.2 srasyla, tam model ve bütünleik modele ait aktif/reaktif güç çklarn göstermektedir. ki modelin güç erilerinin eimlerinin farkl olmasnn nedeni; tam modelde jeneratörlerin srasyla (tek tek) rüzgârdan güç üretmeye balamas, bütünleik modelde ise tek jeneratörün üretime geçmesidir. Modelleme detaynn deimesi simülasyon süresi ve zaman sabitinin büyüklüünü etkilemektedir. Nominal iletme koullar olarak; dengeli kaynak gerilimi, hatasz iletme, rüzgâr hz bilgisinde gürültü birimi bulunmamas ve tüm türbinlerin ayn rüzgâr hzn almalar belirlenmitir. Nominal iletme koullar için bütünleik model, tam modele ait simülasyon sonucundaki aktif ve reaktif güç deerlerini karal çalma koulunda yakalamtr. u sonuç bütünleik modelin güç sistemleri çalmalarndaki kararl hal analizlerinde, ortak balant noktasnda rüzgâr çiftlii-ebeke etkileimini incelemek için yeterli olabileceini göstermitir. ekil 5.2 ütünleik model ile rüzgar çiftlii aktif(p) ve reaktif(q) güç çk ekil 5.3 ve ekil 5.4 srasyla tam model ve bütünleik modelin ortak balant noktasndaki üç fazl akm dalga ekillerini kararl hal için göstermektedir. Mevcut rüzgâr çiftlii sisteminde, rotorda bulunan dorultuculu direnç kontrol düzenei nedeniyle harmonikler oluur. Tam modelde on iki jeneratörün farkl dalga ekillerine sahip akm çklar, karlkl etkileim sonucu toplam akmdaki harmonik iddetini azaltmtr. Tam modelde yer alan on iki jeneratör yerine bütünleik modelde tek jeneratör ile tüm jeneratörlerin modellenmi olmas sebebiyle toplam akm dalga eklindeki harmoniklerin etkisi azalmaktadr. ekil 5.1 Tam model ile rüzgar çiftlii aktif(p) ve reaktif(q) güç çk ekil 5.3 Tam modelin toplam akm 94
ekil 5.4 ütünleik modelin toplam akm ekil 5.5 ve ekil 5.6 srasyla tam model ve bütünleik modelin 150 ms. lik ebeke hatasnda aktif ve reaktif güç çklarnn sonuçlarn göstermektedir. ebeke hatas olarak, ebeke ile rüzgâr çiftlii ortak balant noktasn irtibatlandran iletim hattnda 150 ms. süreli üç faztoprak ksa devresi oluturulmutur. Hata an dnda nominal iletme koullar sürdürülmütür. Grafiklerden görüldüü üzere hata sonrasnda aktif ve reaktif güç dalga ekilleri her bir model için farkl karakter göstermitir. Hata sonrasndaki etkileim sonuçlar her ne kadar farkl olsa da, güç sistemi çalmalarnn kararl hal analizleri için, bütünleik model ile elde edilen sonuçlarn yeterli olduu deerlendirilmitir. ekil 5.6 150 ms. lik ebeke hatasnda bütünleik model aktif(p) ve reaktif(q) güç çklar. 6. SONUÇLAR Rüzgâr enerjisi dönüüm sistemlerinin enerji sistemi içinde yük olarak deil enerji santralleri olarak kabul edilerek dinamik tepkilerin incelenmesi yeni ebeke balant koullarnn temelini oluturmakta ve modellemenin bu yaklamla oluturulmasn da zorunlu klmaktadr. Rüzgâr çiftliklerinin enerji sistemi ile birlikte modellenmesinde bu çalmada sunulan edeer modelleme teknii kullanlabilir. Her bir REDS nin mekanik zaman sabitleri birletirilmi modele (4.1) eitlii ile verildiinden, geçici durum analizlerinde sonuçlar detayl model sonuçlaryla bire bir örtümese de kararllk snrlarnn belirlenmesinde bütünleik modelin kullanlabilecei anlalmaktadr. Teekkür u çalma proje numaras 105G129(106G102) olan Türkiye Elektrik Sisteminde Güç Kalitesine Etki Eden Deikenleri ve Güç Akn zleme, Problemlerinin Tespiti, Deerlendirilmesi ve Kar Önlemlerin Hayata Geçirilmesi Projesi kapsamnda TÜTAK ve TEA tarafndan desteklenmitir. Desteklerinden dolay TÜTAK ve TEA a teekkür ederiz. KAYNAKLAR ekil 5.5 150 ms. lik ebeke hatasnda tam model aktif(p) ve reaktif(q) güç çklar. [1]. Fernandez L. M., Francisco J. ve Saenz, J. R., Aggregated dynamic model for wind farms with doubly fed induction generator wind turbines, Renewable Energy 33 (2008) 129 140. [2]. Akhmatov V. ve Knudsen H., An Aggregate Model of a Grid-Connected, Large-Scale, Offshore Wind Farm for Power Stability Investigations- Importance of Windmill Mechanical System, Electrical Power and Energy Systems, 24 (2002), 709-717. 95
Engineering Volume 30, No. 3, 2006, 171 186 [4]. Mutlu, Ö.S. ve Akpnar, E. (2005). ebeke Kesintilerinin Asenkron Jeneratörlü Rüzgar Enerjisi Dönüüm Sistemi Üzerinde Etkisi., III. Yenilenebilir Enerji Kaynaklar Sempozyumu, Mersin-Turkey.157-163. [5]. Mutlu, Ö.S., Akpnar, E. ve alkc, A. (2009). Power Quality Analysis of Wind Farm Connected to Alaçat Substation in Turkey. Renewable Energy 34(5). Pages 1312-1318 [6]. Mutlu, Ö.S.(2009) Effects of Wind Turbines on Power System Operation-Rüzgar Türbinlerinin Güç Sistemi letmesi Üzerine Etkisi, Doktora Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi. [7]. Shafiu, A., Anaya-Lara, O., athurst, G. ve Jenkins, N. (2006). Aggregated Wind Turbine Models for Power System Dynamic Studies, Wind Engineering, Volume 30(3). 171-186. 96