Yenilenebilir Kaynakları İçeren Güç Sistemlerinin PowerWorld Programı ile Analizi Yasin İçel 1, Burhan Baran 2, Asım Kaygusuz 2, Ömer Bektaş 3 1 Meslek Yüksekokulu, Elektrik ve Enerji Bölümü Adıyaman Üniversitesi, Adıyaman yicel@adiyaman.edu.tr 2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya burhanbaran@hotmail.com asim.kaygusuz@inonu.edu.tr 3 Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü Tunceli Üniversitesi, Tunceli omrbektas@hotmail.com Özetçe Bu çalışmada güç sistemlerinin analizinde profesyonel olarak kullanılan PowerWorld programı ile modern güç sistemlerinin analizi için örnekler sunulmuştur. Öncelikle program hakkında bilgi verilmiş ve kısaca tanıtılmıştır. Ardından güç sistemlerinde güç akış analizi, kararlılık analizi, alternatif enerji kaynaklarından rüzgâr enerjisinin sistem yük akışına ve iletim hatlarının yüklenmesine olan etkisi konularında örnekler yapılarak karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Bu örnekler ışığında PowerWorld programı güç akışı, kararlılık, iletim hatlarının yüklenme oranları ve özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme eklenmesiyle oluşabilecek etkinin analizi için kolaylıkla kullanılabileceği görülmüştür. 1. Giriş Enerji üretiminde, yenilenebilir enerji kaynaklarının payı gün geçtikçe artmaktadır. Rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı elektrik üretiminin, iklim ve çevre kirliliği üzerinde daha az olumsuz etkiye sahip olması, enerji üretimi için yakıt gerektirmemesi, tüketilecek enerjinin bölgesel üretilebileceğinden dolayı iletim hatlarında kayıpların minimize edilebilmesi gibi avantajlarından dolayı enerji üretimindeki payı gün geçtikçe artmaktadır [1]. Bu tür yenilenebilir kaynakların, geleneksel güç sistemine entegre edilmesinin önündeki en önemli güçlük, üretim süreksizliği ve belirsizlikleri olarak gösterilmektedir. Üretim belirsizlikleri ve süreksizlikleri, sistemin yük akışlarında anlık değişimlere neden olabilmektedir [2]. Mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde işletilmesi kadar, gelecekte sistemlerde meydana gelebilecek gelişmelerin planlanması yönünden de yük akış analizi etütlerinden elde edilen başlıca bilgiler, bir güç sisteminin planlaması, işletimi ve kontrolünde matematiksel modelinin kurulması, bara admitans ve empedans matrisleri, her barada geriliminin genliği, faz açışı ve her hatta akan aktif ve reaktif güçler oldukça önemli yer tutar. Bunun için Gauss - Seidel, Newton - Raphson ve Fast Decoupled Yük Akış Metodu gibi yöntemler geliştirilerek güç sistemi ve yük akış analizleri AC hesap boardları ile yapılmıştır. Bu işlem oldukça can sıkıcı ve zaman alıcıdır. Bilgisayarlardaki hızlı gelişmelerin sonucu olarak eskiden kullanılan analiz metotları yerlerini bilgisayar analiz metotlarına bırakmıştır. Bilgisayarların hızı, güvenirliği ve yüksek hassasiyeti, kısa zamanda güç sistemlerinin analizinde ve bilhassa yük akış analizinde en fazla kullanılan bir araç haline gelmelerine sebep olmuştur. Bilgisayarların, güç sistemlerinin analizinde kullanılmağa başlanması ile beraber nümerik analiz metotları da ön plana çıkmıştır. Büyük yapıdaki güç sistemlerinin analizinde bilgisayara dayalı çözüm tekniklerine gereksinim duyulur. Pratik, teorik ve eğitim amaçlı kullanımlarda güç sistemlerinin sayısal analizinde bilgisayar destekli programlara ihtiyaç her geçen gün artmaktadır [3]. Bilgisayar kullanımının yeni yaygınlaştığı dönemlerden itibaren bu amaçla birçok çalışma yapılmıştır [4,5]. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı ilerleme sayesinde ve grafik ortamının daha etkin kullanıldığı programlar geliştirilmiştir [6-8]. Güç sistemlerini birçok yönden inceleyebilen paket programlar geliştirilmiş olup kişisel bilgisayarlarda kullanıma hazır hale getirilmiştir. Örneğin: Mathcad, Mathematica, Matpower, Neplan, Pscad, Etap, PowerWorld, Uwpflow, Gyte, VST, ATP/EMTP ve PSpice gibi programlarla güç sistemlerinin değişik işletme ve çalışma şekillerine göre analizleri yapılabilmektedir [9-12]. Söz konusu programların hemen hemen hepsinde sonuçlar ya görsel olarak sunulmakta ya da ara işlemler gösterilmeden sadece istenen sayısal sonuçlar kullanıcıya aktarılmaktadır. Elde edilen bu sonuçlar karmaşık yapıdaki güç sistemlerinin analizinin yapılmasında mühendislere, operatörlere ve teknik elemanlara sistem hakkında ön bilgiler vermektedir. Kullanılan paket programlar güç sistemleri üzerinde gerçekleştirilecek işlemlerin bilinçli ve kontrollü bir şekilde yapılmasına imkân tanır.[12]. 27
2. PowerWorld Programı Güç analiz problemlerinin bilgisayarda çözümü 1950 li yıllarda başlamıştır. Bilgisayarlarda yük akış analizi ile uygulamalar yapılması güç sistemleri adına büyük faydalar sağlamıştır [13]. PowerWorld Simulator (PWS) güç akış analizi yapabilmek için geliştirilmiş bir programdır [14]. Yapılan modellemeler ve analizler sonucu mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde işletilebilmesi ve gelecekte sistemde meydana gelebilecek problemlerin değerlendirilmesi sağlanabilmektedir. Bu program ile her bir hattaki MW ve MVAR yük akışları, her bara geriliminin genliği, faz açısı, hatlardaki aktif ve reaktif güç akışları, gerilimlerdeki değişimler, hat kapasiteleri gibi durumlar bilgisayar ortamında hesaplanarak görüntülenebilmektedir. Bu simülatörde sisteme santral, iletim hattı, yük eklenebilir veya çıkarılabilir. Uzal ve ark. [15] İzmir ili ve çevresine ait güç sisteminin geleneksel güç akış algoritmasını ve Power World Simulator programı yardımıyla gerçek verilerle uyumlu modelleri oluşturulmuş ve bu modellerin ürettiği değerlerin gerçek sistemle neredeyse bire bir tuttuğunu gözlemlemişlerdir. Aydın ve ark. [16] ise, enerji iletim sistemlerinde seri kapasitörlerin gerilim kararlılığı açısından sistem büyümelerine etkileri konulu çalışmalarında, reaktif güç kontrolü ile sistemin gerilim kararlılığının sağlanmasında, seri kompanzasyon sistemlerinin kullanılmasının, pratik ve ekonomik bir çözüm olduğunu PowerWorld programı yardımıyla göstermişlerdir. Tablo 2: Hat değerleri Hat No: Rezistans Reaktans 4-5 0,0125 0,0650 4-6 0,0095 0,0580 4-8 5-8 6-7 7-8 0,0178 0,0950 0,0150 0,0100 0,0780 0,0900 0,0670 0,3000 Baralara ait gerilim açılarının dereceleri ve birim değerleri Şekil 1 de görüldüğü gibidir. 1.durum: Jeneratör ve yüklerin Tablo 1 de verilen aktifreaktif güçlerine ve iletim hatlarının Tablo 2 de verilen rezistans-reaktans değerlerine göre yük akış analizi ve geçici durum kararlılık analizinin yapılması. 2.1. Uygulama Örnekleri Örnek 1: Yük Akış ve Geçici Durum Kararlılığı Analizi: PowerWorld [14] programı ile modern güç sistemi analizini öncelikle örnek bir güç sisteminde inceleyelim. Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılacak sisteme ait güç, yük ve hat değerleri Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmiştir. Güç sistemi 8 bara, 3 jeneratör ve 2 yükten oluşmaktadır. 7. bara ile 8. bara arasında 1,00 sn. de başlayıp 1,80 sn. de biten bir faz-toprak arızası olması durumu incelenecektir. Simülasyon 12 sn. boyunca devam edecektir. Örnek güç sistemindeki mevcut güç ve yük değerlerine göre güç sistemin kararlılığının incelenmesi durumu, güç sistemindeki jeneratör ve yüklerin aktif-reaktif güç değerlerinin değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı duruma geçme sürelerinin değişmesi durumu ve jeneratör ile yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemin kararsızlığa gitmesi durumu sistemdeki jeneratörlerin rotor açılarının zamana ne göre incelenecektir. Şekil 1: Güç sistemi Geçici Durum Kararlılığı Analizinin yapılabilmesi için öncelikle sistemin yük akış analizinin yapılması gereklidir. Tablo 1 ve Tablo 2 deki değerlere göre Şekil 1 de verilen güç sisteminin yük akış analizi yapıldığı zaman akış yönleri Şekil 2 deki gibi elde edilmiştir. Tablo 1: Sisteme ait değerler Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör 1 147 MW 12 Mvar Jeneratör 2 110 MW 11 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük 2 140 MW 130 MW 115 MW 2 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Şekil 2: Güç sisteminin yük akış analizi 28
Ardından Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılmış ve Şekil 3 deki sonuçlar elde edilmiştir. Şekil 4: 2. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana Şekil 4 den de görüleceği üzere 1 nolu jeneratör 10,5. sn., 2 nolu jeneratör 11,5 sn. ve 3 nolu jeneratör ise 9,5 sn. den itibaren kararlı hale gelmişlerdir. Bu sistem kararlıdır. Şekil 3: 1. durum için jeneratör rotor açılarının zamana bağlı değişimleri Şekil 3 den de görüleceği üzere jeneratörler 1. saniyeden itibaren kararsızlığa başlamıştır. Ancak sistemin bu kararsızlığı giderebilecek yeteneği olması sebebi ile jeneratörlerin rotor açılarındaki kararsızlık zamanla azalıp 12. saniyede tamamen giderilmiştir. Bu sebeple bu sistem kararlı bir sistemdir. 2.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı duruma geçme sürelerinin değişmesi durumunun incelenmesi. 3.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemin kararsızlığa gitmesi durumunun incelenmesi. Tablo 4: 3. duruma ait güç sistemi değerleri Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör 1 287 MW 43 Mvar Jeneratör 2 80 MW 32 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük 2 120 MW 130 MW 200 MW 17 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Tablo 3: 2. duruma ait güç sistemi değerleri Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör 1 143 MW 13 Mvar Jeneratör 2 140 MW 18 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük 2 150 MW 130 MW 150 MW 6 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Şekil 5: 3. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana Şekil 5 incelendiğinde, her üç jeneratör de karasızlığa gitmiştir. Bu sebeple bu güç sistemi kararsızdır. 29
Örnek 2: Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Yük Akışına Etkisinin Analizi: Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde yük akışına ve iletim hatlarındaki yüklenmelere olan etkisini incelemek için, yapısında iki rüzgâr türbini bulunan bir sistem PowerWorld programında benzetimi yapılarak analiz edilmiştir. ile 3. ve 5. baralar arasındaki iletim hatlarında yüklenme oranları oldukça yükselmiştir. Rüzgâr türbinlerinin sisteme olan etkisini incelemek için türbinler aktifleştirildiğinde sistemin yük akışı Şekil 8 de gösterildiği şekilde olmaktadır. Şekil 6 da 7 bara, 3 jeneratör, 2 rüzgâr türbin, 6 yük ve 11 hattan oluşan sistemde rüzgâr türbinlerinin aktif edilmeden önceki yük akış durumu gösterilmiştir. Şekil 8: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonraki durumu Şekil 6: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki durumu Şekil 9: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonraki durumu Şekil 7: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki durumu Şekil 7 de ise sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2. baranın (salınım barası) durumu gösterilmiştir. Sisteme dikkat edilecek olursa yük akışlarının 2 nolu baradan diğer baralara doğru olduğu görülmektedir. Özellikle 2. bara Şekil 9 da rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonra sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2 nolu baranın durumu gösterilmektedir. Dikkat edilecek olursa sistemin ihtiyaç duyduğu enerjiyi ilk durumda 2. baraya bağlı jeneratör tek başına sağlarken (375 MW) ikinci durumda ihtiyaç duyulan enerjinin elde edilmesinde rüzgâr türbinleri de etkili olmuş ve ana jeneratörün ürettiği enerji azalmıştır (162 MW). Ayrıca baralar arasındaki yük akışlarında da değişiklik görülmektedir. İlk durumda 2. baradan 1. baraya yük akışı 30
olurken ikinci durumda bu yük akışı tersine dönmüş ve 1. baradan 2. baraya doğru akmaktadır. Enerji sistemlerinde en önemli kayıplardan biri iletim hatlarındaki kayıplardır. Sistem incelendiğinde 1. durumda iletim hatlarında özellikle 2. bara ile 3. bara ve 5. bara arasında yüksek oranda yüklenme meydana geldiği görülmektedir. Bu da iletim hatlarında ciddi kayıplar meydana geleceğini göstermektedir. Rüzgâr türbinleri devreye alındığında bu hatlardaki yüklenmelerin ciddi oranda düştüğü görülmektedir. Bu da alternatif enerji kaynaklarının sisteme sağladığı en önemli katkılardan biridir. PowerWorld programı ile güç sistemlerinde yer alan iletim hatlarındaki yüklenmelerin hassasiyetleri de incelenebilmektedir. Örnek güç sistemimizde rüzgâr türbinleri devre dışı iken güç sisteminde yer alan iletim hatlarının bazılarında dengesiz yüklenmeler meydana gelmektedir (Şekil 10). Şekil 12 de ise her iki rüzgâr türbini de devreye alındığında güç sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede düzelme meydana gelmiş ve iletim hatlarındaki aşırı yüklenme ve dengesizlik ortadan kalkmıştır. Güç sisteminde yük akışı ve iletim hatlarındaki yüklenme dağılımı kararlı hale yaklaşmıştır. Şekil 12: Örnek sistemin rüzgâr türbinleri aktif olduğunda iletim hatları yüklenme durumu Şekil 10: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki iletim hatları yüklenme durumu Şekil 11 de, 1. Rüzgar türbini devreye alındığında güç sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede düzelme meydana gelmemiş hatta iletim hatlarında aşırı yüklenme ve dengesizlik artmıştır. Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinin kararlılıklarına olan etkisi, 2. bara ile 1. bara arasında 1,00 saniyesinde başlayıp 1,80 sn. de biten bir faz-toprak arızası olması durumu Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılarak incelenecektir. Simulasyon 10 sn. boyunca devam edecektir. Örnek güç sistemindeki güç ve yük değerlerinin değişiminden oluşan iki farklı duruma karşılık sistemdeki jeneratörlerin rotor açılarının zamana göre değişimlerini gösteren şekillerden kararlılıkları incelenecektir. Şekil 13 de 1. durum için güç sisteminde rüzgâr türbinleri aktif değilken iki bara arasında arıza meydana geldiği durum incelenmiş ve sistemin karasız olduğu görülmüştür. Şekil 11: Örnek sistemin 1. rüzgâr türbini aktif olduğunda iletim hatları yüklenme durumu Şekil 13: 1. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana 31
Şekil 14 de rüzgâr türbinleri devreye alındığında (2.durum) güç sisteminde yer alan rüzgâr türbinlerinin ve 2. bara jeneratörünün (slack jeneratör) aynı arıza durumunda başlangıçta kararsız bir çalışma gösterip daha sonra kararlı hale geldiği görülmüştür. Bu da alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde kararlık açısından olumlu etkiler meydana getirdiğini göstermektedir. Şekil 14: 2. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana 3. Sonuç Güç akışı, kararlılık gibi analizlerin güç sistemlerinin işletilmesi ve planlanması açısından ne kadar büyük bir önem taşıdığı bilinmektedir. Bu analizler literatürde büyük bir paya sahiptir. Ayrıca araştırmaların yenilenebilir kaynakları içeren sistemleri de kapsayacak şekilde yapılması ve tüm sistemin beraber değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, örnek güç sistemlerinin PowerWorld Simulator programı yardımıyla gerçek verilerle uyumlu modelleri oluşturulmuştur. Güç sistemlerinde yük akışının nasıl olacağı, hangi durumlarda yük akışlarının yön değiştirdiği gösterilmiştir. Kararlı bir şekilde çalışan bir güç sisteminin hangi durumlarda kararsız hale geçtiği incelenmiştir. Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde iletim hatlarında meydana gelen kayıpları elime ettiği, iletim hatlarındaki yüklenmeye ve güç sistemlerinin kararlılıklarının sağlanmasında olumlu etkileri olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak PowerWorld programı ile güç sistemlerinde değişik senaryolar için gerçek sistemin nasıl tepki verebileceği bilgisayar desteği ile kolaylıkla benzetimi yapılarak incelenebileceği görülmüştür. Kaynakça [1] JA Pecas Lopes ve N Hatziargyriou, "Integrating Distributed Generation İnto Electric Power Systems: A Review Of Drivers, Challenges and Opportunities, Electric Power Systems Research, Cilt:77, s:1189-1203, 2007. [2] A. Kaygusuz ve O. Gül, Yenilenebilir Dağıtık Üretim Koşullarının Güç Sistemlerinin Yük Akışına Etkilerinin Analizi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt: 2, No: 4, s:77-85,2012 [3] F.C. Berry, P.S. DiPiazza ve S.L. Sauser, The Future of Electrical and Computer Engineering Educatio, IEEE Transactions on Education, Cilt:46, No:4, s:467-476, 2003. [4] T.H. Ortmeyer, Applications of Microcomputers in Power System Protection Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:3, No: 4, s:1847-1850, 1988. [5] Y. Tamura ve I. Morie, Development of Power System Simulator Research and Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:5, No: 2, s:492-498, 1990. [6] V.A. Levi ve D.P. Nedic, Application of the Optimal Power Flow Model in Power System Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:16, No: 4, s: 572-580, 2001. [7] S. Islam ve N. Chowdhury, A Case-Based Windows Graphic Package for the Education and Training of Power System Restoration, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:16, No:2, s:181-187, 2001. [8] J.R. Shin ve W.H. Lee, A Windows-Based Interactive and Graphic Package for the Education and Training of Power System Analysis and Operation, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:14, No: 4, s:1193-1199, 1999. [9] E. Allen ve N. LaWhite, Interactive Object- Oriented Simulation of Interconnected Power Systems Using SIMULINK, IEEE Transactions on Education, Cilt: 44, No:1, s: 87-95, 2001. [10] T. Gözel ve M.H. Hocaoğlu, Güç Sistem Analizi İçin Grafik Kullanıcı Arabirimi, Eleco 2004 Elektrik- Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, s:301-305. 2004. [11] S. Ayasun ve C. Dafis, Symbolic Analysis and Simulation for Power System Dynamic Performance Assessment, IEEE Power Engineering Society General Meeting, Cilt:1, s:823-831, 2005. [12] G. Koçyiğit, Güç Sistemlerinin Bilgisayar Ortamında Modellenmesi, Analizi Ve İnternet Üzerinden Eğitim Amaçlı Programlarının Tasarlanması, Marmara Ünv. Fen Bilimleri Ens., Doktora Tezi, İstanbul, 2008. [13] İ. Tosun, Güç Sistemleri Eğitimi İçin Matlab GUI Tabanlı Bir Yük Akış Simülatörü, Fırat Ünv. Fen Bilimleri Ens., Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, 2008. [14] www.powerworld.com [15] H.Uzal, A.Zonturlu, B.Kalaycı, E.Karatepe, F.Ugranlı, K.Bülbül, İzmir İli ve Çevresi Elektrik Şebekesinin Farklı Senaryolar Altında İncelenmesi, II. Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi, İzmir-Türkiye, 24-27 Kasım 2011 [16] F. Aydın, Y. Uyaroğlu, M.A. Yalçın, Enerji İletim Sistemlerinde Seri Kapasitörlerin Gerilim Kararlılığı Açısından Sistem Büyümelerine Etkileri, III. Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli, 2009. 32