Dağıtılmış Üretimin Kasıtlı Adalanmasının Koruma Sistemleri Üzerindeki Etkileri
- Hüseyin GÜZEL
- 18 hours ago
- 6 min read
Dağıtılmış Üretim (DG), #dağıtım sisteminin güvenilirliğini potansiyel olarak artırabilir. Bu artış, #DG'lerin kasıtlı ada (intentional islanding) veya sözde #mikroşebeke (microgrid) modunda çalışabilmesi sayesinde gerçekleşebilir ve bu durum ek teknik ve ekonomik avantajlar sunar. Mevcut IEEE standartları (eski #IEEE929 ve yeni #IEEE1547) ile UL 1741 standardı bu konuyu ele almamaktadır; ancak gelecekteki revizyonlarda bu hususun dikkate alınması planlanmaktadır.
Hâlihazırda bu alanda kapsamlı ve sürekli genişleyen bir #literatür mevcuttur. Birçok ulus, #seragazı emisyonlarını düşürme amacıyla #Kyoto Protokolü'nde tanımlanan hedeflere ulaşma çabasındadır. Dağıtılmış Üretim (DG), bu hedeflere ulaşmada kayda değer bir #alternatif teşkil etmektedir.
Dağıtılmış Üretim (DG) sistemlerinin mikro şebeke modunda işletilmesi, çevresel kazanımların yanı sıra teknik ve ekonomik avantajlar da sağlayabilir. DG'lerin kasıtlı ada (intentional islanding) veya mikro şebeke operasyonu, #enerji sistemi hizmet kalitesini yükseltebilir ve sistem güvenilirliğini artırabilir.
Geleneksel merkezi üretim sistemlerinin genişletilmesi bazı senaryolarda kısıtlayıcı faktörlerle karşılaşabilir ve bu durum, gelecekteki #elektrik talebi artışının ekonomik açıdan sürdürülebilir bir şekilde karşılanmasını engelleyebilir. Bu bağlamda, Dağıtılmış Üretim (DG) teknolojileri, yüklerin ve DG ünitelerinin yarı otonom bir yerleşim birimi içerisinde kümelenmesiyle (Mikro Şebeke olarak adlandırılır) bu zorluğa önemli bir çözüm alternatifi sunmaktadır.
Dağıtılmış Üretim (DG) ünitelerinin ada modunda çalışmasına izin verilmesi, DG sahibi, Dağıtım Şebekesi Operatörü (DŞO) ve son kullanıcılar için potansiyel #ekonomik kazanımlar sunabilir.
Dağıtılmış Üretim (DG) sahibi için temel ekonomik avantaj, şebeke arızası durumlarında ürettiği elektriği satarak elde ettiği ilave gelirdir. Dağıtım Şebekesi Operatörü (DŞO) perspektifinden bakıldığında, genel enerji arz güvenilirliğinde bir iyileşme sağlanabilir. Nihayetinde, dağıtım şebekesindeki kesintilerin frekans ve süresinde meydana gelen azalma, toplam işletme maliyetlerinin düşürülmesine katkıda bulunur.
Dağıtılmış Üretim (DG) ada işletmesinin #potansiyel çok sayıda faydasına karşın, operasyonunu sınırlayan çeşitli zorluklar ve teknik problemler bulunmaktadır. Mikro şebekelerin emniyetli ve etkin bir şekilde çalıştırılabilmesi için bu engellerin tanımlanması ve çözüme kavuşturulması gerekmektedir. Bu çalışmanın temel odak noktasını teşkil eden en önemli zorluklardan biri, #dağıtım sistemi koruma sistemleridir.
İçindekiler Tablosu:
1. DG Adalama
Genel tanımıyla adalama (islanding), bir Dağıtılmış Üretim (DG) biriminin ana şebekeden elektriksel olarak ayrılmış bir şekilde faaliyet göstermesi durumudur. Bu durum, şebekede meydana gelen bir kesinti esnasında ortaya çıkabilir. Mevcut #IEEE standartları, şebeke arızası anında DG ünitelerinin bağlantısının derhal kesilmesini zorunlu kılmaktadır.
Bu nedenle, bir DG genellikle bir adalama durumu oluştuğunda DG'yi ayırmaktan sorumlu bir #adalama tespit yöntemi ile donatılmıştır.
Adalama tespit yöntemleri üç ana gruba ayrılabilir:
İletişim tabanlı yöntemler,
Pasif yöntemler ve
Aktif yöntemler.
İletişim tabanlı yöntemler, temel olarak şebeke operatörü ve Dağıtılmış Üretim (DG) tesisleri arasında sinyal alışverişine dayanır. Bu metotlar, #pasif ve #aktif yaklaşımlara kıyasla genellikle daha yüksek maliyetlidir. Pasif yöntemler ise, belirli bir elektriksel parametrenin sürekli olarak ölçülmesine ve önceden belirlenmiş bir eşik değerle karşılaştırılması prensibine dayanır. Ölçülen #parametre eşik değeri aştığında, bir adalama (islanding) durumu tespit edilir.
Ada tespit yöntemlerinin üçüncü sınıfı olan aktif yöntemler, Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin ada durumuna geçmesinin ardından güç sistemi operasyonunda anormallikler oluşturarak müdahale eder. Bu müdahale, arayüz kontrol devresine frekans veya gerilim üzerinde pozitif geri besleme uygulanarak, DG'nin aktif ve reaktif güç çıkışının sürekli olarak modüle edilmesiyle veya DG tarafından bilinen bir dalga formunun (frekans, gerilim veya güç) sisteme enjekte edilmesiyle gerçekleştirilebilir.
Şekil 1, yardımcı anahtarın açılmasıyla Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin şebekeden ayrıldığı ve bir #RLC yükünü bağımsız olarak beslediği bir ada (islanding) durumunu şematik olarak göstermektedir.
Dağıtım sistemlerinde Dağıtılmış Üretim (DG) penetrasyonunun artmasıyla birlikte, kasıtlı ada (intentional islanding) operasyonu giderek daha çekici bir alternatif haline gelmektedir. Kasıtlı ada, dağıtım şebekesinin alçak gerilim seviyelerine entegre edilebilen #üretim kapasitesini maksimize etme ve eş zamanlı olarak tüketicilere iyileştirilmiş enerji arz güvenilirliği seviyeleri sunma potansiyeline sahiptir.
Bir #mikroşebeke, ana şebeke sisteminde meydana gelen önemli arızalara (örneğin, #devre kesicilerin açılması veya #güçkalitesi sorunları) karşı geçici bir çözüm olarak kasıtlı ada (intentional islanding) modunda çalıştırılabilir.
Bu tür bir stratejinin uygulanması, dağıtım şebekesi içerisinde etkin bir hücresel (cellular) yapı oluşturur. Bu çalışmanın temel odak noktası dağıtım sistemi koruması olduğundan, ada durumundaki Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin, ada içerisindeki yükleri standart gerilim ve frekans aralıklarında besleyebileceği varsayılmaktadır.
Ada (islanding) operasyonu için potansiyel Dağıtılmış Üretim (DG) adayları senkron ve evirici tabanlı DG üniteleridir. Asenkron bir DG'nin bir ada içerisindeki gerilimi destekleyebilmesinin yegane yolu kendi kendine uyarılmasıdır ve bu tür senaryolarda gerilim kontrolü karmaşık bir #problem teşkil eder.
Normal şebeke bağlantılı operasyon esnasında, dağıtım sistemi koordine bir #koruma şemasına sahip olacaktır. Bu şema, arızaların en az sayıda tüketicinin enerjisinin kesileceği şekilde giderilmesini sağlayacak biçimde tasarlanır. Söz konusu şema, bir devredeki koruma cihazları arasındaki seçiciliği optimize etmek amacıyla, şebekedeki olası arıza akımı seviyeleri aralığını büyük ölçüde kullanır.
Bir Dağıtılmış Üretim (DG) adası oluştuğunda, personel güvenliğini temin etmek ve olası zararları minimize etmek amacıyla meydana gelen herhangi bir arızanın hızlı bir şekilde #izole edilmesi kritik öneme sahiptir. Ancak, ada durumundaki bir DG'nin arıza akımına katkısı, şebeke bağlantılı (enterkonnekte) durumdaki katkısına kıyasla belirgin ölçüde daha düşük olacaktır.
Ada bölgesindeki #arıza akımlarının farklılık gösterebilmesi nedeniyle, mevcut koruma cihazlarının hatalı çalışması riski ortaya çıkabilir. Dağıtım sistemi koruma sistemlerinin büyük bir çoğunluğu, arıza akımının büyüklüğünün algılanması prensibine dayanmaktadır.
Senkron tabanlı Dağıtılmış Üretim (DG) üniteleri, mikro şebeke operasyonu esnasında arıza akımına katkıda bulunacaklardır. Bu nedenle, bu durumda akım algılama prensibine dayalı koruma cihazları kullanılabilir. Ancak, bu koruma cihazları tarafından algılanan arıza akımı, şebeke bağlantılı (enterkonnekte) ve mikro şebeke çalışma modlarında farklılık gösterecektir. Bu durum, koruma cihazlarının çalışma karakteristiklerini ve koordinasyonunu olumsuz etkileyebilir.
Evirici tabanlı Dağıtılmış Üretim (DG) üniteleri (Şekil 2), aşırı #akım röleleri gibi akım algılama prensibiyle çalışan koruma cihazlarını etkinleştirecek yeterli kısa devre akımı seviyelerini üretmezler. Bu durumda, rölelerin tetikleme eşikleri, paralel (şebeke bağlantılı) operasyonda sağlanan seçiciliği temin edecek şekilde ayarlanmalıdır.
Bununla birlikte, tasarlanan koruma sisteminin hem şebeke bağlantılı (enterkonnekte) hem de ada (islanding) #operasyon modlarında hızlı, seçici ve güvenilir bir şekilde işlemesini temin etmek gerekmektedir.
Şekil 2, evirici tabanlı bir Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin blok diyagramını göstermektedir. Bu diyagramda DG; birincil #enerji kaynağı, gerilim kaynaklı dönüştürücü (Voltage Source Converter - VSC), seri LCL filtresi, çıkış bağlantı noktası (konektörü) ve güç, gerilim ile akım kontrol döngüleri ile modellenmiştir.
Evirici tabanlı Dağıtılmış Üretim (DG) ünitelerinin bir arıza durumunda sağladığı düşük arıza akımı katkısı nedeniyle, ele alınması gereken iki temel endişe bulunmaktadır:"
İlk olarak, mikro şebeke operasyonu esnasında yüksek arıza akımlarına ihtiyaç duyan #sigortalar ve #röleler, yetersiz akım nedeniyle işlev göremeyebilir. İkinci olarak ise, koruma röleleri mikro şebeke modunda oluşabilecek düşük arıza akımlarını algılayacak şekilde hassas ayarlanırsa, motorların devreye alınması gibi normal işletme koşullarında yanlış tetiklemeler (istenmeyen açmalar) meydana gelebilir.
Dağıtılmış Üretim (DG) sistemlerinin şebekeye artan entegrasyonuyla birlikte, adalama (islanding) konusu giderek önem kazanmaktadır. Kasıtlı adalama (intentional islanding) uygulamak için, DG'nin paralel bağlantı anahtarlama cihazı (parallel switching device) veya arayüz #kontrol sistemi, hem gerilim hem de frekans seviyelerini belirlenen standart toleranslar içerisinde tutabilmelidir.
Şebeke bağlantılı (enterkonnekte) çalışma sırasındaki kısa devre akımı seviyeleri, koruma cihazlarından geçen akım değerlerinden farklı olacaktır. Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin kapasitesi ve kullanılan teknolojiye bağlı olarak, #kısadevre akımı seviyeleri koruma cihazlarını etkinleştirmek için yeterli büyüklükte olabileceği gibi, yetersiz de kalabilir. Bu durum, koruma sisteminin koordinasyonunu olumsuz etkileyebilir.
DG, sistem üzerinde farklı noktalarda bulunur ve kapasitesi aşağıdakileri karşılamak için değiştirilir:
Ada yükünden daha büyük bir DG kapasitesiyle kasıtlı ada oluşturma.
Ada yüküne yaklaşık olarak eşit bir DG kapasitesiyle kasıtlı ada oluşturma.
Ada yükünden daha az bir DG kapasitesiyle kasıtlı ada oluşturma.
Ada (islanding) koşullarında meydana gelen arıza akımlarındaki değişim, kesici-sigorta (sigorta tasarruf şeması) operasyonu üzerinde etkili olabilir. Arıza akımı büyüklükleri ve #koordinasyon eğrileri (herhangi bir örtüşme veya kesişme varlığı) dikkate alındığında, istenmeyen sigorta açmaları ve koordinasyon sorunları ortaya çıkabilir.
İncelenen sistem, bu tür sistemlerde bir otomatik tekrar kapayıcının (recloser) bulunması nedeniyle kırsal-banliyö niteliğindedir. Ada durumundaki Dağıtılmış Üretim (DG) kapasitesi farklı değerlerde ele alınarak, ortaya çıkan arıza akımı seviyeleri belirlenmiştir. Bu etkinin değerlendirilmesi amacıyla koruma koordinasyon eğrileri analiz edilmiştir.
Recloser'ların temel bağımsız uygulaması hakkında daha fazla bilgi edinin.
Dağıtılmış Üretim (DG) ünitelerinin kasıtlı olarak ada (intentional islanding) moduna geçirilmesi, koruma cihazları üzerinden ters yönde arıza akımlarının akmasına neden olabilir. Bu durum, sistemin elektriksel topolojisine bağlı olarak ortaya çıkar. Örneğin, bir #besleme hattı üzerinde konumlandırılmış ve komşu bir besleme hattını desteklemek üzere tasarlanmış bir DG varlığında bu senaryo gerçekleşebilir. Komşu besleme hattında meydana gelen herhangi bir arıza, bazı koruma rölelerinden ters yönlü arıza akımlarının geçmesine yol açacaktır.
Benzer şekilde, bir ada (islanding) içerisinde birden fazla Dağıtılmış Üretim (DG) ünitesinin bulunması durumunda da ters arıza akımları oluşabilir. DG ünitelerinin sisteme bağlantı konfigürasyonu ve arıza akımının izlediği yol, #koruma cihazları üzerinden akacak akımın yönünü belirleyecektir.
7. Özet
Yukarıda sunulan bulgular, ada (islanding) senaryosunun oldukça karmaşık bir yapıya sahip olduğunu ve güvenilir bir ada işletimi için gerekli olan ayarların ve modifikasyonların belirlenmesi amacıyla detaylı analizler yapılmasının zorunlu olduğunu ortaya koymaktadır. Nitekim, ada sistemleri için benimsenmesi gereken koruma prensipleri, şebeke bağlantılı (enterkonnekte) sistemlerden farklılık gösterecektir."
Bu nedenle, şebeke bağlantılı (paralel) ve ada (islanding) işletim modlarının her birinin kendine özgü dinamikleri ve koruma gereksinimleri olduğundan, bu iki farklı #işletim durumunu ayrı ayrı ele alan iki farklı yaklaşımın benimsenmesi gerekebilir.
Bu iki farklı yaklaşım göz önüne alındığında, bazı olumsuz etkiler mevcut bileşenlerin güncellenmesiyle azaltılabilirken, diğer etkilerin üstesinden gelmek için hem şebeke bağlantılı (paralel) hem de ada (islanding) işletim modlarına adapte olabilen bir koruma sistemi gereklidir. Bu amaçla, mikroişlemci tabanlı röleler ve iletişim temelli koruma uygulamaları kullanılarak uyarlanabilir bir koruma şeması hayata geçirilebilir.
Kaynak Doküman: Protection Coordination Planning With Distributed Generation by Dr. Tarek K. Abdel-Galil, Ahmed E.B. Abu-Elanien, Eng., Dr. Ehab F. El-Saadany, Dr. Adly Girgis, Yasser A.-R. I. Mohamed, Eng., Dr. Magdy M. A. Salama, Dr. Hatem H. M. Zeineldin at Qualsys Engco. Inc.
Comments