Geleceğin Enerji Yapısı ve Akıllı Şebekeler
Yazı Dizisi-1
Hasan Basri Çetinkaya

Giriş

Günümüzün güç sistemleri, 1883 yılında TESLA’nın yayınladığı tasarım esaslarına göre kurulmuştur. İlgili dönem için merkezi üretimler, talep kontrolü ve tek yönlü iletim sistemleri mantıklı olmasına karşın, geleceğin dağıtılmış üretim ihtiyaçlarını karşılayacak bir yapıda değildir. İzleme ve kontrol sistemleri yetersizdir.

Mevcut enerji yapısında elektrik enerjisinin sürekliliği çok kritik bir duruma gelmiştir. İletişim, sağlık, finans, ısıtma/soğutma gibi birçok hayati fonksiyon elektrik enerjisine ihtiyaç duymakta ve yokluğunda ciddi problemler oluşabilmektedir. Enerjinin sürekliliği, sürekliliğe sahip enerji kaynaklarına ihtiyaç duymaktadır. Bu nedenle dünya döndükçe varlığını sürdürecek yenilenebilir kaynaklardan elde edilecek enerjinin önemi çok yüksektir. Bununla birlikte yenilenebilir üretimin kaynak yapısı, alternatif akımın karakteristiği ve mevcut dağıtım şebekesinin yapısı, üretim entegrasyonunun güvenirliliği ile ilgili bazı soruların oluşmasına neden olmaktadır. Bu sorunların etkisinin minimize edilmesi ve güvenilir/sürdürülebilir bir enerji yapısı için, daha çok izlenebilir ve kontrol edilebilir bir sisteme ihtiyaç olacaktır.

Değişken kaynağa sahip yenilenebilir enerji üretim tesislerinin şebekeye entegrasyonu, geleceğin şebekesinde oldukça önemli etkilere sahip olacaktır. Günümüzde iletim sistemi entegrasyonları oldukça hız kazanmıştır. Dağıtım sisteminde gerçekleştirilecek entegrasyonlar da önümüzdeki yıllarda oldukça hız kazanacaktır. Enerji dağıtım sisteminin üretim entegrasyonları düşünülerek tasarlanmadığı bilinmektedir. Bu nedenle bu üretim entegrasyonlarının enerji yapısında sessiz bir devrim oluşturacağı söylenebilir. Bu nedenle gelecekte elektrik enerjisinin arz güvenliği, mevcut yapının ne kadar akıllandırılıp, entegrasyonlara uygun bir şekle getirileceği ile doğrudan ilgilidir. Elektrik enerjisinin yaşamımızın her alanına girdiği bir dünyada, hiç kimse, kesintilerin sıklığının artmasını, kesinti olmasa bile tükettiği enerjinin kalitesinin düşmesini istemeyecektir. Üretim entegrasyonlarında özellikle kaynak tipi ve üretim miktarının, ilgili konumdaki iletim ve/veya dağıtım sistemine uygun tasarlanması, gerekli koruma ve kontrol önlemlerinin alınması, gerekli yasal düzenlemelerin gerçekleştirilmesi kaçınılmazdır. Dağınık bir enerji üretim sisteminde enerji üretiminin optimizasyonu ve verimliliği de önem kazanacaktır.

Yenilenebilir Enerji Yapılarının Sisteme Entegrasyonu  ve Olası Etkileri

Üretim entegrasyonlarının enerji yapısında oluşturacağı etkiler daha önce tecrübe edilen etkiler değildir ve muhakkak doğru analiz edilmeleri gerekir. Dağıtım sisteminde, yenilenebilir enerji entegrasyonları sonucu değişen enerji yapısında, yük akışı, kısa devre ve koruma koordinasyonu yapısının da değişmesi söz konusudur. Bu değişimin miktarının yüksek olması, enerji sisteminde ciddi gerilim ve güç dalgalanmaları ve enerji adalaşmalarında ise ciddi frekans ve gerilim dalgalanmaları oluşturabilecektir.

Şekil 1. Enerji yapısının dönüşümü

Günümüzde özellikle lisanssız üretim yönetmeliğinin de etkisi ile dağıtım sisteminden oldukça önemli miktarda üretim entegrasyonu talebi bulunmaktadır. Enerji sisteminin orta gerilim ve alçak gerilim seviyesinden gerçekleşecek bu entegrasyonlar her geçen gün artacaktır. Bu sistemlerin kaynak yapısının, rüzgar, güneş, dalga vb gibi çok çeşitli yapılarda olabileceği bilinmektedir. Kaynak yapısının çeşitliliği, elde edilecek güç eğrisinin daha düzgün olmasını sağlayacaktır. Bununla birlikte kaynak yapısının değişken olması ve homojen dağılamaması, sistem güvenirliliğini ve sürekliliğini sağlamak adına, belirtilen gücün bazı durumlarda kontrol edilerek dengelenmesi gerekebilecektir.

Entegre edilecek üretimin mevcut yapı ile uyumu için, ilave edilebilecek üretim miktarına teknik uygunluğa göre karar verilmesi ve sistem konfigürasyonundaki olası değişimlerde sorun oluşturmaması için dağıtım sisteminin, üretim entegrasyonlarına izin verecek, izleyecek ve kontrol edebilecek akıllı bir yapıda olması önemlidir.

Bununla ilgili olarak;

Dağıtım sisteminden elde edilen yük ölçümlerine göre, planlanan üretim entegrasyonlarının (lisanslı+lisanssız) oluşturacağı gerilim dalgalılıkları, gerilim yükselmeleri, hat/kablo yüklenmeleri, kayıp değişimleri, trafo merkezinde oluşturacağı ters güç, reaktif güç değişimleri (TM bazında reaktif ceza durumu oluşma riskleri), kısa devre katkıları ve baralarda oluşan kısa devreler analiz edilmeli, ulusal/uluslararası standartlar ile değerlendirilebilmelidir. Harmonik ve fliker etkilerinin yüksek olmaması ve kontrolsüzlüğe neden olmamaları için de bağlı bulunduğu baradaki gerçek kısa devre gücüne bağlı olarak değerlendirilebiliyor olmalıdır.

Özellikle lisanssız santrallerin gerilim ve frekansı kontrol etme yükümlülükleri olmadığı için, olası bir adalaşma durumunda frekans ve gerilimin tüketicilere zarar vermemesi adına frekans, gerilim ve varsa (vector jump) korumalarının muhakkak aktif olması gerekmektedir. Gerilim koruması ayrıca, büyük bir şebekeye bağlı iken oluşabilecek gerilim yükselmelerine karşı da muhakkak aktif olmalıdır. Şebekenin işletim sınırlarına yaklaşıldığında üretimin tamamen kaybedilmemesi için bu santrallerin sadece izlenmesi değil, aktif ve reaktif güçlerin gerektiğinde kontrol edilebilmesi, hem santral sahibinin gücü satabilmesi, hem dağıtım şebekesi işletmecisinin olası acil durumlarda kontrolü sağlayabilmesi hem de tüketicilerin büyük dalgalanmalar ve/veya kesintiler ile karşılaşmaması için önem arzetmektedir.

Teknik uygunluğa bakılmadan gerçekleşecek entegrasyonlarda, ciddi enerji kalite problemleriyle karşılaşılabilmektedir. Yukarıda tanımlanan konulara verilecek önem, geleceğin enerji sisteminin güvenirliği ve kalitesini belirleyecek unsurlardır. Bu iki konuya uyulmadığı takdirde enerji kalitesizliği ve süreksizliği durumu ile karşı karşıya kalınabilecektir.

Üretim entegrasyonları esnasında izlenecek ilk problem, üretim noktasında ve yakınındaki dağıtım baralarında oluşacak gerilim yükselmesidir. Bunun asıl nedeni, gerilim kontrolünün genelde TEİAŞ trafo merkezlerinde sekonder geriliminin, trafo kademe değiştiriciler ile kontrol ediliyor olmasıdır. Trafo merkezinin orta gerilim barasındaki gerilim değeri, en uçtaki fiderde oluşan gerilim düşümüne göre ayarlanmaktadır ve genelde gerilim düşümünü kompanze edebilmek adına nominal gerilimin belirli bir miktar üzerinde tutulmaktadır. Uzak bir noktada gerçekleşen büyük bir üretim entegrasyonunda, trafo merkezinde gerilimin bu değerde tutulması, aktarılan güç miktarına bağlı olarak üretim kaynağı noktasındaki gerilimin artmasına neden olmaktadır. Bir başka deyişle gerilim düşümü hesabı yapıldığında elde edilen değer, üretim barasında kendisini gerilim yükselmesi olarak göstermektedir. Bu gerilim yükselmesinin oluşması, yakın dağıtım baralarında gerilimin çok değişken olmasına, tehlikeli gerilimler oluşmasına ve en kötü durumda üretilen gücün kısılmasına ya da tamamen devre dışı bırakılmak zorunda kalınmasına neden olabilecektir. Üretim santrali barasında oluşacak gerilim yükselmesinin, dağıtım sistemine bağlantı noktasında oluşacak gerilim yükselmesinden daha fazla olacağı bilinmelidir. Bu nedenle daha tasarım aşamasında oluşabilecek gerilim yükselmeleri bilinmeli ve düzenleyici önlemler alınmalıdır.

Şekil 2. Üretim entegrasyonları sonucu oluşabilecek gerilim yükselmesinin resmedilmesi

Üretim entegrasyonlarında yük akışı açısından en önemli sorunlardan biri de reaktif güç kontrolü’dür. Analiz sonuçlarına göre güç akışı, üretim ve yük miktarına göre sürekli yön değiştirebilmektedir. Bu değişkenlik reaktif yükümlülükleri oldukça zorlaştırmakta, yüksek güçlü entegrasyonlarda imkansız hale getirmektedir. Bazı durumlarda aktif güç sıfıra çok yaklaşmakta ancak reaktif güç akışı devam etmekte ve güç faktörü çok salınımlı olarak 0-1 aralığında değişebilmektedir.

Üretim entegrasyonları esnasında izlenecek diğer önemli bir konu ise, üretim kaynaklarından oluşacak kısa devre katkılarıdır. Dağıtım sisteminde oluşabilecek bir arıza durumunda, her bir üretim kaynağı, bağlandığı noktada bir kısa devre katkısı oluşturmaktadır. Bu kısa devre katkısının değeri, üretim santralinin tipine, kullandığı teknolojiye ve gücünün büyüklüğüne bağlı olmaktadır.

Üretim sistemlerinin tasarımından sonra işletimi esnasında karşılaşılabilecek en önemli problemlerden biri, üretim sistemlerinin belirli bir yük bölgesi ile adalaşma riskleridir. Adalaşma durumunda, enerjinin kalitesini kontrol edecek tek yapı ada içinde kalan üretim birimleridir. Günümüzdeki yönetmelikler, dağıtım sisteminden gerçekleşecek küçük ölçekli yenilebilir enerji entegrasyonlarından, enerji kalitesinin ana unsurlarını oluşturan gerilim ve frekansı kontrol etmesini beklememektedir. Adalaşan yapıda bu nedenle tehlikeli enerji salınımlarının oluşması muhtemeldir. Ayrıca tekrar kapama yapıları ve yalıtım koordinasyonu da mutlaka değerlendirilmelidir. Günümüzdeki yönetmelikler, olası bir adalaşa durumunda, üretim sisteminin tamamen devre dışı bırakılmasını beklemektedir. Ancak gelecekte üretim entegrasyonları arttıkça, lokal kontrolün üretim kaynaklarınca yapılması gerekecektir. Lokal kontrol üretim santrallerinde olduğunda ise “Microgrid” olarak adlandırılan ve mikro ölçekte şebeke anlamına gelen enerji adaları oluşacaktır. Bu yapılarda enerji kalitesinin çok hızlı sağlanabilmesi, çok detaylı ve sürekli bir kontrole sahip olması gerekmektedir. Ayrıca arıza sonrası oluşabilecek adalaşmanın boyutu her zaman tahmin edilemeyeceği için, oluşan yapıyı okuyup, bu yapıya uygun kontrol ve kumanda önlemleri alan akıllı yapılara da ihtiyaç olacaktır. “Microgrid” yapılarının oluşabilmesi için ayrıca depolama teknolojilerinin gelişimine de ihtiyaç bulunmaktadır. Sorunsuz adalaşabilen ve ada içinde enerjisini sürdürebilen yapılar oluştuğunda da enerji dağıtım sisteminin kendi içindeki değişimi tamamlanmış olacaktır.

Önlemler alınmadığında, dağıtım sistemindeki bu değişimin tüm enerji paydaşlarına ciddi zararlar oluşturabileceği bilinmelidir.

Bu paydaşlar ve olası zararları aşağıdaki gibi olabilir.

Santral Sahibi --> Oluşan gerilim yükselmelerinden dolayı kurulu gücü oranında üretim gerçekleştiremeyebilecek , gerilim sınırları geçildiğinde doğrudan açma yaşayabilecektir.

Tüketiciler --> Dalgalı bir gerilime sahip bir enerji kullanma durumunda kalabilecek, kullandıkları cihazlar zarar görebilecek, enerji kesintisi sıklığı artabilecektir.

İletim Sistemi Operatörü (TEİAŞ) --> Trafo merkezlerinde ters güçler izleyebilecek, bu noktaları sistem analizlerinde üretim olarak modellenmediği için problemler yaşayabilecektir.

Dağıtım Şebekesi --> Üretim entegrasyonlarından en çok etkilenecek paydaşlardan biri dağıtım şebekeleridir. Üretimler entegre edildiğinde gerilim değişimleri ile başa çıkabilmek için daha çok kontrole ihtiyacı olacak, gerektiğinde üretim santralinin aktif ve reaktif güç çıkışına müdahale edebilecek, üretim entegrasyonu miktarı arttıkça reaktif güç cezaları ile daha çok karşılaşabilecek, düşük kısa devre gücüne sahip baralara gerçekleştirilecek yüksek güçlü entegrasyonda koruma koordinasyonu, fliker gibi bileşenlerde sorunlar yaşayabilecek, ek koruma fonksiyonlarını öngörmesi gerekebilecek, enerji depolama sistemleri yaygınlaştığında “MicroGrid” işletme yapısına geçebilecek ve adalaşan sistemde sistemin güvenilir ve kararlı olmasını sağlamak için ek analiz ve korumaları gerçekleştirebilecektir.

Bazı dağıtım şebekelerinde gerçekleştirilen analiz sonuçları, bazı entegrasyonlardan sonra izlenen gerçek sonuçlar ile uyuşmaktadır. Bunun anlamı, simulasyonlarda izlenen problemlerin büyük olasıkla yaşanma ihtimalinin olacağıdır. Bu nedenle sağlıklı bir üretim entegrasyonu yapılabilmesi, tüm paydaşların bu entegrasyondan zarar görmemesi ve tüm entegrasyonların aynı prensipler doğrultusunda değerlendirilebillmesi için ilgili teknik analizlerin gerçekleştirilmesi gerekir.

Bir sonraki yazımızda “ Düzenleyici  AKILLI   Yapılar , Sonuçlar "   ile devam edeceğiz