Mikro Şebekelere Doğru: Bağlı ve Ada Şebekelerde Optimizasyon

Çevre sorunları üzerindeki farkındalık yaklaşık yarım asırdır gündemimizde. Yine de yalnızca son on yılda bu sorunu aşmak için yapılan çalışmalar ivme kazandı. İklim sorunlarına ek olarak, ekonomik faktörler ve dağıtık yenilenebilir kaynakların hızlı gelişimi birleşti ve enerji sektöründe devrim niteliğinde yeni teknolojilerin meydana gelmesini sağladı. Şimdi, tüm dünyada enerji sektörünün gelecekteki evrimi merak konusu oluyor.


Şebekelerin gelişimi açısından 2 sorunun sık sık gündeme geldiğini görmekteyiz:


-Gelecekteki elektrik sistemleri, mikro şebeke olarak adlandırılan, tüketim yüklerinin ve üretimin yerel olarak entegre edildiği çok özerk ve küçük coğrafi alanlar şekline evrilebilir mi?

Ya da tam tersi,

-Süper büyük elektrik şebekeleri geliştirmeye devam etmeli miyiz?


Her iki modelin de faydaları ve sınırlamaları bulunuyor:


Mikro şebekelerin uzun mesafeli ara bağlantıya sahip olmaması nedeniyle bu modelde bölgeler arası salınımlar ve hat tıkanıklıkları sorunları yaşanmamaktadır. Aynı zamanda orman yangınları ve politik çatışmalar gibi yerel sorunlar durumunda elektriği güvence altına almak için uygun bir çözümdür. Ancak, mikro şebekelerde üretim ile talep arasında denge sağlanmazsa, bu tür sistemler frekans ve diğer sorunlara eğilimli bir yapıdadır.


Öte yandan, Avrupa’da var olan “copper plate” gibi süper şebekeler, enerji sisteminin ve sınır ötesi altyapıların daha verimli kullanılması sayesinde son tüketicilere fayda sağlamaktadır, ancak bazen bu sistemler yerel boyutta yaşanan sorunları çözmekte sorun yaşamaktadır.

Teknik açıdan, mikro şebekeler yerel ve yeşil enerjiye öncelik vererek üretim ve tüketim yollarının yeniden ele alınması için büyük bir fırsattır. Bir mikro şebeke birkaç yöntemle kullanılabilir: daha büyük bir enerji sistemine bağlanabilir, şebeke dışı alanlar veya adalara enerji sağlamak için yalın bir şekilde kullanılabilir, ve hatta elektrik kesintileri veya ana şebekedeki sorunlar sırasında ana şebekeden izole edilerek kullanılabilir.


Bu makale, tüm mikro şebeke olasılıklarına genel bir bakış sunmak için hazırlandı. Uzmanımız Jean Dobrowolski, ilk etapta dünya çapındaki mikro şebeke araştırmaları ve projelerinin bir özetini sunuyor. İkinci bölümde, bu tür sistemlerde yapılacak enerji optimizasyonun amaçlarını vurgulayarak mikro şebekelere odaklanıyor. Son olarak, Dağıtılmış Enerji Kaynaklarının (DER) sadece enerji üretmekle kalmayıp aynı zamanda şebeke kararlılığı görevini yerine getirmesi gereken ada mikro şebekelerin karşılaştığı zorlukları açıklıyor.

Eğer elektrik hizmeti sunan bir kuruluş iseniz ve mikro şebekeler hususunda bilgi edinmek istiyorsanız, uzmanlarımızdan biriyle doğrudan iletişime geçebilirsiniz


1. Mikro Şebekelerin Günümüzdeki Durumu

Mikro şebekeler, depolama varlıkları ve yükleri de dahil olmak üzere Dağıtılmış Enerji Kaynaklarından (DER) oluşan yerel ve özerk elektrik dağıtım ağlarıdır. Günümüzdeki projeler birkaç kW ile yüzlerce MW arasında değişmektedir. Hızlı gelişen enerji ortamında mikro şebekeler, yerel ve merkezi olmayan üretimi büyük ve merkezi bir şebekeye kazandırmak için doğru çözümdür. Aslında, ana şebekeye bağlı olduğu sürece şebeke servis tedarikçileri gibi davranarak yerel (ve yeşil) enerji üreticilerine öncelik sağlar. Ayrıca gerekli olduğu durumlarda enerji hizmetinin sürekliliğini de garanti altına almaktadırlar.

Şekil 1, bir mikro şebekenin tipik özetleyici bir temsilini göstermektedir: Enerji Depolama Sistemleri, endüstriyel ve konut yük varlıkları, yerel enerji üreticileri, bazı prosumerlar (örneğin elektrikli araç), bazı fosil bazlı enerji üreticileri, ortak bir bağlantı noktası (PCC) ve mikro şebeke denetleyicisi olarak adlandırılabilen bir kontrolörü içermektedir.


Kontrolörün amaçlarına bağlı olarak, enerji piyasasından (maliyet optimizasyonu için), hava tahmininden (yenilenebilir entegrasyonunu iyileştirmek için) ve diğer mikro şebeke yöntemlerinden (şebekeye hizmetleri optimize etmek için) gerçek zamanlı verilerden yararlanması önerilir.


Mikro şebeke projeleri esas olarak büyüklüklerine veya ana hedeflerine göre farklılık gösterir. Elektrik Hizmetleri için, mikro şebekeye yatırım yapmak birden fazla nedenden dolayı mantıklıdır:


-Şebekeden bağımsız bir alanın elektrifikasyonu

-Çevresel nedenlerle yerel ve yeşil üretime öncelik verilmesi

-Ana şebekede saldırılara maruz kalan alanlarda hizmetin sürekliliğini sağlamak gibi politik nedenler


Mikro şebekeler ana şebekeyle senkronize olduğu ve bağlandığı sürece, mikro şebeke kontrolörü şebekenin davranışını önceden belirlenmiş hedeflere göre optimize etmeyi amaçlayan bir Enerji Yönetim Sistemi (EMS) olarak hareket edecektir.


2. Enerji Şebekesine Bağlı Mikro Şebeke için Enerji Yönetim Sistemi

Ana şebekeye bağlanırsa, mikro şebekenin frekans ve voltaj düzenlemesine dikkat etmesi gerekmez. Bu nedenle, mikro şebeke kontrolörü enerji sorunları ve optimizasyonu, dolayısıyla Enerji Yönetim Sistemi (EMS) ile baş etmek zorunda kalacaktır. Ana EMS kontrol konuları:


-Hat Tıkanıklığının Azaltılması

Belirli bir mikro şebeke çevresinde, artan bir tüketime bağlı olarak tüketicilerin çokluğu dağıtım hatlarının belirli dönemlerde küçük kaldığı bir duruma yol açabilir. EMS, hat tıkanıklıklarının azaltılmasında önemli bir rol oynayabilir. Örneğin, doğru hava tahmini sayesinde elektrikli araçların şarjlarını yenilenebilir enerji üretiminin yüksek olduğu saatlere ya da tüketimin düşük olduğu saatlere kaydırılması mümkün hale gelebilir.


-Yenilenebilir Kaynakların ve Depolama Varlıklarının Yerel Yönetimi

Batarya yönetimi oldukça zordur. Gerekmediği halde depolama yapılırsa, yenilenebilir enerjilerin bazı üretimleri kaybedilebilir; yanlış dönemde depolanan enerji kullanılırsa faydaları oldukça düşebilir. Bu sorunun çözümü için, batarya ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla baş edilmesini sağlayacak optimum bir algoritmanın oluşturulması için birçok araştırma gerçekleştirilmektedir. Bu araştırmalar, yerel bir sistemde kurulacak bataryaların ve yenilenebilir enerji kaynaklarının ideal davranışı sergileyebilmesi için birbiriyle yakın düzeyde ilişkili olması gerektiğini göstermektedir.


-Üreticiden Tüketicilere Enerji Akışının Yerel Yönetimi

Enerji Yönetim Sisteminin bağlı bir mikro şebekedeki amacı, üreticiler ve tüketiciler arasındaki enerji akışını kontrol etmek için geliştirilmiş çok yönlü bir çözüm olarak belirtilebilir. Enerji piyasalarının davranışı, yük izlenmesi ve tahmini, üreticinin üretimi ve tahmini, şebeke durumu ve tahmini gibi parametreler ile kolaylıkla bir optimizasyon şeması oluşturulabilir. Bu optimizasyon şeması ile kontrol edilebilir yükler ve üretim varlıkları için doğru optimizasyon modelini tasarlamak kolaylaşır. Bir EMS için örnekleme süresi genellikle 15 ila 60 dakikadır.


Dünya genelinde duyurulan 400’den fazla mikro şebeke arasında bazıları yukarıdaki açıklamaya uygundur.

Bazı örnekler:

-Tesla Mikro Şebekesi: Amerikan Samoası’nda bulunan 1,4 MW’lık bir güneş enerjisi tarlasının davranışını 6 MWh pil ile optimize etmeyi amaçlar.

-Kaliforniya Mikro Şebekeleri: 10 megawatt gibi büyük projelerle çok sıkışık iletim hatlarını rahatlatmayı amaçlar.

-The Milford Mikro Şebekesi: Ana şebekedeki yükü azaltmak için bazı tesisleri mümkün olduğunda şebekeden bağımsız olarak çalışmaya teşvik etmeyi amaçlamaktadır. Bu projede 5 tesis, 120 kW güneş paneli, 292 kW gaz ve dizel jeneratör ve 30 kW depolama ile ada modunda çalışma yeteneğine sahip.


Bir mikro şebeke ada modunda çalıştığında, ana şebeke artık frekans ve voltaj regülasyonunu sağlamadığından alt sistemlerin rolleri ana şebekeye bağlı mikro şebekeden çok farklı olmaktadır.


3. Ada Mikro Şebeke İçin Enerji Yönetimi Sistemi

Ada mikro şebekelerde, frekans ve voltaj kontrolünün kararlılığını dağıtık üreticiler yönetmelidir. Aslında, şebekeye bağlı modun aksine, dağıtılmış kaynaklar artık şebeke-bağlantı modunda değil, şebeke-kurma modunda çalışacaktır. Yani voltaj dalgasını yaratmaları gerekir.

Ek olarak, şebeke kararlılığı için çok önemli olan atalet eksikliği (lack of inertia) olabilir.


Böylece, ada mikro şebeke ile ilgili araştırmalar iki kısma ayrılabilir: Donanım ve Algoritma


3.1. Donanım

Bu ilk bölüm, bu makalenin kapsamı dışında, ancak makalenin son bölümünün anlaşılır kılınması adına kısaca açıklandı. Yenilenebilir üretime şebeke oluşturma işlevselliği eklemek için geliştirilen bir çözüm, bir invertördeki jeneratör setinin davranışını kopyalamaktır. Böylece, gerilim dalgası yaratma yeteneğine sahip olacak ve ataleti taklit etmek için Sanal Senkron Jeneratör (VSG) yaratacaktır. Bu VSG, sorunu çözme kabiliyeti ile %100 yenilenebilir bir şebekenin anahtarıdır.

Bu teknolojinin, bu bölümün geri kalanında kullanılabilir olduğunu düşünelim.


3.2. Algoritma

Araştırmanın ikinci kısmı, mikro şebeke kararlılığını sağlamak ve fonksiyonu optimize edebilmek için doğru algoritmayı bulma süreciyle ilgilidir. Teknik olarak, Bölüm 2’de sunulan Enerji Yönetim Sistemi (EMS) bu modelde de kullanılabilir ancak istikrarı sağlamak için ikinci bir kontrol katmanı zorunludur: Güç Yönetim Sistemi (PSM). EMS ve PMS arasındaki temel fark, EMS’nin önümüzdeki 15 dakika boyunca (ortalama) en uygun üretim ve tüketim profilini tahmin eden merkezi bir kontrolör olmasıdır. PMS ise doğrudan alt sistemlere bağlı olan ve gerçek zamanlı kısıtlamalarla (EMS’nin öngörüsünün yanlış olması vb.) ilgilenen merkezi olmayan bir kontrolördür.


Bir PMS’nin üç çalışma modu bulunmaktadır:

-Normal mod: Bu modda PMS, EMS’nin oluşturduğu optimum profili takip eder ve beklenmeyen küçük varyasyonlar ile ilgilenir.

-Parçalı mod: Bu modda, EMS profili uygulanabilir olmadığında PMS bazı kararlar alabilir.

-Güvenli mod: EMS ile iletişim hatası olması durumunda, her PMS’nin üreticiler ile herhangi bir iletişim kurmasına ihtiyacı olmadığı, kendi basit optimizasyon modeli vardır. Bu mod, mevcuttaki doktora programımın özel araştırmasının bir parçasıydı.


3.3. Gerçek hayattan bir örnek

Tüm modları açıklamak için basit bir örnek sunalım:



Şekil 3, basit bir ada mikro şebekeyi göstermektedir. Bu ada mikro şebeke, jeneratör seti, yenilenebilir kaynaklar, kontrol edilebilir yükler ve kontrol edilemeyen yüklerden oluşur. Merkezi EMS mevcuttur, Energy Pool anlık izleme donanımı ile direkt olarak tüm PMS ile iletişim kurar.

Normal mod durumunda, mikro şebeke sahibi işlev ve kısıtlamalar açısından gerekli olan bilgileri verir ve EMS, üretim ve tüketim tahminlerine dayanarak bir sonraki zaman dilimi için optimum enerji profilini hesaplar. Bu profil, tüm Energy Pool anlık izleme donanımına iletilir. Bu iletime yük ve üretim dinamiğindeki değişimlerin neden olduğu tüm bileşenler dahildir.

Şimdi EMS tarafından iletilen enerji profilinin yalnızca yenilebilir enerji üretimini içerdiğini düşünelim. Jeneratör seti durdurulur ve bataryalar %50 şarj edilir. Yenilenebilir enerji son derece değişken olduğundan, bu durum oldukça kritiktir. Hesaplanan yenilenebilir üretim profili hava tahminlerine dayandığından, önemli tahmin hatası durumunda göz ardı edilemez bir elektrik kesintisi riski oluşur. Parçalı mod, EMS’nin oluşturduğu profili düzeltmek ve gerektiğinde bataryayı/jeneratör setlerini etkinleştirmek ve bu şekilde elektrik kesintilerini önlemek için devreye alınır.


EMS ve Energy Pool anlık izleme donanımı arasında bir iletişim sorunu olduğunda, başka bir kritik durum ortaya çıkabilir; zira anlık izleme donanımı EMS’den yük ölçümü ya da üretim tahmini hakkında herhangi bir bilgiye sahip değildir. Bu durum, güvenli mod olarak adlandırılır. Bu mod, iletişimin dengesiz, iletişimin kurulması zor veya iletişim olmayan bazı uzak alanların normal modu olarak da kullanılabilir. Bu durumda, tüm anlık izleme donanımı frekansı düzenlemek için oluşturulmuş entegre bir algoritma kullanır. Aynı zamanda, ada mikro şebekeler daha esnek şebeke kodlarına sahip olur ve şebeke frekansında diğer üreticiler/tüketiciler ile iletişim kurmak mümkün hale gelir.


Ana şebekeye bağlantısı olmayan ada mikro şebeke projeleri esas olarak Afrika ve adalarda bulunmaktadır. Bu şebekelere örnek olarak, 1300 kW güneş enerjisi ve 5000 kW dizel ve gaz enerjisine sahip “Hybrid Solutions Deliver Energy and Cost Savings for Mauritania” ya da dizele dayalı jeneratör seti yerine yenilenebilir enerji entegrasyonunu teşvik etmeyi amaçlayan “La Palme Canary islands microgrid” verilebilir.


4. Sonuç: Dünya Mikro Şebekeleri Benimsiyor, Ya Sen?

Dünya enerji alanında büyük bir kavşakta, mevcut sağlık krizi kısa vadede ne kadar çevresel iyileştirmeye ihtiyaç olduğunu bir kez daha kanıtladı. Bu bağlamda, mikro şebekeler yenilenebilir enerji önündeki çeşitli engellerin üstesinden gelmek için uygun bir çözüm olarak görünmektedir. Elektriğe ulaşımı olmayan bölgelere yeşil elektrik getirmek veya daha gelişmiş alanlarda enerjiyi güvence altına almak için dünyanın pek çok bölgesinde birçok mikro şebeke projesi devam ediyor.


Elektrik sektöründe bulunan bir kuruluşu veya bir aktörü temsil ediyorsanız ve mikro şebekeler sizi ilgilendiriyorsa, çözümlerimiz ve hizmetlerimiz hakkında daha fazla bilgi için bizimle iletişime geçin.

Bizi takip edin

  • Energy Pool Turkiye Twitter
  • Energy Pool Turkiye Linkedin

© 2020 Energy Pool Turkey