Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Anabilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı

2017

A study on load shedding including islanded power system

Ada içeren elektrık şebekelerınde yük atma çalışması

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 496307

Tezi Bul
Özet:

Günümüzde elektrik sanayiinde giderek artan değişmeler ve gelişmelerle bu sanayiide yapı yenilenmesi olarak ileri sürülen genel ismin altında büyük değişmelerin meydana gelmesine tanık olmaktayız. Elektrik güç sistemi çoğu zaman arızaya maruz kalmakta ve arıza etkisinde kalan elektrik güç sistemi bölge veya ülke genelinde elektrik kesilmesi (black out) ortaya çıkabilmekte ve bu kesilme, tehlikeli ve telafi olunmayan sonuçları akabinde getirebilmektedir. Bu tezde; şu olayı önlemek için bir plan sunularak ekipmanların şebekeden çıkması sonucunda gerekli tüketicilere elektrik temininin iyileşme ve sürdürülmesine zemin yaratılmıştır. Elektrik güç sisteminde; Frekans ve gerilim, şebeke için iki önemli etken sayılmakta ve şebekede frekans kontrolü; etkin güç (Active power) kontrolüyle ilgili ve gerilim kontrolü; tepkin güç (Reactive power) kontrolüyle alakalıdır.Frekans ve gerilimi kendi standart ölçüsünden çıkaran herhangi bir etken veya arıza, elektrik güç sisteminin istikrarsızlığına neden olmaktadır Halihazırda güç sistemi istikrarını kontrol etmek için otomatik kontrol sistemleri kullanılmaktadır. Güç sistemleri bir bölgenin farklı semtlerinde birbirlerine bağlanmaktadır. Güç sisteminde herhangi bir ani değişme, semt kontrol merkezinde hissedilir ve bu merkez; değişme türünden asılı olarak sistemin istikrarsızlığını önlemek için uygun tepkiyi göstermek zorundadır. Dolayısıyla sistem istikrarını korumaya yönelik güç sisteminde bulunan etkin (Active) ve tepkin (Reactive) güçlerin kontrolü gereklidir. Dolayısıyla bu tezdeki temel konu; gerilim ve frekansın IEEE 39 Bus sisteminde kontrolünden ibarettir. Bu elektrik güç sistemi 10 jeneratör ve 19 yükten oluşmaktadır. Normal şartlarda elektrik güç sistemindeki üretilen ve tüketilen etkin güç miktarlarının birbiriyle eşit olduğunu (Pg=PL) bilmekteyiz. Yani sistem istikrarlı moddadır. Bu tezde; frekans kontrolü için elektrik güç sisteminde ortaya çıkabilecek iki olası durum öngörülmüştür. 1. durum) Üretilen aktif gücün miktarı tüketilen aktif güç miktarından daha az olduğu (Pg<PL) durumda salınım denklemi uyarınca frekans azalmaya başlar ve eğer bu frekans azalması standart ölçüden fazla olursa elektrik güç sisteminin istikrarsızlığına neden olacaktır. Bu durumun meydana gelmesini önlemek için düşük frekans (under frequency) röleleri yüklerde yerleştiriliyor ve frekans kontrolü görevini yapan gavörnörler (governors), frekansı standart ölçüye getiremedikleri zaman frekans kendi standart ölçüsüne yetişsin diye düşük frekans (under frequency) röleleri öncelik sıralarıyla yükleri şebekeden çıkaracaktır. Yükleri şebekeden çıkardığımızda onların ekonomik yanlarını da hesaba katmamız gerektiğini söylememiz lazım nitekim bazı yükler ekonomik açıdan önemli ve stratejik olduğu için şebekeden çıkarılmaması lazım. İşbu tezde; yükler etkin güç önceliği sırasıyla küçükten büyüğe farz edilmiştir. Yani daha az aktif gücü olan yük; daha az öncelik ve daha büyük aktif gücü olan yük; daha fazla önceliğe sahiptir. 2. durum) Eğer üretilen aktif gücün miktarı tüketilen aktif güç miktarından daha fazla olduğu (Pg>PL) durumda salınım denklemi uyarınca frekans çoğalmaya başlar ve eğer bu frekans çoğalması standart ölçüden fazla olursa elektrik güç sisteminin istikrarsızlığına neden olacaktır. Bu durumun meydana gelmesini önlemek için yüksek frekans (over frequency) röleleri jenratörlerde yerleştiriliyor ve eğer gavörnörler, frekansı standart ölçüye getiremezlerse frekans kendi standart ölçüsüne yetişsin diye bu röleler jenratörleri öncelik sıralarıyla şebekeden çıkaracaktır. Jenratörleri şebekeden çıkardığımızda onları tekrar bağlama masrafı gibi jenratörlerin ekonomik yanlarını da hesaba katmamız gereğini söylememiz lazım. Ayrıca bu tezde; elektrik güç şebekesinde daha fazla güvenlik kabiliyetine yönelik ada modu (Islanding) da öngörülmektedir. Bu modda elektrik güç sistemi cihaz veya cihazların devreden çıkma sonucunda 2 veya birkaç farklı bölüme bölünmektedir. Bu durumda şebekenin bir bölümünde frekans artması ve diğer tarafında frekansın azalmasıyla karşılaşabiliriz. Bu durumda frekansı kontrol etmek için anılan elektrik güç sisteminde yukarıdaki durumların birleşmesinden yararlanabiliriz. Gerilim kalitesinin korunmasında ve özellikle gerilim istikrarsızlığını önleme hususunda tepkin (Reactive) gücün kontrolü önemli bir etken sayılmaktadır. Çoğu yükün tepkin (Reactive) gücün tüketicisi olduğundan dolayı şebekenin bu Tepkin (Reactive) gücü temin etme kabiliyetine sahip olması gerkmektedir. Frekans rölelerin performansıyla elektrik gücü dağıtım çubuklarının gerilim aralığı iyileşebilir fakat elektrik güç sisteminde bara gerilimi kontrolünü AVR üstlenmekte fakat AVR'lerin performansı yavaş olduğundan dolayı önce AVR'lere gerilim kontrolü için izin verilmektedir. AVR'ler gerilim ayarlamasını yapamazlarsa gerilim kontrolü için SVC sistemleri kullanılıyor. Bunu böyle açıklayabiliriz: Eğer baralardaki gerilim kendi standart ölçüsünden daha yüksek olursa SVC sistemlerin selfie modu ve eğer baralardaki gerilim kendi standart ölçüsünden daha az olursa SVC sistemlerin kondansatör modu kullanılacaktır. Bu tezde de ele alınan önemli konu; baralarda gerilimin iyileşmesine ve çalışma konusu şebekede SVC sistemlerin sayısının azalmasına neden olan SVC sistemlerin uygun lokalizasyonudur. Bu tezde; elektrik şebekesi ekipmanları ve tüketiciler en az zarara uğrasın diye Frekans ve gerilim kontrolü için açıklanan yöntemler kullanılmıştır. Asıl hedef; şebeke ekipmanlarında sorun ve arıza çıktığı zaman gereken tüketicilere elektrik temininin devamlılığıdır. İşbu tezde; yararlandığımız uygulama DIgSILENT Power Factory 15.1 yazılımıdır. Bu uygulama vasıtasıyla sunulan plan ve yöntemle ekipmanların devreden çıkması sonucunda elektrik güç şebekesi güvenlik kabiliyetini artırabilmekteyiz. Anlatılan hususlar ve güç sistemindeki frekans ve gerilim kontrolünün önemine göre tezin içeriği ünite olarak aşağıdakilerden ibarettir: Birinci ünitede güç sistemi stabilitesine yönelik yük atma (load shedding) ve şebekedeki kullanım önemi hakkında ön bilgi verilmiştir. İkinci ünite literatür değerlendirmesi ile ilgilidir. İşbu ünitede güç sisteminde frekans ve gerilim kontrolü algoritma tasarımı ve optimize edilmesine yönelik kullanılan makalelere değinilmiştir. Üçüncü ünite işbu tezde kullanılan metodolijiyle ilgilidir. Bu ünitede düşük frekansa kullanılan bağıntı ve algoritmalara ve ayrıca gerilim kontolü ve iyileştirmesi için SVS sistemleri hakkında özet açıklamaya başvurulmuştur. Dördüncü ünitede simülasyon için kullanılan şebeke bilgisi ve parametreleri sunulmuştur. Beşinci ünite düşük frekans/düşük gerilim durumundaki frekans ve gerilimden kaynaklanan sonuçlara yer verilmiştir. Bu ünitede yük atma (load shedding) ve SVS sistemlerini uyguladıktan sonraki sistem frekans ve voltajı hakkında açıklama verimektedir. Altıncı ünite yüksek frekans/yüksek gerilim durumundaki frekans ve gerilim kontrolünden kaynaklanan sonuçlara aittir. Bu ünitede frekans üstü röleleri ve SVS sistemlerini uyguladıktan sonraki sistem frekans ve gerilimi hakkında açıklama veriliyor. Yedinci ünite adacık olayı (islanding) ile ilgilidir. Bu ünitede adacık olayı hakkında özet bilgi verilmiş ve frekans röleleri ve SVS sistemlerini uyguladıktan sonraki sistem frekans ve gerilimi hakkında bilgi verilmektedir.

Summary:

Considering daily increase and changes in the electrical industry, major developments can be observed that are called as revamping the structure of electricity industry. In general, power system is exposed to fault and because of fault, black out may occur in whole area or country, entailing irreparable and dangerous impacts. To prevent this, this thesis proposes a plan ensuring improvement and continuity in giving electricity to urgent customers when the power system equipment exits the network. In power systems, frequency and voltage are two important factors for the stability; the frequency control is related to active power and voltage control which depend on the reactive power of the network. Any factor or fault driving out the frequency and voltage from their allowable range can cause instability in the power system. We know that under normal conditions, generated active power is equal to loads᾽ active power (Pg=PL), it means that system is operating in a stable state. In this thesis, two possible modes that can occur for frequency in the power system are considered. Mode 1) If generated active power is less than loads᾽ active power (Pg<PL), then according to swing equation the frequency starts to decrease and if frequency decrease is more than the allowable limit, power system will change to unstable state. To prevent this situation, under frequency relays by proposed algorithm are embedded in loads to shed them with priority from the power system when governors, which have frequency control responsibility, cannot convey frequency to allowable limit, until the frequency returns to its allowable limit. It should be noted that in order to shed loads from the power system, economic aspects of loads must be considered because some loads are important and strategic and must not be disconnected. In this thesis, priority of active power from small to large is assumed, meaning that the loads with less active power have less priority and those loads with larger active power have more priority. Mode 2) If generated active power is more than the loads᾽ active power (Pg>PL), then considering the swing equation, the frequency starts to increase and if this increase is more than the allowable frequency, power system will go into unstable state. To prevent this, when governors cannot supply the frequency to allowable range, over frequency relays by proposed algorithm are embedded to drive out the generators with priority from the power system till frequency reaches to its allowable limit. It should be noted that, when generators are driven out from the power system, the generators᾽ economic aspects like reconnection costs must be taken into account. Also, in this thesis the islanding mode is considered. In this mode, the power system is divided into two or more parts, meaning that we might have frequency increase in a part or may have frequency decrease in other part of the power system. Accordingly to control frequency in this mode, a combination of the above states could be used. With performance of frequency control relays, voltage magnitude of bus bars may be improved somehow; but bus bars voltage control in power systems is tasked with the AVRs. Since they operate slowly, SVC systems are used to control voltage .With the concepts that, if voltage is higher than the allowable range in bus bars, the inductive mode of SVC systems is used and if voltage in bus bars is lower than the allowable range, the capacitive mode of SVC systems is used. In the present thesis, a frequency control algorithm in presence of SVC systems has been used to control the frequency of the system while maintaining the bus bars voltage in standard ranges to ensure incurring the least damage possible to power system equipment and customers. The main purpose is to continuous supply of power for urgent customers when a fault in power system equipment occurs. The software used in the proposed design and method is DIgSILENT Power Factory 15.1. This method is able to improve the reliability of power system in cases where the equipment exits the network. As mentioned above and considering the importance of voltage and frequency control in the power system, the contents of this thesis is organized as follows: In the first chapter, load shedding is introduced and the importance of using it in the network to improve the control of the power system is explained. The second chapter contains literature review. This chapter addresses articles pertaining to design and improve the frequency and voltage control algorithm in the power system. The third chapter describes the methodology used in this thesis, referring to the relationships and algorithms used in the UFLS, as well as a brief explanation of the SVC systems to control and improve the voltage. The specifications and network parameters used to perform the simulation are presented in Chapter 4. The results of frequency and voltage control in the under-frequency / under voltage mode are discussed in the fifth chapter. In this chapter, the frequency and voltage statuses of the system are described before and after the load shedding and SVC systems. The sixth chapter refers to the results of frequency and voltage control in over-frequency /over voltage mode. In this chapter, the frequency and voltage of the system are discussed before and after the application of over-frequency relays and SVC systems. The seventh chapter addresses the islanding mode. In this chapter, a brief explanation of the islanding mode is presented, and the results of frequency and voltage control are discussed before and after applying frequency control relays and SVC systems.