Dağıtım şebekesi kısıtları altında PV üretimi ve BESS'e dayalı optimal bir gün öncesi enerji yönetim sisteminin tasarımı ve analizi

Abstract

Artan enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla, yenilebilir enerjinin kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Ancak yenilenebilir enerji kaynaklarının doğası kesintili olmasından dolayı, enerji temininde zorluklar meydana gelir. Bu zorlukları azaltmak için önde gelen çözümlerden biri, enerji depolama sistemlerinin elektrik şebekesine entegre edilmesidir. Son teknolojik gelişmeler, pil depolama sistemlerinin kapasitesinde önemli bir artışa ve maliyetlerinde düşüş sağlamış, böylece hem konut hem de şebeke ölçekli uygulamalar için giderek daha avantajlı bir çözüm haline gelmiştir. Batarya depolama sistemleri gerilim desteği, güç desteği ve enerji kaydırması dahil olmak üzere elektrik şebekesi için çeşitli faydalar sunabilmektedir. Ancak yenilebilir enerji kaynağı ve enerji depolama sisteminin etkinliği ve güvenilirliği, enerji kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve tutarlı enerji tedarikini sağlamak iyi bir kontrol stratejisine ile mümkündür. Şebekeye bağlı yenilebilir enerji kaynağı ve batarya enerji depolama sistemlerini teknik olarak uygun ve düşük maliyetli çalıştırılması için enerji yönetim sistemi (EYS) kavramı ortaya çıkmıştır. Bir EYS, kesintili olan yenilebilir kaynakları optimize edebilir, tahmin edebilir, enerji depolamayı yönetebilir, yükleri kontrol edebilir, teknik kriterlerin sağlayabilir bir yapı ile bir mikro şebeke veya dağıtım sistemindeki işletme maliyetlerini en aza indirerek optimum kaynakları planlayabilir. Gün öncesi EYS ile dağıtım sistemindeki enerji kaynakları, sistem kısıtları ve enerji alış ve satış maliyetleri, sistem ekipmanlarının yaşlanma maliyetlerini göz önüne alarak, sistemin en uygun şekilde çalışmasını planlar. Bu tezde, şebekeye bağlı bir dağıtım sistemine entegre fotovoltaik (FV) ve batarya depolama sisteminin (BDS), saatlik değişen elektrik fiyat tarifesi ile en düşük maliyetli çalışmasını amaçlayan bir optimizasyon modeli oluşturulmuştur. Bu model oluşturulurken gerçek sisteme yakın bir modelleme için, FV ve BDS ine entegre invertörlerin reaktif güç desteklerinden faydalanılmış, yeni bir bakış açısı ile, güç sınırı yerine akım sınırlayıcı bir yaklaşımla güç ve enerji dengesi hesaplamaları yapılarak, lineer olmayan bir optimizasyon problemi haline dönüştürülerek çözülmüştür. Ayrıca bir çok çalışmada göz ardı edilen, inverlerin kayıpları ve yaşlanma maliyetleri modele dahil edilmiştir. Bu tez kapmasında yapılan bir diğer bir yenilik ise, bir dağıtım sisteminin şebekeye bağlantı noktasındaki dağıtım transformatörünün, standartlarda verilen yükleme kılavuzları doğrulsunda anma gücü üzerinde çalıştırılabilmesi için gerekli dinamik termal model oluştulmuştur. Bu sayede dağıtım tranformatörü tam yükün üstünde bir yükle çalışmasına imkan sağlayan, FV ve BDS içeren bir dağıtım şebekesi için bir optimizasyon modeli oluşturularak, gün öncesi EYS modeli ile çeşitli analizler yapılmıştır. Sonuç olarak, içerisinde FV ve BDS olan bunlara entegre invertelerin akım sınırlama yaklaşımı ile reaktif güç desteği sağlayan, inverter kayıplarının göz önünde bulunurulduğu, dinamik termal model sayesinde anma gücü üzerinde çalışmasına imkan sağlayan gelişmiş bir EYS modeli oluşurularak çeşitli analizler gerçekleştirilmiştir. Böylece akım sınırlama yaklaşımı ile daha gerçekçi model sayesinde, inverter kayıplarının göz ardı edilmeyecek kadar yüksek ve maliyet artışına sebep olduğu, şebeke bağlantı noktasındaki dağıtım transformatörünün daha düşük güçlü seçilse bile kısa süreli de olsa güvenli bir şekilde çalışabileceği gözlenmiştir.The growing demand for energy has led to a surge in the utilization of renewable energy sources (RES). However, the intermittent nature of these renewable resources often results in challenges in maintaining a consistent energy supply. One of the key solutions to address these difficulties is the integration of battery energy storage system into the electrical grid. Recent technological advancements have significantly enhanced the capacity and cost-effectiveness of BESS, making them an increasingly viable option for both residential and grid-scale applications. These battery storage systems can provide various benefits to the electrical grid, such as voltage support, power support, and energy shifting. Nonetheless, optimizing the efficiency and reliability of the RES and BESS, while maximizing energy usage and ensuring a consistent energy supply, can be achieved through the implementation of an effective control strategy. The concept of an energy management system (EMS) has emerged as a viable approach for the technically feasible and cost-effective operation of grid-connected RES and BESS. An EMS can optimize the utilization of intermittent RES, forecast and manage energy storage, control loads, and plan the deployment of optimal resources by minimizing operating costs in a microgrid or distribution system with a structure that can provide technical criteria. With a day-ahead EMS, RES in the distribution system, system constraints, energy purchase and sale costs, and the aging costs of system equipment are all taken into consideration, and the system plans the most appropriate operational strategy. This dissertation presents an optimization model for a grid-connected photovoltaic (PV) system and BESS aimed at minimizing operating costs under a dynamic electricity price tariff. The model incorporates the reactive power support capabilities of the integrated inverters, utilizing a current-limiting approach rather than power limiting for power and energy balance calculations. This non-linear optimization problem also considers the previously neglected inverter losses and aging costs. Additionally, the dissertation introduces a dynamic thermal model for the distribution transformer at the grid connection point, enabling the transformer to operate at its rated power in accordance with industry standards. The resulting optimization model for a distribution network with PV and BESS allow the transformer to operate above full load, and various analyses were conducted using a day-ahead energy management system model. The advanced EMS model provides reactive power support through the current-limiting approach, accounts for inverter losses, and enables the system components to operate at their rated power due to the dynamic thermal model. The findings indicate that inverter losses are substantial and cannot be ignored, contributing to increased costs, and that the distribution transformer can safely operate with a lower capacity rating for short time period.