Elektrik şebekelerinde dağıtık üretim tabanlı genişleme tasarımı için yeni modeller

Teknolojik gelişmeler, dünya nüfusunun artması ve elektrifikasyon çalışmalarına bağlı olarak elektrik enerjisine olan talep artmaktadır. Artan talebin kesintisiz bir şekilde karşılanması elektrik dağıtımından sorumlu kurumların karşılaştığı temel zorluklardan biridir. Bu zorlukla başa çıkabilmek için mevcut şebekenin uygun yatırım planıyla düzenli olarak genişletilmesi ve kapasitesinin artırılması gerekir. Burada en uygun yatırım planının bulunması stratejik bir tasarım problemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Tasarlanan dağıtım şebekelerinin artan talebi karşılamasının yanı sıra güvenilir, maliyet etkin ve temiz enerji kullanan şebekeler olması da beklenmektedir. Bu amaçlara ulaşabilmek için şebekenin dağıtık üretim (DÜ) yapısında planlanması son yıllarda ön plana çıkmaktadır. DÜ, güneş, rüzgâr türbinleri, hidroelektrik santraller, jeotermal enerji ve kombine ısı ve güç sistemleri gibi, kullanılacağı yerde veya yakınında elektrik üreten bir sistemi tanımlar. Bu tez çalışması kapsamında, dağıtık üretim içeren elektrik dağıtım şebekesi genişleme problemi (DŞGP_DÜ) ele alınmıştır. DŞGP_DÜ, temelde mevcut şebekenin güçlendirilmesini ya da hat, trafo merkezi, dağıtık üretim kaynağı gibi yeni şebeke bileşenlerinin eklenmesini içerir. Elektrik dağıtım şebekelerinde genellikle radyal yapılar kullanılmaktadır. Çok kullanılan bir şebeke türüdür ve şekli bir ağacın dallarına benzediği için bu tür şebekeye dallı şebeke de denilmektedir. Bu çalışmada, DŞGP_DÜ probleminin çok dönemli genişleme planını yapmak üzere aşağıda tanımlı ilgili alanlar için üç adet model önerilmiştir: i) Yatırım, bakım, üretim ve emisyon maliyetlerinden oluşan toplam maliyetin en küçüklendiği en iyi şebeke tasarımı için karma-tamsayılı yeni bir matematiksel model önerilmiştir. Modelde radyal yapıyı oluşturacak gerekli kısıt yayılan ağaç alt tur eleme kısıtlarına dayalı olarak geliştirilmiştir. Deneysel hesaplama analizi sonucunda alan yazındaki mevcut kısıt yapısı yerine bu tezde önerilen radyallik kısıtlarını içeren yeni modelin ilgili problemin çözüm zamanını azalttığı gösterilmiştir. ii) Bu modelin bir uzantısı olarak tüketicilerin kullandığı elektriğin yenilenebilir kaynaklardan üretildiğini garanti eden, yenilenebilir enerji kaynak garanti (YEK-G) sistemini dikkate alan DŞGP_DÜ için yeni bir matematiksel model geliştirilmiştir. Bu model ile yenilenebilir enerji kullanmak isteyen müşterilerin taleplerini karşılamayı garanti eden en uygun genişleme planının yapılması amaçlanmaktadır. iii) Son olarak, radyal şebekelerin güvenilirliği düşük olduğundan tasarlanan şebekenin güvenilirliğine odaklanılmıştır. Elektrik dağıtım şebekelerinde güvenilirlik, müşteriye kesintisiz hizmet verebilme yeteneği olarak tanımlanmakta olup sürdürülebilir hizmetin sağlanması için önemlidir. Kesinti maliyetleri ve kesintinin etkisi düşünüldüğünde, tüketici özelinde, farklı güvenilirlik düzeylerinin dikkate alınması gerekmektedir. Örneğin hastanelerin bulunduğu bir bölgeye hizmet veren trafonun güvenilirliğinin sadece yerleşim bölgesine hizmet veren bir trafoya göre daha yüksek olması beklenmektedir. Bu nedenle bu tezde önerilen üçüncü model, her bir tüketicinin gereksinimiyle bağlantılı bir güvenilirlik düzeyinde hizmet almasını garanti etmektedir. Dolayısıyla dağıtık üretimi ve güvenilirliği dikkate alan, şebeke genişleme problemi için doğrusal olmayan karma tamsayılı matematiksel bir model geliştirilmiştir. Önerilen matematiksel modeller 14 düğümlü örnek bir test şebekesi için uygulanmış ve elde edilen şebeke genişleme tasarımı üç dönem için verilmiştir. Ayrıca, modellerin hesaplamalı analiz sonuçları 9, 14, 24, 30 ve 40 düğümlü test problemleri üzerinde gösterilmiştir. Geliştirilen modeller ile makul sürelerde en iyi sonuca ulaşıldığı görülmüştür. Bu tez kapsamında geliştirilen matematiksel modeller ile yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonunu dikkate alan en iyi dağıtım şebekesi genişleme tasarımının oluşturulması amaçlanmıştır.