Güvenilir ve çevre dostu bir mikro şebeke için çok amaçlı optimizasyon tabanlı optimum üretim dağıtımı

Üretim ve iletim sistemleri, özellikle dağıtık üretim sistemleri ile donatılmış bir alçak gerilim mikro şebekesi için çok önemli bir rol oynamaktadır. Üretim planları ve enerji kaynakları bir mikro şebekenin çevre dostu olup olmadığını tanımlar. Dağıtılmış üretimi destekleyen yenilenebilir enerji kaynakları çevre dostudur. Ancak, farklı türde yenilenebilir enerji üretim kaynaklarına sahip koordineli üretim, üretim sistemleri için uygun maliyetli bir dağıtımın zorunluluğu ortaya çıkarmaktadır. Aksi takdirde, üretim sistemi güç talebini daha düşük maliyet ve daha yüksek güvenilirlikle karşılamak için yeterli olmayacaktır. Bu nedenle, enerji yönetiminin müşteriye en az maliyetle enerji sağlaması için bir çevrimiçi yük dağıtım tekniği tasarlanmalıdır. Farklı türlerde yenilenebilir enerji kaynaklarının varlığı, bu kaynaklardan elde edilen çıktıların sabit olmaması nedeniyle bunu daha da zorlaştırmaktadır. Güneş ışığından, rüzgar hızından ve diğer hava koşullarından dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarının üretimi değişkenlik göstermektedirler. Dahası, bunlar dağıtılabilir kaynaklar da değildir. Bu nedenle, dağıtılmış üretim sistemleri için, enerji talebini karşılayabilmeleri ve talebin yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen güç üretiminden daha düşük olduğu durumlarda fazla enerjinin en iyi şekilde kullanılmasını sağlayacak özel bir algoritmanın tasarlanması gerekmektedir. Bu nedenle, minimum maliyetle yenilenebilir enerji kaynakları için mümkün olan en iyi yük dağıtım planını bulmak amacıyla, üç farklı senaryo için iki farklı optimizasyon algoritması önerilerek tek amaçlı bir optimum yük dağıtım yöntemi tartışılmıştır. Bu tez kapsamında üç adet rüzgar enerji santrali, iki adet güneş enerji santrali ve bir adet birleşik ısı ve güç santrali (kojenerasyon) göz önünde bulundurulmuştur. Kojenerasyon santralleri bir teknoloji değildir, teknolojiyi uygulamak için yaklaşımlardır. Bu çalışmada kojenerasyon santrali, kojenerasyon kabiliyeti, termal ve toplam verim bakımından dolayı güneş enerjisi ve rüzgar kaynakları ile birlikte düşünülmüştür. Geleneksel enerji ve kullanılabilir ısı üreten bir sistem %45 verime sahipken, kojenerasyon yöntemi ise %80 verimlilikte çalışabilmektedir. Bu nedenle, diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile kojenerasyon sistemlerinin birleştirilmesi, yenilenebilir enerji kaynaklarının düşük verimliliği nedeniyle daha düşük maliyetli ve yüksek verimli olmaktadır. Ayrıca, kojenerasyon kabiliyeti bu sistemi çevre dostu yapmaktadır. Kojenerasyon santralinden güç sağlanması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılabilirliği açısından üç farklı durum göz önüne alınmıştır. Birinci durumda, enerji kaynaklarının yenilenebilir enerji kaynakları ile ilişkilendirildiği varsayılarak, tüm kaynakların 24 saat boyunca maksimum kapasiteye ulaşması sağlanmıştır. Mümkün olan en düşük maliyetle mevcut tüm elektrik üretim kaynakları için en iyi ekonomik yük dağıtımını bulmak için ikinci dereceden bir maliyet fonksiyonu en aza indirilmiştir. İkinci durumda, aynı hedefe ulaşmak için aynı maliyet fonksiyonu en aza indirilmiş ancak enerji depolama kaynağı dikkate alınmamıştır. Tüm yenilenebilir enerji kaynakları değişken kaynaklar olarak kabul edilmiş ve herhangi bir zamanda mevcut olan en yüksek gücü sağlayabildiği varsayılmıştır. Öte yandan, dağıtılamayan rüzgâr ya da güneş enerji kaynakları için üçüncü bir durum ele alınmıştır. Aynı ikinci dereceden maliyet fonksiyonu, dağıtılmış üretim kaynakları için uygun maliyetli en uygun dağıtımın bulunması için bir amaç fonksiyonu olarak düşünülmüştür. Bu üç senaryodan elde edilen ekonomik yük dağıtımları, enerji depolama sistemlerinin ve en iyi dağıtılmış üretim sisteminin gerekliliğini en düşük maliyetle bulmak için bu tezde sunulmakta ve karşılaştırılmaktadır. Güvenilirlik veya risk analizi, mikro şebekelere kesintisiz güç sağlayan bir sisteminin tasarlanması için de çok önemlidir. Birçok nedenden ötürü elektrik kesintisinin meydana gelebileceği kırsal bölgelerdeki mikro şebekelerde çoğunlukla yenilenebilir enerji kaynakları kullanmaktadırlar. Bu nedenle, tüketicilere ada modunda sürekli bir güç beslemesi sağlamak için güvenilirlik analizi yapılmalıdır. Ayrıca, müşterilere en yüksek güvenilirlikte güç sağlamak için risk analizi çok önemli bir rol oynamaktadır. Güvenilirlik analizi, enerji yönetim sistemine bir kesinti veya adalanma senaryosu açısından ne gibi önlemler alınması gerektiğini söyleyerek enerji yönetimine yardımcı olabilir. Bu sebepten ötürü, dağıtılmayan enerji miktarı, enerji yönetim sisteminin önlem alması, dağıtılmış elektrik üretim kaynaklarının ve iletim hatlarının arızalanması durumunda mevcut olmayan enerji miktarını rezerve etmesi ve gerekli düzenlemeleri yapması için tahmin edilmiştir. Bu tezde, ilgili güvenilirlik analizi için Monte Carlo Simülasyonuna dayanan olasılıksal bir hesaplama önerilmiş ve sonuçlar yukarıda belirtilen üç farklı durum için sunulmuştur. Öte yandan, konvansiyonel enerji üretim kaynakları ile donatılmış yüksek gerilim seviyesindeki mikro şebekeler, içersinde bulunan kaynakların kullandığı kömür, petrol veya gaz gibi fosil yakıtlar sebebiyle çevreye daha fazla olumsuz etki yapmaktadırlar. Bütün bu fosil yakıtların çevre üzerinde büyük bir olumsuz etkisi vardır. Bu yakıtlar, kükürt oksit ve nitrojen oksit gibi kirletici gazları yayarak çevre kirliliğine büyük ölçüde neden olmaktadırlar. Normal olarak, bu gazlar fosil yakıtlı geleneksel üretim sistemlerinin termal birimlerinden yayılır. Dolayısıyla, bu durumda yük dağıtımı, sadece üretim maliyetine veya yakıt maliyetine bağlı değil, aynı zamanda çevreye yayılan kirletici gaz miktarına da bağlı olarak gerçekleştirilmektedir. Ekonomik yük dağıtımın temel amacı, üretim birimlerinin yük talebine göre planlanması ve mümkün olan en düşük maliyetle tahmin edilmesidir. Ancak, bazı çevresel değişikliklerin son anda meydana gelmesi sebebi ile, en az olası çevre kirliliği ve zehirli gaz emisyonu ile termal enerji üretim ünitelerini işletmek ilgili kuruluşları sınırlandırılmaktadır. Bu nedenle, araştırmacılar, kirletici gaz emisyonunu azaltmak için bir takım teknikler ve stratejiler önermişlerdir. Bazıları kirliliği temizlemek için ek ekipman takmayı önermiştir. Pek çok araştırmacı, şirketleri yüksek emisyonlu yakıtların yerine düşük emisyonlu fosil yakıtlarla değiştirmeyi önermiştir. Öte yandan, güç sistemi araştırmacılarının birçoğu ise eski ünitenin yerini alan üretim üniteleri için daha temiz ve daha yeni yakıt yakıcıları önermişlerdir. Bu önerilerin tümü ya ek ekipmanın kurulumunu ya da mevcut ekipmanın tam olarak değiştirilmesini gerektirir ve bu da nihayet üretim maliyetini ve elektrik fiyatını artıran ek yatırım maliyetine neden olmaktadır. Araştırmacılar, üretim maliyeti ve kirletici gaz emisyonu arasındaki ilişkiyi dengelemek için ek maliyetlerden kaçınmanın yeni bir yolunu bulmuşlardır. Çevre kirliliğini göz önünde bulundurarak, ekonomik yük dağıtımın bu sorunu çözebileceğini öne sürmüşlerdir. Bunu yapmak için, en düşük çevre kirliliğine neden olacak, uygun maliyetli bir optimum dağıtım bulmak için çok amaçlı optimizasyon teknikleri uygulanmalıdır. Bu nedenle, dağıtılmış fosil yakıtlı üretim ünitelerinden yakıt maliyeti ve kirletici gaz emisyonu arasında en iyi dengeye ve en iyi çözüme kavuşturulan çözümleri bulmak için çok amaçlı optimum bir yük dağıtım yöntemi önerilmiştir. Ayrıca üreten birimlerin güvenilirliğide, emisyonun optimize edilmesi için bir amaç olarak düşünülmüştür. Yukarıda belirtilen tüm konulara değinmek amacıyla, bu tezde çok amaçlı optimizasyon ve kısıt fonksiyonları açısından üç farklı örnek ele alınmıştır. İlk olarak, ekstrem noktaların ve önerilen çok amaçlı optimizasyon yöntemi ile en iyi şekilde optimize edilen tüm olası çözümlerin bulunması için güç üretim birimlerinin kısıtlı üretimi göz önüne alınarak, ikinci dereceden bir yakıt maliyeti ve emisyon fonksiyonu ayrı ayrı minimize edilmiştir. Bu, önerilen algoritmayı doğrulamak ve algoritmanın etkinliğini göstermek için yapılmıştır. Yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon fonksiyonu da bu durumda çok amaçlı optimizasyon fonksiyonu olarak birlikte minimize edilmiştir. İkinci olarak, önerilen çok amaçlı algoritma, güç dengesi kısıtı dikkate alınarak üç farklı senaryoyu optimize etmek için kullanılmıştır. Bu örnekte ilk olarak aynı yakıt maliyeti ve emisyon fonksiyonu en aza indirilmiştir. Daha sonra yakıt maliyeti, sistem yeterlilik parametresi ve sağlanması beklenmeyen enerji (SBE), güvenilirlik fonksiyonu ile birlikte minimize edilmiştir. Yüksek gerilim seviyesindeki mikro şebekelerin sistem güvenilirliği, büyük miktarda yükün buradan beslenmesi sebebi ile büyük bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, ilgili risk analizi, kesinti tahmini yapılmalı ve olası sağlanmamış enerji miktarı üretim sisteminde reserv edilmelidir. Bu nedenle, önerilen algoritmayı daha etkili hale getirmek için güvenilirlik burada düşünülmektedir. Ayrıca önceki iki durum sonucunu karşılaştırmak için emisyon fonksiyonu ve güvenilirliği optimize edilmiştir. Son olarak, yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon fonksiyonu çok amaçlı optimizasyon fonksiyonu olarak, güç dengesi ve güvenilirlik kısıt fonksiyonları göz önünde bulundurularak en aza indirilmiştir. Bu senaryoda elde edilen sonuçlar, önerilen çok amaçlı optimizasyon algoritmasının etkinliğini gösteren önceki sonuçlarla iyi bir benzerliği göstermektedir. Sistem yeterliliği parametre değerlendirmesi için Monte Carlo Simülasyonu temelli olasılık yaklaşımı uygulanmıştır. Güvenilirlik bir fonksiyon olarak işlev görürken, tüm olası çözüm alanları için SBE'yi hesaplamak üzere bu Monte Carlo Simülasyonunu kullanılmıştır. Daha sonra bu çözümler sırasıyla yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon fonksiyonu ile birlikte en az indirilmiştir. Öte yandan, önerilen çok amaçlı optimizasyon algoritması, güvenilirliği bir kısıtlama olarak görmekte, SBE'yi hesaplamak için aynı tekniği kullanmakta ve algoritmanın gerekliliğine göre öngörülen bir sınırda tutmaya çalışmaktadır.