Sezgisel algoritmalar kullanılarak dağıtım sisteminde optimal dağıtık üretim yerleşimi ve boyutlandırılması

Bu tez, reaktif güç yeteneklerine sahip birden fazla Dağıtılmış Üreteç (DG) ünitesinin üç fazlı dengesiz bir dağıtım sisteminde optimum yerleştirilmesi ve boyutlandırılmasını araştırmaktadır. Araştırma, özellikle yük dengesizliği ve gerilim sorunlarının yaygın olduğu gelişmekte olan bölgelerde daha güvenilir, sürdürülebilir ve verimli güç dağıtım ağlarına duyulan artan talep doğrultusunda şekillenmiştir. Tüketim noktasına yakın küçük ölçekli enerji kaynaklarının kullanımı anlamına gelen Dağıtılmış Üretim (DG), iletim kayıplarını azaltma, gerilim kararlılığını artırma ve genel güç kalitesini destekleme potansiyeli nedeniyle giderek daha fazla ilgi görmektedir. Ancak DG'lerin bu potansiyelinden tam anlamıyla faydalanabilmek için uygun boyutlandırma ve yerleştirme yapılmalı ve gerçek ile reaktif güç kapasiteleri birlikte dikkate alınmalıdır. Bu çalışmanın temel özelliği, DG performansının iki farklı çalışma senaryosunda değerlendirilmesidir: birincisi yalnızca gerçek güç enjeksiyonunu içeren birim güç faktörü durumu ve ikincisi hem gerçek hem de reaktif güç enjeksiyonuna izin veren optimal güç faktörü durumu. DG yerleşim probleminin oldukça doğrusal olmayan ve çok hedefli doğasını ele almak için dört gelişmiş sezgisel optimizasyon algoritması kullanılmıştır: Genetik Algoritma (GA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Gri Kurt Optimizasyonu (GWO) ve Desen Arama (PS). Bu algoritmalar, karmaşık çözüm uzaylarını ele almadaki etkinlikleri ve mühendislik optimizasyonundaki başarıları nedeniyle seçilmiştir. Her algoritma, asimetrik yapı ve yükleme çeşitliliği açısından gerçekçi bir sistem olan IEEE 37-bus dengesiz dağıtım test besleyicisinde uygulanmıştır. Simülasyonlar, MATLAB ve OpenDSS'in COM sunucusu arayüzü ile entegre edildiği ortak bir simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. OpenDSS yük akışı analizini sağlarken, MATLAB optimizasyon algoritmalarını çalıştırmıştır. DG'ler şebeke üzerindeki çeşitli düğümlere yerleştirilmiş ve iki farklı senaryoda (birim ve optimal güç faktörü) güç kayıplarını azaltma ve gerilim profillerini iyileştirme performansları analiz edilmiştir. Birim güç faktörü senaryosunda DG'ler yalnızca gerçek güç enjekte edebilmiştir. Optimal güç faktörü senaryosunda ise DG'ler belirli sınırlar içinde reaktif güç de sağlayabilmiştir. DG bulunmayan temel senaryoda toplam gerçek güç kaybı 73.81 kW olarak gözlemlenmiş ve gerilim büyüklükleri 0.9664 p.u. ile 1.0607 p.u. arasında değişmiştir. Bu durum, sistemde önemli bir gerilim dengesizliği olduğunu göstermekte ve DG entegrasyonunun etkisinin değerlendirilmesinde referans olarak kullanılmıştır. Birim güç faktörü senaryosunda GA algoritması %73.85'lik kayıp azaltımı ile en yüksek performansı göstermiş ve sistem kaybı 19.302 kW'a düşürülmüştür. GWO %73.78, PSO %73.32 ve PS %72.98'lik azaltımlarla takip etmiştir. Bu sonuçlar, reaktif güç desteği olmadan bile doğru yerleştirme ve boyutlandırmanın sistem verimliliğini artırabileceğini göstermektedir. Optimal güç faktörü senaryosunda iyileştirmeler daha da belirgin hale gelmiştir. GA algoritması bu senaryoda %90.39'luk kayıp azaltımı ile toplam kaybı 7.103 kW'a düşürmüştür. PSO %90.32, GWO %90.02 ve PS %88.63'lük başarı elde etmiştir. Bu performans artışları, reaktif gücün gerilim desteği ve teknik kayıpların azaltılmasındaki kritik rolünü göstermektedir. DG'lerin hem aktif hem de reaktif güç sağlamasına izin verilmesi, sistemin daha iyi gerilim regülasyonu elde etmesini ve düğümler arasında daha tutarlı gerilim değerleri sağlamasını mümkün kılmıştır. Ayrıca, bu çalışma DG'lerin sistemde neden olduğu gerilim profilinin düzeltilmesinde ve güç kayıplarının azaltılmasında optimal güç faktörünün daha etkili olduğunu ortaya koymuştur. Üç fazın (A, B ve C) gerilim profilleri çizilmiş ve analiz edilmiştir. Temel durumda gerilim büyüklükleri, özellikle şebekenin uç düğümlerinde önemli ölçüde dalgalanma göstermiştir. DG'ler birim güç faktörüyle çalıştığında gerilim seviyeleri iyileşmiş fakat bazı bölgelerde aşırı gerilim gözlenmiştir. Optimal güç faktörü senaryosunda ise daha düzgün ve kararlı bir gerilim profili elde edilmiştir. Faz A'da, GA algoritması ile gerilim 0.9986 ile 1.0363 p.u. arasında kalmıştır. Benzer şekilde Faz B ve C'de de gerilimler daha dar aralıklarla korunmuş ve genel sistem gerilim kararlılığı sağlanmıştır. Bu durum, sistemde aşırı gerilim ve düşük gerilim sorunlarının azaltılmasına katkı sağlamıştır. Ayrıca analizler göstermiştir ki optimal güç faktörü senaryosu yalnızca kayıpları azaltmak ve gerilim profillerini iyileştirmekle kalmamış, aynı zamanda fazlar arasında dengeyi de artırmıştır. Gerçek hayattaki dağıtım sistemlerinin karşılaştığı başlıca sorunlardan biri olan yük dengesizliği, reaktif güç desteğiyle önemli ölçüde azaltılmıştır. Sezgisel algoritmaların kullanımı, karmaşık çözüm uzayında etkili gezinmeyi mümkün kılmış ve GA, hem yakınsama hızı hem de son çözüm kalitesi açısından diğerlerinden üstün performans göstermiştir. Algoritma davranışı açısından GA, çözüm iyileştirmede güçlü sömürü kabiliyetleri ile öne çıkmıştır. PSO, sürü zekası ilkesine dayalı olarak hızlı yakınsama göstermiş fakat bazen yerel optimumlarda takılmıştır. GWO, keşif ve sömürü arasında iyi bir denge sağlayarak liderlik hiyerarşisini arama sürecine başarıyla entegre etmiştir. PS algoritması ise nüfus temelli olmamasına rağmen, belirli durumlarda kararlı lokal arama yetenekleriyle makul başarı göstermiştir. Ancak küresel arama yeteneğinin sınırlı olması nedeniyle daha karmaşık problemlerde yetersiz kalmıştır. IEEE 37-bus test sistemi seçimi, çalışmanın geçerliliği açısından oldukça önemli olmuştur. Tek fazlı ve üç fazlı yüklerin karışımı, farklı bağlantı türleri ve düzensiz hat empedansları ile bu sistem, önerilen optimizasyon modellerini değerlendirmek için gerçekçi bir test ortamı sunmuştur. OpenDSS ile doğru güç akışı hesaplamaları yapılırken, MATLAB'in esnekliği algoritmaların entegrasyonu ve sonuç analizini kolaylaştırmıştır. Bu simülasyon ortamı, aynı zamanda algoritmaların uygulanabilirliğini test etmek ve karşılaştırmalı performanslarını değerlendirmek açısından büyük avantaj sağlamıştır. Bu çalışmanın en önemli katkılarından biri, DG planlamasında reaktif güç esnekliğinin göz ardı edilmemesi gerektiğini açıkça göstermesidir. Geleneksel çalışmalar çoğunlukla yalnızca aktif güce odaklanırken, bu araştırma reaktif gücün dahil edilmesinin sistem performansını önemli ölçüde artırabileceğini somut verilerle ortaya koymuştur. Gözlemlenen gerilim kararlılığı ve güç kaybı iyileştirmeleri bu yaklaşımı doğrulamakta ve planlama uygulamalarının güncellenmesi gerektiğini göstermektedir. Bununla birlikte, optimal güç faktörünün gerilim profili üzerindeki olumlu etkisi, sistemin güvenilirliğini ve kullanıcı memnuniyetini artıracak şekilde pratik uygulamalara dönüşebilir. Ayrıca algoritmaların göreli performansı da dikkate değerdir. GA en etkili algoritma olarak öne çıkarken, optimal güç faktörü koşullarında GA, PSO ve GWO arasındaki farkların az olması, uygulama gereksinimlerine göre tümünün geçerli seçenekler olduğunu göstermektedir. PS ise biraz daha düşük performansa sahip olmasına rağmen, yerel arama gereken karma algoritmalarda faydalı olabilir. Sonuçlar ayrıca farklı algoritmaların güçlü yönlerini birleştiren hibrit yaklaşımların potansiyeline işaret etmektedir. Örneğin, GA-PSO hibriti, GA'nin sağlam yakınsama davranışını, PSO'nun hızlı keşfiyle birleştirerek daha iyi sonuçlar verebilir. Gelecek çalışmalar algoritmalar içinde dinamik veya uyarlanabilir parametre ayarlamalarını da değerlendirerek dayanıklılığı ve ölçeklenebilirliği artırabilir. Bu çalışmanın bazı sınırlamaları arasında ekonomik ve çevresel faktörlerin dahil edilmemesi yer almaktadır. Ayrıca IEEE 37-bus test sistemi sağlam bir kıyas ölçütü sunsa da, gerçek dünya şebekeleri daha karmaşık topolojilere, zamanla değişen yüklere ve rastgele yenilenebilir kaynaklara sahip olabilir. Modelin bu tür unsurları içerecek şekilde genişletilmesi daha kapsamlı planlama araçları ortaya çıkarabilir. Buna rağmen, bu çalışma özellikle zayıf ya da dengesiz şebekelere sahip bölgelerde sistem planlayıcıları için değerli içgörüler sunmaktadır. Gelişmiş sezgisel tekniklerin, DG kapasitelerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasıyla uygulandığında, sistem güvenilirliği, verimliliği ve kararlılığına önemli katkılar sağlayabileceğini göstermektedir. Reaktif güç desteğine yapılan vurgu, inverter tabanlı DG'lerin artan penetrasyonuna sahip modern dağıtım sistemleri için oldukça önemlidir. Sonuç olarak, bu tez, dengesiz dağıtım sistemlerinde DG'lerin yerleştirilmesi ve boyutlandırılması için teknik olarak sağlam ve pratik açıdan geçerli bir çerçeve sunmaktadır. Birden fazla sezgisel algoritmanın gerçekçi koşullar altında karşılaştırılması ve iki operasyonel senaryo altında analiz edilmesi, güç sistemi optimizasyonu alanına önemli katkılar sağlamaktadır. Bulgular, DG planlamasında reaktif güç kapasitesinin dahil edilmesinin önemini vurgulamakta ve modern güç sistemlerinin çok hedefli doğasının sezgisel yaklaşımlarla ele alınabileceğini doğrulamaktadır. Güç sektörü hızla daha dağınık ve yenilenebilir kaynaklara dayalı bir yapıya doğru evrilirken, bu çalışmadan elde edilen bulgular son derece zamanında ve uygulanabilir niteliktedir. Elde edilen sonuçlar, büyük altyapı yatırımları olmadan dağıtım ağı performansını artırmak isteyen kamu hizmetleri ve politika yapıcılar için bir yol haritası sunmaktadır. Ayrıca geliştirilen metodolojiler ve araçlar, dağıtılmış enerji kaynakları, akıllı şebeke teknolojileri ve entegre enerji sistemlerini içeren diğer planlama problemlerine de uygulanabilir niteliktedir. Bu bağlamda, çalışmada önerilen optimizasyon modeli, sadece gerilim kararlılığı ve kayıp azaltımı açısından değil, aynı zamanda gerçek sistem uygulamalarında kullanılabilirliği açısından da güçlü bir potansiyel sunmaktadır. Simülasyon sonuçları, özellikle GA algoritmasıyla elde edilen yüksek yakınsama başarısı ve düşük güç kaybı değerleriyle, önerilen yaklaşımın sahada uygulanabilir teknik çözümler üretme kapasitesini ortaya koymuştur. Özellikle optimal güç faktörü ayarının sisteme entegre edilmesi, yalnızca algoritmaların performansını artırmakla kalmamış, aynı zamanda gerilim profili üzerinde doğrudan ve ölçülebilir bir iyileştirme sağlamıştır. Bu durum, DG yerleşim stratejilerinin sadece topolojik değil, aynı zamanda operasyonel parametrelerle birlikte değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir.