Cuckoo arama algoritması ile radyal dağıtım şebekelerinde optimum dağıtık üretim yerleşimi ve boyutlandırılması

Akıllı şebeke uygulamaları, gerek şebeke işletim ve kontrolu, gerekse tüketiciler açısından birçok üstünlük getirmiştir. Elektrik şebekesinin daha verimli, daha esnek, daha ekonomik ve daha güvenilir bir işletimi için, elektrik iletim-dağıtım-kullanım zincirinin her noktasına çok sayıda yenilenebilir enerji kaynakları bağlanmış ve bağlanmaktadır. Başlangıçta, şebeke kısıtları ve alışılagelmiş yapının bozulmaması amacıyla, çok sayıda küçük güçlü yenilenebilir enerji kaynağının (rüzgar ve güneş gibi), kendi aralarında birleştirilerek elektrik iletim şebekesine bağlantısı tercih edilmekteydi. Zamanla, bu merkezi üretim anlayışının sakıncaları ortaya konarak, olabildiğince dağıtık kaynak kullanılması fikri ve güç elektroniğindeki teknik gelişmeler ile birlikte, söz konusu küçük güçlü yenilenebilir enerji kaynaklarının orta gerilim dağıtım şebekesine ve alçak gerilim kullanım şebekesine bağlanması uygulamaları giderek yaygınlaşmıştır. Orta gerilim ve alçak gerilim şebekesine bağlanan dağıtık yenilenebilir kaynakların sayısal olarak ve güç olarak artması, bir dizi üstünlüğünün yanında, bazı teknik ve ekonomik sorunları da beraberinde getirmiştir. Dağıtık yenilenebilir enerji kaynaklarının ve son yıllarda giderek yaygınlaşan dağıtık enerji depolama düzeneklerinin, orta ve alçak gerilim şebekesine akıllı bir şekilde birleştirilmesi (entegrasyonu), yukarıda sözü edilen çeşitli teknik, ekonomik ve çevresel problemleri ve sorunları dikkate alarak; mevcut yenilenebilir enerji potansiyelinden en büyük ölçüde yaralanmak üzere, en uygun bağlantı noktalarını ve en uygun kaynak büyüklüklerini belirlemeyi hedefler. Diğer yandan, tasarım aşamasında konumu ve büyüklüğü belirlenen bu kaynaklarla birlikte, orta ve alçak gerilim şebeklerinin, en verimli işletimi de, akıllı şebekelerin en önemli konularından biridir. Günümüz elektrik dünyasında, tüketicinin arzuladığı kaliteli ve güvenilir enerjiyi sağlamanın en ekonomik şekli, mevcut dağıtık üretim ve depolama olanaklarının en uygun (optimum) tasarım ve işletimini sağlamakla olur. Dağıtık üretim ve depolama kaynaklarının, orta ve alçak gerilim şebekesine bağlanmasında en önemli engeller, radyal ve tek yönlü güç akışına göre tasarlanmış bu geleneksel şebekelerde ortaya çıkan, gerilim profillerindeki bozulmalar ve koruma sistemlerinin çalışmasında ortaya çıkan sorunlardır. Bu sorunları giderebilmek veya en azından hafifletmek için, söz konusu dağıtık kaynakların şebekeye bağlantı noktalarının ve boyutlarının uygun seçilmesi gerekir. Orta ve alçak gerilim şebekelerine dağıtık enerji kaynaklarının bağlanması ile başta güç kayıplarının azaltılması ve gerilim profillerinin düzeltilmesi olmak üzere pek çok teknik kazanım söz konusudur. Bu tür teknik kazanımların olası en yüksek oranlara çıkarılabilmesi için de, söz konusu dağıtık kaynakların uygun noktalara bağlanması ve uygun büyüklükte olması gereklidir. Çok sayıda araştımacı, farklı eniyileme (optimizasyon) teknikleri kullanarak, çeşitli açılardan teknik kazanımları maksimize etmeye çalışmışlardır. Kullanılan çözüm tekniklerine örnek olarak analitik yöntemler, sezgisel yöntemler ve yapay zekaya dayalı yöntemler verilebilir. Buna rağmen hala daha gerek problemlerin formülasyonu ve gerekse çözüm teknikleri açısından bazı eksiklikler ve yetersizlikler söz konusudur. Günümüz ve gelecek elektrik dünyasında, yük ve üretimdeki belirsizlikler, yukarıda belirtilen teknik kazanımları en üst düzeye çıkarabilmek için çok güçlü ve akıllı yönetim algoritmalarının geliştirilmesini gerektirmektedir. Örneğin, güç kayıplarının olabildiğince azaltılması ve gerilim genliklerinin belirli sınırlar içinde kalmasının sağlanması amacıyla alınacak önlemler ve yapılacak ayar ve kontroller öngörülen amaca hizmet etmediği gibi, tam tersi sonuçlar da doğurabilmektedir. Bu nedenle, yeterince analizler yapılmadan, çözüm olacağı düşünülen eylemlere girişilmemesi gerekir. Diğer yandan, bu teknik kazanımların direkt veya dolaylı sonucu olarak, elektrik işletmelerinin ekonomik getirilerinin arttıracağı, sera gazı yayılımını azaltacağı gibi, müşterilere daha ekonomik elektrik enerjisi sağlamaya katkıda bulunacaktır. Bu tez çalışmasında, mevsimsel yük değişimi etkilerini de dikkate alan, radyal dağıtım şebekelerine bağlanacak olan dağıtık enerji kaynakları için, en iyi konum ve en iyi boyutun belirlenmesi yaklaşımı sunulmaktadır. Problemin matematiksel olarak gösterilimi oluşturduktan sonra, eniyileme probleminin çözümü için, sezgisel algoritmalardan, doğrusal olmayan Cuckoo Arama Algoritması kullanılmıştır. Yük akış denklemlerini çözmek için ise Forward-Backward Sweep Method (FBSM) seçilmiştir. Önerilen yaklaşım, IEEE 12-bara radyal dağıtım test sistemine MATLAB ortamında uygulanmış ve önerilen yaklaşımın performansını ortaya koymak için sonuçlar tartışılmıştır. Yukarıda da belirtildiği üzere, orta ve alçak gerilim şebekelerine dağıtık enerji kaynaklarının bağlanması pek çok kazanım sağlamaktadır. Bu çalışmada, orta gerilim şebekesine bağlanacak dağıtık PV kaynakların yeri ve büyüklüğü, iki önemli kazanım açısından irdelenmiştir. Bunlar sırasıyla gerilim profillerinin düzgünleştirilmesi (gerilim taşmalarının önlenmesi) ve günlük enerji kaybının olası en düşük düzeye indirilmesidir. Öncelikle bu iki amaca yönelik tekil gösterilimler geliştirilmiş ve dağıtık PV kaynkaların yer ve değerleri sırasıyla her iki amacı sağlayacak şekilde belirlenmiştir. Daha sonra, bu iki amaç birleştirlerek, süreç çok-amaçlı bir eniyileme problemi olarak ifade edilmiş ve çözülmüştür. Bu kapsamda, günlük enerji kayıplarını, herhangi bir düşük veya aşırı gerilim sorunu olmaksızın, olası en küçük değerlere indirecek en uygun dağıtık PV kaynak bağlantı nokta ve boyutları belirlenmiştir. Farklı çalışma durumları için yarı-optimal çözümler bulunmuştur. Gerek tekil eniyileme problemi, gerkese birleştirilmiş çok-amaçlı eniyileme problemi çözümünde, iki farklı senaryo çalışılmıştır. Birinci senaryoda PV kaynaklar için 300 kW'lık bir üst sınır değer dikkate alınmış, ikinci senaryoda ise bu üst sınır değerler, yaz ve kış ayralarının her bir saati için farklı farklı alınmıştır.