Rüzgar ve güneş enerjisiyle temsil edilen yeni enerji üretimi, güç çıkışında önemli dalgalanmalar ve belirsizlikler sergiliyor. Hem rüzgar hem de güneş enerjisi çıktıları, yerel hava koşullarından doğrudan etkileniyor, güç çıkışındaki ani artışlara veya düşüşlere eğilimli, bu da güç sisteminin şebeke bağlantı frekansında zorluklar yaratıyor.
Güç dalgalanmaları ve nispeten karmaşık şebeke empedansı özellikleri nedeniyle, büyük-ölçekli merkezi şebeke bağlantısının veya rastgele güç çıkışının normal koşulları altında, güç sistemi kararlılığı sorunlarına yol açan güç salınımlarının meydana gelmesi muhtemeldir. Bu, geniş bir alanda planlanan yeni enerji üretim sistemlerinin yükünü ve performansını etkiler ve hem planlama hem de ekonomik verimliliğe ulaşmak için çok önemli olan yeni enerji kaynaklarının entegre edilme yeteneğinin etkilenmesini önlemek için sistemde yeterli rezerv kapasitesinin olmasını gerektirir.
Enerji depolama ve yeni enerji kaynaklarının entegrasyonu temel olarak üç hususa odaklanır: Birincisi, şebeke-seviyesindeki yükleri kısa zaman aralıklarında serbest bırakarak, elektrik şebekesinin 10-dakikalık-düzeyde güç regülasyonunu mümkün kılar, kısa-vadeli dalgalanmaları azaltır ve mevcut şebekenin yeni enerji kaynaklarına bağlanma kapasitesinden tam olarak yararlanır. İkincisi, yeni enerji çıkışı tahminlerini içeren ve kısa-günlük-dönemdeki-enerji üretimi tahminlerini temel alan dakika-düzeyi planlar geliştirerek, yeni enerji kaynaklarını etkili bir şekilde ultra-kısa-vadeli güç tahminlerine dahil eder. Bu, şebeke içindeki çeşitli üretim birimlerinin rasyonel çalışmasını ve zamanlamasını iyileştirir, hızlı frekans düzenleme kaynaklarına olan talebi azaltır, şebeke tahminlerinin doğruluğunu ve istikrarını artırır ve yeni enerji kaynaklarındaki dakika düzeyindeki gerçek zamanlı dalgalanmaları yumuşatarak geleneksel üretim birimlerinin normal çalışması üzerindeki etkiyi en aza indirir.
Tepe Tıraş ve Vadi Dolgusu
Geleneksel enerji üretimiyle karşılaştırıldığında yenilenebilir enerji üretimi, ekipman veya ünitelerinden nispeten düşük bir kullanım oranına sahiptir. Ülkemin "Üç Kuzey" bölgesini örnek alırsak, rüzgar kaynakları istatistiklerine göre bir rüzgar santralinin toplam çıktısının, toplam kurulu kapasitesinin %60'ını aşma olasılığı genellikle %5'ten azdır. Hat kullanımını iyileştirmek için hat kapasitesi planlaması tipik olarak rüzgar enerjisi iletim ihtiyaçlarının %95'ini veya rüzgar santrallerinin toplam kurulu kapasitesinin %60'ını karşılamayı amaçlar. Fotovoltaiklerde durum daha da ciddidir. Bu nedenle, yetersiz iletim kapasitesi nedeniyle rüzgar enerjisinin belirli bir yüzdesi kısıtlanacak ve yük uyumsuzluğu (anti-tepe-tıraşlanma özellikleri) nedeniyle güneş enerjisi de kısıtlanacak.
Yenilenebilir enerji üretimi, gün boyunca saatlik bazda nispeten uzun-vadeli dalgalanmalar sergileyen ve en yüksek elektrik talebinin akşam saatlerinde (genellikle 19.00-22.00) ortaya çıkmasıyla birlikte, sistemin kapasite gereksinimlerini yukarı ve aşağı doğru artıracaktır. Öte yandan rüzgar enerjisi genellikle yükün günün en düşük noktasında olduğu gece yarısı civarında tam güce ulaşır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji üretiminin tahmin edilmesindeki belirsizliği ortadan kaldırmak için, hem elektrik şebekesinin hem de konvansiyonel üretim ünitelerinin derin pik tıraşıyla ilişkili önemli riskleri taşıması gerekmektedir.
Pik tıraşlama ve vadi doldurma, hat iletim kapasitesini en üst düzeye çıkarmak, yük eğilimlerini eşleştirme ihtiyacını azaltmak ve geleneksel üretim birimlerinden gelen artan ve azalan kapasiteye yönelik talebi azaltmak için enerji depolamanın -zaman kaydırma özelliklerinden yararlanır.
Verilen günlük yük eğrisini P_l yenilenebilir enerji üretimi çıktı eğrisi P_{NE} ile toplayarak, son sistem eşdeğer yük eğrisini ∑P_i, yani ∑P_i=P_l - P_{NE} elde edebiliriz. Bununla birlikte, geleneksel enerji santrallerinin ve tepe-tıraşlı enerji santrallerinin çıkış düzenleme aralığı ve bölgesel ara bağlantı hattının harici şebekeye iletebileceği veya elde edebileceği maksimum güç P_L dikkate alındığında, şebekeye bağlı birimlerin maksimum etkin gücü P_{maks} şöyle olur:
P_{max}=μ(P_f + P_b + P_L) (3-3)
Nerede:
Evin dışında bulacağın tek yer
- P_f-En yüksek-tıraş ünitelerinin maksimum çıkış gücü;
- P_b-Zirve tıraşına katılamayan birimlerin minimum çıktısı;
- μ-Şebeke iletimi ve işletme verimliliği.
Formülde C, tepe-tıraş ünitesinin çıkış gücü düzenleme katsayısını temsil eder. Güç ilişkileri şekilde gösterilmiştir.
Şebekeye-bağlı birimlerin minimum etkili gücü P_{min}:
En düşük yük periyodu t₁–t₂ sırasında, geleneksel tepe-tıraş üniteleri tarafından ayrılan aşağı doğru düzenleme kapasitesi, şebekenin bu periyotta kabul edebileceği maksimum yenilenebilir enerji gücü P'_{NE}'dir, yani P'{NE}=P{max} - P_{min} (3-5) burada P_{min} minimum günlük çıktıdır (enerji depolaması olmadan, t₁–t₂ sırasında yenilenebilir enerji üretimi mümkündür) yalnızca rüzgar/güneş enerjisinin kısılması yoluyla elde edilebilir).
Enerji depolama olmadan t₁–t₂ sırasında yenilenebilir enerji üretiminin yalnızca sınırlı olabileceği görülebilir; ancak enerji depolamayla, t₁–t₂ sırasında şarj etme ve t₃–t₄ sırasında boşaltma, etkin eşdeğer yük eğrisini ∑P_i P_{min} ve P_{max} aralığına kaydırarak yenilenebilir enerji çıktısı sınırlamalarından ve rüzgar/güneş enerjisi kesintisinden kaçınır, yenilenebilir enerji emme kapasitesini artırır, şebekenin rezerv kapasitesi talebini azaltır ve genel sistem verimliliğini artırır. Bir BESS'in (Pil Enerji Depolama Sistemi) gücü P_{BESS}:
P_{BESS}=maks( P_{min} - ∑P_{min}, ∑P_{maks} - ∑P_{maks} ) (3-6)
Bir BESS'in enerjisi E_{BESS}:
E_{BESS}=maksimum{ μ_c ∫{t₁}^{t₂} (P{min} - ∑P_i) dt , 1/μ_d ∫{t₃}^{t₄} (∑P_i - P{max}) dt } (3-7)
Nerede:
- μ_c -- Enerji depolama sisteminin şarj verimliliği;
- μ_d -- Enerji depolama sisteminin boşaltma verimliliği.
Daha geniş anlamda daha fazla araştırma, genellikle uzun süren yük zirveleri ve vadileri için, şekilde gösterildiği gibi, belirli bir kapasiteye sahip bir enerji depolama sistemi yapılandırmanın zirve{0}}vadi farkını etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir.
Yük zirvesi-vadi farkının iyileştirme düzeyi şu şekildedir:
- P neredeimaxbeklenen maksimum yüktür;
- Pimaxbeklenen minimum yüktür.
Enerji depolama sistemi konfigürasyon yöntemi öncekine benzerdir ve tekrarlanmayacaktır.
Tahmin doğruluğunu artırın
NBT32011-2013 "Fotovoltaik Enerji Santralinin Güç Tahmin Sistemi için Teknik Gereksinimler"e göre, bir fotovoltaik enerji santralinin enerji üretim periyodu sırasında (sınırlı çıkışlı dönemler hariç) kısa-dönem tahmininin kök ortalama kare hatası 0,15'ten az olmalı ve aylık geçiş oranı %80'den büyük olmalıdır; ultra-kısa vadeli tahminin dördüncü saatinin ortalama karekök hatası 0,1'den az olmalı ve aylık geçiş oranı %85'ten büyük olmalıdır.
"Rüzgar Santrali Güç Tahmini ve Erken Uyarı İdaresine İlişkin Geçici Önlemler"e göre, bir rüzgar santralinin günlük tahmin eğrisinin maksimum hatası %25'i geçmeyecek, gerçek-zamanlı tahmin hatası %15'i geçmeyecek ve tüm gün için tahminin ortalama karekök hatası %20'den az olacaktır.
Hem kısa-vadeli hem de ultra-kısa-vadeli tahminler, 15 dakikalık aralıklarla tahmin verileri sağlar. Bu sayede yeni enerji kaynaklarının çıktıları gün boyunca 96 kontrol segmenti ile 15 dakikalık aralıklarla segmentlere ayrılarak kontrol edilebilmektedir. İzin verilen kontrol hatası bant genişliği ΔP, ilgili tahmin teknik spesifikasyonlarında izin verilen maksimum hataya göre belirlenir. Şekil 3-8'de gösterildiği gibi, P(1) ve Pe(2) sırasıyla birinci ve ikinci 15 dakikalık aralıklar için öngörülen güç değerleridir; AP ise yeni enerjiden elektrik üretimi kurulu kapasitesinin %15'ine ayarlanan izin verilen hata bant genişliğidir.
Yeni enerji üretiminin-kısa vadeli değişiminin yumuşatılması
Yeni enerji üretiminin kısa-zamanlı değişim hızı aynı zamanda güç sistemi kararlılığı gereksinimlerini de karşılamalıdır. Yeni enerji şebekesine-bağlı enerji üretiminin aktif güç değişimine ilişkin mevcut elektrik şebekesi sınırları aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.
Tablo 3-2: Şebekeye Bağlı Yeni Enerji Enerji Üretimi için Aktif Güç Değişimi Sınırları
| Yeni Enerji Santralinin Kurulu Gücü (MW) | 10 Dakikada Aktif Güçte Maksimum Değişim (MW) | Aktif Güçte 1 Dakikada Maksimum Değişim (MW) |
|---|---|---|
| < 30 | 10 | 3 |
| 30 ~ 150 | Kurulu Kapasite / 3 | Kurulu Kapasite / 10 |
| > 150 | 50 | 15 |
Yenilenebilir enerji yumuşatma uygulamalarında, BESS (Güç Donanımlı Eleman Sistemi), yenilenebilir enerji şebekesine bağlı sistemdeki-çok küçük düzeydeki güç dalgalanmalarını bastırarak, yenilenebilir enerji enerji üretimini depolamak ve serbest bırakmak için kullanılır. Bu, enerji depolama PBEss (Güç Elemanı Sistemi) ve yenilenebilir enerji Pv'nin (Güç V) birleşik çıkış P dalgalanmasının, kontrol zaman aralığının çoğunlukla 1 dakikaya ayarlanmasıyla yukarıda belirtilen teknik gereksinimleri karşılamasını sağlar. Ancak tahmin doğruluğunu artıran algoritmalardan farklı olarak bu yaklaşım öncelikle yenilenebilir enerji çıkışındaki güç dalgalanmalarına odaklanıyor. Bu nedenle, BESS'in spesifik nominal gücünün seçilmesinde, istatistiksel analiz ve olasılık analizi için veri örneği kaynağı, yenilenebilir enerji çıkışının dakika-seviyesi ve 10-dakika seviyesindeki aktif güç değişiklikleri olacaktır.
BESS'in güç ve kapasite tasarımı, geçmiş güç değişikliklerinin olasılık istatistiklerine ve güç tüketimindeki kümülatif değişikliklere dayandırılabilir ve durumların %80 ila %90'ında yumuşatma gereksinimlerini karşılamayı hedefleyebilir. Bu burada tekrarlanmayacaktır. Güç dalgalanma aralığının yukarıdaki gereksinimleri karşıladığından emin olmak için iki ana BESS güç kontrol algoritması kullanılır:
- Bunlardan biri,-nokta bazında-nokta sınırlama yöntemidir;
- Diğeri ise düşük-geçişli filtreleme yöntemidir.
Nokta-puan bazında-sınırlama yöntemi
Şekil örnek olarak alındığında, şekil yeni enerji çıkışı P ile büyük bir karşılaştırmayı göstermektedir.hayır(j) j zamanında ve son 10 dakikadaki birleşik çıktı P(J-n). (j-3) zamanında, yani P(j-3) ile P arasındaki değişimin olduğu görülebilir.hayır(j) en büyüğüdür ve maksimum 10 dakikayı aşar. Karşılaştırma şunu gösteriyor: △P10.
Bu nedenle, 10 dakikalık güç dalgalanma sınırını karşılamak için BESS'in çıkış aralığı (şarj için pozitif, deşarj için negatif):
Düşük-geçişli filtreleme yöntemi
Şekilde gösterildiği gibi, sinyal işlemedeki filtreleme ilkesini temel alan alçak-geçiren filtre, giriş sinyalinin genliğini ekleyerek veya çıkararak çıkış sinyalini daha düzgün hale getirir. Benzer şekilde, BESS'in erişimi, ilgili teknik gereksinimleri karşılayacak şekilde şarj ve deşarj kontrolü aracılığıyla yeni enerji santralinin çıkış gücündeki dalgalanmanın yumuşatılmasını da sağlayacaktır.
Toplam şebeke-bağlı gücün ∑P\\toplam P∑P'nin beklenen değeri şu şekilde verilir:
Verileri ayrıklaştırın; burada t kontrol periyodudur ve 1 dakika alırız:
∑P(j)=(τ / (τ + t)) * ∑P(j-1) + (t / (τ + t)) * P_ne(j)
Verilen ∑P(j)=P_ne(j) - P_bess(j)
P_bess(j)=(τ / (τ + t)) * (P_ne(j) - ∑P(j-1))
P_bess(j)=(τ / (τ + t)) * (∑P(j) - ∑P(j-1))
Şebekeye-bağlı güç dalgalanması teknik gerekliliklerine göre, ∑P(j)'nin dakika-düzey dalgalanma aralığı şunları karşılamalıdır:
|∑P(j) - ∑P(j-1)| Min'den küçük veya eşit(ΔP_i, 0,1 P_0)
Hesaplama formülünün P ile değiştirilmesiçok iyi(j) şunu elde ederiz:
