Akıllı şebekelerde güç kalitesi nasıl kontrol edilir?

Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve biyokütle enerjisi gibi yeni enerji kaynaklarının, dağıtık üretim, mikro şebekeler ve küçük ile orta ölçekli elektrik istasyonları (enerji depolama istasyonları ve elektrikli araç şarj istasyonlarını da içermektedir) şeklinde dağıtım şebekesine entegrasyonu ile birlikte, yeni durumda bir akıllı şebeke birçok yeni problemle karşı karşıyadır. Akıllı şebeke mimarisi altında güç kalitesi kontrol yapısı temel olarak dağıtık üretim, iletim ve dağıtım şebekeleri, elektrik yükleri, güç kalitesi kompanzatörleri vb. unsurlardan oluşmaktadır.

Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve biyokütle enerjisi gibi yeni enerji kaynaklarının, dağıtık üretim, mikro şebekeler ve küçük ve orta ölçekli güç istasyonları (enerji depolama istasyonları ve elektrikli araç şarj istasyonlarını da içermektedir) şeklinde dağıtım şebekesine kapsamlı şekilde entegre edilmesiyle, yeni durumda akıllı şebeke birçok yeni problemle karşı karşıyadır. Akıllı şebeke mimarisi altında güç kalitesi kontrol yapısı temel olarak dağıtık üretim, iletim ve dağıtım şebekeleri, güç tüketimi yükleri, güç kalitesi kompanzatörleri vb. unsurlardan oluşmaktadır. Yeni enerjinin entegrasyonu için temel itici güç kaynağı olarak, güç elektroniği dönüştürme ekipmanlarının kapsamlı entegrasyonu iletim ve dağıtım şebekelerinde yeni güç kalitesi özellikleri ve problemler ortaya çıkarmıştır. Bu problemler acilen çözülmelidir. Diğer taraftan, tüketici tarafında bulunan yüklerin çeşitliliği, doğrusal olmayışı ve etkileri giderek daha ciddi hale gelmiş ve elektrik enerjisinin verimli kullanılması acil bir mesele haline gelmiştir. Bu yeni problemler güç kalitesi kontrol teknolojisine hem fırsatlar hem de zorluklar getirmiştir. Akıllı şebekenin merkezi unsuru olan mikro şebeke, çoklu enerji kaynaklarını birleştiren doğrusal olmayan kompleks bir sistemdir. İçerisindeki dağıtık enerji kaynakları, süreksizlik, karmaşıklık, çeşitlilik ve kararsızlık gibi özelliklere sahiptir. Güç kalitesi konusundaki yeni problemler ve özellikleri giderek daha belirgin hale gelmiştir. Bu nedenle mikro şebekelerin bağlantısı altında dağıtım şebekesinin güvenli ve kararlı çalışmasını sağlamak amacıyla acilen araştırılıp çözülmesi gereken temel problemlerden birisi güç kalitesi problemidir.
Güç kalitesi kompanzatörlerinin sınıflandırılması
Güç kalitesi kompanzasyon kontrol teknolojisi, aktif kontrol teknolojisi ve pasif tedavi teknolojisi olmak üzere ikiye ayrılabilir. Farklı güç kalitesi sorunlarına karşılık gelen kompanzasyon cihazları sınıflandırılarak tanıtılmıştır. Pasif kontrol teknolojisi, harmonikler, reaktif güç ve üç fazlı dengesizlik gibi güç kalitesi sorunlarını bastırmak veya çözmek amacıyla ek güç elektroniği kompanzatörlerini paralel ya da seri olarak bağlayarak gerçekleştirilir. Kompanzasyon cihazları temel olarak pasif güç filtresi (PPF), aktif güç filtresi (APF), hibrit aktif güç filtresi (HAPF), reaktif güç kompanzatörleri, dinamik voltaj geri yükleme cihazı (DVR) ve entegre güç kalitesi regülatörü (UPQC) gibi cihazları içerir. Bunlar arasında, modüler çok seviyeli dönüştürücüye (MMC) dayalı güç kalitesi kompanzatörü, düşük voltajlı modüler kaskad yapısı nedeniyle orta ve yüksek voltajlı güç kalitesi yönetim teknolojisinin araştırma odağı ve geleceğe yönelik bir trendi haline gelmiştir. Aktif kontrol teknolojisi, elektrikli ekipmanların veya dağıtık güç kaynaklarının giriş ya da çıkış empedansı özelliklerini değiştirerek güç kalitesi yönetimi fonksiyonunu dengelemesini sağlar. Aktif güç kalitesi kontrol teknolojisi, sadece güç kullanım oranını artırmakla kalmaz, aynı zamanda ek kompanzatörler ilave etmeye gerek kalmadan sistemin genel güç kalitesini de iyileştirir.
2. Güç kalitesi kompanzatörleri için kontrol yöntemleri
Günümüzde güç kalitesi kompanzatörleri çoğunlukla gerilim kaynaklı veya akım kaynaklı dönüştürücüler kullanmaktadır. Kompanzatörler için yaygın olarak kullanılan akım kontrol yöntemleri şunları içermektedir: histerezis kontrol, adım-baskı kontrol, model tahminli kontrol, oransal integral (PI) kontrol, oransal rezonans (PR) kontrol, tekrarlı kontrol ve doğrusal olmayan güçlü kontrol gibi yöntemler. Bunlara ek olarak, geleneksel akım kontrol yöntemlerini iyileştirerek tekil akım kontrol modunun kontrol performansı artırılabilmektedir. Örneğin, geleneksel PI ile vektörel PI'nin birleştirildiği kontrol yöntemi harmonik tespit sürecini basitleştirebilmektedir. Geleneksel tüm bant kompanzasyon yöntemine kıyasla harmonik frekans bölümlü kompanzasyon yöntemi, her bir harmoniğin tespit doğruluğunu ve kompanzasyon doğruluğunu artırmaktadır ve özellikle çeşitli yüksek ve alçak gerilimli hibrit aktif güç filtresi cihazları için uygundur.
3. Büyük ölçekli dağıtılmış güç istasyonlarının güç kalitesi analizi ve kontrolü
Güneş ve rüzgar enerjisi gibi büyük ölçekli dağıtılmış güç istasyonlarının (10 kV ila 35 kV seviyeleri) şebeke bağlantısının artmasıyla, özellikle çoklu invertörlerden oluşan dağıtılmış güç istasyonu sistemlerinin, iletim ve dağıtım sistemiyle olan etkileşimi ve harmoniklerin birbirine bağlanması giderek daha karmaşık hale gelmiştir. Dağıtılmış güç istasyonları tarafından üretilen harmonikler, yüksek frekanslı ve geniş frekans aralığına sahip özellikler göstermektedir. Tipik bir dağıtılmış güç istasyonunun rezonans katsayısı, harmonik derecesi ve iletim mesafesi arasındaki ilişki. Harmoniklerin iletim şebekesinde yayılması sırasında iletim hatlarındaki dağıtılmış kapasitans ve arka plan harmonik gerilimi gibi faktörlerden etkilenerek akım ve gerilimde rezonans yoluyla amplifikasyon meydana gelir. İletim şebekesindeki geniş bant harmoniklerinin seri-paralel rezonans sorununu bastırmak için iki çözüm vardır: iletim şebekesinin parametrelerini değiştirerek rezonansı ortadan kaldırmak amacıyla paralel reaktörlerin kullanılması; yüksek gerilimli hibrit aktif güç filtresi cihazlarının kurularak şebekeye akan harmonik akımın azaltılması.