Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması, elektrik şebekelerinde üretim altyapısının merkezi üretim yapısından, dağıtık üretim yapısına doğru evirilmesine sebep olmaktadır. Dağıtık üretim yapısı, merkezi üretim yapısına göre tasarlanmış elektrik şebekelerinde çeşitli teknik kalite problemlerine yol açmaktadır. Bu problemlerin başında ise, elektrik üretim santrallerinin bağlantı noktalarında karşılaşılan aşırı gerilim olaylarıdır. Bu yazıda, elektrik üretim santrallerinin elektrik şebekesine bağlandığı noktada neden gerilim yükselmesi olayına sebep olduğu açıklanmaya çalışılacaktır.
Üretim santrallerinin bağlantı noktasında görülen gerilim yükselmesi olayı aşağıda sunulan basitleştirilmiş eşdeğer elektrik devresi yardımıyla incelenebilir. Bu devrede elektrik şebekesi, üretim santralinin bağlantı noktasından bakıldığı zaman temel olarak bir gerilim kaynağı ve bu kaynağa seri bağlı bir empedans olarak modellenmiştir. Üretim santrali de analizi basitleştirmek için sadece bir gerilim kaynağı olarak modellenmiştir.
Şekil 1 – Üretim santralinin şebeke bağlantısının basitleştirilmiş eşdeğer devre gösterimi
Bu basitleştirilmiş eşdeğer devrede, elektrik üretim santralinin bağlı olduğu noktadaki Vg gerilimi Kirchhoff’ un gerilim kanunu yardımıyla elde edilen aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanabilir;
Elektrik üretim santralinin bağlı olduğu noktada oluşması beklenen gerilim yükselmesi, verilen denklemden elde edilen Şekil 2’ deki vektör diyagramı yardımıyla açıklanabilir. Bu vektör diyagramında, şebeke gerilimi Vs, eş değer devredeki referans gerilimi olarak alınmıştır ve faz açısı 0° derece olarak kabul edilmiştir. Elektrik üretim santrallerinin temel amacı aktif güç üreterek elektrik şebekesine iletmek olması sebebiyle, bu vektörel gösterimde üretim santralinin sadece aktif güç ürettiği kabul edilmiştir. Bu sebeple, üretim santralinin bağlantı noktasındaki gerilim vektörü ile şebeke iletilen akım vektörlerinin, vektör diyagramında gösterildiği gibi aynı fazda olması gerekmektedir.
Üretim santralinin ilettiği akımın şebeke empedansı üzerinde oluşturduğu gerilim vektörleri, şebeke gerilimi vektörünün üzerine eklendiğinde, vektör diyagramında görüldüğü gibi üretim santralinin bağlantı noktasındaki gerilim, şebeke geriliminden daha büyük bir genliğe ve pozitif bir faz açısı değerine sahip olacaktır.
Şekil 2 – Eşdeğer devredeki gerilimlerinin ve akımın vektör diyagramı gösterimi
Şekil 2 ‘ deki vektörel diyagramdan da gözüktüğü gibi üretim santrali bağlantı noktasındaki gerilim yükselmesi, üretim santralinin şebekeye ilettiği akıma veya diğer bir deyişle, üretim santralinin şebeke ilettiği güce ve şebeke empedans değeriyle şebeke empedansının karakteristiğine bağımlıdır. Şebeke eşdeğer empedansı karakteristiği üretim santralinin bağlı olduğu şebekenin gerilim seviyesine göre değişiklik göstermektedir. Yüksek gerilim şebekelerinde, şebeke eşdeğer empedansının X/R oranı 1’ in üzerinde, orta gerilim şebekelerinde 1 civarında ve alçak gerilim seviyelerinde 1’ in altında kabul edilmektedir.
Şebeke empedansının karakteristiğinin gerilim yükselmesi üzerindeki etkisi Tablo 1’ de birim (per-unit) değerler ile gerçekleştirilen yük akışı analizi sayısal örneği ile ortaya konulmuştur. Bu tablodaki değerlerde, elektrik üretim santralinin sadece aktif güç ürettiği kabul edilmiştir. Bu sebeple, elektrik üretim santralinin aktif güç değerini Pg=1pu ve reaktif güç değerini de Qg=0pu olarak alınmıştır. Şebeke gerilimi ise 10° pu alınmıştır.
Tablo 1 – Sayısal örnek ile ilgili veriler ve elde edilen sonuçlar
Tablo 1’ de verilen sonuçlardan görüldüğü gibi, elektrik üretim santralleri şebeke bağlantı noktalarında, elektrik şebekesi gerilim seviyesi ve eş değer empedans karakteristiğine bağımlı olarak farklı oranlarda gerilim büyüklüğünün artmasına sebep olmaktadır.
Yüksek gerilim seviyelerinde üretim santrallerinin sebep olduğu gerilim artış oranı göreceli olarak daha düşük olmasına karşın, dağıtık üretim santrallerinin yoğun olarak yer aldığı ve sayılarının gün geçtikçe artış gösterdiği orta gerilim ve alçak gerilim dağıtım şebekelerinde bu oran ciddi seviyelere ulaşabileceği bu yazıda sunulan sayısal örnek yardımıyla açıkça görülmektedir.
