Blog

5 Soruda Güç Kalitesi Nedir, Nasıl İyileştirilir?

Elektrik güç kalitesi nedir?

Elektrik güç kalitesi ile ilgili çeşitli kaynaklarda farklı tanımlamalar bulmak mümkündür. Elektrik güç kalitesi kimi kaynaklara göre elektrik şebekesinin güvenirliği, kimi kaynaklara göre ise sadece gerilim kalitesi olarak tanımlanmıştır. Fakat bu tanımlamalar, elektrik güç kalitesi kavramını açıklama da yetersiz kalmaktadırlar.

Daha kapsayıcı bir tanımlama yapmak gerekirse, elektrik güç kalitesi, son kullanıcı yüklerinin veya elektrik şebekesine bağlı ekipmanlarının, önemli bir performans ve ömür kaybı yaşamadan, istenilen şekilde çalışmasını sağlayan bir dizi elektriksel parametreler ve limitler olarak tanımlanabilir.

Elektrik güç kalitesi problemleri ise, son kullanıcı yüklerinin veya elektrik şebekesine bağlı ekipmanlarının arızalanmasına veya hatalı çalışmasına sebep olan voltaj, akım ve frekans değişimlerinden kaynaklı güç problemleri olarak tanımlanabilir.

Elektrik güç kalitesinin önemli bir kavram haline gelmesine sebep olan etkenler nelerdir?

Son yıllarda, elektrik enerjisine olan talebin artması, yük karakteristiklerindeki değişim ile güneş ve rüzgar enerji üretim tesisleri gibi yenilebilir enerji kaynaklarının elektrik şebekelerine nüfuz etmesi elektrik güç kalitesi kavramının önemini ortaya çıkarmıştır.

Teknolojide yaşanan gelişmeler ile elektrik enerjisini hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir ve elektrik enerjisine olan talebin gün geçtikçe artmasına sebep olmaktadır. Elektrik enerjisine olan talepteki hızlı artışa rağmen elektrik üretim, iletim ve dağıtım altyapısı aynı hızla gelişememektedir. Bu durum, elektrik şebekelerinde güç kalitesi problemlerinin görülme sıklığı artmasına sebep olmuştur.

Gelişen teknoloji aynı zamanda yük karakteristiklerinin de değişimine yol açmıştır. Mikroişlemci ve yarıiletken tabanlı yükler güç kalitesi problemlerinden etkilenen yük çeşitlerinin başında gelmelerine rağmen birçok güç kalitesi probleminin de kaynağını oluşturmaktadırlar.

Yenilenebilir enerji sistemleri kullanımının armasıyla beraber, elektrik üretim altyapısı dağıtık bir yapı haline gelmiştir. Güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji üretim sistemlerinin değişken üretim karakteristiği, dağıtık üretim yapısının getirdiği karmaşıklık ile birleşince elektrik şebekelerindeki yük akışı daha öngörülemez bir hal almaktadır. Bu durum merkezi üretim yapısına göre şekillenmiş olan iletim ve dağıtım şebekelerinde çeşitli güç kalitesi problemlerinin ortaya çıkmasına sebep olmaktadır.

Elektrik şebekelerinde karşılaşılan başlıca güç kalitesi problemleri nelerdir?

Elektrik şebekelerinde en çok karşılaşılan güç kalitesi problemlerinin başında gerilim çukuru ve tepesi ile harmonikler gelmektedir. Bunlarla beraber, elektrik şebekelerinde değişken reaktif güç akışından kaynaklanan düşük gerilim, aşırı gerilim, gerilim dalgalanması (fliker) ile hatların dengesiz yüklenilmesi sebebiyle ortaya çıkan gerilim ve akım dengesizliği olayları da sıklıkla görülen güç kalitesi problemleridir.

Elektrik güç kalitesi problemlerinin etkileri nelerdir?

Elektrik güç kalitesi problemleri, kabloların ve transformatörlerin aşırı ısınmasına ve ömür kaybına, kapasitör banklarının arızalanmasına, koruma ekipmanlarının hata vermesine, izolasyon ekipmanlarının aşırı strese maruz kalarak arızalanmasına, şebekeye bağlı cihazların devre dışı kalmasına veya arızalanmasına ve iletişim hatlarında gürültüye yol açmaktadır. Bu etkiler, şebeke operatörleri ile tüm endüstriyel, ticari ve mesken müşterileri için ciddi seviyelere ulaşan ekonomik kayıplara yol açmaktadır.

Elektrik güç kalitesi nasıl iyileştirilir?

Elektrik güç kalitesinin iyileştirilmesi için, problemlerin uygun çözüm yöntemleri ile azaltılması veya tamamen ortadan kaldırılması gerekmektedir. Farklı güç kalitesi problemleri için farklı çözüm yöntemleri bulunmaktadır.

Gerilim çukuru ve tepesi problemlerinin etkilerinin azaltılması için en etkin çözüm yöntemleri kesintisiz güç kaynakları ve güç elektroniği tabanlı seri bir kompanzasyon sistemi olan dinamik gerilim iyileştiricisidir. Kesintisiz güç kaynakları yüksek maliyetleri sebebiyle genellikle düşük güçlü hassas yüklerin, gerilim çukuru ve tepesi olaylarından korunması amacıyla tercih edilmektedir. Orta ve yüksek güçlü hassas yükleri korumak için ise, dinamik gerilim iyileştiricisi öne çıkmaktadır.

Harmonikler ve reaktif güç akışından kaynaklanan güç kalitesi problemlerini ortadan kaldırmak için pasif filtreler ve güç elektroniği tabanlı aktif kompanzasyon yöntemleri kullanılmaktadır. Pasif filtreler, yüksek güçlü reaktif güç ve harmonik kompanzasyonu için düşük maliyetli bir çözümdür. Fakat, harmonik filtreleme performansı zayıftır ve şebeke ile rezonans oluşturma riski bulunmaktadır. Güç elektroniği tabanlı çözüm sistemleri ise, statik VAR kompanzastörü (SVC), manyetik kontrollü reaktör (MCR), statik kompanzatör (STATCOM) ve aktif güç filtreleridir (APF). Bu sistemlerin seçiminde, hangi güç kalitesi olayına çözüm getirileceği, ihtiyaç duyulan kompanzasyon gücü, kurulum alanı, maliyet gibi birçok parametre göz önünde bulundurulmaktadır.

 

Blog

Elektrikli Araçların Şebekeye Entegrasyonu

İnsanoğlunun tekerin icadı ve binek hayvanların kullanımı ile başlayan, ulaşım amacıyla bir araç kullanılması gereksinimi, sanayi devrimi ile birlikte buharlı trenler, içten yanmalı motorlar ve en sonunda elektrikli araçlarla karşılanmaktadır. Her ne kadar elektrikli araçların icadı ve kullanımı 1900 lü yıllardan öncesine denk gelmiş olsa da, batarya maliyetleri, ulaşım menzilinin kısıtlılığı, içten yanmalı motorlardaki yakıtın ucuzluğu gibi sebeplerle elektrikli araçlar yaygınlaşamamış, bu sebeple de son zamanlarda popülerliğini geri kazanana kadar trafikte göremediğimiz bir araç türü olmuştur.

Fosil yakıtların çevreye olan zararının anlaşılması fosil yakıtlara alternatif teknolojilere ilgiyi artırmıştır. Bunların başında fosil yakıtların en fazla kullanıldığı sektörlerden birisi enerji sektörü olduğu için yenilenebilir enerji teknolojileri ve batarya teknolojileri; aynı zamanda içten yanmalı motorlar yerine gelebilecek şekilde elektrikli araç teknolojileri gelmektedir. Özellikle enerji depolama teknolojilerinin de gelişmesi ile birlikte depolama sistem maliyetleri önemli ölçüde azalmış ve bu da yüksek menzilli elektrikli araçların da satin alınabilecek fiyatlara gelmesini sağlamıştır.

Ancak her ne kadar elektrikli araçların depolama kapasiteleri kullanım açısından tatmin edici menzilleri mümkün kılacak şekilde büyümüş olsa da, bu bataryaların dolum işlemi de bir o kadar uzun sürmektedir. Dolum işleminin kısaltılması için değişik elektrikli araç şarj istasyonu teknolojileri kullanılmakta olup, bunlar temel itibariyle elektrikli araçların farklı güçlerde şarj edilmesi esasına dayanmaktadır. Farklı şarj modları için gerekli şarj gücü ve 100 km lik menzil için gerekli şarj süreleri aşağıdaki tablo ile özetlenebilir[1]:

Şarj GücüŞarj Modu100 km Menzil için Şarj Süresi
120 kW – DCMod 410 dk
50 kW – DCMod 420 – 30 dk
22 kW – AC trifazeMod 31 – 2 saat
10 kW – AC trifazeMod 32 – 3 saat
7.4 kW – AC monofazeMod 1 ya da 23 – 4 saat
3.3 kW – AC monofazeMod 1 ya da 26 – 8 saat

Tablo 1: Farklı şarj güçleri ve modlarına yöre 100 km seyahat için gerekli yaklaşık şarj süreleri

Görüldüğü üzere şarj süresini kısaltmak için kullanılan şarj istasyonlarının gücü gayet yüksek değerlere ulaşmış durumdadır. Elektrikli araçların şarj istasyonlarını kullanım zamanı ve yoğunluğu kullanıcıların talebine bağlı olduğu için de bu yüksek güçteki bağlantılar herhangi bir talep olmadığı durumda şebekedeki belirli bir kapasitenin hiç kullanılmamasına ya da puant talep zamanına denk gelen bir şarj işlemi ile birlikte şebeke kısıtlılıklarına sebep olabilmektedirler. Bu sebeple şarj istasyonlarından çekilen enerjinin anlık olarak yönetilebilmesi ya da şarj istasyonlardaki talebin puant zamanlara denk gelmemesi için çeşitli yöntemler aktif olarak denenmektedir.

Bu yöntemlerden ikisi kullanıcılara farklı zamanlarda kullanacakları enerji için farklı fiyatlar verilmesi ya da akıllı şarj dediğimiz algoritma ile şebekedeki yük durumu gözetilerek şarj gücü ve zamanının belirlendiği yöntemdir. Bu yazıda bu iki yöntemin kullanılması ile birlikte elektrik şebekesine etkinin nasıl olduğu ve farklı yöntemlerle hangi elektrikli araç yaygınlaşma oranına ulaşılabileceği ele alınacaktır.

Yazının geri kalanında, Ocak 2011 tarihli Proceedings of IEEE vol. 99, No 1 sayısında J. Lopez, F. Soares, P. Almeida tarafından hazırlanan “Integration of Electrical Vehicles in the Electric Power System” isimli makale kullanılmıştır.

Değişik yük profillerine sahip mesken, ticarethane ve sanayi kullanıcılarının bağlandığını varsaydığımız bir şebeke modeli kullanılmıştır. 15 kV gerilim kullanan şebeke modeli şu şekilde gösterilebilir. Şebekedeki numaralar gerilim problemleri yaşanan noktaları ve harfler ise yüklenme problemleri ile karşı karşıya kalan kabloları göstermektedir.

Şekil 1: Simulasyonların gerçekleştirildiği şebeke ve gerilim ve akım problemleri yaşanan yerler

Elektrikli Araç şarj yöntemlerini karşılaştırılması için üç yöntem kullanılmıştır:

  1. Normal Şarj: Elektrik fiyatlarının gün boyunca sahip olduğu ve şebekedeki durumun gözetilmeden kullanıcıların taleplerine olduğu gibi cevap verilmeye çalışılan “normal şarj” (dumb-charging) durumu,
  2. Çift Zamanlı Tarife: Kullanıcılara gün içerisinde iki farklı fiyat verilerek elektrikli araç şarj işlemi saatinin değiştirilmeye çalışıldığı ancak kullanıcıların talebinin oluşması durumunda şebeke kısıtlılıklarının önemsenmediği “çift zamanlı tarife” (dual tariff charging) durumu,
  3. Akıllı Şarj: Kullanıcılarla yapılan anlaşmalar neticesinde şebeke kısıtlılıklarının gözetilerek şarj gücü ve şarj işlemi zamanının ayarlanabildiği “akıllı şarj” (smart charging) durumu.

Kullanıcıların sahip olduğu araçların hiçbiri elektrikli araç olmayacak şekilde başlayan enerji simulasyonları elektrikli araç yaygınlaşmasını her seferinde %1 artırarak toplam şebeke kapasitesine ulaşılana kadar devam etmiştir. Kullanılan elektrikli araç tipleri hibrit araç ve elektrikli araçlar olmak üzere şebekede yer alacak araçların %20’si hibrit ve geri kalan %80’i elektrikli araç olacağı varsayılmıştır.

Makale içerisinde belirtilen algoritmalar ile elektrikli araç yaygınlaşması her üç şarj yöntemi için de denenerek, şebekede kısıtlılıkları göz önünde bulundurularak yer alabilecek maksimum elektrikli araç yüzdesi belirlenmiş ve bu yüzdelere göre de şebekede sıkıntı yaşanan durumlar raporlanmıştır. Yapılan simulasyonlar sonucu şebeke kısıtlılıkları göz önünde bulundurularak Normal Şarj durumunda maksimum %10 elektrikli araç yaygınlaşma oranına, Çift Zamanlı Tarife durumunda maksimum %14 elektrikli araç yaygınlaşma oranına ve Akıllı Şarj durumunda ise maksimum %52 elektrikli araç yaygınlaşma oranına ulaşılmıştır. Şebekede sorun yaşanan noktalardaki gerilim ve yüklenme durumları aşağıdaki tablolarda ortaya konulmaktadır.

Puant ZamanYöntemGerilim (p.u.)
12345
21Elektrikli Araç Olmadığı Durum0.9610.9620.9620.9620.964
21%10 Normal Şarj0.9510.9510.9510.9510.953
23%14 Çift Zamanlı Tarife0.9510.9520.9520.9520.953
23%52 Akıllı Şarj0.9500.9500.9500.9500.952

Tablo 2: Gerilim sorunları yaşayan noktalarda farklı şarj yöntemleri ile ulaşılan gerilim değerleri

Puant ZamanYöntemYüklenme (%)
ABCDEF
21Elektrikli Araç Olmadığı Durum71.763.543.243.142.935.1
21%10 Normal Şarj80.171.449.649.349.239.4
23%14 Çift Zamanlı Tarife80.071.750.650.350.139.5
23%52 Akıllı Şarj81.774.454.654.254.140.6

Tablo 3: Yüklenme sorunları yaşayan noktalarda farklı şarj yöntemleri ile ulaşılan yüklenme değerleri

Şekil 2: Farklı şarj yöntemleri ile şebekedeki yükün zamana bağlı değişimi

Limit yaygınlaşma oranlarında için elektrikli araçların gerilim ve yüklenme oranlarına etkisi farklı şarj yöntemlerine göre fazla değişmemektedir, sadece Akıllı şarj durumunda şebeke yüklenmeleri önemsenebilecek miktarda artmaktadır. Elektrikli araç olmadığı durum ile limit yaygınlaşma oranındaki değerler arasında ise önemli farklılıklar bulunmaktadır.

Yukarıdaki grafik farklı şarj yöntemleri ve limit yaygınlaşma oranları için şebekeden çekilen toplam yük miktarının zamana bağlı değişimini göstermektedir. Grafiği okumak gerekirse yaklaşık 18 MW’lık puant tüketim miktarına normal şarj ile %10 yaygınlaşma oranında, çift zamanlı tarife ile %14 yaygınlaşma oranında ve akıllı şarj ile %52 yaygınlaşma oranında erişilmektedir. Şebeke yatırımlarına puant tüketim miktarına göre karar verildiği düşünüldüğünde bu yaygınlaşma oranları arasındaki fark oldukça önemlidir.

Değişik şarj yöntemleri ile elde edilen şebeke kullanımı (grid utilization) miktarına bakıldığında, ortalama yük miktarının elektrikli araç olmadığı durumda 11.5 MW, %10 Normal Şarj durumunda 12.2 MW, %14 Çift Zamanlı Tarife durumunda 12.6 MW ve %52 Akıllı Şarj durumunda ise 15.6 MW olduğu gözlemlenmiştir. Bu 3 yöntem için puant yükün yaklaşık aynın olduğu düşünüldüğünde akıllı şarj yöntemiyle yüksek bir şebeke kullanımı elde edildiği sonucuna ulaşılmaktadır.

Şebeke kısıtlılıkları bu dört farklı durum için aşağıdaki şekilde görselleştirilmiştir:


Şekil 3: Farklı durumlar için şebeke yüklenmeleri – a) Elektrikli Araç Olmadığı Durum, b) %10 Normal Şarj, c) %14 Çift Zamanlı Tarife, d) %52 Akıllı Şarj

İncelenen makale ışığında değişik şarj yöntemleri için şebekedeki kısıtlılıklar incelenmiş ve bu şarj yöntemlerine göre elde edilebilecek maksimum elektrikli araç yaygınlaşma oranı hesaplanmıştır. Aynı şebekede denenen yöntem ile şebekeye herhangi bir yatırım yapılmadan ne kadar elektrikli araç kullanılabileceğini gösteren bu çalışma ile şarj istasyonlarında uygulanabilecek akıllı şarj yöntemleri ile önemli miktarda elektrikli aracın şebekede yer alması sağlanabilir. Akıllı şarj yöntemlerinin fiili olarak uygulanabilmesi için şebeke kısıtlılıklarını takip eden ve buna göre şarj gücünü ayarlayabilen bir sisteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda şarj istasyonları ile şarj sistemi operatörü arasındaki iletişimi sağlayan OCPP protokolü her ne kadar bir özel şirket tarafından geliştirilmiş olsa da, açık kaynak kodlu olması, kullanımının ücretsiz olması gibi sebeplerle sektörün genelinde bir fiili standart olarak kullanılmaktadır. Ulusal elektrikli araç kurgusundaki sorunların çözümü için ENDOKS olarak öncü durumda bulunmaktayız. Bu kapsamda elektrikli araçların şebekeye entegrasyonunun artırılması için çeşitli Ar-Ge projelerimizle ve Türkiye Elektro Mobilite Derneği (AVERE) bünyesinde yaptığımız Çalışma Grupları ile faaliyetlerimize devam etmekteyiz. Faaliyetlerimiz ve Elektrikli Araçlar ile ilgili konuşmak için bizimle iletişime geçebilirsiniz.

Rıfat Anıl Aydın

[1] UCD Energy Institute, The State of Play in Electric Vehicle Charging Services, 2018