Investigation the effects of photovoltaic systems on electricity distribution networks and determining the optimum network structure

Abstract

Distributed generation models have started to be seen intensively in distribution networks with technological developments. The increase in distributed generation resources has brought changes in the grid. Problems such as improper operation of grid protection systems and imbalances in load flow have emerged. In this article, short circuit and load flow analyses of a low voltage distribution network with a distributed generation source are performed and the effects on the network are predicted. Results and predictions regarding the optimum operating conditions of distribution networks in the presence of distributed generation resources have been obtained. Real-time analyses are performed with a power quality measurement device. Scenarios are created in different situations in the presence of distributed generation resources. These scenarios are analysed using a network simulation program. The simulation programme analysed the effects of seasonal conditions and changes in power generation and loads on distribution transformers. In the light of the data obtained, the changes that are required to be made in the inventories in the network topology considering the changes in energy generation time and voltage levels outside the energy generation time are specified. Applications such as automatic tap switching of distribution transformers after a certain power level are proposed.

Keywords

• Distributed generation resources
• Load flow analysis
• Photovoltaic
• Short circuit analysis

Fotovoltaik sistemlerin elektrik dağıtım şebekelerine etkilerinin incelenmesi ve en uygun şebeke yapısının belirlenmesi

Öz

Teknolojik gelişmelerle birlikte dağıtım şebekelerinde dağıtık üretim modelleri yoğun olarak görülmeye başlanmıştır. Dağıtık üretim kaynaklarının artması şebekede değişimleri de beraberinde getirmiştir. Şebeke koruma sistemlerinin hatalı çalışması ve yük akışındaki dengesizlikler gibi sorunlar ortaya çıkmıştır. Bu makalede, dağıtık üretim kaynağı içeren alçak gerilim seviyesinde bir dağıtım şebekesinin kısa devre ve yük akış analizleri yapılmış ve şebekenin nasıl etkileneceği tahmin edilmiştir. Dağıtık üretim kaynaklarının varlığında dağıtım şebekelerinin optimum işletme koşullarına ilişkin sonuçlar ve öngörüler elde edilmiştir. Güç kalitesi ölçüm cihazı ile gerçek zamanlı analizler yapılmıştır. Dağıtık üretim kaynakları varlığında farklı durumlarda senaryolar oluşturulmuştur. Bu senaryolar şebeke benzetim programı kullanılarak analiz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Benzetim programı mevsimsel koşullar ile enerji üretim ve yüklerdeki değişimlerin dağıtım trafoları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen veriler ışığında enerji üretim zamanı ve dışında gerilim seviyelerindeki değişiklikler göz önüne alınarak şebeke topolojisindeki envanterlerde yapılması gereken değişiklikler belirtilmiştir. Dağıtım transformatörlerinin belirli bir güç seviyesinden sonra otomatik kademe değiştirmesi gerekliliği gibi uygulamalar önerilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Dağıtık Üretim Kaynakları
• Yük Akış Analizi
• Fotovoltaik
• Kısa Devre Analizi

References

1. Web Map Tile Service, https://enerji.gov.tr/enerji-verimliligi, Accessed 10 Mart 2024.
2. Elektrik Piyasası Sektör Raporu. EPDK Yayını, Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu, Ankara, 2024.
3. L. Gan, P. Jiang, B. Lev, and X. Zhou, Balancing of supply and demand of renewable energy power system: A review and bibliometric analysis. Sustainable Futures, 2, 2020. https://doi.org/10.1016/j.sftr.2020. 100013.
4. S. A. Nur, Dengesiz dağıtım sisteminde dağıtık üretimin optimal yerleşimi ve boyutlandırılması. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Sakarya, Türkiye, 2023.
5. M. Dayıoğlu, Mikro şebekelerde yük ve yenilenebilir enerji kaynakları tahminine dayalı ekonomik yük dağıtımı. Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Afyonkarahisar, Türkiye, 2023.
6. F. Ülker, Dağıtık üretim güç sistemlerinde geliştirilmiş oylama modeli tabanlı arıza tespiti ve sınıflandırması. Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Sakarya, Türkiye, 2023
7. A. Teke, and E. Yıldırım, Distributed solar power application effects on short circuit protection in distributed generation-new techniques for short circuit protection in distributed generation. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34(4), 2141-2158, 2019. https://doi.org /10.17341/gazimmfd.425947.
8. B. Liu, W. Liang, Y. Wang, Z. Zhao, Q. Tian and X. Li, Influence of distributed generation on fault characteristics and relay protection of rural distribution network. Journal of Physics: Conference Series, 2728(1), 2024. https://doi.org/10.1088/1742-6596/ 27 28/1/012032.

9. L. Akbulut, Elektrik dağıtım şebekesi optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara, Türkiye, 2019.
10. R. B. Wazir, Fotovoltaik güç sistemleri için coğrafi bilgi sistemleri ve üstsezgisel algoritma kullanarak optimal yer seçimi ve boyutlandırma. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Güneş Enerjisi Anabilim Dalı, İzmir, Türkiye, 2023.
11. S. Khan, S. U. Rehman, A. U. Rehman and H. Khan, Optimal placement of distributed generation in power system for power system loss reduction using ETAP. International Journal of Engineering and Technologies, 16, 7-19, 2019. https://doi.org/10.18052/www.scipress. com/ijet.16.7.
12. Ö. Kahraman, A. Temiz, A. Nadar and E. Bülbül Sönmez, Dağıtık Fotovoltaik Üretim için Akıllı Şebeke Kontrolcüsü, TÜBİTAK MAM – Enerji Enstitüsü, 2019.
13. Belrzaeg, M., Almabsout E. A., Distributed generation for Microgrid technology. International Journal of Scientific Research Updates, 6, 083-092, 2023. https://doi.org/10.53430/ijsru.2023.6.1.0062.
14. A. İskenderoğlu, Yenilenebilir enerji kaynakları ve elektrikli araçların birbirine bağlı mikro şebekelere etkilerinin olasılıksal güç akışı ile incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2024.
15. A. C. Duman, Development of a home energy management system to increase renewable self-consumption in households considering demand-side flexibility. Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Bilim ve Teknoloji Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2024.
16. Y. B. Koca, Fuzzy logic-based simulation and modelling of grid integration renewable energy systems for sustainable energy. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 080-089, 2025. https://doi.org/ 10.28948/ngumuh.1438625.
17. G. Hasançebi, E. M. Yeğin ve K. Karaarslan, Elektrik dağıtım şebekelerinde kendi kendini iyileştiren sistemler. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 9(1), 457-465, 2020. https://doi.org/10.17798 /bitlisfen.571547.
18. N. Ghanbari, H. Mokhtari, and S. Bhattacharya, Optimizing operation indices considering different types of distributed generation in microgrid applications. Energies, 11(4), 2018. https://doi.org/ 10.3390/en11040894.
19. B. Güzey, H. Bozkurt ve A. Teke, Grid interconnection solutions and power quality enhancement for a batterysupported hybrid PV system, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 271-281, 2025. https://doi.org/10.28948/ng umuh.1576914.
20. D. K. Khatod, G. S. Naik, and M. P. Sharma, Optimal allocation of distributed generation in distribution system for loss reduction, 2012. https://www.research gate.net/publication/284885884.
21. E. T. Tamgacı ve M. Ünlü, Şebeke bağlantılı fotovoltaik panel destekli elektrikli araç şarj istasyonlarının analizi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 297-307, 2025. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1555555.
22. K. Shahed, M. R. I. Sujon, M. Moznuzzaman and S. S. Joy, Loss reduction and voltage profile renovation with optimum sizing and siting of distributed generation in distribution network. 2020 2nd International Conference on Advanced Information and Communication Technology, ICAICT 2020, 65–70, 2020. https://doi.org/10.1109/ICAICT51780.2020.93 33503.
23. B. Suriyakumar and V. Arumugam, Optimization and analysis of distributed generation units in distributed system for minimizing losses. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, 34(1), 31–39, 2024. https://doi.org/10.11591/ijeecs.v34.i1. pp31 -39.