Rüzgâr Enerji Santrallerinde Oluşması Muhtemel Kısa Devre Hata Durumlarının Güç Analiz Programı İle Simülasyonun Gerçekleştirilmesi

Öz

Güç sistemlerindeki elektrik ekipmanlarının öncelikli ana görevi can ve mal güvenliği sağlamak, akabinde ise kesintisiz ve kaliteli bir şekilde enerji akışını sağlamaktır. Dolayısıyla elektrik santralleri tasarlanırken kesintisiz ve kaliteli bir enerji akışını sürekliliğini sağlamak için enerji sistemlerinde ortaya çıkması muhtemel arıza durumlarının neler olabileceğinin belirlenmesi ve oluşması muhtemel hata durumları için güç sisteminde oluşabilecek kısa devre akımlarının minimum ve maksimum değerlerinin hesaplanması çok önemlidir. Sistemde enerji akışının kesintiye uğramaması için şebekede oluşması muhtemel her türlü hatanın önceden tespit edilerek sitemden izole edilmesi ya da hatanın oluşması durumunda güç akış sisteminde oluşturması muhtemel kısa devre akımlarının değerini belirlenen bir seviyede sınırlandırılmak gerekir. Orta gerilim şebekesine bağlı olan bir generatör, aniden ada moduna geçmemesi için nötr topraklamasının olması tercih edilir. Yenilebilir enerji santrallerinde şebekenin elektriksel bağlantı şeklinin bu sistemlerde en fazla görülen faz-toprak kısa devre hatası oluşması durumunda oluşacak kısa devre akımının değerinin sınırlandırılması üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. Sistemde izolasyonu zayıf noktalarında oluşabilecek hata durumlarında oluşacak kısa devre akımının çok tehlikeli boyutlara ulaşmaması için sistemde yapılması gereken nötr topraklaması faz toprak hata durumunun tespit edilmesi ve kısa devre sonucu oluşacak hata akımının değerinin kontrol altına alınmasını sağlar. Güç akış sistemlerinde söz konusu iki fonksiyonu yerine getirmek için topraklama sisteminin güç akış sistemine uygun şekilde seçilmesi gerekir. Bu kapsamda yedi adet rüzgâr türbininden oluşan bir rüzgâr santrali bir güç simülasyon programında önce elektriksel olarak modellemesi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra elde edilen elektrik modelleme devresi üzerinde santrale ait oluşması muhtemel hata senaryo durumları belirlenmeye çalışılmıştır. Tespit edilen hata senaryoları için kısa devre durumunda sistem üzerinde gerekli analizler yapılarak, pratikte % 70 oranında en çok karşılaşılan faz-toprak kısa devre hata durumu için çözüm önerileri sunulmuş ve hata akımının değeri belirli seviyelerde sınırlandırılmaya çalışılmıştır. Yapılan çalışmada elde edilen YNyn transformatör bağlantısı durumu ve 20 ohm topraklama direnci değeri için oluşacak hata akımının en düşük faz-toprak kısa devre akımı durumunu oluşturduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Elektrik güç sistemlerinin simülasyonu
• Faz-toprak kısa devre hatası
• Güç akış kalitesi
• Nötr topraklama direnci
• Rüzgar enerji santrali

Implementation of Simulation of Possible Short Circuit Fault Situations in Wind Energy Plants By Power Analysis Program

Öz

The primary mission of electrical equipment in power systems is to provide life and property safety, and then to ensure uninterrupted and quality energy flow. Therefore, in order to ensure the continuity of an uninterrupted and quality energy flow while designing power plants, it is very important to determine the possible malfunction situations that may occur in energy systems and to calculate the minimum and maximum values of short circuit currents that may occur in the power system for the possible error situations. In order to prevent the energy flow from being interrupted in the system, it is necessary to detect every kind of malfunctions that may occur in the network beforehand, to isolate them from the system or to limit the value of short-circuit currents that may occur in the power flow system to a specified level in case of a malfunction. A generator connected to the medium voltage network is preferred to have neutral grounding so that it does not suddenly switch to island mode. The electrical connection type of the network in renewable power plants has a significant effect on limiting the value of the short circuit current that will occur in case of the most common phase-to-ground short circuit fault in these systems. Neutral grounding that must be done in the system in order to prevent the short circuit current that will occur in case of faults that may occur at weak points of insulation in the system from reaching very dangerous dimensions, ensures that the phase-to-ground fault condition is detected and the value of the fault current that will occur as a result of a short circuit is taken under control. In power flow systems, the grounding system must be selected in accordance with the power flow system to perform these two functions. In this context, a wind power plant consisting of seven wind turbines was first electrically modeled in a power simulation program. Then, possible fault scenarios of the power plant were tried to be determined on the obtained electrical modeling circuit. In case of a short circuit for the detected fault scenarios, the necessary analyzes were made on the system, solutions were presented for the most common phase-to-ground short circuit fault situation in practice with 70% and the value of the fault current was tried to be limited at certain levels. YNyn transformer connection status and 20-ohm ground resistance value obtained in the study were found to form the lowest phase-to-ground short circuit current status.

Anahtar Kelimeler

• Simulation of electrical power systems
• Phase-to-ground short circuit fault
• Power flow quality
• Neutral grounding resistance
• Wind energy plant

Kaynakça

1. Post Glover, “Applications Manual Ground Fault Protection on Ungrounded and High Resistane Grounded”, 2001.
2. L, Heinhold,” Power Cables and Their Applications”, Published by Siemens , Berlin, 1990.
3. Dragomir, D., Golovanov, N., Postolache, P., Toader, C., “The connection to the grid of wind turbines”, PowerTech, Bucharest, 2009.
4. E. Muljadi , V. Gevorgian, “Short-circuit modeling of a wind power plant” IEEE Power and Energy Society General Meeting, Detroit, MI, USA, USA, 2011.
5. Glover, J. D., Sarma, M. S., Overbye, T. J. ,Power System Analysis and Design. Cengage Learning, Stamford, 2008.
6. Kakilli, A., System analysis with the MVA Method for symmetrical three-phase faults. TEM Journal., Pg. 51-56, 2013.
7. M. R. Aghaebrahimi, M. Amiri, M. Kamali Moghaddam,“A short circuit study of an induction generator wind farm considering wind speed changes”, 40th North American Power Symposium, Calgary, AB, Canada, 2008.
8. Mingyang, L.,Wenxia,P. ve Gang,Y.,“A new calculation method of short-circuit currents contributed by doubly-fed wind turbines cluster”, IEEE 6th International Conference on Renewable Energy Research and Applications, San Diego, CA, USA, 2017.

9. Nick, M., “Wind Power Optimal Capacity Allocation To Remote Areas Taking into Account Transmission Connection Requirements”, IET Renewable Power Generation, 347-355, 2011.
10. R. J. Nelson ve H. Ma, “Short-circuit contributions of full-converter wind turbines”, IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, USA, 2011.
11. Özcan M., Ünlerşen M.F., Mutluer M., “Financial Analysis Of The Solar Energy Plant Established In Konya Using The Production Data”, Iv International Conference On Engineering And Natural Sciences (Icens), 2018.
12. Şen M., Rüzgâr Enerji Santrallerinin Modellenmesi ve Kısa Devre Analizi, Konya: Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Yüksek Lisans Tezi,2020.
13. Kim, I., Regassa R., Harley R.G,. The modeling of distribution feeders enhanced by distributed generation in DigSilent. Photovoltaic Specialist Conference (PVSC) 2015 IEEE 42nd. IEEE, 14-19.
14. Şen M., Özcan M., 2020, Using Artificial Neural Network Approach For Valuation Of The Wind Speed, 9th International Conference on Advanced Technologies (ICAT'20), Turkey, İstanbul.
15. Stanley E. Manahan, Environmental Science and Technology: A Sustainable Approach to Green Science and Technology, CRC/Tayor & Francis, 2007.