Şebekelerde frekans kontrolü

Ulusal bir şebekenin frekans tepkisi, sistemin ani bir üretim düşüşü ya da kaybı esnasında nasıl tepki verdiği ile tanımlanır.

Genellikle ulusal şebekelere yeni eklenen değişken kaynaklı (rüzgar, güneş, kısmen nehir tipi) üretim santralleri ile frekans tepki kabiliyetleri azalma eğilimindedir. Bu yazıda primer sekonder ve tersiyer frekans kontrollerinin yaygın tanımları ve enerji santrali türüne göre şebeke frekans kontrolüne katkılarından genel olarak bahsedeceğim.

Frekans tepkisi birimi – ( MW / 0,1 Hz) ile tanımlanır.

Şebekelerde frekans stabilizasyonunda farklı yöntemler kullanılır. Birincil, ikincil ve üçüncül frekans kontrolü olarak adlandırılırlar. (Primer, Sekonder, Tersiyer )

Primer frekans kontrolü

Primer frekans kontrolü bir frekans sapmasında milisaniyeler içinde etkin olur, 30 saniye içinde en yüksek değerine ulaşır ve dakikalara kadar süren zamanlarda etkinliği devam eder.  (0-15 dakika )

Primer frekans kontrolü, senkron jeneratörlerin otomatik kontrolü ile sağlanabilir. Primer frekans kontrolü frekans sapmalarına çok hızlı şekilde tepki verebilir, gelişmiş SCADA sistemleri buna imkan vermektedir.

Sekonder frekans kontrolü

Sekonder frekans kontrolü, bir diğer adı ile otomatik üretim kontrolü, emre amade olan santraller arasında yük dağılımının yönetimidir. Sıralama olarak Primer frekans kontrolünü takip eder, dakikalar içinde tepki verir. Otomatik üretim kontrolü santraller arasında yükün dağıtımını sağlar.

Tersiyer üretim kontrolü

Şebekede meydana gelen frekans bozulmasının takiben dakikalar ile ifade edilen zaman aralıklarında etkin olup saatler sürebilir. Genellikle öngörülebilir yük değişimlerinin önceden ayarlanmasıdır. Tersiyer üretim kontrolü enerji üretim kaynaklarının etkin kullanımı ve rezerv kapasitenin devreye alınması veya devreden çıkarılması kararlarını kapsayan bir mekanizmadır.

Genel üretim tiplerine göre primer frekans kontrolü

Buhar tahrikli türbinler

Kömür yakıtlı santraller

Kömür santralleri genellikle yakıt maliyetlerinin uygunluğu, yerli olarak temin edilebilmeleri açısından caziptir. Ekonomik faktörler ve emisyon kriterleri, kömür santrallerinin işletmesindeki en önemli etkenlerdendir. Kömür santralleri genellikle maksimum yüklerde, pik verim değerlerinde çalışırlar. Ara yük değerlerinde ise bölgesel emisyon kısıtlamaları ölçeğinde çalışırlar. Pik verim değerleri kazan sıcaklığı, basıncı ve buhar vanalarının kısma kayıplarının azaltılması için %100 açık pozisyonda tutulması ile eşzamanlı bir kontrol mantığı ile sağlanabilir. Diğer yük kısıtlamaları, değirmenin programlanması ya da santrifüj temizleyicinin devrede olması gibi nedenlerden ile olabilir.

Maksimum yükte çalışırken, pik verimde ya da kısmi yükte çalışmada, kontrol tepkisi kısıtlıdır. Kömür santralleri enerji üretim çıkış değerlerini göreceli olarak uzun bir sürede sağlarlar. Güç çıkışlarında önemli değişiklikler için genellikle dakikada % 1 ila % 5’lik güç değişimi kontrol edilebilir.

Ancak durağan konumdan kısıtlı bir aralıkta ani güç ihtiyaçlarına tepkisi oldukça hızlıdır. Kömür santralleri baz yük üretiminin en temel unsurudur. Ek yük desteği de sağlarlar.

Nükleer yakıtlı santraller

Göreceli olarak düşük nükleer yakıt maliyetlerine rağmen, altyapı ve kurulum maliyetleri yüksektir. ( 25-40 yıla varan yatırım geri ödeme süreleri) baz yük planlama amaçlı kullanılmalarının önündeki en önemli etken, ekonomik ve güvenlik gerekçeleridir.

Nükleer santraller normalde sabit yükte çalışırlar. Türbin valfleri buhar basıncını kontrol ederek gücü sabit tutar. Baz yük için ve yüksek yüklemede çalışırlar. İşletme kapasite faktörleri % 90’ın üzerindedir. Sistemden çıkışları (duruş) uzun zaman alır.

Gaz yakıtlı santraller

Buhar santralleri kazanları gaz yakıtlar ile de ısıtılabilir. Bu tip santrallerin operasyonları diğer buhar tahrikli santraller ile benzer. Ağırlıklı olarak baz yük için kullanılır. Bu tip santraller genellikle atık ısının çevresel ısıtma amaçlı kullanıldığı kojenerasyon prensibi ile çalışırlar.

İçten yanmalı motorlar (Motorin & Petrol türevleri)

İçten yanmalı motorlar birçok farklı yakıt çeşidi kullanabilirler. Doğalgaz, diesel, ve benzeri. Bu tip motorları çalışma limitasyonları açısından kömür santrallerine benzer koşullara tabidir. Baz yük, yük artışı ve pik yük üretiminde destek olurlar.

Kombine gaz yakıtlı çevrim santrali

Kombine çevrim santralleri hem buhar hem gaz ile tahriklidir. Genellikle doğalgaz kullanılır. Bazı durumlarda biogaz ve diğer yakıt çeşitleri de kullanılabilir. Enerji gaz yakıtlı türbin ile üretilir, atık ısı ise buhar üreterek gene elektrik üretiminde kullanılır. Çok yüksek verim değerlerine ulaşılabilir ( % 60 mertebeleri ) kombine gaz çevrim santralleri işletme esnasında yüksek verim değerini muhafaza edebilmek için buhar basıncı ve egzoz sıcaklığı sürekli olarak kontrol edilir, bu da frekans tepki kapasitesinin azalmasına neden olur. Kombine çevrim santrallerinden genellikle primer frekans kontrolünden ziyade sekonder kontrolde yararlanılır. Ancak Buhar santrallerinden daha hızlı bir tepkime süreleri vardır. Büyük  çıkış gücü değişimleri için genellikle dakikada nominal gücün % 5 – % 9 ‘u aralığı telaffuz edilebilir.

Gaz Türbinleri

Ağırlıklı olarak yanma için doğalgaz kullanılır, ancak diğer yanıcı gazlar da kullanılabilir.

Gaz türbinleri sınıflandırma olarak büyük endüstriyel basit çevrim ve daha küçük sınıf aeroderivative’leri kapsar.  Büyük endüstriyel basit çevrim gaz türbinleri direkt olarak güç üretimi için tasarlanmıştır ve temelde jet motorlarından geliştirilmiş olan aeroderivative türbinlere oranla daha yüksek verimlidirler.  Aeroderivative türbinlerin boyutları pik yük üretimleri için daha uygundur. Kombine çevrim santrallerine göre iki kez daha yavaş tepkime verirler.

Ancak ilk çalışmada tepkime süreleri belirli bir limite kadar oldukça hızlıdır. Gaz türbinlerinde kombine çevrim santrallerinde yaşanan verimlilik mi ek yük üretimi mi döngüsüne daha az tabidir. Kömür santrallerine oranla da daha düşük emisyon değerleri vardır. Gaz türbinlerinin bu karakteristikleri nedeni ile  termik santraller arasında tercih edilir. Ancak gene de  emisyon ve ekonomik limitlere tabidirler.

Hidroelektrik santraller

Hidroelektrik santraller konvansiyonel ve pompaj depolamalı sistemler olarak iki ana başlıkta incelenebilir. HES’lerin güç tepkimeleri oldukça istikrarlıdır.

Tam Yüklenme süreleri 5 ila 60 saniye arasında değişebilir. Mekanik start süresi, su gecikme süresi, ve servo zaman sabiti yüklenme süresine etkir.

Hidroelektrik santral işletmelerinde bilindiği gibi herhangi bir emisyon kısıtlaması ya da benzeri üretim kısıtı yoktur rezervuarsız ya da nehir tipi HES ‘lerin ani yük talep cevapları kısıtlı olsa da genel olarak hidroelektrik  enerji gerek primer gerekse sekonder yük kontrolünde önemli ve etkindir.

Rüzgar

Rüzgar türbinleri geleneksel enerji üretim yöntemlerinden kaynağın değişkenliği nedeni ile ayrılır. Rüzgar kaynağı ve enerji üretimi, kaynak olduğu sürece üretim yapmak zorunda olan, dolayısı ile diğer enerji üretim çeşitlilikleri ile desteklenmesi gereken bir kaynaktır.

Şebekede pik yük taleplerinin dışında kalan zamanlarda bir baz yük ihtiyacı vardır, ancak rüzgar enerjisi bu anlamda kontrol edilemediği için baz yük olarak düşünülemezler. Termik santrallerin devreye giriş süreleri de belirli bir zaman aldığı için, alternatif olamazlar. Bazı durumlarda şebekeye bağlı rüzgar santrallerinin toplam üretimi iletim hatlarının yeterli olmayışı ve benzeri nedenlerden ötürü kısıtlama gerektirebilir. Rüzgar santralleri bağlantı kapasiteleri sürekli pik çalışma yüküne göre belirlenmez. Yüksek rüzgar üretimim esnasında minimum veya düşük yükte, dengeleme yükü iletim şebekelerindeki ksıtlamalar nedeni ile şebeke içinde transfer edilemeyebilir.

Kapasite kısıtlamaları ile yük tevzi kontrolü, rüzgar santralleri için ekonomik bir çözüm değildir. Üretilen fazla enerjinin büyük enerji depolama sistemlerince toplanması çok daha uygundur. Şebekeye bağlanabilen en büyük mevcut teknoloji pompaj depolama sistemleridir.

Güneş (fotovoltaik) santralleri

CSP teknolojileri ve fotovoltaik olmak üzere İki tip güneş santrali teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Fotovoltaik sistemler, ışık enerjisini farklı hücre teknolojileri veya konsantre ışık kullanarak direkt olarak elektrik enerjisine çevirirler. CSP tesisleri ise güneş enerjisinin ısı kaynağı olarak değerlendirilen ve buhar üreten sistemlerdir. Güneş enerjisi de rüzgar enerjisine benzer şekilde kaynak olduğu durumda üretmek zorunluluğu olan kaynaklardır.

Farklı enerji santrallerinin birlikte çalıştığı basit primer frekans kontrolü mekanizması

Tüm enerji üretim formlarının yüklenme ve şebeke tepkileri yapıları gereği farklıdır.

Hidroelektrik ve gaz türbinleri

Hidroelektrik santraller ve gaz türbinleri primer frekans gereksinimlerinin önemli bir kısmını karşılarlar.

Kömür, gaz veya nükleer yakıtla çalışan buhar türbinleri ve kombine çevrim santralleri ise primer frekans taleplerini kısmen karşılar.

Rüzgar ve güneş enerjisi kaynakları primer frekans tepkisi olarak herhangi bir katkıları yoktur.

Hidroelektrik santraller şebeke stabilitesine önemli oranda katkı sağlarlar. Bazı etkenlerden ötürü atıl kapasite olabilir. Bunu sebepleri, nehir tipi santrallerde kontrol edilemeyen kaynak, eşzamanlı sulama amaçlı kullanılan santraller, yan hizmetler kapsamı dışındaki santraller, işletme tercihleri, düzgün bakımları yapılmayan governörler olabilir. Ulusal şebekeye dahil edilen her % 1 ‘lik ek Hidro kurulu gücü, primer frekans kontrolünde % 0,5 ‘lik bir ek gelişme sağlar.