Bu çalışma, rüzgâr enerjisinin yoğun olduğu elektrik şebekelerinde bir arıza veya ani yük artışından sonra oluşan frekans düşüşünü sınırlandırmak için şarj istasyonlarına bağlı elektrikli araçların geçici güç kaynağı olarak kullanılmasını incelemiştir. Önerilen yaklaşımın temel farkı, elektrikli araç bataryalarını uzun süre ve sabit güçle boşaltmak yerine, çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgâr türbinlerinin hızlı frekans desteğinden sonra gerçekleşen rotor hızını geri kazanma dönemine odaklanmasıdır. Böylece elektrikli araçların ulaşım amacı korunurken senkron generatörlerin üzerindeki geçici güç yükünün azaltılması hedeflenmiştir.

Rüzgâr türbinleri hızlı frekans desteği sırasında dönen kütlelerinde depolanan kinetik enerjinin bir bölümünü şebekeye aktarabilmektedir. Ancak bu işlem rotor hızını düşürür. Türbin yeniden normal çalışma hızına çıkarken şebekeden güç çekmek zorunda kalır. Ani yük artışıyla türbinin geri kazanım gücü aynı döneme denk geldiğinde şebeke frekansında ikinci bir düşüş oluşabilir. Araştırmacılar, şarj istasyonlarına bağlı elektrikli araç kümesinin bu kısa geri kazanım aralığında güç enjekte etmesinin ikinci frekans düşüşü riskini ve senkron generatörlerin güç talebini azaltabileceğini öne sürmüştür.

Modelde 2.000 elektrikli araçtan oluşan bir küme kabul edilmiş; araçların günlük yolculuk mesafesi, şarj istasyonuna varış zamanı, başlangıç şarj durumu ve kullanılabilir destek süresi olasılıksal olarak temsil edilmiştir. Toplam kullanılabilir güç dağılımı 10.000 Monte Carlo denemesiyle hesaplanmış ve seçilen parametreler altında yaklaşık 10 MW düzeyinde bir küme desteği kullanılmıştır. Kontrol sistemi; merkezi elektrikli araç denetleyicisi, bölgesel toplayıcılar ve şarj merkezlerinden oluşan üç seviyeli hiyerarşik yapıya dayanmaktadır.

İki güç enjeksiyon stratejisi karşılaştırılmıştır. Strateji I, elektrikli araçları yalnızca frekans minimumundan sonra, rüzgâr türbininin rotor hızını geri kazanma döneminde devreye almaktadır. Strateji II ise kullanılabilir enerji yeterliyse frekans minimumundan önce düşük seviyede, minimumdan sonra daha yüksek seviyede destek vermektedir. Her iki stratejide de güç, sabit biçimde kesilmek yerine zamanla azalan bir rampa izlemektedir.

Değiştirilmiş IEEE-9 bara sistemindeki 100 MW yük artışı benzetiminde elektrikli araç desteği bulunmadığında frekans minimumu 59,14 Hz olarak hesaplanmıştır. Strateji I’de bu değer 59,15 Hz, Strateji II’de 59,40 Hz olmuştur. Frekans değişim hızı 0,22’den Strateji I’de 0,20’ye, Strateji II’de 0,14’e düşmüştür. Strateji II ayrıca yükselme süresini 9,56 saniyeden 9,40 saniyeye ve en yüksek aşımı 0,51’den 0,42’ye indirmiştir.

Sabit güçlü geleneksel elektrikli araç desteği ilk frekans düşüşünü daha güçlü biçimde sınırlandırmış olsa da destek aniden kesildiğinde ikincil frekans dalgalanması oluşturmuştur. Önerilen rampa tabanlı yöntemler daha düşük batarya kullanımıyla daha yumuşak bir geri çekilme sağlamıştır. Sabit destek modelinde en yüksek şarj durumu değişimi −%3,66 iken Strateji I’de −%2,16, Strateji II’de −%1,83 olarak bildirilmiştir. Enerji kullanımı göstergesi sabit destekte 26,91, Strateji I’de 8,46 ve Strateji II’de 9,47’dir; çalışmada bu göstergenin birimi belirtilmemiştir.

Kontrol ve iletişim zincirinin doğal gecikmesi 200–550 milisaniye aralığında tahmin edilmiş, duyarlılık analizi 250–950 milisaniyelik gecikmelerle yürütülmüştür. Gecikme arttıkça güç enjeksiyonunun başlangıcı ve en yüksek değeri bir miktar değişmiş, ancak incelenen benzetimlerde genel frekans eğrileri büyük ölçüde korunmuştur. Daha büyük IEEE-39 bara sisteminde 300 MW ve 600 MW yük değişimleri için de yükselme süresinde iyileşme görülmüş; buna karşılık elektrikli araç kontrolünün rüzgâr çiftliği güç çıkışındaki salınımları artırabileceği belirlenmiştir.

Çalışma, elektrikli araçların şebeke frekansını destekleyebileceğini ve rampa tabanlı kısa süreli kullanımın batarya şarj durumunu sabit destekten daha az değiştirebileceğini göstermektedir. Bununla birlikte sonuçlar tamamen sayısal benzetimlere dayanmaktadır. Gerçek araç bataryalarının yaşlanması, kullanıcıların katılım isteği, şarj istasyonu haberleşmesi, dağıtım şebekesi sınırları, piyasa ödemeleri ve siber güvenlik koşulları deneysel olarak incelenmemiştir.

Türkiye açısından olası önemi

Çalışmada Türkiye elektrik şebekesine, Türkiye’deki rüzgâr santrallerine veya yerli elektrikli araç şarj istasyonlarına ait ölçüm kullanılmamıştır. Buna rağmen yaklaşım, rüzgâr üretiminin yoğun olduğu bölgelerde toplu şarj tesisleri, otoparklar, filo merkezleri ve otoyol şarj istasyonlarının şebeke destek hizmetlerine katılımının araştırılması açısından Türkiye’ye uyarlanabilir niteliktedir.

Türkiye’de uygulanabilirliğin gösterilebilmesi için gerçek rüzgâr santrali türbin modelleri, ulusal frekans kontrol kuralları, bölgesel dağıtım şebekesi kapasitesi, araçların gerçek şarj alışkanlıkları, batarya garanti koşulları, şarj operatörü haberleşme altyapısı ve kullanıcıların asgari menzil tercihleri birlikte değerlendirilmelidir. Kontrolün yalnızca şebeke düzeyindeki aktif güce göre değil; trafo yükü, hat akımı, yerel gerilim, şarj bağlantı kapasitesi ve araç ayrılma zamanı gibi sınırlarla da kısıtlanması gerekir.

Bu çalışma herhangi bir Türkiye şarj istasyonunun 10 MW frekans desteği sağlayabileceğini, araç bataryalarının zarar görmeyeceğini veya sistemin mevcut piyasa ve mevzuat koşullarında ticari olarak uygulanabilir olduğunu kanıtlamamaktadır. Sonuçlar, standart test ağlarında ve araştırmacıların seçtiği model parametreleri altında elde edilmiş yöntemsel bulgulardır.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Geleneksel elektrik şebekelerinde senkron generatörlerin dönen rotorları doğal bir enerji tamponu oluşturur. Şebekede üretim aniden azalır veya yük yükselirse rotorların kinetik enerjisi kısa süreli olarak elektrik sistemine aktarılır ve frekansın hızlı biçimde düşmesi sınırlandırılır.

Rüzgâr ve güneş gibi dönüştürücü bağlantılı kaynaklar ise çoğu durumda güç elektroniği üzerinden şebekeye bağlanır. Bu yapı, mekanik rotor hareketini şebeke frekansından ayırır. Özellikle çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgâr türbinleri, ek kontrol olmadan senkron generatörler gibi doğal atalet desteği vermez.

Rüzgâr türbinine eklenen hızlı frekans yanıtı denetleyicisi, rotorun kinetik enerjisinden geçici olarak yararlanabilir. Türbin, maksimum güç noktası izleme değerinin üzerine çıkarak kısa süreli ek aktif güç üretir. Bu destek frekansın ilk düşüşünü sınırlandırırken rotorun yavaşlamasına yol açar.

Destek dönemi sona erdiğinde rotorun başlangıç hızına dönmesi gerekir. Türbin bu aşamada normal aerodinamik üretiminden daha azını şebekeye verir veya şebekeden dolaylı olarak ek güç talep eder. Bu geri kazanım, senkron generatörlerin yükü hâlâ karşılamaya çalıştığı kritik zaman aralığında gerçekleşirse frekansın yeniden düşmesine neden olabilir.

Çalışmanın temel sorusu şudur: Şarj istasyonlarında bağlı bulunan elektrikli araçlardan yalnızca bu kısa ve kritik aralıkta güç alınarak rüzgâr türbininin rotor hızını geri kazanması desteklenebilir mi ve bu işlem araç bataryasının kullanılabilir enerjisini sabit güç desteğine göre daha az etkiler mi?

Hızlı frekans desteğinin dört aşaması

Çalışmada kullanılan kademeli rüzgâr türbini hızlı frekans desteği sinyali dört zaman bölümünden oluşmaktadır:

• Yükselme süresi, \(T_{\mathrm{rise}}\): Türbinin ek güç üretiminin sıfırdan en yüksek değere yükseldiği dönemdir.
• Sabit destek süresi, \(T_{\mathrm{peak}}\): Ek gücün en yüksek seviyede korunduğu dönemdir.
• Azalma süresi, \(T_{\mathrm{fall}}\): Ek üretimin azaltılarak normal çalışma seviyesine yaklaştırıldığı dönemdir.
• Geri kazanım süresi, \(T_{\mathrm{recovery}}\): Rotorun destek sırasında kaybettiği hızı yeniden kazandığı dönemdir.

Destek aşamasında rüzgâr türbininden şebekeye aktarılan enerji şu biçimde hesaplanmıştır:

\[ E_A=(P_{\max}-P_0) \left[ T_{\mathrm{peak}}+ \frac{T_{\mathrm{rise}}+T_{\mathrm{fall}}}{2} \right] \]

Burada \(P_0\), olaydan önceki güç çıkışını; \(P_{\max}\), hızlı destek sırasında ulaşılan en yüksek gücü temsil eder. Parantez içindeki zaman ifadesi, trapez biçimli destek sinyalinin etkin süresidir.

Rotor hızının geri kazanılması sırasında ortaya çıkan enerji gereksinimi ise:

\[ E_B= \frac{1}{2}(P_0-P_{\min})T_{\mathrm{recovery}} \]

şeklinde verilmiştir. \(P_{\min}\), geri kazanım sırasında rüzgâr türbininin düştüğü en düşük elektriksel güç seviyesidir. Çalışmanın elektrikli araç desteği özellikle bu \(E_B\) gereksiniminin senkron generatörlere yüklediği ek baskıyı azaltmayı hedeflemektedir.

Senkron generatörün geri kazanım dönemindeki enerji dengesi

Çalışmada senkron generatör dinamiği klasik salınım denklemiyle ifade edilmiştir:

\[ \frac{2H}{\omega_s}\frac{d\Delta\omega}{dt} = \Delta P_m(t)-\Delta P_e(t)-D\Delta\omega(t) \]

\(H\), atalet sabitini; \(\omega_s\), senkron açısal hızı; \(\Delta P_m\), mekanik güç değişimini; \(\Delta P_e\), elektriksel güç değişimini; \(D\) ise yüke bağlı sönümleme katsayısını gösterir.

Frekans minimumunun oluştuğu \(t_0\) ile rotor geri kazanımının tamamlandığı \(t_f\) arasındaki enerji dengesi kullanılarak senkron makinenin katkısı:

\[ E'_B= \frac{2H}{\omega_s}(-\Delta\omega_{\max}) + D\int_{t_r}^{t_f}\Delta\omega(t)\,dt - \int_{t_0}^{t_f}\Delta P_m(t)\,dt \]

biçiminde verilmiştir. Denklem; kinetik enerji değişimini, yük sönümünü ve mekanik regülatör katkısını birlikte temsil etmektedir. Elektrikli araç kümesi güç verdiğinde senkron generatörden istenen elektriksel katkının azaltılması amaçlanmaktadır.

Elektrikli araçlar neden sürekli kullanılmıyor?

Araçtan şebekeye enerji aktarımı teknik olarak mümkün olsa da araç sahipleri açısından üç temel endişe bulunmaktadır:

• Batarya çevrimlerinin hızlanması ve uzun dönem kapasite kaybı
• Acil veya planlanmamış bir yolculuk için yeterli menzilin kalmaması
• Aracın ne zaman ve ne kadar boşaltılacağı üzerindeki kullanıcı kontrolünün azalması

Önerilen sistem bu sorunları, elektrikli araçları bütün frekans olayı boyunca sürekli kullanmak yerine destek süresini sınırlandırarak azaltmaya çalışmaktadır. Araç ancak belirli bir asgari şarj durumuna ulaştıktan sonra destek verebilmekte ve güç enjeksiyonu çoğunlukla rüzgâr türbininin geri kazanım dönemine ayrılmaktadır.

Şarj durumu bölgeleri

Araç şarj istasyonuna ulaştığında başlangıç şarj durumu \(SoC_0\) olarak tanımlanmıştır. Frekans desteği ancak batarya \(SoC_m\) eşiğine ulaştıktan sonra etkinleştirilmektedir. Böylece ulaşım için gerekli asgari enerjiye öncelik verilmektedir.

Olasılıksal araç kümesi nasıl oluşturulmuştur?

Şarj istasyonuna bağlı araçların sayısı ve enerji durumu gün boyunca sabit değildir. Araçların yolculuk mesafeleri, istasyona varış zamanları ve bağlantıda kaldıkları süreler farklıdır. Araştırmacılar bu belirsizliği tek bir sabit batarya modeli yerine Monte Carlo yaklaşımıyla temsil etmiştir.

Başlangıç şarj durumu çalışmada şu ilişkiyle verilmiştir:

\[ SoC_0= \left( 1-\frac{nL}{L_{\max}} \right) \]

\(L\), günlük yolculuk mesafesini; \(L_{\max}\), aracın azami menzilini göstermektedir. Denklemdeki \(n\) değişkeninin anlamı ve boyutu metinde yeterince açık tanımlanmamıştır. Bu nedenle denklem yeniden kurulurken yazarların kullandığı hesaplama kodunun görülmesi gerekir.

Günlük yolculuk mesafesinin olasılık yoğunluğu:

\[ f(L)= \frac{1}{L\sigma_L\sqrt{2\pi}} \exp\left[ -\frac{(\ln L-\mu_L)^2}{2\sigma_L^2} \right] \]

olarak verilmiştir. Metin bu dağılımı normal olarak adlandırmasına rağmen denklemde \(\ln L\) ve \(1/L\) bulunduğundan matematiksel biçimi lognormal dağılımdır.

Şarj merkezine varış zamanı ise normal dağılımla temsil edilmiştir:

\[ f(\tau_{\mathrm{arrive}}) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma_t^2}} \exp\left[ -\frac{(\tau_{\mathrm{arrive}}-\mu_t)^2} {2\sigma_t^2} \right] \]

\(SoC_m\) eşiğine ulaşma süresi çalışmada:

\[ \tau_{SoC_m} = \frac{Lw_{\mathrm{cons}}-w_t+w_m} {w_{\mathrm{charge}}} \]

biçiminde verilmiştir. \(w_{\mathrm{cons}}\), kilometre başına enerji tüketimini; \(w_m\), eşik şarj durumundaki enerji düzeyini ve \(w_{\mathrm{charge}}\), şarj gücünü temsil etmektedir. Metinde \(w_t\) “EV rated power” olarak tanımlandığından denklemin boyutsal açıklaması tam değildir.

Bir aracın destek için bağlantıda kalabileceği süre:

\[ \tau_{\mathrm{support}} = (1+r)\tau_{SoC_m} \]

olarak hesaplanmıştır. \(r\), sürüş davranışına bağlı rastgele süre katsayısıdır.

Kümenin toplam destek enerjisi:

\[ E_{\mathrm{support,agg}} = \int_{\langle\tau_{\mathrm{support}}\rangle} P_{\mathrm{EV,avg}}(t)\,dt \]

şeklinde tanımlanmıştır. \(P_{\mathrm{EV,avg}}\), bağlı araçların ortalama kullanılabilir tepe gücünü gösterir. Kontrol stratejisi bu toplam enerji tahminine göre seçilmektedir.

Monte Carlo modeli için kullanılan değerler

10.000 denemenin histogramı yaklaşık 9,2–10,2 MW aralığına yayılan bir dağılım göstermektedir. Araştırmacılar %90 güven düzeyindeki kullanılabilir küme gücünü yaklaşık 10 MW olarak ifade etmiş, ancak sayısal alt ve üst sınırları ayrıca yazmamıştır.

Batarya modeli

Lityum iyon batarya, Shepherd eşdeğer modeliyle temsil edilmiştir. Deşarj gerilimi:

\[ V= V_0 -k\frac{C_{\max}}{C_{\max}-it}i_l -k\frac{C_{\max}}{C_{\max}-it}it +Ae^{-Bit} \]

Şarj gerilimi ise:

\[ V= V_0 -k\frac{C_{\max}}{0{,}1C_{\max}+it}i_l -k\frac{C_{\max}}{C_{\max}-it}it +Ae^{-Bit} \]

biçiminde verilmiştir. \(V_0\) yüksüz gerilimi, \(k\) kutuplanma katsayısını, \(C_{\max}\) azami kapasiteyi, \(i_l\) batarya akımının düşük frekans bileşenini, \(A\) ve \(B\) ise üstel gerilim bölgesinin katsayılarını temsil etmektedir.

Bu model bataryanın elektriksel gerilim ve şarj durumu dinamiğini temsil etmektedir. Hücre sıcaklığına bağlı yaşlanma, katı elektrolit ara yüzü büyümesi, lityum kaplanması, kapasite kaybı veya iç direnç artışı gibi uzun dönem bozulma mekanizmaları çözülmemiştir.

Güç elektroniği bağlantısı

Batarya, yükseltici modda çalışan yalıtımsız bir DC–DC dönüştürücü üzerinden DC bara sistemine bağlanmıştır. DC bara, gerilim kaynaklı dönüştürücü aracılığıyla şebekeye aktif güç aktarmaktadır.

Dönüştürücünün \(d\) ve \(q\) ekseni gerilim denklemleri:

\[ V_{db} = V_{dg}-R_gi_{dg} -L_g\frac{di_{dg}}{dt} -\omega_gL_gi_{qg} \]

\[ V_{qb} = V_{qg}-R_gi_{qg} -L_g\frac{di_{qg}}{dt} -\omega_gL_gi_{dg} \]

şeklindedir. Aktif güç, ağırlıklı olarak \(d\) ekseni akım referansıyla kontrol edilmiştir. Çalışmada \(q\) ekseni referansı sıfır seçilmiş ve bu durum “zero-power-factor operation” ifadesiyle açıklanmıştır. Ancak kullanılan referans çerçevesinde bu ifadenin teknik anlamı ayrıca gerekçelendirilmemiştir.

Üç katmanlı hiyerarşik kontrol

Çalışmanın 11. sayfasındaki Şekil 4, elektrikli araç desteğini üç kontrol düzeyine ayırmaktadır:

Merkezi denetleyici sistem frekansını ve rüzgâr çiftliğinin hızlı frekans desteği durumunu almaktadır. Şarj merkezleri ise bağlı araçların kullanılabilir enerji miktarını bölgesel toplayıcılara iletmektedir. Böylece güç sistemi seviyesindeki karar, dağıtım seviyesindeki çok sayıda küçük bataryaya aktarılmaktadır.

Frekans minimumu nasıl belirleniyor?

Elektrikli araç gücünün doğru anda devreye alınması için frekans değişim hızı Kalman filtresiyle tahmin edilmiştir. Durum vektörü:

\[ \mathbf{x}(k)= \begin{bmatrix} f(k)\\ \dot{f}(k) \end{bmatrix} \]

ve geçiş matrisi:

\[ A= \begin{bmatrix} 1 & 0{,}02\\ 0 & 1 \end{bmatrix} \]

olarak belirlenmiştir. Örnekleme süresi 0,02 saniyedir. Süreç gürültüsü kovaryansı:

\[ Q= \begin{bmatrix} 10^{-4} & 0\\ 0 & 10^{-2} \end{bmatrix} \]

ölçüm gürültüsü kovaryansı ise:

\[ R= \begin{bmatrix} 10^{-3} & 0\\ 0 & 10^{-1} \end{bmatrix} \]

olarak seçilmiştir. Filtrelenmiş RoCoF değeri negatiften pozitife geçtiğinde frekansın minimum noktaya ulaştığı kabul edilmiş ve \(t_{\mathrm{nadir}}\) anı belirlenmiştir.

Strateji I: Yalnızca geri kazanım desteği

Kümenin kullanılabilir enerjisi işletmeci tarafından belirlenen \(d\) eşiğinin altındaysa Strateji I seçilmektedir. Araç gücü yalnızca frekans minimumundan sonra devreye girer ve rotorun geri kazanım süresi boyunca doğrusal olarak azaltılır:

\[ P_{\mathrm{EV}}(t)= \begin{cases} P_{s,\max} -\dfrac{P_{s,\max}}{T_{\mathrm{rec}}} (t-t_{\mathrm{nadir}}), & t_{\mathrm{nadir}} \leq t \leq t_{\mathrm{nadir}}+T_{\mathrm{rec}}\\ 0, & \text{diğer zamanlarda} \end{cases} \]

Bu stratejinin önceliği ilk frekans minimumunu yükseltmek değil, frekans toparlanırken senkron generatörün yükünü azaltmaktır. Elektrikli araç bataryasının devrede kaldığı zaman aralığı sınırlıdır.

Strateji II: Olay öncesi ve sonrası iki aşamalı destek

Kümenin enerjisi \(d\) eşiğini aşıyorsa Strateji II uygulanmaktadır. Araçlar frekans minimumundan önce azaltılmış güçle, minimumdan sonra ise daha yüksek güçle destek vermektedir:

\[ P_{\mathrm{EV}}(t)= \begin{cases} \dfrac{P_{s,\max}}{2} -\delta P_{s,\max} \dfrac{t-t_0}{t_{\mathrm{nadir}}-t_0}, & t_0\leq t\leq t_{\mathrm{nadir}}\\ P_{s,\max} -\dfrac{P_{s,\max}}{T_{\mathrm{rec}}} (t-t_{\mathrm{nadir}}), & t_{\mathrm{nadir}} \leq t \leq t_{\mathrm{nadir}}+T_{\mathrm{rec}}\\ 0, & \text{diğer zamanlarda} \end{cases} \]

\(\delta\), 0 ile 1 arasında işletmeci tarafından seçilen bir katsayıdır. Çalışmada \(d\) eşiği 0,05 MWh olarak keyfî biçimde alınmıştır. \(d\) ve \(\delta\) değerlerini otomatik belirleyen bir optimizasyon sunulmamıştır.

Frekans minimumunda başlatma neden seçilmiştir?

Elektrikli araç desteğinin rüzgâr türbininin önceden programlanmış geri kazanım sinyaline göre mi yoksa gerçek frekans minimumuna göre mi başlatılması gerektiği ayrıca karşılaştırılmıştır.

\(t_{\mathrm{nadir}}\) tabanlı yöntem özellikle yükselme süresi ve aşım bakımından daha iyi sonuç vermiştir. Buna karşılık Strateji II’nin frekans minimumu, sinyal tabanlı yöntemde 59,40 Hz ve \(t_{\mathrm{nadir}}\) tabanlı yöntemde 59,38 Hz’dir. Dolayısıyla “en iyi” zamanlama kararı yalnızca frekans minimumuna değil, bütün geçici yanıt ölçütlerine dayanmaktadır.

IEEE-9 bara sistemindeki ana sonuç

Değiştirilmiş IEEE-9 bara sisteminde üç ayrıntılı senkron generatör, 75 MW gücünde DFIG rüzgâr çiftliği ve 10 MW civarında kullanılabilir güce sahip elektrikli araç kümesi modellenmiştir. Rüzgâr hızı 12 m/s, ani yük artışı 100 MW ve olay zamanı 130 saniyedir.

Strateji I yalnızca minimumdan sonra çalıştığı için frekans minimumundaki artış çok küçüktür. Asıl etkisi toparlanma döneminde görülmektedir. Strateji II olayın ilk kısmında da destek verdiğinden frekans minimumunu daha belirgin biçimde yükseltmiştir.

Rüzgâr çiftliğinin geçici fazla üretim ve geri kazanım profili elektrikli araç entegrasyonundan büyük ölçüde etkilenmemiştir. Elektrikli araç dönüştürücüsünün \(d\) ekseni akım referansı kontrol sinyalini izlemiş, \(q\) ekseni referansı sıfırda tutulmuştur.

Sabit destekle karşılaştırma

Geleneksel karşılaştırma senaryosunda elektrikli araç kümesi olay başladığı anda yaklaşık 10 MW sabit güç vermiş ve destek belirli bir anda aniden kesilmiştir. Bu yöntem ilk frekans düşüşünde en güçlü desteği sağlamıştır.

Ancak güç bir anda sıfıra indirildiğinde şebekede yeni bir güç dengesizliği oluşmuş ve ikincil frekans dalgalanması gözlenmiştir. Önerilen stratejilerde güç doğrusal olarak azaltıldığı için bu ani çekilme etkisi sınırlandırılmıştır.

Senkron generatörün elektriksel güç çıkışı incelendiğinde, rampa tabanlı stratejiler rüzgâr türbininin geri kazanım döneminde generatörden talep edilen gücü azaltmıştır. Sabit destek başlangıçta daha iyi geçici yanıt verirken önerilen yöntem toparlanma dönemini daha dengeli hâle getirmiştir.

Batarya kullanımı karşılaştırması

Strateji I’in enerji kullanımı sabit desteğe göre yaklaşık %68,6 daha düşüktür. Strateji II’de azalma yaklaşık %64,8’dir. Ancak enerji kullanımı sütununun birimi verilmediği için değerlerin kWh, MWh, yüzde veya normalize edilmiş enerji olarak yorumlanması mümkün değildir.

Strateji II, Strateji I’den biraz daha fazla enerji geçişine sahip olmasına rağmen en yüksek şarj durumu düşüşü daha küçüktür. Bu farkın araçlar arasındaki güç paylaşımı, başlangıç zamanı veya kullanılan gösterge hesaplamasıyla ilişkisi makalede ayrıntılı biçimde açıklanmamıştır.

Bu sonuçlar gerçek batarya kapasite kaybını ölçmemektedir. Yalnızca kısa süreli şarj durumu değişimini ve enerji geçişini göstermektedir. Uzun dönem çevrim yaşlanmasını belirlemek için sıcaklık, hücre kimyası, akım oranı, şarj seviyesi, dinlenme süresi ve binlerce tekrarın modellenmesi gerekir.

İletişim gecikmesi

Toplam gecikme için 200–550 ms aralığı öngörülmüştür. Deneysel duyarlılık analizinde gecikme 250 ms’den 950 ms’ye kadar artırılmıştır.

Strateji II’de gecikme, minimumdan önce verilen düşük güç desteğinin ve minimumdan sonraki tepe gücün daha geç oluşmasına yol açmıştır. Strateji I’de destek zaten frekans minimumundan sonra başladığı için gecikmenin etkisi büyük ölçüde toparlanma bölgesinde görülmüştür.

Frekans eğrilerinin genel biçimi gecikmesiz duruma yakın kalmış, ancak tepe güç ve çalışma noktasında küçük değişiklikler oluşmuştur. Bu sonuç belirli benzetim koşulları için gecikme toleransına işaret etmektedir; paket kaybı, düzensiz gecikme, saat senkronizasyon hatası, iletişim kesintisi veya kötü niyetli veri müdahalesi modellenmemiştir.

Ortalama şarj durumunun etkisi

Kullanılabilir küme gücü, bağlı araçların ortalama şarj durumuyla doğru orantılı kabul edilmiştir. Daha yüksek ortalama şarj durumu daha yüksek güç desteği, daha iyi frekans minimumu, daha kısa yükselme süresi ve daha düşük aşım sağlamıştır.

Şarj durumu düştükçe elektrikli araç kümesinin güç çıkışı doğrusal biçimde azaltılmıştır. Gerçek bataryalarda güç kapasitesi; sıcaklık, hücre gerilimi, batarya yönetim sistemi sınırları, yaşlanma düzeyi ve dönüştürücü kapasitesi nedeniyle her zaman şarj durumuyla doğrusal değişmeyebilir.

IEEE-39 bara sistemi sonuçları

Yöntem daha büyük bir ağda sınanmak amacıyla değiştirilmiş IEEE-39 bara sistemine uygulanmıştır. 50. saniyede 300 MW ve 600 MW olmak üzere iki ayrı yük artışı oluşturulmuştur.

600 MW yük artışında elektrikli araç desteği frekans minimumunu yalnızca sınırlı ölçüde değiştirmiş, ancak frekansın toparlanma süresini iyileştirmiştir. Küme gücü Strateji I ve Strateji II için IEEE-9 bara sistemindekine benzer rampa yapısını izlemiştir.

300 MW olayında da Strateji II biraz daha iyi frekans eğrisi üretmiştir. Bununla birlikte senaryo adlandırması sonuç metninde tutarlı değildir; bazı cümlelerde Strateji II “Senaryo II” olarak yazılmıştır.

IEEE-39 bara analizindeki önemli bulgu, elektrikli araç desteğinin rüzgâr çiftliğinin güç çıkışında daha yüksek salınımlar oluşturabilmesidir. Bu etkileşim, elektrikli araç ve rüzgâr türbini denetleyicilerinin ayrı ayrı iyi çalışmasının bütün sistemin salınımsız olacağını garanti etmediğini göstermektedir.

Çalışmanın güçlü yönleri

• Elektrikli araçların ulaşım önceliğini korumaya çalışan sınırlı süreli destek yaklaşımı geliştirilmiştir.
• Rüzgâr türbininin ilk frekans desteği ile rotor hızını geri kazanma aşaması ayrı ayrı ele alınmıştır.
• Araçların günlük yolculuk ve istasyona varış belirsizliği Monte Carlo modeliyle temsil edilmiştir.
• Batarya, DC–DC dönüştürücü, VSC ve şebeke denetleyicileri dinamik modele dâhil edilmiştir.
• Merkezi denetleyici, toplayıcı ve şarj merkezi düzeylerini içeren hiyerarşik yapı kurulmuştur.
• Güç enjeksiyonunun zamanlaması iki farklı yöntemle karşılaştırılmıştır.
• Önerilen rampa tabanlı yaklaşım sabit güçlü EV desteğiyle karşılaştırılmıştır.
• Şarj durumu değişimi ve enerji geçişi araç kullanımına etkiler için gösterge olarak sunulmuştur.
• 250–950 ms aralığında iletişim gecikmesi duyarlılığı yapılmıştır.
• Yöntem hem IEEE-9 hem IEEE-39 bara sisteminde sınanmıştır.
• Kalman filtresinin matrisleri ve örnekleme süresi ek bölümde verilmiştir.
• Çalışma, büyük ağda oluşabilecek rüzgâr gücü salınımlarını sınırlılık olarak açıkça belirtmiştir.

Çalışmanın sınırlılıkları

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Sonuçların tamamı sayısal benzetimlere dayanmaktadır.
• Gerçek şarj istasyonu, elektrikli araç veya rüzgâr santrali ölçümü kullanılmamıştır.
• Donanım-döngüde veya gerçek zamanlı sayısal benzetim yapılmamıştır.
• Günlük yolculuk ve varış dağılımlarının incelenen uygulama bölgesini ne ölçüde temsil ettiği gösterilmemiştir.
• 2.000 araç, 50 kWh batarya ve 7 kW şarj gücü tek ana küme yapılandırmasıdır.
• Farklı araç modelleri, batarya kimyaları ve dönüştürücü güçleri ayrı ayrı ele alınmamıştır.
• Başlangıç şarj durumu ve eşik süresi denklemlerinde değişken tanımı sorunları bulunmaktadır.
• Şarj merkezlerinin dağıtım trafosu, hat akımı ve gerilim sınırları modellenmemiştir.
• Elektrikli araç desteğinin reaktif güç ve yerel gerilim üzerindeki etkisi incelenmemiştir.
• Batarya yaşlanması yalnızca SoC değişimi ve enerji geçişiyle temsil edilmiştir.
• Enerji kullanımı göstergesinin birimi açıklanmamıştır.
• Strateji seçim eşiği \(d\) keyfî belirlenmiştir.
• \(\delta\) katsayısının seçim yöntemi sunulmamıştır.
• Senaryo numaralandırmasında birden fazla metin içi tutarsızlık bulunmaktadır.
• İletişim analizinde paket kaybı, kesinti ve siber saldırı yoktur.
• Kullanıcı katılımı, ödeme, batarya garantisi ve sözleşme yapısı incelenmemiştir.
• Gerçek frekans hizmeti piyasası ve grid kodu kısıtları modele eklenmemiştir.
• IEEE-39 bara sisteminde görülen artan rüzgâr gücü salınımları için azaltma yöntemi geliştirilmemiştir.
• Çalışmanın kaynak kodu ve benzetim dosyaları paylaşılmamıştır.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Elektrikli araç kümesi, incelenen modellerde kısa süreli aktif güç desteği sağlayabilmektedir.
• Frekans minimumundan sonra verilen destek, rüzgâr türbininin rotor hızı geri kazanılırken senkron generatörün yükünü azaltabilmektedir.
• Frekans minimumundan önce ve sonra çalışan Strateji II, IEEE-9 bara benzetiminde en iyi genel frekans ölçütlerini üretmiştir.
• Rampa tabanlı desteğin aniden kesilmesi, sabit desteğin aniden kesilmesine göre ikincil frekans dalgalanmasını azaltmıştır.
• Önerilen yöntemler sabit destekten daha düşük şarj durumu değişimi göstermiştir.
• Monte Carlo modeli seçilen parametrelerle yaklaşık 10 MW kullanılabilir küme gücü üretmiştir.
• İncelenen 250–950 ms gecikmeler genel frekans yanıtını tamamen bozmasa da güç enjeksiyonunun zamanını ve tepe değerini değiştirmiştir.
• Ortalama şarj durumu yükseldikçe elektrikli araç kümesinin destek gücü ve frekans performansı iyileşmiştir.
• Yöntem IEEE-39 bara sisteminde de frekansın toparlanma davranışını iyileştirmiştir.
• Elektrikli araç ve rüzgâr türbini kontrolleri arasında salınım oluşturabilecek etkileşimler bulunabilir.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar

• Çalışma gerçek elektrikli araç sahiplerinin sisteme katılacağını kanıtlamamaktadır.
• Önerilen yöntemin batarya ömrünü etkilemediğini göstermemektedir.
• SoC değişiminin düşük olması, elektrokimyasal yaşlanmanın önemsiz olduğu anlamına gelmemektedir.
• 2.000 araçtan her koşulda 10 MW destek alınabileceğini göstermemektedir.
• İletişim altyapısının gerçek sahada 200–550 ms gecikmeyle güvenilir çalışacağını doğrulamamaktadır.
• Yöntemin dağıtım şebekesinde gerilim veya trafo aşırı yükü oluşturmayacağını kanıtlamamaktadır.
• IEEE test ağlarındaki sonuçlar gerçek bir ülke şebekesine doğrudan aktarılamaz.
• Strateji II’nin her olay büyüklüğü, rüzgâr hızı ve yenilenebilir enerji oranında en iyi seçenek olduğu söylenemez.
• Sabit desteğin bütün uygulamalarda ikincil frekans düşüşü oluşturacağı genellenemez.
• Önerilen kontrolün ekonomik olarak kârlı olduğu gösterilmemiştir.
• Batarya garantisi, kullanıcı tazminatı ve enerji piyasası ödemeleri değerlendirilmemiştir.
• Siber güvenlik ve veri gizliliği doğrulanmamıştır.
• Sistem gerçek zamanlı çalışmaya hazır ticari bir ürün değildir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Sayısal iş akışı

1. DFIG rüzgâr türbininin maksimum güç noktası ve hızlı frekans desteği dinamikleri modellenmiştir.
2. Destek sırasında rotor kinetik enerjisinden alınan enerji ve geri kazanım enerji gereksinimi hesaplanmıştır.
3. Elektrikli araçların günlük mesafe ve varış zamanı olasılık dağılımları tanımlanmıştır.
4. 2.000 araç ve 10.000 Monte Carlo denemesiyle kullanılabilir küme gücü oluşturulmuştur.
5. Araç bataryası Shepherd lityum iyon modeliyle temsil edilmiştir.
6. Batarya, DC–DC dönüştürücü ve şebeke bağlantılı VSC modeliyle entegre edilmiştir.
7. Merkezi EV denetleyicisi, toplayıcılar ve şarj merkezlerinden oluşan üç katmanlı yapı kurulmuştur.
8. PMU frekans verisinden Kalman filtresiyle RoCoF tahmini yapılmıştır.
9. RoCoF’nin pozitif olduğu an frekans minimumu olarak algılanmıştır.
10. Kullanılabilir enerji \(d\) eşiğinin altında ise Strateji I, üzerinde ise Strateji II seçilmiştir.
11. Yöntem değiştirilmiş IEEE-9 bara ağında 100 MW yük artışıyla sınanmıştır.
12. Frekans minimumuna dayalı başlatma, programlanmış FFR zamanına dayalı başlatmayla karşılaştırılmıştır.
13. Önerilen stratejiler sabit güçlü elektrikli araç desteğiyle karşılaştırılmıştır.
14. Batarya SoC değişimi ve enerji geçişi değerlendirilmiştir.
15. 250–950 ms iletişim gecikmesi duyarlılığı uygulanmıştır.
16. Farklı ortalama SoC seviyelerinin destek gücüne etkisi incelenmiştir.
17. Yöntem IEEE-39 bara ağında 300 ve 600 MW yük artışlarıyla tekrar sınanmıştır.

Temel sistem yapılandırması

Stratejilerin karşılaştırmalı işlevi

Ana bulguların bağlamlı özeti

Bilimsel sonuç

Çalışmanın en önemli sonucu, elektrikli araçların frekans desteğinin yalnızca “ne kadar güç verildiği” üzerinden değil, “gücün hangi anda ve nasıl geri çekildiği” üzerinden tasarlanması gerektiğini göstermesidir. Sabit güçlü destek ilk frekans düşüşünü daha etkili biçimde bastırabilmekte; ancak gücün ani kesilmesi yeni bir dengesizlik yaratabilmektedir.

Rampa tabanlı kontrol, elektrikli araç gücünü rüzgâr türbininin rotor hızı geri kazanımıyla eşleştirmektedir. Bu eşleştirme sayesinde senkron generatörün aynı anda hem yük artışını hem de rüzgâr türbininin geri kazanım talebini karşılaması önlenmeye çalışılmaktadır.

Strateji I araç sahiplerinin enerji kullanımını en fazla sınırlayan yaklaşımdır; ancak ilk frekans minimumunu belirgin biçimde iyileştirmemektedir. Strateji II daha fazla zaman aralığını kapsayarak genel frekans performansını yükseltmektedir. Bu nedenle iki strateji arasındaki seçim, yalnızca kullanılabilir enerjiye değil; olay büyüklüğüne, frekans güvenlik sınırlarına ve kullanıcının asgari şarj gereksinimine göre yapılmalıdır.

Çalışma, teknik olarak umut verici bir kontrol mimarisi sunmaktadır; fakat saha uygulaması için hiyerarşik kontrolün dağıtım ağı sınırları, farklı şarj operatörleri, piyasa ödemeleri, siber güvenlik, kullanıcı onayı ve batarya garantileriyle birlikte yeniden tasarlanması gerekir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: Collaborative Frequency Support in Wind-Integrated Power Systems Using EVs with Reduced Impact on Vehicle Operation

Yazarlar ve sıraları: Sunil V Chandran; Deepak M.

Eş birinci yazar: Çalışmada eşit katkı veya eş birinci yazarlık bilgisi yer almamaktadır.

Sorumlu yazar: PDF’de sorumlu yazar yıldız veya ayrı bir ifadeyle belirtilmemiştir. SSRN resmî metadata kaydı Deepak M’yi “Contact Author” olarak göstermektedir.

Yazar e-posta adresleri:

• Sunil V Chandran: sunilvarickayil@gmail.com
• Deepak M: deepakm@nitc.ac.in

Kurum: Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Calicut, NIT Campus P O, Calicut/Kozhikode, Kerala 673601, Hindistan.

Kurum ve görev doğrulaması: NIT Calicut’un resmî fakülte profilinde Deepak M, Elektrik Mühendisliği Bölümünde yardımcı doçent ve güç sistemi işletme-kontrolü araştırmacısı olarak yer almaktadır. Aynı profil Sunil V Chandran’ı Ağustos 2021’den itibaren Deepak M’nin doktora araştırmacıları arasında göstermektedir.

DOI: 10.2139/ssrn.6935132

Kaynak türü: Dinamik güç sistemi modellemesi, olasılıksal elektrikli araç kümesi ve kontrol sistemi benzetimi içeren preprint araştırma makalesi.

Yayın platformu: SSRN.

Resmî SSRN bağlantısı:https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=6935132

DOI bağlantısı:https://doi.org/10.2139/ssrn.6935132

Yayın tarihi: PDF’de “Preprint submitted to Elsevier June 12, 2026” ifadesi bulunmaktadır. SSRN kaydı 13 Haziran 2026 tarihinde yayımlandığını göstermektedir.

Dergi: Hedef veya kabul edilmiş dergi adı PDF’de belirtilmemiştir. “Elsevier’e gönderildi” ifadesi, hakem kabulü veya dergi yayını anlamına gelmemektedir.

Yayınevi: Hakemli nihai yayın için yayınevi bilgisi bulunmamaktadır. Çalışma SSRN preprint platformunda yer almaktadır.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Her sayfada “Preprint not peer reviewed” uyarısı bulunmaktadır.

Başlık metadata notu: SSRN kayıt sayfasındaki başlık, PDF’deki tam başlıktan farklı ve daha kısa görünmektedir. Bilimsel içerikte PDF’nin kapak sayfasındaki tam özgün başlık esas alınmıştır.

Finansman: Çalışmada ayrı bir finansman beyanı yer almamaktadır.

Çıkar çatışması: Çalışmada ayrı bir çıkar çatışması beyanı yer almamaktadır.

Teşekkür: Araştırmacılar yazılım desteği ve teknik yardım için EMTP ekibine teşekkür etmektedir.

Veri ve kod kullanılabilirliği: Kaynak kodu, EMTP model dosyası, Monte Carlo betiği, test sistemi veri dosyaları veya açık veri deposu bağlantısı verilmemiştir.

Yazar katkıları: CRediT veya başka bir yazar katkı beyanı bulunmamaktadır.

Bu Türkçe açıklama, yüklenen 32 sayfalık çalışmanın metni, denklemleri, tabloları, kontrol şemaları, ağ diyagramları, frekans grafikleri, Monte Carlo dağılımları, SoC karşılaştırmaları, iletişim gecikmesi analizleri ve ek algoritması baştan sona incelenerek hazırlanmıştır. Bilimsel yöntem ve bulgular yalnızca çalışmada sunulan içeriğe dayanmaktadır. Dış kaynaklar yalnızca DOI, SSRN kaydı, iletişim yazarı ve NIT Calicut kurum bilgilerinin bibliyografik doğrulanması amacıyla kullanılmıştır.

Çalışmanın temel sınırlılıkları; hakem değerlendirmesinden geçmemesi, gerçek sistem verisi kullanmaması, saha veya donanım doğrulaması sunmaması, batarya bozulmasını yalnızca dolaylı göstergelerle değerlendirmesi, dağıtım ağı sınırlarını içermemesi, enerji kullanımı birimini belirtmemesi, strateji eşiklerini optimize etmemesi ve bazı denklem, dağılım ve senaryo tanımlarında metin içi tutarsızlıklar bulunmasıdır.

Dolayısıyla bildirilen 59,40 Hz frekans minimumu, yaklaşık 10 MW küme gücü ve −%1,83 SoC değişimi; gerçek bir elektrikli araç filosu veya ülke şebekesi için işletme garantisi değildir. Bu değerler, araştırmacıların seçtiği model, parametre, olay büyüklüğü ve test ağları altındaki sayısal sonuçlardır.