RES Sahasına Yardımcı Kaynak GES Eklemek: Hibrit Santralde Elektrik Altyapısı Nasıl Kurgulanır?

Yardımcı kaynaklı hibrit santral, lisanslı bir rüzgar santraline (RES), aynı bağlantı noktasını ve aynı bağlantı kapasitesini kullanacak şekilde güneş enerjisi santrali (GES) gibi ikinci bir yenilenebilir kaynağın eklenmesiyle oluşan tesistir. Türkiye'de bu yapı, Elektrik Piyasası Lisans Yönetmeliği'nde 8 Mart 2020 tarihli Resmî Gazete'de yayımlanan değişiklikle tanımlanan birden çok kaynaklı elektrik üretim tesisi (RES+GES için birleşik yenilenebilir elektrik üretim tesisi), ana kaynak ve yardımcı kaynak kavramlarıyla mümkün hale geldi. Rüzgar-güneş hibritinde RES ana kaynak, GES ise yardımcı kaynaktır; GES için ayrı bir şebeke bağlantısı açılmaz, mevcut bağlantı paylaşılır.

İşletmedeki bir santralde süreç, mevcut lisansın EPDK nezdinde tadil edilmesiyle ilerler. Tadil sürecinde Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı'nın (ETKB) GES teknik değerlendirmesi yapılır; lisanstaki toplam elektriksel kurulu güç, bağlantı noktası ve gerilim seviyesi değişmez. Bağlantı görüşü, santralin bağlı olduğu gerilim seviyesine göre TEİAŞ'tan ya da bölgedeki dağıtım şirketinden alınır. GES alanının lisansa derç edilmiş santral sahası içinde kalıp kalmadığı (değilse saha tadili gerekir), arazi kullanım hakları ve çevresel izinler de aynı aşamada netleşmelidir. Bağlantı ve anlaşma adımlarının genel akışını Türkiye'de santral şebeke bağlantısı yazımızda anlattık.

Elektrik altyapısı açısından hibrit dönüşümün özü şudur: yeni bir santral kurulmaz, mevcut bir santralin içine ikinci bir üretim bloğu yerleştirilir. Bu nedenle tasarım boş bir GES yerleşiminden değil, RES'in tek hat şemasından, kısa devre seviyelerinden, koruma ayarlarından ve SCADA mimarisinden başlar. As-built dokümanları eksik ya da güncel olmayan sahalarda ilk iş, kurulu durumun sahada doğrulanmasıdır. Sahaya batarya depolama (BESS) eklemek ise ayrı bir mimari karardır; bu yazı yalnız RES ile GES'in birlikte çalışmasına odaklanıyor.

RES'e eklenen GES, bağlantı anlaşmasındaki gücü RES ile ortak kullanır; bu yüzden iki kaynağın şebekeye verdiği toplam güç, bağlantı noktasında anlaşma gücünü aşmayacak şekilde sınırlanır. Hibrit modelin ekonomik mantığı, rüzgar ve güneş üretiminin çoğu saatte aynı anda tepe yapmamasına dayanır: rüzgarın zayıf olduğu saatlerde boş kalan bağlantı kapasitesi GES üretimiyle dolar. Rüzgarın güçlü estiği güneşli saatlerde ise toplam üretim sınırı aşar ve fazlası kırpılır.

GES'in büyüklüğü bu kırpılan enerjinin hesabıyla belirlenmelidir. RES SCADA'sından alınan en az bir yıllık, 10 dakikalık çözünürlükteki üretim verisi ile sahanın güneş ışınımı verisi aynı zaman ekseninde birleştirilir ve her aralıkta toplam üretim bağlantı sınırıyla karşılaştırılır. Sonuç, farklı GES güçleri için yıllık kırpılan enerjiyi gösterir; inverter gücü ve DC/AC oranı bu analize göre seçilir. Analiz yapılmadan yalnız boş arazi miktarına göre GES boyutlandırmak sahada sık karşılaşılan bir hatadır.

Sınırlama sahada santral kontrolörü (PPC) ile yapılır. PPC bağlantı noktasındaki aktif ve reaktif gücü ölçer, set değerleri GES inverterlerine ve türbin kontrol sistemine dağıtır. Hangi kaynağın önce kırpılacağı ticari bir karardır; teknik olarak inverterler türbinlere göre çok daha hızlı tepki verir. Haberleşme kesildiğinde inverterlerin önceden tanımlı güvenli bir güç değerine inmesi ve bağlantı noktasındaki reaktif güç yükümlülüğünün türbinler ile inverterler arasında nasıl paylaşılacağı da kontrol mantığına yazılmalıdır. Ana trafonun yüklenmesi şebekeye verilen güç sınırıyla dolaylı olarak kontrol altında kalır, ancak reaktif güç akışı eklendiğinde MVA yüklenmesi ayrıca kontrol edilmelidir.

GES kayda değer büyüklükteyse inverter çıkışlarının ayrı bir fiderle doğrudan trafo merkezinin OG barasına bağlanması çoğu sahada daha sağlıklı çözümdür; mevcut RES toplama hattına bağlantı ise yalnız kablo kapasitesi ve koruma düzeni bunu kaldırıyorsa tercih edilmelidir. Her iki seçenekte de GES'in inverter-trafo istasyonları önce kendi içinde bir OG ring veya radyal hatla toplanır; asıl karar, bu hattın RES'e nereden bağlanacağıdır.

Mevcut fidere bağlantının cazip yanı kısa kablo mesafesidir. Ancak RES fider kabloları yalnız o fiderdeki türbinlerin akımına göre, döşeme derinliği, kablo grupları ve toprağın ısıl direnci dikkate alınarak boyutlandırılmıştır. GES akımı eklendiğinde rüzgar ve güneşin birlikte tepe yaptığı saatlerde kablonun ısıl sınırı aşılabilir; bu nedenle IEC 60287'ye dayalı akım taşıma hesabı birleşik yük profiliyle yeniden yapılmalıdır. Türbin kulesindeki OG hücrede boş bir çıkış yoksa araya yeni bir ring hücresi girer. Ayrılma noktasında seçici koordineli kesici-röle koruması yoksa GES tarafındaki bir arıza fider kesicisini açtırarak aynı fiderdeki bütün türbinleri de devre dışı bırakabilir; ortak fider kablosundaki bir arıza ise iki kaynağı birlikte keser.

Ayrı fider seçeneği, trafo merkezinde boş bir hücre bölmesi ya da mevcut hücre dizisiyle uyumlu bir ek hücre ister. Bu durumda hücre barasının anma akımı, kısa devre dayanımı ve ana trafonun kapasitesi kontrol edilir. GES trafolarının OG gerilimi RES toplama hattıyla aynı seviyede, Türkiye'deki RES'lerde çoğunlukla 34,5 kV olarak seçilir. Trafoların bağlantı grubu ve nötr düzeni de RES OG sisteminin topraklama yöntemiyle uyumlu olmalıdır; aksi halde toprak arıza akımının büyüklüğü değişir ve mevcut toprak koruma ayarları geçerliliğini yitirebilir.

Hibrit sahada koruma, ölçüm ve SCADA, GES'in mevcut RES düzenine yeni bir fider gibi eklenmesi ve santralin bağlantı noktasında tek bir tesis gibi davranmayı sürdürmesi ilkesiyle düzenlenir. Bunun için kısa devre, yük akışı ve koruma koordinasyonu çalışmaları GES dahil edilerek güncellenir. Yeni GES fiderinin aşırı akım ve toprak arıza röleleri, giriş hücresi ve ana trafo korumalarıyla seçicilik içinde ayarlanır.

Yeni OG kabloları sistemin kapasitif toprak arıza akımını artırır. RES OG sistemi direnç üzerinden topraklanmışsa nötr direncinin anma değeri ve toprak arıza ayarları bu artışa göre yeniden kontrol edilmelidir. İnverterlerin gerilim ve frekans koruma ayarları ile arıza sırasında şebekede kalma davranışı, şebeke yönetmeliği şartlarına ve bağlantı noktasındaki koruma düzenine göre belirlenir. Röle ayar değişiklikleri, işletmeci ve yatırımcının mühendisi onaylamadan sahada uygulanmamalıdır.

Ölçüm tarafında bağlantı noktasındaki uzlaştırmaya esas sayaçlar yerinde kalır. Yardımcı kaynağın üretimini ayrıca izlemek için GES fiderine, işletmecinin istediği doğruluk sınıfında akım ve gerilim trafolarıyla ayrı bir ölçüm düzeni kurulur. SCADA'da inverter, trafo istasyonu ve meteoroloji istasyonu verileri RES SCADA'sına ve PPC'ye entegre edilir; TEİAŞ'a ya da dağıtım şirketine giden sinyal listesi hibrit yapıya göre revize edilir. GES fiber ağı mevcut RES fiber ringine ayrı bir ağ segmenti olarak bağlanmalı, olay kayıtlarının karşılaştırılabilmesi için zaman senkronizasyonu tek kaynaktan sağlanmalıdır.

Türbinler arasına kurulan GES, enerjili gömülü OG kabloları, fiber hatları, türbin topraklamaları ve bakım alanlarıyla aynı araziyi paylaştığı için kablolaması ve topraklaması ayrı bir planlama ister. En büyük saha riski, konstrüksiyon kazıklarının çakılması sırasında mevcut 34,5 kV kablolara ya da fiber hatlara isabet edilmesidir. Kazık planı; as-built çizimler, kablo tespit cihazıyla yapılan güzergâh taraması ve kritik geçişlerde elle açılan deneme çukurlarıyla doğrulanmadan çakıma başlanmamalıdır.

Yerleşimde türbin vinç platformları, kanat indirme alanları ve servis yolları serbest bırakılır, çünkü büyük bileşen değişiminde bu alanlara yeniden ihtiyaç duyulur. Panel sıraları kule gölgesinin ve buz atma riskinin yoğun olduğu bölgelerden uzak tutulur. GES OG kablosu mevcut RES hendeğine paralel ilerliyorsa iki hattın karşılıklı ısınması akım taşıma hesabına katılır; kesişmelerde ayırma mesafesi ve koruma elemanı uygulanır.

Topraklamada GES konstrüksiyonları, inverter istasyonları ve trafo topraklamaları saha topraklama ağına bağlanarak ortak potansiyel sağlanır. Ancak bir türbine yıldırım düştüğünde akımın bir kısmı bu ortak ağ üzerinden yayılır ve türbin temeline yakın geçen DC dize kablolarında yüksek gerilimler endüklenebilir. Bu yüzden DC ve AC tarafta uygun sınıfta aşırı gerilim koruma cihazları (SPD) seçilir, DC kablolar türbin topraklama elektrotlarından mesafeli geçirilir ve birleşik ağ için adım ve dokunma gerilimleri yeniden hesaplanır. Bağlantı sonrasında yapılan topraklama direnci ölçümleri ve süreklilik testleri kabul dosyasına girer. Türbin topraklamasının kendisini RES sahasında elektrik işleri yazımızda ele aldık.

Hibrit dönüşümde işlerin büyük bölümü RES üretimi sürerken yapılır; RES'in tamamen ya da kısmen durması yalnız trafo merkezindeki bara bağlantısı, mevcut bir fidere bağlantı ve koruma ayar değişiklikleri için açılan kısa, önceden programlanmış pencerelerle sınırlı tutulur. GES sahası, DC kablolama, inverter istasyonları ve yeni OG kablo güzergâhı, enerjili sistemden fiziksel olarak ayrılmış bir iş alanı olarak yürütülür.

Kesinti gerektiren işler, rüzgar tahminine göre düşük üretimli günlere yerleştirilir ve RES işletmecisinin manevra programıyla birlikte planlanır. Çalışma izni, kilitleme-etiketleme ve çalışma noktasında topraklama uygulanmadan enerjili tesise yakın çalışma başlamaz. Pencere açılmadan önce yeni OG kabloların VLF ve tan delta testleri, hücre fonksiyon testleri ve röle sekonder enjeksiyon testleri tamamlanmış olmalıdır; böylece kesinti süresinde yalnız bağlantı ve kısa doğrulamalar kalır.

Devreye almada GES önce kendi fiderinden enerjilendirilir, inverterler sırayla devreye alınır. Ardından PPC gerçek koşullarda bilinçli olarak düşük bir sınır değerle denenir; türbinler çalışırken toplam gücün sınırda tutulduğu ve haberleşme kesildiğinde inverterlerin güvenli moda geçtiği doğrulanır. Yardımcı kaynak için geçici kabul süreci bu testlerin ardından yürütülür.

Miratek Elektrik, Türkiye genelinde RES sahalarında türbinler arası OG toplama hattı, topraklama ve fiber işlerini, GES sahalarında ise saha elektrik işlerini yürütüyor. Bugüne kadar 50 MW GES kurduk, toplam 85 km OG/AG kablo hattı döşedik ve 48 OG hücre montajı yaptık. İşletmedeki Killik RES sahasına kurulan BESS projesinde de elektrik işleri alt yüklenicisi olarak kablo altyapısı, topraklama, busbar bağlantıları ve devreye alma desteğini üstlendik. Hibrit dönüşümü değerlendiren yatırımcılar için RES Projelendirme hizmetimiz, mevcut tesisin tek hat şemasından bağlantı seçeneğinin belirlenmesine kadar teknik değerlendirmeyi kapsar.