Yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşmasıyla birlikte güç şebekeleri, merkezi üretim yapılarından güç elektroniği dönüştürücülerinin ağırlıkta olduğu şebekelere dönüşmektedir. Bu dönüşüm, gerilim ve frekans kararlılığının korunmasını önemli bir mühendislik problemi hâline getirmektedir.
Almanya’daki “Fuchstal Lights Up” projesi kapsamında, şebeke oluşturan (grid-forming) ve şebekeyi takip eden (grid-following) dönüştürücülerin, merkezi bir kontrol sistemi olmadan tamamen dönüştürücü tabanlı bir ada şebekesinde kararlı şekilde nasıl birlikte çalışabileceği araştırılmaktadır. Araştırmacılar, gerçek bir şebeke bölümünü ana iletim şebekesinden ayırarak bu bölümün bağımsız ve otonom şekilde çalışıp çalışamayacağını test etmektedir.
Dewesoft tarafından sağlanan yüksek hızlı ve senkronize ölçüm sistemleri, dönüştürücülerin gerçek çalışma koşullarındaki davranışlarını kaydetmekte ve benzetim modellerinin doğrulanması için gerekli verileri sağlamaktadır. Bu sayede araştırmacılar, geleceğin güç sistemlerinde ihtiyaç duyulacak kontrol stratejilerini geliştirebilmekte ve doğrulayabilmektedir.
Dönüştürücü Tabanlı Güç Sistemlerinde Şebeke Kararlılığı
Veri merkezleri, e-mobilite ve elektrikli ısıtma sistemlerinden kaynaklanan artan elektrik talebi, elektrik üretim sistemlerinin dönüşümünü hızlandırmaktadır. Senkron jeneratörlere sahip büyük merkezi elektrik santralleri, merkezi olmayan yenilenebilir enerji kaynakları ve dönüştürücü tabanlı üretim sistemleriyle desteklenmekte; bazı uygulamalarda ise bunların yerini almaktadır.
Güneş ve rüzgâr enerjisi bu dönüşümün merkezinde yer alırken, batarya enerji depolama sistemleri (BESS – Battery Energy Storage Systems) yerel enerji depolama ve şebeke desteği sağlamaktadır. Güç dönüşüm sistemleri (PCS – Power Conversion Systems), fotovoltaik sistemlerin ve bataryaların DC çıkışını, şebekeye bağlı veya ada modunda çalışan elektrik sistemleri için AC güce dönüştürür. Bu dönüştürücü tabanlı sistemlerin, yürürlükteki ulusal ve uluslararası şebeke kodlarını ve güç kalitesi gereksinimlerini karşılaması gerekir.
Üretim yapısındaki bu değişim aynı zamanda temel bir teknik zorluğu da beraberinde getirmektedir. Geleneksel senkron jeneratörler, yapıları gereği gerilim ve frekans kararlılığına doğal olarak katkıda bulunur. Dönüştürücü tabanlı üretim sistemleri ise farklı bir davranış sergiler ve kararlı bir şebeke referansı sağlayacak geleneksel bir jeneratör bulunmadığında, dönüştürücü kontrol sistemleri arasındaki etkileşimler kritik hâle gelebilir.
Bu noktada şebeke oluşturan (grid-forming) ve şebekeyi takip eden (grid-following) dönüştürücüler farklı görevler üstlenir. Grid-following dönüştürücüler mevcut şebeke gerilimine senkronize olurken, grid-forming dönüştürücüler şebeke gerilimini ve frekansını kendileri oluşturabilir ve regüle edebilir. Dönüştürücü tabanlı üretimin elektrik sistemlerindeki payı artmaya devam ettikçe, bu teknolojilerin birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğinin anlaşılması güç şebekesi kararlılığının korunması açısından kritik önem taşımaktadır.
Fuchstal Dönüştürücü Tabanlı Ada Şebekesi Projesi
Bavyera’da enerji açısından kendi kendine yeterli Fuchstal belediyesinde yürütülen “Fuchstal Lights Up” projesi, dönüştürücü tabanlı bir ada şebekesinin, merkezi bir kontrol sistemi olmadan yenilenebilir enerji kaynakları ve güç dönüştürücüleri kullanarak kararlı çalışmasını nasıl sürdürebileceğini araştırmaktadır.
Fuchstal, Almanya’nın Bavyera eyaletindeki Landsberg bölgesinde bulunan ve nüfusu 4.200’ün biraz üzerinde olan bir belediyedir. Belediye; idari merkez olan Leeder ile Asch ve Seestall olmak üzere üç köyden oluşmaktadır. Ağustos 2023’ten bu yana enerji tedarikçileri, araştırma kurumları ve yerel toplum, Almanca adı “Fuchstal leuchtet” olan “Fuchstal Lights Up” projesi kapsamında birlikte çalışmaktadır.
Bu girişim, Fuchstal Energy Future Living Lab projesinin bir parçasıdır ve Almanya Federal Ekonomi ve İklim Koruma Bakanlığı tarafından finanse edilmektedir. Projenin amacı, modern dönüştürücü tabanlı sistemlerin merkezi haberleşme veya merkezi kontrol olmadan kararlı şebeke işletimini sağlayıp sağlayamayacağını belirlemektir.
Proje ortakları arasında Braunschweig Teknik Üniversitesi bünyesindeki Elenia Enstitüsü, Münih ve Augsburg Uygulamalı Bilimler Üniversiteleri, Fuchstal Belediyesi ve LEW Distribution Network yer almaktadır.
Şekil 1. Fuchstal Lights Up projesindeki ada şebekesi işletimine genel bakış.
Araştırmanın merkezinde temel bir soru yer almaktadır:
Yalnızca güç dönüştürücüleri tarafından beslenen ve yüklenen, merkezi kontrolün bulunmadığı bir şebekede kararlı işletim nasıl sağlanabilir?
Bu sorunun yanıtlanabilmesi için gerçekçi saha testlerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Araştırmacılar, rüzgâr türbinlerini grid-forming ve grid-following dönüştürücülerle birlikte gerçek işletme koşulları altında incelemektedir. Anlık gerilim ve akım değerlerinin hassas şekilde ölçülmesi büyük önem taşımaktadır; çünkü bu ölçümler, sistemin dinamik davranışının karakterize edilmesi ve benzetim modellerinin doğrulanması için gerekli verileri sağlamaktadır.
Münih Uygulamalı Bilimler Üniversitesi’nden proje yöneticisi Prof. Dr. Georg Kerber bu yaklaşımı şu şekilde açıklamaktadır:
Bu konuları araştırmak amacıyla, Fuchstal Energy Future gerçek yaşam laboratuvarında sistematik olarak birbirine bağlı saha testlerini uygulamaya yönelik benzetim modelleriyle bir araya getiriyoruz.
Prof. Dr. Georg Kerber
Proje, birbiriyle yakından ilişkili çeşitli hedeflere odaklanmaktadır:
- Entegre batarya depolama sistemlerine sahip grid-forming dönüştürücüler için kontrol stratejilerinin geliştirilmesi.
- İstenmeyen etkileşimlerin ve dönüştürücü kontrol sistemleri arasındaki etkileşimin incelenmesi.
- Yük değişimlerine karşı sistem kararlılığının incelenmesi.
- Ada şebekesi işletimi için koruma tekniklerinin ve seçici devre dışı bırakma mekanizmalarının araştırılması.
- Paralel şebeke işletiminde kullanılan mevcut parametrelerin eleştirel olarak değerlendirilmesi ve yürürlükteki bağlantı kurallarında yapılabilecek olası düzenlemelerin incelenmesi.
- Dönüştürücü tabanlı birleşik şebekeler için bir kontrol konseptinin tasarlanması ve değerlendirilmesi.
Dönüştürücü Tabanlı Bir Ada Şebekesinin Saha Testleri
2024 sonbaharında proje kapsamında, iki adet 2,5 MW grid-forming batarya invertörü kullanılarak ada şebekesi işletimi başarıyla gösterilmiştir. İnvertörler; bir power-to-heat sistemi, endüktif yük bankası ve kapasitif kablo bölümü gibi reaktif yüklerle birlikte çalıştırılmıştır.
Ekim 2024’te gerçekleştirilen sonraki saha testinde ise farklı grid-forming ve grid-following invertör ayarları altında rüzgâr enerji santralinin davranışına ilişkin ölçüm verileri toplanmıştır. Gerçekleştirilecek ilave testlerle ada şebekesi genişletilecek ve belediyenin ada modunda beslenip beslenemeyeceği araştırılacaktır. Projenin nihai hedefi, dört adet 3 MW rüzgâr türbinini içeren bir ada şebekesi oluşturmak ve ana şebekede meydana gelebilecek bir kesinti sırasında Fuchstal belediyesinin tamamına elektrik enerjisi sağlamaktır.
Bu saha testleri, ölçüm açısından zorlu gereksinimler ortaya çıkarmaktadır. Araştırmacıların yalnızca sistemin kararlı durum davranışını değil, aynı zamanda değişen işletme koşullarına dönüştürücü kontrol sistemlerinin verdiği tepkiler sırasında oluşan hızlı geçici rejim olaylarını ve dinamik etkileşimleri de kaydetmesi gerekmektedir.
Dönüştürücü Dinamiklerinin Yüksek Hızlı Ölçümü
Bu etkileşimlerin anlaşılması, geleneksel RMS güç ölçümlerinden daha fazlasını gerektirmektedir.
Araştırmacılar, hızlı geçici rejimleri ve dönüştürücü kontrol dinamiklerini yakalayabilecek yeterli bant genişliğine sahip, senkronize ve anlık gerilim ve akım dalga şekillerine ihtiyaç duymaktadır.
Bu gereksinimleri karşılamak amacıyla projede Dewesoft SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV yüksek hızlı güç analizörü kullanılmaktadır.
Sistem; üç fazlı AC güç sistemlerini ve DC bileşenlerini senkronize olarak ölçebilmekte, ayrıca 15 MHz’e kadar örnekleme hızlarında sürekli veya tetiklemeli kayıt gerçekleştirebilmektedir.
Şekil 2. SIRIUS XHS yüksek hızlı güç analizörü.
DewesoftX veri toplama yazılımında bulunan elektriksel güç analizi modülü; güç ve güç kalitesi parametrelerinin çevrimiçi olarak hesaplanmasının yanı sıra sonradan işleme (post-processing) imkânı da sunmaktadır.
Bu sayede aynı ölçüm sistemi; yüksek hızlı dalga şekli kaydından osiloskop benzeri analizlere, güç ve güç kalitesi ölçümlerine kadar birçok farklı amaç için kullanılabilmektedir.
Fuchstal projesinde kullanılan ölçüm sisteminin üç temel gereksinimi karşılaması gerekiyordu:
- Dağıtılmış ölçüm noktalarında anlık gerilim, akım ve frekansın dağıtılmış ve senkronize olarak ölçülmesi.
- Hassas invertör kontrol sistemlerinin davranışını, ölçüm kaynaklı bozulmalar oluşturmadan yakalayabilmek için yüksek sinyal kalitesi.
- Hızlı geçici olayların ve dönüştürücüler arasındaki etkileşimlerin ayrıntılı olarak çözümlenebilmesi için yüksek örnekleme hızları.
Bu gereksinimler, özellikle ada şebekesinin bütüncül bir görünümünü oluşturmak amacıyla farklı konumlardan alınan ölçümlerin bir araya getirilmesi gerektiğinde büyük önem taşımaktadır. Hassas senkronizasyon sayesinde araştırmacılar, farklı ölçüm noktalarında meydana gelen olaylar arasında zaman ilişkisi kurabilmekte ve dönüştürücü davranışlarının sistem genelinde nasıl yayıldığını analiz edebilmektedir.
Şekil 3. İkinci saha testi ve kurulum için ada şebekesi düzeni.
Saha Ölçümleriyle Güç Sistemi Benzetimlerinin Doğrulanması
Saha ölçümleri, fiziksel ada şebekesi ile proje kapsamında geliştirilen benzetim modelleri arasında bağlantı kurmaktadır.
Ekim 2024’te gerçekleştirilen ikinci saha testinde ölçüm sistemi, grid-forming ve grid-following invertörlerin farklı parametre ayarları altında rüzgâr enerji santralinin davranışına ilişkin kritik verileri toplamıştır.
Bu ölçümler, RMS ve elektromanyetik geçici rejim (EMT – Electromagnetic Transient) analizleri kullanılan PSCAD benzetim modellerinin değerlendirilmesi ve doğrulanması için gerçek saha verileri sağlamaktadır. Böylece araştırmacılar yalnızca idealize edilmiş veya benzetim yoluyla elde edilen dönüştürücü davranışlarına bağlı kalmak yerine, modelleri gerçek işletim sisteminden alınan ölçüm verileriyle karşılaştırabilmektedir.
Bu durum özellikle dönüştürücü ağırlıklı güç şebekelerinde büyük önem taşımaktadır; çünkü dönüştürücü kontrol davranışlarındaki küçük farklılıklar dahi sistemin genel dinamiklerini etkileyebilmektedir. Yüksek çözünürlüklü anlık ölçümler, araştırmacıların bu etkileri incelemesine, benzetim modellerini geliştirmesine ve gerçek saha verilerine dayalı işletim stratejilerini iyileştirmesine olanak sağlamaktadır.
Dönüştürücü Tabanlı Ada Şebekesi İşletiminin Ölçeklendirilmesi
Üçüncü saha testinde ölçüm kampanyası, rüzgâr türbinlerindeki ölçüm noktalarını da kapsayacak şekilde genişletilecektir. Dewesoft Power Analyzer, ada şebekesinin uzun dönemli kararlılığını ve projeye dâhil olan yerleşim bölgelerini besleyebilme kabiliyetini izleyecektir.
İlk testlerde grid-forming batarya invertörleri kullanılarak ada şebekesi işletimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Sonraki testlerde ise grid-following rüzgâr türbinlerinin de sisteme dâhil edilmesiyle daha karmaşık dönüştürücü etkileşimleri incelenmektedir. Nihai amaç, ağırlıklı olarak dönüştürücü tabanlı daha büyük bir şebekenin, geleneksel bir senkron jeneratöre veya merkezi kontrole ihtiyaç duymadan kararlı şekilde çalışıp çalışamayacağını belirlemektir.
Senkronize ölçüm verileri, işletim koşulları giderek daha karmaşık hâle geldikçe sistem davranışının değerlendirilmesi için ortak bir referans sağlayacaktır.
Geleceğin Dönüştürücü Tabanlı Güç Şebekeleri İçin Ölçüm Ve Doğrulama
Fuchstal Lights Up projesi, güç sistemleri dönüşmeye devam ettikçe ayrıntılı ölçümlerin neden giderek daha önemli hâle geldiğini göstermektedir. Geleneksel güç şebekelerinde büyük senkron jeneratörler, gerilim ve frekans kararlılığının fiziksel temelinin önemli bir bölümünü sağlar. Dönüştürücü ağırlıklı şebekelerde ise kararlılık, elektronik kontrol sistemlerinin davranışlarına ve bu sistemler arasındaki etkileşimlere çok daha fazla bağlıdır.
Dewesoft ölçüm sistemi, bu etkileşimlerin gerçek işletme koşulları altında incelenebilmesi için gerekli olan yüksek çözünürlüklü anlık ölçüm verilerini sağlamaktadır. Elde edilen veriler; benzetim modellerinin doğrulanmasını, dönüştürücü davranışlarının analizini ve grid-forming ile grid-following sistemlere yönelik işletim stratejilerinin geliştirilmesini desteklemektedir.
Saha testleri ilerledikçe proje, dönüştürücü tabanlı sistemlerin ada modunda birlikte nasıl çalışabileceğine ve yenilenebilir enerji kaynaklarının ağırlıkta olduğu güç şebekelerinin değişen yükler ve işletim koşulları altında kararlılığını nasıl koruyabileceğine ilişkin daha fazla bilgi sağlayacaktır.
Fuchstal’da yürütülen çalışmalar, geleceğin güç sistemleri açısından giderek önem kazanan temel bir soruna odaklanmaktadır: güç elektroniği sistemlerinin şebeke kontrolünde daha büyük bir rol üstlendiği bir yapıda güvenilir şebeke işletiminin sürdürülebilmesi.
Proje; gerçek saha testlerini, yüksek hızlı senkronize ölçümleri ve benzetim modellerini bir araya getirerek, kararlı dönüştürücü tabanlı güç şebekeleri için gerekli kontrol stratejilerinin geliştirilmesine ve doğrulanmasına katkı sağlamaktadır.
Proje ortakları ve ek kaynaklar
- Geleceğin güç sistemi kararlılığının temel taşlarından biri olarak grid-forming invertörler, Federal Ekonomi ve Enerji Bakanlığı, 20.08.2025.
- Fuchstal Belediyesi
- Augsburg Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Münih Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Braunschweig Teknik Üniversitesi – Elenia Enstitüsü
- LEW Dağıtım Şebekesi