Transmission expansion planning in power systems with wind power plants

Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik güç şebekelerine entegrasyonu her geçen yıl hızla artmaktadır. Bu artıştaki en büyük pay ise rüzgar enerji santrallerine (RES) aittir. RES'ler her ne kadar ekonomik, çevresel ve teknik avantajlara sahip olsalar da şebeke planlamacılarına çözülmesi gereken yeni problemler oluşturmaktadırlar. Diğer yandan şebeke altyapısındaki yetersizliklerden dolayı RES'lerin var olan potansiyelleri yeterince kullanılamamaktadır. Bu potansiyeli en iyi şekilde kullanmak adına iletim hattı planlaması büyük önem arz etmektedir. Bu tezde, RES entegre edilmiş güç sistemlerinde iki seviyeli iletim hattı planlama metotları geliştirilmiştir. Böylece hat yatırım maliyetlerinin yanı sıra planlama periyodunca şebekedeki kısıtlardan dolayı oluşan kullanılamayan rüzgar enerjisi yerine devreye alınan konvansiyonel jeneratörlerin toplam üretim maliyetlerini ve beslenemeyen enerjiyi azaltmak amaçlanmıştır. İki seviyeli planlama problemi farklı çalışma koşullarında beslenemeyen talep yük ile kullanılamayan rüzgar gücünü hesaplayabilmek için geliştirilmiştir. Problemin üst seviyesinde yatırım maliyetleri, kullanılamayan rüzgar enerjisi yerine devreye alınan konvansiyonel jeneratörlerin toplam üretim maliyetleri ve beslenemeyen enerji talebi minimize edilirken, alt seviyede ise farklı senaryolar için jeneratörlerin üretim maliyetleri ile birlikte beslenemeyen talep yükü minimize edecek olan optimal güç akış problemleri ele alınmıştır. Kümeleme yöntemleri kullanılarak RES'lerin çıkış güçleri ve yüklerdeki değişimleri dikkate alan senaryolar oluşturulmuştur. Bu kapsamda üç farklı metot önerilmiştir. İlk olarak, alt seviyede DC-model kullanılarak oluşturulan çok-amaçlı bir iletim hattı planlama problemi genetik algoritma ile çözdürülmüştür. Elde edilen pareto-optimal yatırım sonuçlarından en uygununu belirlemek amacıyla planlayıcıların isteklerini dikkate alan bulanık mantık tabanlı bir karar verme modeli oluşturulmuştur. Bir sonraki adımda, N-1 kısıtlılık durumları önerilen iletim hattı planlama problemi içinde ele alınarak şebeke yeterliliğinin hem normal hem de kısıtlılık durumlarında sağlanması hedeflenmiştir. Son olarak, hat ve reaktif güç kaynağı yatırım maliyetleri ile kullanılamayan rüzgar enerjisi arasında bir denge sağlayabilmek için iletim hattı planlama problemi ile reaktif güç planlama problemi lineerleştirilmiş AC-model kullanılarak birleştirilmiş ve iki seviyeli planlama problemi oluşturulmuştur. Lineer olan alt seviye problemleri güçlü ikililik teoreminden faydalanılarak üst probleme kısıt olarak eklenmiştir. Böylelikle iki seviyeli problem tek seviyeye indirgenmiş ve planlama problemi karma tamsayılı lineer programlama olarak formüle edilmiştir. Önerilen metotlar farklı test sistemlerinde farklı senaryolar altında uygulanmıştır. Sonuçlar, kullanılamayan rüzgar enerjisi düşünülerek oluşturulan iletim hattı planlama yaklaşımının hem toplam maliyetlerin azaltılması hem de RES kullanım oranının artırılması açısından klasik planlama yöntemlerine göre daha iyi olduğunu göstermiştir. Diğer yandan, reaktif güç planlama probleminin de kullanılamayan rüzgar enerjisi ve hat yatırımları ile koordineli bir şekilde ele alınması, hatlara yapılacak olan yatırımların daha da ertelenebileceğini göstermiştir. Tez kapsamında önerilen metotların etkinliğini göstermek amacıyla elde edilen sonuçlar, literatürdeki diğer metotlarla karşılaştırılmıştır.Integration of renewable energy resources into power systems has been growing rapidly year by year. The biggest share in this growth belongs to wind power plants. Although they have economical, environmental, and technical advantages, the integration of them introduce new challenges in terms of power system planners. On the other hand, the wind power may be curtailed due to the insufficient infrastructure. In order to utilize the potential of wind power, transmission expansion planning is of great importance. In this thesis, bilevel transmission expansion planning methods are proposed for wind power plants integrated power systems. By this way, it is aimed to minimize the total generation cost of conventional generators which replace the curtailed wind energy in the planning period and energy not supplied as well as investment cost of transmission lines. Bilevel planning problem is developed in order to calculate load curtailment and curtailed wind power for several load-wind scenarios. The upper level problem is to minimize investment costs, the total generation cost of conventional generators which replace the curtailed wind energy in the planning period, and energy not supplied while the lower level problems deal with the optimal power flow problems under several scenarios, which minimize the generation costs and load curtailment. Scenarios are obtained by using clustering techniques by considering the output of wind power plants and demand power. In this context, three different methods are proposed. First of all, a multi-objective transmission expansion planning problem, whose lower level is constructed by using DC-model, is solved by genetic algorithm. In order to obtain the best investment out of the pareto-optimal solutions considering the planners' priorities, decision making process is formed based on fuzzy logic. In the next step, N-1 contingencies are incorporated into the proposed transmission expansion planning problem in order to maintain the system adequacy for both normal and contingency cases. Finally, transmission expansion planning and reactive power planning are combined in a bilevel manner by using the linearized AC-model in order to make a balance between investment costs of transmission lines and reactive power sources, and curtailed wind energy. Lower level problems which are linear are incorporated into upper level problem as constraints using the strong duality theorem. Hereby, the bilevel optimization problem is converted to single level problem which is formulated as mixed integer linear programming. The proposed methods are applied to different test systems under different case studies. The results show that the transmission expansion planning methods, which consider the curtailed wind energy, are superior to the classical methods in respect of minimizing investment and operation costs and maximizing the usage of wind power plants. On the other hand, it is inferred from the results that the transmission expansion planning, which is coordinated with reactive power planning, is able to postpone the line investments. Moreover, the proposed methods are compared with the existing methods in the literature