Şebekeye bağlı üç fazlı sic tabanlı hibrit anpc evirici yapısının kontrolü ve tasarımı
Control and design of the grid connected three-phase sic based hybrid npc inverter
- Tez No: 720163
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ, DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM, DOÇ. DR. ATİYE HÜLYA OBDAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Electrical and Electronics Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Enerji sistemlerinde kalitenin önemi son yıllarda gittikçe artan bir kavram haline gelmiştir. Güç sistemlerinde oluşan kirlilik sorunlarının çoğu, güç elektroniği ekipmanlarının doğrusal olmayan karakteristiklerinden ve yüksek anahtarlama frekanslarından kaynaklanmaktadır. Güç kalitesi sorunları, hassas yarı iletken elemanların daha da hassaslaşması, var olan filtreleme ve kompanzasyon yöntemlerinin neden olduğu maliyet artışı nedeniyle zamanla daha da artmaya devam edecektir. Güç kalitesinin iyileştirilmesi, yarı iletken ve diğer doğrusal olmayan cihazların son zamanlarda artması nedeniyle başlıca araştırma konularından biri haline dönüşmüştür. Herhangi bir enerji kaynağının güç kalitesi, harmonik seviyesi vs. gibi etkenler uluslararası kuruluşlar tarafından tanımlanan belirli limitler çerçevesinde sınırlandırılmaktadır. Bu limitlerin sağlanabilmesi için farklı harmonik kompanzasyon yöntemlerine başvurulmaktadır. Bu limitlere uyulması, performans ve işletme ekonomisi için büyük önem taşımaktadır. Harmonik kompanzasyon ürünleri modern enerji dağıtım sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu ürünlerin geliştirilmesi için evirici tabanlı sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Üç seviyeli evirici tabanlı geliştirilen aktif harmonik filtreler (AHF), diğer harmonik kompanzasyon filtrelerinden daha iyi performansa sahip güç filtrelerinden biridir. Üç seviyeli şebeke bağlantılı tasarlanan eviriciler kaynak ve yük dengesizlikleri altında güçlü performans sağlayan doğru tasarlanmış bir kontrol algoritmasına ihtiyaç duymaktadırlar. Kontrol yöntemleri, Gerilim Kaynaklı Eviricileri (VSI) tetiklemek için gerekli referans akımlarının üretilmesinde kullanılmaktadırlar. Bu nedenle, sistemin kararlılığı büyük ölçüde kullanılan kontrol algoritmasına bağlıdır. Bu tezde, kullanılan üç seviyeli SiC-ANPC tabanlı evirici sistemleri için geniş bir literatür araştırması yapılmıştır. Bu literatür araştırması içinde; güncel uygulamalarda kullanılan farklı evirici topolojileri ve kontrol teknikleri detaylandırılmıştır. AHF sistemlerinde kullanılmak üzere tasarlanan 3L SiC-ANPC sistemi için farklı kontrol yöntemleri analiz edilmiş ve tartışılmıştır. Ayrıca, farklı evirici topolojileriyle PLECS ve Matlab/Simulink ortamında simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu evirici topolojilerinin verimlilik ve maliyet karşılaştırmaları yapılmış ve bu tezde sunulmuştur. Prototip haline getirme sürecinde yapılan PCB tasarımları Altium Designer ile gerçekleştirilmiştir. Prototip çalışması gerçekleştirilen evirici sisteminin test sonuçları tezde sunulmuştur.Bu tezde tasarlanan üç seviyeli şebeke bağlantılı evirici yapısında kullanılan SiC tabanlı evirici yapısı ile piyasada üretilen evirici yapılarının 2 katı bant genişliğine sahip bir evirici yapısı tasarlanmıştır. Aynı zamanda %98 üzerinde verimlilik sağlanmıştır. Piyasada üretilen evirici yapılarının birçoğu Si- IGBT veya Si-MOSFET tabanlı tasarlanmıştır. SiC tabanlı tasarlanan ürünlerin bant genişliği ve verimlilikleri düşük kalmaktadır. Bu tezde tasarlanan evirici yapısı ve FPGA tabanlı kontrol ile literatürde benzeri çalışması olmayan bir evirici tasarımı kazandırılmıştır. 5kHz kontrol bant genişliğine, 40kHz anahtarlama frekansına ve bu anahtarlama frekansında çalışabilmesi için 80kHz örnekleme frekansına sahip bir evirici yapısı tasarlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Nowadays, the worldwide electrical infrastructure is undergoing extensive change due to increasing electrical energy demand, environmental problems, energy policies and rapid technological development, especially in the field of power electronics. This change is a process towards the realization of the smart grid, a vision of the future power system where the flow of electrical power and communication between producer and consumer are to becoming bidirectional. The development and integration of distributed generation (DG) is an another important aspect of this change, where the centralized power generation plants are to be complemented by a higher penetration of low-scale generation plants at the distribution level. In recent years, the worldwide installed power, based on distributed energy resources (DER), such as grid-connected photovoltaic power plants and wind turbines, has grown exponentially. As a result, the total generation capacity as well as the penetration of renewable environmental friendly energy resources are increasing. Incorporating these resources into microgrids that can be operated in grid-connected mode or islanded mode seems to be a promising way to achieve intelligent application of these resources in the energy system. However, this development is causing the grid structure to become ever more complex. Also, given the intermittent nature of many renewable energy sources and their performance depending on meteorological and geographical conditions, total energy production tends to be more variable. In addition, grid stability, power quality and reliability can be compromised due to the penetration, technology and control of these distributed energy sources. Traditionally, these challenges have been met by using large rotating mass synchronous generators in large, conventional power plants. Now it also needs to be solved at the distribution level to realize the great potential associated with the smart grid paradigm and renewable distributed energy sources. The key to overcoming these challenges relates to the control and coordination of the individual power generation units, that is, the control of the respective power electronics converters. This topic has received great attention in research, and the field of power electronics converters and their control has experienced great development in recent years. Numerous proven solutions have been proposed in the literature, all about converter technologies, topologies and control algorithms for grid synchronization, current and voltage control, anti-island strategies, and more, all to improve the performance and operation of distributed energy sources. . The most basic task of these controllers is to inject appropriate AC current and voltage signals into the external utility grid. In recent years, resonance type controllers have received much attention in research due to their ability to manage this task when also used in a stationary reference frame. The importance of quality in energy systems has become an increasing concept in recent years. Most of the pollution problems in power systems are due to the non-linear characteristics of power electronic equipment and high switching frequencies. Power quality issues will continue to increase over time due to the sensitive equipment will be more sensitive and the cost increase caused by existing filtering and compensation methods. Improving power quality has become one of the main research topics due to the recent increase in semiconductor and other non-linear devices. The power quality of any source and harmonic factor are limited by the some indexes defined by international organizations. In order to achieve these limits, different harmonic compensation methods are used. Compliance with these limits has great importance for performance and operating economy. Harmonic compensation products are widely used in modern energy distribution systems. Active harmonic filters (AHF), developed based on active 3L-NPC inverters, are one of the power filters with better performance than other harmonic compensation filters. 3L-SiC-NPC based systems need a well-designed control algorithm that provides strong performance under source and load imbalances. Control methods are used to generate the required reference currents to trigger Voltage Source Inverters (VSI). Therefore, the compensation of harmonics largely depends on the control algorithm used. For any shunt AHF system, there are many ways to control the VSI. Silicon carbide (SiC) devices have excellent performance, such as higher switching frequency and lower switching loss compared with traditional silicon (Si) devices. The application of SiC devices in inverters can achieve higher efficiency and power density. In recent years, the production process of SiC devices has become more mature, but the cost is still several times that of traditional Si devices. In order to balance cost and efficiency, replacing only some of the Si devices with SiC devices in a topology is a better choice. Neutral point clamped (NPC) topology is a common three-level topology, and it is widely used in medium and high-power photovoltaic inverters. In this three-level NPC inverter, the voltage stress on each power device is only half of the bus voltage. Its output voltage harmonic content is lower compared with the two-level inverters. However, the NPC inverter has the problem of uneven power loss distribution over the power devices. Uneven loss distribution will increase the design requirements for the heat sink, resulting in larger volume of the heat sink, which is not conducive to improving the power density of the inverter. To solve this problem, the active neutral point clamped (ANPC) three-level topology is the best option. The ANPC topology replaces the clamp diodes in the NPC topology with active switches. Thus, the PWM (Pulse Width Modulation) control of the ANPC topology is more flexible. When the ANPC inverter outputs zero state, there are multiple redundant loops to choose from. The Digital Signal Processors that are the sequential processing device in which characteristics and programming are known. The Field Programming gate arrays is the architecture and reconfigurable digital logic devices, which contain a variety of programmable logic blocks called logic elements which can be configurable using a VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language). The advantages of FPGA over sequential hardware of DSPs are flexible memory architecture, wide parallelism, and deep pipelining. FPGA show great potential for control applications, power electronics and real time hardware emulation, applications such as motor control, active power filters, multilevel inverters. FPGAs are an efficient hardware for rapid prototyping. Its functions are complex enough to mplement more than glue logic. As the logic capacity of the FPGAs increases, synthesis for PGA is becoming more important. One solution to designing large designs efficiently is to use VHDL synthesis. In recently, electrical power device technology have allowed for the generation of current in power electronics applications and systems, in order to increase devices switching frequency. However, as frequency increased problems are arises such as time to perform function and calculate the control algorithm. FPGA digital controllers are increasing attention to the control of power inverters. In this thesis, an extensive literature search was carried out for AHF systems using 3L SiC-NPC inverter. In this literature research; inverter topologies and control techniques used in current applications are detailed. Different control methods are analyzed and discussed for the 3L-SiC-NPC inverter. In addition, different inverter topologies simulated in the PLECS environment. The efficiency and cost comparisons of these inverter topologies are made and presented in this thesis. PCB design was made with Altium Desginer software and the test results were presented in the thesis. The three-level grid-connected SiC-ANPC inverter structure designed in this thesis has twice the bandwidth of the inverter structures produced in the market. The efficiency of this inverter is over 98%. Most of the inverter structures produced in the market are designed based on Si-IGBT or Si-MOSFET. Bandwidth and efficiency of products designed based on SiC remain low. An inverter structure has been designed with a control bandwidth of 5kHz, a switching frequency of 40kHz and a sampling frequency of 80kHz to operate at this switching frequency. In this way, for the first time, an inverter structure that works with these features has been introduced to the literature.
Benzer Tezler
- Design and implementation of a SiC based three phase grid connected current source inverter for solar applications
Güneş uygulamaları için şebekeye bağlı üç fazlı SiC tabanlı akım kaynaklı evirici tasarımı ve uygulaması
OLCAY BAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER ERMİŞ
DR. HAZIM FARUK BİLGİN
- Design and analysis of topologies and control algorithms used in ev fast charging systems
Elektrikli araç hızlı şarj sistemlerinde kullanılan topolojiler ve kontrol algoritmalırının analizi ve tasarımı
ÖZGÜR CAN MİLLETSEVER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- Design and control of three phase grid connected pv system with 1 mw power capacity
Şebekeye bağlı üç fazlı 1 mw güç kapasiteli fotovoltaik sistemin tasarımı ve kontrolü
ERCAN MACİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik Tesisleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET METE VURAL
- PV-array grid-connected three-phase inverter controlled by model predictive controller
Model tahmin denetleyicisi tarafından kontrol edilen PV dizi ızgaraya bağlı üç fazlı invertör
AADIL SALAM AHMED ABOMELH
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OZAN GÜLBUDAK
- Mikro şebeke uygulamalarında evirici kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi
Development of inverter control methods for microgrid applications
DOĞAN ÇELİK
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET EMİN MERAL