Compensation of current harmonics in single phase grid connected inverters with deadtime under distorted grid voltage
Tek fazlı şebeke bağlantılı inverterlerde ölü zaman ve gürültülü şebeke gerilimi altında akım harmoniklerinin kompanzasyonu
- Tez No: 741423
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Dünya üzerindeki insan nüfusu arttıkça, insanın en temel ihtiyacı enerjiye olan talep de artmaktadır. Artan talebi karşılamak için de enerji arzı yapılan yatırımlar ile büyütülmektedir. Geçtiğimiz yüzyılda enerji yatırımlarının çoğu petrol, kömür ve doğalgaz gibi yenilenebilir olmayan fosil yakıtlar tarafından karşılanmaya çalışıldı. Fosil kaynaklı olmayan nükleer enerji yatırımları da son yüzyılın ikinci yarısında yaygınlaşmaya başladı. Nükleer enerji santralleri de çok ciddi enerji kaynağı olmakla birlikte, atıkların depolanması ve kaza durumunda geri döndürülemez tahribatlar yaratmasından dolayı bazı gelişmiş ülkeler tarafından kullanımı azalmaya başladı. Enerji yatırımları, her alanda büyümeye devam ederken, son 20 yılda, yenilebilir enerji üretimine yönelik yatırımlar, ciddi seviyelere ulaşmıştır ve diğer yatırımlar arasında payı her geçen yıl daha da artmaktadır. Bu yatırımların arasında rüzgar ve güneş enerji yatırımları en büyük orana sahiptir. Güneş enerjisi santralleri yatırımlarında, bu tezin yazıldığı tarihte en büyük pay Çin 'dedir. Bu yatırımların artması, fotovoltaik panel ve şebeke bağlantılı inverter ve diğer güç elektroniği cihazlarının geliştirilmesi ve üretilmesini de artırmıştır. Çin, bu süreçte Avrupa'lı güç elektroniği firmalarını satın aldığı da olmuştur. Güneş enerjisine yönelik talep, salgın hastalıklar ve bölgesel savaşların sebep olduğu enerji güvenliği problemleri yüzünden de artmaktadır. Bu kadar talebin olduğu ve görece daha tam olarak doygunluğa erişmemiş olan şebeke bağlantılı inverter teknolojisi üzerinde yapılan çalışmalar da artarak devam etmektedir. Ülkemizde, şebeke bağlantılı inverter geliştirilmesi ve üretilmesi üzerine dünyada adı öne çıkan firma henüz bulunmamaktadır. Fakat, Türkiye hem enerji güvenliği açısından hem de enerji ithalatının ekonomik yükünü hafifletmek için son yıllarda güneş enerjisine santrallerine devlet desteği vermektedir. Bu santrallerde kullanılan inverterlerin yerlileştirilmesi de, bu yatırımların oluşturduğu ithalat kalemlerinden birinin azaltılması anlamına gelir. Bu noktada, şebeke bağlantılı inverter geliştirilmesi hedefiyle yola çıkılan projede, bu inverterlerin kontrol algoritmalarının geliştirilmesi bu tezin konusu olmuştur. Tezin gerçekleştirildiği güç elektroniği devresi iki kademeli bir yapıdan oluşmaktadır. İlk kademede güneş paneli gerilimi, DC/DC çevirici ile inverter DC bara gerilimine yükseltilmektedir. İkinci kademede bir inverter, şebekeye bağlantılı olarak çalışarak, güneş panelinden alınan enerjiyi şebekeye aktarmaktadır. İnverter topolojisi olarak tek fazlı tam köprü inverter seçilmiştir. İnverter, 1500 VA olarak tasarlanmıştır. Anahtarlama frekansı 16 kHz 'dir. Tam köprü inverter, şebekeye LCL filtre ile bağlanmıştır. LCL filtre, 3. dereceden bir transfer fonksiyona sahiptir ve resonans frekansı doğru ayarlandığında, anahtarlama frekansının oluşturduğu harmonikler kolayca filtrelenebilmektedir. Çünkü rezonans frekansından sonra kazancı negatif yönde yüksek bir eğimle azalmaktadır. Fakat LCL filtrenin transfer fonksiyonun frekans cevabı incelendiğinde, resonans frekansında tepe yaptığı görülmektedir. Yani, LCL filtrenin girişine uygulanan sinyal rezonans frekansındaki bileşene sahip ise ve filtrenin kazancı bu frekansta 0 dB 'ye yakın ise, değişken çalışma koşullarında, bu kazanç 0'ın üzerine çıkabilir. Bu yüzden, tepenin belirli bir marjin bırakılarak bastırılması gerekmektedir. Resonans frekansında kazancın düşürülmesini sağlayan aktif ve pasif yöntemler geliştirilmiştir. Aktif bastırma yöntemleri olarak, kapasite akımının geri beslemesi veya belirtilen frekans aralığında düşük empedans sağlayan filtre gibi çalışmalar yapılmıştır. Pasif bastırma yöntemlerinde ise pasif bir elemanın LCL filtre yapısına eklenmesi ile resonans frekansındaki kazancın bastırılması amaçlanmıştır. Birçok pasif bastırma yapısı arasından filtre kapasitesine direnç eklenerek yapılan pasif bastırma yöntemi kolay uygulanan bir yöntemdir. Bu yöntemin dezavantajı ise direnç üzerinden akan kapasite akımının kayıp oluşturmasıdır. Fakat, tez kapsamındaki inverter düşük güçlü olduğu için direnç üzerindeki kayıp büyük güçlü inverterlere oranla az olmaktadır. Bu yüzden direnç ile bastırma yöntemi tercih edilmiştir. Filtrenin resonans frekansının seçilmesine yönelik yapılan çalışmaların birçoğunda, şebeke frekansının 10 katından büyük ve anahtarlama frekansının yarısından az olması gerektiği belirtilmiştir. LCL filtre kapasitesi, kapasitedeki reaktif güç kaybı, inverter nominal gücünün \%5'inden fazla olmayacak şekilde seçilmiştir. Filtrenin inverter tarafında bulunan endüktası, endüktans akımının dalgalılık oranına göre seçilmiştir. Çalışmalarda, dalgalılık oranının %20 - %40 arasında seçilmesi önerilmiştir.Bu çalışmada \%20 seçilmiştir. Bazı çalışmalarda, şebeke tarafı endüktansının inverter tarafı endüktansı ile aynı olması önerilmiştir. Bu çalışmada da şebeke tarafı endüktansı, inverter tarafı endüktansı ile aynı olacak şekilde seçilmiştir. Yapılan hesaplamada filtrenin rezonans frekansı, şebeke frekansıdan ve anahtarlama frekansının yarısından uzakta bulunarak, tasarım doğrulanmıştır. Şebeke bağlı inverterler, bir güç elektroniği cihazı olarak bazı standartlara uygun olarak tasarlanması gerekmektedir. Bu standartlar hem cihazın çevresine ve kendisine ait güvenliği hem de çalışma performansı hakkında kriterlere sahiptir. Bu çalışmada, konusu şebeke bağlantılı inverterlerin çalışma performansı ve şebeke ile etkileşimi olan standartlar incelenmiştir. Bunlardan en yaygın olanları IEEE Std 519™-2014 ve IEC 61727:2004 'tür. Standartlardaki şebeke gerilimindeki ve frekansındaki sapmalara göre inverterin şebekeden ne kadar sürede ayrılması gerektiği gibi bilgiler incelenmiştir. Şebekeye akan akımdaki harmonik bileşenlere ait limitler ve toplam harmonik bozulum limitleri incelenmiştir. İnverterin, şebekeye senkron olarak çalışması için kotrolcüye şebekeye senkron referans verilmesi gerekmektedir. Senkron referans sinyalin üretilmesi için çeşitli metodlar geşiştirilmiştir. Şebeke geriliminin sıfır geçiş noktalarının algılanarak, iki sıfır geçiş noktası arasındaki farktan şebeke frekansının elde edilmesi bu yöntemlerden birisidir. Fakat ölçüm ve sıfır geçiş algılama devresinde oluşabilecek bir hatada, senkron referans sinyal de hatalı olacak ve inverter hata durumuna girecektir. Faz Kilitlemmeli Döngü (PLL) denilen kontrol sistemleri vardır. Bu kontrol yapısının girişine şebeke gerilimi uygulandığında, çıkışında şebekeye senkron referans sinyal elde edilebilmektedir. Bu yapı genelde üç parça ile gösterilmektedir. Bunlar Faz Dedektör (PD), Döngü Filtresi (LF) ve Gerilim Kontrollü Osilatör (VCO) 'dür. Basit bir PLL yapısının PD bileşenin çıkış sinyalinde yüksek frekanslı bileşenler oluşmaktadır. Bu da elde edilen frekans ve faz açısı bilgisinde dalgalanmaya sebep olmaktadır. Buna çözüm olarak alfa ve beta olarak adlandırılan birbirine $\pi/2$ derece faz farkı olan sinyal üretip, üretilen sinyalleri Park dönüşümüne sokarak çalışan PLL yapıları geliştirilmiştir. Alfa ve beta bileşenlerinin üretilmesine yönelik çalışmalar incelenmiştir. PLL olarak bu sistemlerden daha iyi performansa sahip olan adaptif filtreli PD yapıları incelenmiştir. Bu yapılarda bazı değişikler yapılarak elde edilen İkinci Dereceden Genelleştirilmiş İntegratör (SOGI) incelenmiş ve SOGI-PLL yapısı uygulanmıştır. Bu yapının transfer fonksiyonunun değişken katsayılara ilişkin Bode diyagramı ve adım cevabı grafikleri paylaşılmıştır. İnverterin akım kontrolcüsü geliştirilmesi için araştırmalar ve simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Şebeke bağlantılı inverterlerin akım kontrolcüsü olarak senkron eksende PI kontrolör ve PR kontrolcüler kullanılmıştır. Bu kontrolcülerden PI kontrolcünün işlem yükü, bu tezin geliştirildiği işlemci için uygulanabilir görülmemiştir. Harmoniklerin kompanzasyonu için de yapılacak eksen dönüşümleri, bu kontrolcünün seçilmemesine sebep olmuştur. PR kontrolcüler üzerinde çalışılmıştır. Bu kontrolcünün de tek başına yeterli olmadığı anlaşılmıştır. Çünkü, şebeke harmonikleri ve inverter kaynaklı harmonikler 3., 5., 7. ve 9. harmonikler gibi tek katlı harmoniklerin oluşmasına sebep olmaktadır. Bu harmoniklerin bastırılması kontrolcüye paralel rezonant kontrolcüler kullanılmıştır. Bu sayede, tam yükte toplam harmonik standartlara uygun hale gelmiştir. Şebeke gerilimi harmoniklerinin bastırılması için şebeke gerilimi, kontrolcüye ileri besleme olarak eklenmektedir. Bu sayede, şebeke kaynaklı harmonik bileşenler büyük ölçüde zayıflatılmaktadır. Fakat inverter kaynaklı harmonikler büyük ölçüde mevcuttur ve özellikle düşük yüklerde, şebekeye akan akımın toplam harmonik bozulumu yüksektir. Tekrarlamalı kontrölörler (RC), akım hatası sinyaline paralel olarak eklenerek hem nominal yükte hem de düşük yüklerdeki harmoniklerin iyice düşürülmesini sağlamıştır. Bu kontrolörlerin dinamik performansı, çoklu rezonans kontrolcülere göre yavaş olmasına rağmen kararlı haldeki performansları oldukça iyidir. Teorik çalışması yapılan kontrolcüler, simülasyon modeli yapılan şebeke bağlantılı inverter çalışmasında test edilmiştir. Testlerde şebekedeki toplam harmonik bozulum %3, inverter anahtarlarına uygulanan PWM sinyallerinin ölü zamanı 1.5 µs olarak ayarlanmıştır. Sadece PR kontrolcüler kullanıldığında tam yükteki şebeke akımı toplam harmonik bozulumu %6.92 çıkmıştır. Çoklu rezonans kontrolcüler ile bu oran %3.71 'e düşmüştür. Şebeke geriliminin ileri besleme olarak kontrolcüye eklenmesi sonucu harmonik bozulum %2.87 olmuştur. Tekrarlamalı kontrolcü eklendiğinde oran %1.53 olmuştur. Sonuçlar, teorik çalışmayı doğrulamıştır. Deneysel gerçekleme ile de sonuçlar doğrulanmıştır. Gerçeklemede simülasyonda hesaba katılmayan bozucuların da etkisiyle toplam harmonik bozulum, biraz daha fazla çıkmıştır. PR, paralel kontrolcüler ve şebeke gerilimi ile elde edilen sonuç %3.93 olmuştur. Bu da simülasyondakinden uzak olmayan bir değerdir. Tek fazlı şebeke bağlantılı inverterin harmonik kompanzasyonu için yapılan teorik çalışmalar, simülasyon ve devre üzerinde doğrulanmış ve sonuçlar birbiriyle karşılaştırılmıştır. Uygulanan kontrol yöntemleri ile şebeke akımının toplam harmonik bozulumu başarılı bir şekilde düşürülmüştür.
Özet (Çeviri)
As the human population in the world increases, the demand for energy, which is the most basic need of human beings, also increases. In order to meet the increasing demand, the energy supply is enlarged with the investments made. While energy investments continue to grow in all areas, investments in renewable energy production have reached serious levels in the last 20 years and its share among other investments is increasing every year. Among these investments, wind and solar energy investments have the highest ratio. The increase in these investments has also increased the development and production of photovoltaic panels and grid-connected inverters and other power electronic devices. In this thesis, the power electronics circuit consists of a two-stage structure. In the first stage, the solar panel voltage is increased to the inverter DC bus voltage by a DC/DC converter. In the second stage, an inverter works in connection with the grid and transfers energy from the solar panel to the grid. Single-phase full-bridge inverter is selected as the inverter topology. The inverter is designed as 1500 VA. The switching frequency is 16 kHz. The full-bridge inverter is connected to the grid with an LCL filter. LCL filter has a 3rd order transfer function and when the resonance frequency is set correctly, the harmonics generated by the switching frequency can be filtered out easily. However, when the frequency response of the transfer function of the LCL filter is examined, it is seen that it peaks at the resonance frequency. Active and passive damping methods have been developed to reduce the gain at the resonant frequency. In passive damping methods, the peak is damped by adding a passive element to the LCL filter structure. Passive damping, which is made by adding resistance to the filter capacity is an easily applied method. The disadvantage of this method is that the capacitor current flowing through the resistor creates a loss. However, since the inverter is designed as low power in this thesis, the loss is less compared to the large power inverters. For this reason, damping with resistance is preferred. In most of the studies on the selection of the resonance frequency, it is suggested that it should be greater than 10 times the grid frequency and less than half of the switching frequency. LCL filter capacitor is selected so that the reactive power loss in the capacitor is not more than 5% of the inverter rated power. The inductance of the filter on the inverter side is selected according to the current ripple ratio. In the studies, it has been suggested to choose the ripple ratio between 20% and 40%. In this study, the ripple ratio was chosen as 20%. It has been suggested that the grid side inductance be the same as the inverter side inductance. In this study, it was chosen to be the same as the inverter side inductance. Grid-connected inverters, as power electronic devices, need to be designed in accordance with international standards. These standards have criteria for both the safety of the device and its operating performance. In this study, the operating performance of grid-connected inverters and the standards related to the grid are examined. The most common of these are IEEE Std 519™-2014 and IEC 61727:2004. The design has been made taking into account these standards. A synchronous reference signal must be given to the controller to work synchronously with the grid. Various methods have been developed for generating the synchronous reference signal such as Phase Locked Loop (PLL). When grid voltage is applied to the input of this control structure, a synchronous reference signal to the grid can be obtained at its output. This structure is usually shown in three parts. These are Phase Detector (PD), Loop Filter (LF), and Voltage Controlled Oscillator (VCO). PD structures with adaptive filters, which have better performance than others have been examined. Secondary Generalized Integrator (SOGI), which was obtained by making some changes in these structures, was examined and the SOGI-PLL structure was implemented. The Bode diagram and step response of the transfer function with variable coefficients are examined. Research and simulation studies have been carried out for the development of the inverter current controller. PI controller and PR controller are used as current controllers of grid-connected inverters. PR controllers are implemented in this thesis. It has been understood that this controller alone is not sufficient. Because grid harmonics and inverter-induced harmonics cause odd harmonics such as 3rd, 5th, 7th, and 9th harmonics. Resonant controllers parallel to the PR controller are used to compensate these harmonics. It has become compliant with standards at full load. In order to compensate the grid voltage harmonics, the grid voltage is added to the controller as a feed-forward path. Harmonic components originating from the grid are greatly attenuated. However, harmonics are still present at low loads. Repetitive controllers (RC) are added in parallel to the current error signal in the control structure, reducing the harmonics both at rated load and light loads. Although the dynamic performance of RC is slow compared to multi-resonance controllers, their steady-state performance is quite beneficial. Controllers with theoretical studies have been tested in a grid-connected inverter study with a simulation model. In the tests, the total harmonic distortion in the grid voltage is 3%, and the dead time of the PWM signals is set to 1.5 µs. When only PR controllers are used, the total harmonic distortion of the grid current at full load is 6.92%. This ratio decreased to 3.71% with multiple resonance controllers. As a result of grid voltage feed-forward, the harmonic distortion was 2.87%. The rate decreased to 1.53% when the repetitive controller was added. The results confirmed the theoretical work. The results were also confirmed by the experimental implementation. In the experiment, the total harmonic distortion was slightly higher with the effect of the disturbances that were not taken into account in the simulation. When only PR controllers are used, the total harmonic distortion of the grid current at full load is 9.84%. This ratio decreased to 6.11% with multiple resonance controllers. As a result of grid voltage feed-forward, the harmonic distortion was 3.93%. Results were similar to the simulation when the disturbances were taken into account. Theoretical studies for harmonic compensation of single-phase grid-connected inverter were verified on simulation and circuit, and the results were compared with each other. With the applied control methods, the total harmonic distortion of the grid current has been successfully reduced.
Benzer Tezler
- GaN yarı iletken tabanlı totem-pole köprüsüz yükselten PFC dönüştürücü analizi ve tasarımı
GaN semiconductor based totem-pole bridgeless boost PFC analysis and design
ENES ÇATLIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Predictive control of grid connected photovoltaic system
Kestirilebilir kontrollü şebeke bağlantılı fotovoltaik sistem
ADNAN SAMARJI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA SÜRGEVİL
- High performance current control methods for voltage source converters with saturable inductors
Doymalı indüktörlü gerilim kaynağı dönüştürücülerde yüksek başarımlı akım denetim yöntemleri
ZİYA ÖZKAN
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET MASUM HAVA
- Aktif güç filtreleri için fpga tabanlı bir kontrolörün tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of a fpga based controller for active power filters
HÜSEYİN DOĞAN
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAMAZAN AKKAYA
- Güç sistemi sinyal örneklerinden derin öğrenme ile harmonik kestirimi için elektrik ark ocağı akımlarının istatistiksel modellenmesi
Statistical modeling of electric arc furnace currents for harmonic estimation from power system signal samples using deep learning framework
NAGİHAN SEVEROĞLU KÜÇÜK
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL SALOR DURNA