Design and simulation of high-performance multilevelinverters for renewable energy systems
Yenilenebilir enerji sistemleri için yüksek performanslı çokseviyeli eviricilerin tasarımı ve benzetimi
- Tez No: 940983
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KIRÇAY, PROF. DR. RAKAN KHALIL ANTAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Harran Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Bu çalışma, güneş panelleri, rüzgar türbinleri ve yakıt hücrelerini yöneterek tek ve üç fazlı Sinüzoidal Darbe Genişlik Modülasyonu (SPWM) invertör devrelerinin geliştirilmesini amaçlamaktadır. Doğru akım (DC)-DC boost dönüştürücülerde kullanılan maksimum güç noktası izleme yöntemi, yenilenebilir enerji kaynaklarının verimli kullanımını sağlamaktadır. Fotovoltaik (PV), rüzgar türbinleri, yakıt hücreleri ve çift yönlü bataryalar enerji yönetiminde kullanılmaktadır. Verimlilik, malzeme maliyetlerinin azaltılması ve kullanıcı konforu enerji yönetimine bağlıdır. Teknoloji, tüm kaynakların mevcut olduğu durumlarda yedek bataryayı tam olarak şarj etmektedir. Bir kaynak arızalandığında ise diğer yenilenebilir enerji kaynakları sistemi besleyecektir. Boost dönüştürücü devrelerden önce, yenilenebilir enerjiler PV için 310V, rüzgar enerjisi dönüşümü için 60V, yakıt hücreleri için 215V ve çift yönlü bataryalar için 25.9V üretmiştir. Proporosyonel-integra (PI) kontrolörler, invertör anahtarlamalarını yöneterek yüksek kaliteli sinüzoidal çıkışlar elde edilmesini sağlarken toplam harmonik bozulmayı (THD) azaltmaktadır. Direnç yükünde tek fazlı yük gerilimi ve akımı %0.65419 THD değerine sahiptir. Yük gerilimi ve akımı kök ortalama kare (RMS) değerleri sırasıyla 217.3617 (V) ve 3.1052 (A) olarak hesaplanmıştır. R yüküne bağlandığında, üç fazlı invertör devresi yük gerilimi ve akımı için %1.5146 THD sağlamaktadır. Yük gerilimi ve akımı RMS değerleri sırasıyla 218.4261 (V) ve 2.1843 (A) olarak ölçülmüştür. RL yükü ile yük gerilimi için %1.5969 ve yük akımı için %1.2905 THD değerleri elde edilmiştir. Bu durumda yük gerilimi ve akımı RMS değerleri sırasıyla 214.201 (V) ve 2.0916 (A) olmuştur. Simülasyonlar, enerji ihtiyaçlarını karşılamak ve güç kaynağını sürdürmek için yenilenebilir kaynakların başarılı bir şekilde entegre edildiğini göstermektedir. Yukarıdaki çözümler, yenilenebilir enerjiyi verimli bir şekilde kullanmakta ve şebekeye entegre olmaktadır. Sonraki bölümde, yenilenebilir enerji uygulamaları için özel olarak geliştirilen asimetrik 49 seviyeli kademeli bir invertörün tasarımı ve performansı incelenmiştir. İnvertörün çalışması üç farklı senaryo altında analiz edilmiştir: per-unit voltaj oranı (1:2:7:14) ile yapılandırılmış DC batarya kaynaklarının kullanımı, gerçek voltaj seviyelerine sahip DC bataryaların kullanımı (40:80:280:560 V), ve DC kaynaklarının fotovoltaik (PV) modüllerle değiştirilmesi. Simülasyon sonuçları, invertörün yüksek kaliteli sinüzoidal çıkış gerilimi ve akımı dalga formları üretmedeki üstün yeteneğini ve önemli ölçüde düşük harmonik bozulmasını göstermektedir. Son olarak, yenilenebilir enerji sistemleri için özel olarak tasarlanmış 343 seviyeli asimetrik bir kademeli invertör sisteminin tasarım ve performans yönleri ele alınmıştır. Sistem, (1:2:7:14:49:98) Vdc yapısı kullanılarak eşit olmayan DC kaynak (Vdc) değerlerine dayanarak oluşturulmuş ve 343 seviyeli bir çıkış elde edilmiştir. Simülasyonlar, invertörün yüksek kaliteli sinüzoidal çıkış gerilimi ve akımı üretme performansını geliştirdiğini ve minimum harmonik bozulma ile çalıştığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
his study presents the development of single and three phase Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) inverter circuits for the control of solar panels, wind turbines, and fuel cells, employing maximum power point tracking (MPPT) for efficient energy conversion in DC-DC boost converters. The renewable sources generated outputs of 310V photovoltaic (PV), 60V wind turbine, 215V fuel celland 25.9V batteries. Proportional-integral (PI) controllers ensured high-quality sinusoidal waveforms with minimal total harmonic distortion (THD). ForRload, the single-phase THD=0.65419%, with a load voltage of 217.3617V and a load current of 3.1052A. For three-phase R loads, the THD=1.5146%, with a voltage of 218.4261V and a current of 2.1843A. Under RL load conditions, THDvo=1.5969%, THDio=1.2905%, the load voltage was 214.201V, and the load current was 2.0916A. Simulation results demonstrate the effective integration of renewable energy sources to meet energy demands and ensure a stable power supply under varying load conditions.The study further explores the design and performance of an asymmetrical 49-level cascaded inverter tailored for renewable energy applications. The inverter was tested under three configurations: per-unit voltage ratios (1:2:7:14), actual voltage ratios (40:80:280:560 V), and PVmodules. Simulation results reveal high-quality sinusoidal waveforms with minimal harmonic distortion. In the per-unit configuration, the inverter achieved VoRMS=16.9719 V, IoRMS=1.0569 A, THDvo=0.71216% and THDio=0.093319%. For actual voltage levels, VoRMS=679.0492 V, IoRMS=4.265 A, THDvo=0.71227% and THDio=0.16719%. with PV modules, VoRMS=692.7293 V, IoRMS=43.1367 A, THDvo=1.2926% and THDio=0.33963%. These findings underscore the inverter's efficiency and versatility in producing high-quality power output, making it a valuable solution for renewable energy systems and industrial applications.Finally, the study examines a design and performance aspects of a 343-level asymmetrical cascaded inverter system specially designed for renewable energy systems are presented. The inverter's operation is analyzed under three distinct configurations. The system is built based on unequal DC source (Vdc) values using the structure (1:2:7:14:49:98) to get 343-level on the output. The Vdc is set in the first case equal to 1V as a per unit, and equal to 40V as an actual voltage value (40:80:280:560:1960:3920). In the third case the DC sources are replaced with PV modules. The simulations reveal that the inverter provides improved performance in producing high quality sinusoidal output voltage and current waveforms with minimal harmonics. With the per-unit voltage case, the inverter achievesVoRMS=120.9316V, IoRMS=3.7178A, THDvo=0.32422% andTHDio=0.22506 %. While with actual voltage values, the results set an output of VoRMS=4838.7577V and IoRMS=6.7445A with THDvo=0.32414% and THDio=0.25682%. For the PV modules configuration, the inverter records VoRMS =4827.9768V and IoRMS =148.4073A with THDvo=0.90328% and THDio=0.54142%. These results show the flexibility of the inverter to deliver an enhanced power output with low harmonic distortion and the suggested inverter has significant potential for use in modern renewable energy systems and industrial applications.
Benzer Tezler
- Design of a novel asymmetric twenty-one level inverter topology
Yeni bir asimetrik yirmi bir seviyeli evirici topolojisi tasarımı
MUAMMER YALÇİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİN ÖZÇIRA ÖZKILIÇ
- Bölge ve sektör tespitinde yapay sinir ağları kullanan uzay vektör darbe genişlik modülasyon kontrollü kaskat bağlı üç seviyeli evirici tasarımı
Design of cascaded three-level inverter with space vector pulse width modulation using artifical neural network in region and sector determination
AYŞE KOCALMIŞ BİLHAN
Doktora
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT SÜNTER
- Design a multilevel inverter fed by renewable energy sources
Yenilenebilir enerji kaynaklarıyla beslenen çok seviyeli invertör tasarımı
AHMED YASEEN HAMAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERSAGUN KÜRŞAT YAYLACI
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAKAN KHALİL ANTAR
- Motosiklet radyal lastiğinin sürdürülebilir üretimi için bilgisayar destekli tasarımı ve simülasyonu
Motorcycle for the production of computer aided design and simulation of sustainable radial tire
ÖMER ŞENGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KURT
- Sige HBT prosesinde yüksek performanslı X-bant PIN diyot tasarım ve benzetimi
Design and simulation of a high performance X-band PIN diode in sige HBT process
ENES CESUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TANGEL