Şebeke ile senkron çalışmada çok seviyeli güç elektroniği devreleri üzerinden okyanus dalga enerjisinin dönüştürülmesinin matematiksel modellemesine katkılar
Contributions to the mathematical modelling of the ocean wave energy conversion through multilevel power electronics converters for on-grid operation
Yazar: İLKNUR ÇOLAK
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Son yıllarda dünyadaki enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla yapılan çeşitli araştırmalar içinde yer alan dalga enerjisinden yararlanma fikri, günümüz koşullarında her geçen gün daha da önem kazanmaktadır. Son yarım asırdır artan petrol krizi ile birlikte doğal enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretimi popüler hale gelmiş ve dünya genelindeki pek çok ülkenin 2030 yılı itibariyle karbondioksit ve benzeri diğer zehirli gazların emisyonunu %50'ye düşürme hedefleri sayesinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması zorunlu hale gelmiştir. Güneş ve rüzgar enerjisine kıyasla 
kendine küçük de olsa bir yer edinen dalga enerjisi, konunun karmaşıklığı, üretiminin zor olması ve uygun uygulama alanı bulma konusundaki zorluklar nedeniyle halen prototip safhasını aşıp, ticari boyut kazanamamıştır. Dalga enerjisinden elektrik enerjisi üretimi konusunda yapılan çalışmalarda gelişmiş güç elektroniği topolojilerinin ve kontrol yöntemlerinin uygulanması konusunda geniş çaplı araştırmalar yapılmamıştır. Bu nedenle bu tez çalışmasında ilk olarak dalga enerjisinden Wells türbini yardımıyla elektrik enerjisi üretiminin matematiksel analizi yapılmıştır. Sistemin ve sistem bileşenlerin ayrık ve bütünleşik matematiksel modelleri elde edilmiştir. Dalgadan elde edilen enerjinin şebekeye aktarılması için üç seviyeli aktif doğrultucu ve üç seviyeli evirici kullanılmış ve sistem kapalı modellenmesi benzetim ortamında gerçeklenmiştir. Denizdeki rüzgar dalgalarının enerjisi dağıtım ağındaki elektriğe dönüşene kadar, genel olarak dört aşamadan geçer. İlk aşamada, dalgadaki enerjiyi bir mekanik harekete dönüştürmek gerekir. Ortaya çıkan bu mekanik enerji, denizdeki dalgaların karakteristiği gereği, büyük genlikli, düşük hızlı hareketlerdir. İkinci aşamada 
mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi gerekir. Şebekede kullanıma uygun olmayan bu enerjinin, sabit frekans ve sabit genlikli gerilime dönüştürülmesi gerekir. Elektrik üretimine uygun hızlara getirilmiş hareketten elektriğin üretilmesi ve üretilen elektriğin dağıtım şebekesine aktarılabilecek kaliteye getirilmesi de üçüncü aşamada çözümlenir. Son aşamada ise üretilen elektriğin, özellikle çok sayıda birimden oluşan sistemlerde, genel dağıtım ağı ile entegre edilmesi söz konusudur. Dalga enerjisinden enerji üretimi konusundaki en büyük zorluklardan biri olan dalga 
dönüşüm tipinin belirlenmesi ve belirlenen sistemin hidrolik ve pnömatik çevrim analizlerinin yapılarak sistem matematiksel modellemesinin gerçekleşmesidir. Bu çalışmada dalga enerjisi çevrim sistemi için salınımlı su kolonu (OWC) sistemi kullanılmış ve pnömatik enerjinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi için de en basit ve güvenilir kendinden doğrultmalı hava türbini olan Wells türbini kullanılmıştır. Türbin/generatör grubunun çıkışındaki gerilimin doğrultulmasında kullanılan aktif doğrultucu, üç fazlı, üç seviyeli ortadan kenetlemeli çevirici (3L-AFE) topolojisi olup, çevirici sinüs biçimli darbe genlik modülasyonu (SPWM) metodu ile kontrol edilmiştir. Doğrultucunun çift yönlü akım akıtma yeteneğine sahip olması sayesinde, generatörden çekilen reaktif gücün kontrolü, toplam harmonik akım kompanzasyonu, generatörün ilk kalkış anındaki tahrik geriliminin sağlanması mümkün olmaktadır. Doğru gerilimin alternatif gerilime çevrilmesinde kullanılan ve gerilim kaynağı olarak çalıştırılan üç seviyeli evirici (3L-NPC), güç elektroniği uygulamalarında henüz çok yeni bir kontrol yöntemi olan üç seviyeli NTV-SV-PWM (nearest three vector - space 
vector - pulse width modulation) metodu ile kontrol edilmiştir. Uzay vektör modülasyon yöntemi gerilimin daha geniş bir aralıkta kontrol edilmesini sağlarken aynı zamanda cıkıştaki harmoniklerin düşürülmesinde onemli rol oynamaktadır. Bu 
çalışmada amaç farklı disiplinlerdeki yenilikleri bir araya getirerek yenilenebilir enerji kaynakları uygulamalarına yenilikçi bir açısı ile özgün bir katkıda bulunmaktır. Uzay vektör modülasyon yöntemi, ölçülen anlık referans vektöre en yakın üç vektörün belirlenmesi ve yarı iletken anahtarların bu vektör değerlerini oluştururken anahtarlama kayıplarını en düşük seviyede tutacak sıra ve sürede (dwell time) uygulanmasına dayanır. Bu yöntem ile evirici anahtarlama kayıpları minimunda turulurken evirici çıkışının şebeke gerilimine senkronize edilmesi de sağlanmış olur. Doğru gerilim barasının kontrolünde vektörlerin büyüklüklerindeki ve açılarındaki sapma ve doğru gerilim barası orta noktasının akım yönü bilgisi kullanılır. Bu bilgilere göre anahtarların anahtarlama sırasının önceden kestirimi yapılır ve bir veri arama 
tablosu (look-up table) oluşturulur. Bu sayede kontrol döngülerinin azaltılması ve sistem cevabının hızlandırılması sağlanmış olur. Aynı doğru gerilim barası ile birbirine bağlı üç seviyeli aktif doğrultucu ve üç seviyeli eviricinin görev dağılımları aşağıdaki gibidir. 
Aktif doğrultucu: 
-Alternatif gerilimin doğru gerilime çevrilmesi 
-Doğru gerilim barasının gerilim değerinin sabit tutulması 
-Çift yönlü akım geçişinin sağlaması (S-PWM kontrolü) 
-Akım harmoniğinin düşürülmesi 
-Doğrultucunun alternatif gerilim uçlarında üç seviyeli faz arası gerilimlerinin 
oluşturulması 
-Alternatif gerilim girişinden sinüzoidal akım çekerek güç faktörünün bire 
yakın tutulması 
Üç seviyeli evirici: 
-Doğru gerilimin alternatif gerilime çevrilmesi 
-Çift yönlü akım geçişinin sağlaması (NTV-SV-PWM kontrolü) 
-Akım harmoniğinin düşürülmesi 
-Gerilim harmoniğinin düşürülmesi 
-Doğru gerilim barası nötr noktasının kontrolü 
-Çıkış geriliminin şebekeye senkron çalıştırılması 
Bu çalışmada salınımlı su kolonu (OWC), Wells türbini, senkron generatör, doğrultucu ve eviriciden oluşan dalga enerjisinden elektrik enerjisine dönüşüm sisteminin tekil matematiksel modellemesi detaylandırılmış ve karmaşık girişli, karmaşık sistemin bütünleşik matematiksel modellerine katkıda bulunacak sonuçlar elde edilmiştir. Dalgalardan elektrik enerjisi üretimi konusuna duyulan ilgi dünya genelinde artmakta olup, çalışmalar henüz yeni yaklaşımlar üretmek düzeyindedir. Bu nedenle bu tez çalışmasının sonuçları ciddi bir dalga enerjisi potansiyeline sahip olan Türkiye'nin 
enerji politikalarının başarısı ve bu konuda uluslararası platformlarda yer edinmesi açısından büyük önem taşınmaktadır. Ayrıca bu proje Türkiye'nin yenilenebilir enerji konusundaki antlaşmalarda üstlendiği yükümlülüklerin yerine getirilmesi açısından da katkı sağlamaktadır.

Abstract:
In the recent years, there is an increasing research trend on the wave energy conversion to fulfill the energy requirements all around the world. With the increasing oil crisis in the last half century, the generation of electrical energy from natural energy sources has become popular and the use of renewable energy sources has become mandatory, 
thanks to the targets of many countries around the world to reduce the emission of carbon dioxide and other green energy gases to 50% by 2030. Wave energy, which has a very small portion in the industry compared to solar and wind energy, couldn't improve enough due to complex structure of the system, difficulty of the production and the difficulties in finding a suitable application area. Therefore this technology has still not passed the prototype stage and did not have enough progress to become a commercial equipment that can be widely used. In studies on the generation of electrical energy from wave energy, there are not extensive researches or applications where the advanced power electronics topologies and the control methodologies are used for the wave energy conversion. For this reason, in this thesis, firstly, the wave energy characteristics are analysed and a mathematical model is generated to simulate the power extraction from wave energy. Discrete and integrated mathematical models of the system and its components were 
obtained. Following that, three-level active rectifier (3L-AFE) and three-level inverter (3L-NPC) are used to transfer the energy obtained from the wave to the grid, and the closed modeling of the system is implemented in the simulation environment. The wave energy goes through four stages before is converted into electricity in the distribution network. In the very first step, it is necessary to convert the wave energy into mechanical motion. This resulting mechanical energy is high amplitude, low speed movements due to the characteristics of waves in the sea. In the second step, this 
slow mechanical movement needs to be converted into electrical energy. This energy, which is not suitable for use in the network, needs be converted to a constant frequency and constant amplitude voltage. Therefore in the third step there needs to be a power conversion system which converts the irregular waveforms into sinusoidal voltage waveforms. In the last stage, the produced electricity is synchronised with the distribution network to comply the grid quality requirements. One of the biggest difficulties in energy generation from wave energy is to determine the wave conversion type and to perform the mathematical modeling of the system by performing hydraulic and pneumatic cycle analyzes of the determined system. In this research, the oscillating water column (OWC) system was used for the wave energy 
conversion system and the Wells turbine, which is the simplest and most reliable selfdirecting air turbine, was used for the conversion of pneumatic energy into mechanical energy. The output voltage of the turbine/generator group is converted to a DC voltage by using a three-phase, three-level neutral-point clamped rectifier (3L-AFE) which is used as a voltage source in this application. In this application the converter is controlled by the sinusoidal pulse amplitude modulation (SPWM) method. . Thanks to the ability of the rectifier to flow current in two directions, it is possible to control the reactive power drawn from the generator, compensate for the total harmonic current, and provide the drive voltage at the first start of the generator. Three-level inverter (3L-NPC) is used in the conversion of direct voltage to alternating voltage and operated as a voltage source converter where the control of the inverter is realized with three level NTV-SV-PWM (nearest three vector - space vector - pulse width modulation) method, which is still very new control method in power electronics applications. While the space vector modulation method enables the voltage to be 
controlled in a wider range, it also plays an important role in reducing the harmonics at the output voltage. By applying this methodology to this system, it is aimed to combine different engineering disciplines into same application and bring a new and sophisticated approach to the renewable energy applications. The space vector modulation is a control method where the three space vectors which are defined as closest vectors to the measured instantaneous reference vector and used to generate the same amplitude of the reference vector. To have minimum switching losses on the semiconductors these three vectors are applied in a proper order and time (dwell time) while creating the reference vector value. With this method, while the inverter switching losses are kept to a minimum, it is also ensured that the inverter output is synchronized with the utility grid by using PLL (Phase Locked Loop) method. In this application, the voltage deviation on the space vectors' magnitudes and on their angles are estimated based on the DC link current's direction and the voltage difference between the upper and lower DC link capacitors. According to this information, the switching order of the keys is predicted and a look-up table is created. The selection of the three vectors are based on this new vector table and their adjusted dwell times. By using this solution, the control loops and the iterations are decreased and the system response time is increased accordingly. In the closed loop control of the system, the duty duty distributions of the three-level active rectifier and three-level inverter connected to each other with the same DC 
voltage bus are as follows: 
Three Level Active Rectifier: 
-AC to DC voltage conversion 
-Constant DC link voltage 
-Bidirectional current flow (S-PWM control method) 
-Low current harmonic
-Sinusoidal voltage waveform on the generator terminals 
-Unity power factor 
Three Level Inverter: 
-DC to AC voltage conversion 
-Bidirectional current flow (NTV-SV-PWM control method) 
-Low voltage harmonic 
-DC link mid-point balancing 
-Synchronization to utility grid 
In this study, the single mathematical modeling of the wave energy to electrical energy conversion system consisting of the oscillating water column (OWC), Wells turbine, synchronous generator, rectifier and inverter has been elaborated and the results which have an important contribution to an integrated mathematical model of a complex system were achieved. The interest in the production of electrical energy from waves is increasing worldwide, and studies are still at the level of producing new approaches. For this reason, the results of this thesis study are of great importance in terms of the success of Turkey's energy policies, which has a serious wave energy potential, and its place in international platforms in this regard. In addition, this project contributes to the fulfillment of Turkey's obligations under the treaties on renewable energy.