Dağıtık üretim kaynakları için model öngörülü kontrol yöntemi ile yeni bir DA/DA çevirici tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a novel DC/DC converter using model predictive control method for distributed generation sources
Yazar: NAKİ GÜLER
Danışman: PROF. DR. ERDAL IRMAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Rüzgâr türbinleri ve güneş panelleri gibi yaygın kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintili üretimleriyle ilgili zorluklar, güç akışı kontrolü için dönüştürücülerin kullanılmasını gerektirmektedir. Ayrıca, yükler bu kaynaklardaki kesintili üretimden olumsuz etkilenmektedir. Bu sorunu çözmek için genellikle ikinci bir enerji kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. Kaynakların birlikte çalışabilirliğini sağlamak için çok girişli çeviriciler, farklı güç akışı gerektiren baralar veya farklı gerilim seviyelerinde çalışan yüklerin bulunduğu sistemlerde ise çok çıkışlı çeviriciler kullanılmaktadır. Sunulan bu tez çalışmasında, bir veya iki giriş kaynağından iki farklı yükü beslemek ve kesinti durumlarında kaynak geçişlerini sağlamak için çok-giriş çok-çıkışlı ve tek-giriş çok-çıkışlı topolojiler bir DA/DA çeviricide birleştirilmiştir. Giriş kaynaklarına bağlı olarak güç akışını yönetmek için, iki katmanlı klasik yükselten çeviriciye anahtarlar eklenmiştir. Anahtar konumları, kaynak gerilimlerine bağlı bir algoritma ile kontrol edilmiş ve çeviricinin çalışma tipi otomatik olarak belirlenmiştir. Çeviricinin katman akımlarını bağımsız olarak kontrol etmek için, dönüştürücüye model öngörülü kontrol yöntemi uyarlanmıştır. Geliştirilen çeviricinin çalışma durumlarını ve kontrol yöntemini doğrulamak için benzetim ve uygulama çalışmaları yapılmıştır. Sonuçlar, çeviricinin bir veya iki giriş kaynağında üretilen gücü yüklere başarıyla aktarabildiğini, çevirici katman akımlarının model öngörülü yöntem ile bağımsız olarak kontrol edilebildiğini ve yöntemin hızlı ve kararlı bir dinamik davranış sergilediğini doğrulamıştır. Durum geçiş analizleri, geliştirilen modelin kaynak gerilimlerine bağlı olarak tek-giriş çok-çıkış ve çok-giriş tek-çıkış arasında çalışma durumunu otomatik olarak değiştirebildiğini göstermiştir. DA taraf analizlerine ek olarak, AA ile çalışan yükleri beslemek için 3 fazlı ve 3 seviyeli nötr kenetlemeli evirici tasarlanmıştır. Böylece, çeviricinin tüm çalışma durumları ve kontrol yapıları, farklı tipte yüklerde test edilmiş ve doğrulanmıştır. Ayrıca, toplam harmonik bozulma sonuçları, bozulmaların standartlarda belirtilen sınırın altında olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Some difficulties arising from intermittent generations of widely used renewable energy sources such as wind turbines and solar panels, require the use of converters for power flow control. Moreover, loads are also adversely affected from power interruptions originated from these sources. A second energy source is usually needed to solve these problems. In this case, while multi-input converters are used to ensure the interoperability of input energy sources, multi-output ones are used in systems those have buses requiring different power flows or consist of loads requiring different voltage levels. In this thesis, multi-input multi-output and single-input multi-output topologies are combined in only one DC/DC converter to feed two different loads from one or two input sources and to provide resource transitions in case of interruptions. In order to manage the power flow depending on the input sources, switches are added to the two-layer classical boost converter. The switch positions are controlled by an algorithm based on the input voltages and the operation type of the converter is determined automatically. The model predictive control method is adapted to the converter to independently control its layer currents. Simulation and experimental studies are carried out to verify the control method and operating modes of the proposed converter. Results show that the converter is able to successfully transfer the generated power from one or two input sources to the loads,  and its  layer currents can be independently controlled thanks to the model predictive method because of its fast and stable dynamic behavior. Moreover, state-transition analysis verified that the developed model can automatically change its operating status between single-input multi-output and multi-input single-output depending on the source voltages. In addition to the converter design, a 3-phase and 3-level neutral point clamped inverter is designed to feed the loads that are operating with AC. Thus, all operating conditions and control structures of the system are tested and verified in different types of loads. Besides, the results of total harmonic distortion show that the distortions are lower than specified limit in standards.