Tek fazlı şebeke bağlantılı eviricilerin döngü içi donanım (HIL) tabanlı gerçek zamanlı kontrolü
Hardware in the loop (HIL) based real time control of single-phase grid connected inverters
Yazar: TOLGANAY ORYNBASSAROVA
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KARABACAK
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Darbe genişliği modülasyonu = Pulse width modulation ; Faz kilitli döngü = Phase locked loop ; Gerilim kontrolü = Voltage control ; Gerçek zaman analizi = Real time analysis

Özet:
Günümüzde, yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı küçük ve orta güçlü santrallerin elektrik dağıtım sisteminin entegrasyonuna yeniden odaklanılmaktadır. Güneş enerjisi, en hızlı büyüyen yenilenebilir enerji türüdür ve Foto Voltaik (FV) paneller aracığıyla doğrudan DA elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Fotovoltaik sistem genel olarak fotovoltaik panel DA/DA dönüştürücü, batarya, evirici ve transformatörden oluşabilmektedir. Küçük güçlü (<3 kVA) yerleşim birimlerinde çoğunlukla tek fazlı dağıtım sistemi ile hizmet verilir ve fotovoltaik paneller ile tek fazlı şebeke arasında arayüz oluşturmak için genellikle tek fazlı Gerilim Kaynaklı Eviriciler (GKE) kullanılır. Şebekeye aktarılan eviricinin çıkış akımını kontrol etmek ve fotovoltaik panel ile şebeke arasındaki güç akışını dengelemek için kapalı çevrim kontrol uygulanmalıdır. Bu tez çalışmasında, tek fazlı şebeke bağlantılı eviricide uygulanan kontrol yöntemleri incelenmiş ve dq eksen tabanlı kontrol yöntemine odaklanılmıştır. Eviricinin çıkış geriliminin genliğini ve frekansını kontrol etmek için sinüzoidal Darbe Genişlik Ayarı (DGA) kullanılmıştır. Anahtarlama amacıyla yaygın olarak kullanılan sinüzoidal DGA yöntemlerinden çift kutuplu ve tek kutuplu DGA anahtarlama teknikleri incelenmiştir. Gerçekleştirilen benzetim çalışmaları sonucunda, evirici çıkış akımının harmonikleri ve ripple değerleri açısından, tek kutuplu DGA tekniğinin çift kutuplu DGA tekniğine göre daha etkili olduğu görülmüştür. Zaman gecikmesinin pade yaklaşımı ile modellenmesinde, yaklaşım derecesinin doğruluğa etkisi de araştırılmış ve 4. dereceden pade yaklaşımı ile gerçek zaman gecikmesinin yüksek doğrulukta temsil edilebildiği anlaşılmıştır.   
Şebeke geriliminin faz ve frekans bilgilerini üretmek için Faz Kilitlemeli Döngü (FKD) tekniği kullanılmıştır. T/4 gecikmeli FKD ve SOGI tabanlı FKD teknikleri uygulanmış ve aralarında karşılaştırma yapılmıştır. Güç akışını dengelemek amacıyla sistemin DA-bara gerilimini kontrol etmek için oransal-integral (PI) denetleyiciler kapalı çevrim kontrolde kullanılmıştır. Akım kontrolü senkron referans (dq) eksenlerinde PI tabanlı gerçekleştirilmiştir. Gerçek zamanlı çalışma için Denetimci-Döngüde Donanım (D-DD) yöntemi kullanılmıştır. HIL donanımı, saatler süren bilgisayar simülasyonlarını gerçek zamanlı şekilde yapabilmekte ve deneysel uygulamayı hassas şekilde taklit edebilmektedir. Sonuç olarak, güç elektroniği dönüştürücülerinin donanım ve kontrol açısından tasarımında, HIL kullanımının çok etkili olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
Nowadays, there is a need to address the integration of power plants (low and medium power) based on renewable energy sources into the electricity distribution system. Solar energy is the fastest growing type of renewable energy and is converted directly into DC electrical energy through photovoltaic (PV) panels. In general, the photovoltaic system consists of photovoltaic panel, DC/DC converter, battery, inverter, and transformer.  Low powered (<3kVA) residential units are mostly serviced by a single-phase distribution system, and a single-phase Voltage Source Inverter (VSI) is often used to make an interface between photovoltaic panels and single-phase grid. Closed-loop control should be used to control the output current of the inverter transferred to the grid and in order to balance power flow between the photovoltaic panel and the grid. In this study, control methods applied to the single-phase grid-connected inverter were generally examined, with a particular focus on the dq axis-based control method. Sinusoidal Pulse Width Modulation (PWM) was used to control amplitude and frequency of inverter output voltage. In this context, bipolar and unipolar PWM switching techniques were researched. As a result of the simulation studies, it has been observed that unipolar PWM technique is more effective in comparison with bipolar PWM technique in terms of harmonics and ripple values of inverter output current. In modeling time delay by way of pade approximation, effect of approximation degree on the accuracy was also studied, and it was understood that time delay could be represented with high accuracy using the 4th order pade approximation.
Phase Locked Loop (PLL) technique was used to track phase and frequency of the grid voltage. T/4 delay PLL and SOGI-based PLL techniques were applied, and a comparison was performed between both results. A Proportional-Integral (PI) controller has been used to stabilize DC-bus voltage and, in turn, balance the power flow, in the closed loop system. So, PI-based closed loop current control has been applied to synchronous (dq) axes. The Controller-Hardware in the Loop (C-HIL) method was used for real-time experiments. HIL equipment (Typhoon HIL 402) can perform PC simulations taking hours in real time (in a very short time) and accurately emulate experimental applications. As a result, it has been understood that using HILs in the design of power electronics converters and their controllers is very effective.