Güneş panelleri yardımı ile elektrik dağıtım transformatörlerinde güç dengesizliğinin iyileştirilmesi
Mitigation of power unbalance in electricity distribution transformers with the help of solar panels
Yazar: UMUT BOZAVLI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED FATİH ÇORAPSIZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik dağıtım sistemlerinde üç fazlı transformatörler kullanılmaktadır. Bu transformatörlerin fazları arasında işletme esnasında çeşitli sebeplerden dolayı güç dengesizliği meydana gelmektedir. Bu çalışmada bina tipi transformatör merkezlerinin çatısına güneş panelleri tesis edilerek üretilecek enerjinin transformatörün güç dengesizliğinin iyileştirilmesinde kullanılması planlanmaktadır. Yapılacak bu çalışma ile transformatör merkezlerinin çatılarının etkin ve verimli şekilde kullanılması, transformatörlerde güç dengesizliğinin oluşturacağı olumsuzlukların azaltılması ve güneş enerjisi kaynaklı üretilecek temiz enerji ile birlikte karbon salımı olmadan daha fazla temiz enerjinin sisteme verilmesi amaçlanmaktadır.

Çalışmada transformatör merkezinin çatısına yerleştirilecek fotovoltaik (PV) paneller yardımı ile elde edilecek gücün, transformatörün fazları arasındaki dengesizlik oranının azaltılması amacıyla kullanılması planlanmaktadır. Bu amaçla güneş panellerinden maksimum güç elde etmek için maksimum güç noktası takibi (MGNT) devresi kullanılmaktadır. Bu şekilde değişen çevre şartlarına göre paneller azami güç üretimi sağlayacaktır. PV panellerin çıkış gerilimlerinin yükseltilerek istenilen sabit bir değerde evirici girişine verilmesi için DC-DC yükseltici dönüştürücü devresi kullanılmaktadır. Tek fazlı evirici yardımı ile DC-DC yükseltici dönüştürücü devresi çıkışından alınan DC sinyal, AC sinyallere dönüştürülmektedir. Eviricideki yarıiletken anahtarlama elemanları tarafından üretilen harmoniklerin filtrelenmesi için ise evirici çıkışına bir LCL filtre devresi tasarlanmaktadır. Son olarak PV panellerden üretilen enerji, tasarlanan transfer anahtarlayıcısı ve kontrol sistemi (TAKS) tarafından faz dengesizliğine göre uygun olan faza enjekte edilmektedir. Bu aşamada filtre çıkışından alınan sinyalin transformatör faz sinyali ile senkron şekilde çalışabilmesi için faz kilitleme döngüsü (FKD) kullanılmaktadır. Bu sayede üretilen sinyal, transformatörün her üç fazı ile de eşzamanlı olarak çalışabilme yeteneği kazanmaktadır.

TAKS, sistemi sürekli izleyerek fazlar arası dengesizlik oranına göre transfer anahtarlayıcısı yardımı ile enerjinin farklı fazlara aktarılmasını sağlamaktadır.

Erzurum, Ağrı ve Erzincan illerinde bulunan dört adet transformatörden gerçek zamanlı veriler temin edilmiş ve benzetim çalışmaları bu veriler üzerinden gerçekleştirilmiştir. Benzetim çalışması sonuçlarına göre transformatörlerin faz dengesizlik oranlarında sırasıyla %6,44, %11,64, %21,3 ve %25,24 oranlarında iyileşme olduğu görülmüştür.

Benzetim çalışmaları sonucunda; PV paneller sayesinde üretilen güç, sistemde uygun faza aktarılarak transformatörlerdeki güç dengesizliğinin önemli oranlarda azaldığı görülmüştür.

Abstract:
Three-phase transformers are used in electrical distribution systems. Power unbalance occurs between the phases of these transformers for various reasons during operation. In this study, it is planned to use the energy produced by installing solar panels on the roofs of building type transformer centers to improve the power unbalance of the transformer. With this study, it is aimed to use the roofs of transformer centers effectively and efficiently, to reduce the negative effects caused by power unbalance in transformers, and to provide more clean energy to the system without carbon emissions with the clean energy to be produced from solar energy.

In the study, it is planned to use the power obtained with the help of photovoltaic (PV) panels to be placed on the roof of the transformer center to reduce the unbalance ratio between the phases of the transformer. For this purpose, maximum power point tracking (MPPT) circuit is used to obtain maximum power from solar panels. In this way, the panels will provide maximum power production according to changing environmental conditions. DC-DC boost converter circuit is used to increase the output voltages of PV panels and give them to the inverter input at a desired fixed value. With the help of a single-phase inverter, the DC signal received from the output of the DC-DC boost converter circuit is converted into AC signals. In order to filter the harmonics produced by the semiconductor switching elements in the inverter, an LCL filter circuit is designed for the inverter output. Finally, the energy produced from PV panels is injected into the appropriate phase according to phase unbalance by the designed transfer switcher and control system (TSCS). At this stage, phase lock loop (PLL) is used so that the signal received from the filter output works synchronously with the transformer phase signal. In this way, the signal produced gains the ability to work simultaneously with all three phases of the transformer.
TSCS constantly monitors the system and ensures that energy is transferred to different phases with the help of a transfer switcher according to the unbalance ratio between phases.

Real-time data was obtained from four transformers located in Erzurum, Ağrı and Erzincan provinces and simulation studies were carried out on these data. According to the results of the simulation study, it was observed that there was an improvement of 6.44%, 11.64%, 21.3% and 25.24% in the phase unbalances of the transformers, respectively.

As a result of simulation studies; it has been observed that the power produced by PV panels is transferred to the appropriate phase in the system and the power unbalance in the transformers is significantly reduced.