Hibrit mikro şebekelerde zeki algoritmalar ile güç kalitesinin iyileştirilmesi
Improving power quality with intelligent algorithms in hybrid microgrids
Yazar: KEMAL ÇELİK
Danışman: PROF. DR. MEHMET DEMİRTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Geleceğin şebeke yapıları olan mikro şebekeler yenilenebilir enerji kaynaklarının çeşitliliği, talep yönetimi, enerji verimliliği ve iletim kolaylığı gibi avantajlarından dolayı birçok araştırmacının ilgi odağındadır. Son dönemde elektrikli araçlar gibi DA yüklerin artmasıyla hibrit mikro şebeke yapıları önem kazanmıştır. Mikro şebekelerin ada modu çalışma gereklilikleri ve mikro şebekelerde enterkonnekte şebekenin sahip olduğu atalet kapasitesinin bulunmaması, bu şebekelerin kararlı çalışmasını etkilemektedir. Ayrıca bu yapıların büyük olması ve çok parçadan oluşması, yerel optimum çalışma ve küresel optimum çalışma şartları arasındaki farkı arttırır. Bu çalışmada, ada modunda çalışan mikro şebekenin, küresel optimum çalışma şartlarını iyileştirmek için hibrit AA/DA bir mikro şebeke tasarlanmıştır. DA barada güneş paneli grubu, batarya enerji depolama sistemi ve dönüştürücüleri yer almaktadır. AA barada ise rüzgâr türbini ve şebeke besleyen evirici, DA bara enerjisini aktarmak için bir şebeke oluşturan evirici ve AA yükler yer almaktadır. Tüm yapının kararlı çalışabilmesi için algoritmalar ve yönetim sistemleri yazılımları ile ara bağlantı parçaları adım adım tasarlanmıştır. Tasarlanan sistemde DA barada, güneş panellerinin maksimum güç noktası takibi için değiştir-gözle yöntemi tabanlı, parametreleri vektörlerin ağırlıklı ortalaması (INFO) algoritması ile ayarlanmış, doğrusal olmayan oransal-integral (N-PI) denetleyicisi önerilmiştir. Bunun için öncelikle sistem üzerinde INFO algoritması, tilkilerden ilham alan (FOX), fındıkkıran kuşundan ilham alan (NOA), Çernobil felaketinden ilham alan (CDO) ve eski savaş stratejilerinden ilham alan (WSO) optimizasyon algoritmaları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca önerilen maksimum güç noktası takibi klasik PI kontrol ile karşılaştırılarak üstünlüğü gösterilmiştir. AA bara için düşüş kontrol yöntemi tabanlı, parametreleri geniş çapta INFO algoritması ile ayarlanan, N-PI denetleyicisi önerilmiştir. Yapılan benzetim çalışması vaka analizlerinde, mikro şebekenin çalışabileceği tüm koşullarda, gerilim kararlılığı sağlanmıştır. Sonuç olarak mikro şebekenin darbe değişim koşullarında, sistemin güç kalitesi sınırları içerisinde kaldığı, ayrıca hızlı ve kararlı dinamik davranış sergilediği doğrulanmıştır.

Abstract:
Microgrids, which are considered as future grid structures, have attracted significant attention from researchers due to their advantages such as the diversity of renewable energy sources, demand management, energy efficiency, and ease of transmission. In recent times, the increase in DA loads, such as electric vehicles, has emphasized the importance of hybrid microgrid structures. The operational requirements in island mode of microgrids and the lack of inertia capacity in the interconnected network of microgrids affect their stable operation. Additionally, the size and complexity of these structures increase the difference between local optimum operation and global optimum operation conditions. In this study, a hybrid AC/DC microgrid operating in island mode is designed to improve the global optimum operating conditions of the microgrid. The DC bus includes a solar panel array, a battery energy storage system, and converters. The AC bus, on the other hand, includes a wind turbine and a grid feeding inverter, a grid forming inverter to transfer DC bus energy, and AC loads. Algorithms and management system software, as well as intermediate connection components, are systematically designed for the stable operation of the entire structure. For the DC bus in the designed system, a non-linear proportional-integral (N-PI) controller with a perturb-observe method-based whose parameters tuned with weighted mean of vectors (INFO) algorithm, is proposed for maximum power point tracking of solar panels. Initially, the INFO algorithm is compared with optimization algorithms inspired by foxes (FOX), nutcracker birds (NOA), Chernobyl disaster (CDO), and ancient warfare strategies (WSO) on the system. Additionally, the superiority of the proposed maximum power point tracking is demonstrated by comparing it with classical PI control. For the AC bus, a drop control method-based N-PI controller whose parameters tuned with the INFO algorithm is proposed. In simulation studies and case analyses, voltage stability is ensured under all conditions in which the microgrid can operate. As a result, it is confirmed that the microgrid stays within the power quality limits and exhibits fast and stable dynamic behavior under transient conditions.