Yenilenebilir Enerji Tabanlı Şebekeden Bağımsız Akıllı Enerji Sisteminin Tasarım ve Denetimi
Design and Control of Renewable Energy Based Off-Grid Smart Energy System
Yazar: CEM MORKOÇ
Danışman: PROF. DR. UĞUR YÜZGEÇ
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Enerji = Energy
Dizin: Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de artan enerji ihtiyacının tükenir ve oldukça fazla çevresel olumsuz etikleri bulunan fosil tabanlı enerji kaynakları tarafından karşılanma oranı giderek azalmaktadır. Buna karşın, enerji depolama sistemleri destekli geliştirilen birliktelikler ile YEK'lerin kullanım yaygınlığı da giderek artmaktadır.
Bu tez çalışmasının amacı gerek coğrafi ve fiziki şartlar gerekse ekonomik nedenlerden dolayı ihtiyaç duyulabilecek YEK tabanlı, şebekeden bağımsız, enerji depolama sistemleri ile desteklenen, bir enerji sisteminin tasarlanması ve bu enerji sisteminin, gömülü kod üretimi yöntemi ile geliştirilen akıllı algoritmalar kullanılarak denetiminin sağlanmasıdır. Bu amaç doğrultusunda, bir şebekeden bağımsız DC enerji yönetim sisteminin tasarımı, benzetimi ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. YEK tabanlı enerji yönetim sistemi; PV paneller tercih edilerek oluşturulmuş bir enerji üretimi birimi, bataryalar tercih edilerek oluşturulmuş bir enerji depolama ve destek birimi ve yük biriminden meydana gelmektedir. Gerek bu birimlerin iç denetimleri gerekse bu birimler arasındaki enerji akışı ve yük talebinin kararlı ve sürekli bir şekilde karşılanmasının sağlanabilmesi için güç devreleri ve denetleme algoritmaları geliştirilmiştir. Bu güç devreleri ve denetleme algoritmaları, enerji üretimi birimi için PV panellerin MGNT denetimini gerçekleştirirken enerji depolama ve destek birimi için ise şarj veya deşarj denetimlerini gerçekleştirmektedir. Tüm bu denetimler için bulanık mantık ve bulanık mantık PID denetleyicili olmak üzere iki farklı denetleme algoritması geliştirilmiştir. Birimler arasındaki enerji akışı için kilit rol oynayan bataryaların SoC verisinin belirlenebilmesi için de ayrıca bir algoritma geliştirilmiştir.
Tasarlanan enerji yönetim sistemi için gerekli akım ve gerilim değerlerinin elde edilebilmesi için kullanılan ADC örnekleme frekansı ve denetim için kullanılan DC-DC dönüştürücülerin anahtarlama frekansı 10 KHz olarak belirlenmiştir. Enerji yönetim sisteminin benzetim çalışmaları için PSIM yazılımı, uygulama çalışmaları için ise Texas Instruments firmasının ürettiği TMS320F28335 sayısal sinyal işlemcisi kullanılmıştır.
Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen YEK tabanlı enerji yönetim sisteminde, enerji üretimi, enerji depolama ve destek birimleri ve sisteme bağlanacak yük(ler)in farklı durumları için yedi farklı sistem çalışma durumu belirlenmiştir. Gerek sistemin gereksinimleri doğrultusunda anlık çalışma durumlarının değişimi gerekse ilgili çalışma durumunun gereksinimleri doğrultusunda DC-DC dönüştürücülerin anahtarlama sinyallerinin denetimi, geliştirilen denetim algoritmaları tarafından otonom olarak gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In our country, as in the whole world, the rate of meeting the increasing energy need by fossil-based energy sources, which are exhausted and have a lot of negative environmental effects, is gradually decreasing. On the other hand, the prevalence of RES's usage is increasing with the collaborations developed with the support of energy storage systems.
The aim of this thesis is to design an energy system based on RES, off grid, supported by energy storage systems that may be needed due to geographical, physical conditions and economic reasons, and to control this energy system using smart algorithms developed with the embedded code generation method. For this purpose, the design, simulation and implementation of an off-grid DC energy management system has been carried out. RES based energy management system; It consists of an energy production unit formed by choosing PV panels, an energy storage and support unit formed by choosing batteries, and a load unit. Power circuits and control algorithms have been developed in order to ensure that both the internal controls of these units and the energy flow between these units and load demand are met in a stable and continuous manner. These power circuits and control algorithms perform the MPPT control of the PV panels for the power generation unit, and charge or discharge controls for the energy storage and support unit. For all these controls, two different control algorithms, fuzzy logic controller-based and fuzzy logic PID controller-based, have been developed. An algorithm has also been developed to determine the SoC data of the batteries, which play a key role in the energy flow between the units.
The ADC sampling frequency and the switching frequency of the DC-DC converters used for the control of the system were determined as 10 KHz. PSIM software was used for the simulation studies of the energy management system, and the TMS320F28335 digital signal processor produced by Texas Instruments was used for the application studies.
In the RES-based energy management system developed within the scope of this thesis, seven different system operating states have been determined for different states of energy production, energy storage and support units and the load(s) to be connected to the system. The control of the switching signals of DC-DC converters is carried out autonomously by the developed control algorithms, both in line with the requirements of the system and in line with the requirements of the relevant operating state.