Alternatif enerji kaynakları için şebekeye bağlı düşük harmonikli ve yüksek verimli üç fazlı inverter sisteminin geliştirilmesi
Development of a grid connected three phase inverter system with low harmonics and high efficiency for renewable energy sources
Yazar: EVREN İŞEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AHMET FARUK BAKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde alternatif enerji kaynaklarının kullanımı hızla yaygınlaşmakta ve bu konuda çok sayıda araştırma yapılmaktadır. Alternatif enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depo edilmesi yerine şebekeye aktarılması tercih edilmektedir. Bu kaynaklardan elde edilen enerjinin maksimum seviyede şebekeye aktarılabilmesi için kullanılan dönüştürücü devrelerin yüksek verimle çalışması gerekmektedir. Alternatif enerji kaynağı olarak PV paneller kullanıldığında, PV panellerin verimlerinin düşük olmasından dolayı, inverterin verimi toplam sistem verimi açısından önem kazanmaktadır. DC enerjinin AC enerjiye dönüştürülerek şebekeye aktarılması yüksek güçlü uygulamalarda üç fazlı, düşük güçlü uygulamalarda tek fazlı inverterler ile gerçekleştirilmektedir. Şebekeye bağlı inverterler fotovoltaik (PV) ve rüzgâr türbini (WT) uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.Alternatif enerji kaynaklarından elde edilen enerjiyi şebekeye aktaran dağınık güç üretim sistemlerinde en önemli kısım güç dönüştürücüleri ve bu dönüştürücülerin kontrolüdür. IGBT yarı iletken güç elemanları ile çok yüksek güçlere kadar güç elektroniği dönüştürücülerinin gerçekleştirilmesi mümkündür. Güç dönüştürücüsünün dijital olarak kontrolü genellikle DSP kullanılarak sağlanmaktadır.Bu tez çalışmasında alternatif enerji kaynakları için 10 kW gücünde üç fazlı şebekeye bağlı iki adet inverterden oluşan bir DC/AC dönüştürücü sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemde şebekeye aktarılan akımın THD değeri standartları sağlamaktadır. Sistemde ana inverter gücün büyük bir kısmını şebekeye aktarmakta ve şebekeye aktarılan akımın THD değeri yardımcı inverter yardımıyla iyileştirilmektedir. İnverter çıkışında kullanılan filtre elemanları ağırlık ve maliyet bakımından önemli olduğundan mümkün olan en düşük değerli endüktansların seçilmesi hedeflenmiştir. Ana inverterde uzay vektör darbe genişlik modülasyonu ve yardımcı inverterde histerezis akım kontrol yöntemi kullanılmıştır. Önerilen sistem bilgisayar ortamında matematiksel olarak modellenerek, verim ve THDı açısından uygun anahtarlama frekansı ve endüktans değerleri tespit edilmiştir. Yapılan teorik analizlerin doğrulanması için laboratuar ortamında 10kW gücünde sistemin prototipi gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen paralel inverter sisteminde, nominal çalışmada şebekeye aktarılan akımın THD değeri %3.92 ve sistem verimi %95.7 olarak ölçülmüştür. Önerilen sistem, iki seviyeli bir inverter ile karşılaştırıldığında verimde %1 civarında bir iyileşme olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The utilization of alternative energy sources is rapidly increasing in recent years and many researches are being performed on this subject. It is preferred to transfer the energy obtained from renewable sources to the grid instead of storing. The converter circuits must operate at high efficiency to transfer the maximum energy supplied from the alternative energy sources. The efficiency of the inverter has an importance in the total system efficiency when PV panels are used as an alternative energy sources because of low efficiency of PV panels. Conversion of the DC energy into AC and transferring to the grid is realized with single phase inverters at low power levels and with three phase inverters at high power levels. The grid connected inverters are widely used in photovoltaic (PV) and wind turbine (WT) applications.The most important part of the distributed power generation systems that transfers the energy from alternative energy sources to the grid are power converters and the control of these converters. It is possible to realize power electronics converters at high powers with IGBT semiconductors. Generally, the digital control of the converters is realized with DSP.In this thesis, a three-phase grid connected DC/AC converter system is developed. The system power is 10 kW and it consists of two inverters. The output current of the proposed system meets the THD value specified in the standards. The main inverter transfers most of the power to the grid and the auxiliary inverter improves the THD value of the grid current. It is aimed to select the filter inductance value as small as possible because the output filter inductance of the inverter has an importance in terms of weight and cost. The main inverter is controlled with space vector pulse width modulation technique, and the auxiliary inverter is controlled with hysteresis current control technique. The proposed system is mathematically modeled with computer program, and the optimum switching frequency and inductance values are determined for efficiency and THDı. In order to verify the theoretical analysis and simulation results, a 10kW power laboratory prototype is developed. The THDı value and efficiency of the developed system at nominal output power are measured 3.92% and 95.7%, respectively. It is determined that the proposed system increases the efficiency approximately 1%, in comparison with the two-level inverter.