Mikroşebekeler için hiyerarşik enerji yönetim sistemi tasarımı ve uygulaması
Hierarchical energy management system design and implementation for microgrids
Yazar: AHMET KAYSAL
Danışman: DOÇ. DR. SELİM KÖROĞLU ; PROF. DR. YÜKSEL OĞUZ
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikroşebekeler, yenilenebilir enerji kaynaklarının güç sistemlerine entegre edilmesine olanak sağlayarak yerel enerji kaynaklarının doğrudan tüketimi, depolanması ve dağıtımı için bir çözüm sunar. Bu tez çalışmasında, fotovoltaik, rüzgâr türbini, dizel generatör ve enerji depolamalı adalanmış DC mikroşebeke sistemi için hiyerarşik üç seviyeli kontrol yaklaşımına sahip bir enerji yönetim sistemi önerilmiş ve benzetim çalışmaları yapılmıştır. Hiyerarşik üç seviyeli kontrolde birincil kontrol seviyesi, dönüştürücülerin kontrolünü sağlar. İkincil kontrol seviyesi, bara gerilim restorasyonunun sağlanması ve akım paylaşım doğruluğunun eşzamanlı olarak arttırılması için kullanılır. Üçüncül kontrol seviyesinde ise optimum yük paylaşımı gerçekleştirilerek üretim maliyetlerinin en aza indirilmesi amaçlanır. Bu kontrol yapısının işletilmesinde, hibrit sistemin enerji talebini değişken yük koşulları altında otonom ve optimum şekilde yönetecek bir strateji önerilmiştir. Enerji yönetim sisteminde Mod-I, Mod-II ve Mod-III olmak üzere üç çalışma stratejisi belirlenmiştir. Mod-I'de yenilenebilir kaynakların maksimum güç noktası takibi sağlanır. Mod-II'de dizel generatörün yakıt tüketimi ve karbon salınımının en aza indirilmesi için enerji tüketim minimizasyon stratejisi tabanlı doğrusal programlama, genetik algoritma ve örüntü arama algoritmaları kullanılır. Mod-III'te ise dizel generatöre ihtiyaç duyulmayıp dağıtık kaynaklar arasındaki güç akışı, bulanık mantık kontrolör ve durum makine kontrol stratejisi kullanılarak optimize edilir.
Mikroşebeke uygulamalarında güç dönüştürücüleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının yönetiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu amaçla güç faktörü düzeltmeli, yüksek verimli yükselten tip bir dönüştürücü tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan DC-DC dönüştürücü, deneysel çalışmalarda kullanılıp test edilmiştir. Deney test düzeneği için üç özdeş dağıtık enerji kaynağı, yük ve kontrol bloğundan oluşan bir DC mikroşebeke yapısı oluşturulmuştur. Dağıtık enerji kaynakları arasındaki güç paylaşımında iki seviyeli hiyerarşik enerji yönetimi kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda; geleneksel eğim kontrolü, uyarlanabilir eğim kontrolü, farklı akım paylaşım oranlarına göre güç paylaşımı, sistemin referans gerilimin değişimine gösterdiği tepki ve sistemin tak-çalıştır performansının incelenmesi sistematik olarak ele alınmış ve değerlendirmeler yapılmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki, önerilen uyarlanabilir eğim kontrol yöntemi, DC bara gerilim restorasyonu ve akım paylaşım doğruluğu açısından daha iyi sonuçlar vermiştir.

Abstract:
Microgrids provide a solution for the direct consumption, storage and distribution of local energy sources by allowing renewable energy sources to be integrated into power systems. In this thesis study, an energy management system with a hierarchical three-level control approach is proposed, and simulation studies are carried out for an islanded DC microgrid system with photovoltaic, wind turbine, diesel generator, and energy storage. In the hierarchical three-level control, the primary control layer ensures the control of the converter. The secondary control layer is used to restore DC bus voltage and increase current-sharing accuracy simultaneously. In the tertiary control layer, it is aimed to minimize the production cost by performing optimum load-sharing. For the operation of this control structure, a strategy is proposed to autonomously and optimally manage the energy demand of the hybrid system under variable load conditions. Three operating methods, namely Mode-I, Mode-II, and Mode-III, are defined in the energy management system. In Mode-I, maximum power point tracking of renewable resources is provided. In Mode-II, energy consumption minimization strategy-based linear programming, genetic algorithm and pattern search algorithms are used to minimize the diesel generator's fuel consumption and carbon emissions. In Mode-III, the diesel generator is not needed, and the power flow between the distributed resources is optimized using the fuzzy logic controller and state machine control strategy.
Power converters play a significant role in managing renewable energy sources in microgrid applications. In this regard, a power factor corrected and highly efficient boost-type converter design and implementation have been carried out. The designed DC-DC converter has been utilized and tested in experimental studies. A DC microgrid structure consisting of three identical distributed energy sources, load, and control blocks has been created for the experimental test setup. Two-level hierarchical energy management approach has been employed for power-sharing among distributed energy sources. In experimental studies, conventional droop control, adaptive droop control, power sharing according to different current sharing ratios, the system's response to the change of reference voltage and the plug-and-play performance of the system are systematically discussed and evaluated. The results showed that the proposed adaptive droop control improved DC bus voltage restoration and current-sharing accuracy.