Evirici arayüzlü dağıtık enerji kaynakları tabanlı mikro şebekelerde güç paylaşımı ve kararlılık analizi
Power sharing and stability analysis in microgrid based on distributed energy resources with inverter interface
Yazar: ALİ KUYUMCU
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KARABACAK
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dağıtık enerji kaynaklarının ana şebekeye veya belirli bölgesel yüklere elektrik enerjisini güç elektroniği dönüştürücüleri üzerinden sağlamasından dolayı mikro şebekeler geleneksel güç sistemlerine göre daha esnek ve üstündür. Ancak evirici ara yüzlü mikro şebekelerin tasarımı ve denetimi daha karmaşık bir yaklaşım gerektirdiği için daha zordur.
Bu tez çalışmasında, ada modlu çalışan evirici ara yüzlü mikro şebekenin küçük sinyal kararlılık analizi, hiçbir parametre ihmal edilmeden yapılmıştır. Literatürde paralel bağlı eviriciler arasında güç paylaşımını gerçekleştirmek için birçok yöntem önerilmiştir. Bunlardan eviriciler arasında haberleşme ağına ihtiyaç duyulan yöntemler güvenilirlik açısından zayıftır. Bu çalışmada ele alınan mikro şebekede yer alan eviriciler arasındaki güç paylaşımı droop tabanlı denetim yöntemi kullanılarak sağlanmıştır. Bu yöntemin diğerlerine göre en önemli üstünlüğü, eviriciler arasında haberleşme ağına ihtiyaç duyulmadan güç paylaşımı yapabilmesidir. Bununla birlikte, esneklik ve farklı dağıtık enerji kaynaklarının mikro şebekeye kolaylıkla entegre edilebilmeleri droop tabanlı denetim yöntemlerinin diğer önemli üstünlükleri olarak görülmektedir. Yapılan gerçek zamanlı simülasyonlar sonucunda, droop tabanlı denetim yöntemleri ile aktif ve reaktif güçlerin eviriciler arasında doğru bir şekilde paylaşıldığı görülmüştür.
Mikro şebeke tasarımında, aktif ve reaktif droop denetimci katsayıları, güç filtresi kesim frekansı, gerilim ve akım PI denetimci kazançları gibi parametre değerleri belirlenirken, belirli çalışma noktaları arasında sistemin kararlı çalışması temin edilmelidir. Bu amaçla mikro şebekenin herhangi bir çalışma noktasındaki kararlılığını incelemek için tüm sisteme ait küçük sinyal modeli elde edilerek kararlılık analizi yapılmıştır. İlgili çalışma noktası için sistem matrisi gerilim, akım ve açısal frekans değerleri gerçek zamanlı simülasyondan ölçülerek oluşturulmuştur. Elde edilen bu sistem matrisinin öz değerleri mikro şebekenin kararlılığını belirlemektedir. Bu analize göre, aktif ve reaktif güç droop katsayıları ile güç filtrelerinin kesim frekansının, mikro şebekenin kararlı çalışmasını etkileyen en önemli parametreler olduğu anlaşılmıştır. Bu parametrelerin kararlı çalışma sağlayan sınır değerleri, yapılan küçük sinyal kararlılık analizi üzerinden elde edilmiş, gerçek zamanlı simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, analiz ve simülasyon sonuçları yüksek doğrulukta tutarlılık göstermektedir.

Abstract:
Microgrids are more flexible and superior to conventional power systems, as distributed energy sources provide electrical energy to the mains or to specific regional loads through power electronic converters. However, design, control and analysis of inverter interfaced microgrids are challenging tasks, since there are many parameters, which cannot be neglected, affecting stability of the microgrid. In this thesis, small signal stability analysis of a inverter interfaced microgrid operating in islanded mode is done without neglecting any microgrid parameters. Many methods have been proposed in the literature to realize power sharing between parallel connected inverters. The ones requiring a communication network among inverters are of reliability concerns in terms of safe operation of the microgrid. In this study, power sharing between inverters is achieved by using the droop-based control method. The most important advantage of this method over others is to implement power sharing without needing a communication network between inverters. In addition, flexibility and easily integrating of different distributed energy sources to the microgrid can also be considered the other important superiorities of droop-based control methods. As a result of real-time simulations, it has been observed that active and reactive powers are correctly shared between the inverters using the droop-based control methods. In determination of active and reactive droop coefficients, power filter cutoff frequency, and voltage and current PI controller gains in the microgrid design, stable operation of the microgrid should be ensured between certain operating points. To this end, in order to examine stability of the microgrid at any operating point, stability analysis was performed by building a small signal model of the entire system. The system matrix is established by measuring voltage, current and angular frequency of the related operating point from the real-time simulation. The eigenvalues of system matrix conclude stability of the microgrid. According to this analysis, active and reactive power droop coefficients and the cuttoff frequency of power filters are the most important parameters affecting the stable operation of the microgrid. The limit values of these parameters ensuring stable operation of the microgrid were obtained through the small signal stability analysis and compared with the real-time simulation results. Consequently, stability analysis and simulation results show a high consistency with each other.