Şebeke oluşturan eviricilerin kontrolü ve mikro şebekeler için doğrusal bir senkronizasyon kontrol sistemi tasarımı
Control of grid forming inverters and design of a linear synchronization control system for microgrids
Yazar: ÖZHAN ATMACA
Danışman: PROF. DR. MURAT KARABACAK
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Doğrusal kontrol = Linear control ; Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Evirgeç kontrol sistemi = Inverter control system ; Faz kilitli döngü = Phase locked loop ; Gerçek zamanlı benzetim = Real time simulation ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç çeviriciler = Power converters ; Mikro şebeke sistemi = Microgrid system ; PI denetleme = PI control ; PWM =

Özet:
Mikro şebeke, genellikle belirli bir bölge veya tesis için enerji üretebilen, dağıtabilen ve kontrol edebilen bağımsız bir enerji sistemidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından, depolama sistemlerinden ve jeneratörlerden üretilen gücü, mikro şebekeye aktarmak şebeke eviricileri kullanılmaktadır. Şebeke eviricileri, yüksek çıkış gücü değerlerine ulaşabilmek için yük altında veya yüksüz durumda senkronize edilerek, frekansları ile gerilimlerinin sırasıyla faz ve genlik olarak olduğu durumda paralel çalışmaktadırlar. Senkronizasyonda gerilim ve frekans farklılıkları şebeke eviricilerinin zarar görmesine ve gerilim ile frekans kararsızlığına neden olabilmektedir. Bu nedenle senkronizasyon kontrol sistemlerinin, bu problemlerin üstesinden gelerek kesintisiz çalışmayı garanti etmesi gerekmektedir. Mikro şebekelerde klasik senkronizasyon kontrol sistemleri çoğunlukla faz senkronizasyonu döngüsü ve gerilim senkronizasyonu döngüsünden oluşmaktadır. Bu döngülerde başlangıç koşullarına bağımlılık, sınırlı çalışma koşulları ve eş zamanlı çalışmada faz senkronizasyonu döngüsü ve gerilim senkronizasyonu döngüsü arasında birbirinin dinamiklerini etkileyen bir çapraz bağlantı bulunmaktadır. Bu problemler, mikro şebekedeki dengesiz ve doğrusal olmayan yükler, senkronizasyonun doğrusal olmayan dinamiklere sahip olmasına ve döngülerde kullanılan doğrusal denetimciler kararlılık problemlerine neden olmaktadır. Bu tez çalışması, ada modlu mikro şebekelerdeki şebeke eviricilerinin doğrusal olmayan senkronizasyon kontrol sistemlerinin problemlerine odaklanmaktadır. Başlangıç koşullarına olan bağımlılık, sınırlı çalışma koşulları, çapraz bağlantının getirdiği doğrusal olmayan karakteristik ve doğrusal denetimcilerin doğrusal olmayan sistemde kullanılmasına yönelik problemlerin üstesinden gelmek için yeni bir senkronizasyon kontrol sistemi önerilmiştir. Önerilen senkronizasyon kontrol sisteminde frekans ve faz senkronizasyonu döngüsü, gerilim senkronizasyonu döngüsü ve yumuşak devreye alma yöntemi bulunmaktadır. Doğrusal olmayan klasik senkronizasyon kontrol sistemleri, önerilen yöntemle yukarıda belirtilen sorunların aşılmasıyla doğrusallaştırılmaktadır. Analitik olarak tasarlanmış kontrolörlerin simülasyon, C-HIL ve gerçek zamanlı deneysel testlerle %100 uyumlu olduğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
A microgrid is an independent energy system that generates, distributes, and controls energy for a specific region or facility. It can source energy from renewable energy sources, storage systems, and generators. Power generated by distributed energy sources is transferred to the microgrid through grid inverters. Grid inverters work in parallel by synchronizing under load or in no-load conditions to reach high output power values. Synchronization involves aligning the frequencies and voltages of parallel-connected grid inverters to be in phase and amplitude, respectively. Voltage and frequency differences during synchronization can damage grid inverters and voltage and frequency instability. Therefore, synchronization control systems must overcome these issues to ensure uninterrupted operation. In conventional synchronization control systems for microgrids, classical phase synchronization cycles and classical voltage synchronization cycles are commonly employed. In these loops, there is a dependence on initial conditions, limited operating conditions, and a cross-connection between the phase synchronization cycle and the voltage synchronization cycle in simultaneous operation, affecting each other's dynamics. These problems cause the classical synchronization control system to have nonlinear dynamics and the stability and performance problems of the linear controllers used in these loops. The presence of unbalanced and nonlinear loads in microgrids further contributes to the highly nonlinear characteristics of the synchronization control system. This thesis addresses the problems associated with nonlinear synchronization control systems for grid inverters in islanded microgrids. A new synchronization control system is proposed to overcome initial conditions, limited operating conditions, cross-couplings, and linear controllers in a nonlinear system. The proposed synchronization control system includes frequency and phase synchronization cycles, voltage synchronization cycles, and a soft start-up method. Nonlinear classical synchronization control systems are linearized by overcoming the abovementioned problems with the proposed method. Synchronization is performed in a wide (full) operating range, and it is possible to design analytically linear controllers. Analytically designed controllers have been proven to be 100% compatible with simulation, C-HIL, and real-time experimental testing.