Akıllı arıza koruma ve güç akışı kontrol fonksiyonlarına sahip bir elektrikli araç şarj cihazının şebekeden-araca ve araçtan-şebekeye etkileşimli şekilde geliştirilmesi
Implementation of an electric vehicle charger with intelligent fault protection and power flow control functions in an interactive grid-to-vehicle and vehicle-to-grid strategy
Yazar: SAMET ÖNER
Danışman: DOÇ. DR. GÖKAY BAYRAK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dönüştürücüler = Transformers ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Fosil yakıtların doğaya olumsuz etkileri, artan akaryakıt fiyatları ve ülkeler arası savaşlar nedeniyle ülkeler alternatif yakıtlı ulaşım araçlarına yönelmişlerdir. Buna en iyi örnek elektrikli araçlardır. Elektrikli araçların kullanımının ve buna bağlı olarak elektrikli araç şarj istasyonlarının hızla yaygınlaşması, elektrik şebekesinde aşırı yüklenmelere ve farklı güç kalitesi problemlerine yol açacaktır. Aşırı yüklenmelerde takviye enerji kaynakları kullanılarak tepe yüklerin traşlanarak enerji talebinin karşılanması gerekir. Araçtan şebekeye (vehicle to grid=V2G) teknolojisi elektrikli araç bataryasındaki enerjiyi şebekeye aktarır.
Elektrikli araç (EA) kullanımı, fosil yakıtların kullanımını azaltacak olmasına rağmen elektrik talebini ciddi miktarda artıracaktır. Bu sebeple güç kalitesi problemleri ve şebekedeki aşırı yüklenme sorunları artacaktır. V2G teknolojisi elektrikli araçların şebekeye olumsuz etkilerini azaltarak şebekeye destek verecek bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Elektrikli araç sahipleri, tepe olmayan saatler süresince, daha düşük enerji fiyatıyla araçlarını V2G teknolojisi ile şarj edebilecektir. Şebeke yükünün en üst seviyeye çıktığı saatlerde de bir evin ihtiyacı olan enerji, elektrikli aracın bataryasından sağlanabilecektir. EA'ların potansiyelini en üst düzeye çıkarmak gelecekte büyük önem taşıyacaktır. EA'ların akıllı şebekeye basit bir geleneksel yük yerine akıllı şarj ve deşarj, yani iki yönlü şebekeden araca (grid to vehicle=G2V) ve araçtan şebekeye V2G çözümleri ile bağlanması bu tez çalışmasında amaçlanmıştır. 
Çift yönlü güç akışına sahip dönüştürücülerin literatürde çok sayıda ve farklı çalışma örnekleri mevcuttur. Şebekeden aracın bataryasını şarj etmek ve bataryadan şebekeyi besleyebilmek için kullanılan elemanların sayısı ve çeşidi, devrenin ekonomik ve zaman maliyeti ve karmaşıklığı yönünden önemlidir. Bu yüzden kullanılan eleman sayısının az tutulması amacıyla hem şebekeden araca hem de araçtan şebekeye güç akışı aynı devre üzerinden sağlanmaktadır. Devrede kullanılacak anahtarların sayısı arttıkça kontrol devresi ve kontrol yöntemlerinin karmaşıklığı da artacaktır.
Bu tezde, çift yönlü enerji akışına sahip tek fazlı bir AA-DA dönüştürücü devresinin tasarımı ve uygulanması incelenmiştir. AA-DA dönüştürücü, bir şarj cihazı prototipi olarak kullanılmıştır. Şarj cihazı, IGBT ve diyotlardan oluşan H-köprüsü ve devamında düşürücü dönüştürücü ile yükseltici dönüştürücü devrelerinin aynı devre üzerinde bağlanması ile yapılmıştır. Uygulama olarak V2G modunda DA tarafında DA kaynağı olarak DA güç kaynağı ve G2V modunda çıkışta DA yük olarak rezistif reosta, G2V modunda AA tarafta da AA kaynak olarak güç şebekesi ve V2G modunda çıkış yüksüz olarak uygulanmıştır. Şarj cihazının şebeke kısmına koruma fonksiyonu olarak harici bir akıllı koruma devresi tasarlanmış ve uygulanmıştır. Yapılan çalışma ile akıllı koruma fonksiyonu olarak akıllı kesici (AKES) ve AA-DA doğrultucu dönüştürücü, düşürücü dönüştürücü, yükseltici dönüştürücü ve DA-AA dönüştürücü devreleri tek hat üzerinde bağlanarak senkronize edilmiş ve iki yönde de enerji akışı sağlanmış olup, kompakt bir yapı oluşturularak mevcut litetürdeki çalışmalara göre avantaj sağlanmıştır. AKES ile giriş hattı üzerinden alınan gerilim ve frekans değerleri ESP8266 WiFi modülü kullanılarak internet ortamına aktarılmıştır. G2V-V2G devresine ilişkin çalışma simülasyonları Matlab-Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Uygulama aşamasında anahtarlamalar sinyal jeneratörü ve Arduino platformu, akıllı koruma fonksiyonları da Arduino platformu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında önerilen yapı ile şebekeden-araca ve araçtan-şebekeye güç aktarabilen ve akıllı koruma fonksiyonlarına sahip, EA şarj istasyonları ve şebeke ile güvenli şekilde bağlanabilecek bir prototip sistem geliştirilmiştir. Önerilen yapının pratikte yüksek akım ve güçlerde geliştirilecek modelleri ile prototip sistemin yüksek batarya kapasitesine sahip EA'lar için de uygulanabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Due to the negative effects of fossil fuels on nature, increasing fuel prices, and wars between countries, countries have turned to alternative fuel vehicles. The best example of this is electric vehicles. The rapid spread of the use of electric vehicles and accordingly the electric vehicle charging stations will cause overloads in the electricity grid and different power quality problems. In overloads, the energy demand must be met by shaving the peak loads by using supplemental energy sources. V2G technology transfers the energy from the electric vehicle battery to the grid.
The use of electric vehicles (EVs) will significantly increase the electricity demand, although the use of fossil fuels will decrease. For this reason, power quality problems and network overload problems will increase. V2G technology stands out as a technology that will support the grid by reducing the negative effects of electric vehicles on the grid. During off-peak hours, electric vehicle owners can charge their vehicles at a lower energy price. Even when the grid load is at its peak, the energy needed by a house can be supplied from the battery of the electric vehicle. Maximizing the potential of electric vehicles will be of paramount importance in the future. This thesis, it is aimed that EVs to provide smart charging and discharging, that is, bidirectional G2V-V2G solutions to the smart grid instead of a simple traditional load.
There are many different studies in the literature on a converter with bidirectional power flow. The number and type of elements used to charge the vehicle's battery from the network and to feed the network from the battery are important in terms of the economic, time cost, and complexity of the circuit. Therefore, to keep the number of elements used low, power flow from the network to the vehicle and from the vehicle to the network is provided over the same circuit. As the number of switches to be used in the circuit increases, the complexity of the control circuit and control methods will also increase.
In this thesis, the design and implementation of an AC-DC converter circuit with bidirectional energy flow with a single phase are investigated. The AC-DC converter was used as a charger prototype. The charger is made by connecting the H-bridge consisting of IGBT and diodes, followed by the step-down converter and the boost converter circuits on the same circuit. As an application, in V2G mode, the DC power source is applied as the DC source on the DC side and the resistive load is applied as DC load at the output in G2V mode, the power network is applied as the AC source on AC side in G2V mode and output is no load in V2G mode. An external intelligent protection circuit is designed and implemented as a protection function on the mains part of the charger. With the study, smart breaker (AKES) and AC-DC rectifier converter, step-down converter, step-up converter, and DC-AC converter circuits as a smart protection function was connected on a single line and synchronized and energy flow was provided in both directions, creating a compact structure. It has superiority over studies in the literature. The voltage and frequency values obtained from the input line with AKES were transferred to the internet using the ESP8266 WiFi module. Working simulations of the G2V-V2G circuit were carried out in a Matlab-Simulink environment. In the application phase, the switchings were made using the signal generator and the Arduino platform, and the smart protection function was made using the Arduino platform. With the proposed structure in the thesis study, a prototype system has been developed that can transfer power from the grid to the vehicle and from the vehicle to the grid, has smart protection functions, and can be securely connected to the EV charging stations and the grid. It is thought that the prototype system can also be applied to EVs with high battery capacity, with models to be developed in practice at high currents and powers of the proposed structure.