Şebeke etkileşimli yenilenebilir enerji destekli hızlı batarya şarj sisteminin gerçekleştirilmesi
Implementation of grid-interactive and renewable energy supported fast battery charger system
Yazar: HARUN ÖZBAY
Danışman: DOÇ. DR. SELİM ÖNCÜ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, günümüzde hızla gelişmekte olan farklı özelliklerdeki batarya gruplarını yenilenebilir enerji kaynakları kullanarak, hızlı şarj edebilme kabiliyetine sahip şarj sistemi tasarlanmış, benzetim ve uygulama çalışmaları yapılmıştır. Yenilenebilir enerji kaynağı desteğinin yanı sıra şarj sisteminin çift yönlü enerji akışına izin veren güç dönüştürücüleri tasarımıyla, şebekenin aktif ve reaktif güç gereksinimleri de karşılanabilmektedir. Tasarlanan şarj sistemi 15 kW üzerinde ve "Seviye 3" olarak adlandırılan hızlı şarj istasyonu sınıfındadır. Ayrıca tasarlanan hızlı şarj sistemine 12 kW gücünde güneş panelleri de eklendiği için, gelecekte akıllı şebekelerin yaygınlaşmasına bağlı olarak devreye alınacak olan V2G NGU (Vehicle to Grid Next Generation Utility) şebeke etkileşimli şarj istasyonu sınıfına da girmektedir. Güneş panellerinden maksimum güç elde edilmesi için Kayan Kipli Kontrol (KKK) değiştir-gözle (P&O) algoritması kullanılarak MGNİ tasarımı da yapılmıştır. Tasarlanan şarj sisteminde kullanılan güç dönüştürücüleri 10 kHz anahtarlama frekansı ile çalışmaktadır. Sistemdeki üç fazlı şebeke etkileşimli evirici çift yönlü çalışabilecek şekilde tasarlanarak aktif doğrultucu olarak kullanımı sağlanmıştır. Ayrıca DA-DA dönüştürücüler de çift yönlü çalışacak şekilde tasarlanmış ve şebekeye güç aktarımına olanak sağlanmıştır. 
Hızlı şarj sistemindeki güç dönüştürücülerinin kontrolünde dış bozuculara ve parametre değişimlerine karşı dayanıklı, çatırdama yapmayan KKK denetleyicisi kullanılmıştır. Tasarlanan denetleyicinin performansını karşılaştırmak için geleneksel PI denetleyicili sistem benzetim ve uygulama olarak test edilmiş, sonuçlar KKK sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre KKK denetleyicisinin, geleneksel PI denetleyiciye göre cevap süresinin daha hızlı olduğu ve değişimlere karşı daha dinamik olduğu görülmüştür. Bunun yanında şebeke akımlarının toplam harmonik bozulması da %5'in altında kalması sağlanmıştır. Ayrıca hızlı şarj sistemindeki enerji akışının kontrolü için farklı çalışma modları oluşturulmuştur. Böylece güneş panelleri, şebeke ve batarya arasındaki enerji akışı, KKK kontrollü güç dönüştürücüleri ile otomatik olarak yapılabilmiştir. Sistemin denetim algoritmalarının yürütülmesi için sayısal işaret işlemci (DSP) olarak TMS320F28335 kullanılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the charger system which can charge the battery packs with different features which have been more evolve by using renewable energy sources was designed, the simulation and the application studies are conducted. Active and reactive power requirements of the grid as well as the renewable energy sources support can be supplied by designing power converters allowing bi-directional energy flow of the charger system. The designed charger system is in the fast charger station class, which is over 15 kW and is called as "Level 3". In addition, since 12 kW solar panels are added to the designed charger system, the station is also included in V2G NGU (Vehicle to Grid Next Generation Utility) grid interactive charger station, which will be used due to the widespread use of smart grids in the future. In order to obtain maximum power from solar panels, MPPT is also designed using sliding mode control (SMC) perturb-observe (P&O) algorithm. The power converters used in the designed charger system operate at 10 kHz switching frequency. The three phase grid-tied inverter in the charger system is designed to operate bi-directionally and is used as an active rectifier. Moreover, DC-DC converters are also designed to operate in bi-directional mode, and provide power transfer to the grid. 
In the control of the power converters in the fast charger system, a SMC controller which is robust to external distortions and parameter changes and which does not chattering is used. Conventional PI controller system is tested as both a simulation and an experimental study and the results are compared with SMC results. Obtained results show that the designed SMC controller has faster response time compared to the conventional PI controller and more dynamic structure against the changes. In addition, it is ensured that the total harmonic distortion of the grid currents is kept below 5%. Besides, different operating modes are defined to control the flow of energy in the fast charger system. Thus, the energy flow between the solar panels, the grid and the battery can be done automatically with the SMC controlled power converters. The TMS320F28335 is used as the digital signal processor (DSP) for the control algorithms of the system.