Şebeke bağlantılı bir FV sistemde sayısal filtre yöntemlerinin güç analizi üzerine etkilerinin gerçek zamanlı olarak araştırılması
Real-time investigation of the effects of digital filter methods on power analysis in a grid connected PV system
Yazar: EMRULLAH ASLANKAYA
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: Güç analizörü = Power analyzer ; Harmonikler = Harmonics ; IIR filtre = IIR filter ; LMS = LMS ; Sayısal filtreler = Digital filters ; Şebeke = Network

Özet:
Şebeke bağlantılı FV sistemlerde güç kalitesinin iyileştirilmesi için başta inverter ve dönüştürücü devrelerin kontrol yapıları olmak üzere, referans akım ve gerilim değerlerinin yüksek doğrulukla ölçülmesi gerekmektedir. Dönüştürücü devrelerin kontrol yapılarındaki güç analizinin yüksek doğrulukta olması, FV sistemin aktif güç, reaktif güç ve faz açısı gibi diğer elektriksel parametrelerinin de hatasız olarak hesaplanmasına ve dolayısıyla sistemin güç kalitesinin artmasına neden olacaktır. FV inverter çıkışındaki gerilim ve akım sinyallerini doğru bir şekilde ölçmek ve diğer elektriksel parametreleri elde etmek için literatürde genellikle güç analizi bloğundan faydalanılmaktadır. Bunu yanı sıra, analog filtreler şebeke tarafındaki harmonikleri azaltmak için pratik bir çözüm olmasına rağmen, inverter ve dönüştürücülerden kaynaklanan güç kayıplarına ek kayıplar getirmekte ve sistemde ancak donanımsal olarak bir değişklik yapılabilmektedir. Sayısal filtrelerin tasarımlarında, filtrede yapılacak olan değişiklikler analog filtrelerde olduğu gibi donanımsal değil, yazılımsal olarak parametrelerin kolayca değiştirilmesi ile yapılabilmektedir. Bu nedenle, özellikle FV sistemlerde güç analizi ve hesabının yüksek doğrulukla yapılarak güç kalitesinin iyileştirilmesi için yazılım tabanlı sayısal filtrelerin bu alanda kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu tez çalışmasında, FV sistemlerde güç analizinin yüksek doğrulukla yapılabilmesi için, literatürdeki mevcut güç analizi bloğu yerine, elektriksel sinyallerdeki bozulmaları en aza indirerek güç hesabına katkı sağlamak amacıyla sayısal filtreler kullanılmıştır. LabVIEW ortamında hem simülasyon hem de gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilen farklı tipteki sayısal filtrelerin güç analizi ve hesabı üzerindeki etkileri araştırılmış, en yüksek doğruluğa sahip sayısal filtre tipi belirlenerek, geliştirilen bu yapı şebeke bağlantılı bir FV sisteme entegre edilmiştir.
Tezin simülasyon bölümünde, LabVIEW ortamında FV sistem inverter çıkışını temsil eden 50 Hz'lik saf bir sinüs işareti beyaz gürültü ile bozulmuş ve oluşan harmonikli sinyale sırasıyla,  8. dereceden band geçiren Butterworth, Bessel, Eliptik IIR ve LMS algoritma sayısal filtreleri uygulanmıştır. Simülasyonda tüm filtreler gürültü temizlemede başarılı olmasına karşın, Butterworth ve Bessel filtresi gürültü temizlemede diğer filtrelere göre daha başarılı olmuştur.
Tezin son aşamasında ise önerilen yaklaşım Bursa Teknik Üniversitesi bünyesinde bulunan Yenilenebilir Enerji ve Akıllı Şebekeler Laboratuvarı'nda deneysel olarak ta gerçekleştirilmiştir. Güneş panellerine bağlı olan 1200 Wp toplam güce sahip şebeke bağlantılı inverter çıkışından gerçek zamanlı olarak alınan akım-gerilim sinyalleri  veri toplama kartına aktarılarak, gerçek zamanlı olarak LabVIEW ortamında gerçekleştirilen yazılım ile sayısal filtrelerin güç analizi üzerine etkileri araştırılmıştır. LabVIEW ortamında 8. dereceden band geçiren Butterworth, Bessel ve Eliptik IIR sayısal filtreleri yazılımsal olarak geliştirilmiş olup, laboratuvarda bulunan şebeke bağlantılı FV sistemin inverter çıkışındaki akım ve gerilim sinyallerine uygulanarak, sistemdeki akım, gerilim, aktif güç, reaktif güç, görünür güç ve güç faktörü değerleri gerçek zamanlı olarak ölçülmüştür. Ölçülen değerler güç analizörü ile de doğrulanmış olup, Butterworth ve Bessel sayısal filtrelerinin gerçek ölçümlere çok yakın sonuçlar verdiği görülmüştür.
Tezde önerilen yöntem ile şebeke bağlantılı bir FV sistemde güç analizi bloğundaki geleneksel hesaplamalar yerine, sayısal filtreler ile güçlendirilmiş ve yüksek doğruluğa sahip gerçek zamanlı bir yaklaşım gerçekleştirilmiştir. Güç analizindeki akım, gerilim, faz farkı ve güç sinyallerindeki gürültüleri önleyerek yüksek doğrulukla güç analizine imkan sağlayan bu yöntem sayesinde, özellikle şebeke bağlantılı FV sistemlerin inverter ve dönüştürücü devrelerindeki kontrol yapılarının çok daha kararlı bir şekilde çalışmasına imkan sağlanmaktadır. Böylece analog filtrelerin harmonikleri bastırmasına destek olarak, güç kalitesinin iyileştirilmesine katkıda bulunan bir yapı ortaya konulmuştur. Tez çalışmasında gerçekleştirilen yapının sadece güç sistemi için değil, aynı zamanda güç elektroniği ve motor sürücü tarafında da uygulanabilir olması, histeresiz kontrol, d-q dönüşüm vb. birçok kontrol yapısının kararlılığının artırılması bakımından uygulamada farklı alanlar için de geliştirilebilir bir yapı sunmaktadır.

Abstract:
Reference current and voltage values, especially the control structures of inverter and converter circuits, must be measured with high accuracy to improve the power quality in grid-connected PV systems. The high accuracy of the power analysis in the control structures of the converter circuits will result in the error-free calculation of other electrical parameters such as active power, reactive power, and phase angle of the PV system, thus increasing the power quality of the system. The power analysis block is generally used in the literature to accurately measure the voltage and current signals at the PV inverter output and to obtain other electrical parameters. In addition, although analog filters are a practical solution to reduce harmonics on the grid side, they bring additional losses to the power losses caused by inverters and converters, and a hardware change can only be made in the system. In the design of digital filters, the changes to be made in the filter can be made by easily changing the parameters in the software, not the hardware as in analog filters. For this reason, there is a need to use software-based digital filters in this area, especially in PV systems, to improve power quality by performing power analysis and calculation with high accuracy.
In this thesis, digital filters are used to contribute to the power calculation by minimizing the distortions in the electrical signals, instead of the existing power analysis block in the literature, to perform power analysis in PV systems with high accuracy. The effects of different types of digital filters, performed both in simulation and in real-time, on power analysis and calculation in the LabVIEW environment were investigated, the digital filter type with the highest accuracy was determined, and this developed structure was integrated into a grid-connected PV system.
In the simulation part of the thesis, a pure 50 Hz sinus signal representing the PV system inverter output in the LabVIEW environment is distorted by white noise, and 8th-order bandpass Butterworth, Bessel, Elliptic IIR, and LMS algorithm digital filters are applied to the harmonic signal, respectively. Although all filters were successful in noise removal in the simulation, Butterworth and Bessel's filters were more successful in noise removal than other filters.
In the last stage of the thesis, the proposed approach was also carried out experimentally in the Renewable Energy and Smart Grids Laboratory at Bursa Technical University. The real-time current-voltage signals acquired from the grid-connected inverter output with a total power of 1200 Wp connected to the solar panels were transferred to the data acquisition card, and the effects of digital filters on the power analysis were investigated in real-time with the software implemented in the LabVIEW environment. 8th order bandpass Butterworth, Bessel, and Elliptic IIR digital filters were developed as software in the LabVIEW environment and applied to the current and voltage signals of the inverter output of the grid-connected PV system in the laboratory, current, voltage, active power, reactive power, apparent power and power factor in the system. The measured values in real-time were also verified with the power analyzer and it was seen that the Butterworth and Bessel numerical filters gave results very close to the real measurements.
With the method proposed in the thesis, instead of the traditional calculations in the power analysis block in a grid-connected PV system, a real-time approach with high accuracy and enhanced with digital filters is carried out. Thanks to this method, which enables power analysis with high accuracy by preventing noise in current, voltage, phase difference and power signals in power analysis, control structures in inverter and converter circuits of grid-connected PV systems operate much more stably. Thus, a structure that contributes to the improvement of power quality by supporting the suppression of harmonics by analog filters has been introduced. The structure realized in the thesis study applies not only to the power system but also to power electronics and motor drivers, hysteresis control, d-q conversion, etc. In terms of increasing the stability of many control structures, it offers a structure that can be developed for different areas in practice.