Güneş enerji sistemlerinde kullanılan yağlı tip güç transformatörünün tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of oil type power transformer used in solar energy systems
Yazar: EMİR YÜKSELEN
Danışman: PROF. DR. İRES İSKENDER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji üretiminde en büyük yatırımlarından biri olan transformatörler güneş enerji santrallerinde enerjiyi şebekeye aktarmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Transformatörün arızalanması elektrik şebekeleri üzerinde önemli ekonomik etkilere sahiptir. Dolayısıyla güvenli çalışması ve kararlılığı elektrik şebekesinde önemlidir. Güneş enerjisinde kullanılan transformatörler, evirici aracılığıyla güneş panellerinden beslenir ve bu çalışma koşullarına göre tasarlanmaları gerekmektedir. Bu çalışmada, eviricinin çıkış akımındaki mevcut olan harmoniklerin etkileri dikkate alınarak transformatörün kayıplarını ve sıcaklık artışını güvenli bir seviyede tutacak ve şartnamedeki performans kriterlerine uygun özel tip bir güneş enerji sisteminde kullanılan transformatör tasarlanmıştır. Genel olarak güneş enerji santrallerinde kullanılan güç transformatörlerinde evirici güç sınırlaması nedeniyle birden fazla evirici kullanılmaktadır. Eviricilerin dengesiz çalışması durumundaki etkileri transformatörün performansı üzerinde ortaya konulmuştur. Transformatörün yüksek gerilim tarafındaki üç faz kısa devre arızası sırasında sargılarda meydana gelen elektromanyetik kuvvetler analiz edilmiştir. Yıldırım darbenin transformatörün kritik bölgelerindeki elektromanyetik alan analizleri Sonlu Elemanlar Yöntemi ile incelenmiştir. Transformatörün gerekli termal koşullarını sağlayarak soğutma sisteminin toplam maliyetini asgari seviyeye indirmek için Genetik Algoritma optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Sıcaklık dağılımını değerlendirmek ve analiz etmek için fotovoltaik transformatörün 3 boyutlu termal modeli akışkanlar dinamiği yöntemi ile elde edilmiştir. Etkili geometri parametreleri arasında kapsamlı bir parametrik çalışma gerçekleştirilmiştir. Yöntemlerin doğruluğu ve uygulanabilirliği, deneylerden elde edilen sayısal sonuçlarla karşılaştırılarak teyit edilmiştir. Önerilen ve uygulanan yöntemlerin sonuçlarıyla deneysel ve simülasyon sonuçlarının iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
Transformers are one of the largest capital investments in renewable power generation and are widely used in solar power plants to transfer the energy to the grid. Failure of transformers has significant economic effects on electrical networks. Therefore, their safe operation and stability in the electrical network are important. This type of transformer is supplied from solar panels through inverters and must be designed according to these operating conditions. In this study, a special type of transformer used in solar energy was designed in accordance with the target performance criteria, taking into account the effects of harmonics and keeping the transformer losses and temperature rise at a safe level. Generally, more than one inverter is used for power transformers used in solar energy due to the inverter power limitation. The effects of the unbalanced operation of the inverters on the performance of the transformer are analyzed to show how the inverter operation can affect the operation of the transformer. The electromagnetic forces take place in the windings of the transformer during the three-phase short circuit fault on high voltage side of the transformer is analyzed. The electromagnetic field analyses of the lightning impulse on the transformer critical regions are investigated by the Finite Element Method. Genetic algorithm is used as an optimization method to minimize the total cost of the cooling system while maintaining the required thermal conditions of the transformer. In order to evaluate and analyze the temperature distribution, the 3D thermal model of the photovoltaic transformer is obtained by the computational fluid dynamics method. A comprehensive parametric study is carried out among the effective cooling geometry parameters. The accuracy and feasibility of the methods are established by comparing the numerical results with those obtained from the experimental tests. The results of the proposed and applied methods are found to be in a good agreement with the experimental and simulation results.