THREE PHASE GRID INTERACTIVE INVERTER FOR RENEWABLE ENERGY SOURCES

Transkript

1 5. Ululararaı İlri Tknolojilr Smpozyumu (IATS 09), 3-5 Mayı 009, Karabük, Türkiy YENİENEBİİR ENERJİ KAYNAKARI İÇİN ÜÇ FAZI ŞEBEKE ETKİEŞİMİ EVİRİCİ THREE PHASE GRID INTERACTIVE INVERTER FOR RENEWABE ENERGY SOURCES İbrahim SEFA a, *, Ncmi ATIN b, v Şaban ÖZDEMİR c a, * Gazi Ünivriti Tknik Eğitim Fakülti Elktrik Eğitimi Bölümü, Ankara, Türkiy, E-pota: ia@gazi.u.tr b Gazi Ünivriti Tknik Eğitim Fakülti Elktrik Eğitimi Bölümü, Ankara, Türkiy, E-pota: ncmialtin@gazi.u.tr c Başknt Ünivriti Tknik Bilimlr Mlk Yükk Okulu, Ankara, Türkiy, E-pota: ozmir@baknt.u.tr Özt Günümüz artan nrji ihtiyacına karşılık, bilinn oil nrji kaynaklarının azalmakta v ihtiyacı karşılayamaz oluşu yni v ynilnbilir nrji kaynaklarına olan ilgiyi artırmıştır. Ynilnbilir nrji kaynaklarınan l iln DA nrjinin AA nrjiy çvrilrk şbky aktarılmaı grkliliği, şbk tkilşimli çalışabiln viricilr vriln önm artmıştır. Şbk tkilşimli viricilr nrji kaynağının güç viyin gör bir vya üç azlı olarak taarlanmaktaırlar. Yapılan çalışmaa, ynilnbilir nrji kaynakları için üç azlı şbk tkilşimli bir virici taarlanmıştır. Evirici, PI akım kontrol yöntmi il kontrol iln grilim kaynaklı virici kullanılmıştır. Şbk griliminin az v rkan bilgii, az kilitlm öngüü kullanılarak rran akımın oluşturulmaına kullanılmıştır. Evirici, hat rkanlı bir tranormatör üzrinn şbky bağlanmış, böylc çıkış griliminin şbk grilimin uyarlanmaı kolaylaştırılmıştır. Ayrıca, nrji kaynağı il şbk araına lktrikl yalıtım ağlanmış v DA nrjinin şbky aktarılmaı önlnmiştir. MATAB/Simulink ortamına yapılan bnztim onuçları, şbk tkilşimli virici çıkış akımının şbk grilimi il aynı aza v inü şklin oluğunu, akım harmoniklrinin ululararaı tanartlara blirtiln ınırlar âhilin oluğunu götrmiştir. Anahtar klimlr: Ynilnbilir nrji, şbk tkilşimli virici, MATAB/Simulink Abtract Nowaay, attntion on nw an rnwabl nrgy ourc ar incra u to rucing known oil nrgy ourc a againt to incraing th worl powr man. Ncity o convrting th DC nrgy, obtain rom rnwabl nrgy ourc, to AC nrgy an tranrring to th gri incra importanc o th invrtr that can b oprat a gri intractiv. Th invrtr ar ign ingl or thr pha accoring to th powr lvl. In thi tuy, a thr pha gri intractiv invrtr or rnwabl nrgy ourc i ign. A voltag ourc invrtr that i controll with PI currnt control mtho i u in invrtr. Pha an th runcy ata obtain rom pha lock loop i u in rrnc currnt gnration. Invrtr i connct to th gri via a lin runcy tranormr, o invrtr output voltag boot to lin voltag. Alo galvanic iolation btwn th nrgy ourc an th gri i provi an DC currnt injction i prvnt. MATAB/Simulink imulation rult how that, gri intractiv invrtr output currnt i in pha with th lin voltag an in inuoial wavorm, invrtr currnt harmonic ar in th limit o intrnational tanar. Kywor: Rnwabl nrgy, gri intractiv invrtr, MATAB/Simulink. Giriş Enütrilşm oranının artmaı, inanlara aha azla konor itği v nrji giriinin ürtim maliyti üzrin tkii gibi blli başlı bplrl nrjinin aha üşük birim maliytl v n önmlii aha güvnli bir şkil l ilmin yönlik çalışmalar önm kazanmıştır. Savaşlar, ptrol krizlri yaa nrji kaynaklarınaki kontrol ilmyn iyat artışları ynilnbilir v milli olan kaynaklara yönlimi, olayııyla ar-g aaliytlrinin grkliliğini götrmiştir [-]. Dünyanın artan nrji ihtiyacının tmiz, konomik v güvnli bir biçim karşılanabilmi için yapılan çalışmalar nticin günş, rüzgar v yakıt hücrlri (hirojn) gibi ynilnbilir nrji kaynaklarının önmi artmıştır. Önclri lktrik nrjiinin bulunmaığı bölglrki ihtiyacı karşılamak için araştırılan v kullanılan ynilnbilir kaynaklar, oil yakıtların tükncğinin arkına varılmaı v çvry vriklri zararın inanlığın glcğini thit tmy başlamaıyla aha yoğun biçim inclnmiştir. Bu kaynaklaran n yaygın olanları günş v rüzgar nrjilriir. Rüzgar nrjiinn lktrik ürtim çalışmaları 9. yüzyıla ayanırkn günş nrjiinn lktrik ürtmy yönlik çalışmalar 954 yılına ayanmaktaır []. Elktrik şbkinin bulunmaığı yrlşimn uzak bölglrki lktrik nrjii ihtiyacını karşılamaya amacıyla aa mou viricilr yaygın olarak kullanılmıştır. Aa mou viricilrin kontrollri aha bait oluğunan maliytlri şbk tkilşimli viricilr gör aha üşüktür. Ancak aa mouna çalışan itm kullanılan akülr itm maliytini arttırmakta v ürtiln nrjinin ihtiyaçtan azla olmaı urumuna azla nrji şbky aktarılamaığınan kaynakan vrimli bir şkil yararlanılamamaktaır. Ürtim kapaitlrinki artışlar otovoltaik (FV) moül iyatlarının üşmini ağlamaktaır. Örnğin, ABD 99 yılına FV moülün watt başına iyatı 4,4~7,9 USD ikn günümüz,6~3,5 USD y üşmüştür. Fiyatlaraki azalmanın a tkiiyl panllrin çatıya yrlştiriliği, - kw gücünki FV itmlr Almanya gibi birçok ülk klnmktir. Günümüz şbky tkilşimli virici, toplam itm maliyti üzrin aha tkili olmaya IATS 09, Karabük Ünivriti, Karabük, Türkiy

2 Sa, İ., Altın N. v Özmir Ş. başlamıştır. Bunan olayı viricinin watt başına iyatınaki azalma FV n ürtiln nrjinin aha cazip olabilmi için önmliir. Bu bpl yni, ucuz v yaratıcı virici çözümlri v yni itm taarımları üzrin çalışmalar yoğunlaşmıştır [,3]. Şbk tkilşimli virici arklı tipt virici yapıları kullanılmaktaır. Akım kaynaklı viricilrin kıa vrlr karşı yükk irnç götrmlri v tr grilimi blok bilmlri gibi ütünlüklri buluna a pk çok uygulamaa grilim kaynaklı viricilr trcih ilmktir. [4]. Bazı viricilr DA-DA konvrtör vya DA-AA virici bünyin yükk rkanlı tranormatörlr içrirlrkn bazıları şbky hat rkanlı tranormatörlr üzrinn bağlanırlar. Bazı viricilr tranormatör içrmzlr. Hat rkanlı tranormatörlr itmin toplam ağırlığını, boyutlarını v maliytini arttıra a DA akım njkiyonunu ngllmi, galvanik izolayon ağlamaı gibi önmli avantajlar a ağlamaktaırlar [5]. Şbk tkilşimli çalışmaa, şbky njkt iln akımın şbk grilimi il aynı aza olmaı itnir. Birim güç aktörü için şbk griliminin az v rkan bilgiinin bilinmi grkliir. Bu bilgilri tpit tmk için az kilitlm öngüü (P) vrlri kullanılır. Kullanılan bu P vrlri şbk tkilşimli viricinin n önmli kıımlarınan biriir [6]. Şbk tkilşimli çalışmaa hrhangi bir nnl şbknin kilmi urumuna virici taraınan blnn bölg bir lktrik aaı oluşur. Duruman habriz bakım pronli için thlikli olabilck bu aa urumun tpit ilmi v viricinin ururulmaı grkliir. Bunun için akti v pai yöntmlr gliştirilmiştir [7-8]. Bu çalışmaa üç azlı şbk tkilşimli viricinin Matlab/Simulink il bnztimi grçklştirilmiştir. Evirici akım kontrollü olarak taarlanmıştır. Evirici, şbknin kilmi urumuna oluşacak aa urumunu üşük/yükk grilim mtou il algılayarak şbkn ayrılmaktaır. Bnztim onuçlarınan virici çıkış akımının inü alga şklin oluğu v şbk grilimi il aynı az v rkanta oluğu görülmktir. Ayrıca virici akım harmoniklri ululararaı tanartlar ahilinir (<%5).. Şbk taraınan blirlnn grkinimlr Şbk tkilşimli virici, şbky bağlanacağınan kuruluşlarının blirliği tanartlara uyulmalıır. Özllikl glcktki ululararaı tanart IEC677 v günümüzki tanartlar EN , IEEE547 v U.S. National Elctrical Co (NEC)690 ikkat alınmalıır. Bu tanartlar güç kaliti, aa mounun tpiti, topraklama vb. gibi konularla ilgiliir v Çizlg öztlnmiştir []. Çizlg görülüğü gibi günümüz uygulanmakta olan IEEE v IEC tanartları, EN (Avrupaa uygulanan) tanarına gör akım harmoniklri konuuna aha katıır. Bu, büyük tritörlü şbky bağlı viricilr yrin aha küçük IGBT/Motli olanların kullanılmaına nn olmuştur []. IEEE v IEC şbky njkt iln DA akımın makimum kabul ilbilir miktarına ınırlanırmalar gtirmktir. Bu ınırlanırmanın amacı ağıtım tranormatörlrin oluşabilck oymanın önün gçmktir. DA akım njkiyonu, virici il şbk araına hat rkanlı bir tranormatör klnrk azaltılabilir. Bazı viricilr, FV v şbk araına galvanik izolayonu ağlamak için yükk rkanlı DA-DA konvrtörl bütünlşik tranormatör kullanırlar. Bu DA akım njkiyonu problmini çözmz ancak FV moüllrin topraklanmaını kolaylaştırır. NEC 690 tanarı makimum çıkış griliminin 50V gibi blirli bir ğr ulaşan FV moüllrin topraklı v toprak arızalarına karşı izlnn bir itm olmaını grktirir. Sitm topraklamaı, FV moülün ngati (vya poziti) ucunun toprağa bağlanmaını grktirir. Bu, şbknin az-nötr uçlarına bağlanan bir azlı viricinin zatn şbk taraına topraklı olmaı nniyl, pk çok yükk güçlü tranormatörüz itm için orun olabilir. Diğr lktrik iarlri lktriki izolayonun olmamaı urumuna ac onanımın topraklanmaını itrlr. Donanımın topraklanmaı çrçvlrin v iğr mtalik parçaların toprağa bağlanmaıır. Ayrıca otovoltaik itmlr için anti-aa mounu a kapayan tt tanartları IEEE il blirtilmiştir. Çizlg :Şbk tkilşimli FV itmlr il ilgili blli başlı tanartların özti KONU IEC677 IEEE547 EN Anma gücü 0 kw 30 kw 6A X 30V = 3,7 kw Harmonik (3-9) %4,0 (-0) %4.0 (3),30 A akım (ıra - h) limitlri (-5) %,0 (-6) %,0 (5),4 A (7-) %,5 (7-) %,5 (7) 0,77 A (3-33) %0,6 (3-34) %0,6 (9) 0,40 A (>35) %0,3 () 0,33 A (3) 0, A (5-39),5/h Bu aralıktaki çit ıralı harmoniklr litlnn tk ıralı harmoniklrn %5 aha az olmalıır. Tk ıralı harmoniklrin yaklaşık %30'u kaar Makimum akım THD'i 5,00% 5,00% - Anma gücünün %50'in güç aktörü 0,9 - - DA akım njkiyonu Normal çalışma için grilim aralığı Normal çalışma için rkan aralığı Anma çıkış akımının %,0'inn az Anma çıkış akımının %0,5'inn az %85 - %0 %88 - %0 (96V - 53V) (97V - V) 50± Hz 59,3 Hz - 60,5 Hz <0, A - 50W yarım alga oğrultucuya uyan - -

3 Sa, İ., Altın N. v Özmir Ş. 3. Üç Fazlı Şbk Etkilşimli Evirici Üç azlı şbk tkilşimli viricinin vr şmaı Şkil görülmktir. Ynilnbilir nrji kaynağı V a grilim kaynağı il götrilmiştir. Bu ynilnbilir nrji kaynağı FV panl vya yakıt hücrlri olabiliği gibi DA gnratör olmamaı urumuna çıkış grilimi oğrultulmuş bir rüzgar türbini olabilir. Evirici çıkışına yükk rkanlı harmonik bilşnlri üzmk v akım THD ini azaltmak için bir C iltr kullanılmıştır. Evirici yapıı olarak grilim kaynaklı virici, akım kontrollü virici kullanılmıştır. Sac şbk var ikn çalışabilmlri nniyl şbk tkilşimli viricilr, aa mou çalışanlaran arklıırlar. i V + = i E (6) Üç azlı viricinin önn - rran itmin urum nklmi Eş. 7 vrilmiştir. i TE + i 0 E = + i i + V 0 = T Ti TV (7) ω (8) Durağan v önn rran üzlmlri Şkil götrilmiştir. Durağan rran üzlminki ğişknlrini önn rran üzlminki ğişknlrin önüştürn T matrii Eş. 9 il götrilmiştir. = T, T coθ = inθ inθ coθ (9) Şkil. Üç azlı şbk tkilşimli virici vr şmaı Şkil vriln vry gör aşağıaki şitliklr yazılabilir. i V + i V + ir + E it V t + it R + Et r r = + irr Er () = () = (3) Üç azlı şbk griliminin ngli oluğu v rkanının ω oluğu kabul ilir r azının açıını rran kabul rk akım nklmlrini urağan - rran üzlmin aşağıaki gibi yazılabilir. T [ i i i ] C[ i i i ] T o = 0 3 = r t (4) 3 3 C (5) Üç az grilimlri ngli kabul iliği için yukarıaki şitlikt i o=0 ır. Üç azlı viricinin urağan - rran itmin urum nklmi Eş. 6 a vrilmiştir. ω Şkil. rran üzlmlri Dönn rran üzlmin urum nklmi matrii Eş. 0 il vrilmiştir. V V = ω ω i i E + E (0) Ayrıca yukarıaki şitlik Eş. ki gibi ynin yazılabilir. i i = ir + V E i () ω = i R + V E ω i () Birim güç aktörün çalışmanın l ilbilmi için kni akımının ıır olmaı grkmktir (i =0). 3φ/ önüşümünün kullanılığı 3 azlı akım kontrollü şbk tkilşimli viricinin ntim itmi blok iyagramı Şkil 3 götrilmiştir.

4 5. Ululararaı İlri Tknolojilr Smpozyumu (IATS 09), 3-5 Mayı 009, Karabük, Türkiy Ki K P + Şkil 3. Üç azlı virici ntim itmi 4. Bnztim Sonuçları Taarlanan oğrultucunun prormanının tt ilbilmi için MATAB/Simulink itmin moli hazırlanmış v bnztim çalışmaları grçklştirilmiştir [9]. Sitm DA grilim kaynağı, üç azlı grilim kaynaklı virici, hat rkanlı tranormatör v C iltrn oluşmaktaır. Evirici küçük nkronizayon hatalarının viricinin aşırı yüklnmin nn olmaını ngllmk için akım kontrollü olarak taarlanmıştır. Şbk grilimi P il algılanmış v akım rranının ürtimin kullanılmıştır. Böylc virici çıkış akımının şbk grilimi il aynı az v rkanta olmaı ağlamıştır. C iltr il çıkış akımınaki yükk rkanlı harmonik bilşnlrin üzülmi, hat rkanlı tranormatör il hm şbk v DA grilim kaynağı araına galvanik izolayon ağlanmaı hm şbky DA akım njkiyonu ngllnmi amaçlanmıştır. Anahtarlama rkanı 0Khz ir. Şkil 5 ıraıyla yük akımı, şbk akımı v virici çıkış akımı görülmktir. Evirici akım rranı t=0,5 0A n 30A yükltilmktir. Buna karşın virici çıkış akımının ğişiminn yük hiç tkilnmmktir. Sac yük akımının aha azla bir kımı viricin karşılanığınan şbk akımı azalmaktaır. Şkil 6 a i virici akımı v akım rranı görülmktir. Şkiln görülüğü gibi virici çıkış akımı, akım rranını izlmktir. Rran akımın ğiştiktn çok kıa bir ür onra virici akımı bu ğişimi takip tmiştir. Şkil 4 şbk tkilşimli virici çıkış akımı v şbk az-nötr grilimi ğrilri görülmktir. Şkiln görülüğü gibi virici çıkış akımı inü şklin v şbk grilimi il aynı az v rkantaır. Şkil 5. Yük, şbk v virici çıkış akımları Şkil 4. Şbk grilimi v virici çıkış akımı Evirici çıkışına kullanılan hat rkanlı tranormatör ynilnbilir nrji kaynağı v şbk araına galvanik izolayonun ağlanmaı v DA akım njkiyonunun ngllminin yanına virici çıkış grilimini yükltilmi için kullanılmıştır. Evirici çıkış akımının harmoniklri Şkil 7 görülmktir. Şkiln görülüğü gibi virici akım harmoniklri ulular araı tanartlara blirtiln ınırlar âhilinir (%,6<%5). Ayrıca Şkil 8 şbk griliminin kilmi onucu oluşan aa urumunun tpiti götrilmiştir. Aa urumunun tpiti için uygulanan pai IATS 09, Karabük Ünivriti, Karabük, Türkiy

5 Sa, İ., Altın N. v Özmir Ş. (üşük/yükk grilim) yöntm il 0,006 için virici şbkn ayrılmış v ururulmuştur. Böylc virici taraınan blnn bölg bir lktrik aaı oluşmaı ngllnmiştir. 5. Sonuçlar Bu çalışmaa üç azlı şbk tkilşimli virici taarlanmış v MATAB/Simulink bnztim çalışmaları grçklştirilmiştir. Sitm, grilim kaynaklı virici, hat rkanlı tranormatör, C iltr v PI akım ntlyicin oluşmaktaır. Ayrıca üşük/yükk grilim aa urumu tpit yöntmi il şbk griliminin kiliği anlar tpit ilmiş v virici ururularak şbkn ayrılmıştır. Bnztim onuçları şbk tkilşimli virici çıkış akımının inü şklin oluğunu, akım rranını inamik biçim takip ttiğini, şbk grilimi il aynı az v rkanta oluğunu götrmiştir. Ayrıca virici akım harmoniklri ululararaı tanartlara blirtiln ınırlar ahilinir (%,6<%5). Kaynaklar Mag (% o Funamntal) Şkil 6. Evirici çıkış akımı v akım rranı Şkil 7. Evirici çıkış akımı harmoniklri [] Kjar, S. B., Pron, J. K., Blaabjrg, F., A rviw o ingl-pha gri-connct invrtr or photovoltaik moul, IEEE Tranaction on Inutry Application, vol. 4, no.5, 9-306, 005. [] Sa I., Altin N, Simulatıon o uzzy logic controll gri intractiv invrtr TPE-008 4th Intrnational Conrnc on Tchnical an Phyical Problm o Powr Enginring 008 [3] Saha S., Sunaringh V.P., Novl gri-connct photovoltaic invrtr, IEE Proc.-Gnr. Trunm. Ditrib. Vol. 43, No., 9-4, 996 [4] Bakr D.M., Aglii V.G., Nayr C.V., A comparion o tri-lvl an bi-lvl currnt controll griconnct ingl-pha ull-brig invrtr, Inutrial Elctronic, 997. ISIE '97., Procing o th IEEE Intrnational Sympoium on Volum, , 997. [5] Sa İ., Altın N., Ozmir S., Dmirta M SPACE ba control o voltag ourc utility intractiv invrtr, IEEE 9th Intrnational Sympoium on Powr Elctronic, Elctrical Driv, Automation an Motion, -3 Jun 008, Ichia. Italy [6] Chung S. K., Pha-lock loop or gri-connct thr-pha powr convrion ytm, Elctric Powr Application, IEE Procing, Volum 47, Iu 3, 3 9, 000. [7] Huon R.M., Thorn T., Mkanik F., Bhnk M.R., Gonzalz S., Ginn J., Implmntation an tting o anti-ilaning algorithm or IEEE complianc o ingl pha photovoltaic invrtr, Photovoltaic Spcialit Conrnc,. Conrnc Rcor o th Twnty-Ninth IEEE, 44 49, 00. [8] Woyt A., Blman R., Nij J., Tting th ilaning protction unction o photovoltaic invrtr, Enrgy Convrion, IEEE Tranaction on, Volum 8, Iu, 57 6, 003. [9] Th Mathwork Inc., MATAB/SIMUINK Rla Not or Rla 4 with Srvic Pack 3 Şkil 8. Aa urumunun tpiti