Akıllı Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamaları Sempozyumu. 29 Eylül 1 Ekim 2016 DÜZCE BİLDİRİLER KİTABI. Editör:

Transkript

1 Akıllı Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamaları Sempozyumu 29 Eylül 1 Ekim 2016 DÜZCE BİLDİRİLER KİTABI Editör: Doç.Dr. Uğur GÜVENÇ Yrd. Doç. Dr. Serdar BİROĞUL Düzenleyen Kuruluş Destekleyen Kuruluş

2 Yakıt Pili ve Güneş Panellerinden Oluşan Karma Sistemde BMD li STATCOM Uygulaması ve Yük Üzerinde Gerilim Kontrolü Onur Özdal MENGİ 1 İsmail Hakkı ALTAŞ 2 Kenan YANMAZ 3 1 Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Giresun Üniversitesi, GİRESUN 2 Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Karadeniz Teknik Üniversitesi, TRABZON 3 Elektronik ve Otomasyon Bölümü Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Giresun Üniversitesi, GİRESUN onur.ozdal.mengi@giresun.edu.tr ihaltas@ktu.edu.tr kenan.yanmaz@giresun.edu.tr Özet Bu makalede Yakıt Pili (YP) ve Güneş Panelleri (GP) karma sisteminde hem reaktif güç kontrolü hem de yük üzerindeki gerilimin genliğinin denetimi yapılmaktadır. Güç sistemlerinde hem harmonikler azaltılması hem de güç faktörünün düzeltilmesi için kompanzasyon yapılması gerekmektedir. Bu kompanzasyon sistemlerinin daha gelişmişi olan STATCOM yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. STATCOM iki seviyeli evirici kontrollü bir eviricidir ve reaktif gücü ortadan kaldırmak için kondansatörleri devreye alıp çıkartarak gerekli ayarlamaları yapmaktadır. Burada evirici kapı sinyallerini üretmek ve kontrol etmek için Bulanık Mantık Denetleyici (BMD) kullanılmaktadır. Ayrıca yük tarafında YP ve GP sisteminden elde edilen Doğru Akım (DA) yeşil bir barada birleştirilmekte ve elde edilen gerilim yine bir evirici vasıtasıyla Alternatif Akıma (AA) çevrilmektedir. Burada da yine BMD kullanılarak yükler üzerinde 380V/50 Hz lik sabit gerilim elde edilmeye çalışılmıştır. Dolayısıyla sistem hem yükler üzerinde gerilim kontrolü yaparken hem de kompanzasyon yapmaktadır. Tüm sistemin benzetimi MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. elektrik elde edilmektedir [1]. Yakıt pilleri de benzer şekilde önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olmasına rağmen henüz güneş enerjisi kadar yaygın olarak kullanılan bir kaynak değildir [2]. Özellikle bu kaynakların birlikte kullanıldığı (GP/YP) örnekler çok daha azdır. Bu kaynakların devreye girmesi ile özellikle yüksek güçlü uygulamalarda hem harmonikleri azaltmak için hem de reaktif güç kontrolü için yüksek güçlü STATCOM lere duyulan ihtiyaç da artacaktır [3-4]. Şekil 1 de benzetimi yapılan sistem görülmektedir. 1. Giriş Güneş enerjisi önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Özellikle fotovoltaik güneş panelleri ve termal güneş enerji istasyonları ile güneş enerjisinden Şekil 1. Sistemin ana yapısı

3 Burada YP ve GP sistemlerinden elde edilen DA bir barada birleştirilmektedir. Daha sonra bu gerilim bir evirici vasıtasıyla AA dönüştürülmektedir. Yükler üzerindeki gerilim 380V/50Hz değerine BMD ler ile ayarlanmaktadır. Sistemde var olan reaktif güçlerin elimine edilmesi için bir adet STATCOM kullanılmıştır. Burada da yine evirici tabanlı IGBT li bir yapı bulunmaktadır. Burada kullanılan BMD ler de reaktif gücü kontrol ederek bu gücün sıfırlanması için kondansatörleri devreye alıp çıkartmak için gereken anahtarlama sinyallerini kontrol etmektedir. Sistemin tamamının alt blokları ile birlikte MATLAB/Simulink ortamında benzetimi yapılmıştır. 2. Sistem bileşenleri 2.1. GP sistemi Güneş pilinin eşdeğer devresi Şekil 1 de görülmektedir. IFV ID D RS IPİL VPİL 2.2. YP sistemi Bir yakıt pilinin temel yapısı Şekil 2 de görüldüğü gibi bir elektrolit gibi görev yapan katı bir zar (membran) tarafından ayrılmış iki elektrot (anot ve katot) olarak tanımlanabilir. Hidrojen yakıtı anoda protonlara ayrıştığı yer olan bir kanal içinden geçer. Ayrışan protonlar katoda membran içinden ulaşır. Bir dış devre tarafından elektriksel akım olarak toplanan elektronlar iki elektrotu birbirine bağlar. Benzer bir kanal ağı içinden hava, bir dış devrede elektronlarla birlikte oksijenin toplandığı yer olan katoda, protonlarda membran içine doğru akar ve böylece su oluşur. Bir yakıt pilinin anot ve katot elektrotlarında meydana gelen kimyasal reaksiyonlar Şekil 3 de verildiği gibidir. Polimer membran iki elektrot arasına sıkıştırılmıştır. Her bir elektrot bir gaz difüzyon tabakası ve bir ince katalizör tabakadan oluşmaktadır. Membran-elektrot bileşkesi reaktant akışına izin veren kanallarını kapsayan iki iletken tabaka tarafından sıkıştırılmıştır. Anottan gelen hidrojen ile katottan gelen oksijen ısı ve su üretmek için birleşir. Toplam hücre reaksiyonu Denklem (2) de verildiği gibidir [5]. 2H2 O2 2H2O ısı (4) Şekil 2. FV güneş pilinin eşdeğer devresi. Yakıt H2 Ortamdan O2 Matlab/Simulink ortamı için geliştirilen modelin temel başlangıç noktası Şekil 1 de gösterilen devrenin çıkış gerilimini ifade eden (1) denklemidir. V A k T I ln I I R I (1) pil ph 0 pil pil S pil e I0 Burada; Ipil: FV pilin çıkış akımı (A), Vpil :FV pilin çıkış gerilimi (V), Iph :Işık seviyesi ve P-N birleşim noktası, sıcaklığının fonksiyonu, Fotoakım (5A), I0: diyot ters doyma akımı (0.0002A), RS: Eşdeğer devrenin seri direnci ( ), e: Elektron yükü ( x10-19C), k: Boltzmann sabiti ( x10-23 J/ o K), Tpil: Referans çalışma sıcaklığı (25 o C), A: Eğri uydurma faktörü (100). Yakıt Dolaşımı Isı Hava + Saf Su Şekil 3. Tek bir PDM yakıt pilinin şematik gösterimi STATCOM STATCOM nin yapısı Şekil 4 de görülmektedir. Uygun anahtarlama sinyalleri ile IGBT ler kontrol edilerek kondansatör devreye alınmakta yada devreden çıkarılmaktadır. Burada Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) tekniği kullanılarak anahtarlama sinyallerinin genişliği ayarlanmaktadır. Yüklerden kaynaklanan reaktif güç bu sistem kullanılarak sıfırlanmaktadır [3]. Bu güneş pilleri seri ve paralel bağlanarak güneş panelleri oluşturulmaktadır. Güneş panelleri de değişik şekillerde birbirine bağlanarak güneş panelleri enerji üretim istasyonlarını oluşturmaktadır [2]

4 2.4. BMD ler Şekil 4. STATCOM nin yapısı. Hem yük üzerindeki gerilimin genliğinin kontrolünde hem de STATCOM de BMD ler kullanılarak gerekli kontroller yapılmıştır. STATCOM için senkron referans yapı teorili dolaylı akım denetim yöntemi kullanılmaktadır. Bu denetim sisteminde dc gerilim sabit tutulur ve eviricinin üretmesi gereken referans gerilimler referans aktif ve reaktif güce göre elde edilir. Bulanık mantık denetleyicinin genel akış diyagramı Şekil 5 de görülmektedir. Denetleyici 3 parçadan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla, Bulanıklaştırıcı, Kural Tabanı ve Durulaştırıcıdır. BMD nin ilk elemanı olan Bulanıklaştırıcı kendisine uygulanan kesin girişleri bulanık değerlere çevirir. Bu bulanık değerler Kural Tabanı ünitesine gönderilerek burada bulanık kurallarla işlenir ve elde edilen bulanık sonuç Durulaştırma ünitesine gönderilir. Bu kısımda ise bulanık sonuçlar kesin sayıya dönüştürülür [6-7]. Hata Hatadaki Değişim Bulanıklaştırıcı Bulanık Mantık Denetleyici Kural Tabanı Şekil 5: BMD nin temel yapısı. Durulaştırıcı Çıkış İşareti BMD nin MATLAB/Simulink deki yapısı Şekil 6 da görülmektedir. Şekil 6: Giriş ve çıkış değişkenleri ile BMD. 3. Benzetim çalışması Benzetimi yapılan sistem; Güneş panelleri, yakıt pilleri, evirici, STATCOM, kontrolörler, GP/YP anahtarlama düzenleyicisi ve yüklerden oluşmaktadır. Kullanılan GP sisteminde 40 adet güneş paneli seri ve 20 paralel koldan oluşmaktadır. Toplam 800 adet güneş paneli bulunmaktadır. Her biri 100Wp güç değerine sahiptir. Kurulu gücü 80kW dır. YP sistemi GP sistemine destek amaçlı kullanılmıştır. Güneş olmadığı durumda yada yeterli gelmediği zaman devreye girerek yüklerin ihtiyaç duyduğu gücü sağlamaktadır. Burada da 5 adet 160V/100A lik YP birbirine seri bağlanarak 800V/100A, toplam 80kW lık bir sistem kurulmuştur. Çalışmada 12kW/8kVAr lık bir RL yükü ile birlikte 25kW lık bir direnç yükü kullanılmıştır. Kullanılan STATCOM 100kVAr lık bir güç değerine sahiptir ve bir hat endüktansı ile sisteme bağlanmaktadır. Burada kullanılan eviriciye BMD tabanlı bir kontrolör kumanda etmektedir ve gereken IGBT sinyalleri bu şekilde üretilmektedir. Benzer şekilde yükler üzerindeki gerilim değeri de 380V/50Hz değerine bir BMD ile ayarlanmaktadır. Ayrıca sistemde GP ve YP arasında ortama uygun olacak şekilde gereken enerji üretim sistemini devreye alıp çıkaran bir regülatör ve ölçü aletleri de kullanılmıştır. 4. Sonuçlar Şekil 7 de yükler üzerindeki gerilimin değişimi görülmektedir. Yük gerilimi 376V ile 380V arasında değişmektedir

5 Şekil 7: Yükler üzerindeki gerilimin değişimi. Şekil 8 de sistemden çekilen güç değerleri görülmektedir. Toplam 37kW aktif ve 8kVAr lik reaktif güç bulunmaktadır. Şekil 8: Sistemden çekilen güçler. Şekil 9 da ise STATCOM un devrede olması sayesinde ana hattan reaktif güç çekilmediği görülmektedir. Aktif güç yine 37kW dır. Fakat STATCOM yüklerin çektiği 8kVAr lik reaktif gücü başarılı bir şekilde elimine etmiştir. Burada kullanılan BMD ler düzgün çalışarak gerektiği şekilde kondansatörleri devreye alıp çıkartmıştır. [2] O. Ö. Mengi ve İ. H. Altaş, "Fotovoltaik ve Yakıt Hücreli Karma Temiz Enerji Sisteminin Modellenmesi ve Simülasyonu", Ulusal Temiz Enerji Günleri (UTEG 2008), İstanbul, Aralık s: [3] J. Sun, D. Czarkowski, ve Z. Zabar, Voltage Flicker Mitigation Using PWM-Based Distribution STATCOM, Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, 1, 2004, s [4] P. Rao, M.L. Crow ve Z. Yang, STATCOM Control for Power System Voltage Control Applications, IEEE Transaction on Power Delivery, vol.15, no.4, 2000, s [5] Z. Ural, M.T. Gencoglu and B. Gumus, Dynamic simulation of a PEM fuel cell system, Proceedings 2nd International Hydrojen Energy Congress and Exhibition (IHEC 2007), Istanbul, Turkey. [6] O.Ö. Mengi ve I.H. Altas, Fuzzy Logic Control for a Wind/Battery Renewable Energy Production System, Turk J Elec Eng & Comp Sci, vol.20, no.2, 2012, s [7] I.H. Altas ve A.M. Sharaf, A Generalized Direct Approach for Designing Fuzzy Logic Controllers in Matlab/Simulink Gui Envirement, International Journal of Information Technology and Intelligent Computing, Int. J. IT&IC, 2007, no.4 vol.1. 5.Teşekkür Bu bildiride sunulan çalışmalar, TÜBİTAK-114E474 No.lu Küçük Ölçekli Rüzgar Türbinlerinde Yeni Ve Akıllı Bir Statcom Tasarımı ve Uygulaması isimli proje kapsamında yürütülmüştür. Yazarlar, sağlanan destekten dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederler. 6. Kaynaklar [1] V. Quasching, Understanding Renewable Energy Systems, Earthscan Company, England,