Rüzgâr enerji sistemlerinde kullanılan şebeke etkileşimli eviriciler için bir faz kilitleme döngüsü yönteminin geliştirilmesi

Son yıllarda, ön plana çıkan yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi rüzgâr enerjisidir. Bu yüzden, birçok ülke rüzgâr enerjisinden daha verimli elektrik enerjisi üretmek için çalışmalarına hız vermiştir. Ülkemizin de yeterli düzeyde rüzgâr kapasitesine sahip olduğu bilinmektedir. Ülkemizin rüzgâr potansiyelini daha fazla ve daha verimli kullanabilmek, enerji alanındaki rekabet gücümüzü arttırabilmek ve enerjiyi ithal eden değil ihraç eden ülke konumuna geçebilmek amacıyla rüzgâr enerjisi alanındaki ulusal çalışmalara hız verilmesi gerekmektedir. Güç sistemleri ve onların işletilmesi senkron generatörlü konvansiyonel güç santrallerine göre geliştirilmiştir. Rüzgâr enerji santralleri, konvansiyonel santrallerden farklıdır. Bu nedenle, elektrik iletim ve dağıtım işleticileri güvenilirlik ve güç kalitesi bakımından sistemin iyi ve güvenli çalışmaya devam etmesini sağlamak amacıyla şebekeye bağlanacak rüzgâr enerji santralleri için bazı kurallar koymaktadır. Bu kurallar, elektrik şebekesinin gerilim ve frekans kararlılığını sağlamak ve arıza durumunda ise arıza ortadan kaldırılıncaya kadar rüzgâr enerji santrallerinin kararlılığını kaybetmeden sistemde kalmasını sağlamak üzere uygulanmaktadır. Bu durum, rüzgâr enerji santrallerinde şebeke tarafında kullanılan dönüştürücünün (şebeke etkileşimli evirici) kontrol şemasında iyileştirmeler yapılmasını gerektirir. Şebeke etkileşimli eviricinin kontrol şemasının en önemli parçalarından biri şebeke senkronizasyon yöntemidir. Senkronizasyon yöntemi, elektrik şebekesinde meydana gelecek ters durumlarda (gerilim dengesizlikleri, kısa devre hataları, frekans değişimi, faz açısı sıçraması, vb.) bile rüzgâr enerji santrallerinin şebekeye hızlı ve hatasız bir şekilde senkronize olmasını sağlamaktadır. Bu yüzden, şebekedeki bu ters durumlar ile başa çıkabilecek etkili ve sağlam bir senkronizasyon yönteminin kullanılması oldukça önem kazanmaktadır. Günümüzde en çok kullanılan modern şebeke senkronizasyon yöntemleri, faz kilitleme döngüsü (PLL) yöntemleridir. Literatürde ideal olmayan şebeke koşullarında klasik PLL yöntemi ile etkin bir şebeke senkronizasyonunun sağlanamadığı vurgulanmaktadır. Bundan dolayı, şebeke senkronizasyon başarımını arttırmak için birçok gelişmiş PLL yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemlerde, farklı filtreleme yapıları kullanılarak veya iki yöntem hibritlenerek gelişmiş bir PLL yöntemi ortaya çıkartılmaktadır. Diğer yandan şebeke senkronizasyonunun hızlı ve doğru bir şekilde gerçekleştirilmesinin yanında PLL algoritmasının karmaşık yapıda olmaması da istenmektedir. Geliştirilen PLL yöntemlerinin birçoğunun oldukça karmaşık bir yapıda olduğu görülmektedir. Bu tezde, yüksek doğrulukta ve hızda çalışabilen, aynı zamanda daha basit yapılı dört adet PLL yöntemi (FH-PLL, E2PLL, dqADSC-PLL ve DTOGI tabanlı hibrit PLL) önerilmiştir. Her bir yöntemin etkinliğini doğrulamak için farklı şebeke koşulları altında simülasyon ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Simülasyon çalışmaları MATLAB/Simulink ortamında, deneysel sonuçlar ise TMS320F28335 işlemcili DSP kontrol setinde gerçekleştirilmiştir. Önerilen her bir yöntem, iki farklı yöntem ile grafiksel olarak karşılaştırılmıştır. Simülasyon ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar, önerilen dört PLL yönteminin de karşılaştırıldıkları PLL yöntemlerinin çok üzerinde bir performans gösterdiğini ve şebeke senkronizasyon başarımını önemli ölçüde arttırdığını doğrulamıştır. Sonuç olarak, bu PLL yöntemleri ideal olmayan şebeke koşulları için üstün filtreleme kabiliyetinin yanında oldukça hızlı bir dinamik performans sağlamıştır.

In recent years, one of the renewable energy sources that has come to the fore is wind energy. Therefore, many countries have accelerated their studies to produce more efficient electrical energy from wind energy. It is known that our country has a sufficient wind capacity. In order to use the wind potential of our country more and more efficiently, to increase our competitive power in the field of energy, and to become a country that does not import energy but export, national studies in the field of wind energy should be accelerated. Power systems and their operation have been developed according to conventional power plants with synchronous generators. Wind power plants are different from conventional power plants. Therefore, electricity transmission and distribution operators set some rules for wind power plants to be connected to the grid in order to ensure that the system continues to operate well and safely in terms of reliability and power quality. These rules are applied to ensure the voltage and frequency stability of the electricity grid and in case of failure, the wind power plants remain in the system without losing their stability until the fault is eliminated. This requires improvements to the control scheme of the converter (grid interactive inverter) used on the grid side in wind power plants. One of the most important parts of the control scheme of the grid interactive inverter is the grid synchronization method. The synchronization method enables wind power plants to synchronize quickly and accurately to the grid, even in adverse situations (voltage imbalances, short circuit errors, frequency change, phase angle jump, etc.) that will occur in the grid. Therefore, it is very important to use an effective and robust synchronization method that can deal with these adverse situations in the grid. Today, the most widely used modern grid synchronization methods are phase locked loop (PLL) methods. It is emphasized in the literature that an effective grid synchronization cannot be achieved with classical PLL method in non-ideal grid conditions. So, many advanced PLL methods have been proposed to improve grid synchronization performance. In these methods, an improved PLL method is created using different filtering structures or by hybridizing the two methods. On the other hand, in addition to the fast and accurate grid synchronization, it is also desired that the PLL algorithm is not complex. It seems that many of the PLL methods developed are quite complex. In this thesis, four PLL methods (FH-PLL, E2PLL, dqADSC-PLL, and DTOGI based hybrid PLL), which can work with high accuracy and speed, but are also simpler, are proposed. To verify the effectiveness of each method, simulation and experimental studies were conducted under different grid conditions. Simulation studies were carried out in MATLAB/Simulink environment, and experimental results were realized in DSP control set with TMS320F28335 processor. Each proposed method has been compared graphically with two different methods. The results from simulation and experimental studies have confirmed that the four proposed PLL methods outperform the PLL methods in which they were compared., and significantly improve grid synchronization performance. As a result, in addition to their superior filtering capabilities, these PLL methods have provided very fast dynamic performance for non-ideal grid conditions.