Designing A Microgrid Stabilizer Using Sliding Mode Controller

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016Sanal Senkron Makineler, güç elektroniği çeviricileri kullanılarak senkron makinelerin davranışının benzetimini sağlayan bir kontrol kavramı olarak ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmada, senkron jeneratörler ve gerilim kaynaklı çeviricilere sahip mikro şebekelerin akıllı şebekelere bağlanması için gerekli olan yeni kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi ve yönetilmesi tartışılmıştır. Birçok çeviriciye sahip olan mikro şebekelerin performansı ile ilişkili olarak kararlılık açısından bazı zorluklar bulunmaktadır. Önemli olanlarından bazıları şu şekilde sıralanabilir: 1) fiziksel eylemsizliğin olmayışı, 2) yenilenebilir enerji kaynakların yük merkezlerinden uzak bölgelerde tesis edilmesi dolayısıyla büyük hat empedansı ile zayıf olarak bağlı mikro şebeke sayılarının artması, 3) gerilim kaynaklı çeviricilerin ve senkron jeneratörlerin etkileşimleri, 4) şebekeye bağlı durumdan ada durumuna geçişler ve bu geçişlerdeki tespitlerde gecikmeler, 5) şebeke restorasyonu ve ada durumuna geçiş ile ilişkili ani bozucu etkiler 6) çeviricilerin kontrol edilmesindeki zorluklar dolayısıyla yetersiz güç kalitesi. Şebekeye bağlı bir mikro şebekeyi yönetmek için şebeke ve mikro şebeke arasındaki güç transferi iki farklı yaklaşım ile kontrol edilebilir: (a) herhangi bir haberleşme altyapısı kullanmadan yapılan kontrol, (b) bir haberleşme altyapısı kullanarak yapılan kontrol. İlk yöntemde, şebeke ile mikro şebeke arasındaki güç transferinin yönetilmesi için bir arka arkaya dönüştürücü kullanılabilir. Bazı durumlarda, şebeke ve mikro şebeke arasında aktarılan güç miktarını ve yönünü düzenlemek için dönüştürücünün yerine akıllı bir transformatör kullanılabilir. Akıllı transformatör birimi, aktif güç değişimi düzenlemek için ağ ve mikro şebeke bilgilerini kullanır. Şebeke ve mikro şebeke arasındaki güç değişimi kademe değişimi yoluyla düzenlenir. Ortak bağlantı noktası, değişken bir yük gibi davranır ve değeri şebeke yöneticisi tarafından belirlenen aktarılan güç miktarına bağlıdır ve aynı zamanda mikro şebekenin aktif ve reaktif güç vermesi veya çekmesine bağlı olarak negatif veya pozitif bir yük olabilir. Bu durumda, şebekeye bağlı durumda bile, mikro şebekeler değişken bir yüke bağlı ada durumunda gibi davranır ve orantılı kontrol çeşitli dağıtık jeneratörler arasında aktif ve reaktif güç paylaşımı için kullanılabilir. Böylelikle, işletime ait anahtarlamadan sonra değiştirilen kontrol stratejisi ortadan kaldırılmış olur ve şebekeye senkronizasyon mikro şebeke dönüştürücüsü vasıtasıyla yapılır. Bu durumda dağıtık jeneratörlerin ayar değerlerini kontrol etmek için haberleşme altyapısına ihtiyaç yoktur. İkinci yöntemde, mikro şebeke kontrolü ve yönetimi, şebeke durumlarının izlenmesini sağlayan haberleşme bağlantılarının kullanımı ile yapılır. Ağ yöneticisi ağın farklı noktalarından gelen sinyalleri alır ve ilgili her dağıtık jeneratörün ayar değerlerini hesaplar ve yeni sinyalleri tekrar dağıtık jeneratörlere gönderir. Ekonomik bakış açısından, bu yaklaşım yararlı değildir ve de daha karmaşık olduğundan dolayı daha az güvenilirdir, ancak hızlı ve hatasız bir yaklaşımdır. Tezin ana hatları aşağıdaki gibidir: Birinci bölümde geleneksel gerilim kaynaklı çeviricilerin kontrol yöntemleri ile ilgili olarak karşılaşılan zorluklar tanıtılmıştır. Literatür incelemesi yapılarak bu araştırmanın yürütülmesini gerektiren sebepler ve bu çalışmadaki amaçlar tartışılmıştır. Bölüm 2’de rüzgar türbini modeli ile ilişkili olarak teorik çalışmalar hakkında detaylar verilmiştir. Güç kalitesi ve özellikle bilgisayar ortamında mikro şebekelerin simülasyonunda kullanılacak olan parametreler hakkında bilgiler sunulmuştur. Bu bölümde aynı zamanda benzetimi yapılan dağıtık üretimin ve çıkışlarının şematik diyagramı verilmektedir. Bölüm 3’te, evirici topolojisi (giriş çıkış uçlarının ve bacak sayılarının hakkında kısa bilgi), güç elektroniği anahtarları (tranzistörler, anahtarların anma gerilim ve akım değerleri ve frekansı), sinüzoidal darbe genişlik modülasyonu (taşıyıcı dalga şeklini oluşturmak için teknik ve buna ilişkin denklemler) ve sonunda eviricinin bilgisayar ortamında modellenmesi incelenmiştir. Bölüm 4’te, sanal senkron makineler olarak bilinen yeni bir evirici ailesi modeli tanıtılmaktadır. Gerçek bir senkron jeneratörün rotor eylemsizlik momentumunu taklit eden senkron eviricilerin temelleri tartışılmış, parametre ayarlanması, aktif ve reaktif güç düzenlemesi hakkında detaylar raporlanmıştır. Bu bölümün içeriği şu şekildedir: (a) senkron makinelerin elektriksel ve mekanik kısımlarının modellenmesi, (b) senkron eviricilerin güç ve elektriksel kısımlarının modellenmesi, (c) senkron eviricilerin işletilmesi, frekans eğimi ve aktif gücün düzenlenmesi, gerilim eğimi ve reaktif gücün düzenlenmesi. Bölüm 5’te, gerilim kaynaklı çeviricilerin dinamik denklemleri çıkarılmış ve mikro şebekelerin doğrusal olmayan özelliklerinden kaynaklanan sorunlarını çözmek üzere, bu tezde önerilen, kayan kipli kontrol tekniğinin uygulandığı doğrusal olmayan kontrol stratejisi sunulmuştur. Denetleyicinin sadece yerel bilgileri kullanması ile haberleşeme gereksinimlerinin ortadan kaldırılması sağlanmakta ve güvenilirlik artırılmaktadır. Bu bölümün içeriği şu şekildedir: (a) dengeleyici yapısı ve kontrol yapı taşları, (b) dengeleyicinin modellenmesi, matematiksel denklemlerin çıkarımı ve eviricinin durum uzayı modeli, (c) denetleyici tasarımı yöntemi. Bölüm 6’da simülasyon sonuçları raporlanmış ve çeşitli koşullar altında performans incelemesi yapılmıştır. En az seviyede geçici olayların oluşması ile birlikte, sistem, geniş bir işletim aralığında kararlıdır. Dağıtık üretimin başlatılması, şebeke senkronizasyonu, ada durumuna ve şebekeye bağlı durumuna geçişler, incelenen senaryolar arasındadırlar. Simülasyon sonuçları, önerilen gerilim kaynaklı evirici denetleyicisi stratejisi ile yumuşak bir işletimin sağlanacağını göstermektedir. Ciddi bir güç aşımı gözlenmemiş, geçici olaylar iyi bir şekilde sönümlenmiş ve gerilim kaynaklı eviriciler şebekeye kolaylıkla paralel olarak bağlanabilmiştir. Bölüm 7’de bu çalışma sonunda çıkarılan sonuçlar verilmiştir. Rüzgar türbini ve gerilim kaynaklı çeviricinin modellenmesi ve önerilen kontrol yöntemi uygulaması PSCAD/EMTDC yardımı ile gerçekleştirilmiştir. PSCAD (Power System Computer Aided Design), elektromagnetik geçici olayların ve elektromekanik dinamiklerin analizini yapabilen EMTDC (Electromagnetic transient including DC) yazılımını kullanan bir grafik arayüzüdür. Bu yazılım blok diyagram modellerinin oluşturulmasına ve simülasyonlarının yapılmasına imkan sağlamaktadır. PSCAD/EMTDC, güç elektroniği birimleri, makineler, kablolar, transformatörler ve kesiciler modellerinin oluşturulması yanında sinyal kontrol süreçlerinin gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Bu yazılım, sürekli hal ve geçici durumların simülasyonuna uygun olması nedeniyle, ele alınan modelin oluşturulması için seçilmiştir. Bölüm 6’da simülasyon sonuçları raporlanmış ve çeşitli koşullar altında performans incelemesi yapılmıştır. En az seviyede geçici olayların oluşması ile birlikte, sistem, geniş bir işletim aralığında kararlıdır. Dağıtık üretimin başlatılması, şebeke senkronizasyonu, ada durumuna ve şebekeye bağlı durumuna geçişler, incelenen senaryolar arasındadırlar. Simülasyon sonuçları, önerilen gerilim kaynaklı evirici denetleyicisi stratejisi ile yumuşak bir işletimin sağlanacağını göstermektedir. Ciddi bir güç aşımı gözlenmemiş, geçici olaylar iyi bir şekilde sönümlenmiş ve gerilim kaynaklı eviriciler şebekeye kolaylıkla paralel olarak bağlanabilmiştir. Bölüm 7’de bu çalışma sonunda çıkarılan sonuçlar verilmiştir. Rüzgar türbini ve gerilim kaynaklı çeviricinin modellenmesi ve önerilen kontrol yöntemi uygulaması PSCAD/EMTDC yardımı ile gerçekleştirilmiştir. PSCAD (Power System Computer Aided Design), elektromagnetik geçici olayların ve elektromekanik dinamiklerin analizini yapabilen EMTDC (Electromagnetic transient including DC) yazılımını kullanan bir grafik arayüzüdür. Bu yazılım blok diyagram modellerinin oluşturulmasına ve simülasyonlarının yapılmasına imkan sağlamaktadır. PSCAD/EMTDC, güç elektroniği birimleri, makineler, kablolar, transformatörler ve kesiciler modellerinin oluşturulması yanında sinyal kontrol süreçlerinin gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Bu yazılım, sürekli hal ve geçici durumların simülasyonuna uygun olması nedeniyle, ele alınan modelin oluşturulması için seçilmiştir. Bu çalışmada, yukarıdaki gereksinimlerin karşılanması için, tamamlayıcı nitelikte, doğrusal olmayan bir mikro şebeke dengeleyicisi tasarımı yapılmıştır. Söz konusu ilave gerilim kontrolü için, bozucu etki sonrası güç sistemlerinde meydana gelen salınımları sönümlendirmek üzere uyarma gerilim referansına eklenen yardımcı işaretin kullanıldığı bir güç sistemi dengeleyicisi benimsenmiştir. Mikro şebeke dengeleyicisi (stabilizer) tasarımında, gerçek bir senkron jeneratörün davranışına benzeyen bir “senkron-evirici” (synchronverter) için bir dengeleyici tasarımı yapılmıştır. Bu çalışmada, bozucu etkilere ve belirsizliklere dayanıklı olan, kayan kipli kontrol yöntemi önerilmektedir. Çeviricinin ve mikro şebeke denetleyicisinin etkileşimli çalışması, bir takım avantajı beraberinde getiren yeni bir kontrol topolojisi sunmaktadır: 1) Kontrolör, şebekeye bağlı ve ada durumlarında kullanılabilmektedir 1) Kontrolör, şebekeye bağlı durumdan ada durumuna geçişlerin kusursuz ve dayanıklı olmasını sağlamaktadır. 3) Kontrolör, gerçek bir senkron jeneratörü taklit etmekte ve dağıtık jeneratörlerin şebekeye daha kolay entegrasyonu sağlamaktadır. 4) Kontrolör, senkron jeneratörlere kolaylıkla uyarlanabilmektedir. Kayan kipli kontrol yöntemi kullanarak mikro şebekeler için doğrusal olmayan bir güç sistemi dengeleyicisi tasarımı, bu tezin başlıca katkısıdır. Bu çalışmada, birden fazla dağıtık üretim birimine sahip bir mikro şebeke için, normal koşulların yanı sıra ada durumuna geçme gibi normal olmayan işletme koşullarında da, tasarlanan dengeleyicinin performansı, simülasyonlar aracılığıyla değerlendirilmiş ve başarısı gösterilmiştir.Virtual Synchronous Machines (VSMs) have been introduced as a control concept for emulating the behavior of synchronous machines by using power electronic converters. Development of a new family of control scheme and management strategies for connection of microgrids containing many voltage source converters (VSC) and synchronous generators in smart power grids is discussed in this research. From the stability point of view there are some challenges related to the performance of converter dominated microgrids (MGs). Some important cases are: 1) the absence of physical inertia; 2) increasing number of weak microgrids with high line impedance due to installation of renewable energy resources in remote areas far from demand centers; 3) mutual interactions among voltage source converters and synchronous generators; 4) transitions from grid connected mode to islanded mode and its detection delays; 5) Sudden disturbances associated with grid restoration, transition to islanding mode; and 6) poor power quality because of difficulties in controlling the converter. In order to satisfy the requirements, in this research we design a supplementary nonlinear MG stabilizer. The idea of supplementary voltage control has been originally adopted from the power system stabilizer in which an auxiliary damping signal is added to the rotor excitation reference voltage to damp the oscillations in the event of disturbance. In the micro grid stabilizer design, a power system stabilizer is designed for a synchronverter, which has dynamics similar to a real synchronous generator behavior. In this work, a sliding mode control technique, which is robust to the disturbances and uncertainties, is proposed. The interactive operation of converter and MG stabilizer has a new control topology that offers the following advantages: 1) The controller operates at both grid-connected mode and islanded mode. 2) The controller realizes a seamless and robust transition from grid connected mode to islanding mode. 3) The controller mimics the conventional synchronous generator behavior that results in better integration of DG units into the grid. 4) The controllers can easily be adapted to conventional synchronous machines. The major contribution of this thesis is the design of a nonlinear power system stabilizer for microgrids using the sliding mode control technique. In this work, the performance of the designed stabilizer is assessed and its success is demonstrated through simulations for the normal operating conditions, as well as abnormal conditions, such as islanding, of a microgrid having a number of distributed generation units.Yüksek LisansM.Sc