Enerji hattı iletişimiyle akıllı şebekeler için uzaktan izleme sistemi tasarımı

Abstract

Son zamanlarda artmakta olan enerji talebi, ülkelerin sanayileşme seviyelerinin artması ve buna bağlı olarak elektrik tüketiminin artması, haberleşme, izleme, kontrol ve otomasyon eksikliği gibi sebepler geleneksel şebekenin eksikliklerini ortaya koymaktadır. Bu eksikliklerden dolayı, uzaktan izleme, kontrol gibi özelliklerin eklendiği akıllı şebeke kavramı ortaya çıkmıştır. Akıllı şebeke alt yapısında, enerji verimliliğin arttırılması, şebeke güvenilirliğinin ve güvenliğinin yükseltilmesi gibi özelliklerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, tükenmekte olan fosil yakıtların çevreye zararlı atıklar üretmesi, artan enerji talebini karşılayabilmek için temiz enerji kaynakları olan güneş, rüzgâr, hidroelektrik, biyokütle, yakıt pili, jeotermal enerji gibi dağıtık kaynakların akıllı şebeke alt yapısınaentegrasyonu önemli bir konu haline gelmektedir. Bu dağıtık kaynakların bir arada çalışmalarını sağlayarak şebekeye entegrasyonunu gerçekleştirmek için mikro şebeke sistemleri geliştirilmektedir.Mikro şebekeler, akıllı şebekelerin önemli bir aşaması olup tüm dünyadaki enerji kıtlığını azaltmak için farklı kaynak türlerinin bir arada kullanılmasını teşvik etmekte ve şebekeye bağlı ya da ada modu olmak üzere iki çalışma modu sağlamaktadır.Akıllı şebeke sistemini daha güvenilir hale getirebilmek için uzaktan kontrol, ölçüm ve bilgi alışverişini sağlamak için haberleşme altyapısı önemli bir konu haline gelmektedir.Sinyallerin mevcut bulunan enerji hattı üzerinden iletimi esasına dayanan Enerji Hattı İletişimi (EHİ), akıllı şebekeler ile popüler bir konu haline gelmiştir. Bu tez çalışmasında sırasıyla 39 kW, 100 kW ve 50 kW güce sahip fotovoltaik (FV), yakıt hücresi ve rüzgâr türbinini kapsayan yenilenebilir enerji kaynakları (YEK) kullanılarak hibrit dağıtık üretim tesisi MATLAB Simulink ortamında modellenmiştir. Her bir tesisin çıkışı ile DA bara arasında arayüz oluşturabilmek için çeşitli güç elektroniği devreleri ve kontrolcüleri kullanılmıştır.Güneş ve yakıt hücresi enerji tesisi DA çıkışlı olduğu için DA-DA arttıran konvertör kullanılırken,AA çıkışlı rüzgâr enerji tesisi için kontrolsüz doğrultucu ve DA-DA arttıran konvertör kullanılarak 1000 VDA baragerilimi oluşturulmuştur.Güneş enerji tesisine bağlı arttıran konvertör, artımlı ilenkenlik maksimum güç noktası takibi (IC MGNT) algoritması ile kontrol edilmekteyken, yakıt hücresi ve rüzgâr enerji tesislerine bağlı arttıran konvertörlerin kontrolü oransal-integral (PI) kontrolörle yapılmaktadır. Oluşturulan 1000 VDA bara gerilimi,evirici ile AA gerilime dönüştürülmüştür. Bu dönüşüm işlemi yapılırken DA bara gerilimi, şebeke gerilim ve akım bilgileri faz kilitlemeli döngü (PLL) içeren evirici kontrolcüsüne giriş olarak uygulanmıştır. Evirici çıkışında elde edilen400 Vrms, 50 Hz şebeke frekans ve genliğindeki gerilim, 400 V/31,5 kV 50 MVA transformatör vasıtasıyla 31,5 kV orta gerilim şebekesine bağlanmıştır. Her tesise bağlı arttıran konvertörlerin çıkış güçleri ölçülmüş ve EHİ yöntemi ile var olan enerji hattı üzerinden veri iletimi gerçekleştirilmiştir. Bu EHİ altyapısı oluşturulurken hat kuplaj devresi, Dördün Faz Kaydırmalı Anahtarlama (QPSK) modülatörü ve demodülatörü tasarlanmıştır. Ölçülen güçler QPSK modülatörü ve hat kuplajı vasıtasıyla 400 V alçak gerilim hattına uygulanmış ve hattın belirli bir uzaklıktaki noktasından hat kuplajı ve QPSK demodülatörü ile geri elde edilmiştir. Hibrit tesis sistemi farklı ışıma ve rüzgâr hızı değişkenleri altında analiz edilerek değişken durumlara rağmen sistemin 400 V şebekeyi takip ettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, 20 km'ye kadar farklı iletim hattı uzunluklarında güç verilerinin iletimleri yapılmış ve EHİ sisteminde düşük zaman gecikmeleri gözlemlenmiştir.Bu değişken şartlara rağmen olması istenilen değerlere yakın sonuçlar elde edilerek hibritYEK'ler ile oluşturulmuş şebekeye bağlı çalışan bir mikro şebeke modeli ve QPSK modülatör ve demodülatörlerle oluşturulmuş bir EHİ altyapısıliteratüre sunulmuştur.

In recent years, the reasons such as increasing energy demand, industrialization levels of the countries and consequently increasing electricity consumption, lack of communication, monitoring, control and automation have revealed the deficiencies of the traditional grid. Because of these deficiencies, the concept of smart grid (SG) have emerged instead of the traditional grid system, by inclusion of features such as remote monitoring and control.In the SG infrastructure, it is aimed to develop the features such as increasing energy efficiency, raisinggrid reliability and security.Moreover, the fact that fossil fuels produce harmful exausts to the environment, running out and the inability to meet the increasing energy demand.The integration of distributed sources such as solar, wind, hydroelectric, biomass, fuel cell, geothermal energy into the SG infrastructurebecomes an important issue.The micro grid (MG) systems have been improved to integrate these distributed sources into the utility grid by enabling them to work together.The MGs are one of the important steps in SGs and they encourage the use of different source types together to reduce energy scarcity around the world due to their operating modes, as grid-connected or island-mode. In order to make the SGsystem more reliable, the communication infrastructure is becoming an important issue in order to provide remote control, measurement and information interchange. The Power Line Communication (PLC), which is based on the transmission of signals over the existing power line, has become a popular topic with SGs. In this thesis, a hybrid distributed generation plant was modelled in MATLAB Simulink environment using renewable energy resources (RES)comprised by photovoltaic (PV), fuel cell and wind turbine of 39 kW, 100 kW and 50 kW power respectively. The various power electronics circuits and controllers were used to interface between the output of each plant and the dc bus. Since the solar and fuel cell plants generatedc output power, dc-dc boost converter has been used, while an uncontrolled rectifier and dc-dc boost converter has been used to generate 1000 Vdc bus voltage for ac output wind power plant. The boost converter connected to solar plant is controlled with incremental conductance maximum power point tracking (IC MPPT) algorithm, while the boost converters that are connected to fuel cell and wind power plants are controlled by proportional-integral (PI) controller. The generated 1000 Vdc bus voltage has been converted to ac voltage with inverter. In this conversion process, dc bus voltage, grid voltage and current input information were applied to the inverter controller which includes phase-locked loop (PLL). The three-phase inverter output with 400 Vrms voltage and 50 Hz frequency has been connected to 31,5 kV grid over 400 V/31,5 kV 50 MVA transformer. The output power of the boost converters connected to each plant were measured and data transmission was performed on existing power lines by PLC method. The line coupling circuit, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulator and demodulator were designed for this PLC infrastructure. The measured power rates were applied to the 400 V low voltage line via the QPSK modulator and line coupling interface where they have been recovered at a certain distance from the line to line coupling and QPSK demodulator. The hybrid power plant system is analyzed under different irradiation and wind speed variables where it is observed that the system follows the 400 V grid despite variable conditions. In addition, the transmission of power data were practized at different transmission line lengths up to 20 km and low time delays were observed in the PLC system. In spite of the variable operating conditions, the results were obtained quite close to the desired values and a grid-connected micro grid model has been proposed with hybrid RESs and a PLC infrastructure composed of QPSK modulators and demodulators are presented to the literature.