Üç fazlı nötr noktası kenetli eviriciler için ysa tabanlı kontrolcüler tasarlanması ve uygulanması

Abstract

Bu çalışmada, hücresel seviyeden başlanılarak yüksek güç seviyelerinde kullanılan dizi yapısına kadar detaylı bir şekilde fotovoltaik (FV) kaynaklar modellenmiş ve benzetimleri yapılmıştır. Sonrasında, üç fazlı üç seviyeli üç kollu ve dört bağlantı yollu nötr noktası kenetli (NNK) bir evirici sistemi tasarlanmış ve benzetim çalışmaları yapılmıştır. Eviricide akım kontrolü, karşılaştırma amacıyla öncelikle oransal-rezonans (PR) ve histerezis akım kontrolcüleri ile gerçekleştirilmiştir. Daha sonra benzetimden alınan PR akım kontrolcü verileri kullanılarak bir yapay sinir ağı (YSA) akım kontrolcüsü tasarlanmış ve eğitilmiştir. Tasarlanan YSA akım kontrolcüsü, çıkışın önceki değerinin kontrolcü girişlerinden biri olan dinamik yapıda bir nöral ağdır. Bu PR tabanlı YSA akım kontrolcüsünün ağ yapısı fazla işlem yükü gerektiren bir yapıda olmaması sayesinde uygulama kolaylığı getirmektedir. Literatürde bulunan, güç elektroniği uygulamalarında kullanılmış olan diğer YSA akım kontrolcüleri ile ağ yapılarının büyüklüğü ve görevleri esas alınarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca, NNK eviricilerinde görevi doğru akım bara kapasitörlerinin gerilimlerinin dengelenmesi olan bir kontrolör daha bulunmaktadır. Genellikle iki adet oransal-integral kontrolcü içeren bu gerilim dengeleme kontrolcüsü için de ayrı bir YSA tabanlı kontrolör geliştirilmiştir. YSA kapasitör gerilim dengeleyici kontrolcüsü, ağ çıkışının, ağın sadece o anki girişlerine bağlı olduğu statik yapıda tasarlanmıştır. Her iki YSA kontrolcü için de eğitim verileri benzetimden alınmıştır ve eğitimler çevrimdışı olarak gerçekleştirilmiştir. YSA kontrolcülerin performansı, dengeli/dengesiz, doğrusal/doğrusal olmayan yüklerle benzetim ortamında ve deneysel ortamda test edilmiştir. Benzetim çalışmaları MATLAB/Simulink ortamında, deneysel çalışmalar ise laboratuvar ortamında 9kVA'lık, üç fazlı bir NNK evirici devresi kurularak yapılmıştır. Ayrıca, tasarlanan YSA tabanlı kontrolcülerin performansı, benzetim ortamında şebeke bağlantılı üç fazlı bir FV evirici sistemiyle de test edilmiştir.

In this study, photovoltaic (PV) sources are modeled and simulated in detail, starting from the cellular level to the high power level. Then, a three-phase, three-level, three-leg and four-wire neutral point clamped (NPC) inverter system is designed and simulation studies are carried out. Current control in the inverter is carried out primarily with proportional-resonant (PR) and hysteresis current controllers for comparison purposes. Then, an artificial neural network (ANN) current controller is designed and trained using the PR current controller data from the simulation. The designed ANN current controller is a dynamic neural network in which one of the controller inputs is the previous value of the output. The network structure of this PR-based ANN current controller provides ease of application, since it does not require a high computational burden. It has been compared with other ANN current controllers existing in the literature, which have been used in power electronics applications, from the point of the size and functions of the network structures. In addition, NPC inverters have a controller whose task is to balance the voltages of direct current bus capacitors. A separate ANN-based controller is developed for this voltage balancing controller which usually includes two proportional-integral controllers. ANN capacitor voltage balancing controller is designed in a static structure where the network output depends only on the current inputs of the network. The training data for both ANN controllers are taken from the simulation and the trainings are realised off-line. The performance of ANN controllers is tested with balanced/unbalanced, linear/non-linear loads in both simulation and experimental environments. Simulation studies are carried out in MATLAB/Simulink environment, and experimental studies are carried out in laboratory environment by setting up a 9kVA, three-phase NPC inverter circuit. In addition, the performance of the designed ANN-based controllers is also tested with a three-phase grid-connected PV inverter system in the simulation environment.