PI-PD Denetleyicisi ile Fotovoltaik ve Rüzgar Türbini Entegre Bina Sisteminde Gerilim Kontrolü

Fosil yakıtların giderek azalması ile elektrik enerjisi üretimi, rüzgâr türbünü ve PV (fotovoltaik) gibi DC elektrik üreten diğer kaynaklara yönelmektedir. Bu kaynakların gerilim çıkış değerleri geniş bir aralıkta değiştiği için kaliteli ve sabit bir değerde çıkış gerilimi elde etmek için DC/AC invertörlerin kullanılması gerekmektedir. Enerji ihtiyacını güneş paneli ve rüzgâr türbinleri gibi sürekliliği olmayan yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılayan konut binalarında özellikle enerji talebinin çok keskin değişkenlik gösterdiği zamanlarda binaya sabit kalitede güç akışının sağlanması çok önemlidir. Bu çalışmada, yenilebilir enerji kaynakları (güneş paneli ve rüzgar türbünü) entegre akıllı bina sisteminde PI-PD kontrolör ile üç fazlı PWM (pulses width modulation) gerilim kaynaklı evirici sistemi (VSI) kontrol edilerek konutlarda tüketilen gerilim kontrol edilmesi amaçlanmıştır. Bu araştırmada önce binaya entegre üneş ve rüzgar sistemleri (BIPv/Wt-Bina Entegre PV Panel ve Rüzgar Türbini) tasarımı, daha sonra geri beslemeli gerilim kontrol döngüsü için PI-PD kontrolör tasarımı yapılmış, en son olarakta kontrol edilen sistem için simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir.. BIPv/Wt sisteminde binada kullanılan gerilimi kontrol etmek için kullandığımız DC/AC inverter sisteminde, kapalı gerilim kontrol döngüsünü kontrol etmek için PI-PD, klasik PI ve kesir dereceli PI kontrol yapıları kullanıldı. Bunun için BIPv/Wt sisteminin transfer fonksiyonu elde edildildi, daha sonra frekans cevap analizi yöntemiyle PI-PD kontrolörünün parametreleri hesaplandı. Kontrol yapılarının binaya sunulan gerilim üzerindeki etkilerini karşılaştırmak için iki test senaryosu için Matlab/Simulink platformunda sistemimizi kurup simulasyonlar gerçekleştirildi. Çizdirilen faz gerilimleri ve ölçülen gerilim harmonik değerlerine bağlı olarak bina sistemleri gibi gün için enerji talebi değişkenlik gösteren dinamik sistemler için PI-PD kontrol yapısının daha olumlu sonuçlar elde ettiği görülmüştür.

Voltage Control at Building Integrated Photovoltaic and Wind Turbine System with PI-PD Controller

With the gradual decline in fossil fuels, the area of interest for electric power generation has shifted to wind turbines and other sourcesof DC electricity such as PV (photovoltaic). Since the voltage output values of these sources vary over a wide range, DC/AC invertersshould be used which give a quality and constant value output voltage. In residential buildings that meet the energy need from noncontinuous renewable energy sources such as solar panels and wind turbines, it is very important to ensure constant quality powerflow to the building, especially when energy demand varies sharply. In this study, it is aimed to control the voltage consumed in thehouses by controlling the three phase PWM (pulses width modulation) voltage source inverter system (VSI) with PI-PD controller inthe integrated smart building system of renewable energy sources (solar panel and wind turbine). First the building integrated solarand wind systems (BIPv/Wt-Building Integrated PV Panel and Wind Turbine) design, then the controller design and the simulation ofthe system have been made at this research. We used PI-PD, integer order PI and fractional order PI control structures to control theclosed voltage control loop in the DC/AC inverter system used to control the voltage used in the building at the BIPv/Wt system. Forthat reason obtaining the transfer function of the BIPv/Wt system, then the parameters of the PI-PD controller were calculated usingthe frequency response analysis method. In order to compare the effects of the control structures on the voltage used in the building,we installed our system on the Matlab/Simulink platform and performed simulations for two test scenarios. Depending on the phasevoltages plotting and the harmonic values measured, it is seen that PI-PD control structure has more positive results for the dynamicsystems showing the energy demand for the day such as building systems.

PDF

___

Chaib A., Achour D., Kesraoui M. (2016) Control of a solar PV/wind hybrid energy system. Energy Procedia, 95, 89-97. doi: 10.1016/j.egypro.2016.09.028.
Dai Y-X., Wang H., Zeng G-Q. (2016) Double closed-loop PI control of three-phase inverters by binary-coded extremal optimization. IEEE Access, 4, 7621-7632, doi:10.1109/access.2016.2619691.
Gül O., Tan N. (2019) Application of Fractional Order Voltage Controller in Building Integrated Photovoltaic and Wind Turbine. Measurement and Control, 52(7-8), 1145-1158. doi:10.1177/0020294019858213.
Kaygusuz A., Keleş C., Alagöz B. B., Karabiber A. (2013) Renewable energy integration for smart sites. Energy and Building, 64, 456-462. doi:10.1016/j.enbuild.2013.05.031.
Kim K., Cha H., Kim H. G. A. (2017) A new single-phase switched-coupled-inductor DC-AC inverter for photovoltaic systems. IEEE Transaction on Power Electronics, 32, 5016-5018, doi:10.1109/tepel.2016.2606489.
Lenzen M., Wier M., Cohen C., Hayami H., Pachauri S., Schaeffer R. (2006) A comparative multivariate analysis of household energy requirements in Australia, Brazil, Denmark, India and Japan. Energy, 31, 181–207, doi:10.1016/j.energy.2005.01.009.
Lind A., Rosenberg E., Seljom P., Espegren K., Fidje A., Lindberg K. (2013) Analysis of the EU renewable energy directive by a techno-economic optimization model. Energy Policy, 60, 364–377. doi:10.1016/j.enpol.2013.05.053.
Liu S., Bi T., Xue A., Yang Q. (2012) An Optimal Method for Designing the Controllers Used in Grid-Connected PV Systems, Proceedings of IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON), Wollongong, Australia.
Luo Y., Chen Y., Wang C., Pi Y. G. (2010) Tuning fractional order proportional integral controllers for fractional order systems. Journal of Process Control , 20, 823-831, doi:10.1016/j.jprocont.2010.04.011.
Maiti D., Acharya A., Chakraborty M., Konar A., Janarthanan R. (2008) Tuning PID and Fractional PID Controllers using the Integral Time Absolute Error Criterion, 4th International Conference on Information and Automation for Sustainability, IEEE. doi:10.1109/iciafs.2008.4783932.
Malek H., Luo Y., Chen Y. (2013) Identification and tuning fractional order proportional integral controllers for time delayed systems with a fractional pole. Mechatronics, 23(7), 746-754, doi:10.1016/j.mechatronics.2013.02.005.
Malek H. (2014) Control of Grid-Connected Photovoltaic Systems Using Fractional Order Operators, PhD. Thesis, Utah University, Utah.
Mu K., Ma X., Mu X., Zhu D. (2011) Study on Passivity-Based Control of Voltage Source PWM DC/AC Inverter, International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, Harbin, China.
Nookuea W., Campana P. E., Yan J. (2016) Evaluation of solar PV and wind alternatives for self renewable energy supply: Case study of shrimp cultivation, Energy Procedia, 88, 462-469. doi: 10.1016/j.egypro.2016.06.026.
Rafiei S. M. R., Ghazi R., Asgharian R., Barakati M., Toliyat H. A. (2003) Robust Control of DC/DC PWM Converters: A comparison of H∞ , PIλ , and fuzzy logic based approaches, Proceedings of the IEEE 2003 Control Applications Conference, Istanbul, Turkey, 2003.
Rasoanarivo I., Arab-Tehrani K.., Sargos F. M. (2011) Fractional order PID and modulated hysteresis for high performance current control in multilevel inverters. Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), 2011, Orlando, FL, USA.
Tan N. (2009) Computation of Stabilizing PI-PD Controllers, International Journal of Control Automation and Systems, 7(2), 175- 184, doi:10.1007/s12555-009-0203.
Tehrani K. A., Capitaine T., Barrandon L., Hamzaoui M.,Rafiei S. M. R. (2011) Current Control Design with a Fractional-Order PID for a Three-Level Inverter, Power Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 2011,14th European Conference on Publication, Birmingham, England.