Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Investigation of the effects of Bessel and Butterworth filters on power calculation and analysis in grid connected photovoltaic system

Yıl 2023, , 689 - 700, 07.07.2023
https://doi.org/10.25092/baunfbed.1182279

Öz

In grid-connected photovoltaic (PV) systems, power electronic converters are needed to transfer direct current (DC) power output to the grid and DC-AC (alternating current) causes harmonics to occur during power conversion. Total harmonic distortions have a negative effect on power systems and cause undesirable problems in power quality. There are hardware and software solutions to reduce the effects of harmonics. In order to improve the power quality in the grid connected PV system, the reference current and voltage values, including the control structures of the converter and inverter circuits, must be measured with high accuracy. The high accuracy of the power calculation of the control structures of these circuits will cause the electrical parameters of the PV system such as active power, reactive power and phase angle to be obtained without error. In this study, Butterworth and Bessel digital filters are used in order to contribute to the power calculation by minimizing the distortions in the electrical signals, instead of the traditional power analysis block used in the literature for high accuracy power calculation and analysis in PV systems. In the simulation study performed in LabVIEW environment, the noisy reference signal has been successfully reduced by providing high accuracy power calculation in both filter types. In this way, the total harmonic distortion (THB) values of the Butterworth filter are also improved. The Butterworth filter used in the study was more successful than the Bessel filter in power calculation and THB.

Kaynakça

  • Baharudin, N.H., Mansur, T.M.N.T., Hamid, F.A., Ali, R. ve Misrun, M.I., Topologies of DC-DC converter in solar PV application, Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, 8, 368-374, (2017).
  • Ghaderi, D., Bayrak, G., Guerrero, J.M., Grid code compatibility and real-time performance analysis of an efficient inverter topology for PV-based microgrid applications, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 128, (2021).
  • Barutcu, I.C., Karatepe, E., Boztepe, M., Impact of harmonic limits on PV penetration levels in unbalanced distribution networks considering load and irradiance uncertainty, International Journal of Electrical Power & Energy System, 118, (2020).
  • Bayrak, G., Yılmaz, A., Çakmak, R., A new Fuzzy & Wavelet –based adaptive thresholding method for detecting PQDs in a hydrogen and solar-energy powered EV charging station, International Journal of Hydrogen Energy, 48, 18, (2023).
  • Sreedevi, J., Ashwin, N. and Raju, M.N., A study on grid connected PV system, 2016 National Power Systems Conference /NPSC), 1-6, (2016).
  • Ertekin, D., Bayrak, G., Subramaniam, U., A Demand Side Management Controller Configuration for Interleaved DC‐DC Converters Applicable for Renewable Energy Sources, Electrical and Electronic Devices, Circuit and Materials, pp. 493-516, (2021).
  • Chidurala, A., Saha, T.K., Mithulananthan, N., Harmonic impact of high penetration photovoltaic system on unbalanced distribution networks – learning from an urban photovoltaic network, IET Renewable Power Generation, 10,4, 485-494, (2016).
  • Alhafadli, L., Total harmonic distortion reduction using adaptive, weiner and kalman filters, Msc thesis, Western Michigan University, Electrical and Computer Engineering, Michigan, (2016).
  • Alhafadli, L. and The, J., Advanced in reduction of total harmonic distortion in solar photovoltaic system: A literature review, Internation Journal of Energy Research, (2019).
  • A. N. Serov, N. A. Serov and A. A. Lupachev, "The Application of Digital Filtration for the Active Power Measurement," 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St. Petersburg, Russia, 2018, pp. 88-92
  • A. A. S. Mohamed, A. Berzoy and O. A. Mohammed, "Adaptive Transversal digital Filter for reference current detection in shunt active power filter," 2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting, Denver, CO, USA, 2015, pp. 1-5.
  • Byung-Moon Han, Byong-Yeul Bae and S. J. Ovaska, "Reference signal generator for active power filters using improved adaptive predictive filter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 2, pp. 576-584, April 2005.
  • P. Shukl and B. Singh, "Recursive Digital Filter Based Control for Power Quality Improvement of Grid Tied Solar PV System," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, no. 4, pp. 3412-3421, July-Aug. 2020.
  • Yıldırım, F., Kaya, İ., Yüngül, E.O., Kahveci, S., “ Reaktif güç ölçümü için bir sayısal filtre tasarımı,” 2022 Elektrik-Elektronik ve Biyomedikal Mühendisliği Konferansı (ELECO), Bursa, Türkiye, 2022.
  • G. Chaithanya, L. S. Rao, K. P. Priya, C. S. N. Polepalli and A. Vikash, "Power Quality Enhancement Based on a Recursive Digital Filter by Using Cascaded Distributed Grid-Solar PV System," 2022 International Conference on Intelligent Controller and Computing for Smart Power (ICICCSP), Hyderabad, India, 2022, pp. 1-6
  • Thakur, R., Pandey, M.K. and Gupta, N., Filtering of noise in audio/voice signal, 2018 3rd International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I), 119-123, (2018).
  • Bogdan, M. and Panu, M., LabVIEW modelling and simulation, of the digital filters, 2015 13th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems (EMES), 1-4, (2015).
  • Singh, Y., Tripathi, S., Pandey, M., Analysis of digital IIR filter with LabVIEW, International Journal of Computer Applications, 10, 6, (2010).
  • Jiang, A. and Kwan, H.K., IIR digital filter design with novel stability criterion based on argument principle, 2007 IEEE International Symposium on Circuit and Systems, 2339-2342, (2007).
  • Hamamcı, S.E., Elektrik filtreleri tasarım programı, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (1997).
  • Tanyıldız, T., Akıllı yöntemlerle sayısal filter tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (2012).
  • Kürker, F., Taşaltın, R., Elektrik tesislerinde harmoniklerin meydana getirdiği kayıpların analizi, ADYU Mühendislik Dergisi, 5, 21-38, (2016).
  • A. Ullah, I. U. H. Sheikh, S. Arshad, and F. Saleem, "Digital Active Power Filter Controller Design for Current Harmonics in Power System," 2019 16th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST), Islamabad, Pakistan, 2019, pp. 384-388.
  • M. R. Miveh, M. F. Rahmat, A. A. Ghadimi, and M. W. Mustafa, “Power Quality Improvement in Autonomous Microgrids Using Multi-functional Voltage Source Inverters: A Comprehensive Review,” Journal of Power Electronics, vol. 15, no. 4, pp. 1054–1065, Jul. 2015.
  • Bayrak G. Ertekin D, Haes Alhelou H, Siano P. “A Real-Time Energy Management System Design for a Developed PV-Based Distributed Generator Considering the Grid Code Requirements in Turkey.” Energies, 2021; 14(20):6684.
  • Yılmaz A., Bayrak G. “A new signal processing-based islanding detection method using pyramidal algorithm with undecimated wavelet transform for distributed generators of hydrogen energy.” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, iss 45, 2022.
  • li B., Alam, M.U., Khan, Z.H., Wagar, A. and Ahmad, J., Comparison of high frequency filters for power system regulation, 2018 International Conference on Computing Mathematics and Engineering Technologies (iCoMET), 1-7, (2018).

Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Yıl 2023, , 689 - 700, 07.07.2023
https://doi.org/10.25092/baunfbed.1182279

Öz

Şebeke bağlantılı fotovoltaik (FV) sistemlerde doğru akım (DA) güç çıkışının şebekeye aktarılabilmesi için güç elektroniği dönüştürücülerine ihtiyaç duyulmakta ve DA-AA (alternatif akım) güç dönüşümü sırasında harmoniklerin oluşmasına neden olmaktadır. Toplam harmonik bozulmalar güç sistemlerine olumsuz yönde etkide bulunmakta ve güç kalitesinde istenmeyen sorunlara yol açmaktadır. Harmoniklerin etkilerini azaltmak için donanımsal ve yazılımsal çözümler bulunmaktadır. Şebeke bağlantılı FV sistemde güç kalitesinin iyileştirilmesi için dönüştürücü ve inverter devrelerinin kontrol yapıları olmak üzere, referans akım ve gerilim değerlerinin yüksek doğrulukta ölçülmesi gerekmektedir. Bu devrelerin kontrol yapılarının güç hesabının yüksek doğrulukta olması, FV sistemin aktif güç, reaktif güç ve faz açısı gibi elektriksel parametrelerinin hatasız olarak elde edilmesine neden olacaktır. Bu çalışmada, FV sistemlerde güç hesabının ve analizinin yüksek doğrulukta yapılabilmesi için literatürde kullanılan geleneksel güç analizi bloğu yerine, elektriksel sinyallerdeki bozulmaları en aza indirerek güç hesabına katkı sağlamak amacıyla Butterworth ve Bessel dijital filtreleri kullanılmıştır. LabVIEW ortamında yapılan simülasyon çalışmasında, gürültülü referans sinyali iki filtre türünde de güç hesabının yüksek doğrulukta yapılmasını sağlayarak gürültüyü başarılı bir şekilde azaltılmıştır. Bu sayede, Butterworth filtresinin toplam harmonik bozulma (THB) değerleri de iyileştirilmiştir. Çalışmada kullanılan Butterworth filtresi, güç hesabı ve THB konusunda Bessel filtresine göre daha başarılı olmuştur.

Kaynakça

  • Baharudin, N.H., Mansur, T.M.N.T., Hamid, F.A., Ali, R. ve Misrun, M.I., Topologies of DC-DC converter in solar PV application, Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, 8, 368-374, (2017).
  • Ghaderi, D., Bayrak, G., Guerrero, J.M., Grid code compatibility and real-time performance analysis of an efficient inverter topology for PV-based microgrid applications, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 128, (2021).
  • Barutcu, I.C., Karatepe, E., Boztepe, M., Impact of harmonic limits on PV penetration levels in unbalanced distribution networks considering load and irradiance uncertainty, International Journal of Electrical Power & Energy System, 118, (2020).
  • Bayrak, G., Yılmaz, A., Çakmak, R., A new Fuzzy & Wavelet –based adaptive thresholding method for detecting PQDs in a hydrogen and solar-energy powered EV charging station, International Journal of Hydrogen Energy, 48, 18, (2023).
  • Sreedevi, J., Ashwin, N. and Raju, M.N., A study on grid connected PV system, 2016 National Power Systems Conference /NPSC), 1-6, (2016).
  • Ertekin, D., Bayrak, G., Subramaniam, U., A Demand Side Management Controller Configuration for Interleaved DC‐DC Converters Applicable for Renewable Energy Sources, Electrical and Electronic Devices, Circuit and Materials, pp. 493-516, (2021).
  • Chidurala, A., Saha, T.K., Mithulananthan, N., Harmonic impact of high penetration photovoltaic system on unbalanced distribution networks – learning from an urban photovoltaic network, IET Renewable Power Generation, 10,4, 485-494, (2016).
  • Alhafadli, L., Total harmonic distortion reduction using adaptive, weiner and kalman filters, Msc thesis, Western Michigan University, Electrical and Computer Engineering, Michigan, (2016).
  • Alhafadli, L. and The, J., Advanced in reduction of total harmonic distortion in solar photovoltaic system: A literature review, Internation Journal of Energy Research, (2019).
  • A. N. Serov, N. A. Serov and A. A. Lupachev, "The Application of Digital Filtration for the Active Power Measurement," 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St. Petersburg, Russia, 2018, pp. 88-92
  • A. A. S. Mohamed, A. Berzoy and O. A. Mohammed, "Adaptive Transversal digital Filter for reference current detection in shunt active power filter," 2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting, Denver, CO, USA, 2015, pp. 1-5.
  • Byung-Moon Han, Byong-Yeul Bae and S. J. Ovaska, "Reference signal generator for active power filters using improved adaptive predictive filter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 2, pp. 576-584, April 2005.
  • P. Shukl and B. Singh, "Recursive Digital Filter Based Control for Power Quality Improvement of Grid Tied Solar PV System," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, no. 4, pp. 3412-3421, July-Aug. 2020.
  • Yıldırım, F., Kaya, İ., Yüngül, E.O., Kahveci, S., “ Reaktif güç ölçümü için bir sayısal filtre tasarımı,” 2022 Elektrik-Elektronik ve Biyomedikal Mühendisliği Konferansı (ELECO), Bursa, Türkiye, 2022.
  • G. Chaithanya, L. S. Rao, K. P. Priya, C. S. N. Polepalli and A. Vikash, "Power Quality Enhancement Based on a Recursive Digital Filter by Using Cascaded Distributed Grid-Solar PV System," 2022 International Conference on Intelligent Controller and Computing for Smart Power (ICICCSP), Hyderabad, India, 2022, pp. 1-6
  • Thakur, R., Pandey, M.K. and Gupta, N., Filtering of noise in audio/voice signal, 2018 3rd International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I), 119-123, (2018).
  • Bogdan, M. and Panu, M., LabVIEW modelling and simulation, of the digital filters, 2015 13th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems (EMES), 1-4, (2015).
  • Singh, Y., Tripathi, S., Pandey, M., Analysis of digital IIR filter with LabVIEW, International Journal of Computer Applications, 10, 6, (2010).
  • Jiang, A. and Kwan, H.K., IIR digital filter design with novel stability criterion based on argument principle, 2007 IEEE International Symposium on Circuit and Systems, 2339-2342, (2007).
  • Hamamcı, S.E., Elektrik filtreleri tasarım programı, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (1997).
  • Tanyıldız, T., Akıllı yöntemlerle sayısal filter tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (2012).
  • Kürker, F., Taşaltın, R., Elektrik tesislerinde harmoniklerin meydana getirdiği kayıpların analizi, ADYU Mühendislik Dergisi, 5, 21-38, (2016).
  • A. Ullah, I. U. H. Sheikh, S. Arshad, and F. Saleem, "Digital Active Power Filter Controller Design for Current Harmonics in Power System," 2019 16th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST), Islamabad, Pakistan, 2019, pp. 384-388.
  • M. R. Miveh, M. F. Rahmat, A. A. Ghadimi, and M. W. Mustafa, “Power Quality Improvement in Autonomous Microgrids Using Multi-functional Voltage Source Inverters: A Comprehensive Review,” Journal of Power Electronics, vol. 15, no. 4, pp. 1054–1065, Jul. 2015.
  • Bayrak G. Ertekin D, Haes Alhelou H, Siano P. “A Real-Time Energy Management System Design for a Developed PV-Based Distributed Generator Considering the Grid Code Requirements in Turkey.” Energies, 2021; 14(20):6684.
  • Yılmaz A., Bayrak G. “A new signal processing-based islanding detection method using pyramidal algorithm with undecimated wavelet transform for distributed generators of hydrogen energy.” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, iss 45, 2022.
  • li B., Alam, M.U., Khan, Z.H., Wagar, A. and Ahmad, J., Comparison of high frequency filters for power system regulation, 2018 International Conference on Computing Mathematics and Engineering Technologies (iCoMET), 1-7, (2018).
Toplam 27 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mühendislik
Bölüm Araştırma Makalesi
Yazarlar

Emrullah Aslankaya 0000-0003-2836-1732

Gökay Bayrak 0000-0002-5136-0829

Erken Görünüm Tarihi 6 Temmuz 2023
Yayımlanma Tarihi 7 Temmuz 2023
Gönderilme Tarihi 30 Eylül 2022
Yayımlandığı Sayı Yıl 2023

Kaynak Göster

APA Aslankaya, E., & Bayrak, G. (2023). Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 25(2), 689-700. https://doi.org/10.25092/baunfbed.1182279
AMA Aslankaya E, Bayrak G. Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. BAUN Fen. Bil. Enst. Dergisi. Temmuz 2023;25(2):689-700. doi:10.25092/baunfbed.1182279
Chicago Aslankaya, Emrullah, ve Gökay Bayrak. “Şebeke bağlantılı Fotovoltaik Sistemlerde Bessel Ve Butterworth Filtrelerinin güç Hesabı Ve Analizi üzerindeki Etkilerinin Incelenmesi”. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 25, sy. 2 (Temmuz 2023): 689-700. https://doi.org/10.25092/baunfbed.1182279.
EndNote Aslankaya E, Bayrak G (01 Temmuz 2023) Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 25 2 689–700.
IEEE E. Aslankaya ve G. Bayrak, “Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi”, BAUN Fen. Bil. Enst. Dergisi, c. 25, sy. 2, ss. 689–700, 2023, doi: 10.25092/baunfbed.1182279.
ISNAD Aslankaya, Emrullah - Bayrak, Gökay. “Şebeke bağlantılı Fotovoltaik Sistemlerde Bessel Ve Butterworth Filtrelerinin güç Hesabı Ve Analizi üzerindeki Etkilerinin Incelenmesi”. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 25/2 (Temmuz 2023), 689-700. https://doi.org/10.25092/baunfbed.1182279.
JAMA Aslankaya E, Bayrak G. Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. BAUN Fen. Bil. Enst. Dergisi. 2023;25:689–700.
MLA Aslankaya, Emrullah ve Gökay Bayrak. “Şebeke bağlantılı Fotovoltaik Sistemlerde Bessel Ve Butterworth Filtrelerinin güç Hesabı Ve Analizi üzerindeki Etkilerinin Incelenmesi”. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c. 25, sy. 2, 2023, ss. 689-00, doi:10.25092/baunfbed.1182279.
Vancouver Aslankaya E, Bayrak G. Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde Bessel ve Butterworth filtrelerinin güç hesabı ve analizi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. BAUN Fen. Bil. Enst. Dergisi. 2023;25(2):689-700.