geliştirilen denetim...

6
Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi için Geliştirilen Denetim Algoritması Control Algorithm for Multi-level Inverter based Parallel Active Power Filter Korhan Karaarslan, Birol Arifoğlu, Ersoy Beşer, Sabri Çamur Elektrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Özet Bu makalede, çok seviyeli evirici tabanlı paralel aktif güç filtresi kontrol birimi için geliştirilen denetim algoritmasına yer verilmiştir. Öncelikle, kontrol birimi çıkışında elde edilen anahtarlama sinyallerinin uygulanacağı evirici birimi kendisini oluşturan modüller yardımıyla tanıtılmıştır. Evirici birimindeki seviye modülü sayısı arttıkça şebeke akımının toplam harmonik bozunumunun (THB) azaldığı belirlenmiştir. Paralel aktif güç filtresi uygulamasında gerekli olan anahtarlama sinyallerinin üretilmesi için geliştirilen denetim algoritması formüller ile ortaya konmuştur. Belirlenen harmonik bileşenlere sahip filtre akımının sağlanması için gerekli tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Farklı seviye modülü sayısına sahip evirici birimleri ve değişik harmonik bozunum değerleri için yapılan simülasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar, geliştirilen denetim stratejisinin uygun şekilde çalıştığını ispatlamaktadır. Abstract In this paper, control algorithm for control block of a multi- level inverter-based parallel active power filter is presented. First, inverter block where switching signals at the output of control block are applied to, is introduced by its constituent modules. It is determined that the total harmonic distortion (THD) of source current is decreased as the number of level modules is increased. Control algorithm developed for generating switching signals for active power filtering, is described by formulas. Results of simulation studies have proved that control strategy is working properly for inverter blocks having different number of level modules and for different harmonic distortion values. 1. Giriş Güç elektroniği alanında yaşanan gelişmeler beraberinde ark ve pota ocakları, motor sürücüleri, anahtarlamalı güç kaynakları, doğrultucular ve DA/DA dönüştürücüler gibi doğrusal olmayan yüklerin kullanımını yaygınlaştırmıştır. Bu tip yükler, iletim ve dağıtım sistemlerinde güç kalitesi problemlerinin artmasına neden olmaktadır. Bir güç kalitesi problemi olan akım ve gerilim harmonikleri, modern hassas yüklerin üretim süreçlerindeki kullanımının artışına paralel olarak daha ciddi bir problem ve bu alanda çalışmaların yoğunlaştığı önemli bir konu başlığı haline gelmiştir [1]. Güç kalitesi problemlerinin giderek artmasına ek olarak, klasik bir çözüm olan pasif filtrelerin çok yer kaplamaları, sadece belirlenen harmonik bileşen için filtreleme imkanı sunmaları, performanslarının şebeke empedansına bağlı olması ve en önemlisi şebeke ve/veya yük ile rezonans devreleri oluşturmaları harmoniklerden kaynaklı problemlerin giderilmesinde aktif güç filtrelerine olan ilgiyi arttırmıştır. Harmoniklerin süzülmesi, reaktif güç kompanzasyonu, rezonansların bastırılması ve gerilim regülasyonu gibi birçok problemin çözümünde uygulama imkanı bulan aktif güç filtreleri, esas olarak şebekeye bağlantı şekillerine göre paralel ve seri olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır. Paralel aktif güç filtreleri, harmonik akım kaynağı gibi davranan doğrusal olmayan yüklerin yarattığı problemlerin giderilmesinde kullanılmaktadır. Genellikle, bir transformatör üzerinden sisteme bağlanan seri aktif güç filtreleri ise gerilim harmoniklerini elimine ederek gerilim regülasyonunu sağlamaktadır. Yük + Şebeke Evirici Birimi Harmonik Belirleme Birimi Kontrol Birimi Iref Q0 Vş İy İf Mikrodenetleyici Q0 Q2H İy İf Vş L f Q2L Şekil 1: Paralel aktif güç filtresi prensip şeması. Aktif güç filtrelerinin çalışma prensibi, örneklenen yük akım ve/veya gerilim dalga şekillerinden bir takım kontrol teknikleriyle üretilen referans akım ve/veya gerilim dalga şekillerinin kontrollü yarı-iletken güç anahtarları yardımı ile Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa 273

Upload: duongthu

Post on 30-May-2019

239 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi için

Geliştirilen Denetim Algoritması

Control Algorithm for Multi-level Inverter based Parallel Active Power Filter

Korhan Karaarslan, Birol Arifoğlu, Ersoy Beşer, Sabri Çamur

Elektrik Mühendisliği Bölümü

Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Özet

Bu makalede, çok seviyeli evirici tabanlı paralel aktif güç

filtresi kontrol birimi için geliştirilen denetim algoritmasına

yer verilmiştir. Öncelikle, kontrol birimi çıkışında elde edilen

anahtarlama sinyallerinin uygulanacağı evirici birimi

kendisini oluşturan modüller yardımıyla tanıtılmıştır. Evirici

birimindeki seviye modülü sayısı arttıkça şebeke akımının

toplam harmonik bozunumunun (THB) azaldığı belirlenmiştir.

Paralel aktif güç filtresi uygulamasında gerekli olan

anahtarlama sinyallerinin üretilmesi için geliştirilen denetim

algoritması formüller ile ortaya konmuştur. Belirlenen

harmonik bileşenlere sahip filtre akımının sağlanması için

gerekli tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler ayrıntılı

olarak gösterilmiştir. Farklı seviye modülü sayısına sahip

evirici birimleri ve değişik harmonik bozunum değerleri için

yapılan simülasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar,

geliştirilen denetim stratejisinin uygun şekilde çalıştığını

ispatlamaktadır.

Abstract

In this paper, control algorithm for control block of a multi-

level inverter-based parallel active power filter is presented.

First, inverter block where switching signals at the output of

control block are applied to, is introduced by its constituent

modules. It is determined that the total harmonic distortion

(THD) of source current is decreased as the number of level

modules is increased. Control algorithm developed for

generating switching signals for active power filtering, is

described by formulas. Results of simulation studies have

proved that control strategy is working properly for inverter

blocks having different number of level modules and for

different harmonic distortion values.

1. Giriş

Güç elektroniği alanında yaşanan gelişmeler beraberinde ark

ve pota ocakları, motor sürücüleri, anahtarlamalı güç

kaynakları, doğrultucular ve DA/DA dönüştürücüler gibi

doğrusal olmayan yüklerin kullanımını yaygınlaştırmıştır. Bu

tip yükler, iletim ve dağıtım sistemlerinde güç kalitesi

problemlerinin artmasına neden olmaktadır. Bir güç kalitesi

problemi olan akım ve gerilim harmonikleri, modern hassas

yüklerin üretim süreçlerindeki kullanımının artışına paralel

olarak daha ciddi bir problem ve bu alanda çalışmaların

yoğunlaştığı önemli bir konu başlığı haline gelmiştir [1].

Güç kalitesi problemlerinin giderek artmasına ek olarak, klasik

bir çözüm olan pasif filtrelerin çok yer kaplamaları, sadece

belirlenen harmonik bileşen için filtreleme imkanı sunmaları,

performanslarının şebeke empedansına bağlı olması ve en

önemlisi şebeke ve/veya yük ile rezonans devreleri

oluşturmaları harmoniklerden kaynaklı problemlerin

giderilmesinde aktif güç filtrelerine olan ilgiyi arttırmıştır.

Harmoniklerin süzülmesi, reaktif güç kompanzasyonu,

rezonansların bastırılması ve gerilim regülasyonu gibi birçok

problemin çözümünde uygulama imkanı bulan aktif güç

filtreleri, esas olarak şebekeye bağlantı şekillerine göre paralel

ve seri olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır. Paralel

aktif güç filtreleri, harmonik akım kaynağı gibi davranan

doğrusal olmayan yüklerin yarattığı problemlerin

giderilmesinde kullanılmaktadır. Genellikle, bir transformatör

üzerinden sisteme bağlanan seri aktif güç filtreleri ise gerilim

harmoniklerini elimine ederek gerilim regülasyonunu

sağlamaktadır.

Yük

+

Şeb

eke

Evirici Birimi

Harmonik Belirleme

Birimi

KontrolBirimi

Iref

Q0

Vşİyİf

Mikrodenetleyici

Q0

Q2H

İy

İfVş Lf

Q2L

Şekil 1: Paralel aktif güç filtresi prensip şeması.

Aktif güç filtrelerinin çalışma prensibi, örneklenen yük akım

ve/veya gerilim dalga şekillerinden bir takım kontrol

teknikleriyle üretilen referans akım ve/veya gerilim dalga

şekillerinin kontrollü yarı-iletken güç anahtarları yardımı ile

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

273

Page 2: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

üretilmesi ve sisteme enjekte edilmesine dayanmaktadır [1].

Bu çalışma prensibine dayanarak aktif güç filtrelerinin

harmonik belirleme, kontrol ve evirici birimi olmak üzere üç

ana bölümden oluştuğu söylenebilir. Şekil 1’de, bu çalışma

prensibine sahip bir paralel aktif güç filtresi prensip şeması

görülmektedir. Genellikle, harmonik belirleme birimi ile

kontrol birimi bir arada tanımlanmaktadır.

Harmonik belirleme birimi, örneklenen yük akım ve/veya

gerilim dalga şekillerinden harmonikleri bir algoritma

yardımıyla tespit eden ve böylelikle referans sinyali belirleyen

kısımdır. Harmoniklerin belirlenmesi için geliştirilmiş

algoritmalar bu birimde yürütülmektedir. Bu algoritmalar,

genel olarak frekans ve zaman domeni tabanlı yöntemler

olarak iki grup altında toplanmaktadır. Aktif güç filtrelerinde

harmonikleri belirlemek amacıyla kullanılan frekans domeni

yöntemleri Ayrık Fourier (DFT), Hızlı Fourier (FFT) ve

Kayan Ayrık Fourier (S-DFT) dönüşümleridir. Aynı amaçla

uygulanmış zaman domeni yöntemleri ise sabit referans (αβ-

dönüşümü), senkron referans (dq-dönüşümü) ve hibrid (αβ/dq)

referans dönüşümleri ile anlık güç teorisi (p-q teorisi) ve

yapay sinir ağları tabanlı tekniklerdir [2,3].

Akım veya gerilim kontrol biriminin girişinde, harmonik

belirleme biriminde belirlenmiş referans sinyal ve çıkışında ise

evirici birimi anahtarlama sinyalleri bulunur. Bu birimin aktif

güç filtresinin çalışma prensibine katkısı, kontrollü yarı-

iletken güç anahtarlarına ait anahtarlama sinyallerinin

üretilmesidir. Bu amaçla, literatürde Darbe Genişlik Ayarı (

DGA), Sinüzoidal DGA, histerezis kontrol ve son zamanlarda

dijital sinyal işleme uygulamalarında sıkça kullanılan “dead-

beat” adı verilen kontrol tekniklerinin kullanıldığı

görülmektedir.

Aktif güç filtresi evirici birimi, harmonik belirleme yöntemi

ile elde edilen referans sinyale göre filtre çıkış geriliminin (VF)

üretildiği kısımdır. Kontrol biriminden gelen anahtarlama

sinyalleri, eviricinin filtre çıkış gerilimini üretmesi amacıyla

kullanılmaktadır. Literatürde, yarı-iletken güç anahtarları

sayısı azaltılarak uygulanan kontrol yönteminin karmaşıklığını

ortadan kaldırmaya yönelik farklı evirici birimlerine sahip

birçok çalışma yapılmıştır [4]. Anahtarlama frekansı, yarı-

iletken güç anahtarları üzerindeki dv/dt gerilim stresi, verim,

elektromanyetik etkileşim, harmonik bozunum ve çıkış filtresi

gerekliliği gibi birçok özellik de dikkate alındığında çok

seviyeli evirici topolojilerinin aktif güç filtresi

uygulamalarında sıklıkla tercih edildiği görülmüştür [5-7].

Literatürde diyot kenetlemeli ve flying kapasitörlü çok seviyeli

evirici tabanlı aktif güç filtrelerini konu alan çalışmaların

bulunmasına karşın, aktif güç filtresi uygulamalarında en sık

karşılaşılan topolojinin çok seviyeli kaskat bağlı H-köprü

evirici olduğu belirlenmiştir. Bu evirici topolojisinin aktif güç

filtresi çalışmalarında tercih edilmesinin nedenleri arasında

yüksek gerilimli ve yüksek güçlü uygulamalara elverişli

olması, anahtarlama elemanı üzerindeki dv/dt gerilim stresinin

az olması ve çıkış gerilimi toplam harmonik bozunum

değerinin düşük olması sayılabilir [8-11].

Çok seviyeli eviriciler sinüs formunda çıkış gerilimi

üretebilmenin yanında istenilen harmoniklere sahip çıkış

gerilimi de üretebilmektedir. Bu sayede, çok seviyeli eviriciler

aktif güç filtresi uygulamalarında kullanılmaktadır [11]. Bu

çalışmada, çok seviyeli evirici tabanlı paralel aktif güç filtresi

uygulaması için geliştirilen denetim algoritmasının tanıtımı

yapılmıştır. Bir endüktans aracılığıyla akım sinyaline

dönüştürülen evirici çıkış geriliminin elde edilmesi için

gerekli anahtarlama sinyalleri ve filtreleme işlemine ait diğer

sonuçlar gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları ile ortaya

konulmuştur. Gerçekleştirilen simülasyon çalışmalarına ait

sonuçlar, geliştirilen stratejinin düzgün bir şekilde çalıştığını

doğrulamaktadır.

2. Paralel aktif güç filtresi

Paralel aktif güç filtreleri, güç kalitesi problemi olan akım

harmoniklerinin filtrelenmesi, dengesizliklerin giderilmesi ve

reaktif güç kompanzasyonu gerçekleştirmek amacıyla

kullanılmaktadır [1]. Filtre çıkış geriliminin (VF)

üretilebilmesi için, şebeke gerilimi ile yük akımı ölçümleri

anlık olarak kullanılmaktadır. Belirlenen referans sinyal,

kontrol biriminde işlenerek evirici anahtarlama sinyalleri

oluşturulmaktadır.

2.1. Kaskat bağlı çok seviyeli evirici yapısı

Şekil 2’de paralel aktif güç filtresi uygulaması için

kullanılacak kaskat bağlı çok seviyeli eviricinin prensip şeması

görülmektedir. Evirici, temel olarak seviye modülü ve H-

köprü modülü olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır [12].

Şekil 2: 7 seviyeli evirici için verilen prensip şeması.

Burada,

n : Çıkış gerilimi seviye sayısı

m : Seviye modülü sayısı

r : Anahtarlama elemanı sayısı

olmak üzere seviye modülü sayısına (m) bağlı olarak elde

edilebilecek en yüksek seviye sayısı,

12n )1m( (1)

denklemi ile bulunmaktadır. Seviye modülü sayısına (m) bağlı

olarak devrede kullanılan anahtarlama elemanı sayısı ise,

4m2r (2)

eşitliği ile hesaplanmaktadır.

2.1.1. Seviye modülü

Seviye modülleri, Şekil 2’de görüldüğü üzere 2 anahtarlama

elemanı ve 1 kaynaktan meydana gelmektedir.

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

274

Page 3: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

Çıkış geriliminde istenilen seviye sayısı ve maksimum gerilim

değerine göre birinci seviye modülünde kullanılacak kaynağın

gerilimi (Vd), (3) denklemi kullanılarak bulunmaktadır. Vd

gerilimine, birinci seviye modülü gerilimi veya temel seviye

gerilimi denilmektedir. Kaskat bağlanacak diğer seviye

modüllerindeki gerilim kaynaklarının değeri, temel seviye

geriliminin )1j(2 katı olmaktadır.

1n

V.2V max

d

(3)

Seviye sayısına bağlı olarak kullanılacak seviye modülü sayısı

(m) ise (1) denkleminden

1)1n(logm 2 (4)

bulunabilmektedir. Her bir seviye modülünde bulunan

kaynağın gerilimi ise d)1j( V.2 olarak ifade edilmektedir.

Burada j,

j = 1, 2, 3, ..., m şeklinde tanımlanmaktadır.

2.1.2. H-köprü modülü

Şekil 2’de görülen H-köprü modülünün yapısı geleneksel H-

köprü evirici yapısındadır. H-köprü modülü, çok seviyeli

eviricinin sabit olan kısmıdır. Seviye sayısını arttırmak

amacıyla geleneksel H-köprü yapıya birbirine seri bağlı seviye

modülleri Şekil 2’de görüldüğü gibi bağlanmaktadır.

Tablo 1’de, çıkış gerilimi seviye sayısı ve anahtarlama elemanı

sayısının seri bağlı seviye modüllerine göre değişimi

gösterilmektedir. Burada, seviye modülü sayısına (m) bağlı

olarak elde edilebilecek en yüksek çıkış gerilimi seviye sayısı

(n), (1) denklemi kullanılarak hesaplanmaktadır. Aynı seviye

modülü sayısı için ara değerde seviye sayısı da elde

edilebilmektedir. Örneğin, seviye modülü sayısı 3 olan bir

evirici tasarımı ile en yüksek 15 seviyeli bir gerilim dalga şekli

elde edilebildiği gibi 9, 11 ya da 13 seviyeli gerilim dalga

şekilleri de elde edilebilmektedir. Tablo 1’ deki anahtar

sayıları incelendiğinde, seviye modülü sayısına bağlı olarak

anahtarlama elemanı sayısı (r), (2) denklemi sayesinde

tasarlanacak her bir evirici için kolayca bulunabilmektedir

[12].

Tablo 1: Çıkış gerilimi seviye sayısı ve anahtarlama elemanı

sayısının seri bağlı seviye modüllerine göre değişimi

Kaskat

Seviye

Modülü

LM

1

LM

2

LM

3 …

LM

(m)

Kaynak

Oranı 1.Vd 2.Vd 4.Vd …

)1m(2 .V

d

S

eviy

e sa

yısı

An

ah

tar

sayı

3

6

7

8

15

10

)1m(2

-1

2m+4

3. Geliştirilen denetim algoritması

Bölüm 2’de bahsedilen evirici yapısı ile seviye sayısı

kolaylıkla arttırılabilmekte ve bu sayede düşük THB değerine

sahip evirici çıkış gerilimi elde edilebilmektedir. Aynı

zamanda, bu topoloji ile çıkışta istenilen harmonik bileşenlere

sahip gerilim dalga şekli de üretilebilmektedir. Anahtarlama

sinyallerinin elde edilmesi amacıyla geliştirilen denetim

algoritması ile bu çıkış gerilimi kolaylıkla oluşturulmaktadır.

Bu amaçla, öncelikle istenilen harmonik bileşenleri içinde

barındıran referans gerilim sinyalinin tanımlanması

gerekmektedir [13]. Tüm harmonik bileşenlerin olduğu

referans gerilim (5) denklemindeki gibi tanımlanmaktadır;

1hhh

dcref )thsin(V

2

VV (5)

Referans gerilim sinyali, harmonik belirleme birimi tarafından

bulunmaktadır. Geliştirilen denetim algoritmasını anlatmak

amacıyla 1. ve 3. harmonik bileşene sahip örnek bir referans

gerilim sinyali seçilmiştir. Seçilen örnek referans gerilim

sinyalinin zamana göre değişimi Şekil 3’te, bu değişime ait

matematiksel tanım ise (6) denkleminde verilmiştir.

)t3sin(V)tsin(VV 31ref (6)

V ref (t i )

1 V ref (t i+ )

t i 1 t i+

∆ t

t(s)

Şekil 3: Örnek referans gerilim sinyalinin zamana göre

değişimi.

Şekil 3’te görülen t, anahtarlama sinyallerinin örnekleme

zamanını tanımlamaktadır. Örnekleme zamanı ne kadar küçük

seçilirse elde edilen çıkış gerilimi, referans gerilim sinyaline o

kadar çok benzemektedir. Örnekleme zamanı, çıkış gerilimi

temel harmoniğinin frekansı ve seviye modül sayısına bağlı

olarak değişmektedir. (7) denklemindeki eşitlik kullanılarak

temel harmoniğin frekansı ve seviye modülü sayısına bağlı

olarak örnekleme zamanının maksimum değeri (tmax)

bulunabilmektedir. Evirici çıkış geriliminin referans gerilim

sinyaline yakın çıkmasının istenildiği durumlarda örnekleme

zamanı, tmax değerine göre oldukça küçük seçilmelidir [13].

1

f)1m(

1max f.2

22

1sint

(7)

i1isample tttt (8)

maxsample tt (9)

Referans gerilim sinyalinin (Vref) anlık değerleri için

anahtarlama sinyalleri üretilmektedir. Sistemde kullanılan

kontrollü yarı-iletken güç elemanlarının anahtarlama

sinyallerine ait denklem, seviye modülü sayısına bağlı olarak

aşağıdaki gibi genelleştirilebilir.

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

275

Page 4: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

2mod2

2mod)t(V)t(V1j

2mod)t(V1j

)t(Q

)1j(

)1j(refref

ref

)1j(

(10)

(10) denklemi kullanılarak, eviricinin seviye modüllerinde

kullanılan kontrollü yarı-iletken güç anahtarlarının

anahtarlama sinyalleri kolaylıkla elde edilmektedir. Her seviye

modülünde iki adet anahtarlama elemanı bulunmakta ve bu

anahtarlama elemanları birbirlerinin evriği olacak şekilde

çalıştırılmaktadır.

Elde edilen anahtarlama sinyalleri ile Şekil 3’te verilen

referans gerilim sinyaline benzer bir çıkış gerilimi

üretilebilmektedir. (10) denklemi kullanılarak oluşturulan

anahtarlama sinyallerinin anahtarlama elemanlarına

uygulanması sonucunda üretilen evirici çıkış geriliminin

zamana göre değişimi Şekil 4.a’da görülmektedir.

(a)

(b)

Şekil 4: Referans gerilim sinyalinin, seviye modülü sayısı 2

olan evirici çıkış geriliminin

ve filtrelenmiş şebeke akımının

zamana göre değişimi.

Şekil 4.a’da verilen

evirici çıkış geriliminin değişimi, seviye

modülü sayısının arttırılmasıyla Şekil 5.a’da görüldüğü üzere

referans gerilim sinyaline daha çok benzetilebilmektedir.

Evirici çıkış geriliminin belirlenen referans sinyale

yakınsaması paralel aktif güç filtresinin harmonik filtreleme

kabiliyetini arttırmaktadır. Örneğin, Şekil 4.a’da verilen evirici

çıkış gerilimi ile şebeke akımındaki %30’luk THB değeri

%3.8’e indirilmişken, bu değer Şekil 5.a’da

verilen evirici

çıkış gerilimi ile %2.4’e getirilmiştir.

Harmonik filtreme

işleminden sonra elde edilen şebeke akımlarının zamana göre

değişimleri Şekil 4.b ve Şekil 5.b’de verilmiştir.

(a)

(b) Şekil 5: : Referans gerilim sinyalinin, seviye modülü sayısı 3

olan evirici çıkış geriliminin ve filtrelenmiş şebeke akımının

zamana göre değişimi.

Geliştirilen denetim algoritması sayesinde çıkışında istenilen

gerilim dalga şeklini üretme yeteneğine sahip çok seviyeli

eviricinin, bir paralel aktif güç filtresi uygulamasındaki tüm

çalışma durumlarını içeren topolojiler Şekil 6’da

gösterilmektedir. Bu uygulamaya ait sonuçlara simülasyon

çalışmasında yer verilmiştir.

4.

Simülasyon çalışması

Çok seviyeli

evirici tabanlı paralel aktif güç filtresi için

geliştirilen denetim

algoritması, seviye modülü sayısı farklı

olan

evirici birimlerine

uygulanmıştır. Bu amaçla, seviye

modülü sayısı 2 ve 3 olan evirici birimlerine sahip paralel aktif

güç filtreleri ile yapılan simülasyonda, 3. harmonik akım

bileşeni içeren bir yük için üretilen evirici çıkış gerilimlerinin

zamana göre değişimleri sırasıyla Şekil 4

ve Şekil 5 aracılığıyla gösterilmiştir. Birden fazla harmonik akım bileşeni

içeren bir yük durumu için yapılan simülasyon çalışmasında

ise,

2 ve 4 seviye modülüne sahip evirici birimleri

kullanılmıştır. Buna göre,

harmonikli şebeke

akımı

ile onu

oluşturan harmonik akım bileşenleri Şekil 7.a

ve Şekil 8.a’da,

paralel aktif güç filtresi uygulandıktan sonraki şebeke ve filtre

akımları Şekil 7.b ve Şekil 8.b’de,

anahtarlama

sinyalleri ise

Şekil 7.c

ve Şekil 8.c’de görülmektedir. Simülasyon

sonuçlarına göre, geliştirilen denetim

algoritması ile elde

edilen şebeke akımının yaklaşık olarak sinüzoidal hale geldiği

görülmektedir.

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

276

Page 5: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

Yük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

LfYük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

Lf

a) Vş > 0, VF = 0 b) Vş < 0, VF = 0

Yük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

LfYük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

Lf

c) Vş > 0, VF = Vd d) Vş < 0, VF = -Vd

Yük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

LfYük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

Lf

e) Vş > 0, VF = 2Vd f) Vş < 0, VF = -2Vd

Yük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

LfYük

+Şebeke

Q0

Q1

Q0

Q1Q1H

Q1L

Q2H

Q2L

Vd

2Vd

Lf

g) Vş > 0, VF = 3Vd h) Vş < 0, VF = -3Vd

Şekil 6: Paralel aktif güç filtresi uygulamasında 7 seviyeli evirici biriminin tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler.

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

277

Page 6: Geliştirilen Denetim Algoritmasıakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/korhan.karaarslan/bildiri/korhan.karaarslan15.10.2015... · Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Paralel Aktif Güç Filtresi

(a)

(b)

(c)

Şekil 7: İki seviye modülüne sahip evirici ile gerçekleştirilen

paralel aktif güç filtresi uygulaması.

(a)

(b)

(c)

Şekil 8: Dört seviye modülüne sahip evirici ile gerçekleştirilen

paralel aktif güç filtresi uygulaması.

5. Sonuç

Aktif güç filtreleri, doğrusal olmayan yüklerin kullanımının

artmasına paralel olarak güç kalitesi problemlerinin

giderilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada, çok

seviyeli evirici tabanlı paralel aktif güç filtresi için geliştirilen

denetim algoritması tanıtılmıştır. Anahtarlama sinyallerinin

elde edilmesinde kullanılan denetim algoritması sayesinde,

üçüncü harmonik akım bileşeninin yarattığı %30 oranındaki

toplam harmonik bozunum iki seviye modülü kullanılarak

%3.8’e, üç seviye modülü kullanılarak %2.4’e kadar

azaltılmıştır. Üçüncü ve beşinci harmonik akım bileşenlerinin

bulunduğu durumda ise şebeke akımındaki THB değeri

%41’den iki seviye modülüne sahip evirici birimi ile %4.45’e,

dört seviye modülü kullanılarak ise %1.1’e kadar indirilmiştir.

Simülasyon çalışmalarının sonuçları, denetim algoritmasının

geçerliliğini ve kullanılan evirici birimindeki seviye modülü

sayısının önemini ortaya koymaktadır.

6. Kaynaklar

[1] Kocabaş, İ., Uçak, O., ve Terciyanlı, A., “DSP Tabanlı

Gerilim Kaynaklı Şönt Aktif Güç Filtresi Uygulaması”,

ELECO 2006, Bursa, Türkiye, s:171-175, 2006.

[2] Wang, Y.F. ve Li, Y.W., "Three-Phase Cascaded Delayed

Signal Cancellation PLL for Fast Selective Harmonic

Detection”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Cilt:

60, No: 4, s:1452-1463, 2013.

[3] Wang, Y.F. ve Li, Y.W., "A Fundamental and Harmonic

Component Detection Method for Single-Phase

Systems”, IEEE Trans. on Power Electronics, Cilt: 28,

No: 5, s:2204-2213, 2013.

[4] Khadkikar, V., “Enhancing Electric Power Quality Using

UPQC: A Comprehensive Overview”, IEEE Trans. on

Power Electronics, Cilt: 27, No: 5, s:2284-2297, 2012.

[5] Kang, F. S., Park, S. J., Cho, S. E., Kim, C. U. ve Ise, T.,

"Multilevel PWM Inverters Suitable for the Use of

Stand-Alone Photovoltaic Power Systems”, IEEE Trans.

on Energy Conversion, Cilt: 20, No: 4, s:906-915, 2005.

[6] Ortuzar, M., Carmi, R., Dixon, J. ve Moran, L., "Voltage

Source Active Power Filter, Based on Multi-Stage

Converter and Ultra Capacitor DC-Link”, The 29th

Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics

Society (IECON 2003), s:2300-2305, 2003.

[7] Junling, C., Yaohua, L., Ping, W., Zhizhu, Y. ve Zuyi,

D., “A Closed-Loop Selective Harmonic Compensation

with Capacitor Voltage Balancing Control of Cascaded

Multilevel Inverter for High Power Active Power

Filters”, IEEE Power Electronics Specialists Conference

(PESC 2008), s:569-573, 2008.

[8] Madhukar, W. ve Agarwal, P., “Comparison of Control

Strategies for Multilevel Inverter based Active Power

Filter used in High Voltage Systems”, Power Electronics

Drives and Energy Systems, s:1-6, 2010.

[9] Chen, Z., Luo, Y. ve Chen, M.,“Control and Performance

of a Cascaded Shunt Active Power Filter for Aircraft

Electric Power System”, IEEE Trans. On Industrial

Electronics, Cilt: 59, No: 9, s:3617-3623, 2012.

[10] Valdez-Fernandez, A.A., Martinez-Rodriguez, P.R.,

Escobar, G., Limones-Pozos, C.A. ve Sosa, J.M.,“A

Model-Based Controller for the Cascade H-Bridge

Multilevel Converter Used as a Shunt Active Filter”,

IEEE Trans. On Industrial Electronics, Cilt: 60, No: 11,

s:5019-5028, 2013.

[11] Beşer, E., Arifoğlu, B., Çamur, S. ve Kandemir Beşer, E.,

“A Noval Design and Application of A Single Phase

Multilevel Inverter”, International Review of Electrical

Engineering, Cilt: 4, No: 1, s:7-13, 2009.

[12] Beşer, E., Anahtarlama Elemanı Sayısı ve Harmonik

Optimizasyonu ile Bir Fazlı Çok Seviyeli Evirici

Tasarımı, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,

Doktora Tezi, Kocaeli, 2009.

[13] Beşer, E., Arifoğlu, B., Çamur, S. ve Kandemir Beşer,

E., “Design and Application of a Single Phase Multilevel

Inverter Suitable for Using as a Voltage Harmonic

Source”, Journal of Power Electronics, Cilt: 10, No: 2,

s:138-145, 2010.

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa

278