Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Seri Aktif Güç Filtresi için Geliştirilen Kontrol Algoritması

Transkript

1 TOK 014 Bildiri Kitabı Eylül 014, Kocaeli Çok Seviyeli Evirici Tabanlı Seri Aktif Güç Filtresi için Geliştirilen Kontrol Algoritması Korhan Karaarslan, Birol Arifoğlu, Ersoy Beşer, Sabri Çamur Elektrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe giderilmesinde kullanılmaktadır. Genellikle, bir transformatör üzerinden sisteme bağlanan seri aktif güç filtreleri ise gerilim harmoniklerini elimine ederek gerilim regülasyonunu sağlamaktadır. Özetçe Aktif güç filtrelerinin çalışma prensibi, örneklenen yük akım ve/veya gerilim dalga şekillerinden bir takım kontrol teknikleriyle referans akım veya gerilim dalga şekillerinin elde edilmesine dayanmaktadır. Filtre çıkış gerilimi dalga şekli, bu referans sinyale göre kontrollü yarı-iletken güç anahtarları yardımı ile üretilmektedir. Bahsedilen çalışma prensibine göre aktif güç filtrelerinin harmonik belirleme, kontrol ve evirici birimi olmak üzere üç ana bölümden oluştuğu söylenebilir. Bu makalede, çok seviyeli evirici tabanlı seri aktif güç filtresi kontrol birimi için geliştirilen denetim algoritmasına yer verilmiştir. Seri aktif güç filtresinde kullanılan kaskat bağlı, çok seviyeli evirici topolojisi tanıtılarak eviriciyi oluşturan modüller anlatılmıştır. Evirici çıkışında, belirlenen harmonik bileşenlere sahip bir gerilim elde etmek amacıyla uygun anahtarlamaları gerçekleştirecek denetim algoritması ve tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler ayrıntılı bir şekilde verilmiştir. Yapılan simülasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar, geliştirilen denetim stratejisinin uygun şekilde çalıştığını göstermiştir. Şekil 1: Seri 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 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. Genellikle, harmonik belirleme birimi ile kontrol birimi bir arada tanımlanmaktadır. Şekil 1 de, bir seri aktif güç filtresine ait prensip şeması verilmiştir. Harmonik belirleme birimi, örneklenen yük akım ve/veya gerilim dalga şekillerinden harmonikleri tespit eden bir algoritma yardımıyla referans sinyalin belirlendiği 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 [,3]. Akım veya gerilim kontrol biriminin girişinde, harmonik belirleme biriminde belirlenmiş referans sinyal ve çıkışında ise evirici birimi tetikleme sinyalleri bulunur. Bu birimin aktif 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 problemlerin 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. 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 sisteme 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 176

2 güç filtresinin çalışma prensibine katkısı, kontrollü yarıiletken güç anahtarlarına ait tetikleme sinyallerinin üretilmesidir. Bu amaçla, literatürde Darbe Genişlik Ayarı ( DGA), Sinüzoidal DGA, histerezis kontrol ve son zamanlarda dijital sinyal işleme uygulamalarında sıkça kullanılan deadbeat adı verilen kontrol tekniklerinin kullanıldığı görülmektedir. Aktif güç filtresi evirici birimi, harmonik belirleme yöntemi ile elde edilen referans sinyale göre filtre çıkış dalga şeklinin üretildiği kısımdır. Kontrol biriminden gelen tetikleme sinyalleri, eviricinin filtre çıkış dalga şeklini 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 (THB) 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, kullanılan çok seviyeli eviricinin çıkışında istenilen harmoniğe sahip gerilimin elde edilmesi için geliştirilen denetim algoritmasının tanıtımı yapılmıştır. Gerçekleştirilen simülasyon çalışmalarına ait sonuçlara göre, elde edilen tetikleme sinyalleri ve çıkış gerilimi geliştirilen stratejinin düzgün şekilde çalıştığını doğrulamaktadır.. Seri aktif güç filtresi Seri aktif güç filtreleri gerilim harmonikleri, gerilim çökmeleri ve gerilim dalgalanmaları gibi güç kalitesi problemlerinin giderilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Filtre çıkış dalga şeklinin üretilebilmesi için, kaynak gerilimi ile yük akımı ölçümleri anlık olarak kullanılmaktadır. Belirlenen referans sinyal, kontrol biriminde işlenerek evirici tetikleme sinyalleri oluşturulmaktadır. Bu çalışma prensibi Şekil 1 de gösterilmektedir..1. Kaskat bağlı çok seviyeli evirici topolojisi Şekil de 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 [1]. Şekil : 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, n (m 1) 1 (1) denklemi ile bulunmaktadır. Seviye modülü sayısına (m) bağlı olarak devrede kullanılan anahtarlama elemanı sayısı ise, r m 4 () eşitliği ile hesaplanmaktadır..1.1 Seviye modülü Kaskat bağlı çok seviyeli evirici yapısını oluşturan modüllerden biri olan seviye modülünün prensip şeması Şekil 3 te görülmektedir. Seviye modülü, anahtarlama elemanı ve 1 kaynaktan meydana gelmektedir. Şekil 3: Seviye modülü prensip şeması. Çıkış geriliminde istenilen seviye sayısı ve maksimum gerilim değerine göre birinci seviye modülünde kullanılacak kaynağın gerilimi (), (3) denklemi kullanılarak bulunmaktadır. gerilimine, birinci seviye modülü gerilimi veya temel seviye gerilimi denmektedir. Kaskat bağlanacak diğer seviye modüllerindeki gerilim kaynaklarının değeri, temel seviye ( j 1) geriliminin katı olmaktadır.. V V max d (3) n 1 Seviye sayısına bağlı olarak kullanılacak seviye modülü sayısı (m) ise (1) denkleminden çekilerek, m log (n 1) (4) 1 şeklinde bulunabilmektedir. Her bir seviye modülünde bulunan kaynağın gerilimi ise (j 1). olarak ifade edilmektedir. Burada j, seviye modülü sayısı olmak üzere; j = 1,, 3,..., m şeklinde tanımlanmaktadır. 177

3 .1. H-köprü modülü Şekil 4 te H-köprü modülünün prensip şeması görülmektedir. 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 de görüldüğü gibi bağlanmaktadır. topoloji ile çıkışta istenilen harmonik bileşenlere sahip gerilim dalga şekli de üretilebilmektedir. Tetikleme sinyallerinin elde edilmesi amacıyla geliştirilen kontrol 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; V c ref V h sin(h t h ) (5) h1 Geliştirilen kontrol algoritmasını anlatmak amacıyla 1. ve 5. harmonik bileşene sahip örnek bir referans gerilim sinyali seçilmiştir. Seçilen örnek referans gerilim sinyalinin zamana göre değişimi Şekil 5 te, bu değişime ait matematiksel tanım ise (6) denkleminde verilmiştir. Vref V 1 sint V 5 sin5t (6) Şekil 4: H-köprü modülü prensip şeması. 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 5 olan bir evirici tasarımı ile en yüksek 63 seviyeli bir gerilim dalga şekli elde edilebildiği gibi 33, 41,, 61 seviyeli gerilim dalga şekilleri de elde edilebilmektedir. Tablo 1 deki anahtar sayıları incelendiğinde, seviye modülü sayısına bağlı olarak anahtarlama elemanı sayısı (r), () denklemi sayesinde tasarlanacak her bir evirici için kolayca bulunabilmektedir [1]. Tablo 1: Çıkış gerilimi seviye sayısı ve anahtarlama elemanı sayısının seri bağlı seviye modüllerine göre değişimi Seviye sayısı Kaskat Seviye Modülü Kaynak Oranı Anahtar sayısı LM1 LM LM3 LM4 LM (m) (m 1) Geliştirilen kontrol algoritması 31 1 (m1) -1 m4 Bölüm de bahsedilen evirici yapısı ile seviye sayısı kolaylıkla arttırılabilmekte ve bu sayede düşük THB değerine sahip çıkış gerilimi elde edilebilmektedir. Aynı zamanda, bu Şekil 5: Örnek referans gerilim sinyalinin zamana göre değişimi. Şekil 5 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] tmax sin (m 1).ff (7) tsample t t i 1 t i (8) tsample t max (9) Referans gerilim sinyalinin (Vref) anlık değerleri için anahtarlama elemanlarının tetikleme sinyalleri üretilmektedir. Sistemde kullanılan kontrollü yarı-iletken güç anahtarlarının tetikleme sinyallerine ait eşitlikler aşağıdaki denklemlerde verilmiştir. Q0 (t) V ref (t) mod (10) V ref (t) V ref (t) mod 1 (t) Q mod (11) Bu tetikleme sinyali denklemleri seviye modülü numarasına bağlı olarak genelleştirilebilir. Tetikleme sinyali denkleminin genelleştirilmiş hali (1) denkleminde verilmiştir. 178

4 Vref (t) Vref (t) mod Q(k 1) (t) (k1) (k1) mod (1) (1) denklemi kullanılarak, eviricinin seviye modüllerinde kullanılan kontrollü yarı-iletken güç anahtarlarının tetikleme sinyalleri kolaylıkla elde edilmektedir. durumu için 3 seviye modülüne sahip evirici bloğu kullanılarak elde edilmiş sonuçlar Şekil 10 da verilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, geliştirilen kontrol algoritması ile elde edilen evirici çıkış geriliminin referans sinyal olan 5. harmonik gerilim dalga şekline benzediği ve yük geriliminin sinüzoidale yakın hale geldiği görülmektedir. Elde edilen tetikleme sinyalleri ile Şekil 5 te görülen referans gerilim sinyaline benzer bir çıkış gerilimi üretilebilmektedir. (1) denklemi kullanılarak oluşturulan tetikleme sinyallerinin anahtarlama elemanlarına uygulanması sonucunda üretilen çıkış geriliminin zamana göre değişimi Şekil 6 da görülmektedir. Şekil 6: Seviye modülü sayısı 4 olan eviriciye ait çıkış geriliminin zamana göre değişimi. Şekil 6 da gösterilen evirici çıkış geriliminin değişimi, seviye modülü sayısının arttırılmasıyla Şekil 7 de görüldüğü üzere referans gerilim sinyaline daha çok benzetilebilmektedir. Şekil 9: İki seviye modülüne sahip evirici ile gerçekleştirilen seri aktif güç filtresi uygulaması. Şekil 7: Seviye modülü sayısı 5 olan eviriciye ait çıkış geriliminin zamana göre değişimi. Geliştirilen kontrol algoritması ile çıkışında istenilen dalga şeklini üretme yeteneğine sahip çok seviyeli evirici, bir seri aktif güç filtresi uygulaması için kullanıldığında tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler Şekil 8 de gösterilmektedir. Bu uygulamaya ait sonuçlar simülasyon çalışmasında verilmiştir. 4. Simülasyon çalışması Çok seviyeli evirici tabanlı seri aktif güç filtresi için geliştirilen kontrol algoritması, seviye modülü sayısı farklı olan iki evirici bloğuna uygulanmıştır. Yapılan simülasyonda, 5. harmonik gerilimin oluşmasına neden olan doğrusal olmayan bir yük için seri aktif güç filtresi uygulaması gerçekleştirilmiştir. seviye modülü ile yapılan uygulamada harmonikli sistem gerilimi ile onu oluşturan harmonik bileşenler Şekil 9.a da, harmonik eliminasyonu yapıldıktan sonraki yük gerilimi ile evirici çıkış gerilimi Şekil 9.b de ve tetikleme sinyalleri Şekil 9.c de görülmektedir. Aynı yük Şekil 10: Üç seviye modülüne sahip evirici ile gerçekleştirilen seri aktif güç filtresi uygulaması. 179

5 5. Sonuçlar Aktif güç filtreleri, doğrusal olmayan yüklerin kullanımının artmasına paralel olarak güç kalitesi problemlerinin giderilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada, çok seviyeli evirici tabanlı seri aktif güç filtresi için geliştirilen kontrol algoritması tanıtılmıştır. Tetikleme sinyallerinin elde edilmesinde kullanılan kontrol algoritması ile, gerilim dalga şeklindeki %30 luk THB seviye modülü kullanılarak %4.05 e, 3 seviye modülü kullanılarak %.50 ye kadar düşürülmüştür. Simülasyon çalışmalarının sonuçları, kontrol algoritmasının geçerliliğini ve kullanılan evirici topolojisindeki seviye modülü sayısının önemini ortaya koymaktadır. a) Vş > 0, Vş - b) Vş > 0, Vş - c) Vş > 0, Vş - 3 d) Vş > 0, Vş e) Vş > 0, Vş f) Vş > 0, Vş 3 g) Vş < 0, Vş h) Vş < 0, Vş i) Vş < 0, Vş 3 j) Vş < 0, Vş - k) Vş < 0, Vş - l) Vş < 0, Vş - 3 Şekil 8: Seri aktif güç filtresi uygulamasında 7 seviyeli evirici bloğunun tüm çalışma durumlarını gösteren topolojiler. 180

6 Kaynakça [1] İ. Kocabaş, O. Uçak ve A. Terciyanlı, DSP Tabanlı Gerilim Kaynaklı Şönt Aktif Güç Filtresi Uygulaması, ELECO 006, Bursa, Türkiye, s: , 006. [] Y.F. Wang ve Y.W. Li, "Three-Phase Cascaded Delayed Signal Cancellation PLL for Fast Selective Harmonic Detection, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Cilt: 60, No: 4, s: , 013. [3] Y.F. Wang ve Y.W. Li, "A Fundamental and Harmonic Component Detection Method for Single-Phase Systems, IEEE Trans. on Power Electronics, Cilt: 8, No: 5, s:04-13, 013. [4] V. Khadkikar, Enhancing Electric Power Quality Using UPQC: A Comprehensive Overview, IEEE Trans. on Power Electronics, Cilt: 7, No: 5, s:84-97, 01. [5] F. S. Kang, S. J. Park, S. E. Cho, C. U. Kim ve T. Ise, "Multilevel PWM Inverters Suitable for the Use of Stand-Alone Photovoltaic Power Systems, IEEE Trans. on Energy Conversion, Cilt: 0, No: 4, s: , 005. [6] M. Ortuzar, R. Carmi, J. Dixon ve L. Moran, "Voltage Source Active Power Filter, Based on Multi-Stage Converter and Ultra Capacitor DC-Link, The 9th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 003), s: , 003. [7] C. Junling, L. Yaohua, W. Ping, Y. Zhizhu 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 008), s: , 008. [8] W. Madhukar ve P. Agarwal, 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, 010. [9] Z. Chen, Y. Luo ve M. Chen, 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: , 01. [10] A.A. Valdez-Fernandez, P.R. Martinez-Rodriguez, G. Escobar, C.A. Limones-Pozos ve J.M. Sosa, 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: , 013. [11] E. Beşer, B. Arifoğlu, S. Çamur ve E. Kandemir Beşer, A Noval Design and Application of A Single Phase Multilevel Inverter, International Review of Electrical Engineering, Cilt: 4, No: 1, s:7-13, 009. [1] E. Beşer, Anahtarlama Elemanı Sayısı ve Harmonik Optimizasyonu ile Bir Fazlı Çok Seviyeli Evirici Tasarımı, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Kocaeli, 009. [13] E. Beşer, B. Arifoğlu, S. Çamur ve E. Kandemir Beşer, Design and Application of a Single Phase Multilevel Inverter Suitable for Using as a Voltage Harmonic Source, Journal of Power Electronics, Cilt: 10, No:, s: ,