Geri Dön

Katı hal transformatörü için yeni bir doğrusal tabanlı kapalı çevrim kontrol yöntemi ve uygulaması

A novel linear based closed loop control method and implementation for solid state transformers

PDF İndir

  1. Tez No: 933961
  2. Yazar: METİN ÇAVDAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SELİN ÖZÇIRA ÖZKILIÇ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Katı hal transformatörü, yüksek frekans transformatörü, çift aktif köprü, kaçak endüktans, Solid state transformer, high frequency transformer, dual active bridge, leakage inductance
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 164

Özet

Güç elektroniği dönüştürücü devreleri, son yıllarda yarı iletken anahtar teknolojilerinde gerçekleşen ilerlemeler sayesinde, yüksek güçlerdeki uygulamalar için kullanılabilir hale gelmiştir. Bu duruma olanak sağlayan gelişmelerin başında ise yarı iletken anahtarların, düşük iletim kayıpları altında yüksek akımları geçirebilmesidir. Ayrıca anahtarlama işlemlerinin yüksek frekanslarda yapılabiliyor olması, dönüştürücü devrelerinin hacim ve ağırlığını azaltırken güç yoğunluğunu da önemli ölçüde artırır. Yüksek güçlü dönüştürücü devrelerinin uygulama alanlarından biri de elektrik iletim ve dağıtım sistemleridir. Bu sistemlerde AC-AC gerilim dönüşümü geleneksel düşük frekanslı (50/60 Hz) güç transformatörleri kullanılarak yapılır. Fakat son yıllarda geleneksel transformatörlerin alternatifi olarak Katı Hal Transformatörleri (KHT) önerilmiş olup bu sistem sırasıyla Aktif Front End (AFE) AC-DC dönüştürücü, Çift Aktif Köprü (ÇAK) DC-DC dönüştürücü ve bir adet inverterden meydana gelir. KHT sahip olduğu bu topolojik yapısından sebep tıpkı geleneksel güç transformatörleri gibi AC-AC gerilim dönüşümü işlemini gerçekleştirir. ÇAK DC-DC dönüştürücü devresinde bulunan Yüksek Frekanslı Transformatör (YFT), KHT'nin hacim ve ağırlığını oldukça azaltmaktadır. Ayrıca geleneksel transformatörlerde olmayan; reaktif güç kompanzasyonu (RGK) ve DC bara gibi önemli özelliklerde KHT'de mevcuttur. KHT'de verimi artırabilmek için anahtarlama kayıpları düşük olan yarı iletken anahtarlar tercih edilmeli ve bu anahtarlar sıfır gerilim veya sıfır akım altında iletim ya da kesim durumuna geçirilmelidir. Ayrıca yüksek frekansta çalışan transformatörün kaçak endüktans değeri hem yumuşak anahtarlamaya hem de transformatörün doyum değerine etki ettiğinden, genel sistem verimi için çok önemlidir. Tez kapsamında yapılan çalışmada, 3 kVA gücünde bir KHT için tasarım esasları belirlenmiş ve yeni bir doğrusal tabanlı, kapalı çevrim kontrol yöntemi önerilmiştir. Önerilen kontrol yöntemi sayesinde KHT'yi meydana getiren tüm alt devreler (AFE, ÇAK ve inverter) gerçek zamanlı olarak kontrol edilebilmekte ve bu sayede sistemin dinamik tepkisi oldukça hızlı olmaktadır. Dinamik tepkinin bu denli hızlı olmasındaki en önemli etken ise önerilen kapalı çevrim kontrol yönteminin hesaplama yükünün oldukça düşük olmasıdır. Önerilen kontrol yöntemi sayesinde, üç aşamada gerçekleşen AC-AC güç dönüşümü neticesinde, KHT'nin çıkış akım ve gerilimi; düşük harmonikli ve saf sinüzoidale çok yakın olmaktadır. Ayrıca KHT'nin genel çalışma performansında önemli iyileştirmeler meydana gelmiş olup, düşük frekanslı geleneksel güç transformatörlerinde mevcut olmayan; güç faktörü düzeltme ve DC bara gibi bazı üstün özellikler de elde edilmiştir. Önerilen kontrol yönteminde, birbirlerine“front-end”ve“back-end”mantığıyla bağlı olan dönüştürücüler gerçek zamanlı olarak haberleştirilmektedir. Söz konusu bu haberleşme süreci tamamen kapalı çevrim esaslara göre yapılmakta olup, bu kapsamda KHT'yi meydana getiren her bir dönüştürücü için ayrı ayrı akım ve gerilim döngüleri tasarlanmıştır. Akım ve gerilim döngüleri hem kendi bulunduğu dönüştürücü içerisindeki döngü yapılarıyla hem de diğer dönüştürücüler için tasarlanan akım ve gerilim döngüleri ile haberleşebilmektedir. Bu sayede KHT için bütüncül ve dinamik bir kontrol yapısı elde edilmiş olup, sistemin çalışma performansında önemli ölçüde artış sağlanmıştır. Tez çalışması neticesinde elde edilen sonuçların doğruluğu PSIM benzetim programında denenmiş ve önerilen kontrol yönteminin öngörülen performansta çalıştığı ispatlanmıştır. Ayrıca benzetim sonuçlarını destekleyici nitelikte deneysel çalışmalara dair sonuçlarda tezin son kısımlarında sunulmuştur. Elde edilen tüm bu sonuçlar göstermiştir ki üç aşamalı güç dönüşümü yapabilen bir KHT için önerilen doğrusal tabanlı ve kapalı çevrim yapıdaki kontrol yönteminin dinamik cevabının oldukça hızlı olduğu ve bu sayede genel çalışma performansını iyileştirdiği ispatlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Advancements in semiconductor switch technologies in recent years have enabled power electronic converter circuits to be utilized in high-power applications. Foremost among these developments is the ability of semiconductor switches to handle high currents with low conduction losses. Additionally, the capability to perform switching operations at high frequencies significantly reduces the size and weight of converter circuits while substantially increasing their power density. One of the application areas of high-power converter circuits is electrical transmission and distribution systems. In these systems, AC-AC voltage conversion is traditionally carried out using low-frequency (50/60 Hz) power transformers. However, in recent years, Solid-State Transformers (SSTs) have been proposed as an alternative to conventional transformers. The SST system comprises an Active Front End (AFE) AC-DC converter, a Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converter, and an inverter. Due to this topological structure, the SST performs AC-AC voltage conversion, similar to conventional power transformers. The High-Frequency Transformer (HFT) in the DAB DC-DC converter significantly reduces the size and weight of the SST. Furthermore, the SST incorporates critical features not found in conventional transformers, such as reactive power compensation (RPC), bidirectional power flow, and a DC bus. In order to increase efficiency in SSTs, semiconductor switches with low switching losses should be preferred and these switches should be switched to conduction or cut-off status under zero voltage or zero current. In addition, since the leakage inductance value of the transformer operating at high frequency affects both the soft switching and the saturation value of the transformer, it is very important for the overall system efficiency. In the study conducted within the scope of the thesis, the design principles for a 3 kVA SST were determined, and a novel linear-based closed-loop control method was proposed. Through the proposed control method, all the subcircuits comprising the SST (AFE, DAB, and inverter) can be controlled in real-time, resulting in a remarkably fast dynamic response for the system. The primary factor contributing to this rapid dynamic response is the low computational load of the proposed closed-loop control method. Through the proposed control method, the output current and voltage of the SST, resulting from the three-stage AC-AC power conversion, exhibit low harmonic content and are very close to a pure sinusoidal waveform. Additionally, significant improvements have been achieved in the overall operating performance of the SST, providing certain advanced features such as power factor correction, a DC link, and bidirectional power flow, which are not present in traditional low-frequency power transformers. In the proposed control method, the converters connected to each other based on the“front-end”and“back-end”principle communicate in real-time. This communication process is entirely performed according to closed-loop principles, whereby separate current and voltage loops are designed for each converter comprising the SST. The current and voltage loops can interact not only with the loop structures within their respective converters but also with the current and voltage loops designed for the other converters. Through this approach, an integrated and dynamic control structure for the SST is achieved, resulting in a significant improvement in system operational performance. The validity of the findings obtained in this thesis was verified through simulations conducted using the PSIM software, confirming that the proposed control method achieves the expected performance. Additionally, experimental results supporting the simulation findings are presented in the concluding sections of the thesis. These comprehensive results demonstrate that the proposed linear-based closed-loop control strategy for a three-stage power conversion SST exhibits a highly rapid dynamic response, thereby enhancing the overall operational efficiency and performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    142597

    Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi

    Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque

    EVREN YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE

  2. Tez No

    556256

    Cost optimization of flyback converter using genetic algorithm

    Flyback çevirici tasarımında genetik algoritma kullanılarak maliyet optimizasyonu

    GİRAY BALCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ

  3. Tez No

    85881

    Scada tabanlı katodik koruma redresör terminali tasarımı ve uygulaması

    Scada based cathodic protection rectifier terminal design and application

    RAMİN REZANEJAD

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İNAN GÜLER

  4. Tez No

    323688

    Dağıtılmış üretim'e sahip elektrik dağıtım sistemlerinde, arıza akımı sınırlayıcılarının ve yerleşim yerlerinin etkilerinin incelenmesi

    A study of the effects of fault current limiters and their location on power distribution system with distributed generation

    GÖKHAN ÇAKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK

  5. Tez No

    937474

    Raylı ulaşım sistemleri için LLC çevirici tabanlı bir katı hal transformatörünün modellenmesi ve tasarımı

    Modelling and design of LLC converter based solid state transformer for railway transportation systems

    EŞREF DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜNYAMİN TAMYÜREK

Geri Dön