A real time resonance detection and mitigation method for shunt active power filters
Şönt aktif güç filtreleri için gerçek zamanlı rezonans tespit ve azaltma yöntemi
- Tez No: 961746
- Danışmanlar: PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Electrical and Electronics Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Günümüzde enerji sistemlerinin artan karmaşıklığı ve yük çeşitliliği, elektriksel güç kalitesi problemlerini daha da belirgin hale getirmektedir. Bu bağlamda, şönt aktif güç filtreleri (shunt active power filter, SAPF), özellikle endüstriyel tesislerde yaygın biçimde kullanılan ve harmonik bozunumları bastırmak, reaktif gücü dengelemek ve yükün şebeke üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla geliştirilen güçlü elektronik çözümler haline gelmiştir. Ancak SAPF'lerin yüksek bant genişliğine sahip akım kontrol sistemleriyle çalışmaları ve inverter çıkışlarında kullanılan bobin kondansatör bobin (inductor capacitor inductor, LCL) filtreler yapısal özellikleri nedeniyle, bu sistemlerin şebeke empedansı ve dış kapasitif yüklerle etkileşimi, paralel rezonans oluşumuna zemin hazırlayabilmektedir. Özellikle kompanzasyon kapasitörleri, doğru akım (direct current, DC) bağlantı kapasitörleri veya dağıtık üretim kaynaklarının sistemle birlikte çalıştığı durumlarda, rezonans frekansı istenmeyen şekillerde ortaya çıkabilmekte, bu da filtre sisteminin kararlılığını bozarak hem harmonik genliğinin artmasına hem de inverter davranışının öngörülemez hale gelmesine yol açmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, SAPF'lerin paralel rezonansa sebep olabilecek şebeke yapıları ve yük koşulları altında kararlılığını koruyabilmesini sağlamak için gerçek zamanlı çalışan bir rezonans tespit ve bastırma algoritması geliştirmektir. Literatürde yer alan birçok aktif sönümleme stratejisi, sabit sanal dirençler kullanarak rezonans frekansında faz açısını düzeltmeyi amaçlamakta, bazı çalışmalarda ise sistem empedansı üzerine ilave aktif geri besleme uygulanarak rezonans sönümlenmeye çalışılmaktadır. Ancak bu yaklaşımlar çoğunlukla sabit parametreli sistemler için tasarlanmış olup, şebekede ve yükte meydana gelebilecek dinamik değişimlere karşı yeterli uyum sağlayamamaktadır. Özellikle rezonans frekansının yük anahtarlamaları, kompanzasyon düzenlemeleri veya şebeke koşullarındaki değişimler sonucu zamanla kaydığı durumlarda, sabit parametreli sönümleme sistemlerinin başarısı ciddi oranda düşmektedir. Bu durum, yalnızca kompanzasyonun yetersiz kalmasına değil, aynı zamanda SAPF sisteminin bizzat rezonansı tetikleyerek şebeke kararlılığını olumsuz etkilemesine sebep olabilmektedir. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında önerilen yöntem, klasik harmonik tespit ve bastırma yaklaşımlarının ötesinde, SAPF sisteminin çevresel koşulları algılayarak davranışını buna göre uyarlamasına olanak sağlayan bir gerçek zamanlı kontrol mimarisi sunmaktadır. Önerilen yapıda temel iki bileşen bulunmaktadır: birincisi, SAPF sisteminin bağlı olduğu şebeke koşullarını sürekli olarak izleyen ve rezonans oluşumunu tespit eden izleme katmanı; ikincisi ise rezonansın algılanması halinde filtre davranışını otomatik olarak yeniden yapılandıran adaptif kontrol katmanıdır. Bu iki katman, SAPF'in mevcut kontrol döngüsüne entegre edilerek hem sistemin kompanzasyon performansının korunması hem de rezonans oluşumuna karşı proaktif bir savunma sağlanmaktadır. İzleme katmanı, klasik toplam harmonik bozulma (total harmonic distortion, THD) metriklerinin yerine, hem gerilim hem de akım harmonik bileşenlerinin etkileşimini temel alan görünür harmonik güç yaklaşımıyla rezonansı tespit etmektedir. Bu yaklaşım, J_h=h\cdot THD_{v,h}\cdot THD_{i,h} ifadesiyle tanımlanan ve her bir harmonik bileşenin görünür gücünü temsil eden bir karar fonksiyonuna dayanır. Gerilim ve akımın aynı harmonik sırada yüksek genliğe ulaşması, o frekansta bir paralel rezonans oluştuğunun açık bir göstergesidir. Bu durum, SAPF'in kompanzasyon yapmasına rağmen şebekede beklenmedik bir harmonik büyümesi gözlemlenmesine neden olur. Bu nedenle görünür harmonik güç, rezonansın hem tespiti hem de büyüklüğünün değerlendirilmesi açısından oldukça etkili bir metriktir. Ayrıca bu fonksiyon, harmonik sırasıyla ağırlıklandırılarak, sistemin özellikle yüksek mertebeden rezonanslara karşı daha duyarlı hale getirilmesi sağlanmıştır. Bu bağlamda tanımlanan Jh fonksiyonu, SAPF'in filtreleme davranışını yönlendirmek için temel performans kriteri olarak kullanılmaktadır. Algılama sonrası devreye giren adaptif kontrol katmanı, SAPF sisteminin her bir harmonik bileşen için uyguladığı filtreleme oranını, yani kompanzasyon katsayısını λh, gerçek zamanlı olarak güncellemektedir. Bu güncelleme, her harmonik için ayrı ayrı çalışan bir perturb and observe algoritması (perturb and observe, P&O) ile gerçekleştirilmektedir. Sistemdeki her bir harmonik bileşen için, filtreleme oranı belirli adımlarla artırılarak karar fonksiyonu izlenir; eğer Jh değeri düşmeye devam ederse, bu durum filtrelemenin rezonansı bastırdığını gösterir. Ancak bir noktadan sonra Jh yeniden yükselmeye başlarsa, sistem aşırı kompanzasyon yapıyor olabilir. Bu durumda denetleyici, bir önceki adıma geri dönerek optimum filtreleme oranını bulur ve sabitler. Bu döngü, tüm harmonikler için eşzamanlı ve bağımsız biçimde yürütülür. Böylece SAPF, o anki şebeke ve yük koşullarına uygun olarak filtreleme parametrelerini güncelleyerek rezonansı bastıracak ideal davranışa yönlendirilmiş olur. Gerçekleştirilen deneysel doğrulama çalışmaları yalnızca sistemin rezonans durumlarında kararlı hale gelmesini sağlamakla kalmamış, aynı zamanda önerilen algoritmanın farklı harmonik mertebelerine olan duyarlılığını da ortaya koymuştur. Deneyler sırasında yalnızca 11. harmonik değil, 7., 13., 29., 31. ve hatta 35. harmonikler için de sistemin rezonansa girdiği senaryolar test edilmiş; algoritmanın her bir harmonik için kompanzasyon katsayısını bağımsız olarak güncelleyerek rezonansı başarıyla bastırabildiği gözlemlenmiştir. Özellikle yüksek mertebeden harmoniklerin neden olduğu rezonansların klasik sabit katsayılı kontrol yöntemleriyle bastırılamadığı, ancak bu çalışmada önerilen adaptif yöntemle etkili şekilde kontrol altına alındığı tespit edilmiştir. Bu sonuç, SAPF sistemlerinin yalnızca düşük sıralı harmonikler değil, daha az yaygın ancak daha tehlikeli olabilecek yüksek sıralı harmoniklerde de kararlı çalışmasının önünü açmaktadır. Yöntemin gerçek zamanlı uygulanabilirliği açısından bakıldığında, yüksek örnekleme hızlarında çalışan dijital sinyal işleyici (digital signal processor, DSP) ve alan programlanabilir kapı dizisi (field programmable gate array, FPGA) mimarisi birlikte kullanılarak sistemin tüm kontrol algoritmaları zamanında tamamlanabilmiştir. Denetleyici mimaride, hızlı fourier dönüşümü (fast fourier transform, FFT) tabanlı harmonik analiz modülü FPGA üzerinde yüksek hızla çalışmakta, karar verme ve kompanzasyon katsayısı güncelleme işlemleri ise DSP tarafından yürütülmektedir. FFT hesaplamalarının zaman bölünerek darbe genişlik modülasyonu (pulse width modulation, PWM) döngüleri arasında dağılması, denetleyicinin ana kontrol döngüsünü kesintiye uğratmadan çalışmasını mümkün kılmıştır. Bu yapı sayesinde önerilen adaptif filtreleme algoritması her anahtarlama periyodunda güncellenebilmekte, böylece rezonansa anlık tepki verilebilmektedir. Ayrıca algoritma yalnızca sabit rezonans frekansları değil, zamanla kayma gösteren dinamik rezonanslar için de uyumlu yapıdadır. Yani rezonans frekansı değiştikçe SAPF bu değişime karşı tepki verebilmekte ve kararlılığını sürdürebilmektedir. Bu çalışmada önerilen yöntem, sistemin çalışma koşullarına müdahale etmeden yani normal aktif güç filtresi (active power filter, APF) fonksiyonlarını duraksatmadan gerçekleştirilebilen bir izleme ve müdahale yapısı sunmaktadır. Bu durum, sistemin endüstriyel ortamlarda kesintisiz hizmet sunmasını sağlamak açısından büyük önem taşımaktadır. Literatürde bazı çalışmalarda rezonans tespiti için APF sisteminin geçici olarak durdurulması ya da özel test sinyalleri uygulanması önerilmişken, bu tez çalışmasında önerilen yapı, sürekli ve kesintisiz bir şekilde çalışan, sistem davranışını gözlemleyen ve gerektiğinde müdahale eden bir kontrol katmanı sunmaktadır. Bu da yöntemin gerçek saha uygulamalarında çok daha pratik ve endüstriye entegre edilebilir bir çözüm olmasını sağlamaktadır. Yöntemin üstünlükleri yalnızca deneysel başarılarla sınırlı değildir. Aynı zamanda algoritmanın denetim yapısının sade ve düşük hesaplama maliyetine sahip olması, uygulanabilirlik açısından da önemli avantajlar sunmaktadır. Kullanılan P&O algoritması, kontrol teorisinde yaygın olarak bilinen, sade ve kararlı bir optimizasyon yöntemidir. Herhangi bir sistem modeli veya türev bilgisi gerektirmediğinden, algoritmanın herhangi bir SAPF sistemine entegre edilmesi oldukça kolaydır. Bu da yöntemin donanım bağımsız biçimde uygulanabileceğini ve mevcut sistemlerin yazılımsal olarak güncellenmesiyle bu gelişmiş denetim yapısından faydalanabileceğini göstermektedir. Ayrıca sistemin algoritma içindeki parametrelerinin (örneğin adım büyüklüğü, karar eşikleri vb.) uygulamaya göre kolayca yeniden ayarlanabilmesi, algoritmanın özelleştirilebilirliğini artırmakta, böylece farklı yük ve şebeke koşullarına göre optimize edilmesini mümkün kılmaktadır. Tez kapsamında geliştirilen bu yapı, aynı zamanda SAPF sistemlerinin gelecekteki işlevlerini de yeniden tanımlayacak niteliktedir. Bugüne kadar çoğu APF çözümü sabit filtreleme mantığına dayalı olarak tasarlanmış, sistem koşullarındaki değişimlere tepki verememiştir. Ancak bu çalışma ile ortaya konulan adaptif ve öğrenen denetim yaklaşımı, SAPF sistemlerinin çevresini algılayan, kendi filtreleme karakteristiğini optimize eden ve hatta gerekirse kompanzasyon katsayılarını belirli aralıklarla sıfırla–yenile döngüsüne sokarak sürekli güncelleyen akıllı cihazlara dönüşmesini sağlamaktadır. Bu, güç elektroniği sistemlerinde“özyinelemeli karar mekanizmaları”kavramının ilk örneklerinden biri olarak değerlendirilebilir. Gelecek çalışmalarda bu yapı çoklu inverter sistemlerine uygulanarak rezonans etkileşimlerinin küresel düzeyde kontrolü sağlanabilir. Özellikle yenilenebilir enerji sistemlerinin yoğunlaştığı dağıtık üretim yapılarında, inverter bazlı kaynakların birbirleriyle olan etkileşimleri de rezonans problemleri doğurabilmektedir. Önerilen kontrol mimarisi, bu tür durumlara da genişletilerek tüm sistemin ortak kararlılığını sağlayabilecek koordineli kontrol mimarilerine dönüştürülebilir. Ayrıca ileri seviye bir öneri olarak, makine öğrenmesi ve yapay zekâ algoritmalarıyla denetleyicinin tahminsel kontrol kapasitesi geliştirilebilir. Bu sayede rezonans oluşmadan önce öngörüye dayalı önleyici kompanzasyon yapılabilir, sistemin dinamik cevabı daha da hızlandırılabilir. Sonuç olarak bu tez çalışması, SAPF sistemlerinde uzun süredir çözüm bekleyen paralel rezonans problemlerine karşı gerçek zamanlı, uyarlanabilir, pratik ve endüstriyel olarak uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır. Geliştirilen yöntem, yalnızca kararlılık problemlerini çözmekle kalmamakta, aynı zamanda sistemin toplam harmonik bozulma performansını da iyileştirmekte ve APF sistemlerinin gelecekteki gelişmiş nesil kontrol mimarilerine örnek teşkil etmektedir. Gerek kullanılan karar fonksiyonu, gerekse optimizasyon yaklaşımı, literatürde ilk kez bir araya getirilmiş ve başarıyla sahada test edilmiştir. Bu yönüyle tez çalışması, akademik özgünlük ve uygulama başarısı açısından son derece güçlü bir katkı ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Maintaining high power quality is a growing challenge in modern power systems due to the proliferation of nonlinear and dynamic loads. Shunt active power filters (SAPFs) are effective power electronic devices for mitigating harmonic distortion, compensating reactive power, and reducing the impact of nonlinearity on the grid. However, the use of inductor capacitor inductor (LCL) filters in SAPFs introduces a tendency toward resonance, especially when interacting with grid impedance and external capacitive elements. This often results in parallel resonance, degrading performance and threatening system stability. This thesis introduces a real time, adaptive control architecture designed to detect and suppress such resonances without interrupting the standard harmonic compensation function of the SAPF. Unlike conventional fixed parameter techniques such as passive damping or active virtual impedance the proposed method uses a dynamic and decentralized approach. It continuously monitors grid conditions and adapts the filter's behavior using a novel resonance detection metric. Instead of relying on total harmonic distortion (THD), which can be unreliable under high background distortion, resonance is detected through apparent harmonic power derived from simultaneous high voltage and current magnitudes at a given harmonic order. This power based metric is weighted by frequency to prioritize higher order harmonics more susceptible to resonance. Upon detection, a Perturb and Observe (P&O) algorithm individually tunes the compensation coefficient for each affected harmonic. This iterative process increases or decreases compensation strength based on the system's response, converging to an optimal suppression level. The method enables self optimization for each harmonic channel independently. The system was implemented using a digital signal processor (DSP) and a field programmable gate array (FPGA). Real time fast fourier transform (FFT) analysis was performed on the FPGA, while the DSP managed decision logic and coefficient adjustments within pulse width modulation (PWM) cycles. Experimental validation on a 100 kilo volt amper (kVA) three phase SAPF prototype confirmed the method's effectiveness. Under induced resonance conditions such as with added 1250 µF capacitors THD was reduced from over 190% to below 7%, restoring waveform quality and system stability. The method succeeded in suppressing resonance not only at the 11th harmonic but also at the 7th, 13th, 29th, 31st, and 35th harmonics. The proposed approach is non intrusive, hardware independent, and computationally efficient. It operates transparently alongside the active power filter (APF) control loop, requiring no suspension of normal SAPF functions. Its modular structure allows integration into multi inverter or hybrid filter systems. In summary, this thesis presents a practical, intelligent, and adaptable solution to resonance problems in SAPF systems, marking a significant advancement in the field of power quality and control.
Benzer Tezler
- Tiyazol-ferrosen ile modifiye edilmiş kromenilyum-siyanin tabanlı ve çok kanallı yeni bir cıva (II) sensörün geliştirilmesi
Development of a novel multi-channel mercury (II) sensor based on chromenylium-cyanine modified with thiazole-ferrocene
ELİF YILMAZ
- Development of QCM sensors for measuring particulate matter concentration
QCM sensörlerinin partikül madde konsantrasyonunu ölçmek için geliştirilmesi
MAJID JAVADZADEHKALKHORAN
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Yüzey plazmon rezonans temelli biyosensörlerde nanopartikül boyut etkisinin karşılaştırmalı incelenmesi
Comparative investigation of the nanoparticle size effect in surface plasmon resonance-based biosensors
MERVE ÇALIŞIR
- Elektrik enerji sistemlerinde güç kalitesi
Power quality in electrical energy systems
ALİ GEMİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. NESRİN TARKAN
- Deep learning approaches for vocal tract boundary segmentation in rtMRI
MRI videolarında ses yolu kontur bölütlemesi için derin öğrenme yaklaşımları
SASAN ASADIABADI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ENGİN ERZİN