Çok seviyeli modüler çevirgeç tabanlı sırt sırta bağlı yüksek gerilim doğru akım sistemi güç katının izolasyon temelli tasarımı
Insulation based power stage design of multilevel modular converter based back-to-back high voltage direct current system
Yazar: ALİ BURHAN HALİLOĞLU
Danışman: PROF. DR. İRES İSKENDER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
YGDA sistemleri uzun mesafelere yüksek güçlerin daha az kayıp, maliyet ve çevresel etki ile iletilmesi, asenkron enterkoneksiyona olanak tanıması ve diğer avantajları ile tesis edildiklerinde genellikle bir elektrik güç sisteminin omurgasını oluşturmaktadır. Kontrol sistemleri karmaşık, ekipman maliyetleri yüksek ve işletme açısından kritik öneme sahip olan YGDA sistemlerinin devreye alınmadan önce, yüksek gerilim altında güvenli bir şekilde çalışabildikleri izolasyon testleri ile doğrulanmalıdır. Bu tez çalışmasında,  tamamı yerli mühendisler tarafından tasarlanmış ve ülkemizde milli imkanlar ile geliştirilmiş olan ilk YGDA sisteminin prototip aşamasında nihai sistem doğrulaması için gerçekleştirilen izolasyon çalışmaları konu alınmaktadır. Çalışmanın temel katkısı, yüksek gerilim ortamında çalışan bir GKÇ-YGDA sisteminde meydana gelebilecek kısmi deşarj nedenlerinin araştırılması ve her bir problem için en uygun ve bilimsel analitik yaklaşımın geliştirilmesidir. Bunun için literatürdeki çalışmalardan farklı olarak AA gerilim çalışmalarında COMSOL Multiphysics ile FEM analizi yapılarak potansiyel kısmi deşarj noktaları önden tespit edilmiş ve kısmi deşarj değerlerini azaltmak için iyileştirme faaliyetleri gerçekleştirilmiştir. Akabinde yapılan AA gerilim testleri ile benzetim sonuçları doğrulanmış ve nihai sistem tasarımı sonuçları destekleyecek doğrultuda devam etmiştir. Bu tezin diğer katkısı GKÇ-YGDA sistemine artçı etki ile ulaşabilen yıldırım darbe akımlarına karşı koruma ekipmanlarının yerleştirilebileceği kritik noktaların belirlenmesi ve koruma şemasının çıkartılmasıdır. Bu doğrultuda PSCAD ile yapılan benzetim çalışmaları ile yıldırım darbesi artçı etkilerine karşı koruma ekipmanı konfigürasyonu ortaya çıkartılmıştır. Koruyucu ekipman seçiminin tüm aşamaları adım adım anlatılarak ortaya çıkan konfigürasyon çeşitli senaryolar ile denenmiştir. Akabinde YGDA ekipmanının yıldırım darbelerine karşı güvenli bir şekilde çalışabileceğini doğrulamak için valf seviyesinde yapılan yıldırım darbe test sonuçları paylaşılmıştır. İzolasyon çalışmalarına dair elde edilen bilgi, tecrübe ve öneriler paylaşılarak YGDA ve benzeri yüksek gerilim altında çalışan sistemler için katkı sağlanmıştır.

Abstract:
HVDC systems, with the advantages of transmitting high power over long distances with less loss, cost, and environmental impact, enabling asynchronous interconnection, and other benefits, typically form the backbone of a power grid when installed.  Before commissioning HVDC systems, which have complex control systems, high equipment costs, and are critical for operation, insulation tests should be performed to ensure that they can operate safely under high voltage. This thesis discusses the insulation studies conducted for the final system verification in the prototype phase of the first HVDC system, which was entirely designed by domestic engineers and developed with national resources in our country. The main contribution of the study is to investigate the causes of partial discharges that may occur in a VSC-HVDC system operating in a high-voltage environment and to develop the most appropriate and scientific analytical approach to each problem. For this purpose, unlike the studies in the literature, a FEM analysis was performed using COMSOL Multiphysics in AC voltage studies, and potential partial discharge points were determined in advance and improvement measures were implemented to reduce the partial discharge values. The simulation results were confirmed by the AC voltage tests, and the final system design further supported the results. Another contribution of this work is to determine the critical locations of the protection devices against lightning surge aftereffect currents that can reach the VSC-HVDC system and to design the protection scheme. For this purpose, the configuration of the protective equipment against lightning aftereffects was determined by simulation studies using PSCAD. All stages of protective equipment selection are explained step by step, and the resulting configuration was tested with different scenarios. Subsequently, the results of the lightning impulse tests at the valve level were shared to confirm that the HVDC equipment can operate safely against lightning strikes. By sharing knowledge, experience, and suggestions on isolation studies, contributions were made to HVDC and similar systems operating under high voltage.