Şebeke bağlantılı çok seviyeli inverterler için yeni bir modülasyon tekniğinin geliştirilmesi ve uygulanması
Improvement and implementation of a new modulation technique for grid connected multilevel converters
Yazar: MUSTAFA CEM ÖZKILIÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİYE HÜLYA OBDAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İki seviyeli dönüştürücüler, kolay kontrol edilebildikleri için güç elektroniği devrelerinde karşılaşılan en temel ve genellikle ilk tercih edilen dönüştürücü tipidir. Bu tip dönüştürücülerin oluşturduğu toplam harmonik bozulma (THD) değerini azaltmak için anahtarlama frekansını arttırmak gerekir. Bu durumda sistem verimi azalmaktadır.
Şebeke bağlantılı bir sistemin THD değerini arttırmadan, verimini arttırmanın yolu, çok seviyeli dönüştürücülere geçiş yapmakla mümkün olmaktadır. Çok seviyeli dönüştürücülerin sağladığı bu avantaja karşılık kontrol edilmesi gereken güç elektroniği elemanlarının sayılarının fazlalaşması sistem karmaşıklığını arttırmaktadır. Buna ek olarak, nötr nokta dengesinin dikkate alınmaması durumunda, sistem güvenilirliğinin ortadan kalkması kaçınılmaz olmaktadır.
Bu tez çalışmasında, geleneksel iki seviyeli uzay vektör modülasyonundan yararlanılarak, iki veya daha fazla seviyeli dönüştürücüler için genelleştirilmiş yeni bir uzay vektör modülasyonu hesap algoritmasının matematiksel yöntemi ortaya konulmuştur. Bu yöntemde; sistem kaynaklarının arttırılması gerekmemiş, çok seviyeli dönüştürücüye geçiş için sistem tasarımı yalınlaştırılması, iki seviyeli dönüştürücü tasarımı seviyesine çekilmesi ile sağlanmıştır. Yaygın olarak kullanılan iki seviyeli topolojilerin yerine, kontrol edilebilirliği daha karmaşık olmasından dolayı henüz tam olarak yaygınlaşmamış, üç veya daha fazla seviyeli dönüştürücülerin, uygulaması yalınlaştırılmış uzay vektör modülasyonu ile kolay kontrol edilebilirliğinin gösterilmesi amacıyla şebeke bağlantılı üç seviyeli dönüştürücü tasarımı ve uygulaması gerçeklenmiştir. Üç seviyeli dönüştürücü uygulamasından önce iki seviyeli dönüştürücü tasarımı yapılmış, böylece gerçeklenen üç seviyeli dönüştürücü ile aralarındaki donanımsal ve yazılımsal farklılıklar ortaya konmuştur.
Donanımsal karşılaştırma yapıldığında; üç seviyeli dönüştürücü tasarımı için kullanılacak tasarım kaynaklarının, iki seviyeli dönüştürücü tasarımı için kullanılacak tasarım kaynaklarından fazla olmadığı görülmektedir.
İki seviyeli dönüştürücü için geliştirilmiş yazılım bir anahtarlama periyodu (125 μs) içinde 88-90 μs kadar zaman harcamaktayken, üç seviyeli dönüştürücü için geliştirilmiş yazılım ise bir anahtarlama periyodu (125 μs) içinde 98-100 μs kadar zaman harcamaktadır. Görülmektedir ki, bu tez çalışmasında önerilmiş olan iki veya daha fazla seviyeli dönüştürücüler için genelleştirilmiş uzay vektör modülasyonu hesap algoritmasının uygulandığı yazılımın bir anahtarlama periyodu boyunca harcadığı süre, temel uzay vektör modülasyonu kullanılan iki seviyeli dönüştürücü kontrol yazılımı için harcanan süreden yalnızca 10 μs fazladır. Bu fazla gelen sürenin içine nötr nokta gerilimi dengesi için kullanılan algoritmanın harcadığı süre dahildir.

Abstract:
Due to its nature of easier controllability, two level converters, which are the most basic type of converters in power electronics, are generally the first choice of use. In order to lower the THD generated by these converters, their switching frequency is increased. As a result, system efficiency decreases.  
By immigrating to multi-level converters, it is possible to increase the efficiency of a grid connected system without increasing THD. Despite the advantages introduced by these converters, system complexity is increased due to the fact that the number of power electronics elements to be controlled is increased. Additionally, provided that the neutral point balance is not considered, system reliability becomes degraded inevitably.
In this thesis, mathematical method of a new generalized space vector modulation calculation algorithm is proposed for two or higher level converters by utilizing conventional two level space vector modulation.  In this proposed method, system design simplification of a multi-level converter is achieved by making the design at the degree of a two level converter without increasing the utilization of system resources.  To replace conventionally utilized two level topologies, a grid connected three level converter design and implementation has been realized in order to demonstrate the fact that with the application of simplified space vector modulation, even three or higher level converters that have not become widespread, due to their complex nature of controllability, could be controlled easily. Before the design of three level converter was realized, a two level converter had been built so that it could have been possible to illustrate hardware and software differences between the two level converter itself and the three level converter.
When compared in terms of hardware structure, design resources that will be spent to realize a three level converter will not be more than that of a two level converter   
Software developed for the two level converter spends 88-90 μs during one switching period (125 μs) whilst software developed for the two level converter spends 98-100 μs during one switching period (125 μs). It is possible to see that the proposed new generalized space vector modulation calculation algorithm for two or higher level converters by utilizing conventional two level space vector modulation in this thesis spends only 10 μs more during one switching period when compared with the software developed for the two level converter with conventional space vector control scheme. The time spent for neutral point balancing algorithm is inclusive to the aforementioned time difference.