Aktif güç filtreleri için fpga tabanlı bir kontrolörün tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of a fpga based controller for active power filters
Yazar: HÜSEYİN DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. RAMAZAN AKKAYA
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA

Özet:
Lineer olmayan akım-gerilim karakteristiğine sahip güç elektroniği tabanlı cihazların günlük hayatımızda yaygınlaşmasıyla beraber güç sistemindeki harmonik kaynaklı problemler artmıştır. Uzun yıllar boyunca harmoniklerin bu olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak için, pasif filtreler kullanılmıştır. Pasif filtreler, ekonomik ve basit olmaları gibi avantajlarına rağmen, geniş hacimli ve ağır olmaları, şebeke empedansıyla rezonans oluşturma ihtimali ve sabit kompanzasyon gibi önemli dezavantajlara sahiptirler. Pasif filtrelerin dezavantajlarını ortadan kaldıran ve harmoniklerin neden olduğu problemleri etkili bir şekilde gideren Aktif Güç Filtresi (AGF) ilk olarak, 1970'li yıllarda tanıtılmıştır. Sonraki yıllarda, yüksek güçlü yarıiletken anahtarların, yüksek hızlı işlemcilerin ve hassas akım/gerilim sensörlerinin AGF yapılarında kullanılmasıyla birlikte, AGF'ler araştırmacılar için önemli bir çalışma konusu  haline gelmiştir. Günümüzde modern AGF'ler sadece harmonik kompanzasyon amacıyla değil aynı zamanda akım veya gerilim bazlı birçok güç kalitesi probleminin giderilmesinde komple bir çözüm olarak kullanılmaktadır. 
Bu çalışmada, üç fazlı dört telli bir şönt AGF tasarlanmıştır. Tasarlanan AGF, üç fazlı yüklerden kaynaklanan reaktif güç ve harmonik problemlerinin yanı sıra bir faz ile nötr noktası arasına bağlanmış olan tek fazlı yüklerin neden olduğu üç faz akım dengesizliği ve aşırı nötr akımı gibi problemleri de çözmektedir. Gerçekleştirilen sistemin kontrol birimini, üzerinde yeni nesil bir Cyclone IV EP4CE115F29 FPGA bulunduran "DE2-115 FPGA Geliştirme ve Eğitim Kartı" oluşturmaktadır. Kontrol algoritmasını oluşturan, referans filtre akımlarının belirlenmesi, histerezis bant akım denetleyici ve bulanık mantık temelli gerilim denetleyicinin gerçekleştirilmesi işlemleri, FPGA içine gömülen ve VHDL dilinde yazılan program ile yürütülmüştür. Hesaplamalarda kullanılacak akım ve gerilim sinyallerinin ölçülmesi amacıyla 3 adet akım ve 1 adet gerilim sensör kartı tasarlanmıştır. Bu kartlarda 5 adet LV 25-P gerilim sensörü ve 12 adet LA 25-NP akım sensörü kullanılmıştır. Sensörlerle ölçülen bu analog sinyallerin dijital forma çevrilerek FPGA'da kullanabilecek hale getirilmesi amacıyla, 2 adet "ADS8556EVM Geliştirme Kartı", FPGA içerisinde gömülü olan program vasıtasıyla üretilen dijital sinyallerin analog forma dönüştürülerek FPGA dışına alınması amacıyla da 1 adet "DAC8728EVM Geliştirme Kartı" kullanılmıştır.
Gerçekleştirilen sistemin, reaktif güç ve harmonik akım kompanzasyon, üç faz akım dengeleme ve nötr akımı eliminasyon performansını değerlendirmek amacıyla faz-nötr arasına bağlanmış farklı aktif güçlerde tek fazlı nonlineer ve reaktif yükler kullanılmıştır. Bu yükler, önce tek fazlı iki telli olarak çalıştırılan şönt AGF sistemine ayrı ayrı bağlanmış, daha sonra üç fazlı dört telli olarak çalıştırılan şönt AGF sisteminin her bir fazı ile nötr noktası arasına aynı anda bağlanmıştır. Elde edilen simülasyon ve deneysel sonuçlar, gerçekleştirilen AGF sistemi sayesinde nonlineer ve reaktif yüklerin neden olduğu harmonik akım ve reaktif güç problemlerinin başarılı bir şekilde giderildiğini ve şebekeden sinüzoidal dalga şekline sahip ve birim güç faktörlü akım çekilmesinin sağlandığını göstermiştir. Ayrıca şebekeden çekilen akımların, genlikleri aynı ve aralarında 120'şer derece faz farkı olacak şekilde dengeli olduğu görülmüştür. Şebeke akımları dengelendiği için de şebeke nötr hattından çekilen akım elimine edilmiştir.

Abstract:
With spreading of power electronics based devices which have nonlinear voltage-current characteristics in our daily life, harmonics related problems in the power system have increased. In order to eliminate these negative effects of harmonics, passive filters have been used for many years. Although passive filters have advantages like being simple and inexpensive, they have important disadvantages like large size and weight, possibility of resonance occurrence with grid impedance and fixed compensation capability. Active Power Filter (APF) which does not have disadvantages of passive filters and eliminates problems caused by harmonics effectively, was first introduced in 1970s. In the following years, with the possibility of using high power semiconductor switches, complex processor units and sensitive voltage/current sensors in the APF topologies, APFs have become an important topic for researchers. Today modern APFs are used not only for the purpose of harmonic compensation but also as a complete solution to eliminate many voltage or current based power quality problems.
In this thesis project, a shunt APF is designed for three phase four wire systems. Designed APF provides solutions not only for harmonics and reactive power problems caused by three phase loads but also for excessive neutral current and three phase current imbalance problems caused by single phase loads connected between a phase and neutral. Control unit of designed system is constituted by "DE2-115 FPGA Development and Education Board" which comprises a new generation Cyclone IV EP4CE115F29 FPGA on it.  The procedures, determining reference filter currents, implementing hysteresis band current controller and fuzzy logic based voltage controller which form control algorithm, are carried out by the program which is written in VHDL language and embedded in FPGA. For the purpose of measuring voltage and current signals which will be used in the calculations, 3 current and 1 voltage sensor board are designed. In these boards, 5 LV 25-P voltage sensor and 12 LA 25-NP current sensor are used. "ADS8556EVM Development Board" is used to make these analog signals measured by sensors suitable for usage in FPGA by converting them into the digital form and "DAC8728EVM Development Board" is used to take the digital signals produced by embedded program out of FPGA by converting them into the analog form. 
To evaluate reactive power and current harmonics compensation, three phase current balancing and neutral current elimination performance of implemented system, single phase nonlinear and reactive loads connected between phase and neutral which have different active powers are used. Obtained simulation and experimental results show that, reactive power and current harmonics problems caused by nonlinear and reactive loads have been successfully eliminated and a current which have sinusoidal waveform and unity power factor has been drawn from AC grid. Also it has been seen that, currents drawn from AC mains, have the same amplitude and they are balanced with a 120° phase difference between each other. Because the grid currents are balanced, the current drawn from AC grid neutral line has been eliminated.