Kendinden uyartımlı asenkron generatörün statkom tabanlı gerilim regülasyonu
Voltage regulation of a self-excited induction generator based on statcom
Yazar: ALİ SAİT ÖZER
Danışman: DOÇ. DR. HULUSİ KARACA
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda, artan elektrik enerjisi talebi ve fosil yakıtlarının sınırlı olması nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının (rüzgâr, güneş, gelgit vb) kullanımı artmaktadır. Rüzgâr enerjisi dünyadaki enerji talebinin sorun olmasını önemli ölçüde engelleme potansiyeline sahiptir. Rüzgâr enerji sistemlerinde kullanılan türbinlerde genellikle senkron veya asenkron generatörler kullanılmaktadır. Sincap kafesli asenkron generatörler (kendinden uyartımlı asenkron generatörler, KUAG), fırçasız sağlam yapısı, düşük maliyetli olması, daha az bakım gerektirmesi, arızalara karşı kendini koruması, DC uyartıma gerek duymaması ve değişken hızlarda elektrik enerjisi üretme yeteneğinin olması gibi avantajları nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu yüzden özellikle elektrik şebekesinin getirilmesinin ekonomik olarak elverişli olmadığı kırsal bölgelerde KUAG'lar önemli alternatiflerden birisidir. Bu olumlu özelliklerine rağmen yükteki ve hızdaki değişimlerde, KUAG'ın ürettiği gerilimlerde değişmektedir. Ayrıca KUAG'ın çıkış gerilimleri yükteki harmoniklerden de önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu nedenle KUAG kullanılan rüzgâr enerji sistemlerinde gerilim regülasyonuna ihtiyaç duyulmaktadır. Gerilim regülasyonu için reaktif güç ihtiyacının karşılanması gerekmektedir. Bu amaçla KUAG uygulamalarında reaktif gücü sağlamak için güç elektroniği tabanlı Dağıtılmış Statik Kompanzatör (DSTATKOM) sistemleri yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. DSTATKOM'un performansı, Gerilim Kaynaklı İnverter (GKİ) için referans sinyallerini üreten kontrol algoritmasına bağlıdır. 
Bu tez çalışmasında, sistemin ürettiği gerilimlerin yük akımlarındaki harmoniklerden etkilenmemesini ve yük değişse bile istenilen gerilim seviyesini korumasını sağlayan iki adet DSTATKOM kontrol algoritması önerilmiştir. Önerilen kontrol algoritmalarında, filtreleme yetenekleri kanıtlamış olan Gelişmiş Faz Kilitleme Döngüsü (Enhanced Phase Locked Loop, EPLL) ve Hızlı Hibrit-PLL (Fast Hybrid-PLL, FH-PLL) yapılarından faydalanılmıştır. EPLL tabanlı kontrol algoritmasında KUAG'ın faz gerilimleri ayrı ayrı EPLL ile filtrelenmiş ve genlikleri tahmin edilmiştir. Yük akımlarındaki harmoniklerin referans sinyalleri etkilememesi için ise Hareketli Ortalama Filtre (Moving Average Filter, MAF) kullanılmıştır. Ayrıca yük akımlarında veya gerilimlerinde meydana gelebilecek DC ofsetin sistemi olumsuz etkilemesini engellemek için Geçiştirilmiş Sinyal İptali (Delayed Signal Cancellation, DSC) operatörü kullanılmıştır. FH-PLL tabanlı kontrol algoritması dq tabanlı bir yöntem olduğu için faz açısının ve KUAG geriliminin tepe değerinin hassas bir şekilde tahmin edilmesi gerekmektedir. Faz açısının ve tepe değerinin tahmini için FH-PLL yapısı kullanılmıştır. FH PLL yapısına tepe değerinin hassas tahmini için hata dengeleyici (amplitude-error compensator, AEC) eklenmiştir. Bu yöntemde ayrıca yük akımlarındaki harmoniklerin yok edilmesi için Hızlı Hibrit Filtre önerilmiştir. Bu filtre sayesinde hem yük akımları harmoniklerden arındırılmış hem de abc-dq dönüşümü daha hatasız bir şekilde yapılmıştır. KUAG gerilimlerinde meydana gelebilecek DC ofset hatası FH-PLL yapısı ile önlenirken yük akımlarındaki DC ofset hatası ise Hızlı Hibrit Filtre sayesinde giderilmiştir. 
KUAG-DSTATKOM sistemi için önerilen kontrol algoritmaların etkinliğini kanıtlamak amacıyla sistem lineer, nonlineer ve dengesiz yüklerle test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen kontrol algoritmalarının gerilim regülasyonundaki başarısını açık bir şekilde kanıtlamaktadır.

Abstract:
In recent years, the use of renewable energy sources such as wind, solar, and tidal power has been increasing due to the rising demand for electricity and the limitations of fossil fuels. Wind energy, in particular, has the potential to significantly mitigate the problem of global energy demand. Wind energy systems commonly utilize either synchronous or asynchronous generators. Squirrel cage asynchronous generators (Self-Excited Induction Generators, SEIG) have gained prominence due to several advantages, including their brushless structure, cost-effectiveness, low maintenance requirements, self-protection against faults, absence of DC excitation requirements, and ability to generate electricity at variable speeds. Consequently, SEIGs have become significant alternatives, especially in rural areas where bringing electric grids is economically unfeasible. Despite these positive features, SEIG's generated voltages fluctuate with changes in load and speed. Additionally, the output voltages of SEIGs are significantly influenced by harmonics present in the load. Therefore, voltage regulation is essential in wind energy systems employing SEIGs. Providing the reactive power requirement is necessary for voltage regulation. For this purpose, power electronics based Distribution STATic COMpensator (DSTATCOM) systems are widely used in SEIG applications to provide reactive power. The performance of DSTATCOM depends on the control algorithm that generates reference signals for the Voltage Source Inverter (VSI).
In this thesis, two DSTATCOM control algorithms are proposed, which ensure that the voltages produced by the system are not affected by the harmonics in the load currents and maintain the desired voltage level even if the load changes. In the proposed control algorithms, Enhanced Phase Locked Loop (EPLL) and Fast Hybrid-PLL (FH-PLL) structures that have proven filtering capabilities are utilized. In the EPLL-based control algorithm, the phase voltages of the SEIG are separately filtered by EPLL, and their amplitudes are estimated. Moving Average Filter (MAF) was used so that the harmonics in the load currents do not affect the reference signals. In addition, Delayed Signal Cancellation (DSC) operator is used to prevent the DC offset that may occur in load currents or voltages from adversely affecting the system. Since the FH-PLL based control algorithm is a dq-based method, the phase angle and the peak value of the SEIG voltage must be accurately estimated. The FH-PLL structure was used for the estimation of the phase angle and peak value. An amplitude-error compensator (AEC) has been added to the FH PLL structure for precise estimation of the peak value. In this method, Fast Hybrid Filter is also proposed to eliminate harmonics in load currents. Thanks to this filter, both load currents are free of harmonics and abc-dq conversion is accurately realized. While the FH-PLL structure prevents DC offset errors in SEIG voltages, the Fast Hybrid Filter eliminates DC offset errors in load currents.
In order to prove the effectiveness of the proposed control algorithms for the SEIG-DSTATCOM system, the system has been tested with linear, nonlinear and unbalanced loads. The obtained results clearly prove the success of the proposed control algorithms in voltage regulation.