Doğru akım raylı ulaşım sistemlerinde kullanılan rejeneratif güç dönüştürücüsünün kontrolü
Control of regenerative power converter used in dc rail transportation systems
Yazar: MAHMUT ÇAĞRI CEYLAN
Danışman: DOÇ. DR. JANSET DAŞDEMİR ; DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrikli ulaşım sistemleri = Electric transport systems ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Güç çeviriciler = Power converters ; Model öngörümlü denetim = Model predictive control ; PID denetleme = PID control

Özet:
Günümüzde enerjiye olan ihtiyacın giderek artması sonucu sera gazı salınımları ile birlikte küresel ısınma problemi ortaya çıkmıştır. Bu sebeple enerji verimliliği konusunda birçok alanda çalışmalar yürütülmektedir. Bu alanlar arasında elektrik enerjisinin kullanımı ile faaliyet gösteren raylı ulaşım sistemleri de yer almaktadır. Yüksek miktarda elektrik enerjisi tüketimi olan raylı ulaşım sistemlerinde enerjinin verimli kullanımı konusunda birçok çalışma gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmalardan biri de raylı ulaşım araçları tarafından üretilen rejeneratif enerjinin geri kazanımı üzerinedir.
Bu tez, doğru akım raylı ulaşım sistemlerinde rejeneratif enerji kazanımı için kullanılan şebeke bağlantılı rejeneratif güç dönüştürücüsünün kontrolü üzerine gerçekleştirilmiştir. DA raylı ulaşım sistemlerinde araçların frenleme sırasında üretmiş olduğu rejeneratif enerjiye bağlı olarak hat gerilimi hızla değişebilmektedir. Hat gerilimindeki bu değişimlere hızlı cevap vermek amacıyla PID tabanlı kontrol yapısı önerilmiştir. Ayrıca, düşük hesaplama süresi sayesinde rejeneratif güç dönüştürücüsü kontrolüne uyumlu yeni bir OSA-MPC tabanlı kontrol yapısı önerilmiştir.
Önerilen PID tabanlı kontrol yapısı içerisinde yer alan türevsel etki ile sistem tepkisi hızlandırılarak hat gerilimindeki değişimlere daha hızlı cevap verilmesi sağlanmış ve literatürde kullanılan PI tabanlı kontrol yapılarının yavaş dinamik tepkisi iyileştirilmiştir.
OSA-MPC yöntemi ile karmaşık matematiksel işlemleri ve sayısal çözümü azaltmak için sistem sınırları tanjant-hiperbolik fonksiyon şeklinde ifade edilmiş, kontrol problemi bir fonksiyon çözümüne dönüştürülerek hesaplama süresi önemli ölçüde azaltılmıştır. Böylece, literatürde yer alan klasik MPC yapısının yavaş dinamik tepkisi iyileştirilerek yüksek hızda kontrol çevrimine sahip rejeneratif güç dönüştürücüsü kontrolü için uygulanabilir yeni bir OSA-MPC tabanlı kontrol yapısı kullanılmıştır.
Ayrıca, rejeneratif güç dönüştürücüsü için sabit gerilim değerinde çalışmasını gerçekleştiren sistemlerden farklı olarak iki farklı gerilim değerini dikkate alan yeni bir çalışma stratejisi önerilmiştir.
Önerilen kontrol yapılarının etkinliği ve uygulanabilirliğini göstermek amacıyla sistemin ayrıntılı modeli Matlab/Simulink ortamında oluşturulmuştur. PID tabanlı kontrol yapısının performansını PI tabanlı kontrol yapısıyla karşılaştıran benzetim sonuçları sunulmuştur. OSA-MPC ile klasik MPC yöntemleri matematiksel model kullanılarak hesaplama süresi üzerinden karşılaştırılmış ve önerilen OSA-MPC tabanlı kontrol yapısının uygulanabilirliği sistem modeli üzerinde gerçekleştirilen benzetim çalışması sonuçları ile gösterilmiştir. Önerilen yeni çalışma stratejisi sayesinde, rejeneratif güç dönüştürücüsü çalışma bölgesi artırılarak daha fazla rejeneratif enerji kazanımı ile enerji verimliliğine katkı sağlanmış ve çalışma kararlılığı garanti edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Enerji verimliliği, DA raylı ulaşım, rejeneratif güç dönüştürücüsü, PID kontrolör, model öngörülü kontrol

Abstract:
Today, the problem of global warming has emerged due to greenhouse gas emissions as a result of the increasing need for energy. Therefore, studies are performed in many areas on the efficient use of energy. Among these areas, there are also rail transportation systems operating with the use of electrical energy. Many studies are researched on the efficient use of energy in rail transportation systems, which have high electrical energy consumption. One of these studies is the recovery of regenerative energy produced by rail transportation vehicles.
The thesis is performed on the control of grid-connected regenerative power converter used for regenerative energy recovery in direct current rail transportation systems. In DC rail transportation systems, the line voltage can change rapidly depending on the regenerative energy produced by the vehicles during braking. The PID-based control structure is proposed in order to respond quickly to these changes in line voltage. Furthermore, thanks to its low computation time a new OSA-MPC-based control structure, which is compatible with regenerative power converter control, is proposed.
With the derivative effect in the proposed PID-based control structure, provides quick response to these changes in line voltage by increasing the speed of the system response, and the slow dynamic response of PI-based control structure, which are used in the literature has been improved.
With OSA-MPC method, the system constraints are expressed as a tangent-hyperbolic function to reduce complex mathematical process and numerical solution, so that the computation time is significantly reduced by transforming the control problem into a function solution. Thus, by improving the slow dynamic response of classical MPC structure in the literature, a new applicable OSA-MPC based control structure is used for high speed control loop regenerative power converter control.
In addition, a new operating strategy is proposed for the regenerative power converter, which considers two different voltage values, unlike the systems that operate at a constant voltage value.
In order to demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed control structures, detailed model of system is developed in Matlab/Simulink environment. The simulation results comparing the performance of the PID-based control structure with the PI-based control structure are presented. The OSA-MPC and the classical MPC methods are compared over the calculation time using the mathematical model and the applicability of the proposed OSA-MPC based control structure is demonstrated with the simulation results performed on the system model. Thanks to the proposed new operating strategy, it is contributed to energy efficiency with more regenerative energy recovery by increasing the operation region of the regenerative power converter and ensuring stable operation.

Keywords: Energy efficiency, DC rail transportation, regenerative power converter, PID controller, model predictive control