Genlik modülasyonu kullanarak güç sinyallerinde harmonik çözümleme
Harmonic analysis of power signals via amplitude modulation
Yazar: AYBÜKE ESRA KİBAR
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL SALOR DURNA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç sistemlerinde ideal akım ve gerilim sinyalleri temel frekansta tek bir sinüs dalgası şeklindedir. Doğrusal olmayan yükler ya da doğrusal olmayan kaynaklardan birisi ya da her ikisi sebebiyle bu ideal dalga şekline, temel frekansın katlarındaki harmonikler ve diğer frekanslardaki araharmonik bileşenler eklenir. Harmonik ve araharmonikler güç sistemlerinde gerilim düşmeleri, kayıpların artması, sistemde bulunan cihazların ısınmaları ve yalıtımlarının bozulması gibi teknik ve ekonomik problemlere neden olurlar. Temel frekansla birlikte harmonik ve araharmoniklerin doğru tespit edilebilmesi, kompanzasyon sistemlerinin geliştirilmesi ve kaliteli güç sağlanması açısından önemlidir. Bu tezde akım ya da gerilim sinyalinin harmoniklerinin ve araharmoniklerinin doğru ve hızlı bir şekilde tespiti için, yeni bir yöntem geliştirilmişir. Önerilen yöntemdeki temel düşünce, sinyali, içinde barındırdığı olası frekans bileşenleriyle ayrı ayrı modüle ederek, aranılan frekansa ait, biri sıfır Hz'de olan ve diğeri de yüksek frekansta olan iki bileşen elde etmektir. Uygulanan modülasyon literatürde QAM olarak bilinen dördün genlik modülasyonudur. Bu bileşenlerden sıfır Hz civarına taşınmış olan, alçak geçiren sayısal bir süzgeç ile alınarak, genlik ve faz bilgileri hesaplanmaktadır. Önerilen yöntem, istenilen zaman aralığında, istenilen frekanstaki bileşenlerin genlik ve faz bilgileri, literatürde temel spektral ayrıştırma yöntemi olan Fourier analizi ile kıyaslandığında, daha kısa bir zaman penceresinde ve daha yüksek doğrulukta tespit etme imkanı sağlamaktadır. Önerilen yöntemin doğruluğu sentetik olarak üretilen güç sinyalleri üzerinde denenmiş ve harmonik ve araharmoniklerin frekans ve faz bilgilerini yüksek doğrulukla bulduğu gösterilmiştir. Bu tezde geliştirilen yöntem, Türkiye Elektrik İletim Sistemi'nin elektrik ark ocaklarını besleyen bir transformatör merkezinden alınan saha verilerine uygulandığında, Fourier analizine göre, özellikle temel frekansın nominal değerinden saptığı durumlarda, daha doğru faz ve genlik değerlerinin elde edildiği gösterilmiştir.

Abstract:
Ideal current and voltage signals are in the shape of pure sinusoidal waves in power systems. Due to nonlinear loads or nonlinear sources, harmonics at the integer multiples of the power system frequency and/or interharmonics at other frequencies are added to this ideal waveform. Harmonics and interharmonics cause both technical and economic problems such as voltage drops in power systems, increased losses, heating of devices in the system and loss of insulation. It is important to determine harmonics and interharmonics and the fundamental frequency component to develop compensation systems and to provide highquality power. In this thesis, a new method has been developed for the accurate and fast detection of harmonics and interharmonics of current or voltage signals. The basic idea in the proposed method is to obtain the amplitude and phase information of the frequency component filtered by a low-pass filter, which consists of two components, one at zero Hz and the other at a high frequency, by modulating the signal at each frequency component required, separately. The modulation is achieved via Quadrature Amplitude Modulation, known in the literature as QAM. The proposed method provides the possibility of detecting the amplitude and phase information of the desired frequency components inside a shorter window and more accurately when compared to the results of the Fourier analysis. The accuracy of the proposed method has been tested on synthetically produced voltage and current  signals with harmonics and also the cases of fundamental frequency deviations have been tested and shown to yield better results than the Fourier analysis. The method developed in this thesis has been shown to provide more accurate phase and amplitude estimates for compared to Fourier analysis, when applied to the voltage signals gathered from transmission substations  of the Turkish Electricity Transmission System supplying electric arc furnace plants, which present special cases of significant fundamental frequency deviation from the nominal value.