Çok seviyeli inverterler için gerçek zamanlı seçici harmonik eliminasyonu
Real-time selective harmonic elimination for multi-level inverters
Yazar: YASİN BEKTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. HULUSİ KARACA
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok seviyeli inverter (ÇSİ) tarafından üretilen basamaklı çıkış geriliminin düşük dereceli harmonikleri içermesi, çıkış geriliminde dalgalanmalar, güç kalitesi sorunları, inverter kayıplarının artması ve inverterin hatalı çalışması gibi birçok olumsuz duruma neden olur. Çok seviyeli inverterler için geliştirilmiş birçok kontrol ve modülasyon yöntemi olsa da bahsedilen sorunların üstesinden gelen temel modülasyon tekniği Seçici harmonik eliminasyonu (SHE) tekniğidir. ÇSİ'lerin SHE modülasyonu için birçok darbe genişliği modülasyonu (DGM) yöntemi önerilmiştir. Önerilen DGM tekniklerinin çoğu, önceden belirlenmiş simetrik veya asimetrik doğru akım (DA) kaynakları altında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ancak bu yöntemler zamana göre değişken olan DA kaynakları varlığında SHE-DGM denklemlerine çözüm sunmamaktadır.  Zamana göre değişken DA kaynakları, ÇSİ'in çıkış geriliminin toplam harmonik distorsiyon (THD) değerini ciddi şekilde etkileyecektir. Bu nedenle fotovoltaik güç üretimi gibi değişken DA kaynakları içeren güç üretimi sistemlerinde değişken DA kaynakları dikkate alınarak sistemin gerçek zamanlı kontrolünün yapılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasının amacı değişken DA kaynak tarafından beslenen ÇSİ için gerçek zamanlı çalışabilen yeni bir SHE-DGM tabanlı bir yöntem sunmaktır. 
Bu tez çalışmasında simetrik, asimetrik ve eşit olmayan kaynaklarla beslenen ÇSİ için çevrim dışı çalışan üç farklı SHE-DGM yöntemi ve eşit olamayan kaynaklarla beslenen ÇSİ için bir adet gerçek zamanlı çalışabilen SHE-DGM yöntemi olmak üzere toplamda dört farklı SHE-DGM yöntemi geliştirilmiştir. Simetrik kaynakla beslenen ÇSİ için geliştirilen RDA tabanlı SHE-DGM yöntemi, simetrik kaynaklarla beslenen 11 seviyeli ÇSİ durumu için Newton–Raphson, Parçacık Sürüsü Optimizasyonu (PSO), LSHADE /EpSin ve Balina Optimizasyon Algoritması gibi yöntem ve algoritmalar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda geliştirilen yöntemin %4.08 THD değeri ve %0.04 THDe değeri ile diğer yöntemlerden üstün olduğu bulunmuştur. Asimetrik kaynaklı ÇSİ için geliştirilen RDA tabanlı SHE-DGM yöntemi tek fazlı 19-seviyeli Kaskad H-Köprülü (KHK) ÇSİ'e uygulanmıştır. Asimetrik kaynakla beslenen ÇSİ için geliştirilen SHE-DGM'nin 0.2 ile 1.0 modülasyon indeksi aralığında etkinliği uygulamalarla kanıtlanmıştır. Eşit olmayan kaynaklı ÇSİ için geliştirilen RDA tabanlı SHE-DGM yöntemi, Güvercinlerden İlham Alan Optimizasyon, PSO ve Genetik Algoritma gibi optimizasyonlar ile eşit olmayan kaynaklarla beslenen 7 seviyeli ÇSİ durumu için karşılaştırılmıştır. Eşit olmayan kaynakla beslenen ÇSİ için geliştirilen çevrimdışı SHE-DGM yönteminin diğer yöntemlerden üstünlüğü uygulamalarla kanıtlanmıştır. Eşit olmayan kaynakların varlığında SHE-DGM için önerilen RDA tabanlı SHE-DGM temel gerilimi maksimum %0.09 hata ile kontrol ederek seçilen harmonikleri %0.06'nın altında bir oranda hızlı ve doğru bir şekilde elimine edebildiği gösterilmiştir. 
Çevrimdışı RDA tabanlı SHE-DGM yöntemlerine ek olarak fotovoltaik panellerle beslenen kaskad H-köprülü çok seviyeli inverterin (KHK-ÇSİ) gerilim ve harmonik kontrolü için gerçek zamanlı çalışabilen yeni bir Kızıl Geyik Algoritması tabanlı Yapay Sinir Ağı (RDA–YSA) yaklaşımı sunulmuştur. Geliştirilen gerçek zamanlı RDA–YSA tabanlı SHE–DGM tekniğinde, inverterin kontrolü için gerekli anahtarlama açıları, çevrimdışı olarak RDA optimizasyonu ile hesaplanmıştır. Belirlenen anahtarlama açıları ile, giriş gerilim değerlerinin bir fonksiyonu olarak bir veri seti oluşturulmuştur. Daha sonra bu veri seti kullanılarak fotovoltaik panellerin gerçek zamanlı değerlerine karşılık gelen anahtarlama açılarını tahmin edebilen bir YSA modeli geliştirilmiştir.  Geliştirilen RDA–YSA tabanlı SHE–DGM tekniği, fotovoltaik paneller tarafından beslenen 3 fazlı 11 seviyeli KHK–ÇSİ'e uygulanmıştır. Fotovoltaik panellerle beslenen KHK-ÇSİ inverter için ışınım ve sıcaklık değişimlerinin farklı kombinasyonu kullanılarak dört farklı senaryo için gerçek zamanlı uygulamalar yapılmıştır.  Önerilen yaklaşım sayesinde panel gerilimlerinin değişmesi durumunda bile istenilen temel gerilim elde edilirken seçilen harmonikler de başarılı bir şekilde yok edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen RDA–YSA tabanlı SHE–DGM tekniğinin farklı panel gerilimlerinde, yük gerilimindeki seçilen harmonikleri elimine ettiğini ve minimum THD değeri sunduğunu kanıtlamaktadır. 
Sonuç olarak geliştirilen dört farklı RDA tabanlı SHE-DGM yönteminin doğruluğu ve uygulanabilirliği yapılan hesaplamalar ve testler ile kanıtlanmıştır.

Abstract:
The cascading output voltage produced by the multilevel inverter (MLI) contains low order harmonics, causing many negative situations such as output voltage fluctuations, power quality problems, increased losses, and malfunction. Although many control and modulation methods are developed for multilevel inverters, the basic modulation technique that overcomes the problems mentioned is selective harmonic elimination (SHE). Numerous pulse width modulation (PWM) methods have been proposed for SHE modulation of MLIs. Most of the proposed DGM techniques are designed to operate under predetermined symmetrical or asymmetrical direct current (DC) sources. However, these methods did not solve the SHE-PWM equations in the presence of time-varying DC sources. DC sources that change over time will significantly affect the MLI's total harmonic distortion (THD) output voltage. Because of this, power generation systems with variable DC sources, like photovoltaic (PV) power generation, need to be controlled in real-time by considering the variable DC sources. This thesis aims to present a new pulse width modulation (PWM) method that can work in real-time for MLI fed with a variable DC source.
In this thesis, four different SHE-PWM methods have been developed, three different SHE-PWM ways that work offline for symmetrical, asymmetrical, and unequal sources fed MLI, and one real-time SHE-PWM method for MLI fed with unequal sources. The RDA-based SHE-MLI developed for symmetric MLI is compared with methods and algorithms such as Newton-Raphson, Particle Swarm Optimization, LSHADE /EpSin and Whale Optimization Algorithm for the case of 11-level MLI fed by symmetric sources. As a result of the comparison, the developed method was found to be superior to the other methods with a THD value of 4.08%, and a THDe value of 0.04%. The RDA-based SHE-PWM method developed for asymmetric source MLI is applied to single-phase, 19-level cascaded h-bridge multilevel inverter (CHB-MLI). The effectiveness of the SHE-PWM method developed for asymmetric source-fed MLI in the modulation index range from 0.2 to 1.0 is demonstrated by applications. The RDA-based SHE-PWM method developed for MLI with unequal resources is compared with optimizations such as Pigeon Inspired Optimization, Particle Swarm Optimization and Genetic Algorithm for the case of 7-level MLI with unequal resources. The superiority of the off-line SHE-PWM method developed for the MLI fed with unequal resources over other methods is proven by applications. It is shown that the proposed RDA-based SHE-PWM for SHE-PWM in the presence of unequal sources can control the fundamental voltage with a maximum error of 0.09% and eliminate the selected harmonics quickly and accurately at a rate below 0.06%.
In addition to offline RDA-based SHE-PWM methods, a new Red Deer Algorithm-based Artificial Neural Network (RDA-ANN) approach that can operate in real-time for voltage and harmonic control of cascaded H-bridge multilevel inverter (KHK-CSI) fed with photovoltaic panels is presented. In the developed real-time RDA-ANN based SHE-DGM technique, the switching angles required for inverter control are calculated offline by RDA optimization. With the determined switching angles, a data set was created as a function of the input voltage values. Then, using this data set, an ANN model was developed that can predict the switching angles corresponding to the real-time values of the PV panels.  The developed RDA-ANN-based SHE-PWM technique is applied to a 3-phase 11-level CHB-MLI fed by PV panels. Real-time applications were made for four different scenarios using different radiation and temperature changes combinations for the PV-connected CHB-MLI. The proposed approach eliminates selected harmonics while achieving the desired fundamental voltage even when the panel voltages change. The obtained results prove that the proposed RDA-ANN-based SHE-PWM technique eliminates the 5th, 7th, 11th, and 13th harmonics in the load voltage and offers minimum THD value at different panel voltages.
As a result, the accuracy and applicability of the four different RDA-based SHE-PWM methods have been proven by calculations and tests.