Üç seviyeli şebeke bağlantılı eviricilerde anahtarlama frekansına bağlı olarak verim karşılaştırması
Efficiency comparison by switching frequency in three-level grid-tied inverters
Yazar: ÖMER FARUK KOZARVA
Danışman: DOÇ. DR. CENGİZ POLAT UZUNOĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlama = Switching ; Eviriciler = Inverters ; Harmonik dalgalar = Harmonic waves ; Kompansatör = Compensator

Özet:
Endüstriyel ve ticari tesislerin tamamında doğrusal olmayan yükler bulunmaktadır. Doğrusal olmayan yükler yüksek oranda harmonik akım üreterek elektrik şebekesini kirletir, çevrede bulunan diğer cihazların olumsuz etkilenmesine, dağıtım trafosunun ve iletkenlerin aşırı ısınmasına ve yangın riskine sebep olabilir. Ayrıca otomasyon ve robotik sistemlerin artmasıyla dinamikleşen sanayi tesislerinin yükleri düzensiz, darbeli ve hızlı değişen reaktif güç çekmektedir. Bu tesislerde klasik yöntemlerle reaktif güç kompanzasyonu yapılamamaktadır ve tesisler ceza ödemektedir. Bunun önlenebilmesi için gerilimin seviyesine göre şebekeye dinamik reaktif güç desteği sağlanması gerekmektedir. Gerilim kontrollü reaktif güç sağlayan ve yüksek dinamik hızlı yeni nesil statik kompanzatör sistemleri (SVG) kullanılması gerekmektedir. Yukarıda bahsedilen sorunların çözümünde kullanılan güç kalitesi ürünleri şebeke bağlantılı evirici yapılarıdır. Bu ürünler tesislerde sürekli çalışmaktadırlar. Bu sebeple ilk kurulum maliyetlerinin yanı sıra işletme maliyetleri de önem kazanmaktadır. Ürünün yüksek verimle çalışması tercih sebebi oluşturmaktadır. Bu çalışmada şebeke bağlantılı üç seviyeli evirici yapılarından Si-NPC ve SiC-Hibrit-ANPC evirici yapılarının 100kVA'lık bir sistem için farklı anahtarlama frekanslarındaki kayıpları incelenmiştir. Anahtarlama frekansındaki artış evirici kayıplarının arttırmaktadır. Ancak anahtarlama frekansının arttırılması şebeke bağlantı filtresinde boyut ve kayıpların azalmasını sağlamaktadır. Şebeke bağlantı filtresi için farklı yapılar incelenmiş ve bu yapıların sönümleme performansları karşılaştırılmıştır. Evirici ve filtre kayıplarının bir arada değerlendirilmesi sonucu iki evirici yapısı için de en iyi anahtarlama frekansı hem benzetim hem de test sonuçları ile belirlenmiştir. Evirici kayıpları, kullanılan güç modüllerinin üretici firmaları tarafından geliştirilen benzetim araçları ile hesaplanmıştır. Şebeke bağlantı filtresinin kayıplarını hesaplamak için ise Excel tabanlı bir araç geliştirilmiştir. Yapılan hesaplar, iki evirici yapısı için de 10-30kHz anahtarlama frekansları için gerçekleştirilmiştir. İki evirici yapısı için de baskılı devre kartı tasarımları yapılmış ve 15-20kHz anahtarlama frekansı için hesaplanan değerlere uygun eviriciler üretilmiştir. Üretilen bu eviricilerin kayıpları güç analizörü ile ölçülerek benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yapılan ölçümler ve benzetimler arasında yaklaşık %6'lık bir sapma olduğu görülmüştür. Yapılan ölçümler sonucunda Si-NPC evirici yapısı için en verimli anahtarlama frekansının 15kHz, SiC-Hibrit-ANPC evirici yapısı için ise 20kHz olduğu görülmüştür.

Abstract:
There are too many non-linear loads in industrial facilities. Non-linear loads produce harmonic current which disturbs the grid. Harmonic current also cause adverse effects other devices in the environment, overheat the distrubution transformer and conductors and fire risk. In addition, the loads of industrial facilities, which become dynamic with the increase of automation and robotic systems, draw irregular, pulsed and rapidly changing reactive power. In these facilities, reactive power compensation cannot be made with conventional methods and the facilities pay fines. In order to prevent this drawback, dynamic reactive power support should be provided to the grid according to the voltage level. A new generation static compensator systems (SVG) providing voltage-controlled reactive power and high dynamic speed should be used. The power quality devices used to solve the problems mentioned above are grid-connected inverters. These devices work continuously in the facilities. For this reason, in addition to the initial setup costs, operating costs are also gaining importance. The main preference criteria is the efficiency of the proposed product. In this study, 100kVA grid-connected three-level Si-NPC and SiC-Hybrid-ANPC inverters losses were were analyzed for different switching frequencies. The increase in the switching frequency increases the inverter losses. However, increasing the switching frequency reduces the size and losses in the grid connection filter. Different structures have been examined for the grid connection filter and the damping performances of these structures have been compared. As a result of evaluating the inverter and filter losses together, the best switching frequency for both inverter structures was determined by both simulation and test results. Inverter losses were calculated with simulation tools developed by the manufacturers of the used power modules. An Excel-based tool has been developed to calculate the losses of the grid connection filter. The calculations were made for 10-30kHz switching frequencies for both inverters. Printed circuit board designs were made for both inverter structures and inverters were produced according to the values calculated for 15-20kHz switching frequency. The losses of these produced inverters were measured with a power analyzer and compared with the simulation results. It has been observed that there is a deviation of about 6% between the measurements and simulations. As a result of the measurements, it has been seen that the most efficient switching frequency for Si-NPC inverter is 15kHz, and 20kHz for SiC-Hybrid-ANPC inverter.