Modüler çok seviyeli dönüştürücüler için genelleştirilmiş bir kapasitör gerilim dengeleme şeması ve örnekleme frekansı analizi
A generalized capacitor voltage balancing scheme and sampling frequency analysis for modular multilevel converters
Yazar: Kurtoğlu, Mehmet; Eroğlu, Fatih; Vural, Ahmet Mete
Dergi: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Vol. 38 No. 2, 2020
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Enerji dönüşüm sistemleri,Modüler çok seviyeli dönüştürücü (MÇD),En yakın seviye modülasyonu (ESM),Kapasitör gerilim dengeleme algoritması,Örnekleme frekansı etkisi ; Energy conversion systems,Modular multilevel converter (MMC),Nearest level modulation (NLM),Capacitor voltage balancing algorithm,Sampling frequency effect

Modüler çok seviyeli dönüştürücüler (MÇD), modüler yapısı, yüksek verimliliği ve kaliteli çıkış dalga formu sayesinde orta ve yüksek güçlü endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar. MÇD’ler literatürde yer alan çeşitli darbe genişlik modülasyon teknikleriyle kontrol edilebilmektedirler. Düşük harmonik değerlerde sonuç vermesi ve kolay kontrol imkânı sunması sayesinde en yakın seviye modülasyon (ESM) yöntemi MÇD uygulamalarında tercih edilmektedir. ESM yöntemi için örnekleme frekans değerinin seçimi, MÇD çıkış performans parametreleri açısından önem arz etmektedir. Bununla birlikte, MÇD alt modüllerinde yer alan kapasitör gerilimlerinin referans değerde kalması için kullanılan modülasyon tekniğine uygun olarak gerilim dengeleme algoritmasına da ihtiyaç duyulmaktadır. Bu makalede, ESM yöntemi tabanlı genelleştirilen bir kapasitör gerilim dengeleme algoritması önerilerek, MÇD’nin çıkış parametreleri üzerindeki örnekleme frekansı etkisi analiz edilmiştir. Önerilen algoritma, farklı sayıda alt modül kullanımına göre genelleştirilerek tüm olası alt modül durumlarına uyarlanabilmektedir. Önerilen algoritma sayesinde, kapasitör gerilim dengeleme akış işlemi hızlanmakta, nispeten karmaşık bir algoritmadan ve daha fazla işlemci alanı gereksiniminden tasarruf edilmektedir. Birim zamanda daha fazla sayıda işlem yapılmasıyla ve tüm alt modüllerin olabildiğince eşit oranda kullanımıyla MÇD performansına da olumlu katkı sağlanmaktadır. Ek olarak, alt modül sayısının fazla olduğu MÇD uygulamalarında da önerilen algoritma işlem hızını önemli ölçüde düşürecektir. Bu çalışmada; üç-faz, 7-seviyeli, yarım-köprü alt modül tabanlı MÇD tasarlanmıştır. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritması, MÇD’nin üst ve alt kollarına ayrı ayrı uygulanmış ve kol gerilimleri kontrol edilmiştir. Ayrıca, MÇD için çıkış gerilim ve akım dalga formlarının toplam harmonik bozulma ve temel frekans bileşen büyüklük değerinin yanı sıra alt modül kapasitör gerilimlerinin denge kalitesi üzerindeki örnekleme frekansı etkisi ele alınmıştır. Önerilen algoritma kullanılarak farklı durum çalışmaları altında tasarlanan MÇD modelinin performans değerlendirmesi sunulmuştur. ESM yöntemi için gerekli minimum örnekleme frekansının altında ve üzerinde seçilen 0.5, 5 ve 20 kHz değerlerinde MÇD’nin tüm çıkış parametrelerinin ve kapasitör gerilimlerinin değişimleri incelenmiştir. Buna bağlı olarak, tüm parametreler açısından en uygun örnekleme frekans aralığı tespit edilmiştir. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritmasının geçerliliği ve uygulanabilirliği farklı durum çalışmaları yardımıyla simülasyon ortamında test edilmiş ve doğrulanmıştır.

Modüler çok seviyeli dönüştürücüler (MÇD), modüler yapısı, yüksek verimliliği ve kaliteli çıkış dalga formu sayesinde orta ve yüksek güçlü endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar. MÇD’ler literatürde yer alan çeşitli darbe genişlik modülasyon teknikleriyle kontrol edilebilmektedirler. Düşük harmonik değerlerde sonuç vermesi ve kolay kontrol imkânı sunması sayesinde en yakın seviye modülasyon (ESM) yöntemi MÇD uygulamalarında tercih edilmektedir. ESM yöntemi için örnekleme frekans değerinin seçimi, MÇD çıkış performans parametreleri açısından önem arz etmektedir. Bununla birlikte, MÇD alt modüllerinde yer alan kapasitör gerilimlerinin referans değerde kalması için kullanılan modülasyon tekniğine uygun olarak gerilim dengeleme algoritmasına da ihtiyaç duyulmaktadır. Bu makalede, ESM yöntemi tabanlı genelleştirilen bir kapasitör gerilim dengeleme algoritması önerilerek, MÇD’nin çıkış parametreleri üzerindeki örnekleme frekansı etkisi analiz edilmiştir. Önerilen algoritma, farklı sayıda alt modül kullanımına göre genelleştirilerek tüm olası alt modül durumlarına uyarlanabilmektedir. Önerilen algoritma sayesinde, kapasitör gerilim dengeleme akış işlemi hızlanmakta, nispeten karmaşık bir algoritmadan ve daha fazla işlemci alanı gereksiniminden tasarruf edilmektedir. Birim zamanda daha fazla sayıda işlem yapılmasıyla ve tüm alt modüllerin olabildiğince eşit oranda kullanımıyla MÇD performansına da olumlu katkı sağlanmaktadır. Ek olarak, alt modül sayısının fazla olduğu MÇD uygulamalarında da önerilen algoritma işlem hızını önemli ölçüde düşürecektir. Bu çalışmada; üç-faz, 7-seviyeli, yarım-köprü alt modül tabanlı MÇD tasarlanmıştır. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritması, MÇD’nin üst ve alt kollarına ayrı ayrı uygulanmış ve kol gerilimleri kontrol edilmiştir. Ayrıca, MÇD için çıkış gerilim ve akım dalga formlarının toplam harmonik bozulma ve temel frekans bileşen büyüklük değerinin yanı sıra alt modül kapasitör gerilimlerinin denge kalitesi üzerindeki örnekleme frekansı etkisi ele alınmıştır. Önerilen algoritma kullanılarak farklı durum çalışmaları altında tasarlanan MÇD modelinin performans değerlendirmesi sunulmuştur. ESM yöntemi için gerekli minimum örnekleme frekansının altında ve üzerinde seçilen 0.5, 5 ve 20 kHz değerlerinde MÇD’nin tüm çıkış parametrelerinin ve kapasitör gerilimlerinin değişimleri incelenmiştir. Buna bağlı olarak, tüm parametreler açısından en uygun örnekleme frekans aralığı tespit edilmiştir. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritmasının geçerliliği ve uygulanabilirliği farklı durum çalışmaları yardımıyla simülasyon ortamında test edilmiş ve doğrulanmıştır.