LEE- Elektrik Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Sustainable Development Goal "Goal 9: Industry, Innovation and Infrastructure" ile LEE- Elektrik Mühendisliği-Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeData-driven prediction and emergency control of transient stability in power systems towards a risk-based optimal power flow operation(Graduate School, 2022-09-30) Jafarzadeh, Sevda ; Genç, V. M. İstemihan ; 504172009 ; Electrical EngineeringCost-efficient and reliable operation of power systems is one of the main concerns of the utilities. The large disturbances and major blackouts occurred in last two decades such as the blackout that took place on 14 August 2003 in the Midwest and Northeast US have ruinous and costly effect for millions of customers. The development of a proper stability prediction and control scheme for an emergency condition is the main objective of this study. In this study, a novel framework using two different approaches is proposed and investigated for real-time transient stability prediction (TSP) in power systems where the signals obtained from PMUs are utilized. The first proposed method is based on signal processing and machine learning approaches which take the computed energy of PMU signals in a window of measurements as an input to a classifier to predict the stability of the system. Several types of classifiers, which are multi-layered perceptrons (MLPs), decision trees (DT), and Naïve Bayes (NB) classifiers, are employed. Two alternative approaches of choosing the window of measurements used for TSP are developed, where an MLP-based fault detection process is also proposed to form the proper window of measurements. One approach is to use a fixed window of only post-fault measurements, whereas the other approach is to use an expanding window of measurements covering pre-fault, fault-on and post-fault stages. Utilization of the energy concept in TSP gives the flexibility to process signals in different sizes while providing predictions that are robust to measurement noises and missing data. It also makes feature selection methods directly applicable, making the TSP possible with fewer PMUs. The proposed methods are applied to two different test systems and a large-scale model of the Turkish power system. In the second approach, a novel methodology based on Koopman mode analysis is proposed to predict the transient stability of a power system in real-time. The method assesses the stability of the system based on a sliding sampling window of PMU measurements, and it detects the evolving instabilities by predicting future samples and investigating the computed Koopman eigenvalues. This approach is also able to identify alarm conditions, which include slowly evolving instabilities that may not be detected by predicting future samples in a limited time horizon. Identifying these conditions provides additional time to prepare a proper set of emergency control actions to be performed when necessary. Using the proposed method, groups of coherent generators that play a role in the evolving instabilities can also be identified, contributing to the design of a defensive islanding scheme for unstable cases. The efficacy of the proposed approach is demonstrated by simulating its performance with three test systems of different scales. Economical operation condition of the power system and its reliability are two contradicting issues. Reliable operation of the power system can lead to a high-cost operation, while economical operation of the power system might result in an unreliable operation of the power system. In this thesis, a novel methodology for the optimal power flow in a power system is proposed to ensure its reliable and cost-effective operation. The methodology adopts a risk-constrained optimal power flow and develops an efficient procedure to design corrective control actions including load shedding and mechanical torque reduction of generators in emergency conditions using reinforcement learning (RL). Reinforcement learning is a type of decision making tool which enables us to determine a set of proper control actions for different operating conditions and contingencies and to implement them in real-time. Since the training process of the RL-based agent is excessively time-consuming for large power systems, because of the enormity of their actions' spaces, an approach based on dynamic mode decomposition which limits the action space during the training process of agent is proposed. The proposed scheme is implemented on two test systems including a small-sized two-area power system and the 127-bus WSCC test system. A considerable amount of operating costs of the power systems corresponds to the fuel cost of the generation units. Therefore, fuel-cost minimization of the power system plays a crucial role in the economic operation of the power system. Furthermore, various faults and contingencies on the power systems might cause irrecoverable results such as widespread blackouts and following loss of money. Considering both fuel cost and reliability level of the system, it can be concluded that it is crucial to provide an optimal power flow solution with acceptable reliability for a given loading condition. Accordingly, the risk level of the system's operating points should be investigated properly. In this study, instead of rotor angle trajectory-based severity indices, the cost of the emergency control action is taken as a severity of the contingency. Using the cost of emergency control actions provided by the trained reinforcement learning-based agent as risk of the operating point, a risk-based optimization problem has been formulated. Two optimization techniques are employed to find the solution of the formulated optimization problem. The first one is Genetic Algorithm, GA, which is one of the well-known populated-based optimization techniques and the second one is Hooke–Jeeves method which is one of the well-known examples of pattern search local approaches. In these algorithms, the candidate solutions are evaluated with both cost function and constraints. The optimum operating points with and without risk constraints has been obtained for the two area and 127-bus test systems using both Genetic algorithm and Hooke-Jeeves method and the results are discussed.
-
ÖgeGeneration and measurement of mixed voltages, investigation on electrical discharge phenomena, and electric field analysis(Graduate School, 2022-04-27) İspirli, Mehmet Murat ; Kalenderli, Özcan ; 504182005 ; Electrical EngineeringThe insulation systems in power systems are frequently faced combinations of the operational voltage with over voltages. These types of voltage are called as "composite voltages" and "combined voltages" depending on the type of test object. They are superimposed two voltage signals with different properties (amplitude, frequency, time parameter, waveform). In order to generate them, it is necessary to connect different types of voltage generators together or types of two different voltage must be applied simultaneously to the device under test (DUT). In literature, tests of electrical insulation material are only applied for a single type of voltage wave. But, insulation of the system is forced with the electric field formed by the sum of the system voltage and overvoltage, when the internal and external overvoltage occurs in power systems. For example, insulation of the system is stressed with sum of the operation alternative voltage and lightning impulse voltage, when lightning strikes to power system line. During this event, the stress to which the insulation system is subjected differs according to the polarity of the lightning impulse and the polarity of the operating voltage at the time the lightning occurs. So, composite voltage conditions in the system must also be considered, when the insulation security and reliability of the system is defined. In this context, this thesis is based on three SCI articles on composite and combined voltage. In the first section of the thesis, 66 kV and 110 kV SiR insulators currently used in power transmission systems have been analyzed under combined AC–DC voltage using the finite element method (FEM). Insulators are the most crucial part of power systems. The insulation performance of insulators is vital for the sustainability of power systems. Recently, silicone rubber (SiR) insulators are used frequently in all sections of the power systems. In the analyzes made, positive and negative DC voltages in different amplitude ratios were superimposed over the phase-earth operating voltage of the insulator. In the study, the models were created based on time and analysis were applied in time-dependent. Alone DC voltage was applied to the insulator for the first 60 s, AC + DC voltage was applied between 60 to 120 s. Thus, the electric field behavior of the SiR insulator under combined AC–DC voltage has been obtained. The change of electric field based on positive and negative DC components was investigated. As a result of the study, the effect of the polarity of the DC component in the combined voltage was observed. The effect of the polarity of the DC component in the combined voltage on the maximum electric field intensity was observed. In the second section of the thesis, the effects of different electric fields, distance between electrodes and DC component of composite voltage on the breakdown voltage of air were investigated. The valve side of the converter valve in the HVDC transmission systems is subjected to mixed voltages such as composite AC & DC voltage. Normally, their structures have the geometry to create a uniform or less uniform electric field, but sharp points such as burrs on smooth surfaces can create non-uniform electric fields. In this study, four different electrode arrangements were used in the experiments to create different electric fields. The effects of the homogeneity of electric field on breakdown voltage were investigated for different ±DC component amplitudes of the composite voltage. The field efficiency factor was calculated using mean and maximum field strengths for all of them. Variation of breakdown voltage of air was examined under the composite AC & DC voltage for different ratios ±DC. As one result of the study, the breakdown occurs at the positive half-wave of the AC voltage despite −DC voltage being applied due to positive corona discharge pulses. This breakdown point is named as the polarity change point. The breakdown voltage increases with the decrease of DC voltage component up to polarity change point in non-uniform electric field. As a result of the experiments, it was seen that the polarity change point is closely related to the homogeneity of the electric field. As the homogeneity of the electric field increases, the polarity change point starts to be lower −DC voltage. In less uniform electric field, the AC breakdown voltage was measured slightly higher than the DC breakdown voltage. In less uniform electric field, as the ratio of the applied AC voltage to DC voltage increases, the breakdown voltage gradually approaches the AC breakdown voltage. This result is similar to the result obtained for the +DC component in non-uniform electric field experiments. In the last section of the thesis, firstly, experimental circuits were designed to generate and measure composite DC and LI high voltage using a simulation program. The voltage sources used in composite voltage generation must be isolated from each other with coupling elements so that they do not affect each other. In this context, it is critical to decide on the types and values of coupling elements. The coupling elements used were chosen according to simulation results. Afterward, experimental circuits were established in the laboratory according to the simulation results of the designed experimental circuit. Then, breakdown voltages under composite DC and LI voltage for less uniform and non-uniform electric fields were measured with four different electrode systems for positive and negative DC voltage pre-stresses with different amplitudes. The 50% breakdown voltage was calculated using the least-squares method. Finally, 3D models were created for the electrode systems used in the experiments using the finite element method. The efficiency factors of electrode systems calculated with the FEM results were correlated with the experimental breakdown voltage results. Thus, the breakdown behavior of air under bipolar and unipolar composite voltages (CV) was investigated. In conclusion, the experimental results showed that very fast polarity change in bipolar CV causes higher electrical stress compared to unipolar CV.
-
ÖgeŞebeke ile senkron çalışmada çok seviyeli güç elektroniği devreleri üzerinden okyanus dalga enerjisinin dönüştürülmesinin matematiksel modellemesine katkılar(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-12-19) Çolak, İlknur ; Kocabaş, Derya Ahmet ; 504062004 ; Elektrik MühendisliğiSon yıllarda dünyadaki enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla yapılan çeşitli araştırmalar içinde yer alan dalga enerjisinden yararlanma fikri, günümüz koşullarında her geçen gün daha da önem kazanmaktadır. Son yarım asırdır artan petrol krizi ile birlikte doğal enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretimi popüler hale gelmiş ve dünya genelindeki pek çok ülkenin 2030 yılı itibariyle karbondioksit ve benzeri diğer zehirli gazların emisyonunu %50'ye düşürme hedefleri sayesinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması zorunlu hale gelmiştir. Güneş ve rüzgar enerjisine kıyasla kendine küçük de olsa bir yer edinen dalga enerjisi, konunun karmaşıklığı, üretiminin zor olması ve uygun uygulama alanı bulma konusundaki zorluklar nedeniyle halen prototip safhasını aşıp, ticari boyut kazanamamıştır. Dalga enerjisinden elektrik enerjisi üretimi konusunda yapılan çalışmalarda gelişmiş güç elektroniği topolojilerinin ve kontrol yöntemlerinin uygulanması konusunda geniş çaplı araştırmalar yapılmamıştır. Bu nedenle bu tez çalışmasında ilk olarak dalga enerjisinden Wells türbini yardımıyla elektrik enerjisi üretiminin matematiksel analizi yapılmıştır. Sistemin ve sistem bileşenlerin ayrık ve bütünleşik matematiksel modelleri elde edilmiştir. Dalgadan elde edilen enerjinin şebekeye aktarılması için üç seviyeli aktif doğrultucu ve üç seviyeli evirici kullanılmış ve sistem kapalı modellenmesi benzetim ortamında gerçeklenmiştir. Denizdeki rüzgar dalgalarının enerjisi dağıtım ağındaki elektriğe dönüşene kadar, genel olarak dört aşamadan geçer. İlk aşamada, dalgadaki enerjiyi bir mekanik harekete dönüştürmek gerekir. Ortaya çıkan bu mekanik enerji, denizdeki dalgaların karakteristiği gereği, büyük genlikli, düşük hızlı hareketlerdir. İkinci aşamada mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi gerekir. Şebekede kullanıma uygun olmayan bu enerjinin, sabit frekans ve sabit genlikli gerilime dönüştürülmesi gerekir. Elektrik üretimine uygun hızlara getirilmiş hareketten elektriğin üretilmesi ve üretilen elektriğin dağıtım şebekesine aktarılabilecek kaliteye getirilmesi de üçüncü aşamada çözümlenir. Son aşamada ise üretilen elektriğin, özellikle çok sayıda birimden oluşan sistemlerde, genel dağıtım ağı ile entegre edilmesi söz konusudur. Dalga enerjisinden enerji üretimi konusundaki en büyük zorluklardan biri olan dalga dönüşüm tipinin belirlenmesi ve belirlenen sistemin hidrolik ve pnömatik çevrim analizlerinin yapılarak sistem matematiksel modellemesinin gerçekleşmesidir. Bu çalışmada dalga enerjisi çevrim sistemi için salınımlı su kolonu (OWC) sistemi kullanılmış ve pnömatik enerjinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi için de en basit ve güvenilir kendinden doğrultmalı hava türbini olan Wells türbini kullanılmıştır. Türbin/generatör grubunun çıkışındaki gerilimin doğrultulmasında kullanılan aktif doğrultucu, üç fazlı, üç seviyeli ortadan kenetlemeli çevirici (3L-AFE) topolojisi olup, çevirici sinüs biçimli darbe genlik modülasyonu (SPWM) metodu ile kontrol edilmiştir. Doğrultucunun çift yönlü akım akıtma yeteneğine sahip olması sayesinde, generatörden çekilen reaktif gücün kontrolü, toplam harmonik akım kompanzasyonu, generatörün ilk kalkış anındaki tahrik geriliminin sağlanması mümkün olmaktadır. Doğru gerilimin alternatif gerilime çevrilmesinde kullanılan ve gerilim kaynağı olarak çalıştırılan üç seviyeli evirici (3L-NPC), güç elektroniği uygulamalarında henüz çok yeni bir kontrol yöntemi olan üç seviyeli NTV-SV-PWM (nearest three vector - space vector - pulse width modulation) metodu ile kontrol edilmiştir. Uzay vektör modülasyon yöntemi gerilimin daha geniş bir aralıkta kontrol edilmesini sağlarken aynı zamanda cıkıştaki harmoniklerin düşürülmesinde onemli rol oynamaktadır. Bu çalışmada amaç farklı disiplinlerdeki yenilikleri bir araya getirerek yenilenebilir enerji kaynakları uygulamalarına yenilikçi bir açısı ile özgün bir katkıda bulunmaktır. Uzay vektör modülasyon yöntemi, ölçülen anlık referans vektöre en yakın üç vektörün belirlenmesi ve yarı iletken anahtarların bu vektör değerlerini oluştururken anahtarlama kayıplarını en düşük seviyede tutacak sıra ve sürede (dwell time) uygulanmasına dayanır. Bu yöntem ile evirici anahtarlama kayıpları minimunda turulurken evirici çıkışının şebeke gerilimine senkronize edilmesi de sağlanmış olur. Doğru gerilim barasının kontrolünde vektörlerin büyüklüklerindeki ve açılarındaki sapma ve doğru gerilim barası orta noktasının akım yönü bilgisi kullanılır. Bu bilgilere göre anahtarların anahtarlama sırasının önceden kestirimi yapılır ve bir veri arama tablosu (look-up table) oluşturulur. Bu sayede kontrol döngülerinin azaltılması ve sistem cevabının hızlandırılması sağlanmış olur. Aynı doğru gerilim barası ile birbirine bağlı üç seviyeli aktif doğrultucu ve üç seviyeli eviricinin görev dağılımları aşağıdaki gibidir. Aktif doğrultucu: -Alternatif gerilimin doğru gerilime çevrilmesi -Doğru gerilim barasının gerilim değerinin sabit tutulması -Çift yönlü akım geçişinin sağlaması (S-PWM kontrolü) -Akım harmoniğinin düşürülmesi -Doğrultucunun alternatif gerilim uçlarında üç seviyeli faz arası gerilimlerinin oluşturulması -Alternatif gerilim girişinden sinüzoidal akım çekerek güç faktörünün bire yakın tutulması Üç seviyeli evirici: -Doğru gerilimin alternatif gerilime çevrilmesi -Çift yönlü akım geçişinin sağlaması (NTV-SV-PWM kontrolü) -Akım harmoniğinin düşürülmesi -Gerilim harmoniğinin düşürülmesi -Doğru gerilim barası nötr noktasının kontrolü -Çıkış geriliminin şebekeye senkron çalıştırılması Bu çalışmada salınımlı su kolonu (OWC), Wells türbini, senkron generatör, doğrultucu ve eviriciden oluşan dalga enerjisinden elektrik enerjisine dönüşüm sisteminin tekil matematiksel modellemesi detaylandırılmış ve karmaşık girişli, karmaşık sistemin bütünleşik matematiksel modellerine katkıda bulunacak sonuçlar elde edilmiştir. Dalgalardan elektrik enerjisi üretimi konusuna duyulan ilgi dünya genelinde artmakta olup, çalışmalar henüz yeni yaklaşımlar üretmek düzeyindedir. Bu nedenle bu tez çalışmasının sonuçları ciddi bir dalga enerjisi potansiyeline sahip olan Türkiye'nin enerji politikalarının başarısı ve bu konuda uluslararası platformlarda yer edinmesi açısından büyük önem taşınmaktadır. Ayrıca bu proje Türkiye'nin yenilenebilir enerji konusundaki antlaşmalarda üstlendiği yükümlülüklerin yerine getirilmesi açısından da katkı sağlamaktadır.
-
ÖgeYüksek güçlü IGBT'ler için kapı sürme devresi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-27) Tanrıverdi, Osman ; Yıldırım, Deniz ; 504112006 ; Elektrik MühendisligiIGBT anahtarlama elemanlarının SOA (Emniyetli çalışma bölgesi İng: Safe Operating Area) bölgesi içerisinde çalışması, sistemdeki di_C/dt'den (kollektör akım değişim hızı) kaynaklı gürültülerin azaltılması, anahtarlama kayıplarının ve bunun sonucu oluşan IGBT'lerin sıcaklık değişimlerinin kontrolünün yapılabilmesi için kapı sürme devrelerinin tasarımı büyük önem taşımaktadır. IGBT anahtarlama geçişlere bakıldığında iki önemli elektriksel stres görülmektedir: Bunlardan birincisi, iletime geçiş esnasında IGBT paralel diyotundan dolayı oluşan yüksek akım aşımlarıdır. İkincisi ise kesime geçiş esnasında sistemdeki kaçak endüktanslardan dolayı IGBT uçlarında oluşan gerilim aşımlarıdır. IGBT'lerin anahtarlandığı çevirici sistemini etkileyen diğer önemli bir etken olan elektromanyetik yayınım durumu bu iki problemden kaynaklanmaktadır. Sürekli çalışmada ise jonksiyon sıcaklığı ve sıcaklıktaki değişimler sistem güvenliğini etkilemektedir. Yüksek ve çok fazla aralıkta değişen sıcaklıklar IGBT'lerde ömür problemine neden olmaktadır. Sıcaklık artışlarında IGBT'nin anahtarlama kayıplarını azaltmak sıcaklık değişimini azaltmak için gerekli bir durumdur. Bu tez çalışması IGBT'lerde aktif kapı sürme algoritması ile yukarıda bahsedilen elektriksel ve termal etkenleri iyileştirmektedir. Akım ve gerilim değişimlerinin kontrolünü birbirinden bağımsız yapmak suretiyle IGBT anahtarlama kayıplarını yalnızca gerilim değişimini değiştirerek düşürmek bu tez çalışmasının temel algoritmasını oluşturmaktadır. Yalnızca gerilim hızını değiştirmek IGBT kesime geçiş sırasında gerilim ve akım aşımlarını ve sistemdeki EMI (Elektromanyetik Girişim İng: Electromagnetic Interference) problemlerini değiştirmez. Çünkü bu hususlar akım değişim hızının değişimiyle alakalıdırlar. Tez çalışması kapsamında IGBT iletime ve kesime geçiş aralıkları kollektör akımı ve kollektör-emiter gerilimi ve kapı gerilimi açısından incelenmiştir. Anahtarlama geçişlerinin her bir aralığına etkiyen faktörler incelenmiş ve formülleriyle verilmiştir. IGBT aktif sürme algoritması IGBT kapı gerilimini uygun anahtarlama aralıklarında istenilen seviyeye getirmeye dayalı çalışmaktadır. Bu davranışı görmek adına öncelikle ANSYS Simplorer ortamında benzetim çalışması yapılmıştır. Benzetim çalışması ile IGBT'nin anahtarlama geçişleri örnek bir modül için nominal akım ve gerilim değerlerinde incelenmiştir. Bunun için de örnek modülün benzetim ortamında modellemesi gerçeklenmiştir. Çalışmada IGBT'nin geçişleri inceleneceği için yapılan modelleme dinamik modellemedir. Modellemenin doğruluğunu analiz etmek için gerçek ortamda IGBT tetiklenmiş, dalga şekilleri çıkartılmıştır. Aynı elektriksel değerlerde benzetim ortamında dalga şekilleri çıkartılmış, gerçek verilerle karşılaştırılmıştır. Tez çalışması kapsamında tamamıyla analog köntrollü bir aktif sürüş tekniği geliştirilmiş ve bir donanım üzerinde gerçeklenmiştir.