Elektrikli Araç Uygulamaları için Katı Hal Transformatörü Tabanlı Güç Dönüştürücü Kontrolü

Abstract

Elektrik iletim ve dağıtımında önemli bir yere sahip transformatörler, gelişen güç elektroniği teknolojileriyle birlikte yerini katı hal transformatörlerine (KHT) bırakmaktadır. KHT'ler; yüksek kontrol edilebilirlik, çift yönlü güç akışı, kompakt yapı ve yüksek frekanslı çalışma özellikleriyle geleneksel transformatörlerin sınırlamalarını ortadan kaldırır. Ayrıca akım-gerilim regülasyonu, reaktif güç desteği, enerji depolama yönetimi ve güç kalitesi iyileştirmesi gibi işlevler sunar. Bu özellikleri sayesinde KHT'ler, yenilenebilir enerji entegrasyonu, mikro şebekeler, dağıtık üretim ve elektrikli araçlar (EA) şarj sistemleri gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, EA uygulamalarına yönelik tek fazlı ve üç fazlı KHT tabanlı çift yönlü aktif köprü (ÇYAK) güç dönüştürücüsü incelenmiştir. Bu yapıda yüksek dinamik performans ve kararlı çalışma elde etmek için kayan kipli kontrol ve oransal–integral kontrol yöntemleri uygulanmış ve performansları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Tez kapsamında öncelikle KHT tabanlı güç dönüştürücü topolojileri ayrıntılı olarak analiz edilmiş; verimlilik, kontrol esnekliği, çift yönlü güç akışı, yüksek frekans izolasyonu ve enerji depolama entegrasyonu gibi temel kriterler göz önünde bulundurularak EV şarj altyapıları için uygun yapı belirlenmiştir. Bu doğrultuda, yüksek verimli DA/DA güç dönüşümünü sağlayan ÇYAK ile entegrasyonu sağlanmıştır. KHT tabanlı ÇYAK dönüştürücüsünün matematiksel modeli oluşturulmuş ve kontrol algoritmaları tasarlanarak sistem üzerinde uygulanmıştır. Tasarlanan modelin dinamik ve kararlı hâl performansı, farklı yük ve giriş koşulları altında değerlendirilmiştir. Tüm modelleme ve benzetim çalışmaları, güç elektroniği ve güç sistemleri analizinde yaygın olarak kullanılan MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir.

Transformers play an essential role in power transmission and distribution; however, advances in power electronics are increasingly replacing them with solid-state transformers (SSTs). SSTs overcome the limitations of conventional transformers by offering high controllability, bidirectional power flow, compact structure, and high-frequency operation. In addition, they provide advanced functionalities such as voltage–current regulation, reactive power support, energy storage management, and power quality improvement. Owing to these capabilities, SSTs are widely utilized in renewable energy integration, microgrids, distributed generation systems, and electric vehicle (EV) charging infrastructures. In this thesis, single-phase and three-phase SST-based dual active bridge (DAB) converters for EV applications are investigated. To achieve high dynamic response and stable operation, sliding mode control (SMC) and proportional–integral (PI) control strategies are implemented, and their performance is compared. Within the scope of the study, SST-based power converter topologies are analysed in detail. Considering criteria such as efficiency, control flexibility, bidirectional power transfer, high-frequency isolation, and energy-storage integration, a suitable structure for EV charging systems is identified. Accordingly, a high-efficiency DC/DC conversion structure based on DAB is developed. The mathematical model of the proposed SST-based DAB converter is derived, and the designed control algorithms are implemented. The dynamic and steady-state performance of the proposed model is evaluated under different load and input conditions. All modelling and simulation studies are carried out using the MATLAB/Simulink platform, which is widely employed for power system and power electronics analysis.