Bu çalışma, orta gerilim doğru akım dağıtım ağlarında birden fazla Voltage Source Converter (VSC), Switched-Capacitor DC Transformer (SCDCT) ve uzun DC hattının aynı sistem içinde çalışması sırasında ortaya çıkabilen gerilim salınımlarının nedenini empedans etkileşimi üzerinden incelemektedir.

Araştırmacılar önce DAB tabanlı SCDCT'nin küçük-sinyal giriş empedans modelini türetmiş, ardından bu modeli VSC çıkış empedansı ve hat empedanslarıyla birleştirerek çok terminalli MVDC sistem için kaynak–yük empedans etkileşimini analiz etmiştir.

Sonuçlara göre uzun hatların parazitik empedansları ve sisteme eklenen SCDCT'ler kritik empedans kesişim frekansını düşürebilir ve kaynak ile yük tarafı arasındaki faz farkını büyütebilir. Çalışmanın örnek sisteminde tek VSC ve tek SCDCT kararlıyken ikinci SCDCT eklendiğinde faz farkı 180,1°'ye çıkmakta ve sistem salınımlı kararsızlığa geçmektedir. Buna karşılık kaynak tarafına ek VSC bağlanması eşdeğer kaynak empedansını yeniden şekillendirerek kararlılığı geri getirebilmektedir.

Çalışma ayrıca SCDCT giriş akımının salınımlı bileşenini algılayan bir Active Damping Method önermektedir. Kontrolcü, SCDCT giriş empedansına seri sanal empedans etkisi ekleyerek kritik frekans bölgesindeki empedans büyüklüğünü ve fazını değiştirir. MATLAB/Simulink ve Control Hardware-in-the-Loop deneylerinde bu yöntem daha önce kararsız olan konfigürasyonları yeniden kararlı bölgeye taşımıştır.

MVDC ağlarında dönüştürücü etkileşimi neden kararsızlık oluşturabilir?

Geleneksel pasif elektrik şebekelerinde hat empedansı çoğunlukla fiziksel R, L ve C elemanlarıyla belirlenir. Güç elektroniği dönüştürücülerinin hâkim olduğu DC ağlarda ise kontrol döngüleri cihazın terminalden görülen dinamik empedansını da belirler.

Bu nedenle iki cihaz ayrı ayrı kararlı olsa bile birbirine bağlandıklarında oluşan kaynak–yük empedans etkileşimi belirli frekanslarda negatif sönümleme ve rezonans üretebilir.

SCDCT nasıl çalışır?

SCDCT'nin switched-capacitor katı orta gerilim girişini birden fazla izole DC seviyesine ayırır. Her ara DC port daha sonra Dual Active Bridge modülü üzerinden ortak düşük gerilim DC baraya bağlanır.

DAB modüllerinin çıkış gerilimi Output Voltage Control ile, ara kapasitör gerilimleri ise Voltage Balancing Control ile düzenlenmektedir.

Neden küçük-sinyal empedans modeli gerekiyor?

Sistem kararlılığını değerlendirmek için dönüştürücünün yalnız nominal gerilim ve gücü yeterli değildir. Küçük bir gerilim bozucusuna hangi frekansta ne kadar akım cevabı verdiğinin bilinmesi gerekir.

SCDCT için temel giriş empedansı:

Zin_DCT(s) = ûs1 / îLb

biçiminde ifade edilmektedir.

Çalışma, anahtarlamalı kapasitör katı, DAB modülleri, voltage balancing loop, output voltage loop ve giriş current loop'un tamamını küçük-sinyal modeline dahil ederek bu empedansı analitik olarak türetmektedir.

VSC tarafı nasıl modelleniyor?

VSC'nin AC şebeke tarafındaki dq-axis akım dinamikleri ve DC-link gerilimi doğrusal hale getirilerek terminal çıkış empedansı elde edilmektedir.

Böylece sistem iki ana gruba ayrılabilir:

• Kaynak tarafı: VSC çıkış empedansları + ilgili hat empedansları.
• Yük tarafı: SCDCT giriş empedansları + ilgili hat empedansları.

Kararlılık hangi kriterle değerlendiriliyor?

Kaynak tarafının toplam eşdeğer empedansı Zo_grid(s), yük tarafının toplam eşdeğer empedansı ise Zi_grid(s) olarak tanımlanır.

Bu iki empedansın büyüklüklerinin kesiştiği frekans fc için faz farkı incelenir. Çalışmanın kullandığı değerlendirmede faz farkının 180°'yi aşması Nyquist kriterinin ihlal edilmesi ve salınımlı kararsızlık riski anlamına gelmektedir.

Hat empedansı neden kritik?

Hat empedansı ihmal edildiğinde yüksek frekansta iki eşdeğer empedansın kritik biçimde kesişmediği bir durum elde edilebilmektedir.

Hatların endüktif ve dirençli özellikleri eklendiğinde ise kaynak tarafı empedansı yükselmekte ve empedans kesişimi daha düşük frekanslara kaymaktadır.

Tam yükta SCDCT giriş empedansı da küçüldüğünden faz marjı daha da azalabilmektedir.

SCDCT sayısı artarsa ne oluyor?

Bu test sistemi içinde eklenen SCDCT'ler yük tarafı empedansının büyüklüğünü değiştirerek kesişim frekansını aşağı çekmekte ve faz farkını büyütmektedir.

VSC sayısı artarsa ne oluyor?

Kaynak tarafına eklenen VSC'ler eşdeğer kaynak empedansını paralel bağlantı yoluyla değiştirerek kritik kesişimi daha yüksek frekansa ve daha düşük faz farkına taşımaktadır.

Kararsızlığın fiziksel sonucu ne?

g=1 ve h=2 simülasyonunda DC bara geriliminde 2469 V genlikli, yaklaşık ±%24,69 oranında salınım oluşmuştur.

Bu salınım ara kapasitörlere ve LVDC çıkışına da taşınarak güç kalitesini bozmaktadır.

Aktif sönümleme kontrolü ne yapıyor?

Aktif sönümleme yöntemi SCDCT giriş akımının durağan bileşenini düşük geçiren filtreyle ayırır. Gerçek akımla bu bileşen arasındaki fark salınımlı bileşen olarak kabul edilir ve PI kontrolcüye gönderilir.

Kontrolcü ek bir duty-cycle düzeltmesi üretir. Bu düzeltmenin empedans açısından etkisi seri sanal empedans eklenmesiyle ifade edilmektedir:

Zin_IR = Zin_DCT + ZSVI

Normal durağan durumda filtrelenmiş akım ile ölçülen akım aynı olduğundan aktif sönümleme çıkışı sıfıra yaklaşır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırmanın yöntem akışı

1. SCDCT'nin averaged-value modeli kurulmuştur.
2. Model çalışma noktası çevresinde doğrusallaştırılmıştır.
3. SCDCT giriş empedansı analitik olarak türetilmiştir.
4. VSC terminal çıkış empedansı oluşturulmuştur.
5. Uzun hatların empedansı kaynak ve yük tarafı modellerine eklenmiştir.
6. Bode ve empedans kesişim analiziyle kararlılık sınırları belirlenmiştir.
7. MATLAB/Simulink ile kararsızlık senaryoları doğrulanmıştır.
8. SCDCT için Active Damping Method geliştirilmiştir.
9. Yöntem Typhoon HIL ve PE-Expert4 tabanlı CHIL platformunda sınanmıştır.

ADM kararlılık sınırını nasıl değiştirdi?

Simülasyonda sönümleme ne kadar hızlı?

ADM 0,25 saniyede etkinleştirildiğinde simülasyondaki MVDC bara gerilimi yaklaşık 12,5 ms içinde yeniden kararlı hale gelmiştir.

HIL deneyi teorik sınırı doğruladı mı?

Evet. HIL sisteminde:

• 1 VSC + 1 SCDCT kararlı,
• 1 VSC + 2 SCDCT kararsız,
• 2 VSC + 2 SCDCT yeniden kararlı

olarak ölçülmüştür.

Kararsız konfigürasyondaki deneysel salınım frekansı 243 Hz olup teorik 242 Hz civarındaki tahminle yakınlık göstermektedir.

HIL deneyinde ADM'nin etkisi

1 VSC + 2 SCDCT konfigürasyonunda aktif sönümleme devreye alındıktan sonra sistem yaklaşık 21 ms içinde kararlı duruma ulaşmıştır.

MVDC bara yaklaşık 10 kV'ta kalmış, SCDCT düşük gerilim çıkışı yaklaşık 750 V'a yerleşmiş ve VSC'nin AC tarafındaki üç faz akımları yeniden düzgün sinüzoidal forma dönmüştür.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• SCDCT giriş empedansı küçük-sinyal model üzerinden analitik olarak türetilebilir.
• MVDC sistem kararlılığı yalnız tek bir dönüştürücüye değil kaynak ve yük tarafının birleşik empedans etkileşimine bağlıdır.
• Uzun hat empedansı kararlılık marjını azaltabilir.
• İncelenen parametrelerde SCDCT sayısının artması kararlılığı kötüleştirebilir.
• İncelenen konfigürasyonda VSC sayısının artırılması faz marjını büyütebilir.
• Aktif sönümleme SCDCT giriş empedansını sanal seri empedans üzerinden yeniden şekillendirebilir.
• Kararsız g=1,h=2 ve g=1,h=3 senaryoları ADM ile yeniden kararlı hale getirilebilmiştir.
• Teorik sınır, MATLAB/Simulink ve CHIL sonuçları aynı genel mekanizmayı desteklemektedir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• İki SCDCT bulunan bütün MVDC sistemlerin kararsız olacağı gösterilmemiştir.
• Daha fazla VSC'nin her sistemde kararlılığı mutlaka artıracağı kanıtlanmamıştır.
• ADM'nin bütün dönüştürücü topolojileri ve bütün parametre kombinasyonlarında aynı performansı göstereceği doğrulanmamıştır.
• Yöntem gerçek ticari MVDC şebekesinde uzun süreli saha testiyle doğrulanmamıştır.
• HIL doğrulaması fiziksel güç katmanının tam ölçekli saha işletimine eşdeğer değildir.
• Heterojen VSC, SCDCT ve hat parametrelerinde deneysel kapsamlı doğrulama yapılmamıştır.
• Kaynağın “universally applicable” ifadesi bütün olası şebekelerde deneysel olarak kanıtlanmış evrensellik anlamına gelmemektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık:Stability Assessment and Enhancement of Converter-Dominated MVDC Systems With Multiple Switched Capacitor DC Transformers and Multiple Voltage Source Converters.

Yazarlar: Gengzhe Wang, Dingyu Zheng, Yixin Pan, Huan Yang, Bo Zhao, Hongkun Lv, Kang Zhang.

Kurumlar: College of Electrical Engineering, Zhejiang University; State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute.

Kaynak türü: Hakem değerlendirmesinden geçmemiş preprint.

Tarih: 14 Haziran 2026.

SSRN: 6963467.

Dergi durumu: Kaynak üzerinde “Preprint submitted to International Journal of Electrical Power & Energy Systems” ifadesi bulunmaktadır; bu durum kabul edilmiş veya yayımlanmış makale anlamına gelmez.

Temel sistem: 10 kV MVDC bara, çoklu VSC, çoklu SCDCT ve uzun DC hatları.

SCDCT alt yapısı: Switched-Capacitor modülleri + Dual Active Bridge modülleri.

Temel yöntem: Küçük-sinyal empedans modelleme, Bode analizi, kaynak–yük empedans etkileşimi ve faz farkı değerlendirmesi.

Kararlılık sınırı: Empedans büyüklüklerinin kesiştiği frekansta yaklaşık 180° faz farkı kritik sınır olarak kullanılmıştır.

Önerilen kontrol: Active Damping Method; düşük geçiren filtre, PI kontrolü ve seri sanal empedans etkisi.

Simülasyon: MATLAB/Simulink.

Gerçek zamanlı doğrulama: Typhoon HIL güç katı + PE-Expert4 kontrol sistemi ile CHIL platformu.

Önemli simülasyon sonucu: g=1,h=2 kararsız durumda MVDC bara salınımı yaklaşık ±%24,69.

Önemli deneysel sonuç: HIL'de aynı g=1,h=2 durumu yaklaşık 243 Hz salınımla kararsızdır; ADM etkinleştirildikten sonra yaklaşık 21 ms içinde kararlı hale gelmiştir.

Önemli model sınırı: Ana sistem analizinde VSC, SCDCT ve hat parametrelerinin kendi grupları içinde aynı olduğu varsayılmıştır.

Finansman: Smart Grid-National Science and Technology Major Project, 2024ZD0801700; State Grid Corporation of China Science and Technology Project, 5211DS25000T.

Çıkar çatışması: Yazarlar bilinen finansal veya kişisel çıkar çatışması olmadığını bildirmiştir.

Lisans: Yüklenen preprint üzerinde doğrulanabilir açık Creative Commons lisansı belirtilmediğinden açık yeniden kullanım lisansı varsayılmamıştır.

Verianla yöntem notu: Bu içerik kaynak preprintin paragraf-paragraf Türkçe çevirisi değildir. SCDCT küçük-sinyal modeli, VSC terminal empedansı, hat empedansı, dönüştürücü sayısı, Bode kararlılık sınırı, aktif sanal empedans yöntemi, MATLAB/Simulink sonuçları ve CHIL doğrulaması bağımsız öğretici yapı içinde yeniden düzenlenmiştir. Kaynağın deneysel olarak doğrulamadığı saha ölçeği ve evrensel uygulanabilirlik sonuçları eklenmemiştir.