Bu araştırma, zayıf dağıtım şebekelerine bağlanan elektrikli araç şarj istasyonlarındaki şebeke oluşturan dönüştürücülerin (grid-forming converter, GFM) kısa devre ve gerilim çökmesi sırasında oluşturabileceği aşırı akımı sınırlarken gerilim destek yeteneğini korumayı amaçlayan uyarlanabilir bir kontrol yöntemi geliştiriyor. Yöntem, dönüştürücü akımını gerçek zamanlı olarak sınıflandırıyor; orta düzey aşırı akımda sanal reaktansı doğrusal ve doğrusal olmayan terimlerle kademeli biçimde artırarak “yumuşak” sınırlama, şiddetli aşırı akımda ise sanal reaktansı daha fazla yükseltip gerektiğinde ilgili IGBT köprü kolunun sürme sinyallerini bloke ederek “sert” sınırlama uyguluyor. StarSim-RCP + StarSim-HIL platformundaki testlerde orta düzey arızada en yüksek faz akımı 50 A'dan 42 A'ya, şiddetli arızada ise 90 A'dan 62 A'ya düşürülmüş; arıza sonrası nominal akıma dönüş süresi sırasıyla 55 ms'den 35 ms'ye ve 65 ms'den 45 ms'ye kısalmıştır. Bununla birlikte sonuçlar tam ölçekli bir gerçek şarj istasyonu saha deneyi değil, RCP/HIL tabanlı elektromanyetik geçici durum doğrulamasıdır; asimetrik arızalar ve çok düşük kısa devre oranına sahip şebekeler bu çalışmada doğrulanmamıştır.

Türkiye açısından çalışma, özellikle yüksek güçlü elektrikli araç şarj tesislerinin zayıf dağıtım noktalarına bağlanması durumunda dönüştürücü koruması ile şebeke gerilim desteğini birlikte değerlendiren kontrol mimarileri açısından önemlidir. Ancak çalışmadaki 20 kVA dönüştürücü, 380 V şebeke, akım eşikleri, hat empedansları ve arıza senaryoları Türkiye'deki gerçek bir şarj tesisine doğrudan aktarılmamalıdır. Yerel uygulama için dağıtım şebekesinin kısa devre gücü/SCR değeri, koruma koordinasyonu, dönüştürücü yarı iletken sınırları, şarj gücü, bağlantı topolojisi ve gerçek saha arızalarıyla yeniden doğrulama gerekir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Yüksek güçlü elektrikli araç (EV) şarj istasyonları, besleme noktasının hat sonlarında veya kısa devre kapasitesi sınırlı baralarda bulunması halinde şebekeyle güçlü dinamik etkileşimlere girebilir. Çalışmada özellikle düşük kısa devre oranlı zayıf şebekelerde GFM dönüştürücünün gerilim desteği ile hat empedansı arasındaki etkileşimin kısa devre veya gerilim çökmesi sırasında dönüştürücü akımını hızla yükseltebileceği ele alınmaktadır.

Aşırı akım yalnız yarı iletken anahtarların termal ve elektriksel zorlanmasını artırmakla kalmayabilir; çalışmanın çerçevesinde DC bara gerilimi dalgalanmaları, AC tarafında gerilim bozulması ve kontrol kararsızlığı riski de dikkate alınmaktadır. Temel tasarım problemi bu nedenle yalnız “akımı mümkün olduğu kadar küçültmek” değildir. Dönüştürücü aynı zamanda GFM işlevinin önemli parçası olan gerilim desteğini mümkün olduğunca sürdürebilmelidir.

Neden sabit sanal empedans yerine uyarlanabilir sanal reaktans?

Çalışmada incelenen literatür çerçevesine göre sabit sanal empedans kullanımı, seri bir reaktörün akım sınırlayıcı etkisini yazılımsal olarak taklit edebilir. Fakat sanal empedansın gereğinden büyük seçilmesi iç akım döngüsünün bant genişliğini ve dinamik sönümlemeyi olumsuz etkileyebilir; düşük seçilmesi ise ağır arızalarda yeterli akım sınırlaması sağlamayabilir.

Araştırmacıların çözümü, sanal reaktansı sabit bırakmak yerine ölçülen aşırı akımın şiddetine göre parça parça değiştirmektir. Böylece orta düzey arızada kontrol yapısına ani büyük müdahale yapılmazken, ciddi arızada daha güçlü bir koruma katmanı devreye sokulmaktadır.

Şebeke oluşturan dönüştürücü nasıl kontrol ediliyor?

Çalışmanın elektriksel topolojisinde iki seviyeli üç fazlı dönüştürücü bir LC filtre üzerinden dağıtım şebekesine bağlanmaktadır. Ortak bağlantı noktasındaki (PCC) üç faz gerilim ve akımları senkron dönen dq0 referans sistemine dönüştürülür. Aktif ve reaktif güç bu büyüklüklerden hesaplanarak sanal senkron jeneratör (virtual synchronous generator, VSG) kontrolüne beslenir.

VSG'nin aktif güç döngüsü sanal atalet ve sönüm davranışını şu ilişkiyle temsil eder:

\[ \frac{P_{ref}}{\omega_0} - \frac{P_e}{\omega_0} - D_0(\omega-\omega_0) = J_0\frac{d\omega}{dt} \]

Burada \(P_{ref}\) aktif güç referansı, \(P_e\) ölçülen/çıktı aktif güç, \(\omega_0\) nominal açısal frekans, \(J_0\) sanal atalet ve \(D_0\) sanal sönüm katsayısıdır.

Reaktif güç ve gerilim düzenleme kısmında:

\[ Q^{*}=Q_{ref}+K_u(U_0-U_g) \]

ve

\[ \frac{d(E_v-U_0)}{dt} = K_0(Q^{*}-Q_e) \]

ilişkileri kullanılır. \(Q_{ref}\) reaktif güç referansını, \(U_g\) PCC gerilim büyüklüğünü, \(U_0\) gerilim referansını, \(E_v\) sanal iç elektromotor kuvvetini, \(K_u\) gerilim droop katsayısını ve \(K_0\) integral kazancını ifade eder.

Bu yapı, GFM dönüştürücünün yalnız şebekeyi takip etmesi yerine sanal bir senkron makine davranışı oluşturmasını ve zayıf şebeke koşullarında gerilim desteğine katkı vermesini amaçlar.

Sanal reaktans döngüsü ne yapıyor?

Çalışmada iç elektromotor kuvvet droop'u ile sanal reaktans döngüsü dq eksenlerinde şu biçimde ifade edilmiştir:

\[ 0-u_{gq} = -i_{dref}\omega_0L_v \]

\[ E_v-u_{gd} = i_{qref}\omega_0L_v \]

Sanal reaktans, gerçek devreye fiziksel olarak eklenen yeni bir bobin değildir. Kontrol algoritması üzerinden dönüştürücünün gerilim referansında eşdeğer bir reaktif gerilim düşümü oluşturularak arıza sırasında akımın yükselme eğilimi sınırlandırılır.

Aşırı akım nasıl sınıflandırılıyor?

Öncelikle dq eksen akımlarından dönüştürücü çıkış akımı büyüklüğü hesaplanmaktadır:

\[ I_m(t) = \sqrt{i_{gd}^{2}(t)+i_{gq}^{2}(t)} \]

Çalışmada nominal akım \(I_N\), orta aşırı akım eşiği \(I_{th1}=1,5I_N\) ve maksimum izin verilen akım \(I_M=2I_N\) olarak tanımlanmıştır. Buna göre:

\[ S_I(t)= \begin{cases} 0, & I_m(t)\leq I_{th1}\\ 1, & I_{th1}I_M \end{cases} \]

Orta düzey aşırı akımda “yumuşak sınırlama” nasıl çalışıyor?

Normal çalışma için başlangıç sanal reaktansı dönüştürücünün nominal şebeke gerilimi \(U_N\) ve nominal görünür gücü \(S_N\) kullanılarak:

\[ X_0 = 0,13\frac{U_N^2}{S_N} \]

olarak hesaplanmıştır.

Akımın orta aşırı akım eşiğini ne kadar aştığı:

\[ \Delta I(t)=I_m(t)-I_{th1} \]

ile tanımlanır. \(\Delta I>0\) olduğunda sanal reaktans artışı şu doğrusal ve üstel bileşimle hesaplanmaktadır:

\[ \Delta X_{AVR}(t) = k_{x1}\Delta I(t) + k_{x2} \left( 1-e^{-\gamma\Delta I(t)} \right) \]

\(k_{x1}\) akım aşımına karşı doğrusal duyarlılığı, \(k_{x2}\) ile \(\gamma\) ise üstel bileşenin büyüklüğünü ve değişim hızını belirler. Üstel terimin amacı sanal reaktans değişimini yumuşatmak ve iç akım kontrol döngüsüne ani bir bozucu etki uygulanmasını önlemektir.

Bu bölgede toplam sanal reaktans:

\[ X_v(t) = X_0+\Delta X_{AVR}(t) \]

olur.

Şiddetli aşırı akımda neden ikinci bir koruma katmanı gerekiyor?

\(I_m>I_M\) olduğunda araştırmacılar yalnız yumuşak sanal reaktans artışının güvenli akım sınırını korumaya yeterli olmayabileceğini kabul etmektedir. Bu nedenle dönüştürücünün sanal iç elektromotor kuvveti ile PCC gerilimi arasındaki farktan gerekli eşdeğer reaktans hesaplanır:

\[ X_{REQ}(t) = \frac{ \left| |E_v(t)|-U_{samp}(t) \right| } {I_M} \]

Ardından şiddetli aşırı akım bölgesinin sanal reaktansı, orta bölgedeki sınırlama değerinin sınırdaki maksimum değeriyle sürekli olacak şekilde:

\[ X_v(t) = X_0+ \Delta X_{AVR}^{max} + \Delta X_{REQ}(t) \]

olarak oluşturulur.

IGBT köprü kolu bloklama mantığı ne işe yarıyor?

Çalışmanın şiddetli arıza korumasında ikinci güvenlik katmanı, sanal reaktans kontrolüne eklenen anahtar sürme bloklama mekanizmasıdır. Cihaz tepe akımı eşiği:

\[ I_{max}=1,2I_M \]

olarak tanımlanmıştır. Her fazın anlık akımı bu eşikle karşılaştırılır:

\[ en_a(t)=H(I_{max}-|i_A(t)|) \]

\[ en_b(t)=H(I_{max}-|i_B(t)|) \]

\[ en_c(t)=H(I_{max}-|i_C(t)|) \]

Buradaki \(H\) basamak fonksiyonudur. Akım izin verilen değeri aştığında ilgili fazın etkinleştirme sinyali sıfıra düşer. Bu sinyal PWM kapı darbeleriyle mantıksal AND işleminden geçirilerek ilgili faz kolundaki üst ve alt anahtarların sürme sinyalleri birlikte kesilebilir.

Bu mekanizma sürekli normal akım düzenleme için değil, kontrol gecikmeleri veya modülasyon doygunluğu nedeniyle oluşabilecek şiddetli anlık akım tepe değerlerine karşı yardımcı koruma katmanı olarak tasarlanmıştır.

Arıza sonrasında dönüştürücü nasıl normale dönüyor?

Yüksek sanal reaktansın arıza temizlendikten sonra uzun süre korunması dinamik toparlanmayı yavaşlatabileceğinden araştırmacılar ayrı bir geri kazanım eşiği tanımlamıştır:

\[ I_{rec}\approx1,05I_N \]

Akım bu seviyeye veya altına indiğinde sanal reaktansın normal çalışma değerine geri döndürülmesi başlatılır. Bu mekanizma çalışmanın yalnız arıza tepe akımını değil, arıza sonrası toparlanma süresini de hedeflemesinin temel nedenidir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Akım şiddetine göre parçalı sanal reaktans kontrolü, incelenen HIL arıza senaryolarında tepe akımını azaltmıştır.
• Orta düzey aşırı akım koşulunda önerilen yöntem tepe faz akımını 50 A'dan 42 A'ya düşürmüştür.
• Şiddetli aşırı akım koşulunda tepe faz akımı 90 A'dan 62 A'ya düşürülmüştür.
• Arıza sonrası nominal akıma toparlanma süresi orta senaryoda 55 ms'den 35 ms'ye, şiddetli senaryoda 65 ms'den 45 ms'ye kısalmıştır.
• Araştırmacılar yöntemin akım sınırlarken GFM dönüştürücünün gerilim destek yeteneğini önemli ölçüde bozmadığını bildirmektedir.
• Yumuşak sanal reaktans kontrolü ile sert akım sınırlama/kapı bloklama mekanizmasının aynı parça tabanlı strateji içinde birleştirilebildiği gösterilmiştir.

Çalışmanın desteklemediği veya test etmediği sonuçlar

• Yöntemin bütün şarj istasyonu güçlerinde ve bütün dönüştürücü topolojilerinde aynı sonuçları vereceği gösterilmemiştir.
• Çalışma tam ölçekli ticari bir EV şarj istasyonunda gerçek dağıtım şebekesi saha deneyi sunmamaktadır.
• Asimetrik şebeke arızaları deneysel doğrulama kapsamına alınmamıştır.
• Son derece düşük kısa devre oranına sahip çok zayıf şebekelerde yöntemin performansı doğrulanmamıştır.
• Uzun dönem IGBT termal ömrü veya yarı iletken güvenilirlik artışı doğrudan ölçülmemiştir.
• Çalışma belirli bir ülkenin şarj altyapısında koruma mevzuatına uyum doğrulaması sunmamaktadır.
• Verilen akım eşikleri gerçek bir ticari dönüştürücüye doğrudan tasarım değeri olarak aktarılmamalıdır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

RCP + HIL doğrulama platformu

Yöntem, StarSim-RCP ve StarSim-HIL tabanlı bir deney platformunda oluşturulan elektrikli araç şarj dönüştürücüsü elektromanyetik geçici durum modeli üzerinde değerlendirilmiştir. Platform Rapid Control Prototyping birimi, donanım-döngüde gerçek zamanlı simülatör, I/O arayüz kartları, osiloskop ve ana bilgisayardan oluşmaktadır.

Deneylerde aktif güç referansı \(P_{ref}=15\) kW, reaktif güç referansı \(Q_{ref}=0\) ve nominal faz akımı \(I_N=20\) A olarak belirlenmiştir.

Orta düzey aşırı akım testi

Birinci senaryoda PCC yakınındaki K arıza noktasında geçiş direnci 4 Ω olan üç faz-toprak arızası oluşturulmuş ve arıza 10 ms sonra temizlenmiştir.

Tepe faz akımındaki azalma:

\[ \frac{50-42}{50}\times100 = 16\% \]

olmaktadır. Bu yüzde, kaynakta ayrıca raporlanan yeni bir deney ölçümü değil, tabloda verilen iki tepe değerin doğrudan karşılaştırmasıdır.

Şiddetli aşırı akım testi

İkinci senaryoda üç faz-toprak arızasının geçiş direnci 0,7 Ω'a düşürülmüş ve arıza süresi 25 ms olarak uygulanmıştır.

Tepe faz akımının iki deney sonucu üzerinden karşılaştırılan azalması yaklaşık:

\[ \frac{90-62}{90}\times100 \approx31,1\% \]

olmaktadır. Bu oran da yalnız kaynakta verilen 90 A ve 62 A tepe değerlerinin hesaplanmış karşılaştırmasıdır.

Arıza sonrası toparlanma açısından sonuç

Orta arıza senaryosunda nominal akıma dönüş süresi 55 ms'den 35 ms'ye, ağır arızada ise 65 ms'den 45 ms'ye düşmüştür. Her iki senaryoda da kaynakta bildirilen mutlak iyileşme 20 ms'dir. Çalışmanın tasarladığı reaktans geri kazanım mekanizması, arıza temizlendikten sonra yüksek sanal reaktansın dönüştürücüyü gereksiz yere yavaşlatmasını önlemeyi hedeflemektedir.

Akım eşiği yorumunda dikkat edilmesi gereken kaynak ayrıntısı

Çalışmanın kontrol tanımında nominal akım \(I_N=20\) A olduğundan \(I_{th1}=1,5I_N=30\) A ve \(I_M=2I_N=40\) A'dır. Bununla birlikte ağır arıza deneyinde önerilen yöntem için 43 A RMS değerinin “\(2,2I_N=44\) A'nın altında” olduğu özellikle belirtilmektedir. Kaynak, daha önce tanımlanan \(I_M=2I_N\) eşiği ile deney bölümündeki \(2,2I_N\) karşılaştırmasının neden farklı olduğunu ayrıca açıklamamaktadır. Bu nedenle 43 A değeri burada yöntemin tanımlı 40 A sınırını kesin olarak sağladığı şeklinde yorumlanmamıştır.

Aynı şekilde kapı bloklama bölümünde Denklem (15) fazların anlık \(|i_A(t)|\), \(|i_B(t)|\) ve \(|i_C(t)|\) değerlerini kullanırken açıklamanın bir cümlesinde “RMS değer” ifadesi geçmektedir. Bu terminolojik tutarsızlık nedeniyle tepe, anlık ve RMS akım büyüklükleri makalede birbirinin yerine kullanılmamıştır.

Yöntemin mühendislik açısından güçlü ve sınırlı yönleri

Yöntemin güçlü tarafı, bütün arıza koşulları için tek ve sabit yüksek sanal reaktans kullanmak yerine koruma şiddetini ölçülen akıma göre değiştirmesidir. Orta aşırı akımda daha yumuşak davranılması GFM'nin dinamik destek özelliğini mümkün olduğunca korumayı, şiddetli aşırı akımda ise sanal reaktans ile yarı iletken kapı bloklamasının birlikte kullanılması ekipman korumasını güçlendirmeyi amaçlamaktadır.

Başlıca doğrulama sınırı ise yöntem sonuçlarının iki simetrik üç faz-toprak arızası üzerinden RCP/HIL ortamında gösterilmiş olmasıdır. Çalışma gelecekte asimetrik arızaların ve çok düşük SCR değerlerine sahip çok zayıf şebekelerin ayrıca araştırılması gerektiğini açıkça belirtmektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Adaptive Virtual-Reactance-Based Fault-Current Limiting Method for Grid-Forming Converters in EV Charging Stations

Yazarlar: Hongyang Liu, Zhifei Chen.

Yazar sırası: Kaynaktaki sıra aynen korunmuştur. Eş birinci veya eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Hongyang Liu.

Kurum: School of Electrical and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China.

Dergi: Vehicles

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland

Cilt / sayı / makale numarası: 2026, 8(3), 65

DOI: 10.3390/vehicles8030065

Resmî yayın bağlantısı:https://doi.org/10.3390/vehicles8030065

Yayın tarihçesi: Alınma 4 Şubat 2026; revizyon 2 Mart 2026; kabul 6 Mart 2026; yayın 19 Mart 2026.

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Bu çalışma hakem değerlendirmesinden geçmiş bir araştırma makalesidir. Kontrol yöntemi geliştirme, matematiksel kontrol formülasyonu ve StarSim-RCP + StarSim-HIL tabanlı elektromanyetik geçici durum doğrulamasını birleştirmektedir.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY) açık erişim lisansı.

Finansman: Araştırmacılar çalışmanın harici finansman almadığını bildirmiştir.

Veri erişilebilirliği: Kaynağın Data Availability Statement cümlesi “Data are contained within no external the article.” biçiminde dilbilgisel olarak bozuk verilmiştir. Bu ifade sessizce düzeltilmemiştir. Kaynakta ayrıca harici bir veri deposu bağlantısı sunulmamaktadır.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma H.L.; yöntem H.L.; yazılım H.L.; doğrulama Z.C.; biçimsel analiz Z.C.; araştırma H.L.; kaynaklar H.L.; veri kürasyonu Z.C.; ilk taslak Z.C.; gözden geçirme ve düzenleme H.L.; görselleştirme Z.C.; danışmanlık H.L.; proje yönetimi H.L.; finansman edinimi H.L. olarak bildirilmiştir.

Kaynak içi terminolojik not: Denklem (7)'de \(Z_v(t)=jX_v(t)\) tanımlanmasına rağmen izleyen açıklamada \(X_v\) için “virtual resistance and virtual reactance” ifadesi kullanılmıştır. Matematiksel ifade yalnız reaktif bileşeni göstermektedir; kaynak metindeki bu tutarsızlık sessizce düzeltilmemiştir.

Akım eşiği notu: Kontrol tasarımında \(I_M=2I_N\) tanımlanırken ağır arıza testinde 43 A RMS akımı \(2,2I_N=44\) A ile karşılaştırılmıştır. Kaynak bu iki sınır arasındaki farkı ayrıca açıklamamaktadır. Ayrıca kapı bloklama mantığında anlık faz akımı denklemleri kullanılırken açıklama metninde RMS terimi geçmektedir.

Temel yöntemsel sınırlılıklar: Deneysel doğrulama bir gerçek dağıtım şebekesi saha testi değil RCP/HIL platformudur. İki doğrulama senaryosu simetrik üç faz-toprak arızalarına dayanmaktadır. Asimetrik arızalar ve çok düşük SCR'li çok zayıf şebeke koşulları henüz değerlendirilmemiştir. Çalışma uzun dönem yarı iletken termal ömrünü veya ticari şarj istasyonlarında saha güvenilirliğini doğrudan ölçmemektedir.

Bu Verianla makalesindeki bilimsel yöntem, denklemler, eşikler, deney parametreleri ve nicel sonuçlar yüklenen çalışmaya dayanmaktadır. Dış bibliyografik doğrulama yalnız çalışma kimliğinin kontrolü için kullanılmış; ana bilimsel içeriğe dışarıdan yeni deneysel bulgu eklenmemiştir.