Harmonic estimation methods in power systems and theirs performance analysis

Günümüz modern güç sistemlerinde doğrusal olmayan yüklerin, güç elektroniği elemanlarının ve devrelerinin artmasıyla birlikte güç kalitesi problemleri de ortaya çıkmaktadır. Güç kalitesini etkileyen unsurların başında da harmonikler yer almaktadır. Bu nedenle harmoniklerin tespit edilmesi, ölçülmesi, kestirimi ve bastırılması son derece önemlidir. Harmoniklerin ölçümü ve kestirimi için birçok farklı yöntemler geliştirilmiş ve geliştirilmektedir. Bu tez çalışmasında Fourier dönüşümü, Chirp z-dönüşümü, ayrık Hartley dönüşümü, Hilbert-Huang dönüşümü, Prony yöntemi, çoklu işaret sınıflandırması, Kalman filtresi, eğim düşüm tabanlı adaptif filtreler gibi çeşitli yöntemler kapsamlı bir şekilde araştırılmış, matematiksel altyapıları irdelenmiş, prensiplerine göre sınıflandırılmıştır. Sunulan yöntemler birleştirilerek, MATLAB programında harmonik kestirimi uygulaması oluşturulmuştur. Ayrıca incelenen yöntemler, güç kalitesi parametrelerine göre test edilmiş ve performans değerlendirmesi yapmak amacıyla karşılaştırılmıştır. Sunulan yöntemlerden ayrık Hartley dönüşümü, Hilbert-Huang dönüşümü ve çoklu işaret sınıflandırması yöntemleri giriş işaretindeki faz açılarından etkilendiği belirlenmiştir. Ayrıca hızlı Fourier dönüşümü, Chirp z-dönüşümü, eğim düşüm tabanlı adaptif filtreler ve Kalman filtresi ile genlik ve faz kestirimi yapılabilirken Hilbert-Huang dönüşümü, Prony ve çoklu işaret sınıflandırması yöntemleri ile genlik kestirimi ile birlikte frekans kestirimi de yapılmıştır. Frekans kestiriminde Hilbert-Huang dönüşümü ve Prony yönteminde hata oranının sıfıra yakın olduğu görülmüştür. İlave olarak gerilim çökmesi, gerilim sıçraması, harmonik bozulma, gerilim kesintisi, DA bileşeni, gürültü bileşeni ekleme gibi durumlarda da performans değerlendirmeleri yapılmıştır.In modern power systems, power quality problems have occurred with an increase of nonlinear loads, power electronics components and circuits. Harmonics are the fundamental factors that affect power quality. Therefore, it is significantly important to detect measure, estimate and suppress harmonics. Many different methods have been developed for the measurement and estimation of harmonics. In this study, several techniques (Fourier transform, Hilbert-Huang transform, discrete Hartley transform, Chirp z-transform, multiple signal classification method, Prony’s method, Kalman filtering, gradient descent-based adaptive filters) were researched comprehensively, their mathematical backgrounds were examined and classified according to its principles. Harmonic estimation application was realized in MATLAB by combining the presented methods. In addition, the methods examined were tested according to power quality parameters and compared for performance evaluation. It was detected that Hartley transform, Hilbert-Huang transform and multiple signal classification methods were affected by changes in input signals. Furthermore, amplitude and frequency estimation were carried out with Hilbert-Huang transform, Prony, and multiple signal classification methods while amplitude and phase estimation were realized with Chirp z-transform, gradient descent-based adaptive filters and Kalman filter. It was observed that the error rate was approximately zero in the Hilbert-Huang transform and Prony’s method. In addition, performance evaluation was made in case of voltage sag, voltage swell, harmonic distortion, voltage interruption, DC offset, the addition of noise component