Fotovoltaik sistemlerin en önemli bileşenlerinden biri eviricidir. Son yıllarda, gerilim kaynaklı ve akım kaynaklı eviricilerin dezavantajlarının üstesinden gelebilmek için yeni teknolojiler geliştirilmektedir.
Bu yapının, ekonomik bir alternatif olarak değerlendirilebilmesi için yüksek verimle çalışabilmesi, devre maliyetinin düşük olması ve çıkış geriliminin kaliteli olması gerekmektedir. Bu koşulların karşılanması, esasen kullanılan kontrol yöntemine bağlıdır.
Bu çalışmada, konuyla ilgili ülkemizde yapılmış araştırma sayısının çok az olması nedeniyle, bugüne kadar empedans kaynaklı eviricilerde kullanılmış olan sinusoidal darbe genişlik modülasyonlu tüm kontrol yöntemleri incelenmiş ve empedans kaynaklı eviricilerde son zamanlarda kullanılmaya başlanan uzay vektör modülasyonlu kontrol yöntemlerinin uygulanmasına ilişkin farklı anahtarlama yapıları ele alınarak tüm bu yöntemlerin Matlab/Simulink ortamında benzetimi gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak, uzay vektör modülasyonunun empedans kaynaklı eviricilere sorunsuz bir şekilde uygulanabileceği ve sinusoidal darbe genişlik modülasyonlu kontrol tekniklerine göre daha üstün olduğu görülmüştür.
1. Giriş
Dağıtık güç sistemleri ve yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili gerek endüstriyel gerekse de akademik alandaki çalışmaların sayısı her geçen gün artmaktadır. Bu çalışmalar çerçevesinde fotovoltaik sistemler önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır.
Fotovoltaik enerji üretim sistemleri, ülkemizde ve dünya pazarlarında fotovoltaik panellerin maliyetleri düştüğü ölçüde yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Eviriciler, fotovoltaik sistemlerin en önemli bileşenlerinden biridir. Çok çeşitli alanlarda kullanılan klasik güç elektroniği uygulamalarında eviriciler, gerilim kaynaklı ya da akım kaynaklı olarak seçilmektedir. Her iki yapının da beraberinde getirdiği bazı sıkıntılar vardır.
Gerilim kaynaklı eviriciler için dezavantajlar şu şekilde özetlenebilir [1], [2]:
- Düşürücü yapıdadırlar. Dc bara gerilim seviyesinin yetersiz olması durumunda, sistemde dc-dc dönüştürücü kullanılarak dc bara geriliminin yükseltilmesi gerekmektedir.
- Eviricinin aynı kolunda yer alan alt ve üst sıra anahtarlar, aynı anda iletime sokulamaz. Elektromanyetik girişim (EMI) gibi istenmeyen durumlarda anahtarlar bu konuma gelebilir ve sistem için risk oluşturur.
- Anahtarların iletime girme anları arasında bırakılan ölü zaman, çıkış geriliminde harmoniklere sebep olur. Akım kaynaklı eviriciler için dezavantajlar aşağıdaki gibi özetlenebilir [1], [2]:
- Yükseltici yapıdadırlar. Geniş bir gerilim çalışma aralığına ihtiyaç olan uygulamalarda dc-dc dönüştürücü kullanmak gerekir.
- IGBT kullanımında seri bir diyot gerektirir, bu da IPM kullanımını sınırlar.
- Anahtar konumlarına bağlı olarak kaynağın açık devre olması sistem için risk oluşturur.
- Emniyetli bir komütasyon için gereken bindirme (overlap) zamanı çıkış geriliminde harmoniklere sebep olur.
Gerilim ve akım kaynaklı eviricilerin dezavantajlarını ortadan kaldırmak için Şekil 1’de görülen empedans kaynaklı evirici yapısı geliştirilmiştir [1].
Bu yapıda evirici girişinde bir empedans ağı bulunmaktadır. Evirici, düşürücü-yükseltici olarak çalışabilmekte ve bu sayede geniş bir gerilim aralığında çalışmayı gerektiren uygulamalarda dc-dc dönüştürücü ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Bu sayede sistemde daha az yarıiletken anahtar kullanılarak, sistemin toplam hacmi ve maliyeti düşürülmüştür. Ayrıca yapısı gereği dc kaynağın evirici kolları üzerinden kısa devre ya da açık devre olmasının sistem için bir risk oluşturmaması nedeniyle güvenilir bir devredir.
Şekil 1: Empedans kaynaklı evirici.
Fotovoltaik panellerin çıkış gerilimleri hava koşullarına bağlı olarak geniş bir aralıkta değişmektedir. Bundan dolayı geleneksel fotovoltaik uygulamalarında kullanılan gerilim kaynaklı evirici beraberinde dc-dc dönüştürücü kullanımını zorunlu kılmaktadır. Bu durum; maliyet, verim ve hacim açısından olumsuz etki yapmaktadır.
Bu nedenle empedans kaynaklı evirici, fotovoltaik sistemler için önemli bir alternatif yapı olarak ortaya çıkmaktadır [3]. Empedans kaynaklı eviricilerde klasik darbe genişlik modülasyonu (DGM) teknikleri uygulanabilir. Literatürde de ağırlıklı olarak sinusoidal DGM ile kontrolü incelenmiştir. Bu çalışmada sinusoidal DGM tekniklerinin empedans kaynaklı eviriciye uygulanması ele alınacağı gibi, uzay vektör modülasyonunun (UVM) da bu yeni evirici yapısı için uygulaması benzetimler aracılığıyla incelenecektir.
Fotovoltaik sistemlerin en önemli bileşenlerinden biri eviricidir. Son yıllarda, gerilim kaynaklı ve akım kaynaklı eviricilerin dezavantajlarının üstesinden gelebilmek için, dc-dc dönüştürücüye ihtiyaç duymadan düşürücü-yükseltici olarak çalışabilen yapı olan empedans kaynaklı evirici geliştirilmiş ve uluslararası literatürde konuyla ilgili çok sayıda çalışma yayınlanmıştır.
2. Sinusoidal Darbe Genişlik Modülasyonu ile Kontrol Yöntemleri
Empedans kaynaklı eviricilerde, klasik yaklaşımın aksine gerilimi yükseltmek için evirici kollarının kısa devre edilerek çalıştırılması esastır. Her bir anahtarlama periyodu içerisinde kısa devre çalışmaya belli bir süre ayrılır ve bu süre gerilim yükseltme oranını belirler.
Empedans kaynaklı eviricilerde sinusoidal DGM uygulamaları üç ayrı başlık altında incelenebilir. Bunlar; basit yükseltici kontrol (BYK), maksimum yükseltici kontrol (MYK) ve maksimum sabit yükseltici kontroldür (MSYK).
2.1. Basit Yükseltici Kontrol
Bu yöntem, empedans kaynaklı eviriciler için ilk ortaya atılan kontrol yöntemidir [1].
Anahtarlama mantığı Şekil 2’de verilmiştir. Uygulamada empedans ağında kullanılan endüktans ve kapasite değerleri eşdeğer seçilir. Dolayısıyla empedans ağı simetriktir ve şu eşitlikler geçerlidir
Şekil 2: Basit yükseltici DGM kontrolü.
Eviricinin Ts anahtarlama süresi içerisinde Tkd süresi kadar kısa devre çalışması durumuna ilişkin eşdeğer devre Şekil 3’te verilmiştir ve bu durumda (3) ve (4) eşitlikleri geçerli olur.
Şekil 3: Kısa devre çalışma durumunda evirici eşdeğer devresi
Dağıtık güç sistemleri ve yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili gerek endüstriyel gerekse de akademik alandaki çalışmaların sayısı her geçen gün artmaktadır. Bu çalışmalar çerçevesinde fotovoltaik sistemler önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır.
Eviricinin kısa devre çalışma durumu dışında herhangi bir anahtarlama durumunda Tn çalışma süresindeki eşdeğer devresi Şekil 4’te verilmiştir ve bu çalışma modunda (5)-(7) eşitlikleri geçerlidir.
Şekil 4: Normal çalışma durumunda evirici eşdeğer devresi.
Sürekli halde endüktans üzerindeki gerilimin ortalama değeri sıfır olacağından aşağıdaki denklemler elde edilir.
İfadelerde yer alan D, B ve Vi, sırasıyla kısa devre çalışma oranını, yükseltme faktörünü ve dc hat gerilimini ifade etmektedir.
Evirici çıkış faz gerilimi (vac), M sinusoidal DGM modülasyon indeksini belirtmek üzere, aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
Modülasyon indeksi ve yükseltme faktörü (15) eşitliğinden de anlaşılacağı üzere birbirine bağımlıdır. Gerilim yükseltme amacıyla kısa devre çalışmalar ile yükseltme faktörü sıfırdan büyük bir değer aldığında, tabii olarak modülasyon indeksi düşmektedir.
Modülasyon indeksi ve yükseltme faktörünün çarpımı kazanç (G) değerini verir ve aşağıdaki ifadeler yazılabilir.
Burada Vs, yarıiletken anahtarlar üzerine uygulanan gerilim stresini ifade etmektedir. Bu gerilim anahtarlama kayıpları, dolayısıyla da verim üzerinde doğrudan etkilidir. Empedans kaynaklı eviricilerde farklı kontrol teknikleri geliştirilmesi noktasındaki arayış, temel olarak mümkün olan en düşük gerilim stresi ile çalışmayı sağlamak gayesinden ileri gelmektedir.
2.2. Maksimum Yükseltici Kontrol
Basit yükseltici kontrolde yükseltme faktörü ve modülasyon indeksi arasındaki ilişki (17) eşitliğinde verilmiştir. Buradan da görüldüğü gibi çıkışta yüksek gerilim gerektiren uygulamalarda, büyük değerli bir yükseltme oranına ihtiyaç olduğundan modülasyon indeksi düşmektedir.
DC hat geriliminin yüksek değerlere çıkması yarıiletken anahtarlar üzerindeki gerilim stresini artırmakta ve anahtarlama kayıplarını da arttırarak sistemin toplam veriminin düşmesine sebep olmaktadır. Maksimum yükseltici kontrole ilişkin anahtarlama yapısı Şekil 5’te verilmiştir [4].
Kısa devre çalışmanın kontrolü için ayrı bir sinyal yoktur ve taşıyıcı dalganın sinusoidal referans sinyallerden büyük olduğu anlarda evirici kısa devre çalışır.
Bu durum, kısa devre çalışma oranının sabit kalmasını engeller. Aşağıda yer alan (20) ve (21) eşitliklerinden görüldüğü gibi kısa devre çalışma oranı D, iken maksimum değer almakta, veya iken minimum değer almaktadır [5].
Şekil 5: Maksimum yükseltici DGM kontrolü.
Maksimum yükseltici kontrol tekniğine ilişkin yükseltme faktörü, modülasyon indeksi ve gerilim stresi ifadeleri (23) -(25) eşitliklerinde verilmiştir.
Aşağıda yer alan (26)-(28) numaralı denklemlerde görüldüğü gibi, düşük frekanslarda endüktans akım dalgalanması artar, bu da daha büyük bir endüktans kullanılması ihtiyacını ortaya çıkartır ve bu durum verimde düşüşe, maliyette ise artışa sebep olur.
Nihai olarak bu yöntem ile gerilim stresinde düşüş sağlanmış olmakla birlikte, endüktans boyutlarının artması yeni kontrol yöntemleri arayışına sebep olmuştur.
2.3. Maksimum Sabit Yükseltici Kontrol
Sabit yükseltici kontrolün neden olduğu yüksek gerilim stresi ve diğer taraftan maksimum yükseltici kontrolün neden olduğu değişken kısa devre çalışma oranı her iki kontrol tekniğini de dezavantajlı duruma getirmiştir. Bu nedenle hem düşük gerilim stresi oluşturacak hem de sabit kısa devre çalışma oranı ile çalışmayı sağlayacak yeni bir kontrol tekniği arayışları neticesinde maksimum sabit yükseltici kontrol tekniği geliştirilmiştir [5], [6].
Bu yönteme ilişkin anahtarlama yapısı Şekil 6’da görülmektedir. Kısa devre çalışma oranı şekilde yer alan üst ve alt kontrol eğrileri (vp, vn) ile belirlenmektedir. Yönteme ilişkin üst ve alt kontrol eğrilerinin farklı zaman dilimlerindeki genlik değerleri, kısa devre çalışma oranı, yükseltme faktörü, sinusoidal DGM modülasyon indeksi ve gerilim stresine ilişkin ifadeler, sırasıyla (29)-(36) numaralı denklemler ile verilmiştir.
Şekil 6: Maksimum sabit yükseltici DGM kontrolü.
Bu yöntem, sinusoidal DGM kontrol teknikleri içerisinde en çok tercih edilen yöntemdir. Temel problemi ise, sinusoidal DGM yönteminin temel problemi olan düşük dc bara kullanımı oranıdır.
Kaynaklar
[1] Peng, F. Z., “Z-Source Inverter,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 2, pp. 504-510, March/April 2003.
[2] Stocklosa, O., Teodorescu, M., Radoi, C., Stoichescu, D.A. and Rosu, S., “The advantages, limitations and disadvantages of Z-source inverter”, Semiconductor Conference (CAS), vol. 02, Oct. 2010, pp. 483-486.
[3] Huang, Y., Shen, M., Peng, F.Z. ve Wang J., “Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 6, pp. 1776–1781, Nov. 2006.
[4] Peng, F. Z., Shen, M., ve Qian, Z., “Maximum Boost Control of the Z Source Inverter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 4, pp. 833–838, Jul./Aug. 2005.
[5] M. Shen, J. Wang, A. Joseph, F. Z. Peng, L. M. Tolbert,
[6] and D. J. Adams, “Maximum constant boost control of the Z-source inverter,” Industry Applications Conference (IEEE/ IAS), 2004, pp. 142–147.