Fotovoltaik uygulamalar için sarmaşık yapılı flyback dönüştürücü tabanlı bir evirici tasarımı ve uygulaması

Abstract

Bu tez çalışmasının kapsamı, düşük güçlü güneş enerjisi uygulamalarında kullanılmak üzere, güneş panellerinden (FV) doğru akım olarak elde edilen elektrik enerjisini alternatif akıma dönüştürecek, şebekeye bağlı bir çoklu-dizi evirici sistemini tasarlamak, geliştirmek ve uygulamasını gerçekleştirmektir. Çalışmanın temel amacı, düşük maliyetli, küçük boyutlu ve esnek bir eviricinin geliştirilmesidir. Bu sistemin yüksek güç kalitesine ve üstün dinamik performansa sahip olmasının yanında, galvanik izolasyon sağlaması ve yüksek verime erişmesi hedeflenmiştir. Literatür araştırmasından sonra, flyback tabanlı bir sistemin çoklu-dizi FV evirici olarak yüksek güçte ve yüksek verimde geliştirilmesine karar verilmiştir. Ayrıca, maliyet ve küçük boyut avantajları değerlendirilecektir. Flyback mimarisinde yüksek güçlere erişebilmek ve düşük gürültü seviyeleri elde etmek için, aralarında uygun faz farkı ile çalışan paralel bağlı birçok dönüştürücü hücrenin birlikte çalıştığı ve literatürde “interleaved (sarmaşık) çalışma” olarak bilinen yöntem kullanılmıştır. Çalışmada ilk önce analiz yapılarak tasarım denklemleri elde edilmiş ve gerçekçi ölçütlere göre tasarım yapılmıştır. Daha sonra, dönüştürücünün ve kontrol sisteminin tasarımı simülasyon yoluyla doğrulanmış ve en iyi performans için iyileştirmeler yapılmıştır. Son olarak, deneysel değerlendirme için 2,5 kW gücünde bir prototip devre kurulmuştur. Deneylerde, eviricinin en yüksek verimi %95,82 ve maksimum güç noktası izleyici algoritmasının enerji hasatı verimi %99 olarak ölçülmüştür. Şebeke akımının toplam harmonik bozunum (THD) değerinin %1,73 ve güç faktörünün 0,99 olarak ölçülmesi ise şebekeye aktarılan gücün yüksek kalitede olduğunu göstermiştir. Karşılaştırmalarda, prototipin, benzer çıkış gücündeki ticari ürünlere yakın performansta olduğu; maliyet, ağırlık ve boyut avantajlarının bulunduğu görülmüştür. Bu sonuçlar, önerilen sistemin hedeflenen tasarım ve performans ölçütlerine uygun olarak başarıyla gerçeklendiğini göstermiştir.

The scope of this study is to design, develop and implement a grid-connected multistring type solar (PV) inverter which converts direct current produced by solar panels into alternating current for small solar power system applications. The main objective of this study is to develop a low-cost and compact inverter with a flexible design. In addition to high power quality and superior dynamic performance, the inverter should also have galvanic isolation and high efficiency. After an intensive literature review, it is decided to utilize flyback converter topology and develop a multi-string type PV inverter with high-power output and high efficiency. Moreover, the cost and size advantages of the selected topology are evaluated. In order to achieve high-power output with low ripple, the phase-shifted multi-cells method known as interleaved operation in literature is employed. The study starts first with the analysis of the converter system and the derivation of the design equations. Then, a system design is made using the realistic specifications. Later, the converter and the controller design are verified via simulation and optimized for the best performance. Finally, a full scale prototype at 2.5 kW is built for experimental evaluation. In experiments, the best efficiency of the inverter and the energy harvesting efficiency of the maximum power point tracking algorithm are measured as 95.82% and 99%, respectively. The total harmonic distortion (THD) of the grid current is 1.73% and the power factor is 0.99, which show the high quality power injection into the grid. Comparisons show that the performance of the prototype is identical to the commercial products with similar power output. Also, the prototype has cost, weight and size advantages. These results demonstrate that the proposed system is successfully implemented in accordance with the aimed design and performance criteria.