Yenilenebilir enerji kaynakları için çok fazlı aralıklı yükseltici dönüştürücülerin performans analizi ve en uygun topoloji seçimi
Performance analysis of multiphase interleaved boost converters for renewable energy sources and selection of the most suitable topology
Yazar: RECEP ERDAĞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Günümüzde yaşanan küresel ısınma ve buna bağlı iklim krizi, fosil yakıt rezervlerinin tükenme tehlikesi ve bu durumun neden olacağı enerji arzı sorunları, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemini artırmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen yeşil hidrojen ve yakıt hücreleri, fosil yakıtlara kıyasla daha düşük karbon ayak izine sahiptir ve enerji depolama özellikleri sayesinde enerji arzı ile talep arasındaki dengesizlikleri giderebilir. Ayrıca, enerji tüketiminde önemli bir yere sahip olan ulaşım sektörü için yakıt hücreli elektrikli araçlar sürdürülebilirlik ve çevre açısından umut vericidir. Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynakları ve yakıt hücreli elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan çok fazlı aralıklı yükseltici tip dc-dc dönüştürücülerin performans analizleri yapılmış ve uygun topoloji seçimleri belirlenmiştir.

Yakıt hücrelerinin uzun ömürlü olabilmesi için giriş akım dalgalanmalarının çok düşük olması gerekmektedir. Ayrıca, yakıt hücreleri ve yenilenebilir enerji kaynaklarında kullanılan yükseltici tip dc-dc dönüştürücüler, çıkışta düşük dalgalanma gerilimi, yüksek güç yoğunluğu, hızlı tepki süresi ve yüksek verim gibi tasarım kriterlerini karşılamalıdır. Bu kriterlerin tümünü yerine getirebilen en iyi aday, çok fazlı aralıklı yükseltici dönüştürücülerdir. Bu doğrultuda, dc-dc dönüştürücülerin detaylı bir şekilde incelenmesinin ardından aralıklı yükseltici topolojisine odaklanılmış ve analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda uygun topoloji seçiminde optimum doluluk oranının önemli olduğu saptanmıştır. Yapılan analiz sonuçlarını doğrulamak için PSIM simülasyon programı kullanılarak farklı doluluk oranı ve farklı güçlerde geleneksel, iki, üç, dört, altı ve sekiz fazlı topolojiler için simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tasarım kontrolünde çift kapalı çevrim PI algoritması kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları şekil ve tablo olarak elde edildikten sonra her bir performans kriterine göre tüm topolojilerin performansları karşılaştırılmıştır. 10 kW güç ve 0.5 ile 0.75 doluluk oranı için en iyi performansı dört fazlı topolojinin gösterdiği tespit edilmiştir. 10 kW güç ve 0.66 doluluk oranı için en iyi performansı üç fazlı topoloji göstermiştir. Son olarak, 120 kW güç ve 0.75 doluluk oranı için yapılan performans iyileştirmeleriyle birlikte en iyi performansı sekiz fazlı topolojinin verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
Today's global warming and the resulting climate crisis, the danger of depletion of fossil fuel reserves and the energy supply problems this will cause increase the importance of renewable energy sources. Green hydrogen and fuel cells produced from renewable energy sources have a lower carbon footprint compared to fossil fuels and can eliminate imbalances between energy supply and demand thanks to their energy storage properties. In addition, fuel cell electric vehicles are promising in terms of sustainability and the environment for the transportation sector, which has an important place in energy consumption. In this study, performance analyzes of multiphase interleaved boost type dc-dc converters, which are widely used in renewable energy sources and fuel cell electric vehicles, were performed and appropriate topology selections were determined.

In order for fuel cells to have a long life, input current fluctuations must be very low. Additionally, boost-type dc-dc converters used in fuel cells and renewable energy sources must meet design criteria such as low ripple voltage at the output, high power density, fast response time and high efficiency. The best candidate that can meet all of these criteria is multiphase interleaved boost type dc-dc converters. In this direction, after examining dc-dc converters in detail, interleaved boost topology was focused on and analyzed. As a result of the analysis, it was determined that the optimum duty ratio is important in choosing the appropriate topology. To verify the analysis results, simulation studies were carried out for traditional, two, three, four, six and eight phase topologies with different duty ratio and different powers, using the PSIM simulation program. Double closed loop PI algorithm was used in design control. After the simulation results were obtained in figures and tables, the performances of all topologies were compared according to each performance criterion. It has been determined that the four-phase topology shows the best performance for 10 kW power and 0.5 to 0.75 duty ratio. Three-phase topology showed the best performance for 10 kW power and 0.66 duty ratio. Finally, with the performance improvements made for 120 kW power and 0.75 duty ratio, it was determined that the eight-phase topology gave the best performance.