Solar sistemlerde kullanılan empedans kaynaklı inverterler için kaçak akımı azaltan ve dinamik performansı artıran yeni bir modülasyon yönteminin geliştirilmesi
A novel modulation method which decreases leakage current and increases dynamic performance of z source inverters used in solar systems
Yazar: VOLKAN ERGİNER
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA HADİ SARUL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Günümüzde, gelişen teknoloji ve refah düzeyi sayesinde, elektrikli cihazların kullanımı giderek artmakta ve daha fazla enerji tüketilmektedir.  Bu talebi karşılayabilmek için de muhtelif enerji kaynakları kullanılmaktadır. Bunlardan biri de güneş enerjisidir. Güneş enerjisini elektriğe çevirmek amacıyla geliştirilen ve uzun yıllardır üzerine çalışılan fotovoltaik paneller son yıllarda toplam enerji arzı içerisindeki payını arttırmaktadır. Bu durum Türkiye için de geçerlidir. Son yıllarda mevzuatta yenilenebilir enerjiye destek verilmesi yönünde yapılan değişiklikler ile fotovoltaik panellerin kullanım oranının daha da artacağı tahmin edilmektedir. Fotovoltaik sistemlerin en önemli bileşenlerinden biri de güç koşullandırma devresi, yani panel ile yük arasındaki güç elektroniği devresidir. Bu devrenin tasarımı, sistemin toplam verimini, maliyetini ve hacmini birinci dereceden etkileyen bir parametredir. Verimi arttırmak, hacmi ve maliyeti düşürmek için güç koşullandırma devresi olarak transformatörsüz inverter kullanımı fikri son yıllarda popüler hale gelen ve halen üzerinde yoğun çalışılan bir araştırma konusudur. Transformatörsüz İnverter yapıları içerisinde en yenisi Empedans Kaynaklı İnverterdir (ZSI). Bu inverterin düşürücü-yükseltici yapısı, onu diğer transformatörsüz inverterlere karşı avantajlı kılmaktadır. Bu nedenle, konuyla ilgili yapılan akademik çalışmalar son zamanlarda hızla artmaktadır.
Bir güç koşullandırma devresinin çıkışı, uluslar arası standartlar ile belirlenmiş toleranslar içerisinde olmak zorundadır. Hem güvenlik hem de performans kriterlerini karşılamalıdır. ZSI'nın iki temel problemi vardır. Giriş ve çıkış arasında galvanik izolasyon olmadığı için devre üzerinden kaçak akım akar. Bu da EMI, kayıp ve güvenlik sorunlarını açığa çıkarır. Ayrıca, ZSI' nın yükseltme oranındaki değişimler, çıkış geriliminde salınıma sebep olmaktadır, dolayısıyla ZSI' nın dinamik performansı kötüdür, stabil bir çıkış gerilimi veremez. Literatürde bu problemleri çözmeye yönelik çalışmalar bulunmakta ve yenileri de yayınlanmaya devam etmektedir.
Bu tez çalışmasında, kaçak akımı düşürmeye yönelik yeni bir modülasyon tekniği ve dinamik performansı iyileştiren yeni bir kontrol yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntemler ile kaçak akım, farklı anahtarlama frekansı ve farklı güç faktörlerinde değişen etkinliğe sahip olmakla birlikte, % 50'ye varan oranlarda sınırlandırılmıştır. Ayrıca ZSI' nın dinamik performansı da iyileştirilmiş ve ZSI giriş gerilimindeki ya da yükteki ani değişimlerde ZSI çıkış gerilimi stabilitesinin korunması sağlanmıştır. Geliştirilen kontrol yönteminin teorik analizi yapılmış ve gerçek bir evsel yükü simule edebilecek parametreler ile simülasyonu yapılarak doğrulanmıştır. Ayrıca kaçak akım sınırlandırılmasına ilişkin önerilen yöntemin etkinliği, laboratuvar ortamında farklı gerilim seviyeleri ve farklı güç faktörleri ile denenerek ortaya konmuştur.

Abstract:
Today's developing technology and welfare level causes an increase in energy demand and utilization of electrical appliances. Several energy sources are used to meet these demands, and one of them is solar power. Photovoltaic panels that are used for converting solar energy to electrical energy are utilized increasingly in recent years. It has been estimated that photovoltaic utilization will be increased due to changes in legislation which gives supports in renewable energy. One of the most important parts of photovoltaic system is power conditioning unit which is a power electronics circuit between source and load. Design of this circuit affects primarily of the whole system's efficiency, cost and volume. In recent years transformerless inverters have become a popular research topic, in order to increase efficiency and decrease cost and volume.   The newest transformerless inverter topology is Z source inverter. ZSI' s buck-boost ability makes it advantageous against other topologies. That's because researches about ZSI are increasing rapidly in recent years. 
The output of a power conditioning unit shall be in tolerances specified by international standards. It shall meet both safety and performance requirements. ZSI has two main problems. There is a leakage current due to absence of a galvanic insulation between source and load. This causes EMI, safety and loss problems. Moreover, changes in ZSI boosting ratio causes oscillation in ZSI output voltage. Therefore, dynamic performance of ZSI is poor, and it does not give a stable output voltage. There are some researches in literature which try to solve these problems and new researches are continuing to be published. 
In this thesis work, a novel modulation technique which decreases leakage current and a novel control method which improves dynamic performance have been proposed. Leakage current has been decreased up to %50 (efficiency of the method depends on switching frequency and load power factor). Moreover, ZSI dynamic performance has been increased. A stable output voltage has been sustained during sudden changes in input voltage or load level. Theoretical analysis of proposed methods have been given and these are simulated with residential load parameters. Results are verified theoretical analysis. Moreover, effectiveness of the proposed method in order to decrease leakage current has been verified by experiments with various voltage levels and power factors.