Şebeke bağlantılı FV eviriciler için yüksek gerilim kazançlı çok katmanlı değiştirilmiş Y-kaynaklı DA-DA dönüştürücüsünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of a high step-up interleaved modified Y-source DC-DC converter for grid-connected PV inverters
Yazar: HASAN BASRİ ALTINTAŞ
Danışman: PROF. DR. AHMET AFŞİN KULAKSIZ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotovoltaik özellikler = Photovoltaic properties ; Güç denetimi = Power control ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits ; Güç faktörleri = Power factors ; Güç çeviriciler = Power converters ; Harmonik eliminasyonu = Harmonic elimination ; Harmonikler = Harmonics

Özet:
Son yıllarda yenilenebilir enerji santrallerinin dünya üzerindeki toplam kurulu güç kapasitesi gün geçtikçe artmaktadır. Fotovoltaik (FV) santraller ise yenilenebilir enerji teknolojileri içerisinde hızlı bir şekilde yükselişe geçmiştir. Bu teknolojinin yaygınlaşmasında FV hücrelerdeki gelişmelerin yanı sıra güç elektroniği dönüştürücülerindeki gelişmelerin de büyük katkısı bulunmaktadır. Özellikle evsel uygulamalarda diğer evirici çeşitlerinden ziyade yüksek verimlilikte maksimum güç noktası takibi (MPPT) yeteneğinden dolayı mikro eviricilere ilgi oldukça artmaktadır. Fakat düşük giriş gerilimli FV modüldeki enerjinin şebekeye ya da yüke aktarılması için gerilim yükseltici dönüştürücülere ihtiyaç duyulur. Geleneksel gerilim yükseltici dönüştürücülerin aksine, empedans kaynak ağına sahip DA-DA dönüştürücüler evirici girişi için gerekli gerilim yükseltme işlemini kolayca gerçekleştirebilir. Bu nedenle, empedans kaynaklı dönüştürücüler özellikle düşük gerilimli FV sistemler için giderek daha fazla dikkat çekmektedir. 
Bu çalışmada, iki aşamalı şebeke bağlantılı FV eviricinin birinci aşaması için çok katmanlı değiştirilmiş Y (çk d-Y) kaynaklı DA-DA dönüştürücü topolojisi geliştirilmiştir. Bu topolojinin tasarım aşamaları detaylı bir şekilde gerçekleştirildikten sonra şebeke bağlantılı ev tipi FV uygulamalar için önerilen bu topolojinin uygunluğu test edilmiştir. Önerilen bu topolojideki çok katmanlı yapı sayesinde diğer geleneksel yüksek gerilim kazançlı Y kaynaklı topolojilere kıyasla anahtarlama elemanları üzerinde daha düşük gerilim ve akım stresi meydana geldiği için daha düşük güç oranına sahip anahtarlama elemanları ve daha düşük hacimli devre bileşenleri seçilmiştir. Ayrıca giriş akım dalgalılığı ve bütün devre bileşenleri üzerindeki akım stresi azaltılmıştır. Önerilen çk d-Y kaynaklı DA-DA dönüştürücü, H köprü eviricinin gerilim yükseltme katmanında kullanılmıştır. Değişen güneş ışınımı ve hücre sıcaklığı koşulları altında önerilen topolojinin dinamik performansı test edilmiş ve stabil güç üretiminin gerçekleştirildiği kanıtlanmıştır. Sistemin güneş verimliliği değiştirme ve gözlemleme (P&O) MPPT algoritması kullanılarak arttırılmıştır. Şebekede aktif güç kontrolünün gerçekleştirilmesi için dış döngü DC link kontrolü ve iç döngü oransal rezonant (PR) akım kontrolü kullanılmıştır. Ayrıca şebekeye enjekte edilen akımdaki harmonik bileşenleri bastırmak için seçici harmonik kompanzatör (HC) kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre önerilen çk-d Y kaynaklı iki aşamalı FV eviricinin çevresel koşulların ani değişiklikleri sırasında bile %5'in altında düşük toplam harmonik bozuluma (THD) sahip bir şekilde şebekeye aktif güç transferi yapmıştır. Sonuç olarak, önerilen iki aşamalı çk-d Y kaynaklı FV eviricinin, FV giriş geriliminin geniş bir aralıkta değiştiği fotovoltaik mikro evirici uygulamaları için iyi bir seçenek olabileceği görülmüştür.

Abstract:
In recent years, the total installed power capacity of renewable energy plants worldwide has been steadily increasing. Photovoltaic (PV) plants, in particular, have been rapidly rising within renewable energy technologies. The widespread adoption of this technology can be attributed to advancements in PV cells as well as significant developments in power electronics converters. Especially for residential applications, there has been a growing interest in micro-inverters due to their high-efficiency maximum power point tracking (MPPT) capability compared to other types of inverters. However, to transfer energy from a low-voltage PV module to the grid or a load, high step up DC-DC converters are required. Unlike conventional high step up DC-DC converters, impedance-source DC-DC converters can easily perform the necessary voltage step-up operation for the inverter input. Therefore, impedance-source converters are attracting increasing attention, especially for low-voltage PV systems.
In this study, an interleaved modified Y-Source (i m-Y) DC-DC converter topology was developed for the first stage of a two-stage grid-connected PV inverter. After thoroughly detailing the design phases of this topology, its suitability for grid-connected residential PV applications was tested. Due to the interleaved structure in the proposed topology, lower voltage and current stress on the switching elements compared to other conventional high-voltage gain Y-source topologies allowed for the selection of lower-rated switching elements and smaller volume circuit components. Additionally, input current ripple and current stress on all circuit components were reduced. The proposed i m-Y source DC-DC converter was used in the voltage boosting stage of the H-bridge inverter. The dynamic performance of the proposed topology was tested under varying solar irradiance and ambient temperature conditions, and stable power production was demonstrated. The solar efficiency of the system was improved using the perturb and observe (P&O) MPPT algorithm. Outer loop DC link voltage control and internal loop proportional resonant current (PR) control were employed to achieve active power control on the grid. Moreover, a selective harmonic compensator (HC) was used to suppress harmonic components in the injected grid current. According to the obtained results, the proposed two-stage i m-Y source PV inverter achieved active power transfer to the grid with a total harmonic distortion (THD) below 5% even during sudden changes in environmental conditions. Consequently, the proposed two-stage i m-Y Source PV inverter can be a good option for PV micro-inverter applications where the low PV input voltage varies over a wide range.