Geniş giriş gerilimi aralıklı solar mikro evirici tasarımı ve uygulaması
Wide input voltage range solar micro-inverter design and application
Yazar: BURHAN HÜKÜMEN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA GÖKDAĞ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tez çalışması kapsamında yenilenebilir enerji kaynaklarında kullanılmak üzere geniş bir besleme gerilimi aralığında çalışabilen DA-DA çevirici ile desteklenmiş iki aşamalı ve 500 W gücünde bir mikro evirici çalışması yapılmıştır. Çalışma kapsamında öncelikle 16 V – 90 V aralığındaki giriş gerilimlerinde DA bara gerilimini 400 V'a kadar yükselterek evirici birimini besleyebilen izoleli cuk topolojisi temelli DA-DA yükseltici çevirici maksimum güç noktası takibi (MGNT) birimi tasarlanmıştır. Ardından tam köprü evirici ile kritik sönümlemeli LC filtre tasarımı ve modellenmesini takiben dijital bir D-Q eksenli akım kontrolcüsü ve şebeke senkronizasyonu algoritmaları tasarlanmıştır. Kontrol sistemlerinin tasarımı kapsamında çevirici ve eviricinin durum-uzay modelleri çıkarılmıştır. Bu modeller üzerinden elde edilen transfer fonksiyonları dikkate alınarak kompansatör tasarımları yapılmıştır. Şebeke senkronizasyonu kısmında ise faz kilitlemeli döngü (FKD) algoritması frekans kilitlemeli döngü (FrKD) ile desteklenerek mikro eviricinin hem farklı şebeke frekanslarında çalışma yeteneği kazanması sağlanmış hem de şebeke frekansında oluşabilecek küçük sapmalara sistemin bağışıklı olabilmesine olanak tanınmıştır. Yapılan tasarımların PSIM programı aracılığı ile gerçeklenmiştir. Ardından prototipleme işlemi gerçekleştirilmiş ve pasif yük üzerinde AA akım sentezleme deneyleri yapılmıştır. Prototipleme esnasında yüksek frekans trafolarının ve filtre bobinlerinin tasarımının yanı sıra prototipe özel olarak izoleli kapı sürücü ve izoleli ölçüm devreleri de tasarlanmıştır. Simülasyon ve deney çalışmaları kapsamında mikro eviricinin değişen çalışma koşullarına karşı gösterdiği cevaplar incelenmiş sistemin kontrol performansı analiz edilmiş ve kontrolörlerin tasarlanan hızlarda ve yüksek kararlılıkta çalıştığı gözlemlenmiştir. Verim ve güç kalitesi ölçümlerinde ise mikro-evirici sistemin %87 maksimum verim seviyesine çıktığı gözlemlenirken doğrusal olmayan yükler altında bile IEC 61000-3-2 Class A güç kalitesi standardına uygun çalıştığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, a two-stage microinverter supported by a DC-DC converter that can operate in a wide supply voltage range has been studied for renewable energy sources. Through the study a isolated cuk topology based DC-DC boost converter maximum power point tracking (MGNT) unit, which is going to feed the inverter unit by increasing the DC bus voltage up to 400 V at input voltages between 16 V - 90 V, has been designed. Then, following the design and modeling of the full bridge inverter and critical damping LC filter, a digital D-Q axis current controller and grid synchronization algorithms have been designed. Within the scope of the design of control systems, state-space models of the converter and inverter have been derived. Compensator designs have been made by taking into account the transfer functions obtained from these models. In the grid synchronization section, the phase locked loop (PLL) algorithm has been supported by the frequency locked loop (FLL), enabling the microinverter to gain the ability to operate at different grid frequencies and allowing the system to be immune to small deviations that may occur in the grid frequency. The designs have been realized through the PSIM program and experiments were carried out through prototyping. During prototyping process, beside the high frequency transformers and filter coils, insulated gate driver and isolated measurement circuits have also been designed specifically for the prototype. Through the simulation and experimental studies, the responses of the microinverter to changing operating conditions have been examined, the control performance of the system has been analyzed and it has been observed that the controllers worked at designed speeds and with high stability. In efficiency and power quality measurements, it has been observed that the micro-inverter system reached 90% maximum efficiency level, and it worked in compilance with the IEC 61000-3-2 Class A power quality standard even under non-linear loads.