Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

Fotovoltaik Elektrik Üretim Sistemleri için Şebeke Bağlantılı Evirici Yapıları

1. Giriş
Günümüzde ekosisteme zarar veren ve çevre kirliliğine sebep olan fosil kökenli enerji kaynaklarının kullanımını azaltmak amacıyla yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi artmıştır. Güneş enerjisi temiz, çevreyi kirletmeyen doğal bir enerji kaynağı ve sonsuz olması nedeniyle yenilenebilir enerji kaynakları içindeki önemli bir yere sahiptir.

[kutusag=9718]2010 yılının sonunda tüm dünyada fotovoltaik enerji kurulu güç kapasitesi 41 GW’a ulaşmıştır. 2011 yılında ise bu kapasite 71 GW düzeyine sıçramış ve 2012 yılında 100GW’ın üzerine çıkmıştır. FV enerji, bu rakamlar incelendiğinde yenilenebilir enerji kaynakları arasında hidroenerji ve rüzgar enerjisinden sonra üçüncü en önemli yenilenebilir enerji kaynağı olarak göze çarpmaktadır. FV kurulu gücü, devlet teşvikleri sayesinde üstel olarak artış göstermiş ve esas olarak şebeke bağlantılı FV sistemler desteklenmiştir. Günümüzde Avrupa’da şebeke bağlantısız fotovoltaik sistemlerin tüm fotovoltaik sistemlere göre güç kapasitesi %1.3’tür. Buna karşın şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerin kurulu güç kapasitesi ise %98.7 ile neredeyse tamamına yakınını oluşturmaktadır [1]. FV sistemlerin maliyetinin büyük bölümünü, yaklaşık %50 ile güneş panelleri oluşturmaktadır. Bunları %10-20 ile eviriciler takip etmektedir [2]. FV sistemlerin kullanımının artmasıyla panel üretici sayısı ve üretim miktarı artığından maliyetleri de düşmektedir. Bu sebepten FV sistemlerde şebeke bağlantılı evirici maliyetinin toplam sistem maliyeti üzerindeki ağırlığı artmıştır. FV sistemlerden üretilen enerjinin daha cazip olabilmesi için evirici maliyetinin düşürülmesi önem kazanmıştır. Sonuç olarak yeni, ucuz ve yaratıcı evirici çözümleri üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır [3].

[kutusol=9719]Şebeke bağlantılı FV enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılan eviriciler, FV panellerden elde edilen gücü şebekeye aktarmak için ara yüz olarak kullanılmaktadır. Şebeke bağlantılı bu eviricilerin iki temel görevi vardır. Birincisi, FV panellerden elde edilen doğru akımı alternatif sinüsoidal akıma çevirmektir. İkincisi, FV panelleri maksimum güç noktasında çalışmasına imkan sağlamaktır [4]. Bu eviriciler şebekeye eşzamanlı olarak, akım toplam harmonik bozunum (THDi) değeri düşük, yüksek kalitede sinüsoidal akım aktarmanın yanında belirli teknik standartları karşılamak zorundadırlar [5]. 

Şebeke bağlantılı bir eviricinin şu özellikleri taşıması beklenmektedir;

  • Şebekeye aktarılan akım sinüsoidal olmalı ve bu akımın harmonikleri uluslararası standartlar veya ilgili yönetmeliklerde belirtilen sınırlar içinde olmalıdır (THDi < %5) [6,7].
  • Şebeke bağlantılı eviricinin güç faktörü (power factor) 1’e yakın olmalıdır (nominal gücün yarısında; güç faktörü > 0.90 [6]).
  • FV sistemlerde en etkin şekilde faydalanabilmek için FV’lerden her an maksimum güç çekilmesini sağlamalıdır.
  • Normal çalışma durumunda, frekans aralığı belirli aralıklarda olmalıdır (50±1 Hz) [4,6].
  • Normal çalışma durumunda, gerilim aralığı şebeke geriliminin %85 ila %110 aralığında olmalıdır [4,6].
  • Şebekeye aktarılan akımın doğru akım bileşeni, nominal çalışma akımının %1’inden daha az olmalıdır [6]. IEEE1547 için bu değer %0.5’tir [7].
  • Eviricideki güç elemanlarının yüksek frekanslı anahtarlaması nedeniyle oluşan elektro manyetik girişimi (EMI) düşük olmalıdır [7].
  • Şebeke kesildiğinde, evirici şebekeden ayrılmalıdır [3].

2. Şebeke Bağlantılı Eviriciler

[kutusag=9720]Şebeke bağlantılı eviriciler sadece bir FV panele bağlanabildiği gibi FV dizi veya birçok dizinden meydana gelen FV sisteme de bağlanabilir. Bağlanan panel sayısına göre şebeke bağlantılı eviriciler; AA modül eviriciler, dizi eviriciler ve merkezi eviriciler olarak sınıflandırılabilir [3]. Sadece tek panele bağlı olan evirici tipi AA modül evirici olarak adlandırılmaktadır. Bu tip eviriciler, bir fazlı olarak şebekeye bağlanmaktadır. Tek başına küçük güç ihtiyacı olan yerlerde kullanılabilir ve ortalama güçleri 0,1 – 0,5 kW civarındadır [4].
Daha yüksek gerilim istenen yerlerde gerilimin yükseltilmesi ihtiyacını ortadan kaldırmak için FV paneller seri olarak bağlanmakta ve FV dizini oluşturmaktadır. Bu şekilde elde edilen FV dizine bağlanan eviriciler, dizi evirici olarak adlandırılmaktadır. Dizi eviriciler, genellikle bir fazlı olarak şebekeye bağlanmakta [1] ve 0.5-1 kW civarındaki güçlerde kullanılmaktadır [4].
Daha yüksek güç istenen yerlerde birçok FV dizinin birleştirilmesiyle FV sistemler oluşturulmaktadır. Bu FV sistemlerde kullanılan eviriciler merkezi eviriciler olarak adlandırılmaktadır [8]. Merkezi eviriciler üç fazlı olarak şebekeye bağlanırlar ve ortalama güç aralığı 1-5 kW’tır [4]. Şebekeye bağlantıda, kullanılan panel veya dizi sayısına göre sınıflandırılmış olan bu üç evirici tipi Şekil 1’de gösterilmiştir [1].
Şebeke bağlantılı eviriciler, basit anlamda bir fazlı ve üç fazlı olmak üzere ikiye ayrılır [9]. Ayrıca şebeke bağlantılı eviriciler şu kriterlere göre de sınıflandırılır:

  • Güç işleme aşamaları
  • Dekuplaj kondansatörünün yeri
  • Trafo kullanılıp kullanılmaması
  • Şebeke ara yüzü
  • Komütasyon şekli [8].

2.1. Güç İşleme Aşamasına Göre Şebeke Bağlantılı Eviriciler
[kutusol=9721]Şebeke bağlantılı eviriciler, güç işleme aşamalarına (Power Conversion Stage) göre; bir güç işleme aşamasına sahip olan ve iki güç işleme aşamasına sahip olan eviriciler olarak ikiye ayrılabilir [3]. Şekil 3’te bir ve iki aşamalı şebeke bağlantılı evirici görülmektedir. Şekil 2.a’daki bir güç işleme aşamasına sahip eviricide; maksimum güç noktası izleyici (MGNİ) işlemi şebeke akımı denetlenerek gerçekleştirilmektedir. Bir güç aşamalı eviricide gerilim yükseltme işlemi çıkışındaki trafo ile yapılmaktadır.  Eğer evirici çıkışında trafo bağlantısı yok ise ve giriş gerilimi de yeteri kadar yüksek değilse gerilimi yükseltmek için DA-DA dönüştürücü kullanması gerekmektedir.

Şekil 2.b’de verilen iki güç işleme aşamasına sahip eviricide; birinci aşamada DA-DA dönüştürücü kullanılmaktadır. Bu dönüştürücü, aynı zamanda MGNİ’den sorumludur. İkinci aşamada kullanılan evirici ise şebeke akımını denetiminden sorumludur. Eğer gerekli ise gerilim yükseltme işlemi her iki aşamada da gerçekleştirilebilir [8].

2.2. Dekuplaj Kondansatörünün Bağlı Olduğu Yere Göre Şebeke Bağlantılı Eviriciler

Şebeke bağlantılı eviricilerde dekuplaj kondansatörü, Şekil 3.a’da gösterildiği üzere bir güç aşamalı eviricide panele paralel bağlanır. Bu tip eviricide giriş gerilimini yükseltmek için çok sayıda panel seri olarak bağlandığından, evirici çıkışında ayrıca trafo bağlantısına gerek olmaz. Bu eviricinin girişinde DA-DA dönüştürücü kullanılmadığından giriş gerilim dalgalanmasının düşük olması için dekuplaj kondansatörünün yüksek değerde seçilmesi gerekmektedir [8].
İki güç aşamalı eviricide ise dekuplaj kondansatörü, Şekil 3.b’de görüldüğü üzere panele veya evirici girişindeki DA baraya bağlanır. Bu eviricide, girişinde DA-DA dönüştürücü olduğundan giriş gerilim dalgalanması düşük olmaktadır. Bu sayede dekuplaj kondansatörünün değeri bir aşamalı eviriciye göre daha düşük olmaktadır [8].

2.3. Trafo Kullanılmasına Göre Şebeke Bağlantılı Eviriciler

[kutusag=9722]Şebeke bağlantılı eviriciler, yapı olarak trafolu ve trafosuz olarak ikiye ayrılmaktadır. FV panellerin toplam geriliminin şebeke geriliminin tepe değerinden düşük olduğu durumlarda evirici çıkış gerilimi de şebeke geriliminden düşük olacağından şebekeye enerji transfer edilemez. Bu durumda eviricinin çıkış gerilimi uygun bir trafoyla yükseltilebilir [3]. Şekil 4’te görüldüğü gibi bazı eviriciler şebeke frekanslı trafolar kullanırken bazıları yüksek frekanslı trafolar kullanmaktadır. Bu sistemlerde yüksek frekanslı trafo, FV paneller ile evirici arasında kullanılmakta, şebeke frekanslı trafo ise evirici ile şebeke arasında kullanılmaktadır.

Şebeke frekanslı trafoların kullanımı IEEE ve IEC gibi standartların sınırlandırdığı ve dağıtım trafolarında doymaların oluşmasına neden olan doğru akım transferini engeller. Bunun yanı sıra şebeke ile FV kaynak arasında elektriksel yalıtım sağladığından FV panellerin topraklanmasındaki sakınca ortadan kalkmış olmaktadır [8]. Trafo kullanan sistemler, bu yüzden elektriksel yalıtım sağladığı için trafosuz sistemlere göre daha güvenlidir. Şekil 4.b’deki yüksek frekanslı trafolar şebekeye doğru akım aktarılması problemini çözemez fakat elektriksel yalıtım sağlandığından topraklama işlemini kolaylaştırır [3].

Trafo kullanmayan şebeke bağlantılı eviricinin genel prensip yapısı Şekil 5’te verilmiştir [10]. Trafosuz olan bu şebeke bağlantılı eviricilerde giriş gerilimi şebeke geriliminin tepe değerinden yüksek olması gerekmektedir. Bu tip dönüştürücülere literatürde düşürücü tip evirici de denmektedir. Bu tip eviricilerde şebeke ile FV sistem arasında elektriksel yalıtım bulunmamaktadır. FV sistemlerde, paneller insanların erişebileceği yerlerde bulunabildiğinden panellerin gövdeleri topraklanmak zorundadır. Topraklama yapıldıktan sonra, FV panellerin geniş yüzeyinden kaynaklanan panel ile toprak arasındaki eşdeğer parasitik kondansatör oluşmaktadır. Yüksek hızdaki anahtarlamalardan dolayı bu kondansatör üzerinde oluşan gerilim değişimleri Şekil 5’te görülen kaçak akımlara neden olmaktadır [11]. Güvenlik açısından, bu kaçak akım değerini insan sağlığını tehlikeye düşürecek seviyenin altına indirmek gerekmektedir. Bunu sağlamak için trafosuz eviriciler için kaçak akımın panel tarafına geçişine izin vermeyecek şekilde yeni topolojiler geliştirmeye ihtiyaç duyulmuştur. Bu yüzden trafosuz eviriciler, devre topolojisi anlamında trafo kullanan eviricilere nazaran daha fazla zorluk içermektedir. Fakat bu evirici yapılarında trafo kullanılmadığından manyetik eleman sayısı azaltılmış, bununla birlikte maliyet ve boyut da düşürülmüştür. Son yıllarda, literatürde kaçak akımların seviyesini standartlarda belirtilen değerin altına (<30mA) düşürmek için trafosuz devre topolojisi üzerine çok sayıda çalışma mevcuttur [12, 13].

2.4. Şebeke Ara Yüzüne Göre Şebeke Bağlantılı Eviriciler

[kutusol=9723]Şebeke bağlantılı eviriciler, FV paneller ile şebeke ara yüzüne veya evirici girişindeki kaynağın türüne göre, gerilim kaynaklı evirici (GKE) ve akım kaynaklı evirici (AKE) olmak üzere iki ana sınıfa ayrılmaktadır [5]. Şekil 6’da prensip şemaları verilen her iki eviricinin de amacı şebekeye sinüsoidal akım aktarmaktır. GKE girişi sabit bir gerilim kaynağından sağlanır ve şebekeye sinüsoidal akım aktarmak için şebekeye anlık değerleri pozitif, negatif veya sıfır olan gerilim darbeleri uygulamaktadır. GKE’lerde evirici katında genellikle darbe genişlik ayarı (DGA) veya histeresiz denetleyici ile yüksek frekanslı anahtarlama yapılmaktadır [14].
Akım kaynaklı eviriciler, girişinde bulunan doğru akımı veya doğrultulmuş sinüs akımı, şebeke tarafına aktarırken alternatif akıma veya sinüs formundaki akıma dönüştüren (unfold) eviricilerdir [8]. Girişinde doğru akım bulunan AKE’ler, genellikle yüksek frekansta anahtarlama (IGBT, MOSFET) ile çıkışında sinüsoidal akım elde etmektedir. Girişinde doğrultulmuş sinüsoidal akım bulunan akım kaynaklı eviriciler şebeke komütasyonlu olup şebeke frekansının iki katı frekansta (tristör) anahtarlanmaktadır. Girişinde doğru akım bulunan akım kaynaklı eviricilerde, şebeke frekansının iki katında anahtarlama (tristör) yapıldığında ise, şebeke tarafında yüksek toplam harmonik bozunum değerine sahip, kare dalga formuna yakın bir akım aktarılmış olur.

[kutusag=9724]AKE’lerde, GKE’lerden farklı olarak evirici katında anahtarlama kayıpları yerine sadece iletim kayıpları olmaktadır. Fakat evirici katının girişinde doğrultulmuş sinüs akımı elde etmek için anahtarlama kayıpları bir önceki aşamada meydana gelmektedir [14]. Çoğu uygulamada GKE’ler kullanılmaktadır. Ancak kısa devrelere karşı yüksek direnç göstermeleri ve ters gerilimi bloke etmeleri gibi özellikleri nedeniyle AKE üzerine çalışmalar yapılmıştır [3].

2.5. Şebeke Komütasyonlu ve Zorlamalı Komütasyonlu Şebeke Bağlantılı Eviriciler
Şebeke bağlantılı eviriciler ayrıca; şebeke komütasyonlu veya doğal komütasyonlu evirici (line commutated inverter) ve zorlamalı komütasyonlu evirici (self commutated inverter) olmak üzere de sınıflandırılabilir. Gerilim kaynaklı eviriciler, yapısında MOSFET ve IGBT gibi yüksek frekansta anahtarlama yapabilen elemanlara sahip olup, darbe genişlik modülasyonu (DGM) ile yüksek frekansta çalışırlar [6]. Bir fazlı şebeke bağlantılı birçok FV uygulamalarında kullanılmakta olan bu eviriciler, genel olarak zorlamalı komütasyonlu evirici sınıfına girmektedir [15]. Akım kaynaklı eviriciler de yapısında IGBT bulunuyor ve girişinde sabit doğru akım bulunuyor ise zorlamalı komütasyonlu eviriciler sınıfına girmektedir [16].
Akım kaynaklı eviriciler, eğer şebeke frekansının iki katı frekansta anahtarlama yapıyor ise bu eviriciler şebeke veya doğal komütasyonlu eviriciler olarak adlandırılmaktadır. Bu tip eviricilerde genellikle, anahtar olarak tristörler kullanılır. Tristör yarıiletken elemanlarına sadece iletime girmesi için tetikleme yapılır [17]. Bu elemanlar içinden geçen akımın sıfıra düşmesiyle kesime kendiliğinden girmektedir [18]. Literatürde kullanılan şebeke komütasyonlu evirici yapısı Şekil 7’de verilmiştir. Bu evirici yapısı büyük güçlerde kullanılabilmesine karşın çıkışındaki akım yaklaşık kare dalga formunda olduğundan büyük filtre elemanları gerektirir [19].

5. Sonuçlar

Bu çalışmada FV elektrik üretim sistemlerinde, FV panellerden elde edilen da gücün anlık olarak şebekeye aktarılmasında kullanılan şebeke bağlantılı eviricilerin, kullanıldığı sistemin gücüne ve bazı parametrelere göre sınıflandırılması yapılmış ve özetlenmiştir. Şebeke bağlantılı eviricilerin uluslararası standartlara uyum sağlaması için genel olarak taşıması gereken özelliklerden bahsedilmiştir. Ayrıca, trafolu ve trafosuz, akım kaynaklı ve gerilim kaynaklı, tek aşamalı ve çok aşamalı şebeke bağlantılı eviricilerin birbirlerine göre üstünlükleri ve sakıncalarına yer verilmiştir. Trafolu şebeke bağlantılı eviriciler, elektriksel yalıtım sağlandığından güvenliklidir. Fakat trafo kullanımı maliyeti ve devre boyutunu artırmaktadır. Bu yüzden özellikle son yıllarda, elektriksel yalıtım bulunmayan trafosuz eviricilerde meydana gelebilecek kaçak akımları önlemek için çok sayıda trafosuz evirici topolojisi üzerine çalışılmış ve halen bu konuda araştırmalar devam etmektedir.

Kaynaklar
L. Hassaine, E.OLias, J.Quintero and V.Salas, “Overview of power inverter topologies and control structures for grid connected photovoltaic systems,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 30, pp. 796-807, 2014
R. Margolis “A Review of PV Inverter Technology Cost and Performance Projections, National Renewable Energy Laboratory, Subcontract Report” NREL/SR-620-38771, Ocak 2006.
Sefa İ., Altun N., Güneş Pili ile Beslenen Şebeke Etkileşimli Eviriciler-Genel Bir Bakış, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 2009, 24(3), 409-424.
F. Blaabjerg, Z. Chen and S. B. Kjaer, “Power Electronics as Efficient Interface in Dispersed Power Generation Systems,” IEEE Trans. Power Electron., 19, (5), pp 1184-1194, 2004.
M. H. Rashid, “Power Electronics handbook” Academic Press, 2nd edn. 2001.
IEEE 1547., ‘IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems’,  2008.
IEC 61727 Ed. 2, “Photovoltaic (PV) Systems – Characteristics of the Utility Interface,” 2004.
S. B. Kjaer, J. K. Pederson and F. Blaabjerg, “A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaik Modules,” IEEE Trans. Ind. Appl., 41, (5), pp. 1292-1306, 2005.
W. Kramer, S. Chakraborty, B. Kroposki, “Advanced Power Electronic Interface for Distributed Energy Systems: Part 1: Systems and Topologies”, Technical Report, NREL /TP-581-42672, 2008.
Roberto González, Jesús López, Pablo Sanchis and Luis Marroyo, “Transformerless Inverter for Single-Phase Photovoltaic Systems”, IEEE Trans. Power Electron., 22, (2), pp 693-698, 2007
Bo Yang, Wuhua Li, Yunjie Gu, Wenfeng Cui, and Xiangning He, “Improved Transformerless Inverter With Common-Mode Leakage Current Elimination for a Photovoltaic Grid-Connected Power System”, IEEE Trans. Power Electron., 22, (2), pp 752-762, 2012
Wu Libo, Zhao Zhengming, and Liu Jianzheng, “A Single-Stage Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic System With Modified MPPT Method and Reactive Power Compensation”, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 22, no. 4, pp. 881-886, 2007.
Čorba Z. J. et al., In-grıd Solar to Electrıcal Energy Conversıon System Modeling and Testıng, THERMAL SCIENCE, 2012, 16(1), 159-171.
S. B. Kjaer, J. K. Pedersen and F. BlaabjergF. Blaabjerg,, “Power Inverter Topologies for Photovoltaic Modules – A Review,” Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting., Pittsburgh, USA, 13-18 Oct. 2002, pp 782-788.
Enslin, J.H.R., Heskes, P.J.M.: ‘Harmonic interaction between a large number of distributed power inverters and the distribution network’ , IEEE Trans. Power Electron., 2004, 19, (6), pp. 1586-1593
B. Sahan, S. Araújo, C. Nöding, P. Zacharias, “Comparative Evaluation of Three-Phase Current Source Inverters for Grid Interfacing of Distributed and Renewable Energy Systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 8, pp. 2304-2318, 2011.
Unlu M., Camur S., Beşer E., Arifoglu B., Bir Fazlı Akım Zorlamalı Şebeke Komütasyonlu Evirici, Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, Türkiye, 27-29 Kasım 2014, 268-272.
H. Bodur, “Güç Elektroniği Temel Analiz ve Sayısal Uygulamalar”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2010.
Unlu M., Camur S., Beşer E., Arifoglu B., “A Current-Forced Line-Commutated Inverter for Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic Generation Systems,” Advances in Electrical and Computer Engineering, vol. 15, no. 2, pp 85-92, 2015.