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

Bir Fazlı Şebeke Bağlantılı Fotovoltaik Sistemler için Yeni Bir Şebeke Komütasyonlu Evirici Tasarımı ve Uygulaması

1. Giriş
Fotovoltaik (FV) enerji, yenilebilir enerji kaynakları arasında önemli bir paya sahiptir. Bunun başlıca nedenleri; bu sistemlerin temiz, düşük bakım maliyeti, gürültüsüz ve modüler yapısı ile birkaç W’tan MW değerlerine kadar kolaylıkla tasarlanıp uygulanabilir olmasıdır. Fakat fotovoltaik elektrik üretim sistemlerin kurulum maliyetleri yüksektir. Bu sistemlerin yüksek maliyetleri göz önüne alındığında, ister şebekeye doğrudan bağlı ister şebekeden bağımsız olsun, maksimum verimde kullanılmaları gerekmektedir.

[kutusag=9888]Şebeke bağlantılı sistemlerde FV panellerden elde edilen DA gücün şebekeye doğrudan aktarılması için şebeke bağlantılı eviriciler kullanılmaktadır. Özellikle son yıllarda şebeke bağlantılı FV sistemlerin kurulu güç kapasitesinin, şebeke bağlantısız (Stand-alone) sistemlere oranla oldukça yükselmiştir [1]. Bu nedenle eviriciler şebeke bağlantılı FV sistemler için önemli bir rol oynamaktadır. Şebeke bağlantılı eviricilerin iki temel görevi vardır. Birincisi, FV sistemi Maksimum Güç Noktasında (MGN) çalıştırmaktır. İkincisi ise, şebekeye sinüsoidal akım aktarmaktır [2].

Şebeke bağlantılı eviriciler, Zorlamalı Komütasyonlu Evirici (Self-Commutated Inverter) ve Şebeke Komütasyonlu Evirici (ŞKE, Line-Commutated Inverter) olarak ikiye ayrılırlar. ŞKE’ler tam kontrollü Tristör (SCR, Silicon-Controlled Rectifiers) köprüsünden (H-Bridge) oluşmaktadır. ŞKE devresinde, tetikleme açısı (α) 90°’den büyük açıda (90°< α <180°) ayarlandığında devre evirici modunda çalışmaktadır. Bu evirici tipi geçmişte popüler olmasına karşın, ek filtre elemanları gerektirdiğinden günümüzde pek tercih edilmemektedir. Son yıllarda bu evirici üzerinde yapılan çalışmalarda, FV panellerden şebekeye DA güç aktarımında kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmaların ortak dezavantajı, şebekeye aktarılan akımın yaklaşık olarak kare-dalga formunda olmasından kaynaklanan düşük frekansta yüksek harmonik içermeleridir. Bu yüzden bu çalışmalarda genel olarak büyük değerli filtre elemanları kullanılmıştır [3-5].

[kutusol=9889]FV sistemler doğrusal olmayan karakteristiğe sahiptir ve çıkış gücü ışınım seviyesine ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, bu sistemlerden maksimum verimde faydalanmak amacıyla Maksimum Güç Noktası İzleyici (MGNİ) yöntemi uygulanmaktadır. Şebeke bağlantılı eviricilerde MGNİ, şebekeye aktarılan akımın genliği ayarlanarak gerçekleştirilmektedir [6].

Literatürde kullanılan ŞKE’lerin aksine tasarlanan ŞKE, şebekeye aktarılan akımın Toplam Harmonik Bozunumu (THBi) uluslararası standartlarda belirtilen sınırların altında (THBi<%5) çalışacak şekilde modifiye edilmiştir. Böylelikle şebekeye sinüsoidal akım aktarılması başarılmıştır. Ayrıca şebekeye aktarılan akımın genliği ayarlanarak MGNİ gerçekleştirilmiştir. MGNİ yöntemi olarak Sabit Gerilim (Constant Voltage) yöntemi tercih edilmiştir. Tasarlanan ŞKE sisteminde kullanılan FV panellere farklı ışınım seviyelerinin maruz kaldığı durumlar için deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar ile önerilen ŞKE’nin farklı ışınım seviyelerinde Maksimum Güç Noktasında (MGN) ve istenilen güç faktöründe çalıştığı gösterilmiştir.

2. Fotovoltaik Panel Karakteristiği ve Maksimum Güç Noktası İzleyici
2.1. FV Panel Karakteristiği

[kutusag=9890]Bu çalışmada, tasarlanan ŞKE girişinde birbirine seri bağlı iki adet Sharp marka FV panel kullanılmıştır. Kullanılan FV panele ait üretici katalog bilgileri Tablo 1’de verilmiştir. İki adet FV panelin seri bağlanmasıyla elde edilen küçük FV dizine ait akım-gerilim (I-V) ve güç-gerilim (P-V) eğrileri deneysel olarak elde edilmiş ve Şekil 1 ve 2’de sırasıyla verilmiştir.

FV sistemdeki iki panel homojen olarak 388 W/m2 ve 776 W/m2 ışınım seviyelerine maruz kalmıştır. Bu iki ışınım değerleri için FV dizin çıkış I-V eğrisi Şekil 1’de verilmiştir. Aynı ışınım değerleri için P-V değişimi Şekil 2’de gösterildiği gibi elde edilmiştir.

2.2. Maksimum Güç Noktası İzleyici (MGNİ)
FV panelin P-V eğrisinde, homojen ışınım altında bir tane maksimum güç noktası bulunmaktadır [7]. Bu nokta (MGN), ortam sıcaklığına ve ışınım seviyesine göre değişmektedir. FV paneli değişen ortam şartlarında MGN’de çalıştırmak için MGNİ algoritması kullanmak gerekmektedir. Bu şekilde FV panelden değişen durumlarda maksimum güç çekilmesi sağlanmış olur. Literatürde birçok MGNİ yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemlerin birbirine göre üstünlükleri ve sakıncaları vardır [8].

[kutusol=9891]Bu çalışmada, MGNİ yöntemi olarak basit yapısı ve denetim kolaylığı bakımından Sabit Gerilim (Constant Voltage) yöntemi tercih edilmiştir. Sabit gerilim yöntemi, MGN’deki gerilim olan Vmp’nin, açık-devre gerilimi olan Voc’ye oranının sabit olduğu prensibine göre çalışır. Bu oran (Vmpp / Voc) k ile temsil edilmekte olup, FV panelin karakteristiğine göre değişir ve yaklaşık olarak 0,8’dir. Bu parametre Tablo 1’de verilen katalog bilgilerinden elde edilebilir.

MGNİ yöntemi gerçekleştirilirken, referans gerilim değeri (Vref) Denklem (1)’e göre hesaplanır. Daha sonra FV panelden ölçülen gerilim değeri (Vpv) ile sürekli olarak karşılaştırılarak hata sinyali elde edilir. Elde edilen hata sinyali denetim bloğuna girilerek FV panelin istenilen referans gerilim değerinde çalışması sağlanır (1).

Bu çalışmada, tasarlanan ŞKE doğrudan şebekeye akım aktardığı için MGNİ işlemi aktarılan akımın genliği ayarlanarak, FV panelin MGN’de çalışması sağlanmaktadır.

3. Tasarlanan Şebeke Komütasyonlu Evirici
[kutusag=9892]Tasarlanan ŞKE devresi ve tüm sistemin çalışmasını özetleyen blok diyagram Şekil 3’te verilmiştir. Bu blok diyagramdan rahatlıkla görüleceği üzere sistem, ŞKE birimi, DA-hat bobini, histeresiz kontrolör tarafından denetlenen sinüsoidal akım aktarma birimi, trafo (220/16.8V) ve mikrodenetleyici devreden meydana gelmektedir. Bu devredeki DA-hat bobini, enerji aktarma ara elemanı olarak kullanılmaktadır.

Devredeki ŞKE ve DA-hat bobin birimi, geleneksel olan ŞKE ile aynı yapıya sahiptir. Bu devrede tristör tetikleme açısı, 90° < α < 180° arasında ayarlandığında; Vd gerilimi pozitif olmakta ve IL akımı bu gerilime göre ters yönde akmaktadır. Bu yüzden tristör köprüsünün çıkış gücü negatif değer almakta ve dönüştürücü, evirici modunda çalışmaktadır ve güç akışı FV kaynaktan şebekeye doğru olur. Bu durumda şebekeye aktarılan akımın dalga şekli sinüs formundan uzak olmaktadır [9].

Bu sebepten tasarlanan yapı, geleneksel ŞKE’lerden farklı olarak şebekeye sinüs formunda akım aktarmak için sinüsoidal akım aktarma veya akım dalga şekli düzenleyici birimi içerecek şekilde geliştirilmiştir. Bu birim iki adet Mosfet ve iki adet diyottan meydana gelmektedir. Kontrolör tarafından üretilen referans sinüsoidal akımın akması için bu birimde bulunan iki adet Mosfet, histeresiz kontrolörden gelen sinyallere göre anahtarlanmaktadır. İki adet Mosfet kullanılmasının sebebi pozitif ve negatif gerilim darbeleri verebilmek içindir. Bu sayede istenilen sinüs akım dalga şekli kolaylıkla sağlanabilmektedir. Eklenen bu birim sayesinde, şebekeye aktarılan akımın THB’sinin küçük olması başarılmıştır. Ayrıca eklenen sinüsoidal akım aktarma ve denetleyici birim ile DA-hat bobini üzerinden geçen akımın kontrolü mümkün olmaktadır. Bu sayede DA-DA dönüştürücü devresi kullanılmadan maksimum güç izleme gerçekleştirme imkanı sağlanmıştır.

[kutusol=9893]Tristörler şebeke frekansının iki katında tetiklenmektedir. Mosfetlerin (S1 ve S2) anahtarlama frekansları histeresiz kontrolörün tolerans bandının fonksiyonu şeklinde değişmektedir. Histeresiz kontrolör, referans akımın (ILref) DA-hat bobini üzerinden geçmesi için (IL= ILref) tetikleme sinyalleri üretmektedir.

Bu devredeki trafo, şebeke gerilimi uyumu gerektiren durumlarda kullanılır. Eğer girişteki FV dizinin çıkış gerilimi yeteri kadar büyük ise devre doğrudan şebekeye bağlanabilmektedir [10]. Denetleyici birim özetle, tristörlerin ne zaman iletime gireceğini ve mosfetlerin de iletim-kesim zamanlarını belirlemekte ve buna göre kontrol işaretleri üretmektedir. Tasarlanan devrede sistemin kontrolü için DsPIC30F3011 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır.

Mikrodenetleyici içinde referans akımı üretmek ve şebeke ile senkronizasyonu sağlamak amacıyla sıfır geçiş algılama (SGA) devresi kullanılarak, şebeke geriliminin sıfır geçiş anları sürekli olarak tespit edilir. Böylelikle denetleyici içerisinde ilk aşamada şebeke ile senkronize birim sinüs sinyali oluşturulur. Daha sonra istenilen güç faktörüne göre belirlenen α tetikleme açısı değeri kadar bir faz farkı ile ötelenmiş sinüs sinyali elde edilir. Ötelenmiş olan bu sinyalin mikrodenetleyici içerisinde doğrultulmuş sinüs şekli oluşturulur. Burada elde edilen sinyal DA-hat bobini üzerinden geçmesini istediğimiz akım ile aynı fazda birim sinyaldir. Şebekeye aktarmak istediğimiz akım (ILref), bir önceki aşamada elde edilmiş birim sinyal ile maksimum güç noktası izleyici tarafından belirlenecek olan ILrefmax katsayısı ile çarpılarak üretilir. Denetleyici içerisinde oluşturulan ILref referans akımı ile ölçülen IL akımı karşılaştırılarak fark akımı elde edilir. Bu fark akımı histeresiz akım kontrolör bloğuna girilir ve daha önceden belirlenmiş olan hata bandına (ΔI) göre Mosfet’ler için sürme sinyalleri üretilir. Ek olarak belirlenen tetikleme açısına göre tristörlere tetikleme sinyalleri gönderilmektedir.

3.1. Tasarlanan ŞKE ile MGNİ’nin Birlikte Çalışması
[kutusag=9894]Tasarlanan sistemde, Şekil 3’te görüldüğü üzere FV panellerin açık-devre gerilimleri belirli bir katsayı (0.8) ile çarpılarak referans gerilimi (Vpvref) elde edilir. Bu referans gerilim, FV dizin çıkışından ölçülen gerilim (Vpv) ile karşılaştırılır ve hata sinyali elde edilir. Daha sonra elde edilen bu sinyal PI kontrolöre giriş olarak verilir ve DA-hat bobini üzerinden geçen akımın tepe değeri belirlenir. DA-hat bobini üzerinden geçen akım (IL) ile şebekeye aktarılan akım (igrid) aynı RMS değerine sahiptir. Denetleyici, FV dizin gerilim (Vpv) referans gerilimin (Vpvref) altına düştüğü anda şebekeye aktarılan akımın genliğini düşürür. Bu durumda Vpv artmaya başlar. Aksi durumda, denetleyici akımın genliğini artırarak FV dizin geriliminin yükselmesini sağlar. Bu sayede tasarlanan sistem, şebekeye aktarılan akımın genliğini ayarlayarak maksimum güç noktası izleme işlemini yerine getirmektedir. Tablo 2’de FV dizinin maruz kaldığı ışınım değişimleri verilmiştir.

4. Deneysel Sonuçlar

Şekil 3’te blok diyagramı verilen, FV panellere homojen olarak Tablo 2’deki ışınım seviyeleri uygulandığında; FV dizin çıkış geriliminin (Vpv), FV dizinden çekilen akımın (Ipv), şebeke geriliminin (Vgrid) ve şebekeye aktarılan akımın (Igrid) zaman bağlı değişimleri Fluke 225CS taşınabilir ossiloskop ve FlukeView® yazılımı aracılığıyla elde edilmiştir.

[kutusol=9895]Şekil 4 ve 5’te sırasıyla FV dizinden çekilen akımın ve şebekeye aktarılan akımın, FV dizin gerilimi ile birlikte zamana bağlı değişimi verilmiştir. Şekillerden anlaşılacağı üzere ışınım seviyesi arttıkça, panellerden çekilen akım ve şebekeye aktarılan akımın genliği artmaktadır.

Tasarlanan ŞKE’nin evirici modunda çalışabilmesi için tetikleme açısı (α > 90°) 90°’den büyük olmak zorundadır. Bu yüzden deneysel çalışmalarda tasarlanan şebeke bağlantılı FV sistem iki farklı tetikleme açısı için (α=140° ve α=174°) test edilmiştir. Şekil 6 ve 7’de sırasıyla, farklı tetikleme açıları ve farklı ışınım seviyelerindeki, şebeke gerilimi (Vgrid) ve şebekeye aktarılan akımın (igrid) zamana bağlı değişimleri verilmiştir.

Tablo 3’te deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar özetlenmektedir. Bu tabloda, Şekil 1 ve 2’deki FV dizinin deneysel olarak çıkarılmış I-V ve P-V eğrilerinden elde edilen, MGN’deki akım, gerilim ve güç değerleri verilmiştir. Ayrıca şebeke bağlantılı FV sistem için tasarlanmış olan maksimum güç noktası izleyebilen ŞKE devresinin, FV dizinle birlikte çalıştığında elde edilmiş olan FV dizin çıkış akımı, gerilimi ve gücü verilmiştir. Tablodaki sonuçlardan tasarlanan sistemin FV dizini yaklaşık olarak MGN’de çalıştırdığı görülmektedir.

[kutusag=9896]Bunun yanında Tablo 3’te, tasarlanan ŞKE devresinin şebekeye aktardığı güç, akım, güç faktörü ve akımın THB değeri verilmiştir. Tablo 3’teki verilerden tasarlanan ŞKE’nin farklı güç faktöründe çalışabildiği ve şebekeye düşük THB değerine sahip akım aktarabildiği görülmektedir. Bunun yanında, eviricinin, tetikleme açısı, α=174° için şebekeye güç faktörü yaklaşık 1 olacak şekilde akım aktarabildiği görülmektedir.

[kutusol=9897]Önerilen sistemin deneysel prototipi oluşturulmuş, farklı ışınımlar ve güç faktörleri için test edilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar Tablo 3’te özetlenmiştir. Buna göre önerilen sistem ile FV panellerin, farklı ışınım seviyelerinde maksimum güç noktasında çalışması sağlanmıştır. Ayrıca önerilen şebeke bağlantılı FV evirici sistemin farklı güç faktörlerinde şebekeye güç aktarabildiği gösterilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen ŞKE’nin literatürde kullanılan ŞKE’lere göre en büyük üstünlüğü, şebekeye sinüsoidal akım aktarabilmesidir. Tablo 3’te görüleceği üzere, şebekeye aktarılan akımın toplam harmonik bozunumu uluslararası standartlardaki sınırlara (THBi<%5) yakın veya altındadır. Bu çalışmada, akımdaki THB değerleri herhangi bir filtre elemanı kullanmadan veya harmonik eliminasyon yöntemi uygulamadan elde edilmiştir.

Kaynaklar
R. Teodorescu, M. Liserre and P. Rodriguez, “Grid converters for photovoltaic and wind power systems,” 1st ed., John Wiley & Sons, Ltd, 2011.
S. B. Kjaer, J. K. Pederson and F. Blaabjerg, “A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaik Modules,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 5, pp. 1292- 1306, Oct. 2005.
A. Arjun et. al., “A power electronic controller for PV-tied Grid-connected system with single parameter sensing for mppt using boost converter and line-commutated inverter”, in Proc. ICSET, pp. 36-40, 2012.
N. A. Gounden, S. A. Peter, H. Nallandula and S. Krithiga, “Fuzzy logic controller with MPPT using line-commutated inverter for three-phase grid-connected photovoltaic systems,” Renew. Energy, vol. 34, pp. 909- 915, Jul. 2008.
S. Krithiga and N. A. Gounden, “Power electronic configuration for the operation of PV system in combined grid-connected and stand-alone modes,” IET Power Electron., vol. 7, no. 3, pp. 640- 647, Jul. 2014.
W. Kramer et. al., “Advanced power electronic interfaces for distributed energy systems,” NREL, Colorado, Tech. Rep. TP-581-42672, Mar. 2008.
Ünlü M., Çamur S., Arifoğlu B., Parçalı Gölgelenme Durumları için Yeni Bir Maksimum Güç Noktası İzleyici Yöntemi, YEKSEM2013, Girne, KKTC, 03-04 Ekim 2013.
T. Esram and P. L. Chapman, “Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 22, no. 2, pp. 439- 449, Jun. 2007.
Ünlü M., Çamur S., Beşer E., Arifoğlu 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.
Ünlü M., Çamur S., Beşer E., Arifoğlu 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.