Fotovoltaik sistemlerde iki yönlü DC/DC dönüştürücülü bir diferansiyel güç işleyicisi tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Abstract

Fotovoltaik sistem, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir enerji üretim sistemidir. Yenilenebilir enerji türleri arasında en hızlı gelişen ve en büyük yatırımları alan enerji kaynağıdır. Fotovoltaik sistemler genellikle bir dizi modülün seri bağlanması ile kullanılır. Bu bağlantı yapısının en büyük dezavantajı uyumsuzluk durumlarıdır. Fotovoltaik modüller arasında kısmi gölgelenme, kirlenme, sıcaklık farkı gibi nedenler ile farklı güçler oluştuğunda çıkış gücünde büyük bir düşüş meydana gelir. Geleneksel bypass diyotları bu sorunu bir miktar çözer ancak tüm gücün çıkışa aktarılmasını sağlayamaz. Diferansiyel güç işleyicisi bu etkiyi azaltmak için yaygın olarak kullanılan bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, diferansiyel güç işleyicisi mimarilerinin uygulanması sistem maliyeti, güvenilirlik, kontrol uygulaması ve modülerlik gibi zorlukları beraberinde getirmektedir. Bu tez çalışmasında, iki yönlü flyback dönüştürücüler kullanan düşük maliyetli ve modüler bir diferansiyel güç işleyicisi mimarisi üzerinde yürütülen basitleştirilmiş bir gerilim eşitleme algoritması önerilmektedir. Özellikle, hafif ve orta dereceli uyumsuzluk koşulları altında, fotovoltaik sisteminin çıkış gücü, bypass diyotlu geleneksel dizi konfigürasyonuna kıyasla önemli bir artış göstermektedir. Sistem performansını optimize etmek için gerilim eşitleme algoritmasına uyarlanmış bir metodoloji önerilmiş ve genel verimliliği artırırken işlenen gücü en aza indirmiştir. Önerilen çözümler simülasyonlar ve deneyler aracılığıyla kapsamlı testlerden geçirilmiştir. Sonuçlar, kısmi gölgeleme koşulları altında sistem verimliliğinin yaklaşık %90'a ulaştığını doğrulamaktadır.

A photovoltaic system is an energy generation system that converts solar energy into electrical energy. It is the fastest-developing energy source among renewable energy types and receives the largest investments. Photovoltaic systems are usually used by connecting a number of modules in series. The biggest disadvantage of this connection structure is the occurrence of mismatch situations. When different powers occur between photovoltaic modules due to partial shading, contamination, temperature difference, etc., a large drop in output power occurs. Conventional bypass diodes solve this problem to some extent but cannot ensure that all power is transferred to the output. Differential power processing has emerged as a widely used solution to mitigate this effect. However, the implementation of differential power processing architectures brings challenges such as system cost, reliability, control implementation, and modularity. This research proposes a simplified voltage equalization algorithm that is implemented on a low-cost and modular differential power processing architecture using bidirectional flyback converters. In particular, under light to moderate mismatch conditions, the output power of the photovoltaic system shows a significant increase compared to the conventional string configuration with bypass diodes. A methodology adapted to the voltage equalization algorithm is proposed to optimize the system performance, minimizing the power dissipated while increasing overall efficiency. The proposed solutions have been extensively tested through simulations and experiments. The results confirm that the system efficiency reaches about 90% under partial shading conditions.