Bu çalışmada yeni bir devre yapısı olan empedans kaynaklı eviriciler için kullanılabilecek tüm kontrol tekniklerini içeren detaylı bir çalışma sunulmuştur. Uygulanabilecek darbe genişlik modülasyonu ve uzay vektör modülasyonu kontrol yöntemleri, hem matematiksel modeller hem de yapılan benzetim çalışmaları ile elde edilen sonuçlar üzerinden karşılaştırılmıştır.
Uzay Vektör Modülasyonu ile Kontrol Yöntemleri
Uzay vektör modülasyonunun gerilim kaynaklı eviricilerde uygulaması literatürde çok geniş bir şekilde ele alınmıştır. Dc bara kullanım oranının sinusoidal DGM tekniklerine göre yüksek olması bu yöntemi tercih edilir kılmaktadır. Empedans kaynaklı eviricide bu durum daha da büyük bir avantaj sağlamaktadır. Zira; bu yöntem sayesinde kaynak gerilimindeki değişimlerde, empedans ağı ile evirici devresi arasında yer alan dc hat geriliminin yükseltilmesini gerektirecek olan minimum dc kaynak gerilim seviyesi yükselmekte ve dolayısıyla daha az gerilim yükseltme ihtiyacı sayesinde sistemin veriminde artış sağlanmaktadır. Empedans kaynaklı eviricilerde uzay vektör modülasyonu uygulaması temelde gerilim kaynaklı eviricilerdeki uygulamaya benzemekle birlikte, kısa devre çalışma sürelerinin bir anahtarlama periyodu içerisine aktif vektörlerde herhangi bir değişikliğe sebep olmadan yerleştirilmesi gerekmektedir [7], [8]. Uzay vektör modülasyonuna ilişkin denklemler aşağıda verilmiştir.
Yukarıdaki eşitliklerde yer alan m sembolü, sinusoidal DGM modülasyon indeksi M sembolünden farklı olarak, uzay vektör modülasyon indeksini ifade etmektedir. Şekil 7de gerilim uzay vektörleri ve çalışma bölgeleri görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi yükün ihtiyacı olan gerilim, eviricinin maksimum referans gerilim genliği olan (√3/2)*Vk (k=1,2, ,6) değerinden daha büyük bir gerilim değeri ile çalışmayı gerektirebilir. Bu durumda kısa devre çalışmalar ile dc hat gerilimi yükseltilir ve istenen çıkış gerilimini sağlayacak olan referans gerilim değeri elde edilir [9].
Şekil 7: Gerilim uzay vektörleri.
Şekil 8 ve Şekil 9da uzay vektör modülasyonuna ait iki ayrı anahtarlama yapısı görülmektedir [10], [11]. Her iki anahtarlama yapısında da aktif vektörlere müdahale edilmediği, sadece sıfır gerilim vektörlerinden belirli bir sürenin kısa devre çalışmaya ayrıldığına dikkat edilmelidir. Uzay vektör modülasyonu çok farklı anahtarlama imkanları sunan bir yapıdır. Burada görülen iki farklı anahtarlama yapısı dışında yeni anahtarlama yapıları geliştirmek mümkündür.
Şekil 8: Klasik uzay vektör modülasyonu kontrolü.
Uzay vektör modülasyonunun gerilim kaynaklı eviricilerde uygulaması literatürde çok geniş bir şekilde ele alınmıştır. Dc bara kullanım oranının sinusoidal DGM tekniklerine göre yüksek olması bu yöntemi tercih edilir kılmaktadır.
Şekil 9: Dağıtılmış uzay vektör modülasyonu kontrolü.
4. Benzetim Sonuçları
Bu çalışmada ele alınan tüm kontrol yöntemlerinin sağlıklı bir şekilde karşılaştırmasının yapılabilmesi için her bir yöntemin ayrı ayrı benzetimi yapılmış ve elde dilen değişimler aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Benzetimi yapılan empedans kaynaklı evirici 311 V dc kaynak ile beslenmekte ve her durumda kazanç değerinin(G) 2 olması sağlanarak, 220 V efektif faz gerilimi elde etmek üzere kontrol edilmiştir. Benzetimi yapılan devre parametreleri şöyledir:
Vg = 311 V
L1 = L2 = 1 mH
C1 = C2 = 1,1 mF
Vfaz, efektif = 220 V
G = 2
fs = 2 kHz
Ryük = 9 Ω
Şekil 10: Sabit yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 11: Maksimum yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 12: Maksimum sabit yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 13: Klasik uzay vektör modülasyonu kontrolüne ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
 Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi - See more at: http://www.voltimum.com.tr/haberler/fotovoltaik-sistemlerde-kullanilan-empedans-kaynakli-eviricilerde-kontrol-yontemlerinin#sthash.kIsKztUH.dpuf)
Şekil 14: Dağıtılmış uzay vektör modülasyonu kontrolüne ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Tablo 1de ise kontrol yöntemleri neticesinde oluşan gerilim stresi ve filtresiz faz akımının toplam harmonik bozunumu görülmektedir.
Tablo 1: Kontrol Tekniklerine Ait Akım Harmonikleri ve Gerilim Stresleri Değerleri
Teorik olarak elde edilen sonuçlar ile benzetim neticesinde elde edilen değişimlerin uyum içinde olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçlardan, en düşük gerilim stresi ile çalışan kontrol yönteminin maksimum yükseltici kontrol olduğu görülmektedir. Ancak bu yöntemin empedans ağında büyük boyutlu endüktans kullanmayı gerektirmesi, düşük gerilim stresi ile sağladığı avantajı gölgelemekte ve tercih edilebilir olmaktan uzaklaştırmaktadır. Klasik uzay vektör modülasyonu genel itibariyle iyi bir sonuç vermekle birlikte, Şekil 13te de görüldüğü gibi kondansatör geriliminde ve dolayısıyla dc hat geriliminde dalgalanmaya sebep olmaktadır. Bu durumda elde edilen sonuçlara göre en ideal yöntemin dağıtılmış uzay vektör modülasyonu olduğu görülmektedir.
5. Sonuçlar
Bu çalışmada yeni bir devre yapısı olan empedans kaynaklı eviriciler için kullanılabilecek tüm kontrol tekniklerini içeren detaylı bir çalışma sunulmuştur. Uygulanabilecek darbe genişlik modülasyonu ve uzay vektör modülasyonu kontrol yöntemleri, hem matematiksel modeller hem de yapılan benzetim çalışmaları ile elde edilen sonuçlar üzerinden karşılaştırılmıştır.
Sonuçlar incelendiğinde; maksimum yükseltici kontrol yönteminin düşük gerilim stresi ile ön plana çıktığı görülmektedir. Ancak bu yöntemde kısa devre çalışma süresinin sabit tutulamamasından ötürü endüktans akımında bir dalgalanma meydana gelmekte ve empedans ağında kullanılan endüktansın büyük boyutlu seçilmesi gerekmektedir. Bu da ek kayıplara ve ek maliyete sebep olmaktadır. Diğer taraftan dağıtılmış uzay vektör modülasyonu yöntemi, gerek stabil bir çıkış sağlaması, gerek düşük akım harmonik bozunumu, gerekse de düşük gerilim stresi ile en uygun kontrol yöntemi olarak görülmektedir.
Sonuçlardan da görüldüğü gibi klasik uzay vektör modülasyonu ve dağıtılmış uzay vektör modülasyonu yöntemleri farklı sonuçlar vermiştir. Buradan anlaşılmaktadır ki, uzay vektör modülasyonu mantığı çerçevesinde anahtarlama yapısında yapılabilecek muhtelif değişiklikler sonuçları etkilemektedir. Bu da ileride yapılacak çalışmalarda daha iyi sonuçlar elde etmek adına yeni anahtarlama düzenleri üzerine araştırmalar yapılabileceğini göstermektedir.
Volkan ERGİNER ([email protected])
Özgün GİRGİN ([email protected])
Mustafa Hadi SARUL ([email protected])
Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Kaynaklar
[1] Peng, F. Z., Z-Source Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 2, pp. 504-510, March/April 2003.
[2] Stocklosa, O., Teodorescu, M., Radoi, C., Stoichescu, D.A. and Rosu, S., The advantages, limitations and disadvantages of Z-source inverter, Semiconductor Conference (CAS), vol. 02, Oct. 2010, pp. 483-486.
[3] Huang, Y., Shen, M., Peng, F.Z. ve Wang J., Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems, IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 6, pp. 17761781, Nov. 2006.
[4] Peng, F. Z., Shen, M., ve Qian, Z., Maximum Boost Control of the Z Source Inverter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 4, pp. 833838, Jul./Aug. 2005.
[5] M. Shen, J. Wang, A. Joseph, F. Z. Peng, L. M. Tolbert,
[6] and D. J. Adams, Maximum constant boost control of the Z-source inverter, Industry Applications Conference (IEEE/ IAS), 2004, pp. 142147.
[7] Shen, M., Wang, J., Joseph, A., Peng, F. Z., Tolbert, L. M. Ve Adams, D. J., Constant Boost Control of the Z-Source Inverter to Minimize Current Ripple and Voltage Stress, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 42, no. 3, pp. 770- 778, May/June 2006.
[8] Thangaprakash, S. ve Krishnan, A., Modified Space Vector Modulated Z Source Inverter with Effective DC Boost and Lowest Switching Stress, The Journal of Engineering Research., vol. 7, no. 1, pp. 7077, 2010.
[9] Thangaprakash, S. ve Krishnan, A., Modified Space Vector Pulse Width Modulation for Z Source Inverters , International Journal of Recent Trends in Engineering., vol. 2, no. 6, pp. 136138, 2009.
[10] Liu, Y., Ge, B., Ferreira, F.J.T.E., Almeida, A.T. ve Abu-Rub, H., Modeling and SVPWM control of quasi-Zsource inverter, International Journal of Recent Trends in Engineering., vol. 2, no. 6, pp. 136138, 2011.
[11] Shajith, U. A. ve Kamaraj, V., Z-Source Inverter with a New Space Vector PWM Algorithm For High Voltage Gain, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol.6, no.6, pp. 9-13, June 2011.
[12] Chun, T.W., Tran, Q.V., Ahn J.R, Lai J.S.,,AC Output Voltage Control with Minimization of Voltage Stress Across Devices in the Z-Source Inverter Using Modified SVPWM, Power Electronics Specialists Conference(PESC), 2006, pp. 1-5.
Uzay Vektör Modülasyonu ile Kontrol Yöntemleri
Uzay vektör modülasyonunun gerilim kaynaklı eviricilerde uygulaması literatürde çok geniş bir şekilde ele alınmıştır. Dc bara kullanım oranının sinusoidal DGM tekniklerine göre yüksek olması bu yöntemi tercih edilir kılmaktadır. Empedans kaynaklı eviricide bu durum daha da büyük bir avantaj sağlamaktadır. Zira; bu yöntem sayesinde kaynak gerilimindeki değişimlerde, empedans ağı ile evirici devresi arasında yer alan dc hat geriliminin yükseltilmesini gerektirecek olan minimum dc kaynak gerilim seviyesi yükselmekte ve dolayısıyla daha az gerilim yükseltme ihtiyacı sayesinde sistemin veriminde artış sağlanmaktadır. Empedans kaynaklı eviricilerde uzay vektör modülasyonu uygulaması temelde gerilim kaynaklı eviricilerdeki uygulamaya benzemekle birlikte, kısa devre çalışma sürelerinin bir anahtarlama periyodu içerisine aktif vektörlerde herhangi bir değişikliğe sebep olmadan yerleştirilmesi gerekmektedir [7], [8]. Uzay vektör modülasyonuna ilişkin denklemler aşağıda verilmiştir.
Yukarıdaki eşitliklerde yer alan m sembolü, sinusoidal DGM modülasyon indeksi M sembolünden farklı olarak, uzay vektör modülasyon indeksini ifade etmektedir. Şekil 7de gerilim uzay vektörleri ve çalışma bölgeleri görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi yükün ihtiyacı olan gerilim, eviricinin maksimum referans gerilim genliği olan (√3/2)*Vk (k=1,2, ,6) değerinden daha büyük bir gerilim değeri ile çalışmayı gerektirebilir. Bu durumda kısa devre çalışmalar ile dc hat gerilimi yükseltilir ve istenen çıkış gerilimini sağlayacak olan referans gerilim değeri elde edilir [9].
Şekil 7: Gerilim uzay vektörleri.
Şekil 8 ve Şekil 9da uzay vektör modülasyonuna ait iki ayrı anahtarlama yapısı görülmektedir [10], [11]. Her iki anahtarlama yapısında da aktif vektörlere müdahale edilmediği, sadece sıfır gerilim vektörlerinden belirli bir sürenin kısa devre çalışmaya ayrıldığına dikkat edilmelidir. Uzay vektör modülasyonu çok farklı anahtarlama imkanları sunan bir yapıdır. Burada görülen iki farklı anahtarlama yapısı dışında yeni anahtarlama yapıları geliştirmek mümkündür.
Şekil 8: Klasik uzay vektör modülasyonu kontrolü.
Uzay vektör modülasyonunun gerilim kaynaklı eviricilerde uygulaması literatürde çok geniş bir şekilde ele alınmıştır. Dc bara kullanım oranının sinusoidal DGM tekniklerine göre yüksek olması bu yöntemi tercih edilir kılmaktadır.
Şekil 9: Dağıtılmış uzay vektör modülasyonu kontrolü.
4. Benzetim Sonuçları
Bu çalışmada ele alınan tüm kontrol yöntemlerinin sağlıklı bir şekilde karşılaştırmasının yapılabilmesi için her bir yöntemin ayrı ayrı benzetimi yapılmış ve elde dilen değişimler aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Benzetimi yapılan empedans kaynaklı evirici 311 V dc kaynak ile beslenmekte ve her durumda kazanç değerinin(G) 2 olması sağlanarak, 220 V efektif faz gerilimi elde etmek üzere kontrol edilmiştir. Benzetimi yapılan devre parametreleri şöyledir:
Vg = 311 V
L1 = L2 = 1 mH
C1 = C2 = 1,1 mF
Vfaz, efektif = 220 V
G = 2
fs = 2 kHz
Ryük = 9 Ω
Şekil 10: Sabit yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 11: Maksimum yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 12: Maksimum sabit yükseltici kontrole ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Şekil 13: Klasik uzay vektör modülasyonu kontrolüne ilişkin benzetim sonuçları-a) Evirci çıkış hat gerilimi, b) dc hat gerilimi, c) Empedans ağı kondansatör gerilimi, d) Filtreli evirici çıkış hat gerilimi
Tablo 1de ise kontrol yöntemleri neticesinde oluşan gerilim stresi ve filtresiz faz akımının toplam harmonik bozunumu görülmektedir.
Tablo 1: Kontrol Tekniklerine Ait Akım Harmonikleri ve Gerilim Stresleri Değerleri
Teorik olarak elde edilen sonuçlar ile benzetim neticesinde elde edilen değişimlerin uyum içinde olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçlardan, en düşük gerilim stresi ile çalışan kontrol yönteminin maksimum yükseltici kontrol olduğu görülmektedir. Ancak bu yöntemin empedans ağında büyük boyutlu endüktans kullanmayı gerektirmesi, düşük gerilim stresi ile sağladığı avantajı gölgelemekte ve tercih edilebilir olmaktan uzaklaştırmaktadır. Klasik uzay vektör modülasyonu genel itibariyle iyi bir sonuç vermekle birlikte, Şekil 13te de görüldüğü gibi kondansatör geriliminde ve dolayısıyla dc hat geriliminde dalgalanmaya sebep olmaktadır. Bu durumda elde edilen sonuçlara göre en ideal yöntemin dağıtılmış uzay vektör modülasyonu olduğu görülmektedir.
5. Sonuçlar
Bu çalışmada yeni bir devre yapısı olan empedans kaynaklı eviriciler için kullanılabilecek tüm kontrol tekniklerini içeren detaylı bir çalışma sunulmuştur. Uygulanabilecek darbe genişlik modülasyonu ve uzay vektör modülasyonu kontrol yöntemleri, hem matematiksel modeller hem de yapılan benzetim çalışmaları ile elde edilen sonuçlar üzerinden karşılaştırılmıştır.
Sonuçlar incelendiğinde; maksimum yükseltici kontrol yönteminin düşük gerilim stresi ile ön plana çıktığı görülmektedir. Ancak bu yöntemde kısa devre çalışma süresinin sabit tutulamamasından ötürü endüktans akımında bir dalgalanma meydana gelmekte ve empedans ağında kullanılan endüktansın büyük boyutlu seçilmesi gerekmektedir. Bu da ek kayıplara ve ek maliyete sebep olmaktadır. Diğer taraftan dağıtılmış uzay vektör modülasyonu yöntemi, gerek stabil bir çıkış sağlaması, gerek düşük akım harmonik bozunumu, gerekse de düşük gerilim stresi ile en uygun kontrol yöntemi olarak görülmektedir.
Sonuçlardan da görüldüğü gibi klasik uzay vektör modülasyonu ve dağıtılmış uzay vektör modülasyonu yöntemleri farklı sonuçlar vermiştir. Buradan anlaşılmaktadır ki, uzay vektör modülasyonu mantığı çerçevesinde anahtarlama yapısında yapılabilecek muhtelif değişiklikler sonuçları etkilemektedir. Bu da ileride yapılacak çalışmalarda daha iyi sonuçlar elde etmek adına yeni anahtarlama düzenleri üzerine araştırmalar yapılabileceğini göstermektedir.
Volkan ERGİNER ([email protected])
Özgün GİRGİN ([email protected])
Mustafa Hadi SARUL ([email protected])
Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Kaynaklar
[1] Peng, F. Z., Z-Source Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 2, pp. 504-510, March/April 2003.
[2] Stocklosa, O., Teodorescu, M., Radoi, C., Stoichescu, D.A. and Rosu, S., The advantages, limitations and disadvantages of Z-source inverter, Semiconductor Conference (CAS), vol. 02, Oct. 2010, pp. 483-486.
[3] Huang, Y., Shen, M., Peng, F.Z. ve Wang J., Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems, IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 6, pp. 17761781, Nov. 2006.
[4] Peng, F. Z., Shen, M., ve Qian, Z., Maximum Boost Control of the Z Source Inverter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 4, pp. 833838, Jul./Aug. 2005.
[5] M. Shen, J. Wang, A. Joseph, F. Z. Peng, L. M. Tolbert,
[6] and D. J. Adams, Maximum constant boost control of the Z-source inverter, Industry Applications Conference (IEEE/ IAS), 2004, pp. 142147.
[7] Shen, M., Wang, J., Joseph, A., Peng, F. Z., Tolbert, L. M. Ve Adams, D. J., Constant Boost Control of the Z-Source Inverter to Minimize Current Ripple and Voltage Stress, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 42, no. 3, pp. 770- 778, May/June 2006.
[8] Thangaprakash, S. ve Krishnan, A., Modified Space Vector Modulated Z Source Inverter with Effective DC Boost and Lowest Switching Stress, The Journal of Engineering Research., vol. 7, no. 1, pp. 7077, 2010.
[9] Thangaprakash, S. ve Krishnan, A., Modified Space Vector Pulse Width Modulation for Z Source Inverters , International Journal of Recent Trends in Engineering., vol. 2, no. 6, pp. 136138, 2009.
[10] Liu, Y., Ge, B., Ferreira, F.J.T.E., Almeida, A.T. ve Abu-Rub, H., Modeling and SVPWM control of quasi-Zsource inverter, International Journal of Recent Trends in Engineering., vol. 2, no. 6, pp. 136138, 2011.
[11] Shajith, U. A. ve Kamaraj, V., Z-Source Inverter with a New Space Vector PWM Algorithm For High Voltage Gain, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol.6, no.6, pp. 9-13, June 2011.
[12] Chun, T.W., Tran, Q.V., Ahn J.R, Lai J.S.,,AC Output Voltage Control with Minimization of Voltage Stress Across Devices in the Z-Source Inverter Using Modified SVPWM, Power Electronics Specialists Conference(PESC), 2006, pp. 1-5.
