Design and implementation of a 1kw single phase grid tie inverter

Abstract

Günümüz şartlarında yenilenebilir enerji kaynakları ve bu kaynakların kullanımını mümkün kılan güç kaynaklarının pazardaki önemi giderek artmaktadır.Yenilenebilir kaynaklar kullanılarak üretilen enerjinin üretim anında ihtiyaç fazlası olan kısmı, daha sonra kullanılmak üzere depolanmakta yada üretim anında enerji ihtiyacı olan kullanıcılara satılmaktadır. Enerji depolamanın pahalı ve düşük verimli bir işlem olması sebebi ile, üretim anında ihtiyaç fazlası olan enerjinin uygun güç çevrim yöntemleri kullanılarak enterkonnekte şebekeye aktarılması daha verimli bir yöntem olarak görülmektedir. Bu tez çalışmasında şebekeye enerji aktarılmasında kullanılan ve Şebeke Bağlantılı Evirici olarak bilinen yüksek verimli bir güç kaynağının tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, Fotovoltaik panellerden elde edilen düşük gerilimli doğru akım elektrik enerjisini yüksek voltajlı alternatif akıma dönüştürmek, üretilen alternatif akımın genliği ve fazını şebekeye aktarılan güç, düşük doğru akım ve tepkisel güç ihtiva edecek şekilde kontrol etmektir. Bu amaca ulaşmak için fotovoltaik panellerden sağlanan düşük voltajlı doğru akım, Z-Kaynak olarak bilinen yükselten çevirici ile uygun doğru akım bara gerilimine yükseltilmektedir. Doğru akım bara geriliminin kontrolü için gerekli doğru akım analizi ve gerekli transfer fonksiyonları Ortalama Eşdeğer Devre yöntemine göre bulunmuş ve doğru akım bara gerilimi Alan-Oransal kontrol yöntemi ile belirlenen değerde dengelenmiştir. Dengelenmiş doğru akım bara gerilimi Tam Köprü Evirici vasıtası ile alternatif akıma dönüştürülmüştür. Şebeke akımının kontrolü için gerekli şebeke voltajı genlik ve faz bilgileri geciktirme tabanlı, örnek eşzamanlı eksen takımı yöntemine göre çalışan faz kilitlemeli çevrim devresinin mikrodenetleyicide sayısal olarak uygulanması ile elde edilmiştir. Şebeke akımı, örnek eşzamanlı eksen takımı (D-Q) yöntemi ile kontrol edilmiştir. Şebeke akımının D ve Q eksenleri Park dönüşümü kullanılarak hesaplanmış ve bu eksenlerin genlikleri her biri için birer Alan-Oransal denetleyici kullanılarak dengelenmiştir. Denetleyici çıkışları ters Park dönüşümü kullanılarak Döner Eksen bileşenlerine dönüştürülmüş ve Tam köprü evirici devresinin kontrol sinyali elde edilmiştir. Tez çalışması kapsamında Şebeke Bağlantılı Evirici bölümlerinin benzetim, simülasyon ve uygulama örneğinin tasarım ve uygulaması bulunmaktadır. Önerilen tasarımın uygulanabilir olduğu deneysel çalışma sonuçları ile doğrulanmıştır.

Renewable energy sources and their power processing equipments are gaining increasingimportance in the market. Excess of energy harvested from a renewablesource is either stored for future use or sold to other users that are in need ofelectrical energy at the time of harvesting. Since storage of excess energy is aninefficient and costly process, a better way of dealing with excess energy is totransfer the energy to the interconnected power grid by means of appropriatepower processing. In this thesis work, design and implementation of a high e-fficiency power processing equipment known as Grid Tie Inverter (GTI) to achieveenergy transfer to the grid is studied.The target of this study is to convert low voltage direct current (DC) electricalenergy harvested from the photo voltaic (PV) panels to high voltage alternatingcurrent (AC). The magnitude and phase of the processed alternating current isthen controlled in a way such that the power ows towards the grid with a lowDC and low reactive component. To achieve this goal, the voltage of the PVpanels is stepped up to an appropriate DC link voltage by using a boost type converterknown as the Z-Source. The required DC analysis and transfer functionsivof the Z-Source converter are obtained by the circuit averaging technique anda proportional-integral (PI) regulator is designed and implemented to stabilizethe DC link voltage. The stabilized DC link voltage is then converted to alternatingcurrent using a full bridge inverter. The required grid voltage and phaseinformation is obtained by digital implementation of a single phase time-delaybased synchronous reference frame phase locked loop circuit (TDB-SRF PLL).The control of the current owing into the grid is carried out by using the D-Qsynchronous reference frame approach. Hereby, the direct (D) and quadrature(Q) components of the grid current are calculated using Park's transformation.The magnitudes of the D and Q components are stabilized by separate digitalPI controllers. The outputs of the PI controllers are then converted back to therotating reference frame using the inverse Park's transformation. The output ofthe transformation is used as a control signal to drive the full bridge inverter.The scope of the thesis comprises both the modeling and simulation of the GTIcomponents and the design and implementation of a prototype GTI. A thoroughexperimental evaluation conrms the practicability of the proposed design.