Fırat DEVECİ

Hafta Sonu Projesi: 4kW MPPT Converter (Part 3)

  • 3 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 3 Yorum
  • 1.110 Kişi Okudu

Daha önceki bölümde, geliştirmiş olduğum haftasonu projesinin mekanik montaj ve yerleşimine değinmiştik. Bir güç elektroniği tasarımcısı olarak mekanik bölüm tasarımımızın başında yer alsa da bizim için temel başarı elektroniksel sonuçlardadır; devrenin elektronik olarak çalışması, verimi ve bunun yanında en önemli özelliği olan MPPT performansının verileri, projeye asıl değeri katacak unsurlardır. Bu son bölümde, proje çalışırken elde edilen sonuçlarla birlikte, MPPT yani maksimum güç noktası takibine de değinerek, bir projeyi daha sonuçlandıracağız…

MPPT ya da MGN Nedir?
Güneş enerjisi panelleri ve yenilenebilir bir çok kaynakta enerji yoğunluğu, enerji kaynağının bulunduğu çevresel ya da kimyasal şartlarla beraber zamana göre sürekli olarak değişmektedir. Değişen bu enerji yoğunluğu, ilgili kaynaktan aktarılan güç yoğunluğu ile de değişir. Zamana ve şartlara göre çok değişken olan bu enerji paketlerinden maksimum düzeyde faydalanmak için maksimum güç noktası takibi algoritmaları ya da sistemleri gerekir. Günümüzün en sihirli sözcüklerinden biri olan maksimum güç noktası takibinin (İngilizce Maximum Power Point Tracking) özü aslında budur.
Güneş Panellerinde MPPT Algoritması
Bir güneş panelinin gerilim, akım ve güç eğrileri, sabit çevre koşullarında aşağıdaki gibidir. Grafikten de görüleceği gibi, güneş panelinden çekilen her bir akım değerinde, alınabilecek güç miktarı değişim göstermektedir. Bu nedenle, verimi oldukça düşük olan (~%16-24) güneş panellerinden alınacak her bir watt altın değerinde olacak ve güneş hasadına katkıda bulunacaktır.Yukarıdaki grafiğe sahip bir güneş panelinde maksimum güç için Vmp ve Imp olarak verilen gerilim ve akım değerinde cihazımızı çalıştırmamız gerekmektedir. Yalnız ışınım ve sıcaklığı da ele aldığımızda maksimum güç noktaları aşağıdaki gibi değişmektedir (grafiğin üzerine tıklarsanız büyüyecektir). Grafik gerçek bir güneş paneli datasheet’inden alınmıştır.Sarı ok ile gösterilen her bir noktanın takibi için her yeni yıl bir çok algoritma IEEE gibi makale arşivlerine eklenmektedir. Literatürde MPPT algoritmaları için yapay zekadan, sinir ağlarına, PV modeli çıkartmaktan, türev almaya bir çok algoritma olsa da ben projem için sahada da karşımıza çok fazla çıkan “Değiştir ve Gözle” İngilizce adıyla “Perturbation and Observation” algoritmasını seçtim.

Bir elektronik güç dönüşümünde nasıl bir verim oranı varsa, bir MPPT algoritmasının da verimi değişen çevre koşullarına göre sistemin adaptasyon hızı ile ölçülür. Bunun için aşağıdaki formül kullanılır. MPPT veriminin  %99 ve üzerinde olması bir dönüştürücünün tercih nedeni olmaktadır.

Son olarak iyi bir algoritma, aşağıdaki gibi gölgelenmiş güneş paneli dizisinde ana maksimum güç noktasının takibini yapabilmelidir.Yukarıdaki gibi aşırı gölgelenmiş durumlarda P&O algoritması, sanal tepelerde takılıp kalabilir. Bunu engellemek adına, belirli periyotlarda genel tarama yapılarak, maksimum güç noktası takibi yapılması gerekmektedir. Yaptığım uygulama da bu özellik yazılım içerisine yerleştirilerek, MPPT veriminin artırılması hedeflenmiştir.

Elektriksel Testler
İlk bölümde topolojisini vermiş olduğum sistemin temelinde 3’lü interleaved çalışan, tamamen dijital kontrollü, 4kW buck converter vardır. Bu şekilde tasarlanan ve yazılımı geliştirilen sistemin girişinde 145V, çıkışında ise 86.4V/45A=3888W varken alınan anahtarlama sinyalleri aşağıdaki gibidir. Aşağıda da görüleceği gibi, her faz arasında 120 derece faz farkı bulunmaktadır. Anahtarlama frekansı 35kHz olarak seçilmiştir.Layout da dikkat edilen yerleşim sonrasında, küçük bir snubber kullanılmasına karşın elde edilen turn-on işleminde, gerilim şekli aşağıdaki gibi olmuştur. Görülebileceği gibi, layout yerleşiminin uygun olması ve seçilen snubber ile birlikte, turn-on aşamasında overshoot neredeyse sıfıra yakındır. Bu uygulamanın sonucunda bir akü şarj olacağı için, tüm algoritma akım kontrolü üstüne yerleştirilmiştir. Bu yüzden akım kontrol hızı oldukça önemlidir. Yapılan PID kontroller sonucunda, akımın kısa devrede oturma hızı aşağıdaki gibi olmuştur. Burada grafikte pembe ile görülen osiloskop çıktısı çıkış akımı, sarı ile görülen şekiller ise anahtarlama sinyallerini göstermektedir. Kontrolün sağlıklı olarak gerçekleşebilmesi için, akım kontrolü hızının yüksek olması gerekmektedir.Elbette bir güç çevrim sisteminde en önemli konulardan birisi de elektriksel verimdir. Yaptığım bu uygulamada maksimum verim %96.8 olarak ölçülmüştür. Tam yükte verim ise %96.1 olarak görülmektedir. Elde edilen verimi, senkron buck converter topolojisi kullanarak %1 oranında arttırmak mümkün olsa da, 40W kazanç için devreye getireceği karmaşıklık daha fazla olacağından bu yönde çalışmayı tercih etmedim.Cihazın MPPT algoritması yeteneğini ise aşağıdaki videoda izleyebilirsiniz. Cihazın girişi bir solar simulator ile beslenerek, çıkışında ise akü ve yük ile beraber davranışları çeşitli güneş ışınım değerlerinde incelenmiştir. Kırmızı noktanın anlık değeri gösterdiği videoda, maksimum güç noktasının, teorik değere oldukça yakınsadığı görülebilir.

Bir Projenin Daha Sonuna Gelirken…
Haftasonu hobi projesi olarak başladığım bir işi bitirmenin mutluluğu içerisindeyken; site takipçileri ile de bir projenin başlangıcından sonuna nasıl ele aldığımı göstermeye çalıştım. Bir proje üzerinde hobi olarak bile çalışılsa, işin ciddi olarak ele alınması gerektiğine inanıyorum.

Bunun yanında profesyonel hayatımda, çok daha büyük güçler üzerine tasarım yapsam ve isterleri müşteriler belirliyor da olsa, güç değerinden bağımsız bir projenin başlangıçtan üretimine giden bölümünde değişen çok farklı basamak oluşmuyor. Bu süreçte en büyük destekçiniz ise elde ettiğiniz deneyim, teorik altyapınız ve durumlara yaklaşımınız oluyor.

Faydalı bir çalışma olarak 3 bölümde paylaştığım projemle ilgili tüm sorularınızı yorum bölümünden ya da iletişim kanalındaki mail adresi üzerinden bana iletebilirsiniz.

Herkesin yeni yılını kutlar, çalışmalarında başarılar dilerim!

  1. Halil dedi ki:

    Çok güzel proje elinize sağlık. Her bir bölümdeki bilgiler çok değerli. Teşekkürler!

  2. Nazmi YILMAZ dedi ki:

    Sayın Fırat DEVECİ,
    Eğer hafızam beni yanıltmıyorsa, 2009-2010 yıllarında MEB robot yarışmaları sırasında isminizi ilk duymuştum. O günlerden beri isminizi gördüğüm her paylaşımı, güven, memnuniyet ve minnetle takip ediyorum. Ülkemizde açık kaynak üreten ve paylaşımda bulunan çok az sayıdaki kişiden birisiniz. Paylaşımlarınız için teşekkür ediyor, çalışmalarınızda başarılar diliyorum.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhabalar Nazmi Bey,

      İyi dilekleriniz için çok teşekkür ederim.
      Zaman bulup daha çok paylaşımda bulunmak istiyorum yalnız maalesef projelerim buna engel oluyorlar…

Yorum Yazınız

error: Kopyalama Yasaktır, Eğer Bilgi İçeriğini Almak İstiyorsanız İletişim Bölümünden Yazara Ulaşın!