5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye HİBRİT ENERJİ KAYNAKLARI İÇİN PARALEL ÇALIŞABİLEN YÜKSELTEN DÖNÜŞTÜRÜCÜ BENZETİMİ SIMULATION OF PARALLEL-CONNECTED DC/DC BOOST CONERTER FOR HYBRID ENERGY SOURCES İbrahim SEFA a, *, Mehmet DEMİRTAŞ a, İlhami ÇOLAK a ve Deniz UĞUR a a Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye E-posta: isefa@gazi.edu.tr, mehmetd@gazi.edu.tr, icolak@gazi.edu.tr, deniz.ugur@gazi.edu.tr Özet Alternatif enerji kaynaklarına olan talebin giderek artması, enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılan güneş, rüzgâr, biokütle gibi enerji kaynaklarının verimli bir şekilde kullanımını ön plana çıkartmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının ülkemizde potansiyel olarak çok bulunduğu bölgelerde enerji üretimi üzerine çalışmalar devam etmektedir. Ancak, tek bir enerji kaynağının yeterli olmadığı durumlarda veya otonom kullanım süresi olarak günün tamamında üretim yapılabilecek sistemler daha verimli olmaktadır. Bu amaçla birden fazla enerji kaynağının birlikte kullanıldığı hibrit kaynak uygulamaları artmaktadır. Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı bir hibrit uygulama için mikrodenetleyici kontrollü paralel çalışabilen yükselten dönüştürücü benzetimi yapılmıştır. Benzetimdeki amaç aynı DA baraya bağlı olan iki kaynağın düzenli, sabit ve verimli bir şekilde yüke enerji aktarımını sağlayabilmek ve hibrit sistemin elemanlarının birbirlerine zarar vermelerini önlemektir. Benzetim sonucunda, paralel çalışabilen dönüştürücünün tasarlanan mikrodenetleyici programı yardımıyla sistemin girişine uygulanan enerji seviyelerindeki ve çıkışına bağlanan yükteki değişimlere karşı sistemi verimli bir şekilde çalıştırdığı görülmüştür. Ayrıca maksimum güç takibi işlemini her iki yükselten dönüştürücü için başarılı bir şekilde uyguladığı sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Hibrit sistem, Mikrodenetleyici, Yenilenebilir enerji, Yükselten dönüştürücü. Abstract Nowadays gradually increasing demand for alternative energy sources, effective use of solar, wind, biomass energy sources comes into importance for energy efficiency. Studies about energy production are carried on at regions in Turkey where potentially lots of alternative energy sources are available. However, systems which are capable of producing energy during all day are more efficient for autonomous exposure time or in situation such as one energy source is not sufficient. For this purpose, the use of hybrid energy source implementations, which includes more than one energy source, is becoming very important. together. The aim of simulation is to provide transmitting the load energy regularly, constantly and efficiently by two sources connected to the same DC bus bar and without damaging the equipments of each source in hybrid system. In simulation results, the parallel-connected converters has operated efficiently under changes of load connected to output and energy levels applied to system input by means of designed microcontroller program. In addition, the system succeedly achieved maximum power tracking operation for both boost converters. Key words: Hybrid energy system, Microcontroller, Renewable energy, Boost converter. 1. Giriş Elektrik enerjisi üretiminde günümüze gelene kadar fosil yakıtlar (kömür, petrol vb.) kullanılmakta idi. Günümüzde ise üretilmekte olan elektrik enerjisinin büyük bir kısmı doğalgazdan sağlanmaktadır. Ancak kullanılan bu fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması, çevre kirliliğine sebebiyet vermesi, doğalgazın da pahalı ve tamamıyla dışarıya bağımlılık yaratıyor olması rüzgâr, güneş, biokütle, hidrojen gibi üretim masrafları daha düşük olan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını ön plana çıkarmaktadır [1 6]. Yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgârın sürekli olmaması ya da sabit bir hızla esmemesi, güneş enerjisinin ise günün tamamında veya kapalı havalarda yeterli miktarda verimli olarak kullanılamaması gibi durumlar ortaya çıkmaktadır. Bu olumsuz durumları ortadan kaldırmak veya en azından daha fazla verim elde etmek amacıyla bu sistemlerin birlikte kullanıldığı hibrit uygulamalar geliştirilmeye başlanmıştır [5, 7]. Bu alanda yapılan diğer çalışmalara göre bu çalışmada, yazılan mikrodenetleyici programı yardımıyla, enerji kaynaklarındaki veya çıkışa bağlanan yükteki değişimlere karşı sistemin giriş ve çıkış akım ve gerilimleri kontrol edilerek çıkış geriliminin sabit tutulduğu bir benzetim yapılmıştır. Benzetimde güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı bir hibrit uygulama için iki adet paralel çalışabilen yükselten dönüştürücü kullanılmıştır. In this study, a microcontroller based parallel-connected DC/DC boost converter simulation has been achieved for a hybrid implementation used solar and wind energies IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
2. Dönüştürücü Çeşitleri ve Yapıları Güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi günün değişik zamanlarında farklı gerilim değerleri vermektedir. Rüzgâr türbininden elde edilen elektrik enerjisi de rüzgâr hızına göre değişim göstermektedir. Oluşturulacak sistemin, yükün türüne bağlı olarak sürekli sabit çıkış gerilimi vermesi istenir. Bunu sağlamak için güneş paneli ve rüzgâr türbininden elde edilen gerilimlerin sabit tutulması amacıyla birer dönüştürücü bağlanmaktadır. Sistemde kullanılacak olan dönüştürücünün yapısını, güneş panellerinden ve rüzgâr türbininden elde edilen giriş gerilimi ( i) ile dönüştürücünün çıkış gerilimi ( o) arasındaki fark belirlemektedir [7]. DA/DA dönüştürücüler, DA gerilimi bir düzeyden diğerine dönüştürmek için bir ya da daha fazla anahtar kullanır. erilen bir giriş gerilim değeri için bir DA/DA dönüştürücüde çıkış gerilimi, anahtarların iletimde ve kesimde olduğu sürelerin denetlenmesiyle ayarlanır. Darbe genişlik modülasyonu (PWM, Pulse Width Modulation) anahtarlaması denilen bu yöntemde anahtar çalışma oranı (D) değiştirilir. D çalışma oranı, anahtarın iletimde olduğu sürenin anahtarlama periyoduna oranıdır. Burada anahtarlama periyodu, çıkış geriliminin kalitesini belirler [8]. Genel olarak azaltan, yükselten ve azaltan-yükselten olmak üzere üç tip dönüştürücü kullanılmaktadır. Şekil 1 de azaltan dönüştürücünün yapısı verilmiştir [8]. Bu tür dönüştürücüler çıkış geriliminin, sistemin girişindeki rüzgâr türbini veya güneş panelinden elde edilen gerilime eşit veya daha az olduğu durumlarda kullanılırlar. Devredeki S anahtarlama elemanı yüksek frekansta anahtarlanarak sistemin güç akışı sağlanır [8]. kaynaktan gelen enerji, hem de bobinde depo edilen enerji gider. Burada devrenin sürekli durumda bulunduğu ve çıkış filtresindeki paralel kondansatörün çıkış gerilimini sabit tutacak şekilde çok büyük olduğu kabul edilmektedir [8]. Şekil 2. Yükselten dönüştürücünün yapısı Yükselten dönüştürücülerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eşitlik 2 de verilmiştir. o i 1 = 1 D Şekil 3 te azaltan-yükselten dönüştürücünün yapısı verilmiştir. Dönüştürücüde, S anahtarı kapalı olduğu zaman bobin gerilimi giriş gerilimine eşit ( L= i) olmaktadır. Anahtar açık durumda iken bobin gerilimi çıkış gerilimine eşit ( L= o) olmaktadır [8]. (2) Şekil 3. Azaltan-yükselten dönüştürücünün yapısı Azaltan-yükselten dönüştürücülerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eşitlik 3 te verilmiştir. Şekil 1. Azaltan dönüştürücünün yapısı Azaltan dönüştürücülerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eşitlik 1 de verilmiştir. o i t = on = D (1) T Şekil 2 de yükselten dönüştürücünün yapısı görülmektedir. Devrede S anahtarı kapalı olduğu zaman akım bobin üzerinden geçmektedir. Bu durumda bobin gerilimi giriş gerilimine eşit ( L= i) olmaktadır. S anahtarının açık olduğu zaman ise, bobin üzerindeki gerilim giriş ve çıkış gerilimlerinin farkına ( L= i- o) eşit olmaktadır. S anahtarı iletime geçince diyot ters kutuplanır ve çıkış devresini girişten ayırır, bu esnada girişten bobine enerji uygulanır. Anahtar kesime gidince devrenin çıkışına hem o i D = (3) 1 D Yapılacak sistemlerde güneş panellerinden ve rüzgâr türbininden elde edilen elektrik enerjisinin, sistemin çıkışında istenilen gerilim değerinden az veya çok olması durumuna göre belirlenecek dönüştürücü çeşidi değişlik göstermektedir. Bu çalışmada; güneş ve rüzgâr enerjisinden elektrik üreten sistemlerdeki gerilimlerin düşük olduğu ve çıkıştaki elde edilecek gerilimin yükseltilmesi gerektiği durumlara örnek olması açısından yükselten dönüştürücü kullanılmıştır. 3. Benzetimi Gerçekleştirilen ve Paralel Çalışan Yükselten Dönüştürücü Tasarımı Rüzgâr ve güneşten elde edilen elektrik enerjisinin düşük olduğu durumlarda ortak DA baradaki gerilimi girişe göre
yükseltmek amacıyla, DA/DA yükselten tip dönüştürücü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tip dönüştürücülerin verimli bir şekilde çalıştırılması, devrede bulunan reaktif elemanların uygun konfigürasyonuna ve uygun anahtarlama metotlarına bağlıdır [8]. Uygun anahtarlamayı sağlamak amacıyla bu çalışmada anahtarlama sinyalleri PIC18F452 mikrodenetleyicinin PWM kanalları tarafından üretilerek anahtarlama elemanlarına uygulanmaktadır. gerilimleri okunarak mikrodenetleyiciye geri besleme olarak uygulanır. Buradan gelen geri besleme bilgisi ile önceden belirlenmiş olan referans gerilim bilgisi karşılaştırılarak, çıkış geriliminin istenen değerde olup olmadığı belirlenir. Eğer çıkış gerilimi istenen değerde değilse anahtarlama sinyallerinin iletim/kesim süreleri değiştirilerek istenen değere sabitlenmesi sağlanır. G Rüzgar Türbini Güneş Paneli Yükselten Dönüştürücü 1 PIC18F452 Mikrodenetleyici Yükselten Dönüştürücü 2 ÇIKIŞ Bu kontroller sürekli yapılarak, güneş ışığının azalması veya artması ve rüzgâr hızında meydana gelebilecek değişiklikler nedeniyle dönüştürücü girişlerinde oluşabilecek gerilim artışları veya azalmalarına karşı, çıkış gerilimleri sabit bir değerde tutulmaya çalışılır. Hibrit olarak kullanılacak rüzgâr türbini ve güneş panelinin güçleri 2000W olarak kabul edilmiştir. Bu nedenle kullanılan yükselten dönüştürücü devresindeki elemanlar 2000W çıkış gücünü karşılayacak şekilde seçilmiştir. Bobin ve kondansatör değerleri, çıkış geriliminde maksimum 0,1 gerilim dalgacığı oluşacak şekilde seçilmiştir. Şekil 4. Tasarlanan hibrit uygulamanın blok şeması Tasarlanan hibrit uygulamanın blok şeması Şekil 4 te verilmiştir. Bu sistemde rüzgâr türbininin üretmiş olduğu 3~ AA gerilim öncelikle doğrultularak dönüştürücü girişine uygulanmıştır. Güneş panelinden elde edilen DA gerilim de direkt olarak diğer dönüştürücünün girişine uygulanmıştır. Dönüştürücülerin giriş akımları ve giriş gerilimleri, akım ve gerilim okuma sensörleri ile okunarak mikrodenetleyiciye gönderilmektedir. Mikrodenetleyiciye yüklenen programda bu değerler işlenerek bir referans çıkış gerilimi belirlenir ve gerekli olan anahtarlama sinyalleri üretilir. Üretilen bu anahtarlama sinyalleri yükselten dönüştürücülerin anahtarlama elemanlarına uygulanır ve çıkışta yükseltilmiş bir gerilim elde edilir. Dönüştürücülerin çıkışında bulunan akım ve gerilim okuma sensörleri ile çıkış akımları ve çıkış Şekil 5 te giriş gerilimleri 110 ve 120 olan iki yükseltici dönüştürücünün paralel bağlı olarak çalışmasının Proteus benzetim programında hazırlanmış devre benzetimi görülmektedir. Benzetim programında; birinci dönüştürücünün giriş gerilimi G1, çıkış gerilimi C1, çıkış akımı I1, anahtarlama sinyali PWM1 ve ikinci dönüştürücünün giriş gerilimi G2, çıkış gerilimi C2, çıkış akımı I2, anahtarlama sinyali PWM2 olarak tanımlanmıştır. Referans gerilimi ise; iki dönüştürücünün giriş gerilimleri karşılaştırılıp, giriş gerilimi küçük olan dönüştürücü göz önüne alınarak onun giriş geriliminin iki katı olarak belirlenmektedir. Giriş gerilimleri arasında iki kattan daha fazla fark varsa mikrodenetleyici sistemin çalışmasını engelleyerek ekrana hata mesajı göndermektedir. Referans gerilimini belirlemek için, giriş gerilimi 110 olan dönüştürücü göz önüne alınmış ve 110 x 2 = 220 referans gerilim olarak belirlenmiştir. Şekil 5. Proteus benzetim programı ile hazırlanmış örnek bir benzetim devresi
Her iki dönüştürücü de çıkış gerilimini 220 a sabitlemiştir. Çıkışı bu değerde sabit tutan anahtarlama sinyallerinin iletim/kesim zamanı oranları ve çıkış akımları da program menüsünden seçilerek LCD ekranda görüntülenebilir. Sistemin çalışmasını sağlamak amacıyla yazılmış olan programın akış diyagramı Şekil 6 da görülmektedir. Akış diyagramında görüldüğü gibi program çalışmaya başladığında LCD ekranında hangi değerlerin görüntülenmesi gerektiği bilgisini istemektedir. Bu değerlerden birisi seçilmeden mikrodenetleyici dönüştürücülere anahtarlama sinyali ve sistemin çıkışına gerilim vermeyecektir. Akım, gerilim veya PWM seçeneklerinden birisi seçildiğinde, program x değişkenine bir değer atamaktadır. Daha sonra dönüştürücülerin giriş gerilimleri okunarak bir referans gerilim değeri belirlenmektedir. Çıkış gerilimlerini bu referans gerilim değerine eşitlemek için dönüştürücülere uygulanacak olan anahtarlama sinyallerinin PWM oranları ayarlanmaktadır. Sonra dönüştürücülerin çıkışlarında yükseltilmiş olan gerilim değerleri ile akım değerleri okunmaktadır. Programın başlangıcında belirlenmiş olan x değişkeninin değerine göre, LCD ekranında akım, gerilim ya da PWM oranlarının bilgisi görüntülenmektedir. Diğer bilgilerin görüntülenmek istenip istenmediğinin sorgulanmasının ardından, sistemi durdurma butonuna basılıp basılmadığı kontrol edilir. Başla Değişkenleri Tanımla Akım Değerlerini Gösterme Butonuna Akım LCD'de Hangi Değerler Görüntülenecek? PWM x=0 Gerilim x=0 x=2 x=1 Gerilim Değerlerini Gösterme Butonuna x=1 Giriş Gerilimlerini Oku Referans Gerilimi Belirle PWM Değerlerini Gösterme Butonuna x=2 PWM Oranlarını Ayarla Çıkış Gerilimlerini Oku Çıkış Akımlarını Oku Durdurma Butonuna 0 x=? 2 Dur 1 Akım Değerlerini LCD'de Göster Gerilim Değerlerini LCD'de Göster PWM Değerlerini LCD'de Göster Çıkış Gerilimleri Referans Değere Eşit mi? Şekil 6. Paralel çalışan dönüştürücüler için yazılan programın akış diyagramı
Son olarak dönüştürücülerin çıkış gerilimlerinin, belirlenen referans gerilim değerine eşit olup olmadığı kontrol edilir ve eşit değilse anahtarlama sinyallerinin PWM oranlarını yeniden ayarlanarak çıkış gerilimleri kontrol edilecektir. Çıkış gerilimlerinin referans gerilim değerine eşit olması halinde ise giriş gerilimleri okunarak bir değişim olması durumunda yeni referans değer belirlenecektir. Daha sonra çıkış gerilimleri bu yeni referans değerde sabitlenmeye çalışılacaktır. seviyesine çıkarılarak sabit kaldığı grafiklerden görülmektedir. 4. Benzetim Sonuçları Hibrit olarak kullanılan enerji kaynakları için paralel çalışan yükselten dönüştürücü benzetimini yapmak amacıyla Proteus ve OrCad PSpice benzetim programları kullanılmıştır. Tasarlanan sistem için yazılan program Proteus benzetim programında PIC18F452 mikrodenetleyiciye yüklenmiş ve her iki dönüştürücünün çıkış gerilimleri kontrol edilerek aynı seviyede sabit tutulduğu görülmüştür. OrCad PSpice benzetim programında ise dönüştürücülere sabit anahtarlama sinyalleri uygulanarak çıkış gerilimi belirli bir seviyede tutulmuş ve devreye alıcıların bağlanması ve devreden çıkarılması durumlarında çıkış geriliminde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Şekil 7 deki grafikte 120 ve 140 giriş gerilimlerine sahip iki farklı enerji kaynağının DA/DA yükselten dönüştürücü ile gerilimlerinin 200 seviyesine yükseltilerek bir DA baraya paralel bağlanması ve 20ms sonunda baraya bir yük bağlanarak gerilimde meydana getirdiği değişim görülmektedir. Şekil 8. DA Baraya yük bağlandığı anda bara geriliminde meydana gelen değişim 2 5. Sonuç ve Değerlendirme Bu çalışmada, güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı bir hibrit uygulama için mikrodenetleyici kontrollü paralel çalışabilen yükselten dönüştürücü benzetimi yapılmıştır. Benzetim sonucunda paralel çalışan DA/DA yükselten dönüştürücülerin çıkışındaki ortak DA barada oluşan gerilimi sabit tuttukları görülmüştür. Ayrıca çıkışa bağlanan yükteki değişimlere sistemin DA barayı sabit tutma amaçlı olarak anahtarlama sinyallerini değiştirdiği ve sürekli olarak sabit DA gerilimde kaldığı görülmüştür. Sonuçta yapılan benzetim alternatif enerji kaynaklarının paralel olarak çalıştırıldığı bu tip uygulamalara verimli çalışan bir örnek olarak gösterilebilir. Kaynaklar Şekil 7. DA Baraya yük bağlandığı anda bara geriliminde meydana gelen değişim 1 Buradaki sistemde anahtarlama sinyalleri sabit bir PWM değerinde tutulmakta ve yüke aktarılan enerjide düşüş meydana geldiği açıkça görülmektedir. Aynı sistem için, çıkış gerilimi ve yük durumu kontrol edilerek tasarlanan sürücü tarafından üretilen anahtarlama sinyalleri yükselten dönüştürücülere uygulanarak çıkış geriliminin 200 seviyesinde sabit tutulmasının sağlandığı Şekil 8 deki grafikte görülmektedir. Birinci sistemde meydana gelen gerilim düşümünün 12 olduğu yani bara geriliminin 188 a düştüğü görülmektedir. Bu çalışma durumunda paralel dönüştürücüler çıkıştaki gerilim düşümünü algılamış ve anahtarlama oranlarını çıkışı sabit tutabilmek için değiştirmiştir. İkinci sistemde meydana gelen gerilim düşümünün diğer sisteme göre daha az olduğu ve çıkış geriliminin kısa bir süre içerisinde 200 [1] Cerit, B. ve Yılmaz, B., Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Rüzgar Enerjisinin Elektrik Enerjisi Potansiyeli Üzerine Bir Araştırma, III. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Mersin, 2005. [2] Kumbaroglu, G., Madlener, R., Demirel, M., A Real Options Evaluation Model for the Diffusion Prospects of New Renewable Power Generation Technologies, Proceedings of the 6th IAEE European Conference Modelling in Energy Economics and Policy, Zurich, Switzerland, 2-3, September 2004. [3] Sezer, H.R.A. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Türkiye Elektrik Sistemine Teknik ve Ekonomik Etkileri ve AB Uygulamaları, III. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Mersin, 2005. [4] Reddy, J., B. and Reddy, D.N., Probabilistic Performance Assessment of a Roof Top Wind, Solar Photo oltaic Hybrid Energy System, Reliability and Maintainability, 2004 Annual Symposium RAMS, 654-658, 2004. [5] Özdemir, Ş., Fotovoltaik Sistemler için Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını İzleyen Bir Konvertörün Gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007.
[6] Koca, N., Konutlarda Hibrit Enerji Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2006. [7] Demirtaş, M., Sefa, İ., Irmak, E. ve Çolak, İ., Güneş Enerjili Sistemler için Mikrodenetleyici Tabanlı DA/DA Yükselten Dönüştürücü, Gazi Üniversitesi Mühendislik - Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 3, 719-728, 2008. [8] Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P., Power Electronics: Converters, Applications and Design, 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc., England, 1995. Sefa, İ., Demirtaş, M., Çolak, İ. ve Uğur, D.