CUK DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN TASARIMI, DİNAMİK ANALİZİ VEDENETİMİ

YILMAZ M., TOP M., ÇORAPSIZ M. F.

HOCA AHMET YESEVİ 2. ULUSLARARASIBİLİMSEL ARAŞTIRMALAR KONGRESİ, Erzurum, Türkiye, 6 - 08 Aralık 2019, ss.384-394, (Tam Metin Bildiri)

  • Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
  • Basıldığı Şehir: Erzurum
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.384-394
  • Atatürk Üniversitesi Adresli: Evet

Özet

Günümüzde artan enerji ihtiyacını karşılamak üzere yenilenebilir enerji kaynakları kullanılmaktadır.  Güneş enerjisi, hidroelektrik enerji, jeotermal enerji ve rüzgâr enerjisi yoğun olarak kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarındandır. Fosil yakıtların tükenmesi ve çevreye verdikleri zararlardan dolayı gelecek nesillerin enerji talebini karşılamak amacıyla çevre dostu yenilenebilir enerji kaynakları kullanılmaktadır. Ülkemizin güneş enerjisi potansiyelinin fazla olması bu alandaki yatırımları her geçen gün artırmaktadır. 2018 yılı verilerine bakıldığında Türkiye’nin toplam enerji ihtiyacının %2,6’lık kısmının güneş enerjisi santrallerinden karşılandığı görülmektedir. Güneş enerjisi fotovoltaik (PV) hücreler tarafından elektrik enerjisine çevrilir. PV hücrelerin birleşmesiyle PV paneller oluşur. PV panellerin çıkış gerilimleri genellikle ayarsız doğru akım (DA) gerilimdir. Bu yüzden bu ayarsız gerilimin ayarlı gerilime dönüştürülmesi gerekmektedir.

Enerji sistemlerinde istenilen gerilim değerleri DA gerilim üreten güç kaynakları tarafından her zaman karşılanmayabilir. Bu yüzden arzu edilen gerilim seviyelerini karşılayabilmek için DA-DA dönüştürücüler tasarlanır. Bu dönüştürücüler arasında yaygın olarak kullanılan topolojilerden birisi de hem düşürücü hem de yükseltici özelliği olan, düşük çıkış dalgalanma voltajına sahip alçaltıcı ve yükseltici dönüştürücülerin birleştirilmesiyle oluşan CUK dönüştürücülerdir. Bu dönüştürücülerin diğer dönüştürücülerden farkı enerji transferi için kondansatör kullanmasıdır.

Bu amaçla çalışmada PV sistemlerde çıkış geriliminin arzu edilen seviyede ayarlı DA gerilime dönüştürmek için bir CUK dönüştürücü devresi tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında öncelikle CUK dönüştürücünün dinamik modeli anahtarlama elemanının iletim ve kesim durumuna göre oluşturulmuştur. Tasarlanan bu CUK dönüştürücü devresine oransal-integral (PI) denetleyici uygulanmıştır. PI denetleyici tasarlanırken mümkün olabilen en asgari süre ve en az yüzde aşım dikkate alınmıştır. Tasarlanan bu denetleyici yapısı ile CUK dönüştürücü çıkış gerilimi kontrol edilmeye çalışılmıştır. Simülasyon çalışmalarında CUK dönüştürücü çıkış geriliminin 0.06 saniyede istenilen referans değeri takip ettiği gözlemlenmiştir. Simülasyonlar MATLAB/SIMULINK programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 

Renewable energy sources are used to meet the increasing energy demand nowadays. Solar energy, hydroelectric energy, geothermal energy and wind energy are among the extensively used renewable energy sources. Due to the depletion of fossil fuels and environmental damage that fossil fuels cause, environmentally friendly renewable energy sources are used to meet the energy demand of future generations. Investments in the solar energy field in Turkey increases day by day thanks to the high potential of solar energy in the country. 2.6% portion of the Turkey's total energy needs are met by solar power plants as seen in the 2018 year energy consumption data. Solar energy is converted into electrical energy by photovoltaic (PV) cells. PV panels are formed by merging PV cells. The output voltages of PV panels are usually non-adjustable direct current (DC) voltage. So this non-adjustable voltage must be converted to the adjustable output voltage.

The desired voltage values in energy systems may not always be met by the DC voltage generating power supplies. Therefore, DC-DC converters are designed to meet the desired voltage levels. One of the most commonly used topologies among these converters is the Cuk converters, which are formed by combining buck and boost converters with low output ripple voltage, which are both buck and boost. The difference of these converters from other converters is that they use capacitors for energy transfer.

For this purpose, a CUK converter circuit has been designed to convert the output voltage to the adjustable DC voltage at the desired level in PV systems. In the scope of this study, the dynamic model of the CUK converter is formed according to the transmission and cutting condition of the switching element at the first hand. Proportional-Integral (PI) controller structure is applied to the designed CUK converter circuit. When designing the PI controller, the minimum settling time and the minimum percentage exceeding are considered. With this designed controller structure, CUK converter output voltage is tried to be controlled. In the simulation studies, it was observed that the CUK converter output voltage follows the desired reference voltage in 0.06 sec. Simulations were performed using MATLAB / SIMULINK program.