SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد راهنما) احسان ادیب (استاد مشاور)
STUDENT
Milad Heidari Khouzani
میلاد حیدری خوزانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Analysis and Improvement of High Step-Up Converters for Photovoltaic Applications
: Todays, photovoltaic (PV) systems as popular renewable energy sources have gained numerous applications. In these systems, usually at first a DC-DC converter is needed to increase the low level DC voltage of the PV panel (less than 50V) to the desired high level voltage (200V--400V) suitable for connecting to DC bus voltage. These DC-DC converters are known as high step-up converters and in addition to PV systems, they are needed in fuel cell systems, uninterruptible power supplies and hybrid electric vehicles. The conventional boost converter as the simplest non-isolated step-up converter, must operate at very high duty cycles to provide high conversion ratio which leads to low efficiency due to high conduction and switching losses. In addition, high voltage stress across the converter switch and the output diode is another disadvantage of the boost converter. Hence, it is not suitable for mentioned applications. In addition to limited voltage gain, switching losses and reverse recovery problem of the diodes are another problems in conventional boost converter which limit the converter switching frequency and overall achievable efficiency. In this thesis at first, PV modules and photovoltaic systems are introduced. In chapter II, different techniques for increasing the voltage gain of the converter are discussed. Then a review of various high step-up topologies is presented. In Chapter III , the first proposed converter is introduced. In this chapter, a novel step-up converter with single-switch, single-magnetic core and continuous input current is presented for photovoltaic applications. The proposed converter is obtained by integrating boost and Cuk converters so that only one switch and one magnetic core is utilized to provide a high voltage gain. This topology reduces voltage stress across the converter switch and diodes, and provides higher voltage gain compared with the basic Boost and Cuk converters. Thus, high-quality and low-voltage MOSFET at moderate duty cycles can be used to increase the converter efficiency. In order to provide soft-switching condition for the converter switch, a soft-switching auxiliary circuit as lossless passive snubber is added to the proposed converter in chapter IV. The auxiliary circuit provides soft-switching condition at a wide range of output power. In addition, reverse recovery problem of the output diode is alleviated. In chapter V, an improved Quasi Z-Source (QZS) converter is presented. The proposed converter utilizes a switched capacitor circuit to increase the voltage gain of the converter and decrease the voltage stress of the components. Moreover, soft-switching conditions are provided for the converter switch by using an active auxiliary circuit as zero voltage transition (ZVT) cell. Soft-switching conditions are obtained for the auxiliary switch, too. Hence, very high voltage gain is achieved and the overall efficiency of the converter is increased as well. Furthermore, the reverse recovery problem of all diodes is eliminated. Operating principles of each proposed converter are analyzed and design considerations are provided. In order to validate the theoretical analysis, prototypes of the proposed converters are implemented and the experimental results are exhibited. Key Words: Photovoltaic systems , high step-up converters , soft-switching
: امروزه با توجه به رویکرد و اقبال هر چه بیشتر به سمت انرژیهای تجدیدپذیر، توجه و تمرکز بیشتری بر رشد و توسعه سیستمهای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر، گذاشته شده است. یکی از محبوبترین و در دسترسترین منابع انرژی تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است. در راستای حذف سوختهای فسیلی که آلودگی و تاثیرات مخربی در محیط زیست دارند، تحقیقات و مطالعات زیادی انجام گرفته است تا بتوان منابع پاک انرژی، از جمله انرژی خورشیدی را جایگزین یا رقیبی برای سوختهای فسیلی قرار داد. در حال حاضر به چندین صورت از انرژی خورشیدی استفاده میشود که مهمترین آن سیستمهای فوتوولتائیک میباشد. یکی از پرکاربردترین مبدلها در این سیستم، مبدلهای DC-DC با بهره ولتاژ بالا هستند. مبدلهای با بهره ولتاژ بالا وظیفه دارند ولتاژ کم سلولهای فوتوولتائیک را به سطح ولتاژ مناسب برای کاربردهای مختلف تبدیل کنند. مبدل بوست سادهترین ساختاری است که میتوان توسط آن سطح ولتاژ را افزایش داد. اما استفاده از مبدل بوست در کاربردهای با بهره ولتاژ بالا مشکلات فراوانی را به همراه خواهد داشت. به همین سبب، پژوهشهای گستردهای برای بهبود مشکلات مبدل بوست و ارائهی ساختارهای جدید صورت پذیرفته است. در این پایاننامه، ابتدا به معرفی ماژول فوتوولتائیک و سیستمهای فوتوولتائیک پرداخته شده است. در فصل دوم روشهای ایجاد بهره ولتاژ بالا بیان شده و سپس تعدادی از مبدلهای با بهره ولتاژ بالا بررسی شده است. افزایش بهره ولتاژ بدون به کارگیری ضریب وظیفهی بزرگ برای کلیدها، کاهش استرس ولتاژ کلیدها و دایودها، بهبود مشکل بازیابی معکوس دایودها، کاهش تلفات کلیدزنی و تلفات هدایتی، کاهش ریپل جریان ورودی و ارائهی ساختاری با مدار کنترل ساده از مهمترین اهداف پژوهش در زمینهی مبدلهای DC-DC با بهره ولتاژ بالا در این پایاننامه به شمار میرود. بنابراین در فصل سوم ، مبدل پیشنهادی اول با ورودی 40 ولت ، خروجی 200 ولت و توان 100 وات ارائه شده است. در این مبدل تنها از یک کلید و یک هستهی مغناطیسی استفاده شده است و با وجود استفاده از سلفهای تزویجشده در مبدل ، جریان ورودی پیوسته است که این موضوع در سیستمهای فوتوولتائیک بسیار اهمیت دارد. همچنین استرس ولتاژ کلید و دایود خروجی در مبدل پیشنهادی اول نسبت به ولتاژ خروجی کاهش یافته است. در فصل چهارم ، مبدل پیشنهادی دوم ارائه شده است که در واقع بهبود داده شدهی مبدل اول است. در این مبدل با استفاده از یک مدار اسنابر پسیو بدون تلفات ، شرایط کلیدزنی نرم برای کلید فراهم شده است که موجب میشود تلفات کلیدزنی مبدل کاهش پیدا کرده و بازده آن افزایش یابد. در مبدل پیشنهادی دوم نیز تنها از یک کلید و یک هستهی مغناطیسی استفاده شده است و جریان ورودی ریپل کمی دارد. همچنین به دلیل خاموش شدن دایود خروجی در جریان صفر ، مشکل بازیابی معکوس آن بر طرف شده است. در فصل پنجم ، مبدل پیشنهادی سوم با ورودی 40 ولت ، خروجی 400 ولت و توان 200 وات ارائه شده است که در واقع بهبود داده شدهی مبدل با منبع شبه Z است. در این مبدل از مدار خازن سوئیچشده برای افزایش بهره ولتاژ و کاهش استرس ولتاژ کلید و دایود خروجی استفاده شده است. همچنین با استفاده از یک مدار جانبی فعال ، شرایط کلیدزنی نرم برای مبدل فراهم شده است که این امر باعث کاهش تلفات کلیدزنی و افزایش بازده مبدل میشود. این مبدل بهره ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به مبدلهای پیشنهادی اول و دوم دارد. عملکرد هر کدام از مبدلهای پیشنهادی بررسی شده و تحلیلهای تئوری آنها نیز ارائه گردیده است. ضمن بررسی عملکرد هر کدام از مبدلها، نمونهی آزمایشگاهی هر کدام از آنها ساخته شده و صحت تحلیلها نشان داده شده است. کلمات کلیدی: انرژیهای تجدیدپذیر ، سیستمهای فوتوولتائیک ، مبدلهای DC-DC با بهره ولتاژ بالا ، کلیدزنی نرم