Inverter Teknolojisinin Dünü, Bugünü ve Yarını: Geleceğin Inverterleri neler olacak?

Yusuf Kaan Yıldız | yk.yildiz@gmail.com

Inverter Teknolojisinin Dünü, Bugünü ve Yarını: Geleceğin Inverterleri neler olacak?

Hazırladığım bu raporda, geçmişten bugüne inverter (Türkçe: evirici) evrimini, PV ve batarya tarafında ayrışan ihtiyaçları, yeni nesil topolojiler + yarı iletkenler + kontrol yaklaşımları ve beklenen inavasyonları tek çatı altı topladım.

Özet geç diyenler için;

Inverterin DC Giriş kısmında, son 15 yılda ana eksen: trafosuzlaşma + daha yüksek DC Gerilim (1000 V giriş 3000V’a doğru ilerliyor), multilevel topolojiler (daha sonra açıklayacağım), verim ve güç yoğunluğu artışı. Artık 1500V DC giriş gerilimi yeni standart oldu ve bu durum güç modülü evrimini hızlandırdı.

Batarya tarafında son 5 yılda ana eksen: çift yönlü (bidirectional PCS), şebeke oluşturan (grid-forming) inverter kabiliyetleri, daha gelişmiş koruma olarak karşımıza çıkıyor.

Yeni nesil trend: Orta Gerilim PV (MV-PV) ve 3 kV DC Dizi Giriş Voltajı gibi yaklaşımlarla kablo, trafo ve bakır/alüminyum azaltma ile yatırım maliyetlerinin düşmesi. Kilit, yüksek bloklama sınıfı SiC ve MV uyumlu multilevel topolojiler. Meraklısına; Fraunhofer ISE’nin 3kV DC / 1.2 kV AC inverteri: (https://www.ise.fraunhofer.de/en/research-projects/pv-goes-mv.html?utm_source=chatgpt.com)

1) Inverter neydi, ne oldu?

Klasik PV Inverter, sadece DC’yi AC’ye çeviren dönüştücü kutu iken bugün;

• Şebeke kodlarını karşılayan (reaktif güç, gerilim/frekans desteği, ride through (Şebekede meydana gelen sapıtmada, şebekeden kopmadan çalışmaya devam etme), harmonik sınırları (harmonik kötüdür ve distortion belli bir sınırlarda kalmalıdır, onu da başka bir yazıda açıklayayım)

• Koruma + haberleşme + siber güvenlik boyutu olan

• Batarya ile birleştiğinde şebeke kurabilen ya da şebekeyi şekillendirebilen (grid forming) bir güç elektroniğine dönüştü.

2) Geçmişten Günümüze Inverter Evrimi

1980’ler - 2000’ler: Trafolu, merkezi yaklaşım: Büyük hacimli, 50/60 hz trafolarla galvanik izalasyon [bu doğrudan iletken olmayışı aslında güvenliği artırıyor] ancak oldukça düşük verim ve daha büyük hacim, ağırlık.

(Trafolu Inverter nedir, meraklısı yazının sonuna ilerleyebilir, orada açıkladım)

2000-2015: Trafosuz ve String Mimari: Verim yükselişi ve kompakt yapı, sahada esneklik.. Çok seviyeli topolojiler yaygınlaşarak anahtarlama kayıpları ve harmonikleri iyileştirdi. Özellike yüksek DC gerilim tarafında pratik bir yol oldu.

2015-2025: 1500 V DC mimarinin standart hale gelmesi, modül ve yarı iletken optimasyonu: 1500 V DC artık bir çok şebeke ölçeği PV tasarımlarında standart oldu. Bu da hüç modülü ve topoloji tasarımlarını yeniden şekillendirdi.

1500 V 3-seviyeli topolojiler (NPC türevleri – yazının sonunda bu kavramı açıkladım) merkezi inverterlerde çok yaygın bir yaklaşım olarak öne çıktı.

2026 ve sonrasında 3 kV DC string, orta gerilim AC çıkış ve malzeme minimizasyonuna doğru gidiyoruz. Artık DC giriş voltajı seviyesi ikiye katlanıyor, aynı şekilde AC çıkışlar da yaklaşık 2’ye katlanarak 1,2 kV seviyesinde bir standart haline gelebilir.

3) Batarya Inverteri/ PCS Evrimi

Batarya tarafında inverter/pcs daha çok enerji yönetimi ve şebeke kararlılığı odaklıdır.

- Çift yönlü güç akışı standart hale geldi: Modern PCS mimarileri şarj/deşarjı aynı platformda yönetir. Aktif/Reaktif güç ve hızlı yanıt çok kritiktir.

- Grid Following’den Grid Forming’e geçiş: Şebeke inverterleri grid following yani şebekeden referans alarak şebekenin o anki karakteristiğine göre üretim yapan inverterlerden bugün sistem kararlılığı için grid forming yani şebeke oluşturan bir yapıya dönüştü.

4) Solar + Batarya için Geleceğin Teknolojileri: Önümüzdeki 10 yıl ne olacak?

Yeni nesili belirleyen ana teknololoji blokları:

- Geniş Bant Aralıklı Yarı İletken Teknolojisi: SiC (Silikon Karbür) ve GaN (Galyum Nitrür)

Neden Önemli: Daha yüksek anahtarlama frekansı ile daha düşük kayıplar ve daha yüksek sıcaklıkta çalışma ve güç yoğunluğu getirecek.
SiC (özellikle 3.3 kV ve üzeri sınıf gerilimlerde) çok önemli bir yer tutacak.

GaN: Daha çok düşük gerilim-yüksek frekans alanında güç yoğunluğunu arttırır. Konut/kompakt, hızlı anahtarlama tarafında öne çıkacak, MV ölçeğinde SiC öne çıkması bekleniyor.

- Multilevel Topolojilerin ürünleşmesi

Önce nedir bu multilevel topoloji, ona cevap verelim; bir inverterin çıkışındaki dalga formunu oluşturma yöntemidir. Çok detay bir konu ancak kısaca daha düzgün bir sinüs dalgası, yük gerilimlerde daha düşük strese yarayan bir şey diyelim.

NPC/T – ANPC – MMC gibi topolojilerin ürünleşmesiyle [yine çok detay terimler, kısaca güç elektroniğinin tipleri olarak özetleyelim en azından bu yazı için] daha yüksek gerilimlerde anahtarlama elemanına düşen gerilim stresi azalıp harmoniklerin iyileşmesi ile filtre boyutlarının küçülmesini beklenebilir.

PV tarafında 1,5 kV sınıfında bu 3 seviyeli yaklaşım uzun süredir vurgulanıyor

MV ölçeğine geçişişte multilevel bir temel olarak görülüyor.

- Orta Gerilim PV Mimarisi

DC Gerilimin yükselmesi kablo kesiti ve iletken kullanımı azaltır, trafo ve şaltta adetsel azalmaya neden olur.

- Grid Forming Inverter

Düşük ataletli sistemlerde frekans/gerilim kararlılığını güç elektroniği ile sağlama ihtiyacı büyüyor.

- Hibrit Sistemler: DC-couple ve multiport inverterler

PV + Batarya + EV Şarj + Jenaratör gibi kaynakalrı daha az dönüşüm ile bir araya gelmesi amaçlanır.

- Daha akıllı koruma, izleme ve (Grid code by software)

Neden önemli? Şebeke kodları sıklaşıyor, olay kayıt/teşhis, uzaktan güncelleme, siber güvenlik ürünün bir parçası olacak.

- Katı Hal Trafosu (SST) ve MCDC Ufku

Katı hal trafosu, klasik trafodan farklı olarak tamamen yarı iletken yardımıyla oluşan bir trafo diyebiliriz. MCDC ise çok terminalli DC Şebeke denebilir yani AC yerine DC şebeke. MV Seviyesinde dönüşümü daha kompakt ve akıllı yapmak ancak maliyet, güvenilirlik, standartlar ve koruma açısından yaygınlaşması daha zor gibi gözüküyor. Uzun vadeye ihtiyacı var.

5) Bu teknolojilerden hangisi ilerler, hangisi kuru gürültü kalır?

Önümüzdeki 3 sene içerisinde:

- 1500 V DC mimari devam eder, güvenirlilik en önemli sebep.

- BESS tarafında grid forming kabiliyeti çok daha yaygınlaşıp ürün opsiyonu haline gelir. (Şebeke Regülatörü ve ihaleler de bunu isteyecek)

- MV-PV ( 3kV DC giriş gerilimi gibi) pilot uygulamalar saha tecrübesi biriktirir.

5-10 yıl sonrasında ne olur? :

-MV-PV (yüksek DC gerilim) tarafı baskın hale gelebilir. Özellikle utility-scale projelerde

-Grid Forming sadece BESS’de değil, PV Inverter tarafında da güçlü bir rol oynamaya başlar.

6) Faydalar

CAPEX / OPEX tarafında düşme yaşanabilir çünkü inverterdeki gerilimler yükseldikçe ekipman yoğunluğu azalacaktır.

Verim + güç yoğunluğu artacaktır. SiC/GaN + multilevel ile kayıplar düşecek yüksek sıcaklıkta çalışma artacak.

Şebeke hizmetleri artacak: BESS+grid forming: frekans/gerilim desteği, microgrid ve düşük ataletli sistemlerde kararlık ihtiyaçları artacaktır.
____

Açıklamalar:

1) Trafolu Inverter nedir?

Trafolu inverterler (genellikle "Low Frequency" veya Alçak Frekanslı inverter olarak adlandırılır), modern ve hafif cihazlara göre daha "kaslı" ve dayanıklı bir yapıya sahiptir.

Bugün kullandığımız hafif inverterlerin aksine, bu cihazlar içinde devasa bir bakır sargılı transformatör taşırlar.

Dönüştürme Süreci: Aküden gelen 12V veya 24V DC akım, önce elektronik anahtarlar (eskiden transistörler, sonra MOSFET'ler) aracılığıyla çok hızlı bir şekilde açılıp kapatılarak düşük voltajlı bir AC dalgasına dönüştürülür.

Trafonun Rolü: Oluşan bu 12V veya 24V'luk AC akım, büyük bir demir çekirdekli trafoya girer. Trafo, elektromanyetik indüksiyon prensibiyle bu düşük voltajı doğrudan 220V seviyesine yükseltir.

Bu cihazlar, şebeke frekansı olan 50Hz veya 60Hz değerinde çalışırlar. Transformatör, bu düşük frekanstaki enerjiyi taşımak zorundadır. Fizik kuralları gereği, frekans ne kadar düşükse, o enerjiyi aktarmak için gereken demir çekirdek ve bakır sargı o kadar büyük ve ağır olmalıdır.

Bu yüzden 80'li yıllarda 1000W'lık bir inverter, küçük bir çanta boyutunda ve 15-20 kg ağırlığındayken; günümüzdeki trafosuz (yüksek frekanslı) modeller birkaç kilogramdır.
Günümüzde Durum Ne?

2000'lerin ortalarından itibaren "Yüksek Frekans" (HF) teknolojisi baskın hale geldi. Bu yeni sistemlerde önce DC voltaj çok yüksek frekanslara (20kHz+) çıkarılıyor, böylece devasa trafolar yerine avuç içine sığan minik ferrit çekirdekli trafolar kullanılabiliyor. DC’de nasıl yüksek frekans oluyor demeyin, DC AC dönüşümünde biz aslında AC’ye tam manasıyla çevirmiyoruz, onu taklit ediyoruz. Dolayısıyla yine frekansa ihtiyacımız var.

2) Multilevel Topolojiler nedir?

3-seviyeli (3-Level) topoloji, özellikle 1500V gibi yüksek gerilimlerle çalışırken elektriği "daha nazik" ve "daha verimli" işlemek için geliştirilmiş bir yöntemdir.

Klasik inverterler (2-seviyeli) ile aralarındaki farkı bir merdiven örneğiyle açıklayalım:

2-Seviyeli Inverter: Elinde sadece iki seçenek vardır: +1500V veya -1500V. Çıkış dalgasını oluşturmak için sürekli bu iki uç nokta arasında sert geçişler yapar. Bu, cihazın üzerinde çok büyük bir elektriksel stres yaratır ve çok fazla "harmonik gürültü" üretir.

3-Seviyeli Inverter: Seçeneklerine bir de 0V (Nötr) noktasını ekler. Artık basamaklar şöyledir: +1500V, 0V ve -1500V.

NPC (Neutral Point Clamped) Nedir?

Metinde geçen NPC, "Nötr Noktasına Sabitlenmiş" anlamına gelir. Bu topolojinin kalbinde fazladan diyotlar ve anahtarlar bulunur.

Neden 3-Seviyeli NPC Tercih Ediliyor?

Yarı İletken Koruması: 1500V DC çok yüksek bir gerilimdir. Tek bir transistörün (IGBT) üzerine 1500V bindirmek onu yakabilir. 3-seviyeli yapıda, voltaj ikiye bölünür. Her bir parça sadece 750V ile uğraşır. Bu da daha standart ve güvenilir yarı iletkenlerin kullanılmasına izin verir.

Daha Temiz Dalga (Düşük Harmonik): Basamak sayısı arttığı için çıkıştaki sinüs dalgası gerçek bir sinüse çok daha fazla benzer. Az önce konuştuğumuz o "harmonik kirliliği" doğal olarak azalır.

Küçülen Filtreler: Dalga formu daha temiz olduğu için çıkıştaki o devasa bakır filtre bobinlerine (LCL filtre) daha az ihtiyaç duyulur. Bu da inverterin hem daha verimli hem de daha hafif olmasını sağlar.

Özetle

3-seviyeli NPC topolojisi, 1500V gibi devasa bir gücü doğrudan yönetmek yerine, onu basamaklara bölerek yönetme sanatıdır. Bu sayede cihazlar daha az ısınıyor, daha az arıza yapıyor ve şebekeye çok daha kaliteli (düşük harmonikli) elektrik veriyor.