Güneş Paneli/Süperkapasitör Enerji Sistemlerinde Yük Üzerindeki Gerilimin Bulanık Mantık ile Kontrolü

Transkript

1

2 Güneş Paneli/Süperkapasitör Enerji Sistemlerinde Yük Üzerindeki Gerilimin Bulanık Mantık ile Kontrolü Onur Ö. Mengi 1 ve İsmail H. Altaş 2 1 Mühendislik Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü Giresun Üniversitesi, Giresun onurmengi@yahoo.com 2 Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon ihaltas@ktu.edu.tr Özetçe Yenilenebilir enerji kaynaklarında elde edile gerilimin genliği ve frekansı, ortam koşullarının sürekli olarak değişmesi nedeniyle değişir. Bu durum yük tarafında dalgalanmalara, harmoniklere ve arızalara neden olur. Bu nedenle yük üzerindeki gerilimi sabit tutmak önemlidir. Fotovoltaik (FV) güneş enerji sistemlerinde sıcaklık ve güneş radyasyon seviyesinin sürekli değişimi yük geriliminin değişken olmasına neden olur. Bu durumu ortadan kaldırmak için yük gerilimini sabitleyecek kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bildiride FV Güneş Paneli/SüperKapasitör (FVGP/SK) karma enerji üretim sisteminden elde edilen enerji ile beslenen yüklerin gerilim değerlerini sabit tutmak için tasarlanan Bulanık Mantık Denetleyici (BMD) ayrıntılı bir şekilde anlatılmakta ve elde edilen sonuçların PI denetleyiciye olan üstünlükleri grafiksel olarak gösterilmektedir. BMD sistemi alt blokları ile birlikte MATLAB/Simulink ortamında tasarlanmış ve etkinliği gösterilmiştir. 1. Giriş Son zamanlarda güneş enerjisi ile yapılan çalışmalar tüm dünyada hız kazanmıştır. Artan enerji ihtiyacı ve buna paralel olarak çevre ile ilgili kaygılar nedeniyle petrol ve nükleer gibi enerji üretim kaynaklarından güneş enerjisi gibi çevreci kaynaklara doğru bir değişim görülmektedir. Artık FVGP ve farklı enerji depolama sistemleri üzerinde daha fazla durulmakta ve bu kaynakları ve cihazları geliştirmeye daha fazla bütçe ayrılmaktadır [1]. Güneş enerjisi yaygın olarak kullanılan bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Güneşten gelen fotonların ışığa duyarlı malzemeden kopardığı elektronlar ile elektrik enerjisi elde edilmektedir. Elde edilen bu enerjinin gerilim ve frekans değerlerinin ayarlanması gerekmektedir. Bu aşamada güç elektroniği düzenekleri ve denetleyiciler devreye girer. Güç elektroniği çeviricileri vasıtasıyla elde edilen enerji önce doğru gerilime sonra da tekrar alternatif gerilime çevrilebilir ya da kıyılabilir. Uygun denetleyiciler kullanmak vasıtasıyla da gerilimi ve frekansı istenen düzeye ayarlanabilir [2]. Şekil 1 de önerilen sistemin yapısı görülmektedir. Burada FV güneş panellerinden ve süperkapasitörden elde edilen gerilim bir ön filtreden geçirilmekte daha sonra kontrollü bir IGBT li evirici vasıtasıyla alternatif gerilime dönüştürülmektedir. Bu işlem sırasında gerilimin genliği ve frekansı denetleyici ile ayarlanmaktadır. Evirici çıkışında yeni bir filtreden geçirilen gerilim ile yükler beslenmektedir. Burada denetleyici olarak BMD kullanılmakta ve gerilimin etkin değeri 380V değerine ayarlanırken frekansı da 50 Hz de sabit tutulmaktadır. Kullanılan süperkapasitör ani ortam değişimleri (güneşin önüne bulut gelmesi yada hava sıcaklığının değişmesi gibi) sonucu yüklerin enerjisiz kalmasını engellemek için devreye girerek yükleri beslemektedir. Sistemde aydınlatma ve ısıtıcı tipi yükleri modelleyen omik bir yük ve motor tipi yükleri modelleyen bir RL yükü de kullanılmıştır. GÜNEŞ PANELLERİ SÜPER KAPASİTÖR LC FİLTRE DA-AA Şekil 1: Sistemin ana yapısı. Ortam sıcaklığı ve güneş radyasyon seviyesi sistemde sürekli olarak değiştirilmiştir. Farklı çalışma koşullarında sistemin tepkisi ayrıntılı olarak incelenmiştir. 2. Sistem Bileşenleri 2.1. Güneş Pili Eşdeğer Devresi LC FİLTRE KONTROLÖR YÜKLER ÖLÇÜM FV güneş pilinin yaygın eşdeğer devre modeli Şekil 2 de verilen ve bir akım kaynağı ile temsil edilen modeldir. Bu modelde günışığı ile gelen fotonların etkisi ile üretilen elektrik akımı bir akım kaynağı tarafından temsil edilmektedir. Üretilen bu fotoakımın bir kısmı, Şekil 2 de gösterildiği gibi, tıpkı bir diyotun P-N birleşme noktasına sahip FV pilde diyot ters doyma akımı I D olarak ayrılmaktadır. Şekil 2 de verilen eşdeğer devredeki Rs direnci P-N birleşme noktasındaki ısıl kayıpları temsil etmektedir. 1262

3 IFV ID D RS IPİL VPİL değerlerinin hesaplanması için alt sistemler oluşturulmuştur. FV güneş pili ile ilgili gerekli çizimler yine bu bölümde yapılmaktadır. FV güneş piline ait akım ve gerilim değerleri sürekli olarak görülebilmektedir. Bu sistem Şekil 3 de verilmektedir. Şekil 2: FV güneş pilinin eşdeğer devresi. Şekil 2 de gösterilen devrenin çıkış gerilimini ifade eden denklem: V A k T I ln I I R I pil ph 0 pil pil S pil e I0 (1) Burada; Ipil: FV pilin çıkış akımı (A), Vpil :FV pilin çıkış gerilimi (V), Iph :Işık seviyesi ve P-N birleşim noktası, sıcaklığının fonksiyonu, Fotoakım (5A), I 0 : diyot ters doyma akımı (0.0002A), R S : Eşdeğer devrenin seri direnci (0.0001), e: Elektron yükü ( x10-19 C), k:boltzmann sabiti ( x10-23 J/ o K), Tpil :Referens çalışma sıcaklığı (25 o C), A: Eğri uydurma faktörü (100). Denklem (1) de verilen FV güneş pili çıkış gerilimi bazı sabit değerlerin yanı sıra pil çalışma sıcaklığı (T pil ), günışığı tarafından belirlenen fotoakım (I FV ), ve yük tarafından belirlenen pil akımına (I pil ) bağlıdır. Bu üç değişkenden pil akımı rahatlıkla ölçülebilir. Fakat çalışma sıcaklığı ve günışığı seviyesinin ölçümü modele ek bir yük getirmektedir. Denklem (1) de verilen A katsayısı bir eğri uydurma faktörü olup bu denklemden elde edilecek olan I-V karakteristiğinin deneysel olarak elde edilen gerçek I-V karakteristiğine uyumunu sağlamak için kullanılmaktadır. Denklem (1) ile verilen ifade bir tek FV pilin çıkış gerilimini temsil etmektedir. Bu modeli FV panel modeline dönüştürmek için pil gerilimi seri bağlı pil sayısıyla, pil akımının da paralel bağlı kol sayısı ile çarpılması gerekir. Güneş panelinin bulunduğu ortamın sıcaklığı ve güneş radyasyonu seviyesi değişince, paneldeki FV pillerin çalışma sıcaklığı T pil de değişerek yeni bir fotoakımı ve yeni bir çıkış gerilimi oluşturur. FV pillerin çalışma sıcaklığı, güneş radyasyonu seviyesi ve ortamın sıcaklığına bağlı olarak değişir. Değişken ortam sıcaklığı T X pilin çıkış gerilimi ve fotoakımını etkiler. Sıcaklık akımı katsayısı C TI, sıcaklık gerilimi katsayısı C TV, ışık akımı katsayısı C SI, ve ışık gerilimi katsayısı C SV kullanılarak modele dahil edilmiştir. Şekil 3: FV Güneş pilinin Simulink modeli. Değişen sıcaklık ve günışığı şiddeti değerlerine bağlı olarak güneş pilinin akım ve gerilim değerleri değiştiği için bu etkinin sisteme dahil edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle Şekil 3 de görülen Tx ve Sx bloklarına simülasyon sırasında farklı zamanlarda etkin hale gelen basamak fonksiyonları konulmuştur. Bu değerler rasgele değişen veriler de olabilir. C TV, C TI, C SV ve C SI katsayıları Şekil 4-7 deki gibi modellenmiştir [5]. Şekil 4: C TV değerinin hesaplanması. Şekil 5: C TI değerinin hesaplanması. VXpil CTV CSV Vpil ve IXph CTI CSI Iph (2) Burada, V Xpil, ve I Xph değişen sıcaklık ve günışığı etkilerini içeren FV pil çıkış gerilim ve foto akımıdır. (2) ifadesindeki V pil ve I ph ise referans alınan pil çalışma sıcaklığı ve günışığı (güneş radyasyonu) seviyelerindeki pil çıkış gerilimi ve fotoakımının değerleridir. Kısa devre sırasında diyotun I 0 ters doyma akımı, I FV fotoakımına kıyasla çok küçüktür ve ihmal edilebilir [3,4] FVGP MAtlab/Simulink Modeli Fotovoltaik güneş pili Denklem (1) temel alınarak Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Burada sıcaklık ve güneş radyasyon seviyesi sisteme dahil edilmiştir. Sıcaklık değerlerinin Kelvin e çevrilmesi, C TV, C TI, C SV, ve C SI Şekil 6: C SV değerinin hesaplanması. Şekil 7: C SI değerinin hesaplanması. 1263

4 2.3. Süperkapasitör Ultrakapasitör veya süperkapasitör olarak adlandırılan enerji depolama ve filtre işlemleri için kullanılabilen elemanlardır. Yüksek güç deşarjı gerektiren uygulamalarda kullanılırlar. Yüksek güç yoğunlukları nedeniyle yüzlerce amper akım verebilme kapasitesine sahiptirler. Kısa süreli ani güç ihtiyacını karşılayabildikleri için kullanımları hızla yaygınlaşmaktadır. Bunu kimyasal bir reaksiyon olmadan gerçekleştirirler. Bakımsız ve uzun ömürlü olmaları da bu elemanların diğer özelliklerindendir [6]. Şekil 8 de süperkapasitörün içyapısı görülmektedir. L1 R1 R2 R3 Şekil 8: Süperkapasitörün eşdeğer devre modeli. Süperkapasitörün şarj durumunu ifade eden denklem: SOC 1 V V (V / 2) (3) rated ile gösterilmektedir. Burada V süperkapasitör uç gerilimidir [7]. rated R4 C1 C2 C3 C4 Genellikle BMD nin giriş değişkenleri kontrol hatası (e) ve bu hatanın bir örnekleme süresindeki değişimi (de) şeklindedir. Bu değişkenlere göre BMD nin kural tabanı ünitesinde bir kural tablosu oluşturulur. Bu tablo için bir örnek, Tablo 1 de gösterilmiştir [8]. Bu tablo, PI denetleyicili benzetimde hata ve hatanın değişim grafikleri çizdirip elde edilen sonuçlara göre uygun kuralların atanması ile belirlenmektedir BMD nin Matlab/Simulink Modeli BMD de temel elemanlar üyelik fonksiyonlarıdır. Bu üyelik fonksiyonları üçgen, yamuk, sinüsoid, v.b. olabilir. BMD nin giriş ve çıkış uzaylarındaki bulanık üyelik fonksiyonlarının tanımlanmasında Şekil 10 da görülen üçgen üyelik fonksiyonu kullanılmıştır. Üçgen üyelik fonksiyonundan elde edilen bulanık değerler ise denklem (4) kullanılarak hesaplanmaktadır. Üçgen üyelik fonksiyonunun Simulink modeli ise Şekil 11 de görülmektedir. Yapılan benzetim 5 kurallıdır. ma( x) 1 0 x1 q x xt Şekil 10: Üçgen biçimli üyelik fonksiyonu. x2 x 2.4. Bulanık Mantık Denetleyici Bulanık mantığın endüstride pek çok uygulama alanı bulunmaktadır. Bulanık mantık denetleyicinin genel akış diyagramı Şekil 9 da görülmektedir. x x1 x2 x 1 maü(x) max min,,0 xt x1 x2 x T (4) Hata Hatadaki Değişim Bulanıklaştırıcı Bulanık Mantık Denetleyici Kural Tabanı Durulaştırıcı Çıkış İşareti Şekil 9: BMD nin temel yapısı. Şekil 9 da görüldüğü gibi sistem 3 parçadan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla, bulanıklaştırıcı, kural tabanı ve durulaştırıcıdır. BMD nin ilk elemanı olan bulanıklaştırıcı kendisine uygulanan kesin girişleri bulanık değerlere çevirir. Bu bulanık değerler kural tabanı ünitesine gönderilerek burada bulanık kurallarla işlenir ve elde edilen bulanık sonuç durulaştırma ünitesine gönderilir. Bu kısımda ise bulanık sonuçlar kesin sayıya dönüştürülür. Şekil 11: Üçgen üyelik fonksiyonunun modeli. BMD nin bulanıklaştırma işleminin simulink modeli Şekil 12 de gösterilmiştir. Tablo 1: Benzetimde kullanılan kural tablosu. de e NB NK S PK PB NB NB NB NK NK S NK NB NK NK S PK S NK NK S PK PK PK NK S PK PK PB PB S PK PK PB PB Şekil 12: Bulanıklaştırma işleminin simulink modeli. 1264

5 Giriş uzayından gelen üyelik değerlerinin minimumları alınarak her kural için gerekli ağırlık katsayıları belirlenir. Gerekli ağırlık katsayıları bulanıklaştırma ünitesinde belirlendikten sonra bu değerler çarpılmak üzere kuralların işlendiği kısma gönderilir. Bu yapı Şekil 13 de görülmektedir. üretilmektedir. Şekil 15: Simülasyonu yapılan sistem. Şekil 13: Kuralların işlendiği kısım. (a) Durulaştırma ünitesi ise Şekil 14 de görüldüğü gibidir. Durulaştırma ünitesinde alanların merkezi yöntemi kullanılarak kesin değerler elde edilir. Bu kesin değerler denetleyicinin çıkışıdır [3,9]. (b) Şekil 16: (a) Denetleme işlemi (b) Simulink modeli. Şekil 14: Durulaştırma işleminin simulink modeli. 3. Simülasyonu Yapılan Sistem Simülasyonu yapılan sistem Şekil 15 de görülmektedir. Burada sistem: toplam gücü 100kW olan güneş panelleri, ön filtre, evirici, çıkış filtresi, 25kW lık omik yük, 10kW/10kVAr lık RL yükü ve kontrolörden oluşmaktadır. Ortam değişimlerini de içeren bu simülasyonda sistem bu değişimlerden etkilenmeden yük üzerindeki gerilimi 380V değerinde sabit tutulmaktadır. Şekil 16a ve 16b de sistemin kontrol diyagramı ve simulink modeli görülmektedir. Burada elde edilen 3 fazlı gerilim d-q eksen takımına dönüştürüldükten sonra elde edilen V d ve V q değerleri ayrı ayrı kontrol edilmektedir. Kontrolör olarak PI yada BMD kullanılmaktadır. Daha sonra kontrolör çıkışında tekrar dönüşüm yapılarak elde edilen gerilim ile darbe genişlik modülasyonu için referans işaret Darbe genişlik modülasyonunda üretilen darbeler ile evirici istenen gerilim düzeyinde çıkış verecek şekilde ayarlanmaktadır. Bu bölümde ayrıca faz kilitlemeli çevrim yardımıyla frekans değeri 50 Hz de sabit tutulmaktadır. Sistemde yük üzerindeki gerilimin dalga şeklini düzeltmek için yüklere paralel bağlı bir filtre bulunmaktadır. Bu sayede yük geriliminin dalga şeklide düzeltilmeye çalışılmıştır. Bu esnada toplam harmonik bozulması da ölçülmüştür. Ortam koşullarındaki değişiklikler sistemin çalışmasını etkilemektedir. Bu nedenle ortam sıcaklığı ve güneş radyasyon seviyesi değiştirilerek farklı ortam koşulları oluşturulmaya çalışılmıştır. Bu değişimler Şekil 17a ve 17b de görülmektedir. (a) 1265

6 zaman V aralığında az miktarda bir salınım bulunmaktadır. (b) Şekil 17: FV güneş panellerinin çalıştığı ortam koşulları. (a) Sıcaklık değişimi. (b) Güneş ışık seviyesi değişimi. Kullanılan PI denetleyicinin katsayıları daha önceki çalışmalarımızdan elde ettiğimiz tecrübelerin ışığında seçilmiş ve benzetim sonuçları dikkate alınarak küçük değişiklikler ile son değerleri bulunmuştur. K p =0,4 ve K i =500 olarak alınmıştır. BMD ise; hata ve hatanın değişimi ile çıkış -1 ile +1 aralığında bir değişime sahiptir. Bu değerler hatada 400 ile, hatanın değişiminde ise 0,5 ile çarpılarak ölçeklendirilmektedir. Bu değerler; PI denetleyicide hata ve hatanın değişim grafikleri çizdirilip limit değerleri referans alınarak ve bu değerlerden elde edilen sonuçların ışığında yapılan benzetimler ile tekrar düzeltilerek son haline getirilmiştir. BMD çıkış uzayında herhangi bir ölçekleme işlemi yapılmamaktadır. 4. Sonuçlar Şekil 18 de PI türü denetleyici kullanılarak yapılan kontrolden elde edilen sonuçlar görülmektedir. Burada PI denetleyicinin yük gerilimi olan 380V değerine oturmadığı görülmektedir V aralığında sürekli bir değişim söz konusudur ve ortalama 390V bir gerilim yükler üzerindedir. t=0,1-0,15sn aralığında ve t=0,2-0,25sn aralıklarında ortam koşullarındaki değişimler nedeniyle güneş panellerinin ürettikleri enerji azaldığı için yedek güç olarak kullanılan süperkapasitör devreye girerek yüklere enerji sağlamaktadır. Şekil 19: BMD li yük geriliminin değişimi. Şekil 20 de yük üzerindeki gerilimin değişimi görülmektedir. Burada temiz bir sinüs eğrisi yükler üzerinde bulunmaktadır. Şekil 20: BMD li benzetimde yük gerilimin değişiminin ayrıntısı. Şekil 21 de ise BMD li benzetimde Toplam Harmonik Bozulması (THD) değişimi görülmektedir. Şekil 18: PI denetleyici ile yük geriliminin değişimi. Şekil 19 da ise BMD den elde edilen sonuç görülmektedir. Burada yük üzerindeki gerilim zamanın t=0,025sn noktasında 380V değerine oturmaktadır. Zaman Şekil 21: BMD li benzetimde THD değişimi Şekil 22 de ise üreteçlerden çekilen güç değişimi görülmektedir. 1266

7 Şekil 22: BMD FV güneş panellerinden ve süperkapasitörden çekilen güç değişimi. 5. Değerlendirme Yük üzerindeki gerilimin dalga şeklinin hem PI hemde BMD de sinüse çok yakın olduğu görülmektedir. Sistem ortam değişimlerden etkilenmeden yük üzerindeki gerilimi 380V değerinde sabit tutmaktadır. PI denetleyicide Şekil 18 de görüldüğü gibi dalgalanma Şekil 19 da BMD ye göre daha fazladır. BMD li sistemde yük gerilimi daha düzgündür. BMD oldukça hızlı çalışarak t=0,025sn anında 380V değerine oturmaktadır. BMD hem oturma zamanı hem de maksimum aşma kriterleri göz önüne alındığında PI denetleyiciye göre çok daha iyi bir performans göstermiştir. Ortam şartlarının sürekli değişimi denetleyicileri aşırı miktarda zorlamaktadır. Günlük hayatta bu kadar hızlı bir değişim söz konusu değildir. Değişimler daha uzun zamana yayıldığında denetleyicilerin çok daha iyi çalıştığı gözlenmiştir. Sistemi daha fazla zorlamak için sadece omik yük değil, yanında RL yükü de kullanılmıştır. Bu durum sistemde harmoniklere yol açmaktadır. Fakat BMD nin etkin çalışması sonucunda harmonikler oldukça azaltılmıştır. Mevcut filtreler de bu sonuca olumlu etkide bulunmaktadır. Şekil 20 ve 21 de BMD li sistemde yük üzerindeki gerilimin ayrıntısını incelediğimizde son derece temiz bir sinüs eğrisi olduğu görülmektedir. THD incelendiğinde yükler üzerinde oldukça kaliteli bir enerji bulunduğu sonucunu göstermektedir. [5] O. Ö. Mengi ve İ. H. Altaş, "Fotovoltaik Güneş Pilleri için Genel Amaçlı Bir Matlab/Simulink GUI Modeli", Genç Araştırmacılar Ulusal Mühendislik ve Eğitim Sempozyumu, Kocaeli Üni., s: , [6] H. Babazadeh, W. Gao, J. Lin ve L. Cheng, Sizing of Battery and Supercapasitor in a Hybrid Energy Storage System for Wind Turbines, Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2012, p:1-7. [7] B. Kocaman, Akıllı Şebekeler ve Mikro Şebekelerde Enerji Depolama Teknolojileri, Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesinin Geleceği Sempozyumu, Ankara, Nisan [8] R.E. Bellman ve L.A. Zadeh, Decision Making in a Fuzzy Environment Management Sci, Cilt:17, s: , [9] O. Ö. Mengi ve İ. H. Altaş, "Rüzgar Enerji Sistemlerinde Gerilim Genliği Denetiminin Bulanık Mantıkla Gerçeklenmesi", Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı (TOK 2008), s: , İstanbul, Kasım Kaynakça [1] S. Krauter, Solar Electric Power Generation, Springer, Needherlands, [2] A. Abete, R. Napoli ve F.A. Spertino, Simulation Procedure to Predict the Monthly Energy Supplied by Grid Connected PV Systems, Photovoltaic Energy Conversion, 2003, Proceedings of 3rd World Conference on, Vol:3, s: , May 2003, [3] İ.H. Altaş ve A.M. Sharaf, A Novel Photovoltaic On- Line Search Algorithim For Maximum Energy Utilization, International Conference on Communication, Computer and Power (ICCCP'07), Oman,19-21 February [4] I. H. Altas ave A. M. Sharaf, A Generalized Direct Approach for Designing Fuzzy Logic Controllers in Matlab/Simulink GUI Environment, International Journal of Information Technology and Intelligent Computing, Int. J. IT&IC No.4, Vol:1,