Ftvltaik nerji Sistemleri için Maksimum Güç Nktası Takip Algritmalarının Karşılaştırılması * 1 Serhat DUMAN, 2 İsmail. ALTAŞ, 3 Nuran YÖRÜKRN, 3 Bra ALBOYACI * 1 Teknlji Fakültesi, lektrik-lektrnik Mühendisliği Bölümü, Düzce Üniversitesi, Türkiye 2 Mühendislik Fakültesi, lektrik-lektrnik Mühendisliği Bölümü, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Türkiye 3 Mühendislik Fakültesi, lektrik Mühendisliği Bölümü, Kcaeli Üniversitesi, Türkiye Özet Günümüzde, temiz enerji kaynakları ya da yenilenebilir enerji kaynaklarından ftvltaik sistemlerin (FV) kullanımı giderek artmaktadır. Bu çalışmada bir diytlu FV pilin matematiksel mdeli kullanılarak benzetim mdeli ve bu mdelin seri-paralel bağlanması ile FV panel mdeli luşturulmuştur. FV panelin farklı çevresel kşullar altında benzetim çalışmaları Matlab/Simulink rtamında yapılmıştır. Değişen çevresel kşullar altında FV panellerin maksimum güç nktasında çalıştırılmaları gerekmektedir. FV panelin maksimum güç nktasını belirlemek için maksimum güç nktası takip (MGNT) algritmalarından değiştir-gözetle, artan iletkenlik algritmalarının karşılaştırılması, benzetim çalışmaları ve uygulaması yapılmıştır. lde edilen benzetim ve uygulama snuçlarına göre algritmaların MGN leri takip etmedeki başarıları incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Yenilebilir enerji kaynakları, ftvltaik enerji sistemleri, maksimum güç nktası takip algritmaları Abstract Nwadays, phtvltaic (PV) systems frm the clean energy surces r renewable energy surces are being increasingly implemented. In this study, simulatin mdel is frmed by using mathematical mdel with ne dide f the PV cell and mdel f the PV panel is frmed series-parallel cnnected t the mdel. The simulatin studies f the PV panel under different envirnmental cnditins have been perfrmed in Matlab/Simulink sftware. PV panels are t be perated in maximum pwer pint under changing envirnmental cnditins. The cmparisn, simulatin studies and applicatin f the perturb and bserve, the incremental inductance algrithms frm the maximum pwer pint tracking (MPPT) have been perfrmed t determine maximum pwer pint f the PV panel. Accrding t btained simulatin and applicatin results, the maximum pwer pints tracking f the algrithms have been investigated. Key wrds: Renewable energy surces, phtvltaic energy systems, maximum pwer pint tracking algrithms 1. Giriş Günümüzde teknlji ve sanayideki hızlı gelişmeler, dünya nüfusunun giderek büyümesi, tplumun ihtiyaçlarının gün geçtikçe değişmesi ile birlikte dünyadaki enerji talebi giderek artmaktadır. Şu anki enerji talebinin büyük bir bölümü petrl, dğal gaz ve kömür gibi fsil yakıtlı geleneksel enerji üretim yöntemleri ile karşılanmaktadır. Fsil yakıtlara ait mevcut *Crrespnding authr: Address: Faculty f Technlgy, Department f lectrical and lectrnics ngineering Duzce University, Duzce TURKY. -mail address: serhatduman@duzce.edu.tr, Phne: +9385421133 Fax: +95421134
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1632 rezervlerin bir gün tükeneceğinin düşünülmesi, bunların hava kirliliği, küresel ısınma, zn tabakasının incelmesi gibi endişe edilebilecek byutlarda dğal çevreye ve insan yaşamına zarar verecek duruma gelmesi, alternatif enerji kaynaklarının bulunmasına yönelik çalışmaların yapılmasına önemli katkılar sağlamıştır. Bu durumlar göz önünde bulundurulduğunda yenilenebilir enerji kaynaklarının artan kullanımı ile ftvltaik (FV) enerji sistemleri enerji üretiminde önemli bir yere gelmiştir [1-3]. Ancak ilk kurulum maliyetleri yüksek lan FV sistemler değişen çevresel kşullara bağımlı larak üretebilecekleri maksimum güç değerlerinde çalıştırılmaları gerekmektedir [4]. Bundan dlayı FV sistemlerin maksimum güç nktasında tutulabilmesi için ürettiği akım, gerilim bilgisi, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık gibi çevresel şartlara bağımlı larak kullanılan algritmalar dğrudan ve dlaylı arama yöntemleri larak belirtilmektedir [5]. Değiştir-gözetle, artan iletkenlik, tepe tırmanma algritmaları larak bilenen mettlar ilk grup; bulanık mantığa, yapay sinir ağlarına (YSA) ve sezgisel algritmalara yönelik kullanılan mettlar ikinci grup maksimum güç nktası takip (MGNT) algritmaları larak belirtilmiştir [6]. Setedj ve ark. güneş enerjisi sistemlerinin mdellenmesini Matlab/Simulink paket prgramı kullanarak yapmışlardır. Mdellenen sistemin farklı çevresel kşullar altında değiştir-gözetle algritması kullanarak benzetim çalışmalarını gerçekleştirip, MGNT etrafında luşan salınımların ve görev periydunun değişimini algritmada kullanılan adım değişim değerinin etkilediğini belirtmişleridir [7]. Liu ve ark. parçacık sürü ptimizasyn algritmasını FV sistemlerin parçalı gölgeli durumlarında luşan yerel maksimum güç nktalarına takılmadan maksimum güç nktasını bulmak için kullanmışlardır. Amaçlanan ptimizasyn algritmasına dayalı MGNT algritmasının maksimum güç nktasını bulmada diğer arama mettlarına göre daha etkili lduğu, bu algritmanın istenilen çözüm nktasına kısa zaman içinde yakınsadığı ve uygulamasının klay lduğu yazarlar tarafından belirtilmiştir [8]. Mradi ve Reisi FV sistemler için maksimum güç nktasının belirlenmesinde hibrit bir yaklaşım önermişlerdir. Bu yaklaşım Matlab/Simulink paket prgramı kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmış ve labratuvar rtamında da deneysel çalışmaları yapılarak elde edilen snuçlara göre maksimum güç nktasını aramada etkili ve iyi perfrmans gösterdiği belirtilmiştir [9]. Chin ve ark. güneş panelini Matlab/Simulink paket prgramında mdellemiş ve analiz çalışmaları yapmışlardır. Panelin çıkış gücü bulanık mantığa dayalı MGNT algritması ve değiştir gözetle algritması kullanılarak araştırılmıştır. Yapılan benzetim çalışmalarına göre bulanık mantığa dayalı algritmanın MGNT yi bulmada daha etkili lduğunu belirtmişlerdir [1]. Bu çalışmada FV enerji sisteminin mdellenmesi, çevresel kşullara bağımlı larak değişen MGNT sini belirlemede değiştir-gözetle ve artan iletkenlik algritmalarının benzetim çalışmaları yapılmış ve bu algritmaların labratuvar rtamında uygulaması yapılarak elde edilen snuçların benzetim snuçlarına uygunluğu gösterilmiştir. 2. Ftvltaik Sistemlerin Mdellenmesi FV sistemlerinde kullanılan FV piller belirlenen yüzey alanı içerisine seri ya da paralel bağlanarak luşturulan FV panelin üreteceği akım ve gerilim değerlerinin artması sağlanmaktadır. Bu çalışmada Şekil 1 de elektriksel devre yapısı gösterilen bir diytlu FV pilin
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1633 mdellemesi yapılmaktadır [11]. I R s I c I ph D V c Şekil 1. Bir diyt güneş pili elektriksel devre mdeli Şekil 1 de gösterilen bir diyt FV pil mdeline ait matematiksel eşitlikler aşağıdaki gibi ifade edilmektedir [11]. V C nktc I ln q ph I I I C R S I C q VC RS IC nktc I 1 C I ph I e (2) (3) ph I f V, G, T C x Cx (1) Burada n FV pilinde kullanılan malzemeye göre değişen idealite faktörü, I ph ftn akımı, k bltzman sabiti (1.38 1-23 J/ K), q elektrn yükü (1.62 1-19 C), R s FV pilin seri direnci, I c FV pilin çıkış akımı, V c FV pilin çıkış gerilimi, I diytun ters dyum akımı, larak ifade edilir. Denklem (3) göre ftn akımı güneş ışınım şiddeti, sıcaklık değeri ve çıkış geriliminin bir fnksiynu larak belirtilmektedir. Başla V(k) ve I(k) değerlerini ku P(k)=V(k)xI(k) ΔP(k)=P(k)-P(k-1) ΔV(k)=V(k)-V(k-1) ΔP(k)= ΔP(k)> ΔV(k)> ΔV(k)> Vref=Vref-C Vref=Vref+C Vref=Vref+C Vref=Vref-C Vref(k-1)=Vref(k) Şekil 2. Değiştir-gözetle algritması akış diyagramı Değiştir-gözetle algritması uygulanabilirliği açısından basit bir yapıya sahip lduğu için daha çk kullanılan mett larak belirtilmektedir. Şekil 2 de bu algritmaya ait akış diyagramı gösterilmektedir [12]. Bu algritma, FV sistemin çıkış gücünün gözlenmesine ve sistemin gerilim
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1634 veya akım değerinin bir snraki değişiminin hesaplanması prensibine dayanmakta lup algritma MGNT ye ulaşıncaya kadar referans akım veya gerilim değerini sürekli larak arttırıp-azaltır. Böylece algritma sürekli larak maksimum güç nktasını arama işlemi yaptığı için maksimum güç nktasında sabitlenemez. Bu durum algritmanın maksimum güç nktası etrafında salınım yapmasına neden lmaktadır [12,13]. Başla V(k) ve I(k) değerlerini ku ΔI(k)=I(k)-I(k-1) ΔV(k)=V(k)-V(k-1) ΔV(k)> ΔI(k)= Ik Ik 1 V k V k 1 Ik V k ΔI(k)> Ik Ik 1 VkV k 1 Ik Vk Vref=Vref-C Vref=Vref+C Vref=Vref+C Vref=Vref-C Vref(k-1)=Vref(k) Şekil 3. Artan iletkenlik algritması akış diyagramı Artan iletkenlik metduna göre, FV sistemin çıkış gücünün değişiminin çıkış geriliminin değişiminin ranının sıfır lduğu yer maksimum güç nktası (MGN) lduğunu, pzitif lduğu yeri MGN nin slu, negatif lduğu yeri MGN nin sağı larak belirlemesi temeline dayanmaktadır [14,15]. Artan iletkenlik metduna ait akış diyagramı Şekil 4 de gösterilmektedir [12]. Bu metdun değiştir-gözetle algritmasına göre avantajı hızlı değişen çevresel kşullara uyum sağlaması larak belirtilirken her iki algritmada da MGN yi ararken üretecekleri referans sinyalin değişimi sabit bir değişken vasıtası ile yapılmaktadır. 3. Benzetim Snuçları FV sistemlerin ürettikleri güçler güneş ışınım şiddeti ve sıcaklık gibi çevresel şartların değişimi ile farklılıklar göstermektedir. Şekil 4 te değişen ışınım şiddetinde FV sistemden elde edile akımgerilim (I-V) ve güç-gerilim (P-V) eğrileri görülmektedir. ğrilerden de açıkça görüldüğü gibi değişen güneş ışınım şiddetinde FV sistemin üreteceği güç değeri ve MGN leri de değişmektedir. Şekil 5 de ise değişen sıcaklık değerlerine göre FV sistemin I-V ve P-V karakteristik eğrileri gösterilmektedir. Farklı sıcaklık değerleri için FV sistemin MGN lerindeki değişim Şekil 5 de açıkça görülmektedir.
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1635 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 7 6 5 4 3 2 1 T-25 C T-32 C T-39 C T-46 C T-53 C Akim-Gerilim grisi (I-V) (a) Akim-Gerilim grisi (I-V) (a) (b) Şekil 4. Farklı ışınım değerleri için FV sistem eğrileri Şekil 5. Farklı sıcaklık değerleri için FV sistem eğrileri FV sistem DC-DC dönüştürücü kullanılarak bir yükün gücünü karşılaması, değişen çevresel kşullara göre MGNT algritmaları ile sistemin maksimum güç nktasında çalıştırılması amaçlanmıştır. + D1 G-1W/m 2 G-75W/m 2 G-5W/m 2 G-25W/m 2 G-1W/m 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 25 2 15 1 L 5 G-1W/m 2 G-75W/m 2 G-5W/m 2 G-25W/m 2 G-1W/m 2 T-25 C T-32 C T-39 C T-46 C T-53 C Guc-Gerilim grisi (P-V) D2 Guc-Gerilim grisi (P-V) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 (b) Cf C1 Yük - Anahtarlama Sinyali FV Panel VFV IFV IFV VFV MGNT Algritmaları - + Vref VFV Görev Periydu PI Kntrlör + - Anahtarlama Sinyali Şekil 6. Benzetim mdeli Amaçlanan sistemin devre şeması Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 7(a) da benzetim çalışmasının, (b) de değiştir-gözetle algritmasının, (c) de is artan iletkenlik algritmasının Matlab/Simulink mdeli gösterilmiştir. Tabl 1 de benzetim mdelindeki devre elemanlarının değerleri verilmiştir.
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1636 Benzetim mdelinde kullanılan FV panel, uygulamada kullanılan FV panelin parametreleri kullanılarak mdellenmiştir. FV panelden 1 adet seri ve 6 adet paralel bağlanarak FV sistem luşturulmuştur. Şekil 8-1 da sabit 6 W/m 2 ışınım şiddeti altında elde edilen benzetim çalışması snuçları gösterilmektedir. Şekil 8 de sabit ışınım şiddetinde ve algritmaların adım değişim katsayısı 2.5 larak yapılan benzetim çalışmalarında elde edilen snuçların karşılaştırılması görülmektedir. (a) (b) (c) Şekil 7. (a) Benzetim mdelinin, (b) Değiştir-gözetle algritması, (c) Artan iletkenlik algritmasının Matlab/Simulink mdelleri Şekil 8 ve 9 da elde edilen benzetim snuçlarına göre artan iletkenlik algritmasının V ref değerinin maksimum güç nktasındaki çalışma gerilimine ulaşması bir arama adımı önce lduğu ve maksimum güç nktasındaki salınımların değiştir-gözetle algritmasına göre daha az lduğu açıkça görülmektedir. Şekil 1 da değiştir-gözetle ve artan iletkenlik algritmalarından elde
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1637 edilen hata sinyali ve anahtarlama sinyalinin üretileceği görev periydundaki değişim gösterilmektedir. D&G Algritması Artan İletkenlik Algritması 4 4 Vref (V) 38 Vref (V) 38 D&G Algritması Artan İletkenlik Algritması 4 35 D&G Algritması 2 4 35 Artan İletkenlik Algritması 2 15 15 D&G Algritması 7 65 6 Artan İletkenlik Algritması 7 65 6 Şekil 8. 6 W/m 2 ışınımda MGNT algritmalarının karşılaştırılması Tabl 1. Benzetim mdelinin değerleri Parametre Değer Parametre Değer Seri hücre sayısı (N s ) 72 C f 1µF Açık devre gerilimi V c 45.74V L 1m Kısa devre akımı I sc 5.69A C 2 1 µf Nminal gerilimi (V mpp ) 37.56V R 3Ω Nminal akımı (I mpp ) 5.46 A K p.1 Nminal güç (P max ) 25W K i 7
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1638 38 D&G Algritması 38 Artan İletkenlik Algritması Vref (V) 375 37 Vref (V) 375 37 365.5.55.6.65.7.75.8 D&G Algritması 38 365.5.55.6.65.7.75.8 Artan İletkenlik Algritması 38 375 37 375 37 365.5.55.6.65.7.75.8 D&G Algritması 2 365.5.55.6.65.7.75.8 Artan İletkenlik Algritması 2 19 19 18.5.55.6.65.7.75.8 D&G Algritması 722 18.5.55.6.65.7.75.8 Artan İletkenlik Algritması 722 72 718.5.55.6.65.7.75.8 72 718.5.55.6.65.7.75.8 Şekil 9. 6 W/m 2 ışınımda MGNT algritmalarının karşılaştırılmasının yakınlaştırılmış hali.5 D&G Algritması.5 Artan İletkenlik Algritması.4.4 Görev Periydu.3.2 Görev Periydu.3.2.1.1 15 D&G Algritması 15 Artan İletkenlik Algritması 1 1 ata Değişimi 5 ata Değişimi 5-5 -5 Şekil 1. 6 W/m 2 ışınımda MGNT algritmalarının hata değişimi ve görev periydu sinyali
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1639 4. Uygulama Snuçları MGNT algritmalarının labratuvar rtamında uygulaması gerçekleştirilmiştir. Uygulamada kullanılan güneş panelleri LCS marka lup, DC-DC dönüştürücü ve kntrlör parametreleri Tabl 2 de verilmiştir. Uygulamada örnekleme frekansı ve anahtarlama frekansı 1kz larak seçilmiş lup algritmanın yazılımı C prgramlama dili ile Cde Cmpser Studi (CCS) v5 de gerçekleştirilmiştir. TMS32F28335 sayısal işaret işleyicisi (DSP) kullanılarak uygulama snuçları elde edilmiştir. Şekil 11 (a) da kurulumu gerçekleştirilmiş LCS marka FV paneller, ışınım ve sıcaklık sensörü, Şekil 11(b) de ise labratuvar rtamında hazırlanmış deneysel düzenek, Şekil 12 de ise uygulama snuçları gösterilmektedir. (a) (b) Şekil 11. (a) (FV sistem (a) Sıcaklık ve nem sensörü, (b) Işınım sensörü, (c) FV paneller), (b) Uygulama devresi (a) (b) (c) (d) (e) (f) Şekil 12. (a) Anahtarlama sinyali, (b) Uygulama snuçları, (c) Artan iletkenlik alg. gerilimi, (d) Artan iletkenlik alg. akımı (e) Değiştir-gözetle alg. gerilimi, (f) Değiştir-gözetle alg. akımı
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 164 5. Snuçlar Tabl 2. Uygulama devresinin parametre değerleri Parametre Değer Parametre Değer Seri hücre sayısı (Ns) 72 Yük -5Ω/-5W Açık devre vltajı V c 45.74V IRG4P4KD IGBT 12V/15A Kısa devre akımı I sc 5.69A 15T6FPPBF-Diyt 6V, 15A Maksimum güç gerilimi (V mpp ) 37.56V LA 55P Akım Sensörü ±5A Nminal akımı (I mpp ) 5.46A LV 25P Gerilim Sensörü 1-5V Maksimum güç (P max ) 25W K p (Değiştir-gözetle alg.) 1.1 C f 1µF K i (Değiştir-gözetle alg.) 15 L 1m K p (Artan iletkenlik alg.).7 C 2 1 µf K i (Artan iletkenlik alg.) 12 Bu çalışmada yenilenebilir veya temiz enerji kaynaklarından FV enerji sistemlerinin mdellenmesi, bu sistemler için MGN yi bulmada kullanılan değiştir-gözetle, artan iletkenlik algritmalarının benzetimi ve uygulaması yapılmıştır. lde edilen benzetim snuçlarına göre artan-iletkenlik algritması MGN yi bulmadaki başarısı ve MGN de luşturduğu salınımların değiştir-gözetle algritmasından elde edilen snuçlardan daha iyi lduğu Şekil 9 dan açıkça görülmektedir. Labratuvar rtamında luşturulan deneysel düzenek yardımı ile her iki algritmanın eş zamanlı larak uygulaması yapılmıştır. Uygulama snuçları incelendiğinde artan iletkenlik algritmasına ait gerilim ve akım snuçlarındaki salınımların daha az lduğu ve her iki algritmanın uygulama snuçlarının benzetim çalışmalarından elde edilen snuçlara uygunluğu gösterilmiştir. Teşekkür Bu çalışma Kcaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Prjeleri Krdinasynu Birimi tarafından desteklenen 213/11 numaralı prje kapsamında yapılmıştır. 6. Kaynaklar [1] Villa LFL, TP, Crebier JC, Raisn B, A pwer electrnics equalizer applicatin fr partially shaded phtvltaic mdules. I Transactins n Industrial lectrnics, 213; 6/3, 1179-119. [2] Gmes de Brit MA, Galtt L, Sampai LP, Mel GA, Canesin CA, valuatin f the main MPPT techniques fr phtvltaic applicatins. I Transactins n Industrial lectrnics, 213; 6/3, 1156-1167. [3] Sundareswaran K, Peddapati S, Palani S, MPPT f PV systems under partial shaded cnditins thrugh a clny f flashing fireflies. I Transactins n nergy Cnversin, Digital Object Identifier 1.119/TC.214.2298237, 214. [4] Ishaque K, Salam Z, Shamsudin A, Amjad M, A direct cntrl based maximum pwer pint tracking methd fr phtvltaic system under partial shading cnditins using particle swarm ptimizatin algrithm. Applied nergy, 212; 99, 414-422.
S. DUMAN et al./ ISITS214 Karabuk - TURKY 1641 [5] Salas F, Olías, Barrad A, Lázar A, Review f the maximum pwer pint tracking algrithms fr stand-alne phtvltaic systems. Slar nergy Materials & Slar Cells, 26; 9, 1555-1578. [6] Ishaque K, Salam Z, A review f maximum pwer pint tracking techniques f PV system fr unifrm inslatin and partial shading cnditin. Renewable and Sustainable nergy Reviews, 213; 19, 475-488. [7] Setdj A, Lmi A, Nakhda YI, Krismant AU, Mdeling f maximum pwer pint tracking cntrller fr slar pwer system. Telkmnika, 212; 1, 419-43. [8] Liu Y, uang SC, uang JW, Liang WC, A particle swarm ptimizatin-based maximum pwer pint tracking algrithm fr PV systems perating under partially shaded cnditins. I Transactins n nergy Cnversin, 212; 27/4,127-135. [9] Mradi M, Reisi AR, A hybrid maximum pwer pint tracking methd fr phtvltaic systems. Slar nergy, 211;85, 2965-2976. [1] Chin CS, Neelakantan P, Yng P, Te KTK, Fuzzy lgic based MPPT fr phtvltaic mdules influenced by slar irradiatin and cell temperature, 211 UKSim 13th Internatinal Cnference n Mdelling and Simulatin, 211, 376-381. [11] Walker G, valuating MPPT cnverter tplgies using a MATLAB PV mdel. Jurnal f lectrical & lectrnics ngineering, Australia, 21; 21/1, 49-56. [12] Jain S, Agarwal V, Cmparisn f the Perfrmance f Maximum Pwer Pint Tracking Schemes Applied t Single-Stage Grid-Cnnected Phtvltaic Systems. IT lectric Pwer Applicatins, 27;1/5, 753 762. [13] Banu IV, Beniugă R, Istrate M, Cmparative analysis f the perturb-and-bserve and incremental cnductance MPPT methds, The 8 th Internatinal Sympsium n Advanced Tpics in lectrical ngineering, 213. [14] sram T, Chapman PL, Cmparisn f phtvltaic array maximum pwer pint tracking techniques. I Transactins n nergy Cnversin, 27; 22/2, 439-449. [15] ussein K, Mta I, Maximum phtvltaic pwer tracking: an algrithm fr rapidly changing atmspheric cnditins. in I Prc. Generatin, Transmissin, and Distributin, 1995; 59-64.