Kısmi Gölgelenme Etkilerini Modelleyebilen Bir PV Emülatör Tasarımı

Abstract

Güneş ışınımından elektrik enerjisi üretmekte kullanılan güneş (photovoltaic-PV) panellerinin çıkış karakteristikleri ışınım, sıcaklık, gölgelenme ve panel yüzeyinin temizliği gibi pek çok parametreden etkilenmektedir. Bu parametrelerden ışınım, sıcaklık ve gölgelenme çevresel şartlara bağlıdır ve PV paneli içeren sistemlerin testi söz konusu olduğunda aynı çevresel şartların tekrar elde edilmesi mümkün olmamaktadır. PV paneli emülatörleri belirli bir zaman dilimini kapsayan ışınım, sıcaklık ve gölgelenme veri setlerini kullanarak o zaman dilimindeki çevresel şartların oluşturulmasını ve böylece PV paneli sistemindeki testlerin aynı çevresel koşullarda tekrar edilmesini sağlayabilir. Bu çalışmada kısmi gölgelenme etkilerini modelleyebilen bir PV paneli emülatörü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Söz konusu PV emülatörü, her biri yirmi hücreden oluşan ve atlama diyotları ile köprülenmiş hücre gruplarını temsil eden üç düşüren DC/DC dönüştürücüye, 250 W çıkış gücüne ve 32−bit mikro-denetleyici kontrol kartına sahiptir. Tasarlanan PV emülatörü iki farklı ışınım ve modül sıcaklığı senaryosuyla test edilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar, MATLAB/Simulink ortamında alınan simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Son olarak istatistiki analizlerle deneysel ve simülasyon sonuçlarının oldukça yüksek oranda örtüştükleri saptanmıştır. Performansı oldukça yüksek çıkan emülatör sayesinde herhangi bir saha, çatı ve cepheye kurulabilecek PV sistemlerinin tekno-ekonomik fizibilite analizi rahatlıkla yapılabilecektir.

Keywords

• PV emülatörü
• PV paneli
• Kısmi gölgelenme
• ARM mikro-denetleyici
• Yapay sinir ağları

A PV Emulator Design That Can Model Partial Shading Effects

Abstract

The output characteristics of the photovoltaic (PV) panels used to generate electricity from solar radiation are influenced by many parameters such as radiation, temperature, shading, and cleaning of the panel surface. Radiation, temperature, and shading, which are among these parameters, depending on environmental conditions. When testing systems with PV panels, it is not possible to repeat the same environmental conditions. PV panel emulators use the radiation, temperature, and shading data sets that cover a given period to create environmental conditions in that period. This allows the tests in the PV panel system to be repeated under the same environmental conditions. In this study, a PV emulator design which can model partial shading effects is realized. The PV emulator has three DC / DC buck converters -each representing three groups of PV cells that are consisting of twenty cells and bridged by bypass diodes-, 250 W output power, and a 32−bit microcontroller control card. The designed PV emulator was tested with two different radiation and module temperature scenarios. The experimental results were compared with the simulation results obtained in MATLAB/Simulink environment. Finally, it was determined that the experimental and simulation results overlapped with statistical analysis. Thanks to the highly-performing emulator, the techno-economic feasibility analysis of PV systems that can be installed on any field, roof and facade can be done easily.

Keywords

• PV emulator
• PV panel
• Partial shading
• ARM microcontroller
• Artificial neural network

References

1. Agrawal J H, Aware M V, 2012. Photovoltaic System Emulator. IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems, 16-19 Aralık 2012, Bangaluru.
2. Arseven B, Çınar, S M, 2017. Kısmi Gölgelenme Etkilerini Modelleyebilen Bir Güneş Paneli Emülatörü Tasarımı. International Advanced Researches and Engineering Congress, 16-18 Kasım 2017, Osmaniye.
3. Arseven B, 2019. Kısmi Gölgelenme Etkilerini Modelleyebilen Bir PV Emülatör Tasarımı, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
4. Atoche A C, Castillo J V, Ortegon-Aguilar J, Carrasco-Alvarez R, Gio J S, Colli-Menchi A, 2015. A High-Accuracy Photovoltaic Emulator System Using ARM Processors. Solar Energy, 120: 389-398.
5. Ayop R, Tan C W, 2017. A Comprehensive Review on Photovoltaic Emulator. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 80: 430-452.
6. Ayop R, Tan C W, 2019. Rapid Prototyping of Photovoltaic Emulator Using Buck Converter Based on Fast Convergence Resistance Feedback Method. IEEE Transaction on Power Electronics, 34: 8715-8723.
7. Carralero L O L, Silva G S B S, Costa F F, Tahim A P N, 2019. PV Emulator Based on a Four-Switch Buck-Boost DC-DC Converter. 2019 IEEE 15th Brazilian Power Electronics Conference, 1-4 Aralık 2019, Santos.
8. Chavarria J, Biel D, Guinjoan F, Poveda A, Masana F, Alarcon E, 2014. Low Cost Photovoltaic Array Emulator Design for the Test of PV Grid-Connected Inverters. 11th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices, 11-14 Şubat 2014, Barselona.

9. Cordeiro A, Foito D, Fernão Pires V, 2015. A PV Panel Simulator Based on a Two Quadrant DC/DC Power Converter with a Sliding Mode Controller. International Conference on Renewable Energy Research and Applications, 22-25 Kasım 2015, Palermo.
10. Ebrahim F A, Ahmed S M W, Elmasry S E, Mohammed O A, 2015. Implementation of a PV Emulator Using Programmable DC Power Supply. SoutheastCon 2015, 9-12 Nisan 2015, Fort Lauderdale.
11. Gomez-Castaneda F, Tornez-Xavier G M, Flores-Nava N M, Arellano-Cardenas O, Moreno-Cadenas J O, 2014. Photovoltaic Panel Emulator in FPGA Technology Using ANFIS Approach. 11th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control, 29 Eylül-3 Ekim 2014, Campeche.
12. Koran A, Sano K, Rae-Young K, Jih-Sheng L, 2010. Design of a Photovoltaic Simulator with a Novel Reference Signal Generator and Two-Stage LC Output Filter. IEEE Transactions on Power Electronics, 25: 1331-1338.
13. Lu D D C, Nguyen Q N, 2012. A Photovoltaic Panel Emulator Using a Buck-Boost DC/DC Converter and a Low Cost Micro-Controller. Solar Energy, 86: 1477-1484.
14. Midtgard O M, 2007. A Simple Photovoltaic Simulator for Testing of Power Electronics. 12th European Conference on Power Electronics and Applications, 2-5 Eylül 2007, Aalborg.
15. Moussa I, Bouallegue A, Khedher A, 2017. New MPPT Algorithm Modeling for Photovoltaic Emulator Designed in FPGA. 2017 International Conference on Green Energy Conversion Systems, 23-25 Mart 2017, Hammamet.
16. Ottieri C, Ojiako K, Alarefi S M S, 2020. Simulink Simulation of a Current Mode Control DC-DC Based PV Emulator: Sustainable Application of Power Electronics in Solar PV Education. 2020 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 24-26 Haziran 2020, Sorrento.
17. Piazza M C D, Pucci M, Ragusa A, Vitale G, 2010. Analytic versus Neural Real-Time Simulation of a Photovoltaic Generator Based on a DC-DC Converter. IEEE Transactions on Industry Applications, 46: 2501-2510.
18. Piazza M C D, Vitale G, 2012. Photovoltaic Sources: Modelling and Emulation. Springer-Verlag, Londra-İngiltere.
19. Yarıkkaya S, Çınar S M, 2015. Bir Güneş Paneli Emülatörü Tasarımı. Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, 10-12 Eylül 2015, Denizli.