Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Ardan Hüseyin Eşlik; Enes Yıldız; İbrahim Güneş; Kübra Kaysal; Mehmet Yalvaç; Said Mahmut Çınar

doi:10.28948/ngumuh.1246675

Research Article

Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Year 2023, , 1109 - 1118, 15.10.2023

Ardan Hüseyin Eşlik , Enes Yıldız , İbrahim Güneş , Kübra Kaysal , Mehmet Yalvaç , Said Mahmut Çınar

https://doi.org/10.28948/ngumuh.1246675

Abstract

Fotovoltaik (Photovoltaic – PV) panellerinin çıkış voltajı; ışınım, sıcaklık, gölgelenme gibi farklı birçok faktöre bağlı olarak değişmektedir. Bu gibi faktörlerin çevresel şartlara bağlı olarak değişkenlik göstermesi nedeniyle PV panel testleri esnasında aynı çevresel şartların tekrar oluşturulması pek mümkün değildir. Ancak PV panel emülatörleri, belirli bir zaman dilimi için girdi olarak sunulan çevresel verileri kullanarak o dönemdeki şartları taklit edebilmektedirler. Gerçekleştirilen bu çalışmada, PV paneli üzerinde oluşabilecek kısmi gölgelenme etkilerinin modellenebildiği, model tabanlı bir PV paneli emülatörü oluşturulmuştur. Bu emülatör, toplamda 250W çıkış gücüne sahip olabilecek şekilde 3 adet 20’şer hücrelik ve kendi aralarında atlama diyotları ile bağlanmış durumda olan DC-DC (Direct Current - DC) dönüştürücüye ve 32 bitlik bir mikro-denetleyici kartına sahiptir. Emülatörün yazılımı Matlab Simulink modelleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan PV emülatörü, dört farklı gölgelenme kurgusuyla teste tabi tutulmuştur. Deney sonucunda elde edilen veriler, gerçek PV panel çıktıları ve MATLAB/Simulink ortamında elde edilen simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, tüm gölgelenme durumları için 0.76’nın üzerinde r^2 skoru değeri elde edilmiş, deney ve simülasyon sonuçlarının oldukça yakın olduğunu ortaya konmuştur. Yüksek performansı ile emülatör, herhangi bir alanda, çatıda veya cephede kurulacak PV sistemlerinin teknolojik ve ekonomik fizibilite analizini kolaylaştırır.

Keywords

PV emülatörü, Kısmi gölgelenme, PV paneli, ARM mikro-denetleyici, Gömülü Sistemler

References

A. Akgün ve A. Kırçay, PID ve kayan kipli kontrol kullanarak dc motor besleme amaçlı bir pv sistemin tasarlanması. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 7(2), 71-90, 2022. https://doi.org /10.46578/humder.14 1 916
A.I.M. Ali and H.R.A. Mohamed, Improved p&o mppt algorithm with efficient open-circuit voltage estimation for two-stage grid-integrated pv system under realistic solar radiation. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 137, 107805, 2022. https ://doi.org/10.1016/j.ijepes.2021.107805
A. Boucharef, A. Tahri, F. Tahri, S. Silvestre and M. Bourahla, Solar module emulator based on a low-cost microcontroller. Measurement, 187, 110275, 2022. https://doi.org/10.1016/j.measurem e nt.2021.11025
A. Cordeiro, M. Chaves, P. Gâmboa, F. Barata, P. Fonte, H. Lopes and J. Martins, Combining power electronic converters and automation to simulate solar pv systems. 7th International Conference on Smart and Sustainable Technologies, 2022. https://doi.org/10.239 19/SpliTech55088.2022.9854352
O. Doğmuş, E. Kılıc, Ş. Sami ve M. Güneş, PSO algoritması ile optimize edilmiş pid denetleyicinin fotovoltaik mppt sistemine uyarlanması. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 1-8, 2017. https://doi.org/10. 17780/ksujes.362618
G.A. Kumar, Optimal power point tracking of solar and wind energy in a hybrid wind solar energy system. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 13(1), 77-103, 2022. https://doi.org/10. 1007/s40095-021-00399-9
L. L. Carralero, F. F. Costa, A.P. Tahim, PV emulator based on a four-switch buck-boost dc-dc converter. In 2019 IEEE 15th Brazilian Power Electronics Conference and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference, 1-5, 2019. https://doi.org/10.1109/COB EP/SPEC44138.2019.9065364
A. Kaysal, S. Köroğlu, Y. Oğuz, K. Kaysal, Design and experimental implementation of dc-dc converter based self-tuning fuzzy PI controller. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(1), 483-495, 2023. https://doi.org/ 10.17341/gazim mfd.739775.
I. Moussa, A. Bouallegue, A.Khedher, New mppt algorithm modeling for photovoltaic emulator designed in fpga. 2017 International Conference on Green Energy Conversion Systems, pp. 1-7, Hammamet, 23-25 March 2017. https://doi.org/ 10.1109/GECS.2017 .8066205
M. Teke, A.S.M. Al-Arjeeli ve F. Korkmaz, PV sistemler için mppt kontrol cihazı tasarımı ve karşılaştırılması. International Journal of Engineering Research and Development, 15(1), 1-15, 2023. https:// doi.org/10.29137/umagd.1113630
S. Samal, P.K. Barik, R.K. Soni and S. Nayak, Simulation and experimental investigation of a smart mppt based solar charge controller. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 44(3), 7748-7763, 2022. https://doi.org/10.10 80/15567036.2022.2116507
K.T. Saraswathi, P. Arumugam, G.V. Swaminathan and S. Periasamy, An artificial neural network-based comprehensive solar photovoltaic emulator. International Journal of Photoenergy, 2022. https://doi. org/10.1155/2022/ 4741428
Y. Wang, C. Yanarates and Z. Zhou, External current source–based unilluminated pv partial shading emulation system verified through the hybrid global search adaptive perturb and observe mppt algorithm. Frontiers in Energy Research, 10, 1, 2022. https:// doi.org/10.3389/fen rg.2022.868951
S. Gürkan ve E. Aytav, Fotovoltaik panel emülatörü tasarımında dijital ikiz kullanımı. Journal of the Institute of Science and Technology, 12(1), 194-206 2022. https://doi.org/10.21597/jist.1008632
D. Ickilli, H. Can, K.S. Parlak, Development of a fpga-based photovoltaic panel emulator based on a dc/dc converter. 38th IEEE photovoltaic specialists conference, pp. 001417-001421, 2012. https://doi.org/ 10.1109/PVS C.2012.6317863

Design and implementation of a model-based PV emulator

Year 2023, , 1109 - 1118, 15.10.2023

Ardan Hüseyin Eşlik , Enes Yıldız , İbrahim Güneş , Kübra Kaysal , Mehmet Yalvaç , Said Mahmut Çınar

https://doi.org/10.28948/ngumuh.1246675

Abstract

Output voltage of Photovoltaic (PV) panels; It varies depending on many different factors such as radiation, temperature, shading. Since such factors vary depending on environmental conditions, it is not possible to re-establish the similar environmental conditions during PV panel tests. However, PV panels emulators can imitate the conditions of that period by using the environmental data presented as input for a certain time period. In this study, a model-based PV panel emulator was created to model the effects of partial shading that may occur on the PV panel. This emulator has a 32-bit microcontroller board and a DC-DC converter with 3 20 cells each, connected by jumper diodes, with a total output power of 250W. The software of the emulator was implemented using MATLAB Simulink models. The designed PV emulator has been tested with four different shading configurations. The data obtained at the end of the experiment were compared with the actual PV panel outputs and simulation results obtained on the MATLAB/Simulink environments. The comparison resulted in an r^2 score value above 0.76 for all shading cases, indicating that the experimental and simulation results are quite close. With its high performance, the emulator facilitates the technological and economic feasibilitie analysis of PV systems to be installed in any area, roof or facade.

Keywords

PV emulator, Partial shading, PV panel, ARM microcontroller, Embedded Systems

References

A. Akgün ve A. Kırçay, PID ve kayan kipli kontrol kullanarak dc motor besleme amaçlı bir pv sistemin tasarlanması. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 7(2), 71-90, 2022. https://doi.org /10.46578/humder.14 1 916
A.I.M. Ali and H.R.A. Mohamed, Improved p&o mppt algorithm with efficient open-circuit voltage estimation for two-stage grid-integrated pv system under realistic solar radiation. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 137, 107805, 2022. https ://doi.org/10.1016/j.ijepes.2021.107805
A. Boucharef, A. Tahri, F. Tahri, S. Silvestre and M. Bourahla, Solar module emulator based on a low-cost microcontroller. Measurement, 187, 110275, 2022. https://doi.org/10.1016/j.measurem e nt.2021.11025
A. Cordeiro, M. Chaves, P. Gâmboa, F. Barata, P. Fonte, H. Lopes and J. Martins, Combining power electronic converters and automation to simulate solar pv systems. 7th International Conference on Smart and Sustainable Technologies, 2022. https://doi.org/10.239 19/SpliTech55088.2022.9854352
O. Doğmuş, E. Kılıc, Ş. Sami ve M. Güneş, PSO algoritması ile optimize edilmiş pid denetleyicinin fotovoltaik mppt sistemine uyarlanması. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 1-8, 2017. https://doi.org/10. 17780/ksujes.362618
G.A. Kumar, Optimal power point tracking of solar and wind energy in a hybrid wind solar energy system. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 13(1), 77-103, 2022. https://doi.org/10. 1007/s40095-021-00399-9
L. L. Carralero, F. F. Costa, A.P. Tahim, PV emulator based on a four-switch buck-boost dc-dc converter. In 2019 IEEE 15th Brazilian Power Electronics Conference and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference, 1-5, 2019. https://doi.org/10.1109/COB EP/SPEC44138.2019.9065364
A. Kaysal, S. Köroğlu, Y. Oğuz, K. Kaysal, Design and experimental implementation of dc-dc converter based self-tuning fuzzy PI controller. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(1), 483-495, 2023. https://doi.org/ 10.17341/gazim mfd.739775.
I. Moussa, A. Bouallegue, A.Khedher, New mppt algorithm modeling for photovoltaic emulator designed in fpga. 2017 International Conference on Green Energy Conversion Systems, pp. 1-7, Hammamet, 23-25 March 2017. https://doi.org/ 10.1109/GECS.2017 .8066205
M. Teke, A.S.M. Al-Arjeeli ve F. Korkmaz, PV sistemler için mppt kontrol cihazı tasarımı ve karşılaştırılması. International Journal of Engineering Research and Development, 15(1), 1-15, 2023. https:// doi.org/10.29137/umagd.1113630
S. Samal, P.K. Barik, R.K. Soni and S. Nayak, Simulation and experimental investigation of a smart mppt based solar charge controller. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 44(3), 7748-7763, 2022. https://doi.org/10.10 80/15567036.2022.2116507
K.T. Saraswathi, P. Arumugam, G.V. Swaminathan and S. Periasamy, An artificial neural network-based comprehensive solar photovoltaic emulator. International Journal of Photoenergy, 2022. https://doi. org/10.1155/2022/ 4741428
Y. Wang, C. Yanarates and Z. Zhou, External current source–based unilluminated pv partial shading emulation system verified through the hybrid global search adaptive perturb and observe mppt algorithm. Frontiers in Energy Research, 10, 1, 2022. https:// doi.org/10.3389/fen rg.2022.868951
S. Gürkan ve E. Aytav, Fotovoltaik panel emülatörü tasarımında dijital ikiz kullanımı. Journal of the Institute of Science and Technology, 12(1), 194-206 2022. https://doi.org/10.21597/jist.1008632
D. Ickilli, H. Can, K.S. Parlak, Development of a fpga-based photovoltaic panel emulator based on a dc/dc converter. 38th IEEE photovoltaic specialists conference, pp. 001417-001421, 2012. https://doi.org/ 10.1109/PVS C.2012.6317863

There are 15 citations in total.

Details

Primary Language	Turkish
Subjects	Electrical Engineering
Journal Section	Articles
Authors	Ardan Hüseyin Eşlik 0000-0002-3495-8490 Enes Yıldız 0000-0001-9116-4980 İbrahim Güneş 0000-0002-6336-5432 Kübra Kaysal 0000-0003-3983-2608 Mehmet Yalvaç 0000-0002-7549-6958 Said Mahmut Çınar 0000-0002-6810-1575
Early Pub Date	August 17, 2023
Publication Date	October 15, 2023
Submission Date	February 2, 2023
Acceptance Date	July 6, 2023
Published in Issue	Year 2023

Cite

APA	Eşlik, A. H., Yıldız, E., Güneş, İ., Kaysal, K., et al. (2023). Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(4), 1109-1118. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1246675
AMA	Eşlik AH, Yıldız E, Güneş İ, Kaysal K, Yalvaç M, Çınar SM. Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi. NÖHÜ Müh. Bilim. Derg. October 2023;12(4):1109-1118. doi:10.28948/ngumuh.1246675
Chicago	Eşlik, Ardan Hüseyin, Enes Yıldız, İbrahim Güneş, Kübra Kaysal, Mehmet Yalvaç, and Said Mahmut Çınar. “Model Tabanlı Bir PV emülatör tasarımı Ve gerçekleştirilmesi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 12, no. 4 (October 2023): 1109-18. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1246675.
EndNote	Eşlik AH, Yıldız E, Güneş İ, Kaysal K, Yalvaç M, Çınar SM (October 1, 2023) Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 12 4 1109–1118.
IEEE	A. H. Eşlik, E. Yıldız, İ. Güneş, K. Kaysal, M. Yalvaç, and S. M. Çınar, “Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi”, NÖHÜ Müh. Bilim. Derg., vol. 12, no. 4, pp. 1109–1118, 2023, doi: 10.28948/ngumuh.1246675.
ISNAD	Eşlik, Ardan Hüseyin et al. “Model Tabanlı Bir PV emülatör tasarımı Ve gerçekleştirilmesi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 12/4 (October 2023), 1109-1118. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1246675.
JAMA	Eşlik AH, Yıldız E, Güneş İ, Kaysal K, Yalvaç M, Çınar SM. Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi. NÖHÜ Müh. Bilim. Derg. 2023;12:1109–1118.
MLA	Eşlik, Ardan Hüseyin et al. “Model Tabanlı Bir PV emülatör tasarımı Ve gerçekleştirilmesi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 12, no. 4, 2023, pp. 1109-18, doi:10.28948/ngumuh.1246675.
Vancouver	Eşlik AH, Yıldız E, Güneş İ, Kaysal K, Yalvaç M, Çınar SM. Model tabanlı bir PV emülatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi. NÖHÜ Müh. Bilim. Derg. 2023;12(4):1109-18.