Development of a new PV simulator structure for modelling PV arrays

Year 2018, , 688 - 694, 01.04.2018

Ersoy Beşer

https://doi.org/10.16984/saufenbilder.291987

Abstract

Current
(I) - voltage (V) and power (P) – voltage (V) characteristics of Photovoltaic
(PV) systems using solar cell or array depend on weather conditions. In order
to test MPP trackers or MPPT algorithms in repeatable laboratory conditions,
researchers need equipment that gives a realistic data similar to output
characteristic of solar cell or array (PV panel). This equipment is defined as
a PV simulator in the literature. In this study, a new PV simulator structure
is proposed for modelling PV panels in laboratory environment. The proposed PV
simulator basically consists of series connected cascaded modules. The
significant feature of the PV simulator is being suitable for increasing the module
number easily. Thus the level number of the output voltage increases in the
simulator. Due to this feature, I-V curve of the simulator quite resembles the
I-V curve of PV panel desired to be modelled. In order to show the performance
of the proposed structure, a simulation study was carried out. First, I-V data
of a real PV panel was loaded to the simulation program. The necessary
switching signals were generated in the simulation program for PV simulator by
using an actual I-V data. I-V and P-V curves were obtained for 5 and 6 module
condition and results were compared to the curves of the sample PV panel. I-V
and P-V curves were also obtained for different solar irradiance values and
partial shaded conditions. By increase of the module number I-V and P-V curves
of the PV simulator and sample PV panel quite resemble each other. The proposed
structure is suitable for operating as a PV simulator. Both the simulator has a
modular structure and the results are considered, it is seen that the proposed
simulator is convenient for using at high voltage and power applications.

Keywords

PV simulator, photovoltaic simulator, I-V curve, P-V curve, partial shaded

FV Panellerin Modellenmesi için Geliştirilen Yeni Bir FV Simülatör Yapısı

Abstract

 Güneş
hücresi veya dizisi kullanan Fotovoltaik (FV) sistemlerin akım (I) – gerilim
(V) ve güç (P) – gerilim (V) karakteristikleri hava koşullarına bağlıdır.
Araştırmacıların, tekrarlanabilen laboratuvar koşullarında maksimum güç
izleyici veya izleyici algoritmalarının performanslarını tespit edebilmeleri
amacıyla güneş hücresi veya dizisinin (FV panel) çıkış karakteristiğine
benzeyen ve gerçekçi verileri verebilen yardımcı bir ekipmana ihtiyaçları
vardır. Bu ekipmana literatürde FV simülatör
adı verilmektedir. Bu çalışmada, FV panellerin laboratuvar ortamında
modellenmesi için geliştirilen yeni bir FV simülatör yapısı önerilmiştir.
Önerilen FV simülatör seri bağlı kaskat modüllerden meydana gelmektedir. FV
simülatörün en belirgin özelliği modül sayısının kolaylıkla
arttırılabilmesidir. Böylece FV simülatörün çıkış geriliminin seviye sayısı artmaktadır.
Bu özellik sayesinde FV simülatörün I-V eğrisi, modellenmek istenen gerçek FV panelin
I-V eğrisine daha çok benzemektedir. Önerilen yapının performansını göstermek
amacıyla bir simülasyon çalışması yapılmıştır. Simülasyon çalışmasında, ilk
önce gerçek bir FV panelin I-V verileri simülasyon programına yüklenmiştir.
Gerçek I-V verileri kullanılarak FV simülatör için gerekli anahtarlama
sinyalleri simülasyon programında oluşturulmuştur. 5 ve 6 modüllü durum için FV
simülatörün I-V ve P-V eğrileri elde edilmiş ve gerçek FV panelin eğrileri ile
karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı güneş ışınımları ve parçalı gölgelenme
durumları için de I-V ve P-V eğrileri elde edilmiş ve sonuçları verilmiştir.
Modül sayısı arttıkça gerçek FV panel ile önerilen FV simülatörün I-V ve P-V
eğrileri birbirine çok yakın çıkmaktadır.  Önerilen yapının FV simülatör olarak
kullanılması oldukça uygundur. Gerek modüler yapıya sahip olması gerekse elde
edilen sonuçlar dikkate alındığında, önerilen simülatörün yüksek gerilim ve güç
uygulamalarında kullanılmaya elverişli olduğu görülmektedir

Keywords

FV simülatör, Fotovoltaik simülatör, I-V Eğrisi, P-V Eğrisi, Parçalı Gölgelenme

References

• [1] C. H. Chang, E. C. Chang and E. L. Cheng, "A High-Efficiency Solar Array Simulator Implemented by an LLC Resonant DC–DC Converter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 6, pp. 3039-3046, 2013.
• [2] H. Lee, M. J. Lee, S. N. Lee, H. Lee, H. Nam and S. Park, "Development of Photovoltaic Simulator based on DC-DC Converter," in International Telecommunications Energy Conference - INTELEC, 2009.
• [3] A. Koran, K. Sano, R. Y. Kim and J. S. Lai, "Design of a Photovoltaic Simulator with a Novel Reference Signal Generator and Two-Stage LC Output Filter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 5, pp. 1331-1338, 2010.
• [4] Z. G. Piao, S. J. Gong, Y. H. An and G. B. Cho, "A Study on the PV Simulator using Equivalent Circuit Model and Look-up Table Hybrid Method," in International Conference on Electrical Machines and Systems, 2013.
• [5] C. H. Chang, C. A. Cheng and H. L. Cheng, "Modeling and Design of the LLC Resonant Converter Used as a Solar-Array Simulator," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 2, no. 4, pp. 833-841, 2014.
• [6] J. P. Lee, B. D. Min, T. Kim and J. Kim, "Development of a Photovoltaic Simulator with Novel Simulation Method of Photovoltaic Characteristics," in 31st International Telecommunications Energy Conference - INTELEC, 2009.
• [7] H. Qi, Y. Bi and Y. Wu, "Development of Photovoltaic Array Simulator Based on Buck Convertor," in International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering - ISEEE, 2014.
• [8] Y. Li, T. Lee, F. Z. Peng and D. Liu, "A Hybrid Control Strategy for Photovoltaic Simulator," in Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, 2009.
• [9] P. Vongkoon and P. Liutanakul, "Digital R-S-T Controller for Current Loop Control of DC/DC Buck Converter: A Photovoltaic (PV) Array Simulator under Partial Shading Condition," in 9th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology - ECTI-CON, 2012.
• [10] J. Zhao and Z. W. Kimball, "A Digitally Implemented Photovoltaic Simulator with a Double Current Mode Controller," in Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics and Exposition - APEC, 2012.
• [11] A. F. Cupertino, G. V. Santos, H. A. Pereira, S. Silva and V. Mendes, "Modeling and Control of a Flexible Photovoltaic Array Simulator," in IEEE 24th International Symposium on Industrial Electronics - ISIE, 2015.
• [12] D. D. C. Lu and Q. Y. Nguyen, "A photovoltaic panel emulator using a buck-boost DC/DC converter and a low cost micro-controller," Solar Energy, pp. 1477-1484, 2012.