MPPT Based Three Phase Inverter Design for Solar Irrigation Systems

Öz

Today, as a replacement for fossil-based generation, renewable energy sources have become more significant in the modern world. One of these sources, photovoltaic systems (PV), which use solar energy, has been a growing technique recently. Due to their numerous benefits, In this study, a system design and simulation has been made for agricultural irrigation systems, which are among the usage areas of PV systems. In order to use the PV system in the most efficient way, the MPPT algorithms, the IC algorithm and the P&O algorithm have developed and compared. A single-stage inverter is designed without a DC-DC converter in order to transfer the maximum power obtained from the PV panels. The proposed algorithms efficiently transfer the maximum power that the PV panels can be obtained under various solar irradiation conditions (between 200 and 1000 W/m2) to the system. The irrigation system with a 3 kW three-phase induction motor is simulated using the PSIM, and the results are shown in comparison, in order to assess the performance of the proposed system.

Anahtar Kelimeler

• Photovoltaic Systems
• Solar Irrigation
• Induction Motor
• MPPT
• PSIM

Proje Numarası

BAP-22-1004-007

Solar Sulama Sistemleri için MPPT tabanlı Üç Fazlı Evirici Tasarımı

Öz

Günümüzde fosil kaynaklı üretime alternatif olarak yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Bu kaynaklar arasında yer alan güneş enerjisini kullanan fotovoltaik sistemler (PV) son dönemlerde gelişen bir yöntem olmuştur. Bu çalışmada da PV sistemlerin kullanım alanları arasında yer alan tarımsal sulama sistemleri için bir sistem tasarımı ve benzetimi yapılmıştır. PV sistemin en verimli şekilde kullanılması için MPPT algoritmalarından IC algoritması ve P&O algoritması geliştirilmiş ve karşılaştırılmıştır. PV panellerden elde edilen maksimum gücün aktarımı için ayrıca bir DC-DC dönüştürücü kullanılmadan tek aşamalı bir evirici tasarlanmıştır. Geliştirilen algoritmalar ile 200 - 1000 W/m² arasında farklı güneş radyasyonu altında PV panellerden elde edilebilecek maksimum güç sisteme yüksek verimlilikle aktarılmıştır. Önerilen sistemin performansını değerlendirmek için 3 kW’lık üç fazlı asenkron motora sahip sulama sisteminin benzetimi PSIM programı kullanılarak yapılmış ve sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Fotovoltaik Sistemler
• Solar Sulama
• Asenkron Motor
• MPPT
• PSIM

Destekleyen Kurum

Bandırma Onyedi Eylül Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Proje Numarası

BAP-22-1004-007

Kaynakça

1. C. Şahin, M. Karaçor and H. Özbay “Yenilenebilir enerji kaynağı kurulum gücü minimize katsayısının belirlenmesi”, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi vol. 15, pp. 404-411, 2019.
2. O. Bingöl, and B., Özkaya “A comprehensive overview of soft computing based MPPT techniques for partial shading conditions in PV systems,” Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, vol. 7, no. 4, pp. 926-939, 2019.
3. R. Şenol “Tarımsal sulama ve güneş enerjisi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 27, no. 3, pp. 519 – 526, 2012.
4. A. Karafil, H. Özbay, M. Kesler “Sıcaklık ve Güneş Işınım Değişimlerinin Fotovoltaik Panel Gücü Üzerindeki Etkilerinin Simülasyon Analizi,” Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 2016.
5. İ. Yavuz, and H. Özbay “Rüzgar Türbinlerinde Kurulum ve Bakım Süreçleri: Bandırma Örneği”, Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi vol. 2, no. 2, pp. 58-68, 2020.
6. F., Kantaroğlu, “Fotovoltaik sistemler”, Türk Tesisat Mühendisleri Derneği, TTMD, 2010.
7. A.A. Esmeail, S. Öncü, N. Altın “MPPT controlled three phase PV supplied water pumping system”, 13th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence, IEEE, pp. 1-5, 2021.
8. T. Ramesh “Solar powered based water pumping system using perturb and observation MPPT technique,” In 2018 IEEE International Students' Conference on Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS), pp. 1-6, IEEE, 2018.

9. M.A. Eltawil, Z. Zhao “MPPT Techniques for Photovoltaic Applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 25, pp. 793-813, 2013.
10. I.K. Abdul-Razzaq, M.M.F. Sakr, Y.G. Rashid “Comparison of PV panels MPPT techniques applied to solar water pumping system”, International Journal of Power Electronics and Drive Systems, vol. 12, no. 3, pp. 1813-1822, 2021.
11. C. Sachin, and K.B. Shah “Solar photovoltaic fed induction motor for water pumping system using MPPT algorithm”, Int. J. Electr. Electron. Eng, vol. 7, no. 3, pp. 31-42, 2018..
12. S.S., Chandel, M.N. Naik, and R. Chandel “Review of solar photovoltaic water pumping system technology for irrigation and community drinking water supplies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 1084-1099, 2015.
13. H. Özbay, S. Öncü, and M. Kesler “SMC-DPC based active and reactive power control of grid-tied three phase inverter for PV systems”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, no. 28, pp. 17713-17722, 2017.
14. O.N. Mahmmoud, S.R. Mehdi, K.S. Gaeid, and A.L. S. Al-Tameemi “Solar cell split source inverter for induction motor with computer control”, International Journal of Power Electronics and Drive Systems, vol. 14, no. 1, pp. 174-184, 2023.
15. Y.E. Keskin, M.E. Başoğlu, İ.G. Tekdemir, B. Çakır “Fotovoltaik Sistemlerde Değiştir Gözle ve Artan İletkenlik Algoritmalarının Karşılaştırılması”, Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, pp. 91-95, 2014.
16. H. Özbay “Rezonans Dönüştürücülü Fotovoltaik Batarya Şarj Sistemi”, Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi vol. 2, no. 1, pp. 11-20, 2020.
17. U. Badak, A.B. Yıldız “Maksimum Güç Noktası İzleyici Algoritmalarının Verim, Salınım Miktarı ve Yakınsama Süresi Açısından Karşılaştırılması,” Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, vol. 21, pp. 463-472, 2021.
18. A. Loukriz, H. Mourad and M. Sabir “Simulation and experimental design of a new advanced variable step size Incremental Conductance MPPT algorithm for PV systems”, ISA transactions vol. 62, pp. 30-38, 2016.
19. H. Özbay “PSIM simulation of flyback converter for P and O and IC MPPT algorithms”, European Journal of Engineering and Natural Sciences, vol. 2, no. 1, pp. 204-209, 2017.
20. H. Alrajoubi, S. Öncü, S. Kivrak “An MPPT Controlled BLDC Motor Driven Water Pumping System”, 10th International Conference on Renewable Energy Research and Application (ICRERA), pp. 116-119, 2021.
21. A. Karakaya “Asenkron Motorun Modellenmesi ve Modern Denetim Yöntemleri ile Hız Analizi”, Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, vol. 7, no. 2, pp. 497-502, 2017.
22. A.Y. Yousef, and S.M. Abdelmaksoud “Review on field oriented control of induction motor”, Int. J. Res. Emerg. Sci. Technol, vol. 2, pp. 5-16, 2015.
23. A. Pal, S. Das, and A.K. Chattopadhyay “An improved rotor flux space vector based MRAS for field-oriented control of induction motor drives”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 6, pp. 5131-5141, 2017.
24. I.M. Mehedi, N. Saad, M.A. Magzoub, U.M. Al-Saggaf, and A.H. Milyani “Simulation analysis and experimental evaluation of improved field-oriented controlled induction motors incorporating intelligent controllers”, IEEE Access, vol. 10, pp. 18380-18394, 2022.
25. S. Özdemir, N. Altin, I. Sefa, and G. Bal “PV supplied single stage MPPT inverter for induction motor actuated ventilation systems” elektronika ir elektrotechnika, vol. 20, no. 5, pp. 116-122, 2014.