Yıl 2019, Cilt , Sayı 17, Sayfalar 794 - 802 2019-12-31

Modelling and Control of A High Power Factor Grid Connected PV Sytem Under Varying Irraditions
Yüksek Güç Faktörlü Şebeke Bağlı Bir PV Sistemin Modellenmesi ve Farklı Işınımlar Altında Kontrolü

Erdem AKBOY [1]


Nowadays, energy consumption is rapidly increasing due to developing technology, whereas energy resources are rapidly exhausting. The use of non-renewable resources such as coil, natural gas and uranium e.t.c. is difficult and cost for the generation of electricity. At the same time, because of their carbon content, it causes environmental pollution and global warming. Thus, interest in the use of renewable energy sources for instance solar and wind is increasing. Solar energy is especially preferred due to endless and free solar energy. The energy obtained from the sun can vary depending on irradiation, panel temperature and pollution. There is nonlinear relationship between the voltage and current at the output of the solar panels and the power obtained from the sun changes. For these reasons Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms are being developed to draw maximum energy from a solar panel. Among these algorithms, the most common and easiest application is Perturb and Observe (P&O) method. In this study, modelling and control of a high power factor grid connected solar system under different irraditions and their effects on the grid are investigated. The proposed PV system is constructed by combining a boost converter and a full bridge inverter. At the input of the system, there are many serial solar panes to provide the petitive power and voltage. The boost converter is operated with P&O algorithm to provide MPPT. At the same time, the inverter is operated with Average Current Mode Control (ACMC) to supply current to the grid with high Power Factor (PF). Here, both converters are controlled analogously. For this purpose, a grid connected PV system with 1 kW and 100 kHz switching frequency was established and simulated with PSIM program. In the developed system, 4 panels with 250W-1000 W/m2 irradition properties are connected in series. By operating the system under different irradiation and power values, the control of the system and the effects of the line were examined. In the results obtained, it was observed that under different conditions, the proposed system has a fast dynamic response time depending on the relevant control algorithms and always has high PF on the AC side. 

Günümüzde gelişen teknolojiye bağlı olarak enerji tüketimi hızla artmakta, buna karşılık enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Elektrik enerjisinin üretiminde kullanılan kömür, doğalgaz ve uranyum v.b. yenilenemeyen kaynaklarının kurulumu zordur. Aynı zamanda karbon içeriğine sahip olmaları sebebiyle çevre kirliliğine ve küresel ısınmaya yol açmaktadır. Böylece, güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle, güneş enerjisinin her daim var olan bir enerji olması sebebiyle daha çok tercih edilmektedir.  Güneşten elde edilen enerji ışınıma, panel sıcaklığına ve kirliliğine bağlı olarak değişebilmektedir. Güneş panellerinin çıkışındaki gerilim ve akım arasında nonlineer bir ilişki bulunmakta ve güneşten elde edilen güç sürekli değişmektedir. Bu sebeplerden dolayı, bir güneş panelinden maksimum enerji çekmek üzere Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNT) algoritmaları geliştirilmektedir. Bu algoritmalar arasında en yaygın ve uygulaması en kolay olan Sars ve Gözlemle (S&G) metodudur. Bu çalışmada, yüksek güç faktörlü şebeke bağlı bir PV sistemin modellenmesi ve farklı ışınımlar altında kontrolü ile şebekeye etkileri incelenmiştir. Sunulan PV sistemi, yükseltici tür dönüştürücü ile tam köprü tür inverterin birleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Sistemin girişinde, istenilen güç ve gerilimi sağlamak üzere PV paneller seri olarak bağlanmıştır. Yükseltici tür dönüştürücü, S&G algoritması ile çalıştırılarak MGNT sağlanmaktadır. Aynı zamanda inverter, Ortalama Akım Mod Kontrol (OAMK) yöntemi ile çalıştırılarak, şebekeye yüksek Güç Faktörü (GF) ile akım verilmesi sağlanmaktadır.  Burada her iki devre de analog olarak kontrol edilmektedir. Bu amaçla, 1 kW gücü ve 100 kHz anahtarlama frekansına sahip şebeke bağlı bir PV sistem kurularak, PSIM programı ile simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen sistemde 250 W-1000W/m2 ışınım özelliklerine sahip 4 eş panel seri bağlanmıştır. Farklı ışınım ve güç değerleri altında sistem çalıştırlarak, sistemin kontrolü ile şebeke etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarda farklı koşullar altında hedeflenen sistemin, ilgili kontrol algoritmalarına bağlı olarak hızlı dinamik cevap verme süresine sahip olduğu ve şebeke tarafında her daim yüksek GF elde edildiği gözlemlenmiştir.

  • T. P. Sahu, T. V. Dixit and R. Kumar, “Simulation and analysis of perturb and observe MPPT algortihm for PV array CUK converter,” Advance in Electronic and Electrical Engineering, vol.4, no. 2, pp. 213-224, 2014
  • Z. Erdem, “A review of MPPT algortihms for partial shading conditions”, in Special Issue of the 3rd International Conference on Computational and Experimental Science and Engineering, 2016, Turkey, pp.1128-1133, doi:10.12693/APhysPolA.132.1128
  • A. Chowdhury, T. Rout and Prof. S.Samal,” Analysis of perturbation and observation technique used in maximum power point tracking for photovoltaic systems”, International Journal of Engineering Technology Science and Research, vol.4, no. 11, pp. 99-105, 2017.
  • M. Engin and T. Gülersoy,” Hibrid güç sistemleri için evirici tasarımı,” European Journal of Science and Technology, no. 14, pp. 228-234, 2018. doi: 10.31590/ejosat.429365.
  • B. N. Alajmi and F. A. Alkandari, “Modified perturbation and observation technique for partially shaded photovoltaic systems in microgrids”, Journal of Clean Energy Technologies, vol.4, no.1, pp. 32-35. doi: 10.7763/JOCET.2016.V4.249.
  • K. Kobayashi, I. Takano and Y. Sawada, “A study on a two Stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions,” in IEEE Power Engineering Society General Meeting, vol. 4, 2003, Canada, pp. 2612-2167, doi: 10.1109/PES.2003.1271058
  • X. Liu and L. A. C. Lopes,” An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays” in IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, 2004, Germany, pp.2005-2010. doi: 10.1109/PESC.2004.1355425.
  • L. Ch.-xia and L. Li-qun, “An Improved Perturbation and Observation MPPT Method of Photovoltaic Generate System,” in 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2009, China, pp. 2966-2970, doi: 10.1109/ICIEA.2009.5138752.
  • A. Ajder, A. Durusu and İ. Nakir, “Impact of Climatic Conditions on PV Array's Optimum Tilt Angle,” European Journal of Science and Technology, No. 13, pp. 84-90, 2018. Doi: 10.31590/ ejosat.418559.
  • P. Sivachandran, D. Lakshmi and R. Janani, “Survey of maximum power point tracking techniques in solar PV system under partial shading conditions,” ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol.10, no.1, 2015, pp. 256-264.
  • Y. Jung,. J. So, G. Yu, J. Choi,” Improved perturbation and observation method (IP80) of MPTT control for photovoltaic power systems,” in Conference Record of the Thirty-first IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2005, USA, pp. 1788- 1791 Doi: 10.1109/PVSC.2005.1488498.
  • D. K. Sharma and G. Purohit, “Advanced Perturbation and Observation (P&O) based Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a Solar Photo-Voltaic System,” in IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2012, India, doi: 10.1109/IICPE.2012.6450411.
  • M. A. Abdourraziq, M. Ouassaid, M. Maaroufi, S. Abdourraziq,” Modified P&O MPPT technique for photovoltaic systems,” in International Conference on Renewable Energy Research and Applications, 2014, Spain, pp. 728-733, doi: 10.1109/ICRERA.2013.6749849.
  • P. U. Mankar and R.M. Moharil, “Comparative analysis of the perturb and observe and incremental conductance MPPT methods,” International Journal of Research in Engineering and Applied Sciences, vol.2, no.2, pp. 60-66, 2014.
  • M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson,” Evaluation Of Perturb And Observe Mppt Algorithm Implementation Techniques”, in IEEE conf. on Renewable energy conversion, 2009, Bristol, pp. 1-6. doi: 10.1049/cp.2012.0156.
  • D.Jiandong, X. Ma and S.Tuo, “A variable step size P&O MPPT algorithm for three-phase grid-connected PV systems,” in China International Conference on Electricity Distribution, 2018, China, pp. 1997-2001, doi: 10.1109/CICED.2018.8592040.
  • M. L. Azad, S. Dasb, P. K. Sadhu, B. Satpati , A. Guptab, P. Arvindb, “P&O algorithm based MPPT technique for solar PV System under different weather conditions,” in International Conference on circuits Power and Computing Technologies, 2017, India, Doi: 10.1109/ICCPCT.2017.8074225.
  • I. W.Christopher and Dr. R. Ramesh, “Comparative study of P&O and InC MPPT algorithms,” American Journal of Engineering Research (AJER),vol.2, no.12, pp.402-408, 2013.
  • T. Esram, and P. L. Chapman, “Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, no.2, pp. 439 – 449, 2007.doi: 10.1109/TEC.2006.874230.
  • J. Gosumbonggota,” Maximum power point tracking method using perturb and observe algorithm for small scale DC voltage converter,” in International Electrical Engineering Congress, Karachi, 2016, doi: 10.1016/j.procs.2016.05.065
Birincil Dil en
Konular Mühendislik
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Orcid: 0000-0002-1030-9816
Yazar: Erdem AKBOY (Sorumlu Yazar)
Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği
Ülke: Turkey


Tarihler

Yayımlanma Tarihi : 31 Aralık 2019

APA Akboy, E . (2019). Modelling and Control of A High Power Factor Grid Connected PV Sytem Under Varying Irraditions . Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi , (17) , 794-802 . DOI: 10.31590/ejosat.627188